Автономный скважинный регистратор

Полезная модель относится к измерительному оборудованию, в частности к скважинным регистраторам шумовых событий, возникающих в процессе бурения скважин.
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.
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.
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.
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.
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.
Задачей предлагаемой полезной модели является создание скважинного регистратора, способного осуществлять работу в составе бурильной колонны в автономном режиме.
Поставленная задача решается следующим образом.
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.
Отличительные особенности предложенной полезной модели заключаются в следующем:
- 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);
- 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;
- наличие сервисного разъема обеспечивает возможность запуска работы электронной платы управления и считывание записанных данных из ее внутренней памяти по окончании работ без вскрытия полостей;
2
2
- 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/с, максимальная амплитуда удара 750 м/с 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;
- 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.
Предлагаемая полезная модель соответствует критерию «промышленная применимость», поскольку отличается простотой и надежностью конструкции и для ее практической реализации не требуется специальных материалов и оборудования.
На фиг. 1 представлен вариант конструкции автономного скважинного регистратора.
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.
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.
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.
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.
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.
Батарейный модуль 6 обеспечивает питание электронной платы управления 7 и всех датчиков автономного скважинного регистратора в течении не менее чем 300 часов работы.
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.
Конструкция автономного скважинного регистратора позволяет выдерживать и регистрировать сильные механические (удары соответствующие сотням g) и температурные (до 150°С) воздействия, возникающие в процессе бурения.
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.