ИЗОЛЯТОР ПРИБОРА АКУСТИЧЕСКОГО КАРОТАЖА В ПРОЦЕССЕ БУРЕНИЯ
INSULATOR FOR ACOUSTIC LOGGING INSTRUMENT DURING DRILLING

Изобретение относится к аппаратуре акустического каротажа в процессе бурения нефтяных и газовых скважин в составе компоновки низа бурильной колонны.
Особенностью скважинных приборов в процессе бурения являются требования прочности, жесткости и гидравлики. Силовые нагрузки превышают почти на порядок нагрузки, характерные для приборов на геофизическом кабеле (несколько тонн) и автономных приборов (единицы десятков тонн), а расходы бурового раствора составляют десятки л/с. Поэтому несущие корпусы приборов, как правило, представляют собой стальные толстостенные конструкции с наружным диаметром, близким к диаметру ствола скважины, а также имеют канал для бурового раствора. При использовании подобных конструкций в приборах акустического каротажа в процессе бурения серьезной проблемой является качественная изоляция от волны по корпусу прибора, возникающей при срабатывании излучателей и распространяющейся по направлению к приемной антенне. При соизмеримых временах первого вступления, амплитуде и частотному содержанию волна по корпусу может интерферировать с полезными сигналами, делая невозможной обработку с целью определения скоростей упругих волн в породе. Главную роль в задержке и ослаблении волны по корпусу выполняет акустический изолятор, расположенный в промежутке между излучателями и приемниками. Большинство известных технических решений основано на принципе введения различных неоднородностей в тело несущей стальной бурильной трубы, которые выполнены с волновым сопротивлением, отличающимся от волнового сопротивления стали, благодаря чему часть энергии волны по корпусу теряется при прохождении изолятора.
Известен акустический аттенюатор прибора для геофизических исследований подземных пластов (см. патент US №5510582, МПК G01V 01/52, публикация от 23.04.1996), выполненный в виде секции с полостями в несущей стальной трубе, заполненными силиконовой жидкостью, в которых размещены элементы инерциальной массы, выполненные из металлов высокой плотности, причем инерционные массивные элементы включают в себя палец и замок колпачка, уплотнительное кольцо и болт.
Недостаток технического решения состоит в том, что неоднородности в несущей трубе составляют небольшую часть, поэтому значительная часть энергии волны по корпусу может достигать приемной антенны. Кроме того, не обеспечивается транзит проводов без дополнительного устройства, которое может быть установлено только в канале для бурового раствора.
Известен акустический гаситель волны по корпусу, используемый для измерительного прибора во время бурения (см. патент US №6082484, МПК G01V 01/52, публикация от 04.07.2000), содержащий секции акустических ослаблений волны по корпусу на основе утяжеленной бурильной трубы, заполненной слоями композитного материала, в котором слои имеют различную плотность, а толщина слоев выбирается для ослабления определенных частот сигналов, другим вариантом является секция бурильной трубы со сферическими полостями в теле трубы, размещенными в шахматном порядке для увеличения длины пути распространяющегося акустического сигнала, либо цилиндрическими полостями с поршнями, удерживаемыми пружиной в пределах полости, причем полости заполнены жидкостью.
Достоинством данного решения является использование материала из слоев композита в полости изолятора, что позволяет ослабить и задержать волну по корпусу, а стальная труба выдерживает нагрузку во время бурения.
Основными недостатками технического решения является то, что основная часть бурильной трубы сохраняется и остается волноводом, способствующим прохождению упругих колебаний, а также отсутствует возможность транзита проводов без дополнительного устройства.
Известен акустический изолятор для применения в аппаратуре для акустических исследований в процессе бурения скважины в подземной толще горных пород (см. патент US №7028806, МПК G01V 01/40, публикация от 18.04.2006), содержащей бурильную трубу с устройством каротажа, имеющим в своем составе изолятор с возможностью ослабления акустических сигналов в пределах заранее определенного частотного диапазона, размещенный между акустическими излучателями и приемниками и включающий в себя трубчатый элемент из композитного материала, имеющий в основном цилиндрическую внешнюю поверхность с группой тел, определенной массы и длины, жестко закрепленных на ней и расположенных с заданным промежутком, причем тела содержат материал, выбранный из группы, состоящей из стальных и вольфрамовых колец либо из материала, плотность которого не меньше плотности трубчатого элемента, причем устройство каротажа и бурильная труба имеют вытянутые в продольном направлении каналы с протекающим через них буровым раствором. Тела могут закрепляться как к внутренней стенке бурильной трубы, так и снаружи, например, сваркой.
Недостатками данного изобретения являются:
- для варианта наружного закрепления тел на бурильной трубе поверхность и все полости могут забиться шламом, а это ухудшает акустическую изоляцию и затрудняет техническое обслуживание после бурения;
- вариант закрепления тел к внутренней поверхности бурильной трубы сложен с точки зрения изготовления;
- для варианта крепления к внутренней трубе эффективность изолятора резко снижается из-за отсутствия контакта с бурильной трубой, являющейся основным волноводом для помех;
- для всех вариантов исполнения отсутствует возможность транзита проводов без дополнительного устройства.
Техническим результатом предложенного решения является создание акустического изолятора, который бы сочетал в себе достаточные прочностные свойства с параметрами задержки волны по корпусу и ослабления ее амплитуды, а также обладал возможностью электрического соединения без дополнительных устройств и был удобен в техническом обслуживании.
Технический результат предложенного решения достигается тем, что изолятор прибора акустического каротажа в процессе бурения содержит несущую трубу, размещенную в промежутке между блоками излучателя и приемной антенны, кроме того, несущая труба выполнена из стеклопластика со стальными окончаниями, причем в полости несущей трубы размещен охранный кожух с образованием кольцевого канала для бурового раствора, а внутри охранного кожуха размещены транзитные провода, кроме того, окончания кожуха реализованы с выступающими частями для фиксации в стальных окончаниях несущей трубы и включают электрические соединители.
Стальные окончания несущей трубы исполнены с коническими метрическими либо замковыми резьбами (ГОСТ Р 50864-96).
Охранный кожух выполнен из стеклопластика со стальными окончаниями, в котором размещена тонкостенная трубка для транзитных проводов, выполненная из пластика и реализованная с акустической развязкой от охранного кожуха, в кольцевой полости которого введен поглотитель упругих колебаний.
Поглотитель упругих колебаний выполнен из силиконовой резины с порошком тяжелого металла либо составлен из чередующихся металлических шайб и шайб из силиконовой резины с порошком тяжелых металлов и металлическими шариками либо роликами.
Шайбы из силиконовой резины с порошком тяжелых металлов реализованы четвертьволновой длины для основной частоты монопольного излучения, а электрические соединители выполнены вращательного либо беспроводного типа.
Сущностью технического решения является то, что несущая труба из стеклопластика обеспечивает фильтрацию волны по корпусу в диапазоне 8,5-13 кГц с ослаблением амплитуды не менее 40 дБ только за счет упругих свойств материала по данным компьютерного моделирования, а в реальных условиях за счет анизотропии и структурной неоднородности ослабление может быть еще выше. Кроме того, из-за более низкого модуля упругости и, соответственно, скорости распространения по сравнению со сталью обеспечивается необходимая задержка первого вступления волны-помехи, позволяющая разделить волны в волновом пакете для дальнейшей обработки. Кроме того, стеклопластик, выполненный по технологии косослойной продольно-поперечной намотки, разработанной ЗАО МНПП “Алтик” (Бийск RU), рекомендован для изготовления корпусов приборов в процессе бурения, в частности приборов электромагнитного каротажа, отвечая требованиям прочности и износостойкости. Так, труба с наружным диаметром 120 мм и толщиной стенки 20 мм при температуре 100°C выдерживает момент кручения более 10 кНм и усилие на разрыв не менее 1000 кН.
Введение охранного кожуха для транзитных проводов решает проблему электрического соединения блоков излучателя и приемной антенны. Охранный кожух является герметичным и рассчитан для работы под давлением внешней среды. Поскольку кожух тоже является волноводом для волны по корпусу, его выполняют из стеклопластика со стальными окончаниями, в нем содержится тонкостенная пластиковая трубка с проводами, а в кольцевую полость введен поглотитель упругих колебаний, оттягивающий энергию волны-помехи от кожуха.
Для соединения с блоками излучателя и приемной антенны используются электрические соединители вращательного (например, соединители фирмы SPT (SE), либо беспроводного типа (например, устройство трансформаторной связи), которые облегчают процесс сборки-разборки прибора.
Причем шайбы, поглотителя упругих колебаний, изготовлены из силиконовой резины малой вязкости, например RTV8001, с порошком тяжелого металла, например вольфрама, включая металлические шарики либо ролики.
Сравнение предлагаемого решения с известными техническими решениями показывает, что оно обладает новой совокупностью существенных признаков, которые совместно с известными признаками позволяют успешно реализовать поставленную цель.
Предлагаемое техническое решение поясняется чертежами, где на фиг. 1 - приведен спектр выходного импульса на срезе изолятора, демонстрирующий окно в диапазоне 8,5-13 кГц с ослаблением амплитуды не менее 40 дБ только за счет упругих свойств материала, по данным компьютерного моделирования в программном пакете Ansys/LS-Dyna (US), а на фиг. 2 - представлен общий вид акустического изолятора.
Состав предлагаемого технического решения:
1. Несущая труба;
2. Стальные окончания;
3. Охранный кожух;
4. Канал для бурового раствора;
5. Выступающая часть охранного кожуха;
6. Стопор;
7. Тонкостенная трубка;
8. Электрический соединитель;
9. Фиксатор;
10. Поглотитель;
11. Шайбы металлические;
12. Шайбы резиноподобные;
13. Шарики либо ролики.
Динамика работы устройства
Изолятор включает стеклопластиковую наружную трубу 1 со стальными окончаниями 2, охранный кожух 3 с образованием кольцевого канала промывки 4, причем кожух по краям имеет выступающие части 5, со сквозными отверстиями для промывочной жидкости и посредством которых фиксируется от вращения и продольного перемещения относительно наружной трубы с помощью стопорных колец 6, а в кожухе 3 размещена тонкостенная пластиковая трубка 7 с акустической развязкой, в которой проложены транзитные провода, соединенные по краям с электрическими соединителями 8, закрепленными фиксаторами 9, кроме того, в кольцевой полости кожуха 3 размещен поглотитель упругих колебаний 10, выполненный из резиноподобной смеси на основе силиконовой резины с порошком тяжелого металла, например вольфрама, либо содержащий чередующиеся металлические шайбы 11 и шайбы 12 из указанного материала, в том числе с металлическими шариками либо роликами 13.
Технико-экономическим эффектом предложенного решения является существенное ослабление волны по корпусу прибора акустического каротажа в процессе бурения, обеспечение кольцевого канала для бурового раствора, обеспечение независимой от дополнительных устройств электрической связи между блоками излучателей и приемной антенны, простота и надежность конструкции, удобство технического обслуживания.