СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЗАБОЙНОЙ ИНФОРМАЦИИ О ЧАСТОТЕ ВРАЩЕНИЯ ВАЛА ТУРБОБУРА
METHOD OF OBTAINING DOWNHOLE DATA ON TURBODRILL SHAFT RPM

Изобретение относится к нефтяной промышленности, в частности к бурению скважин, и может быть использовано для контроля частоты вращения вала турбобура и для управления процессом бурения.
Известен способ получения информации путем подавления по амплитуде полосы частот, генерируемой турбобуром датчиком оборотов, входящим в состав акустической телеметрической системы контроля числа оборотов вала турбобура, содержащей забойный датчик информационных сигналов, приемник акустического сигнала, усилитель и блок декодирования [патент RU 2291961 С2, кл. Е21В 47/14, Е 45/00, опубл. 20.01.2007].
Недостатком известного способа является низкая помехоустойчивость канала связи в области приема акустической информации из-за акустической помехи, создаваемой буровым насосом в том же диапазоне низких частот, что и полезный акустический сигнал.
Наиболее близким по технической сущности является способ однополосной модуляции сигнала, заключающегося в том, что при подавлении несущей частоты амплитуды боковых полос возрастают [Савиных Ю.А., Хмара Г.А. Звуковой канал связи для передачи технологических параметров при турбинном бурении // Известия высших учебных заведений. - Нефть и газ, 2010, №3. - С.27-33].
Известный способ однополосной модуляции сигнала можно перенести на способ передачи глубинной информации, т.е. на область низких звуковых колебаний, генерируемых буровым насосом и турбобуром.
Технической задачей изобретения является разработка способа для надежного контроля частоты вращения вала турбобура и управление процессом бурения. При осуществлении изобретения поставленная задача решается за счет сложения низких частот бурового насоса и турбобура, преобразованных четвертьволновыми резонаторами из высокочастотных спектров, генерируемых вышеуказанными источниками.
Технический результат достигается тем, что способ получения забойной информации о частоте вращения вала турбобура, содержащего буровой насос, нагнетательную линию, бурильную колонну, турбобур, предусматривает следующие операции:
а) дополнительное размещение в нагнетательной линии бурового насоса наземного резонатора;
б) дополнительное размещение над турбобуром вращающегося глубинного резонатора,
при этом осуществляется:
- генерирование широкополосного спектра звуковых частот буровым насосом в нагнетательную линию;
- перераспределение энергии частот в спектре, генерируемом буровым насосом, в диапазон низких частот наземным резонатором;
- генерирование широкополосного спектра звуковых частот вращающимся глубинным резонатором, жестко соединенным с валом турбобура, в полость бурильной колонны;
- периодическое перераспределение энергии звуковых частот в спектре, генерируемом турбобуром, в диапазон низких звуковых частот вращающимся глубинным резонатором пропорционально частоте вращения вала турбобура;
- повышение надежности получения забойной информации о частоте вращения вала турбобура достигается за счет обеспечения надежного канала для передачи информации, стабильности за счет сложения низких частот, обладающих минимальным затуханием.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что в заявленном способе получения числа оборотов вала турбобура информация контролируется по многократному увеличению амплитуды звука в диапазоне низких частот.
Таким образом, предлагаемый способ соответствует критерию «Новизна».
Сравнение заявленного решения с другими решениями показывает, что передача звукового сигнала от долота и турбобура известна [патент RU 2291961 С2, кл. Е21В 47/14, Е 45/00, опубл. 20.01.2007], подавление низкочастотной звуковой помехи от бурового насоса также известно [патент RU 2333351 C1, кл. Е21В 44/00, опубл. 10.09.2008]. Однако неизвестно, что при подавлении частоты в спектре звука происходит перераспределение энергии, благодаря чему в несколько раз увеличивается амплитуда звука соседних частот: выше и ниже подавляемой.
Таким образом, предлагаемое изобретение соответствует критерию «Изобретательский уровень».
Основные положения физической сущности для осуществления способа.
1. Генерирование звуковых волн в промывочную жидкость буровым насосом и турбобуром.
2. Подавление по амплитуде полосы частот резонатором в нагнетательной линии бурового насоса [патент RU 2270312 C1, кл. Е21В 4/00, Е21В 45/00, опубл. 20.02.2006].
3. Периодическое подавление по амплитуде полосы частот, генерируемой турбобуром датчиком оборотов (вращающимся глубинным резонатором) [патент RU 2291961 С2, кл. Е21В 47/14, Е 45/00, опубл. 20.01.2007].
4. Перераспределение энергии частот в спектре, генерируемом буровым насосом и турбобуром, в диапазон низких частот при помощи резонаторов аналогично способу однополосной модуляции электромагнитных колебаний [Савиных Ю.А., Хмара Г.А. Звуковой канал связи для передачи технологических параметров при турбинном бурении // Известия высших учебных заведений. - Нефть и газ, 2010. №3. - С.27-33].
5. Информация о частоте вращения вала турбобура определяется по приращению амплитуды звуковых колебаний в низкочастотной полосе.
На фиг.1 изображена технологическая схема турбинного бурения с размещенными резонаторами.
S
(ω)
1
БН
На фиг.2 показан спектр звука АЧХ , генерируемого буровым насосом.
S
(ω)
3
ТБ
На фиг.3 показан спектр звука АЧХ , генерируемого турбобуром.
S
(ω)
2
БН.Р
На фиг.4 показан спектр звука АЧХ , генерируемого буровым насосом, после преобразования наземным резонатором.
S
(ω)
5
На фиг.5 показан суммарный спектр звука АЧХ , генерируемого турбобуром, и преобразованного спектра звука бурового насоса.
S
(ω)
4
ТБ.Р
На фиг.6 показан спектр звука АЧХ  турбобура после преобразования вращающимся глубинным резонатором.
S
(ω)
6
На фиг.7 показан суммарный спектр звука АЧХ , преобразованного резонаторами.
На фиг.1 показано: 1 - буровой насос, 2 - нагнетательная линия, 3 - наземный резонатор, 4 - буровой шланг, 5 -гидрофон, 6 - гусак, 7 - вертлюг, 8 - скважина, 9 - бурильная колонна, 10 - вращающийся глубинный резонатор, 11 - турбобур, 12 - долото.
S
(ω)
ω
ω
a
1
БН
1
n
На фиг.2 показан спектр звука АЧХ , генерируемого буровым насосом с полосой частот от  до  с амплитудой  (индекс БН - буровой насос).
S
(ω)
ω
ω
b
3
ТБ
1
m
На фиг.3 показан спектр звука АЧХ , генерируемого турбобуром с полосой частот от  до  с амплитудой  (индекс ТБ - турбобур).
На фиг.4 показан спектр звука АЧХ, генерируемого буровым насосом, после преобразования наземным резонатором
S
(ω)
Δω
Δω
Δω
2
БН.P
1
БН.Р
2
=++,
Δω
S
(ω)
c
a
Δa
Δa
1
2
БН.Р
где  - область низких частот, преобразованная резонатором из общего спектра  с амплитудой =+ ( - приращение амплитуды после преобразования резонатором);
Δω
S
(ω)
БН.Р
2
БН.Р
- область частот, подавленная резонатором в общем спектре  (индекс БН - буровой насос, Р - резонатор);
Δω
S
(ω)
c
a
Δа
2
2
БН.Р
- область высоких частот, преобразованная резонатором из общего спектра  с амплитудой =+.
На фиг.5 показан суммарный спектр звука АЧХ, генерируемого турбобуром, и преобразованного спектра звука бурового насоса
S
(ω)
Δω
Δω
Δω
5
1
БН.Р
2
=++,
Δω
S
(ω)
d
b
c
1
5
где  - область низких частот, преобразованная резонатором из общего спектра  с амплитудой =+;
Δω
S
(ω)
b
БН.Р
5
- область частот, подавленная резонатором в общем спектре  с амплитудой ;
Δω
S
(ω)
d
b
c
2
5
- область высоких частот, преобразованная резонатором из общего спектра  с амплитудой =+.
S
(ω)
4
ТБ.Р
На фиг.6 показан спектр звука АЧХ , генерируемого турбобуром, после преобразования вращающимся глубинным резонатором
S
(ω)
+Δω
Δω
4
ТБ.P
1
БН.Р
2
=Δω+,
Δω
S
(ω)
e
b
Δb
Δb
1
4
ТБ.Р
где  - область низких частот, преобразованная резонатором из общего спектра  с амплитудой =+ ( - приращение амплитуды после преобразования резонатором);
Δω
S
(ω)
ТБ.Р
4
ТБ.Р
- область частот, подавленная резонатором в общем спектре  (индекс ТБ - турбобур, Р - резонатор);
Δω
S
(ω)
e
b
Δb
2
4
ТБ.Р
- область высоких частот, преобразованная резонатором из общего спектра  с амплитудой =+.
На фиг.7 показан суммарный спектр звука АЧХ, генерируемого турбобуром и буровым насосом, преобразованного резонаторами
S
(ω)
Δω
Δω
Δω
6
1
P
2
=++,
Δω
S
(ω)
f
a
Δa
b
Δb
1
6
где  - область низких частот, преобразованная резонатором из общего спектра  с амплитудой =+++;
Δω
s
(ω)
Р
6
- область частот, подавленная резонатором в общем спектре  (индекс Р - резонатор);
Δω
S
(ω)
f
a
Δa
b
Δb
2
6
- область высоких частот, преобразованная резонатором из общего спектра  с амплитудой =+++.
Пример осуществления способа
S
(ω)
ω
ω
а
S
(ω)
Δω
c
a
Δa
Δω
c
a
Δa
1
БН
1
n
2
БН.Р
1
2
Первая операция. Осуществляется размещение в нагнетательной линии 2 (фиг.1) между буровым шлангом 4 (фиг.1) и буровым насосом 1 (фиг.1) наземного резонатора 3 (фиг.1). При этом буровой насос 1 (фиг.1) генерирует широкополосный спектр звуковых частот  диапазоне - с амплитудой  (фиг.2) в нагнетательную линию 2 (фиг.1), при этом происходит перераспределение частот в спектре  (фиг.4), генерируемом буровым насосом, в диапазон низких частот  с амплитудой =+ и высоких частот  с амплитудой =+ наземным резонатором 3 (фиг.1).
S
(ω)
ω
ω
b
S
(ω)
Δω
e
b
Δb
Δω
e
b
Δb
3
ТБ
1
m
4
ТБ.Р
1
2
Вторая операция. Осуществляется размещение в бурильной колонне 9 (фиг.1) над турбобуром 11 (фиг.1) вращающегося глубинного резонатора 10 (фиг.1), жестко соединенного через вал турбобура с долотом 12 (фиг.1). При этом происходит генерирование широкополосного спектра звуковых частот  в диапазоне - с амплитудой  (фиг.3) закрытым вращающимся глубинным резонатором 10 (фиг.1), жестко связанным через вал турбобура 11 (фиг.1) с долотом 12 (фиг.1), в полость буровой колонны 9 (фиг.1), при этом происходит перераспределение частот в спектре  (фиг.6), генерируемом открытым вращающимся глубинным резонатором 10 (фиг.1), жестко связанным через вал турбобура 11 (фиг.1) с долотом 12 (фиг.1), в полость буровой колонны 9 (фиг.1) в диапазон низких частот  с амплитудой =+ и высоких частот  с амплитудой =+.
S
(ω)
d
b
c
Δω
b
Δω
d
Δω
d
6
БН.Р
1
2
При этом осуществляется прием гидрофоном суммарного спектра  с амплитудой =+ (фиг.6) с подавленной  с оставшейся амплитудой  от закрытого вращающегося глубинного резонатора 10 (фиг.1) и низких частот  с амплитудой , при этом полоса звука высокой частоты  с амплитудой  затухает, не достигая гидрофона.
S
(ω)
f
a
Δa
b
Δb
Δω
Δω
f
Δω
f
6
Р
1
2
При этом осуществляется прием гидрофоном суммарного спектра  с амплитудой =+++ (фиг.7) с подавленной  открытым вращающимся глубинным резонатором 10 (фиг.1) и низких частот  с амплитудой , при этом полоса звука высокой частоты  с амплитудой  затухает, не достигая гидрофона.