RU2186210C2

RU2186210C2 - Telemetering system using positive pulses of drilling mud pressure for information transmission

Info

Publication number: RU2186210C2
Application number: RU2000124796A
Authority: RU
Inventors: Г.А. Григашкин; С.Е. Варламов
Original assignee: Закрытое акционерное общество Научно-производственная фирма "Самарские Горизонты"
Priority date: 2000-09-29
Filing date: 2000-09-29
Publication date: 2002-07-27

Abstract

FIELD: well drilling; applicable in control of bottom-hole parameters in well drilling. SUBSTANCE: telemetering system has body of downhole instrument with diaphragm shutting-off the flow section of drill string. Mounted in body are control valve with drive and working valve consisting of piston, valve and rod made integral and having through hole. Novelty consists in that body has inlet and outlet windows and window of pressure release located between control valve and its seat. Control valve has a hole. It is sealed relative to body. In working valve, valve proper is located between piston and rod, with rod located in upper part and acting as additional piston. Working valve seat is installed between inlet and outlet windows. Working valve may be centralized in body with the help of rod and piston. Drive of control valve may be made in the form of solenoid with return spring and is installed in separate cavity in body of downhole instrument. EFFECT: higher reliability of system and reduced its sluggishness. 3 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к геофизическим исследованиям и предназначено для контроля забойных параметров в процессе бурения. The invention relates to geophysical exploration and is intended to control downhole parameters during drilling.

Известна телеметрическая система для передачи информации с забоя по гидравлическому каналу связи по авт. св. СССР 471429, МПК Е 21 В 47/12, содержащая корпус, электрический генератор, датчики и приемники забойных параметров, а также расположенный в конфузорно-диффузорном канале корпуса герметичный сосуд с жидкостью, выполненным в виде двух усеченных конусов, соединенных между собой сильфоном с жесткой перегородкой, которая делит сосуд на две части, в каждой из которых расположены электроды, соединенные через блок управления с датчиками забойных параметров. Known telemetry system for transmitting information from the bottom through a hydraulic communication channel by ed. St. USSR 471429, IPC E 21 V 47/12, comprising a housing, an electric generator, downhole sensors and receivers, as well as a sealed vessel with liquid located in the diffuser-diffuser channel of the body, made in the form of two truncated cones interconnected by a rigid bellows a partition that divides the vessel into two parts, in each of which there are electrodes connected through the control unit to downhole sensors.

Недостатками устройства являются его низкая надежность и большое потребление энергии для питания разрядного контура и низкая скорость передачи информации с забоя скважины, вызванная высокой инерционностью системы. The disadvantages of the device are its low reliability and high energy consumption for powering the discharge circuit and the low speed of information transmission from the bottom of the well, caused by the high inertia of the system.

Известна телеметрическая система по авт. св. СССР 286891, МПК Е 21 В 47/12 (прототип), которая содержит рабочий клапан, управляющий клапан, связанный с преобразователем информации, цилиндр с поршнем, связанный с рабочим клапаном, полость высокого и низкого давления, сообщенные между собой через калиброванные каналы, дополнительную камеру с каналами, перекрывающимися управляющим клапаном. Known telemetry system for ed. St. USSR 286891, IPC E 21 V 47/12 (prototype), which contains a working valve, a control valve connected to the information converter, a cylinder with a piston connected to the working valve, a high and low pressure cavity communicated to each other through calibrated channels, additional chamber with channels overlapping control valve.

Недостатками этой телеметрической системы являются:
- высокие энергозатраты на привод управляющего клапана, вызванные отсутствием разгрузки от осевых усилий, которые возникают при перекрытии проточного отверстия под рабочим клапаном,
- инерционность системы, обусловленная задержкой срабатывания управляющего и рабочего клапанов, вызванная перепадом давления перед и после управляющего клапана,
- большие диаметральные габариты, препятствующие применению устройства для бурения скважин малого диаметра,
- высокое гидравлическое сопротивление вызванное наличием трех диафрагм с отверстиями, снижающее эффективность работы забойного двигателя и генератора питания телеметрической системы.The disadvantages of this telemetry system are:
- high energy consumption for the drive of the control valve caused by the lack of unloading from axial forces that occur when the flow hole is closed under the working valve,
- the inertia of the system, due to a delay in the operation of the control and operating valves, caused by the pressure drop before and after the control valve,
- large diametric dimensions that prevent the use of the device for drilling small diameter wells,
- high hydraulic resistance caused by the presence of three diaphragms with holes, reducing the efficiency of the downhole motor and the power generator of the telemetry system.

Задачами создания изобретения являются снижение гидравлического сопротивления, уменьшение мощности привода телеметрической системы, повышение быстродействия управляющего и рабочего клапанов. The objectives of the invention are to reduce hydraulic resistance, reduce the drive power of the telemetry system, increase the speed of the control and operating valves.

Указанные задачи достигаются тем, что в телеметрической системе, использующей для передачи информации положительные импульсы давления промывочной жидкости, содержащей корпус скважинного прибора с диафрагмой, перекрывающей проходное сечение колонны бурильных труб, и смонтированные в корпусе скважинного прибора управляющий клапан с приводом и рабочий клапан, состоящий из выполненных совместно и имеющих сквозное отверстие поршня, клапана и штока, в корпусе скважинного прибора выполнены входные и выходные окна и окно сбора давления, расположенное между управляющим клапаном и его седлом, при этом управляющий клапан выполнен с отверстием, уплотнен относительно корпуса скважинного прибора, в рабочем клапане клапан расположен между поршнем и штоком, причем шток находится в верхней части и выполняет роль дополнительного поршня, а седло рабочего клапана установлено между входными и выходными окнами. Рабочий клапан может быть сцентрирован в корпусе скважинного прибора с помощью штока и поршня. Привод управляющего клапана может быть выполнен в виде соленоида с возвратной пружиной и установлен в отдельной полости в корпусе скважинного прибора. These tasks are achieved by the fact that in a telemetry system that uses positive pressure pulses of flushing fluid for transmitting information, which contains a downhole tool casing with a diaphragm overlapping the bore of the drill pipe string and a control valve with an actuator and an operating valve mounted in the downhole tool casing, consisting of made together and having a through hole of the piston, valve and rod, the input and output windows and the pressure collection window, placed between the control valve and its seat, while the control valve is made with a hole, sealed relative to the body of the downhole tool, in the working valve the valve is located between the piston and the rod, and the rod is in the upper part and acts as an additional piston, and the valve seat is installed between entrance and exit windows. The service valve can be centered in the body of the downhole tool using a rod and piston. The control valve actuator can be made in the form of a solenoid with a return spring and installed in a separate cavity in the body of the downhole tool.

Предложенное техническое решение обладает критериями изобретения: новизной, промышленной применимостью и изобретательским уровнем. Изобретательский уровень обеспечивается тем, что новая совокупность существенных признаков позволяет получить новые свойства системы. The proposed technical solution has the criteria of the invention: novelty, industrial applicability and inventive step. The inventive step is ensured by the fact that a new set of essential features allows to obtain new properties of the system.

Сущность изобретения поясняется на чертеже, где изображена предложенная телеметрическая система, использующая для передачи информации положительные импульсы давления промывочной жидкости. The invention is illustrated in the drawing, which shows the proposed telemetry system using for transmitting information of positive pressure pulses of the washing fluid.

Телеметрическая система содержит установленные в колонне бурильных труб 1 корпус скважинного прибора 2 с диафрагмой 3, перекрывающей проходное сечение колонны бурильных труб. В корпусе скважинного прибора 2 выполнены входные "А" и выходные "Б" окна для прохождения бурового раствора и окно сброса давления "В". Все детали устройства установлены в корпусе скважинного прибора 2. Система содержит рабочий клапан 4, состоящий из клапана 5, поршня 6 и штока 7, выполненных совместно и имеющих сквозное отверстие "Г". В рабочем клапане 4 шток 7 выполняет роль дополнительного поршня и расположен выше клапана 5, а поршень 6 - ниже клапана 5. Седло 8 рабочего клапана 4 выполнено в корпусе скважинного прибора 2 между окнами "А" и "Б". Под поршнем 6 рабочего клапана 4 образуется полость камеры "Д", соединенная отверстием "Е" с полостью "Ж". Нижний выход отверстия "Е" образует седло управляющего клапана 9, под которым расположен управляющий клапан 10. Концентрично управляющему клапану 10 установлен привод 11, который может быть выполнен, например, в виде соленоида. При таком выполнении привода 11 между ним и упорным буртом 12 управляющего клапана 10 установлена возвратная пружина 13. Управляющий клапан 10 фиксируется в крайних положениях стопорным кольцом 14 и упорным буртом 12. В управляющем клапане 10 выполнено отверстие "И", предназначенное для выравнивания давления перед управляющим клапаном 10 и после него для уменьшения нагрузки на привод 11. Управляющий клапан 10 и привод 11 размещены в дополнительной полости "К" ниже рабочего клапана 4. Рабочий клапан 4, диафрагма 3 и управляющий клапан 10 уплотнены кольцами 17. The telemetry system comprises a downhole tool casing 2 installed in a drill pipe string 1 with a diaphragm 3 overlapping the passage section of the drill pipe string. In the casing of the downhole tool 2, input “A” and output “B” windows for drilling mud passage and a pressure relief window “B” are made. All parts of the device are installed in the housing of the downhole tool 2. The system includes a working valve 4, consisting of a valve 5, a piston 6 and a rod 7, made together and having a through hole "G". In the working valve 4, the rod 7 acts as an additional piston and is located above the valve 5, and the piston 6 is below the valve 5. The seat 8 of the working valve 4 is made in the body of the downhole tool 2 between the windows "A" and "B". Under the piston 6 of the operating valve 4, a chamber cavity "D" is formed, connected by a hole "E" with a cavity "G". The lower outlet of the hole "E" forms the seat of the control valve 9, under which the control valve 10 is located. The actuator 11 is mounted concentrically to the control valve 10, which can be made, for example, in the form of a solenoid. With this arrangement of the actuator 11, a return spring 13 is installed between it and the stop collar 12 of the control valve 10. The control valve 10 is fixed in extreme positions by the lock ring 14 and the stop collar 12. A hole “I” is made in the control valve 10, which is used to equalize the pressure in front of the control valve 10 and after it to reduce the load on the actuator 11. The control valve 10 and the actuator 11 are placed in the additional cavity "K" below the working valve 4. The working valve 4, the diaphragm 3 and the control valve 10 are sealed with rings and 17.

Под отдельной полостью "К" установлена измерительная аппаратура 15 и источник питания 16. Under a separate cavity "K" is installed measuring equipment 15 and a power source 16.

Принцип действия устройства основан на изменении проходного сечения промывочной жидкости, в результате которого создается волна давления, несущая информацию об измеренных параметрах. Импульс давления регистрируется в нагнетательной линии насосов и обрабатывается наземной аппаратурой. The principle of operation of the device is based on a change in the flow cross section of the washing fluid, as a result of which a pressure wave is generated that carries information about the measured parameters. The pressure impulse is recorded in the discharge line of the pumps and processed by ground equipment.

Устройство работает следующим образом. Промывочная жидкость проходит через отверстия диафрагмы 3 и корпус скважинного прибора 2. На диафрагме 3 создается перепад давления, причем давление Р₁ над диафрагмой 3 выше давления Р₂ под ней.The device operates as follows. The flushing fluid passes through the openings of the diaphragm 3 and the housing of the downhole tool 2. A pressure differential is created on the diaphragm 3, the pressure P ₁ above the diaphragm 3 above the pressure P ₂ below it.

От измерительной аппаратуры 15 на привод 11 подается электрический сигнал. Управляющий клапан 10 сжимает возвратную пружину 13, движется вверх и перекрывает седло управляющего клапана 9, в результате чего давление в полости "Д" повышается до давления Р₁ над диафрагмой 3. За счет разности площадей штока 7 и поршня 6 рабочего клапана 4 происходит его движение вверх, при котором перекрывается седло 8 и прекращается прохождение бурового раствора между окнами "А" и "Б". В результате этого создается волна давления.An electrical signal is supplied from the measuring equipment 15 to the actuator 11. The control valve 10 compresses the return spring 13, moves up and closes the seat of the control valve 9, as a result of which the pressure in the cavity "D" rises to a pressure P ₁ above the diaphragm 3. Due to the difference in the area of the rod 7 and the piston 6 of the working valve 4, it moves up, at which the saddle 8 overlaps and the passage of drilling fluid between the windows "A" and "B" is stopped. As a result, a pressure wave is created.

При прекращении подачи сигнала управляющий клапан 10 возвращается в исходное положение (в случае выполнения привода в виде соленоида эту функцию выполняет возвратная пружина 13). Управляющий клапан 10, двигаясь вниз, открывает отверстие "Е", что приводит к выравниванию давления через окна сброса давления "В", отверстие "Е" в полостях "Д" и "Ж". Причем давление под рабочим поршнем становится равным Р₂, то есть значительно меньше, чем P₁. За счет разницы давлений появляется сила, возвращающая рабочий клапан 4 в крайне нижнее положение.When the signal stops, the control valve 10 returns to its original position (in the case of a drive in the form of a solenoid, this function is performed by the return spring 13). The control valve 10, moving downward, opens the hole "E", which leads to equalization of pressure through the pressure relief window "B", the hole "E" in the cavities "D" and "G". Moreover, the pressure under the working piston becomes equal to P ₂ , that is, significantly less than P ₁ . Due to the pressure difference, a force appears, returning the operating valve 4 to the extremely low position.

Применение изобретения позволило:
1. Уменьшить гидравлическое сопротивление прохождению промывочной жидкости внутри колонны бурильных труб за счет отказа от лишних диафрагм и постоянного диаметра корпуса скважинных приборов по всей длине.The application of the invention allowed:
1. To reduce the hydraulic resistance to the passage of flushing fluid inside the drill string due to the rejection of unnecessary diaphragms and a constant diameter of the body of downhole tools along the entire length.

2. Улучшить условия работы забойного двигателя, использующего энергию бурового насоса, и генератора питания телесистемы. 2. Improve the working conditions of the downhole motor using the energy of the mud pump and the telesystem power generator.

3. Уменьшить расход энергии, потребляемый приводом. 3. Reduce the energy consumption consumed by the drive.

4. Увеличить надежность системы. 4. Increase system reliability.

5. Уменьшить запаздывание сигнала и инерционность системы. 5. Reduce the delay of the signal and the inertia of the system.

6. Выполнить компоновку всех узлов устройства модульной. 6. Complete the layout of all units of the device modular.

7. Уменьшить диаметральные габариты устройства. 7. Reduce the diametrical dimensions of the device.

8. Улучшить компоновку привода. 8. Improve the layout of the drive.

9. Разгрузить управляющий клапан от осевых сил. 9. Relieve the control valve from axial forces.

Claims

1. A telemetry system that uses positive pulses of pressure of the flushing fluid to transmit information, comprising a downhole tool casing with a diaphragm overlapping the bore of the drill pipe string and a control valve with an actuator and an operating valve mounted in the casing of the downhole tool and made up of the bore of the piston, valve and rod, characterized in that in the housing of the downhole tool made input and output windows and a pressure relief window located between the control valve and its seat, while the control valve is made with a hole, sealed relative to the body of the downhole tool, in the working valve the valve is located between the piston and the rod, and the rod is in the upper part and acts as an additional piston, and the working valve seat is installed between the inlet and exit windows.

2. The telemetry system according to claim 1, characterized in that the operating valve is centered in the body of the downhole tool using a rod and piston.

3. The telemetry system according to claim 1 or 2, characterized in that the control valve actuator is made in the form of a solenoid with a return spring and is installed in a separate cavity in the body of the downhole tool.