RU2383731C2 - Устройство и способ для создания импульсов давления в буровом растворе, устройство для скважинных измерений при бурении в буровом растворе и центраторы для указанных устройств - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности и предназначено для формирования импульса давления в буровом растворе в бурильной колонне для осуществления измерений в процессе бурения. Техническим результатом изобретения является повышение информативности и надежности способов и устройств за счет нечувствительности устройства к скорости потока и давлению, отсутствия наладки в эксплуатационных условиях и способности формирования распознаваемых, повторяемых, воспроизводимых, чистых сигналов импульсов давления при минимальном потреблении энергии. Для этого с целью перенаправления потока раствора из напорного резервуара в камеру скользящего давления и из нее, а также по соответствующим верхним и нижним соединительным каналам осуществляют перемещение колокола генератора импульсов вверх и вниз путем определенной последовательности осуществляемых с помощью соленоидов манипуляций с двунаправленным тарельчатым клапаном. Кольцевой канал генератора импульсов имеет конструкцию, позволяющую уменьшить турбулентность потока бурового раствора и создать в области пульсации практически ламинарный поток. Импульс или отсутствие импульса преобразуется в цифровой сигнал, подаваемый на поверхность датчиком давления, использующим алгоритм декодирования. Затем сигнал отображается таким образом, что буровой мастер и операторы видят его и получают полезные данные о направлении и о геологической формации, помогающие оператору на поверхности принимать решения, касающиеся направленного бурения. В данный инструмент могут быть введены дополнительные генераторы импульсов, что повышает скорость передачи данных. Эти повышенные скорости передачи данных обеспечивают сбор более полной информации, что позволяет снизить затраты на бурение и увеличить отдачу нефтяного месторождения. 6 н. и 31 з.п. ф-лы, 2 ил.

Description

Настоящее изобретение относится к устройству и способу для создания импульсов давления в буровом растворе.

В существующих в настоящее время технологиях применяются генераторы импульсов, чувствительные к различным давлениям нагнетания в скважине и скоростям потока и требующие наладки в эксплуатационных условиях для формирования правильной пульсации, позволяющей прием программируемым контроллером значащего сигнала от формируемых импульсов.

Патент США №5473579 описывает генератор импульсов, в котором используются сервоклапан и пружина, действующие совместно и побуждающие сигнальный клапан к осевому перемещению внутри бура, причем поддержка сигнала осуществляется противовесным компенсатором.

Патент США №5117398 описывает генератор импульсов, в котором используются защелки, открываемые электромагнитным способом, которые механически удерживают клапан в закрытом или открытом положении, не позволяя ему перемещаться до получения сигнала, после чего защелки открываются с помощью электроники.

Патент США №6002643 описывает генератор импульсов, в котором двунаправленный соленоид содержит первую и вторую обмотки и проходящий внутри обмоток стержень, используемый для приведения в действия тарельчатого клапана, создающего двунаправленные импульсы давления. Используемые отверстия позволяют осуществить воздействие на поток бурового раствора со стороны поршневого механизма, расположенного в основном корпусе генератора импульсов, и мембранный переключатель позволяет электронной части устройства управления воздействовать на генератор импульсов.

Патент США №4742498 описывает генератор импульсов, содержащий поршень, который подвергается воздействию бурового раствора и может перемещаться в закрытое и открытое положение с помощью пружин и двунаправленного соленоида.

Патент США №6016288 раскрывает генератор импульсов с сервоприводом, управляющий ходовым винтом, который вращается и тем самым обеспечивает поступательное перемещение клапанного блока. Все элементы, за исключением ходового винта, расположены в герметизированном отделении и не контактируют с буровым раствором.

Патент США №5802011 описывает устройство с соленоидным приводом, вращающее клапан, который входит в кольцевой поток бурового раствора и выходит из него, то перекрывая, то пропуская поток.

Патент США №5103430 описывает двухкамерный генератор импульсов, образующий гидравлические камеры над и под тарельчатым клапаном с сервоприводом. Перепад давления определяется через третью камеру с любой из сторон тарельчатого клапана, и сервопривод побуждается к перемещению тарельчатого клапана, чтобы стабилизировать давление.

Патент США №5901113 описывает инструмент для скважинных измерений в процессе бурения, в котором для идентификации геологических формаций используется обратный сейсмический профиль. Вблизи буровой коронки помещен генератор сейсмического сигнала, и генерируемые известные сигналы подвергаются воздействию со стороны геологической формации, а затем считываются группой приемников.

Патент США №6583621 описывает магниторезонансное устройство отображения, содержащее набор постоянных магнитов, расположенных внутри бурильной колонны, создающий магнитный поток для передающих антенн, обрабатываемый на поверхности.

Патент США №5517464 описывает генератор импульсов, в котором используются: турбина, приводимая в действие движением бурового раствора, и модуляционный ротор, при вращении создающий импульсы давления.

Патент США №5467832 описывает способ генерирования направленных электромагнитных или звуковых вибраций в скважине, которые можно считывать на поверхности, используя генерируемые импульсы давления.

Патент США №5461230 описывает способ и оборудование для обеспечения температурной компенсации в гамма-детекторах устройств для скважинных измерений в процессе бурения.

Патент США №5402068 описывает генератор сигналов, к которому последовательно подают питание с целью генерирования известного электромагнитного сигнала, взаимодействующего с окружающей средой. Изменения данного известного сигнала истолковываются как геологические данные, влекущие за собой соответствующие действия.

Патент США №5250806 описывает устройство, где гамма-детекторы размещены снаружи устройства для скважинных измерений в процессе бурения, чтобы их физическое местоположение было ближе к утяжеленной бурильной трубе, что способствует сведению к минимуму искажений сигнала.

Патент США №5804820 описывает высокоэнергетический нейтронный ускоритель, применяемый для облучения окружающих формаций, показания которого считываются гамма-детекторами и обрабатываются различными статистическими методами интерпретации.

Патент США №6057784 описывает модуль для скважинных измерений в процессе бурения, размещаемый между двигателем бура и буровой коронкой, в результате чего устройство оказывается ближе к буровой коронке и обеспечивает более точные геологические данные.

Патент США №6220371 B1 описывает группу скважинных датчиков, систематически берущих пробы материала (бурового раствора) в утяжеленной бурильной трубе и хранящих данные в электронном виде для дальнейшего их извлечения и интерпретации. Эти данные могут передаваться в реальном времени посредством телеметрии или других средств связи.

Патент США №6300624 описывает стационарный детектор, определяющий азимут посредством обнаружения излучений, с учетом положения детектора.

Патент США №5134285 описывает инструмент для скважинных измерений в процессе бурения, содержащий специальные продольно ориентированные гамма-детекторы и источник гамма-излучения.

Патентная заявка США №2004/0089475 А1 описывает устройство для скважинных измерений в процессе бурения, имеющее центральную полость, что позволяет бурильному инструменту вращаться внутри устройства, прикрепленного к утяжеленной бурильной трубе. Отсутствие сцепления между устройством и бурильным инструментом обеспечивает область минимальной вибрации, улучшая считывание показаний.

Патент США №6714138 В1 описывает генератор импульсов, в котором используются лопатки ротора, последовательно перемещаемые таким образом, чтобы ограничивать поток бурового раствора, формируя импульсы давления известной амплитуды и длительности.

Патентная заявка Великобритании №2157345 А описывает телеметрический генератор импульсов давления в столбе бурового раствора, где используется соленоид, обеспечивающий возвратно-поступательное перемещение игольчатого клапана, ограничивающего поток бурового раствора в утяжеленной бурильной трубе и тем самым генерирующего импульс давления.

Международная патентная заявка WO 2004/044369 А2 описывает способ определения присутствия нефти и воды в различных концентрациях и регулирования направления бурения таким образом, чтобы постоянно поддерживать нужное содержание нефти и воды в бурильной колонне при помощи измерения гидростатического давления. Устанавливают базовое значение гидростатического давления, а затем заданное значение давления рассчитывают, измеряют и контролируют.

Международная публикация WO 00/57211 описывает способ детектирования гамма-излучения, включающий в себя использование четырех зондов гамма-каротажа, отслеживающих гамма-излучение от четырех четко разделенных областей, окружающих скважину.

Публикация Европейской патентной заявки №0681090 А2 описывает турбину и ротор, способные ограничивать и пропускать поток жидкости в скважине, генерируя посредством этого импульсы давления.

В Европейском патенте 0781422 В1 описано использование трех нейтронных ускорителей и трех детекторов, чувствительных к конкретным элементам, а также записывающего устройства для записи показаний трех детекторов.

Целью настоящего изобретения является создание способа и устройства для создания импульсов давления в буровом растворе, протекающем по бурильной колонне, устраняющих недостатки известных способов и устройств.

Согласно настоящему изобретению создано устройство для создания импульсов давления в буровом растворе, протекающем по бурильной колонне, и устройство для скважинных измерений при бурении в буровом растворе, содержащие генератор импульсов, продольно расположенный в кольцевом канале утяжеленной бурильной трубы, имеющем верхний, средний и нижний каналы и содержащий колокол, направляющую штангу, предназначенную для перемещения вдоль нее колокола и имеющую средний внутренний канал, нижний внутренний канал генератора, верхние соединительные каналы генератора, сообщенные со средним внутренним каналом штанги, и нижние соединительные каналы генератора, сообщенные с нижним внутренним каналом генератора и нижним кольцевым каналом утяжеленной бурильной трубы таким образом, что буровой раствор протекает через кольцевой канал утяжеленной бурильной трубы и направляется по указанным соединительным каналам, при этом кольцевой канал утяжеленной бурильной трубы обеспечивает формирование устойчивого, близкого к ламинарному, потока бурового раствора для создания колоколом генератора воспроизводимых импульсов для передачи сигналов.

Устройство может содержать тарельчатый клапан, имеющий седло и сильфон, камеру скользящего давления, образованную между колоколом и направляющей штангой генератора и сообщенную посредством верхних соединительных каналов генератора со средним внутренним каналом направляющей штанги, при этом верхние и нижние соединительные каналы способны обеспечить обратный ход потока, и тарельчатый клапан герметично отделяет средний внутренний канал направляющей штанги от нижнего внутреннего канала генератора таким образом, что колокол и тарельчатый клапан способны перемещаться по оси вдоль направляющей штанги в двух направлениях.

Устройство может содержать, по меньшей мере, один соленоид, обеспечивающий траекторию движения тарельчатого клапана и колокола генератора импульсов в соответствии с двунаправленным осевым перемещением.

Устройство может содержать по меньшей мере два соленоида, избирательно включаемые посредством источника питания, генерирующего электрический ток, и программируемого контроллера.

Устройство может содержать тарельчатый клапан, имеющий седло и сильфон, при этом верхний соединительный канал имеет выпускное отверстие, расположенное с заднего по ходу конца над тарельчатым клапаном, а нижний соединительный канал имеет выпускное отверстие, расположенное с переднего по ходу конца под тарельчатым клапаном и сильфоном тарельчатого клапана, и имеется камера скользящего давления, образованная между колоколом и направляющей штангой генератора и сообщенная посредством верхних соединительных каналов генератора со средним внутренним каналом направляющей штанги, при этом верхние соединительные каналы направлены вверх относительно потока бурового раствора, нижние соединительные каналы направлены вниз по направлению потока бурового раствора и расположены под углом для облегчения вывода потока бурового раствора к переднему по ходу концу нижнего кольцевого канала утяжеленной бурильной трубы.

Нижние соединительные каналы генератора могут установить равновесное давление, при этом давлении в них ниже давления в среднем внутреннем канале направляющей штанги.

Устройство может быть выполнено так, что давление, необходимое для преодоления сцепления или расцепления тарельчатого клапана, представляет собой разность давлений в дроссельной зоне, образованной между нижним внутренним каналом генератора и средним внутренним каналом направляющей штанги.

Устройство может быть выполнено так, что разность указанных давлений является минимальной, и небольшое усилие, действующее на седло клапана с малым сечением, определяет указанное минимальное давление, требуемое для сцепления или расцепления тарельчатого клапана.

Верхний, средний и нижний кольцевые каналы утяжеленной бурильной трубы могут обеспечить ограничение потока, достаточное для снижения турбулентности потока бурового раствора через указанные кольцевые каналы.

Колокол генератора импульсов может перемещаться вверх или вниз вдоль направляющей штанги для ограничения или пропускания потока через средний кольцевой канал утяжеленной бурильной трубы при генерации импульса.

Устройство может содержать средство сцепления для извлечения его из утяжеленной бурильной трубы.

Согласно изобретению создан центратор концентричного обтекания, закрепленный внутри утяжеленной бурильной трубы, для генератора импульсов или устройства для скважинных измерений, через которые протекает буровой раствор, содержащий устройство концентричной конструкции, предназначенное для продольного закрепления генератора импульсов или указанного устройства в утяжеленной бурильной трубе.

Центратор может иметь кольцевые каналы для неограниченного потока бурового раствора.

Центратор может быть изготовлен из жесткого, немагнитного, износостойкого материала и предназначаться для закрепления в утяжеленных бурильных трубах различных размеров и диаметров.

Согласно изобретению создан способ создания импульсов давления в буровом растворе, протекающем по буровой колонне, содержащий следующие этапы:

включение в исходной первой позиции первого нижнего соленоида, первоначально не закрывая тарельчатый клапан в нижнем внутреннем канале генератора импульсов и удерживая тарельчатый клапан в указанном положении с использованием минимального тока;

выключение во второй позиции первого нижнего соленоида и включение второго верхнего соленоида, перемещая тем самым тарельчатый клапан в закрытое положение, герметично отделяя нижний внутренний канал генератора импульсов от среднего внутреннего канала направляющей штанги генератора и обеспечивая прохождение внутреннего потока бурового раствора через пару верхних соединительных каналов генератора, что приводит к перемещению колокола генератора вверх к среднему кольцевому каналу утяжеленной бурильной трубы и остановке, не достигая закрытого положения, создавая ограничение потока и положительный импульс давления;

одновременное прохождение бурового раствора в группу нижних соединительных каналов генератора импульсов, уменьшая падение давления вдоль седла клапана, в результате чего для удерживания тарельчатого клапана в закрытом положении требуется минимальное усилие;

перемещение тарельчатого клапана назад в исходную первую позицию, пропуская буровой раствор через седло клапана и обеспечивая его протекание к группе нижних соединительных каналов генератора импульсов, соединенных с нижним внутренним каналом генератора, обеспечивая перемещение колокола генератора в направлении потока бурового раствора;

падение давления в камере скользящего давления генератора импульсов при протекании раствора через группу верхних соединительных каналов генератора и сокращение камеры;

прохождение потока из среднего кольцевого канала утяжеленной бурильной трубы в нижний кольцевой канал утяжеленной бурильной трубы, формируя отрицательный импульс давления, и перемещение колокола генератора импульсов вниз, в направлении потока бурового раствора до его остановки.

Ограничение потока может вызывать перепад давления, создающий импульс, распознаваемый на поверхности.

Указанные импульсы могут содержать незначительные помехи или не содержат помех в отношении «сигнал-шум», и импульсы обладают очень большой воспроизводимостью. Формирование указанных импульсов происходит с минимальными затратами электроэнергии, так что соленоиды способны находиться во включенном состоянии более длительное время.

Из вышеописанного понятно, что настоящее изобретение относится к устройству и способу для создания импульсов давления в буровом растворе, создаваемых избирательным приведением в действие соленоидов, вызывающих двунаправленные импульсы, создаваемые потоком. Одним из признаков изобретения является то, что колокол генератора импульсов работает в кольцевом канале утяжеленной бурильной трубы, позволяющем уменьшение турбулентности потока бурового раствора в устройстве для скважинных измерений в процессе бурения, обеспечивая воспроизводимые импульсы давления, преобразуемые в сигналы с относительно низким уровнем помех. Затем импульс принимается «на поверхности» в виде последовательности сигналов, представляющих изменения давления, которые специалисты, работающие на нефтяном месторождении, могут интерпретировать как интенсивность гамма-излучения, азимут и другие величины, позволяющие понять, как повысить добычу.

Дополнительные преимущества устройства согласно настоящему изобретению состоят в том, что оно нечувствительно к скорости потока и давлению, не требует наладки в эксплуатационных условиях и способно формировать распознаваемые, повторяемые, воспроизводимые, чистые (т.е. не содержащие помех) сигналы импульсов давления при минимальном потреблении энергии благодаря уникальной конструкции колокола генератора и нижнего внутреннего канала, что также устраняет необходимость в подготовке к бурению и постоянном присутствии специалиста на буровой площадке, а также потери от простоев. Кольцевой канал имеет конструкцию, такую, что поток в области пульсации практически ламинарный, что обеспечивает частые импульсы, практически без помех, а в результате - свободные от помех сигналы. Легко можно ввести дополнительные генераторы импульсов с переменной амплитудой давления, дающие возможность экспоненциального роста скорости передачи данных, отправляемых на поверхность. Это также обеспечивает возможность установки дополнительных скважинных датчиков без потери разрешающей способности.

Далее приведено более подробное описание изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи.

фиг.1A изображает обрезанный главный вид в разрезе колокола генератора устройства для скважинных измерений в процессе бурения согласно настоящему изобретению, иллюстрирующий важнейшие элементы устройства.

Фиг.1В - продолжение фиг.1Д, иллюстрирующее элементы устройства, расположенные ниже колокола генератора.

Фиг.1C - продолжение фиг.1В, иллюстрирующее дополнительные элементы, используемые в устройствах для измерений в процессе бурения, и жесткий центратор, требуемый для системы согласно изобретению.

Фиг.2 - комбинацию фиг.1А, фиг.1В и фиг.1C.

На фиг.1А изображена кольцевая утяжеленная бурильная труба 29, имеющая кольцевой канал, состоящий из верхнего, среднего и нижнего кольцевых каналов 2, 12, 18. Направляющая труба 30 закреплена внутри утяжеленной бурильной трубы 29.

Ловильная головка 1 и вибрационное сито 3 содержат радиально выровненные пазы 4, винтовой фильтр 5 и внутренний резервуар 6 винтового фильтра.

Устройство для создания импульсов давления в буровом растворе содержит расположенный в кольцевом канале трубы 29 генератор импульсов, содержащий колокол 17, направляющую штангу 28, нижний внутренний канал 21, верхние соединительные каналы 25 и нижние соединительные каналы 23. Штанга 28 имеет средний внутренний канал 8, сообщенный с каналами 25. Каналы 23 сообщены с каналом 21 и каналом 18. Буровой раствор из внутреннего резервуара 6 винтового фильтра может протекать в переходную область 7 и в средний внутренний канал 8 направляющей штанги.

Центратор 36 (фиг.1C) закрепляет нижний участок генератора импульсов и выполнен из немагнитного, жесткого, теплостойкого и износостойкого материала и содержит наружные каналы.

Устройство содержит тарельчатый клапан 20, имеющий седло 19 и сильфон 22, камеру 26 скользящего давления, образованную между колоколом 17 и направляющей штангой 28 генератора и сообщенную посредством верхних соединительных каналов 25 генератора со средним внутренним каналом 8 направляющей штанги 28. Тарельчатый клапан 20 герметично отделяет средний внутренний канал 8 направляющей штанги 28 от нижнего внутреннего канала 21 генератора, таким образом, что колокол 17 и тарельчатый клапан 20 способны перемещаться по оси, вдоль направляющей штанги 28, в двух направлениях. Тарельчатый клапан 20 ограничивает или пропускает поток бурового раствора через седло 19 тарельчатого клапана.

Устройство содержит передний соленоид 33 (фиг.1В) и задний соленоид 31, избирательно включаемые посредством источника питания, генерирующего электрический ток, и программируемого контролера (не показаны) и обеспечивающие траекторию движения тарельчатого клапана 20 и колокола 17 генератора импульсов в соответствии с двунаправленным осевым перемещением.

Передний соленоид 33 и задний соленоид 31 приводят в действие, соответственно, левый концентратор 35 потока и правый концентратор 34 потока, приводной вал 32 и тарельчатый клапан 20.

На фиг.2, объединяющей в себе фиг.1А, фиг.1В и фиг.1C, показано все устройство для создания импульсов давления в буровом растворе.

Способ создания импульсов давления в буровом растворе, согласно настоящему изобретению, осуществляется следующим образом.

В первой (открытой) позиции тарельчатый клапан 20 не находится в сцеплении с седлом 19 тарельчатого клапана. При подаче тока через соленоид 33 управляющее средство 80 вытягивается, пока не окажется на одном уровне с концентратором 35 потока. Приводной вал 32, жестко связанный с управляющим средством 80, перемещается, оттягивая тарельчатый клапан 20 от его седла 19. В открытой позиции раствор течет через ловильную головку 1 и вибрационное сито 3, при этом часть раствора течет в радиально выровненные пазы 4, через винтовой фильтр 5 и во внутренний резервуар 6 фильтра. Раствор из внутреннего резервуара 6 фильтра течет в переходную область 7 и средний внутренний канал 8 в направляющей штанге 28 генератора импульсов.

Раствор протекает через верхние соединительные каналы 25, камеру 26 скользящего давления и в седло 19 тарельчатого клапана, позволяя тарельчатому клапану 20 оставаться под седлом 19, что обеспечивает протекание раствора в нижний внутренний канал 21, мимо сильфона 22 тарельчатого клапана и наружу из нижних соединительных каналов 23, в нижний кольцевой канал 18 утяжеленной бурильной трубы. Кроме того, раствор вытекает из камеры 26 скользящего давления через верхние соединительные каналы 25 и через тарельчатый клапан 20, позволяя колоколу 17 генератора импульсов перемещаться вниз, вдоль направляющей штанги 28 генератора, за пределы дроссельной зоны 14 создания импульсов, создавая тем самым отрицательный импульс давления и соответствующий сигнал.

Во второй (закрытой) позиции соленоид 33 обесточен, а соленоид 31 включен, толкая управляющее средство 80 до его выравнивания с концентратором 34 потока. В этой позиции вал 32 толкает тарельчатый клапан 20 до его уплотнения с седлом 19 клапана.

Нижний внутренний канал 21 и нижние соединительные каналы 23 фактически, оказываются закупоренными, так что поток бурового раствора сверху тарельчатого клапана 20 полностью перекрыт. По достижении данного уплотнения буровой раствор продолжает поступать в нижний внутренний канал 21 через нижний соединительный канал 23, что почти выравнивает давление по всему тарельчатому клапану 20. Нисходящий поток бурового раствора через утяжеленную бурильную трубу 29 протекает через ловильную головку 1 и вибрационное сито 3, где часть раствора течет через радиально выровненные пазы 4 и через винтовой фильтр 5 во внутренний резервуар 6 фильтра. После этого раствор течет в переходную область 7 и протекает по среднему внутреннему каналу 8, через верхние соединительные каналы 25 и в камеру 26 скользящего давления, заполняя и расширяя ее, заставляя тем самым колокол 17 генератора подниматься по направляющей штанге 28. В результате средний кольцевой канал 12 утяжеленной бурильной трубы оказывается отделенным от ее нижнего кольцевого канала 18, что создает положительный импульс давления в дроссельной зоне 14 создания импульсов давления и позволяет передавать соответствующий сигнал.

Данные условия обеспечивают создание импульса давления при достижении колоколом 17 генератора положения, ограничивающего поток бурового раствора, и положения, пропускающего поток бурового раствора, повышая тем самым скорость создания импульсов давления по сравнению с известными устройствами для скважинных измерений в процессе бурения. Наиболее распространенные устройства создают лишь один импульс в одном направлении. Устройство согласно настоящему изобретению позволяет разместить в утяжеленной бурильной трубе несколько колоколов генератора импульсов, создающих импульсы, что обеспечивает экспоненциальное увеличение количества сигналов, обеспечивающих возможность определения геологических данных, позволяющих повысить эффективность нефтяного бурения.

Размещение генератора импульсов внутри утяжеленной бурильной трубы 29 и применение направляющей трубы 30 существенно снижает турбулентность потока раствора. Номинальная гидродинамическая сила потока, требуемая для перемещения тарельчатого клапана 20 в седло 19 или из него, составляет около 3,5 фунтов. Расчетная полезная потребляемая мощность, необходимая для удерживания тарельчатого клапана 20 для большинства местоположений, составляет около 20 ОмА. Линейное движение колокола 17 генератора вдоль направляющей штанги 28 осуществляется и вверх, и вниз (по оси в двух направлениях).

Обычные генераторы импульсов требуют наладки с целью обеспечения соответствующей пульсации при разных характеристиках давления нагнетания и давления в скважине и разных скоростях потока. Сигнал, получаемый посредством обычных технологий, создан импульсом, принимаемым на поверхности путем использования датчика давления, способного дифференцировать импульсы давления (генерируемые в скважине). Затем эти поверхностные импульсы конвертируются в полезные сигналы, дающие оператору информацию об интенсивности гамма-излучения, азимуте и т.п. Еще одним преимуществом устройства согласно настоящему изобретению является способность к выработке чистого (практически свободного от помех) импульсного сигнала независимо от скорости потока или давления внутри утяжеленной бурильной трубы. Следовательно, устройство согласно настоящему изобретению позволяет формировать импульсы переменных амплитуд (по давлению), передаваемые на поверхность со скоростями передачи данных, существенно превышающими 6 бит/с, посредством применения дополнительных генераторов импульсов и варьирования ограничения потока, создаваемого перемещением колокола генератора. Использование более чем одного генератора импульсов приводит к экспоненциальному росту скорости передачи данных, принимаемых на поверхности.

Соединительные каналы позволяют выравнивать давление или, по меньшей мере, достигать почти или полностью равновесного давления по всему тарельчатому клапану. Изменение первоначального давления происходит между средним и нижним внутренними каналами, обеспечивая падения давления, создаваемое колоколом генератора, ограничивающим кольцевой поток через дроссельную зону. Это минимальное падение давления в тарельчатом клапане является единственной силой, действующей на единицу площади, которую необходимо преодолеть для сцепления или расцепления тарельчатого клапана и создания импульса. Данное минимальное падение давления в области наименьшего сечения тарельчатого клапана гарантирует, что для формирования импульса потребуется лишь небольшое усилие.

Хотя настоящее изобретение было описано со ссылкой на конкретный пример варианта осуществления, очевидно, что в отношении него могут быть выполнены различные модификации и изменения без отступления от идеи и объема изобретения в их широком толковании, согласно сведениям, изложенным в прилагаемой формуле изобретения. Приведенные здесь чертежи и описание следует рассматривать в иллюстративном ключе, а не в качестве ограничения.

Claims (37)

1. Устройство для создания импульсов давления в буровом растворе, протекающем по бурильной колонне, содержащее генератор импульсов, продольно расположенный в кольцевом канале утяжеленной бурильной трубы, имеющем верхний, средний и нижний каналы, и содержащий колокол, направляющую штангу, предназначенную для перемещения вдоль нее колокола и имеющую средний внутренний канал, нижний внутренний канал генератора, верхние соединительные каналы генератора, сообщенные со средним внутренним каналом штанги, и нижние соединительные каналы генератора, сообщенные с внутренним каналом генератора и нижним кольцевым каналом утяжеленной бурильной трубы таким образом, что буровой раствор протекает через кольцевой канал утяжеленной бурильной трубы и направляется по указанным соединительным каналам, при этом кольцевой канал утяжеленной бурильной трубы обеспечивает формирование устойчивого, близкого к ламинарному, потока бурового раствора для создания колоколом генератора воспроизводимых импульсов для передачи сигналов.

2. Устройство по п.1, содержащее тарельчатый клапан, имеющий седло и сильфон, камеру скользящего давления, образованную между колоколом и направляющей штангой генератора и сообщенную посредством верхних и нижних соединительных каналов генератора со средним внутренним каналом направляющей штанги, при этом верхние и нижние соединительные каналы способны обеспечить обратный ход потока, и тарельчатый клапан герметично отделяет средний внутренний канал направляющей штанги от нижнего внутреннего канала генератора таким образом, что колокол и тарельчатый клапан способны перемещаться по оси вдоль направляющей штанги в двух направлениях.

3. Устройство по п.1, содержащее, по меньшей мере, один соленоид, обеспечивающий траекторию движения тарельчатого клапана и колокола генератора импульсов в соответствие с двунаправленным осевым перемещением.

4. Устройство по п.3, содержащее, по меньшей мере, два соленоида, избирательно включаемые посредством источника питания, генерирующего электрический ток, и программируемого контроллера.

5. Устройство по п.1, содержащее тарельчатый клапан, имеющий седло и сильфон, при этом верхний соединительный канал имеет выпускное отверстие, расположенное с заднего по ходу конца над тарельчатым клапаном, а нижний соединительный канал имеет выпускное отверстие, расположенное с переднего по ходу конца под тарельчатым клапаном и сильфоном тарельчатого клапана, и имеется камера скользящего давления, образованная между колоколом генератора и направляющей штангой и сообщенная посредством верхних соединительных каналов генератора со средним внутренним каналом направляющей штанги, при этом верхние соединительные каналы направлены вверх относительно потока бурового раствора, нижние соединительные каналы направлены вниз по направлению потока бурового раствора и расположены под углом для облегчения вывода потока бурового раствора к переднему по ходу концу нижнего кольцевого канала утяжеленной бурильной трубы.

6. Устройство по п.1, в котором нижние соединительные каналы генератора способны установить равновесное давление, при этом давление в них ниже давления в среднем внутреннем канале направляющей штанги.

7. Устройство по п.6, выполненное так, что давление, необходимое для преодоления сцепления или расцепления тарельчатого клапана, представляет разность давлений в дроссельной зоне, образованной между нижним внутренним каналом генератора и средним внутренним каналом направляющей штанги.

8. Устройство по п.7, выполненное так, что разность указанных давлений является минимальной, и небольшое усилие, действующее на седло клапана с малым сечением, определяет указанное минимальное давление, требуемое для сцепления или расцепления тарельчатого клапана.

9. Устройство по п.7, в котором верхний, средний и нижний кольцевые каналы утяжеленной бурильной трубы приспособлены обеспечить ограничение потока, достаточное для снижения турбулентности потока бурового раствора через указанные кольцевые каналы.

10. Устройство по п.7, в котором колокол генератора импульсов способен перемещаться вверх или вниз вдоль направляющей штанги для ограничения или пропускания потока через средний кольцевой канал утяжеленной бурильной трубы при генерации импульса.

11. Устройство по п.10, содержащее средство сцепления для извлечения его из утяжеленной бурильной трубы.

12. Центратор концентричного обтекания, закрепленный внутри утяжеленной бурильной трубы, для генератора импульсов, через который протекает буровой раствор, содержащий устройство концентричной конструкции, предназначенное для продольного закрепления генератора импульсов в утяжеленной бурильной трубе.

13. Центратор по п.12, имеющий кольцевые каналы для неограниченного потока бурового раствора.

14. Центратор по п.12, изготовленный из жесткого, немагнитного, износостойкого материала.

15. Центратор по п.12, предназначенный для закрепления в утяжеленных бурильных трубах различных размеров и диаметров.

16. Способ создания импульсов давления в буровом растворе, протекающем по буровой колонне, содержащий следующие этапы:
включение в исходной первой позиции первого нижнего соленоида, первоначально не закрывая тарельчатый клапан в нижнем внутреннем канале генератора импульсов и удерживая тарельчатый клапан в указанном положении с использованием минимального тока;
выключение во второй позиции первого нижнего соленоида и включение второго верхнего соленоида, перемещая тем самым тарельчатый клапан в закрытое положение, герметично отделяя нижний внутренний канал от среднего внутреннего канала направляющей штанги генератора и обеспечивая прохождение внутреннего потока бурового раствора через пару верхних соединительных каналов генератора, что приводит к перемещению колокола генератора вверх, к среднему кольцевому каналу утяжеленной бурильной трубы и остановке, не достигая закрытого положения, создавая ограничение потока и положительный импульс давления;
одновременное прохождение бурового раствора в группу нижних соединительных каналов генератора импульсов, уменьшая падение давления вдоль седла клапана, в результате чего для удерживания тарельчатого клапана в закрытом положении требуется минимальное усилие;
перемещение тарельчатого клапана назад, в исходную первую позицию, пропуская буровой раствор через седло клапана и обеспечивая его протекание к группе нижних соединительных каналов генератора импульсов, соединенных с нижним внутренним каналом генератора, обеспечивая перемещение колокола генератора в направлении потока бурового раствора;
падение давления в камере скользящего давления при протекании раствора через группу верхних соединительных каналов генератора и сокращение камеры;
прохождение потока из среднего кольцевого канала утяжеленной бурильной трубы в нижний кольцевой канал утяжеленной бурильной трубы, формируя отрицательный импульс давления, и перемещение колокола генератора импульсов вниз, в направлении потока бурового раствора до его остановки.

17. Способ по п.16, в котором ограничение потока вызывает перепад давления, создающий импульс, распознаваемый на поверхности.

18. Способ по п.16, в котором импульсы содержат незначительные помехи или не содержат помех в отношении «сигнал-шум», и импульсы обладают очень большой воспроизводимостью.

19. Способ по п.18, в котором формирование указанных импульсов происходит с минимальными затратами электроэнергии, так что соленоиды способны находиться во включенном состоянии более длительное время.

20. Устройство для скважинных измерений при бурении в буровом растворе, протекающем в бурильной колонне, содержащее генератор импульсов, продольно расположенный в кольцевом канале утяжеленной бурильной трубы, имеющем верхний, средний и нижний каналы, и содержащий колокол и направляющую штангу, предназначенную для перемещения вдоль нее колокола и имеющую средний внутренний канал, нижний внутренний канал генератора, верхние соединительные каналы генератора, сообщенные со средним внутренним каналом штанги, нижние соединительные каналы генератора, сообщенные с внутренним каналом генератора и нижним кольцевым каналом утяжеленной бурильной трубы таким образом, что буровой раствор протекает через кольцевой канал утяжеленной бурильной трубы и направляется по указанным соединительным каналам, при этом кольцевой канал утяжеленной бурильной трубы обеспечивает формирование устойчивого, близкого к ламинарному, потока бурового раствора для создания колоколом генератора воспроизводимых импульсов для передачи сигналов.

21. Устройство по п.20, содержащее тарельчатый клапан, имеющий седло и сильфон, камеру скользящего давления, образованную между колоколом и направляющей штангой генератора и сообщенную посредством верхних соединительных каналов генератора со средним внутренним каналом направляющей штанги, при этом верхние и нижние соединительные каналы способны обеспечивать обратный ход потока, и тарельчатый клапан герметично отделяет средний внутренний канал направляющей штанги от нижнего внутреннего канала генератора таким образом, что колокол и тарельчатый клапан способны перемещаться по оси вдоль направляющей штанги в двух направлениях.

22. Устройство по п.21, содержащее, по меньшей мере, один соленоид, обеспечивающий траекторию движения тарельчатого клапана и колокола генератора импульсов в соответствие с двунаправленным осевым перемещением.

23. Устройство по п.22, содержащее, по меньшей мере, два соленоида, избирательно включаемые посредством источника питания, генерирующего электрический ток, и программируемого контроллера.

24. Устройство по п.20, содержащее тарельчатый клапан, имеющий седло и сильфон, при этом верхний соединительный канал имеет выпускное отверстие, расположенное с заднего по ходу конца над тарельчатым клапаном, и нижний соединительный канал имеет выпускное отверстие, расположенное с переднего по ходу конца под тарельчатым клапаном и сильфоном тарельчатого клапана, и имеется камера скользящего давления, образованная между колоколом и направляющей штангой генератора и сообщенная посредством верхних соединительных каналов генератора со средним внутренним каналом направляющей штанги, при этом верхние соединительные каналы направлены вверх относительно потока бурового раствора, и нижние соединительные каналы направлены вниз по направлению потока бурового раствора и расположены под углом для облегчения вывода потока бурового раствора к переднему по ходу концу нижнего кольцевого канала утяжеленной бурильной трубы.

25. Устройство по п.20, в котором нижние соединительные каналы генератора способны установить равновесное давление, при этом давление в них ниже давления в среднем внутреннем канале направляющей штанги.

26. Устройство по п.25, выполненное так, что давление, необходимое для преодоления сцепления или расцепления тарельчатого клапана, представляет собой разность давлений в дроссельной зоне, образованной между нижним внутренним каналом генератора и средним внутренним каналом направляющей штанги.

27. Устройство по п.26, выполненное так, что разность указанных давлений является минимальной, и небольшое усилие, действующее на седло клапана с малым сечением, определяет указанное минимальное давление, требуемое для сцепления или расцепления тарельчатого клапана.

28. Устройство по п.26, в котором верхний, средний и нижний кольцевые каналы утяжеленной бурильной трубы приспособлены обеспечить ограничение потока, достаточное для снижения турбулентности потока бурового раствора через указанные кольцевые каналы.

29. Устройство по п.25, в котором колокол генератора импульсов способен перемещаться вверх или вниз вдоль направляющей штанги для ограничения или пропускания потока через средний кольцевой канал утяжеленной бурильной трубы при генерации импульсов.

30. Центратор концентричного обтекания, закрепленный внутри утяжеленной бурильной трубы, для устройства для скважинных измерений в процессе бурения, через которое течет буровой раствор, содержащий устройство концентричной конструкции, предназначенное для продольного закрепления генератора импульсов в утяжеленной бурильной трубе.

31. Центратор по п.30, имеющий кольцевые каналы для неограниченного потока бурового раствора.

32. Центратор по п.30, изготовленный из жесткого, немагнитного, износостойкого материала.

33. Центратор по п.32, предназначенный для закрепления в утяжеленных бурильных трубах различных диаметров и размеров.

34. Способ создания импульсов давления в нисходящем потоке бурового раствора бурильной колонны устройства для измерения в процессе бурения, содержащий следующие этапы:
включение в исходной позиции первого нижнего соленоида первоначально не закрывая тарельчатый клапан в нижнем внутреннем канале генератора импульсов и удерживая тарельчатый клапан в указанном положении с помощью минимального тока;
выключение во второй позиции первого нижнего соленоида и включение второго верхнего соленоида, перемещая тем самым тарельчатый клапан в закрытое положение, герметично отделяя нижний внутренний канал генератора от среднего внутреннего канала направляющей штанги генератора и обеспечивая прохождение потока бурового раствора через пару верхних соединительных каналов, что приводит к перемещению колокола генератора импульсов вверх, к среднему кольцевому каналу утяжеленной бурильной трубы, и остановке, не достигая закрытого положения, создавая ограничение потока и положительный импульс давления;
одновременное прохождение бурового раствора в группу нижних соединительных каналов генератора, уменьшая падение давления вдоль седла клапана, в результате чего для удерживания тарельчатого клапана в закрытом положении требуется минимальное усилие;
перемещение тарельчатого клапана назад, в исходную первую позицию, пропуская буровой раствор через седло клапана и обеспечивая его протекание к группе нижних соединительных каналов генератора, соединенных с нижним внутренним каналом генератора, обеспечивая перемещение колокола генератора импульсов в направлении потока бурового раствора;
падение давления в камере скользящего давления генератора импульсов при протекании раствора через группу верхних соединительных каналов и сокращение камеры;
прохождение потока из среднего кольцевого канала утяжеленной бурильной трубы в нижний кольцевой канал утяжеленной бурильной трубы, формируя отрицательный импульс давления, и перемещение колокола генератора импульсов вниз в направлении потока бурового раствора до его остановки.

35. Способ по п.34, в котором ограничение потока вызывает перепад давлений, создающий импульс, распознаваемый на поверхности.

36. Способ по п.34, в котором импульсы содержат незначительные помехи или не содержат помех в отношении «сигнал-шум», и импульсы обладают очень большой воспроизводимостью.

37. Способ по п.34, в котором формирование указанных импульсов происходит с минимальными затратами электроэнергии, так что соленоиды могут находиться во включенном состоянии более длительное время.

Images