RU215852U1

RU215852U1 - Autonomous well recorder

Info

Publication number: RU215852U1
Application number: RU2022123514U
Authority: RU
Inventors: Алексей Владимирович Ванягин; Евгений Владимирович Лебедев; Виктор Юрьевич Беляков; Михаил Сергеевич Дерябин; Дмитрий Альбертович Касьянов; Динис Рушанович Шакуров
Original assignee: Акционерное общество "Научно-производственная фирма "Геофизика" (АО НПФ "Геофизика")
Filing date: 2022-09-01
Publication date: 2022-12-29

Abstract

Область применения: измерительное оборудование, в частности скважинные регистраторы шумовых событий, возникающих в процессе бурения скважин. Сущность полезной модели: автономный скважинный регистратор представляет собой корпус 1 переводника, оснащенный муфтовыми резьбами 2 для встраивания в состав бурильной колонны, с отверстием 3 для прохода буровой жидкости. За счет аксиального смещения отверстия 3 относительно оси симметрии переводника в незанятой отверстием части корпуса 1 ниже муфтовой резьбы 2 встроен сервисный разъем 4 и выполнены сообщающиеся между собой углубления 6, в одном из которых встроен батарейный модуль 8, а во втором - электронная плата управления 9 с фильтром высоких частот 10, датчики температуры 12 и давления 13 и блок акустических датчиков 11, осуществляющих измерения по трем ортогональным координатам, одна из которых параллельна оси бурильной колонны. Батарейный модуль 8 электрически связан с электронной платой управления 9, которая состыкована с сервисным разъемом 4. Углубления с установленными в них элементами герметично закрываются крышками 5. Преимущества полезной модели: конструкция устройства обеспечивает возможность использования скважинного переходника, встраиваемого в состав бурильной колонны посредством резьбовых муфтовых соединений, в качестве автономного скважинного регистратора, расширяя функциональные возможности устройства. 1 ил.

Scope: measuring equipment, in particular downhole recorders of noise events that occur during well drilling. The essence of the utility model: an autonomous downhole recorder is a body 1 of the sub, equipped with coupling threads 2 for embedding in the drill string, with an opening 3 for the passage of drilling fluid. Due to the axial displacement of the hole 3 relative to the axis of symmetry of the sub, in the unoccupied part of the body 1 below the coupling thread 2, a service connector 4 is built in and interconnected recesses 6 are made, in one of which the battery module 8 is built, and in the second - the electronic control board 9 with high-pass filter 10, temperature sensors 12 and pressure 13 and a block of acoustic sensors 11, which measure in three orthogonal coordinates, one of which is parallel to the axis of the drill string. The battery module 8 is electrically connected to the electronic control board 9, which is docked with the service connector 4. The recesses with the elements installed in them are hermetically sealed with covers 5. Advantages of the utility model: the design of the device makes it possible to use a downhole adapter built into the drill string by means of threaded coupling connections , as a stand-alone downhole recorder, expanding the functionality of the device. 1 ill.

Description

Полезная модель относится к измерительному оборудованию, в частности к скважинным регистраторам шумовых событий, возникающих в процессе бурения скважин.The utility model relates to measuring equipment, in particular to downhole recorders of noise events that occur during well drilling.

Такие устройства чрезвычайно полезны для отслеживания и исследования параметров процесса бурения для каждой скважины, для контроля состояния бурильного оборудования, для оптимизации режимов работы бурильной колонны и предотвращения аварийных ситуаций.Such devices are extremely useful for monitoring and studying the parameters of the drilling process for each well, for monitoring the condition of drilling equipment, for optimizing the operating modes of the drill string and preventing emergencies.

Из уровня техники известны серийно выпускаемые устройства спектральной шумометрии, осуществляющие регистрацию акустических шумов в скважине. Так, например, спектральный шумомер аппаратуры «ГРАНИТ» (модуль Приток-С) (https://www.karotazh.ru/sites/default/files/files/article/noise_spectrometr.pdf) производит регистрацию акустических сигналов в частотной полосе от 100 до 25000 Гц. Спектральный шумомер SNM (www.gisns.ru/services-and-products/well-logging/snm/), в котором в качестве чувствительного элемента используется гидрофон, осуществляет регистрацию акустических сигналов в диапазоне частот до 100 кГц. Оба этих устройства способны осуществлять работу в автономном режиме, однако эти приборы не записывают сигнал во временной области, так как сигнал регистрируется в частотных поддиапазонах, что сильно снижает информативность получаемых данных.From the prior art commercially available spectral noise logging devices that record acoustic noise in a well are known. So, for example, the spectral sound level meter of the GRANIT equipment (Pritok-S module) (https://www.karotazh.ru/sites/default/files/files/article/noise_spectrometr.pdf) registers acoustic signals in the frequency band from 100 up to 25000 Hz. The SNM spectral sound level meter (www.gisns.ru/services-and-products/well-logging/snm/), which uses a hydrophone as a sensitive element, registers acoustic signals in the frequency range up to 100 kHz. Both of these devices are able to work offline, however, these devices do not record the signal in the time domain, since the signal is recorded in the frequency subbands, which greatly reduces the information content of the received data.

Известна аппаратура спектральной шумометрии SNL-HD (Геология. Геофизика. Бурение, 2016, т.15, №2, 8-12), которая регистрирует акустический сигнал в широком диапазоне частот до 60 кГц и записывает в память временной сигнал. Прибор регистрирует сигнал внутри скважины, именно в жидкости. В качестве чувствительного элемента используется распределенный гидрофон. В приборе имеется модуль памяти и элементы питания. Прибор может осуществлять работу в автономном режиме в течение 72 часов.Known equipment for spectral noise SNL-HD (Geology. Geophysics. Drilling, 2016, vol. 15, No. 2, 8-12), which registers an acoustic signal in a wide frequency range up to 60 kHz and stores a temporary signal in memory. The device registers the signal inside the well, namely in the liquid. A distributed hydrophone is used as a sensitive element. The device has a memory module and batteries. The device can work offline for 72 hours.

Известен способ контроля процесса бурения наклонно-горизонтальных скважин (RU, №2617750, E21В 44/00, 2017), в конструкции для реализации которого используется расположенный в корпусе переводника трехкоординатный акселерометр, применяемый для определения среднего темпа повышенных ударных нагрузок по каждой из осей акселерометра и общего числа превышений пороговых значений ускорения в процессе бурения. При этом не производится запись полученных данных во временной области, ни в частотной. То есть устройство решает узкую задачу контроля положения ствола скважины относительно границ продуктивного пласта-коллектора при управлении процессом бурения скважин. Кроме того, устройство жестко встроено в состав бурильной колонны и не является автономным.A known method for controlling the process of drilling inclined-horizontal wells (RU, No. 2617750, E21B 44/00, 2017), in the design for which a three-coordinate accelerometer located in the body of the sub is used, is used to determine the average rate of increased shock loads along each of the axes of the accelerometer and the total number of acceleration threshold exceedances during drilling. This does not record the received data in the time domain, nor in the frequency domain. That is, the device solves the narrow problem of controlling the position of the wellbore relative to the boundaries of the productive reservoir when controlling the process of drilling wells. In addition, the device is rigidly built into the drill string and is not autonomous.

Основными недостатками приведенных выше аналогов является ограничение их функциональных возможностей, так как с их помощью осуществляют исключительно геофизические исследования. Известные устройства не предназначены для работы в скважине в процессе бурения и не могут быть встроены в состав бурильной колонны. Кроме того известные устройства обладают небольшой продолжительностью работы.The main disadvantages of the above analogues is the limitation of their functionality, since they are used exclusively for geophysical research. Known devices are not designed to work in a well during drilling and cannot be built into the drill string. In addition, the known devices have a short duration of operation.

Задачей предлагаемой полезной модели является создание скважинного регистратора, способного осуществлять работу в составе бурильной колонны в автономном режиме.The objective of the proposed utility model is to create a downhole recorder capable of operating as part of a drill string in offline mode.

Поставленная задача решается следующим образом.The problem is solved in the following way.

В автономном скважинном регистраторе в виде переводника, содержащего корпус с муфтовыми резьбами на концах для встраивания в состав бурильной колонны, отверстие по оси корпуса для прохода бурового раствора и установленные внутри корпуса электронный модуль с датчиками контроля бурения и регистратором акустических сигналов по трем координатам, согласно полезной модели отверстие для прохода бурового раствора аксиально смещено относительно продольной оси корпуса, в области корпуса, свободной от отверстия, вдоль продольной оси выполнены две сообщающиеся полости в виде углублений, герметично закрывающихся крышками, в одной из полостей установлен батарейный модуль, а в другой - электронная плата управления, дополнительно оснащенная фильтром высоких частот, блок акустических датчиков, датчик температуры и датчик давления, установленный с возможностью контакта с буровым раствором внутри отверстии. При этом корпус дополнительно оснащен сервисным разъемом, установленным ниже муфтовой резьбы и стыкующимся с электронной платой управления.In a self-contained downhole recorder in the form of a sub, containing a body with socket threads at the ends for embedding into the drill string, a hole along the axis of the body for the passage of drilling fluid and an electronic module installed inside the body with drilling control sensors and an acoustic signal recorder in three coordinates, according to the useful model, the hole for the passage of drilling fluid is axially displaced relative to the longitudinal axis of the housing, in the area of the housing free from the hole, along the longitudinal axis, two communicating cavities are made in the form of recesses, hermetically sealed with lids, a battery module is installed in one of the cavities, and an electronic board is installed in the other control, additionally equipped with a high-pass filter, a block of acoustic sensors, a temperature sensor and a pressure sensor installed with the possibility of contact with the drilling fluid inside the hole. At the same time, the case is additionally equipped with a service connector installed below the coupling thread and mating with the electronic control board.

Отличительные особенности предложенной полезной модели заключаются в следующем:The salient features of the proposed utility model are as follows:

- смещение отверстия для прохода бурового раствора аксиально относительно продольной оси корпуса позволяет выделить больше места для выполнения полостей для встраивания в корпус батарейного блока и элементов контроля параметров бурения (электронной платы управления, блока акустических датчиков, датчика температуры, датчика давления);- displacement of the opening for the passage of drilling fluid axially relative to the longitudinal axis of the body allows you to allocate more space for making cavities for embedding the battery pack and drilling parameters control elements (electronic control board, acoustic sensor unit, temperature sensor, pressure sensor) into the body;

- наличие крышек, герметично закрывающих полости корпуса с встроенными в них батарейным блоком и элементами контроля параметров бурения (электронной платы управления, блоком акустических датчиков, датчиком температуры, датчиком давления) обеспечивают защиту последних от внешних воздействий скважинной среды, снижающих их работоспособность и точность измерений;- the presence of covers that hermetically close the cavities of the body with a built-in battery pack and drilling parameters control elements (electronic control board, acoustic sensor unit, temperature sensor, pressure sensor) protect the latter from external influences of the well environment, which reduce their performance and measurement accuracy;

- наличие сервисного разъема обеспечивает возможность запуска работы электронной платы управления и считывание записанных данных из ее внутренней памяти по окончании работ без вскрытия полостей;- the presence of a service connector provides the ability to start the operation of the electronic control board and read the recorded data from its internal memory upon completion of work without opening the cavities;

- из практики известно, что акустические шумы в скважине, образующиеся в процессе бурения, существенно отличаются в зависимости от конкретной операции бурения. Низкочастотные шумы практически при всех операциях во время бурения в среднем существенно преобладает над высокочастотными шумами. Исключением является операция наращивания, при которой шумовые всплески появляются практически во всей частотной полосе регистрации. При этом практически все операции во время бурения скважины сопровождаются высокочастотными ударами (всплесками), имеющими спектральные компоненты, попадающие в диапазон от 10 до 25 кГц. Характерная длительность ударов составляет 1-10 мс. Средняя периодичность ударов составляет не чаще 1 удара в секунду. Наиболее часто ударные воздействия наблюдаются во время операции бурения ротором. Характерная амплитуда регистрируемых ударов составляет 100-200 м/с², максимальная амплитуда удара 750 м/с² зарегистрирована в процессе операции проработки. В предлагаемой полезной модели наличие фильтра высоких частот в электронной плате управления с характерной частотой среза в 1 кГц позволяет повысить эффективность регистрации высокочастотных сигналов на фоне интенсивных низкочастотных шумов, возникающих в процессе бурения;- it is known from practice that acoustic noise in the well, generated during the drilling process, differs significantly depending on the specific drilling operation. Low-frequency noise during almost all operations during drilling, on average, significantly prevails over high-frequency noise. An exception is the increase operation, in which noise bursts appear in almost the entire frequency band of registration. At the same time, almost all operations during well drilling are accompanied by high-frequency shocks (bursts) with spectral components falling in the range from 10 to 25 kHz. The characteristic duration of strokes is 1–10 ms. The average frequency of strikes is no more than 1 beat per second. The most common impact impacts are observed during a rotary drilling operation. The characteristic amplitude of recorded impacts is 100-200 m/s ² , the maximum impact amplitude of 750 m/s ² was registered during the working operation. In the proposed utility model, the presence of a high-pass filter in the electronic control board with a characteristic cutoff frequency of 1 kHz makes it possible to increase the efficiency of recording high-frequency signals against the background of intense low-frequency noise that occurs during drilling;

- предложенная конструкция скважинного переводника, оснащенного сервисным разъемом и герметичными полостями в корпусе с установленными в них батарейным блоком и элементами контроля параметров бурения (электронной платы управления, блока акустических датчиков, датчика температуры, датчика давления), обеспечивает возможность использования его в качестве автономного скважинного регистратора, встраиваемого в состав бурильной колонны посредством резьбовых муфтовых соединений.- the proposed design of a downhole sub equipped with a service connector and sealed cavities in the body with a battery pack and drilling parameters control elements installed in them (electronic control board, acoustic sensor unit, temperature sensor, pressure sensor), provides the possibility of using it as a stand-alone downhole recorder built into the drill string by means of threaded coupling connections.

Предлагаемая полезная модель соответствует критерию «промышленная применимость», поскольку отличается простотой и надежностью конструкции и для ее практической реализации не требуется специальных материалов и оборудования.The proposed utility model meets the criterion of "industrial applicability", since it is simple and reliable in design and does not require special materials and equipment for its practical implementation.

На фиг. 1 представлен вариант конструкции автономного скважинного регистратора.In FIG. 1 shows a variant of the design of an autonomous downhole recorder.

Автономный скважинный регистратор содержит 1 - корпус переводника, 2 - муфтовые резьбы, 3 - сквозное отверстие для прохода бурового раствора, 4 - сервисный разъем, 5 - углубления, 6 - канал, 7 - крышки, 8 - батарейный модуль, 9 - электронную плату управления, 10 - фильтр высоких частот, 11 - блок акустических датчиков, 12 - датчик давления, 13 - датчик температуры.Autonomous downhole recorder contains 1 - body of the sub, 2 - coupling threads, 3 - through hole for the passage of drilling fluid, 4 - service connector, 5 - recesses, 6 - channel, 7 - covers, 8 - battery module, 9 - electronic control board , 10 - high-pass filter, 11 - block of acoustic sensors, 12 - pressure sensor, 13 - temperature sensor.

Автономный скважинный регистратор представляет собой корпус переводника 1 с муфтовыми резьбами 2, в котором выполнено смещенное относительно оси симметрии корпуса 1 отверстие 3 для прохода бурового раствора. За счет смещения отверстия 3 в свободной части корпуса переводника 1 ниже муфтовой резьбы 2 установлен сервисный разъем 4, сообщающийся с герметичной полостью, образованной сообщающимися между собой посредством канала (проточки) 6 углублениями 5 в теле корпуса, закрываемыми крышками 7. В одной герметичной полости установлен батарейный модуль 8, а в другой - электронная плата управления 9 с фильтром высоких частот 10, блок акустических датчиков 11 и датчик температуры 13, прикрепленный к внутренней стенке корпуса 1. В этой же полости установлен датчик давления 12 с возможностью контакта с буровым раствором, проходящим сквозь отверстие 3. Батарейный модуль 8 через проточку 6 электрически связан с электронной платой управления 9, которая состыковывается с сервисным разъемом 4.The stand-alone downhole recorder is a body of the sub 1 with socket threads 2, in which a hole 3 is displaced relative to the axis of symmetry of the body 1 for the passage of drilling mud. Due to the displacement of the hole 3 in the free part of the body of the sub 1 below the coupling thread 2, a service connector 4 is installed, communicating with a sealed cavity formed by recesses 5 communicating with each other through a channel (groove) 5 in the body of the body, closed by covers 7. battery module 8, and in the other - an electronic control board 9 with a high-pass filter 10, a block of acoustic sensors 11 and a temperature sensor 13 attached to the inner wall of the housing 1. A pressure sensor 12 is installed in the same cavity with the possibility of contact with the drilling fluid passing through through the hole 3. The battery module 8 through the groove 6 is electrically connected to the electronic control board 9, which docks with the service connector 4.

Предложенное устройство осуществляет работу следующим образом: в свое углубление 5 в корпусе 1 переводника устанавливается батарейный модуль 8. Во втором углублении 5 устанавливаются электронная плата управления 9 с фильтром высоких частот 10, блок акустических датчиков 11, датчик температуры 13 и датчик давления 12. Электронная плата управления 9 состыковывается к сервисному разъему 4. Батарейный модуль 8 подключается к электронной плате управления 9 посредством проводов, пропущенных по каналу 6. Далее оба углубления 5 герметично закрываются крышками 7 (элементы уплотнения и креплений на фиг. 1 не указаны). Крышки 7 обеспечивают защиту батарейного модуля 8 и элементы контроля параметров бурения (электронную плату управления 9, блок акустических датчиков 11 и датчика давления 12 и датчика температуры 13) от внешних воздействий скважинной среды. Через сервисный разъем 4 электронной плате управления 9 задается команда на запуск работы скважинного регистратора в определенный момент времени (в конструкции реализована, в том числе, возможность отложенного запуска). Устройство готово к работе.The proposed device operates as follows: a battery module 8 is installed in its recess 5 in the housing 1 of the sub. In the second recess 5, an electronic control board 9 with a high-pass filter 10, an acoustic sensor unit 11, a temperature sensor 13 and a pressure sensor 12 are installed. control 9 is docked to the service connector 4. The battery module 8 is connected to the electronic control board 9 through wires passed through the channel 6. Then both recesses 5 are hermetically sealed with covers 7 (seal and fastening elements are not shown in Fig. 1). Covers 7 provide protection for the battery module 8 and drilling parameters control elements (electronic control board 9, acoustic sensors unit 11 and pressure sensor 12 and temperature sensor 13) from external influences of the downhole environment. Through the service connector 4, the electronic control board 9 is given a command to start the operation of the downhole recorder at a certain point in time (the design includes, among other things, the possibility of a delayed start). The device is ready to work.

Посредством муфтовых резьб 2 производится установка скважинного автономного регистратора в бурильную колонну. В процессе работы бурильной колонны через отверстие 3 корпуса 1 осуществляется свободное прохождение потока бурового раствора. В заданный момент времени электронной платой управления 9 запускается начало регистрации и записи данных. Во внутреннюю память электронной платы управления 9 записываются данные соответственно - от блока акустических датчиков 11 регистрируются акустические сигналы во временной области в полосе частот до 25 кГц по трем ортогональным координатам, одна из которых параллельна оси бурильной колонны (в предложенном варианте конструкции регистрация акустических сигналов производится трехкомпонентным блоком акустических датчиков 11, состоящим из трех миниатюрных однокомпонентных акселерометров (на фиг. 1 не показаны). От датчика давления 12 регистрируется данные давления внутри переводника в диапазоне до 100 МПа; от датчика температуры 13 регистрируется температура корпуса переводника 1 в диапазоне от - 60°С до +150°С. Температура корпуса 1 переводника и внутреннее давление регистрируются для привязки регистрируемых акустических сигналов блока акустических датчиков 11 к внешним физическим процессам. Электронная плата управления 9 осуществляет работу устройства по обеспечению регистрации данных в процессе бурения и запись данных во внутреннюю память. При этом фильтром высоких частот 10 электронной платы управления 9 с характерной частотой среза в 1 кГц обеспечивается регистрация высокочастотных сигналов на фоне интенсивных низкочастотных шумов, возникающих в процессе бурения. Получаемая в процессе бурения информация об акустических сигналах вместе с данными о температуре и внутреннем давлении позволяет исследовать акустические шумовые характеристики при разных операциях бурения в широком частотном диапазоне, а также корректно идентифицировать эти операции.By means of coupling threads 2, an autonomous downhole recorder is installed in the drill string. During the operation of the drill string through the hole 3 of the housing 1 is the free passage of the flow of the drilling fluid. At a given point in time, the electronic control board 9 starts recording and recording data. Data is recorded in the internal memory of the electronic control board 9, respectively - from the acoustic sensor unit 11, acoustic signals are recorded in the time domain in the frequency band up to 25 kHz along three orthogonal coordinates, one of which is parallel to the axis of the drill string (in the proposed design option, acoustic signals are recorded using a three-component a block of acoustic sensors 11, consisting of three miniature single-component accelerometers (not shown in Fig. 1). Pressure sensor 12 records the pressure data inside the sub in the range up to 100 MPa; temperature sensor 13 records the temperature of the body of the sub 1 in the range from -60° C to +150°C. The temperature of the body 1 of the sub and the internal pressure are recorded to link the recorded acoustic signals of the acoustic sensor unit 11 to external physical processes. drilling process and writing data to internal memory. In this case, the high-pass filter 10 of the electronic control board 9 with a characteristic cutoff frequency of 1 kHz ensures the registration of high-frequency signals against the background of intense low-frequency noise that occurs during drilling. The information about acoustic signals obtained during the drilling process, together with data on temperature and internal pressure, makes it possible to investigate acoustic noise characteristics during various drilling operations in a wide frequency range, as well as to correctly identify these operations.

Получаемые данные в процессе работы автономного скважинного регистратора позволяют исследовать характеристики шумовых сигналов в процессе бурения, амплитуду и форму механических ударов при разных операциях бурения, что может быть использовано для разработки скважинной аппаратуры, обеспечивающей акустическую передачу информации по элементам конструкции скважины в процессе бурения.The data obtained during the operation of an autonomous downhole recorder make it possible to study the characteristics of noise signals during drilling, the amplitude and shape of mechanical shocks during various drilling operations, which can be used to develop downhole equipment that provides acoustic transmission of information on the elements of the well structure during drilling.

Батарейный модуль 6 обеспечивает питание электронной платы управления 7 и всех датчиков автономного скважинного регистратора в течении не менее чем 300 часов работы.The battery module 6 provides power to the electronic control board 7 and all sensors of the autonomous downhole recorder for at least 300 hours of operation.

После окончания буровых работ производится остановка записи данных, извлечение автономного скважинного регистратора на поверхность, и через сервисный разъем 4 осуществляется считывание записанных данных из внутренней памяти электронной платы управления 9 и настройка программы электронной платы управления 9 для последующих измерений автономным скважинным регистратором.After completion of drilling operations, data recording is stopped, the autonomous downhole recorder is removed to the surface, and through the service connector 4, the recorded data is read from the internal memory of the electronic control board 9 and the program of the electronic control board 9 is configured for subsequent measurements by an autonomous downhole recorder.

Конструкция автономного скважинного регистратора позволяет выдерживать и регистрировать сильные механические (удары соответствующие сотням g) и температурные (до 150°С) воздействия, возникающие в процессе бурения.The design of an autonomous downhole recorder allows to withstand and record strong mechanical (shocks corresponding to hundreds of g) and temperature (up to 150°C) effects that occur during drilling.

Таким образом, предложенное техническое решение автономного скважинного регистратора устойчиво к экстремальным механическим и температурным перегрузкам, обеспечивает возможность длительной работы в автономном режиме и эффективно регистрировать акустические сигналы во временной области по трем координатам в широком диапазоне частот.Thus, the proposed technical solution for an autonomous downhole recorder is resistant to extreme mechanical and thermal overloads, provides the possibility of long-term offline operation and efficient recording of acoustic signals in the time domain along three coordinates in a wide frequency range.

Claims

A self-contained downhole recorder in the form of a sub, containing a body with socket threads at the ends for embedding into the drill string, a hole for the passage of drilling fluid and an electronic module installed inside the body with drilling control sensors and a three-dimensional acoustic signal recorder, characterized in that the hole for the drilling fluid passage is axially displaced relative to the longitudinal axis of the housing, in the area of the housing free from the hole, along the longitudinal axis, two communicating cavities are made in the form of recesses, hermetically sealed with covers, a battery module is installed in one of the cavities, and an electronic control board is installed in the other, additionally equipped with a high-pass filter, an acoustic sensor unit, a temperature sensor and a pressure sensor installed with the possibility of contact with the drilling fluid inside the hole, while the housing is additionally equipped with a service connector installed below the coupling thread and mating with the electronic oh control board.