RU2381361C2

RU2381361C2 - Well temperature measurement device

Info

Publication number: RU2381361C2
Application number: RU2008107406/03A
Authority: RU
Inventors: Владимир Николаевич Есауленко (RU); Владимир Николаевич Есауленко; Николай Владимирович Есауленко (RU); Николай Владимирович Есауленко; Иван Викторович Никульшин (RU); Иван Викторович Никульшин
Priority date: 2008-02-26
Filing date: 2008-02-26
Publication date: 2010-02-10
Also published as: RU2008107406A

Abstract

FIELD: oil-and-gas industry.

SUBSTANCE: invention related to oil-and-gas industry, notably to wells boring and particularly to geophysical research, assigned for well temperature measurements during the boring process. A device for well temperature measurement contains a case, a fluid oscillator with system of nozzles, a surface, panel, commutation channels, a receiver tank, a power source, a transductor, a sylphon, a hydraulic actuator operation rod, connected to network channel. The power source executed as a balloon with compressed gas. The fluid oscillator inlet nozzle installed in the panel with a gap, executed as a flexible one and equipped with a bimetallic plate stiffly fixed on it. One of the bimetallic plate ends stiffly fixed in the panel, other one is free and movable. EFFECT: well temperature measurements during boring process reliability and accuracy increase.

Description

Изобретение относится к нефтяной и газовой промышленности, а именно к бурению скважин, и в частности геофизическим исследованиям, и предназначено для измерения температуры в скважинах в процессе бурения.The invention relates to the oil and gas industry, namely to drilling wells, and in particular geophysical surveys, and is intended to measure the temperature in the wells during drilling.

Известно устройство для измерения температуры в скважине по авторскому свидетельству (см. а.с. №279520, СССР, 1969 г.), включающее термобаллон, механическую колебательную систему с закрепленным на ней постоянным магнитом и преобразователь механических колебаний в электрические.A device for measuring temperature in a well is known according to the copyright certificate (see AS No. 279520, USSR, 1969), including a thermal bulb, a mechanical oscillating system with a permanent magnet fixed to it, and a converter of mechanical vibrations into electric ones.

Недостатком описанного устройства является низкая надежность за счет низкой виброустойчивости механической колебательной системы.The disadvantage of the described device is low reliability due to the low vibration resistance of the mechanical oscillatory system.

Прототипом является устройство (см. а.с. СССР, №1298365, 1985 г.), содержащее преобразователь температуры в виде струйного генератора, имеющего струйный элемент с соплами питания, приемным, выходным, и поверхность, размещенные в углублении панели и связанные между собой коммутационными каналам, дроссель сообщающийся с баллоном сжатого газа, а приемное сопло связано с переменной емкостью в виде зазора между коаксиально расположенными корпусом и баллоном. При этом выходное сопло подключено через сильфон, являющийся приводом управляющего клапана гидроусилителя, подключенного к гидравлическому каналу связи.The prototype is a device (see AS USSR, No. 1298365, 1985) containing a temperature converter in the form of a jet generator having a jet element with power nozzles, a receiving, an output, and a surface located in the recess of the panel and interconnected switching channels, the throttle communicating with the cylinder of compressed gas, and the receiving nozzle is connected with a variable capacity in the form of a gap between the coaxially located housing and the cylinder. In this case, the output nozzle is connected via a bellows, which is the actuator of the control valve of the hydraulic booster connected to the hydraulic communication channel.

Недостатком прототипа является низкая точность за счет малой девиации частоты струйного генератора (не более 30%), обусловленной малым температурным коэффициентом линейного расширения баллона со сжатым воздухом и в связи с этим малым изменением зазора между корпусом и баллоном, а, следовательно, и малым изменением объема переменной емкости, что в конечном счете приводит к незначительному изменению частоты.The disadvantage of the prototype is low accuracy due to the small deviation of the frequency of the jet generator (not more than 30%), due to the low temperature coefficient of linear expansion of the cylinder with compressed air and due to this small change in the gap between the housing and the cylinder, and, consequently, a small change in volume variable capacitance, which ultimately leads to a slight change in frequency.

Технической задачей является создание точного и виброустойчивого устройства для контроля температуры непосредственно в процессе бурения скважин.The technical task is to create an accurate and vibration-proof device for temperature control directly during the drilling process.

Технический результат - повышение точности и надежности измерения температуры в скважине в процессе бурения.EFFECT: increased accuracy and reliability of temperature measurement in a well during drilling.

Он достигается тем, что с целью повышения точности и надежности приемное сопло струйного генератора установлено в панели с зазором, выполнено гибким и снабжено жестко закрепленной на нем биметаллической пластиной, один конец которой жестко закреплен в панели, а другой свободен и способен перемещаться относительно поверхности специального профиля.It is achieved by the fact that, in order to increase accuracy and reliability, the receiving nozzle of the jet generator is installed in the panel with a gap, is flexible, and is equipped with a bimetallic plate rigidly fixed on it, one end of which is rigidly fixed in the panel, and the other is free and able to move relative to the surface of a special profile .

На фиг.1 показано устройство для измерения температуры в скважинах.Figure 1 shows a device for measuring temperature in wells.

Устройство размещают над долотом в контейнере.The device is placed above the bit in the container.

Устройство содержит преобразователь температуры в виде струйного генератора, содержащего струйный элемент 1, включающий выходное сопло 2, биметаллическую пластину 3, приемное сопло 4 и сопло питания 5, размещенные в окрестности поверхности 6 и связанные между собой коммутационными каналами, приемную емкость 7, источник энергии 8, выполненный в виде баллона со сжатым газом, причем баллон жестко закреплен в корпусе 9 с возможностью съема, и емкость 10. Источник энергии 8 через дроссель 11 соединен с соплом питания 5, приемное сопло 4 соединено с приемной емкостью 7, выполненной в виде углубления в панели 12, а выходное сопло 2 подключено через сильфон 13, являющийся приводом управляющего штока 14 гидроусилителя, к каналу связи, каким является бурильная колонна, заполненная промывочной жидкостью, гидроусилитель и приемник, установленный на устье скважины (на фиг.1 не показан).The device comprises a temperature converter in the form of a jet generator containing a jet element 1, including an output nozzle 2, a bimetallic plate 3, a receiving nozzle 4 and a power nozzle 5 located in the vicinity of the surface 6 and interconnected by switching channels, a receiving capacitance 7, an energy source 8 made in the form of a cylinder with compressed gas, and the cylinder is rigidly fixed in the housing 9 with the possibility of removal, and the capacity 10. The energy source 8 through the throttle 11 is connected to the power nozzle 5, the receiving nozzle 4 is connected to I have a capacity of 7, made in the form of a recess in the panel 12, and the output nozzle 2 is connected via a bellows 13, which is the drive of the control rod 14 of the hydraulic booster, to the communication channel, which is a drill string filled with flushing fluid, a hydraulic booster and a receiver mounted on the wellhead ( figure 1 is not shown).

Работа устройства основана на эффекте Коанда - свойстве струи изменять направление путем прилипания струи жидкости или газа к расположенной вблизи твердой стенке.The device’s operation is based on the Coanda effect — the property of a jet to change direction by sticking a jet of liquid or gas to a nearby solid wall.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Путем увеличения давления бурового раствора на выходе буровых насосов на устье скважины открывается дроссель 11. Поток газа из сопла 5 питания обтекает расположенную вблизи твердую поверхность 6, выполненную в панели 12, и заполняет приемную емкость 7 через отверстие приемного сопла 4. В результате заполнения газом приемной емкости 7 перед приемным соплом 4 создается противодавление, что вызывает отрыв потока от поверхности специального профиля 6, выполненной в панели 12, и переход этого потока в выходное сопло 2 и далее в сильфон 13, что вызывает повышение в нем давления и его перемещение, а также перемещение связанного с ним управляющего клапана 14 гидроусилителя. При этом давление в выходном сопле 2 возрастает скачкообразно и удерживается на максимальном значении до тех пор, пока противодавление в приемном сопле 4 не снизится до величины, при которой поток вновь обтекает поверхность 6, выполненную в панели 12, и заполняет приемную емкость 7. Давление в канале за выходным соплом 4 меняется П-образно, а в канале за соплом 4 - пилообразно. Частота колебаний на выходе струйного генератора определяется известным уравнениемBy increasing the pressure of the drilling fluid at the outlet of the mud pumps, a throttle opens at the wellhead 11. A gas stream from the power nozzle 5 flows around a nearby solid surface 6 made in the panel 12 and fills the receiving tank 7 through the opening of the receiving nozzle 4. As a result of filling the receiving nozzle with gas backpressure is created in the container 7 in front of the receiving nozzle 4, which causes the flow to separate from the surface of the special profile 6 made in the panel 12, and the transition of this flow to the output nozzle 2 and then to the bellows 13, which causes pressure increase therein and movement as well as movement of the associated control valve 14 of the hydraulic booster. In this case, the pressure in the outlet nozzle 2 increases stepwise and is kept at the maximum value until the back pressure in the inlet nozzle 4 decreases to the value at which the flow again flows around the surface 6 made in the panel 12 and fills the receiving reservoir 7. Pressure in the channel behind the output nozzle 4 changes U-shaped, and in the channel behind the nozzle 4 - sawtooth. The oscillation frequency at the output of the jet generator is determined by the well-known equation

где f - частота колебаний, Гц; с - постоянный коэффициент, зависящий от конструктивных особенностей генератора, см³/с; v - объем приемной емкости 7, см³.where f is the oscillation frequency, Hz; C is a constant coefficient, depending on the design features of the generator, cm ³ / s; v is the volume of the receiving tank 7, cm ³ .

С повышением температуры упругое приемное сопло 4, выполненное в виде упругого элемента с жестко закрепленной на нем биметаллической пластиной, один конец которой жестко закреплен в панели 12, а другой конец свободный, расширяется. В результате этого свободный конец приемного сопла 4 перемещается относительно поверхности 6, с прилипшей к ней струей газа от оси струи к ее периферии, где расход газа уменьшается и, следовательно, изменяется время заполнения газом приемной емкости 7 и в связи с этим пропорционально измеряемой температуре в скважине изменяется частота колебаний струйного генератора.With increasing temperature, the elastic receiving nozzle 4, made in the form of an elastic element with a bimetallic plate rigidly fixed on it, one end of which is rigidly fixed in the panel 12 and the other end is free, expands. As a result of this, the free end of the receiving nozzle 4 moves relative to the surface 6, with a gas stream adhering to it from the axis of the jet to its periphery, where the gas flow rate decreases and, consequently, the time of filling the receiving tank 7 with gas changes and, therefore, is proportional to the measured temperature the borehole oscillation frequency of the jet generator changes.

Отработанный газ из источника энергии стравливается в емкость 10.The exhaust gas from the energy source is discharged into the tank 10.

Перемещение свободного конца приемного сопла 4 определяется формулой:The movement of the free end of the receiving nozzle 4 is determined by the formula:

где α - коэффициент линейного расширения материала биметаллической пластины;where α is the coefficient of linear expansion of the material of the bimetallic plate;

l - длина сопла в первоначальном состоянии;l is the length of the nozzle in the initial state;

S - толщина биметаллической пластины;S is the thickness of the bimetallic plate;

ΔT - изменение температуры.ΔT is the change in temperature.

Серия пневматических импульсов, образующихся на струйном генераторе, посредством сильфона 13 преобразуется в механическое перемещение управляющего штока 14 гидроусилителя. На выходе гидроусилителя (на фиг.1 не показан) появляется гидравлический импульс, этот импульс распространяется по буровому раствору, заполняющему колонну бурильных труб, до устья скважины, поступает на вход гидравлического демпфера, где гасятся помехи от пульсаций давления, создаваемые буровыми насосами. Полезный гидравлический сигнал, несущий информацию о температуре в скважине, поступает на вход тензодатчика, преобразуется в пропорциональный электрический сигнал, усиливается и после разделительного фильтра поступает на вход ЭВМ, где преобразуется в соответствующее значение температуры и выводится на дисплей.A series of pneumatic pulses generated on the jet generator, through the bellows 13 is converted into mechanical movement of the control rod 14 of the hydraulic booster. A hydraulic pulse appears at the output of the hydraulic booster (not shown in Fig. 1), this pulse propagates through the drilling fluid filling the drill pipe string to the wellhead, and enters the input of the hydraulic damper, where interference from pressure pulsations created by the mud pumps is suppressed. A useful hydraulic signal that carries information about the temperature in the well is fed to the input of the strain gauge, converted to a proportional electrical signal, amplified and, after the isolation filter, fed to the input of the computer, where it is converted to the corresponding temperature value and displayed.

Были проведены лабораторные исследования макета устройства для измерения температуры в скважине.Laboratory studies of the layout of the device for measuring temperature in the well were conducted.

На фиг.2 представлена схема системы сопел с поверхностью специального профиля макета струйного генератора, использованного в эксперименте.Figure 2 presents a diagram of a system of nozzles with the surface of a special profile of the layout of the jet generator used in the experiment.

Геометрические размеры следующие (см. фиг.2):The geometric dimensions are as follows (see figure 2):

1 - сопло питания ⌀=1 мм; 2 - приемное сопло ⌀=0,5 мм; 3 - выходное сопло ⌀=1 мм; 4 - поверхность специального профиля, α=140°; β=50°; θ=80°; φ=35°; ψ=20°; θ=70°; r_п=2 мм; 1_1п=15 мм; 1_2п=10 мм.1 - power nozzle ⌀ = 1 mm; 2 - receiving nozzle ⌀ = 0.5 mm; 3 - output nozzle ⌀ = 1 mm; 4 - surface of a special profile, α = 140 °; β = 50 °; θ = 80 °; φ = 35 °; ψ = 20 °; θ = 70 °; r _p = 2 mm; 1 _1p = 15 mm; 1 _2p = 10 mm.

На фиг.3 представлен график зависимости величины перемещения свободного конца приемного сопла от изменения температуры.Figure 3 presents a graph of the magnitude of the displacement of the free end of the receiving nozzle from temperature changes.

На фиг.4 представлен график зависимости частоты колебаний струйного генератора от температуры предложенного устройства (на фиг.4 график 1) и прототипа (на фиг.4 график 2).In Fig.4 presents a graph of the dependence of the oscillation frequency of the jet generator on the temperature of the proposed device (Fig.4 graph 1) and the prototype (Fig.4 graph 2).

В эксперименте использованы измерительные приборы: термометр стеклянный ртутный №106, ГОСТ 2823-73, предел измерения 0÷200°С; микрометр №82341.In the experiment, measuring instruments were used: mercury glass thermometer No. 106, GOST 2823-73, measurement limit 0 ÷ 200 ° C; micrometer No. 82341.

Давление питания измерялось образцовым манометром ОБ-160 №150831, ГОСТ 6521-72, 1977 г. с пределом 0÷0,25. Использован пневматический редуктор РДФ-4-1-УЗ №5747, 2005 г. с манометром №04707 с пределом изменения давления от 0,02 до 0,25 МПа. Испытания показали работоспособность предложенного устройства. Нелинейность статической характеристики составляет не более 0,6%, чувствительность 0,009 Гц/град., вариация показания не более 0,002%.The supply pressure was measured with a standard OB-160 pressure gauge No. 150831, GOST 6521-72, 1977 with a limit of 0 ÷ 0.25. The pneumatic reducer RDF-4-1-UZ No. 5747, 2005 with a pressure gauge No. 04707 with a pressure change limit of 0.02 to 0.25 MPa was used. Tests have shown the operability of the proposed device. The non-linearity of the static characteristic is not more than 0.6%, the sensitivity is 0.009 Hz / deg., The variation of the indication is not more than 0.002%.

Прототип: нелинейность 1%, чувствительность 0,0042 Гц/град., вариация не более 0,005%.Prototype: nonlinearity 1%, sensitivity 0.0042 Hz / deg., Variation not more than 0.005%.

Виброустойчивость устройства соответствует виброустойчивости струйных элементов. Испытания предложенного устройства показали, что оно полностью удовлетворяет условиям забоя скважины. Данное устройство позволяет с высокой точностью контролировать непосредственно в процессе бурения температуру на забое скважины и на основе этой информации регулировать параметры бурового раствора с целью улучшения условий промывки скважины.The vibration resistance of the device corresponds to the vibration resistance of the inkjet elements. Tests of the proposed device showed that it fully meets the conditions of the bottom hole. This device allows you to accurately control directly in the process of drilling the temperature at the bottom of the well and based on this information to adjust the parameters of the drilling fluid in order to improve the conditions for flushing the well.

Claims

A device for measuring temperature in a well, comprising a housing, a jet generator with a nozzle system, a surface, a panel, switching channels, a receiving tank, an energy source in the form of a compressed gas cylinder, a controlled throttle, a bellows and a control rod of the hydraulic booster connected to the communication channel, characterized the fact that the receiving nozzle of the jet generator is installed in the panel with a gap, is flexible, and is equipped with a bimetallic plate rigidly fixed to it, one end of which is rigidly fixed in the panel, and the other free En and able to move.