книги из ГПНТБ / Фоменко, Ф. Н. Бурение скважин электробуром

При отработке технических средств для бурения наклонно-на­ правленных скважин электробурами более трудоемкой и техниче­ ски сложной работой было создание погружной аппаратуры.

Аппарат ориентирования с угломером АОСУ

Первоначально был разработан аппарат ориентирования с уг­ ломером АОСУ [20, 74]. Он предназначен для периодического ори­ ентирования отклонителя в наклонном участке ствола и измере­ ния кривизны скважины, причем отклонитель ориентируют относи­ тельно плоскости искривления ствола скважины.

Аппарат состоит из глубинной части, встраиваемой в колонну бурильных труб над отклонителем, и наземной части, которую ус­ танавливают в буровой. В глубинной части имеются два датчика, измеряющие угол направления отклонителя и угол кривизны сква­ жины, а также специальное фазовое реле, подключающее датчики к токоподводу. В наземном устройстве имеется коммутационная аппаратура для управления включением глубинных датчиков и ука­ зывающий прибор. На рис. 82 представлена принципиальная элек­ трическая схема АОСУ.

Ось 00 датчиков ориентира и кривизны свободно вращается в опорах и совпадает с осью колонны бурильных труб. На оси жестко укреплен эксцентричный груз 1, а на вращающейся опоре — отвес датчика угла 2. По реохорду этого датчика 3 скользит пол­ зунок 6, укрепленный на отвесе. Неподвижно относительно корпуса датчика (колонны труб) укреплен реохорд датчика ориентира 4, по которому скользит ползунок 5, связанный с осью 00.

В наклонном участке скважины ось 00 занимает наклонное по­ ложение и эксцентричный груз стремится повернуть ее в положе­ ние устойчивого равновесия, при этом плоскость отклонения отвеса и расположенный в ней ползунок датчика ориентира совпадают

171

с плоскостью кривизны скважины. При встройке аппарата в ко­ лонну труб он устанавливается в таком положении, чтобы началь­ ная точка реохорда совпала с направлением действия отклони­ теля. Вследствие этого угол ф между начальной точкой реохорда

Рис. 82. Электрическая схема аппарата АОСУ:

а — аппарат АОСУ; б — измерительный элемент.

и ползунком определит угол направления отклонителя относительно плоскости искривления скважины. Угол кривизны сква­ жины определится по углу отклонения отвеса.

Сопротивления реохорда измеряются с поверхности с помощью мостиковой схемы /?1 , R2, R3, работающей в режиме небаланса, причем указывающий прибор отградуирован в градусах. Аппарат АОСУ применялся при трехпроводной системе питания. Одним про­ водом измерительной цепи служит фаза токоподвода электробура,

172

вторым — заземленная колонна труб. Датчики к токоподводу на время замеров подключают поочередно при помощи фазового реле ФР. При работающем электробуре контакты реле остаются разомкнутыми.

Для управления работой реле токоподвод электробура подклю­ чается к напряжению 220 В с обратной последовательностью фаз, для чего предназначены разъединители Р1 и Р2 и контактор К1. При включении контактора срабатывает реле ФР. Включение кон­ тактов реле контролируется по показаниям указывающего при­ бора.

Глубинная часть аппарата АОСУ встроена в стальной герме­

соединения с токоподводом электробура. Он встраивается в пе­ реводник длиной около 1500 мм, имеющий на концах резьбы под замки труб электробура и выточку под элеватор. Переводник с ап­ паратом снабжен контактными соединениями токоподвода элект­ робура.

Наземное измерительное устройство АОСУ смонтировано в за­ крытом шкафу. На лицевой стороне размещены указывающий прибор и рукоятки управления. Шкаф устанавливают в сарае бу­ ровой вблизи поста бурильщика.

Перед спуском инструмента в скважину переводник с АОСУ устанавливают в колонне труб обычно над отклонителем и совме­ щают плоскость искривления отклонителя с меткой на корпусе ап­ парата. Это достигается путем поворота корпуса аппарата вокруг своей оси, после чего корпус закрепляют неподвижно в перевод­ нике при помощи опоры со стороны верхнего конца переводника. Иногда плоскость искривления отклонителя не совмещают с мет­ кой на корпусе АОСУ и угол между ними учитывается при измере­ ниях.

Во время этих операций переводник с АОСУ нижним концом соединен с отклонителем и установлен на роторном столе, на эле­ ваторе. К верхнему концу переводника присоединяют бурильные трубы, бурильную колонну спускают в скважину без визирования. Перед началом бурения ориентируют отклонитель с электробуром. Предполагается, что призабойный участок уже имеет некоторую кривизну (не менее 1,5—2 °) с известным азимутом.

Токоподвод электробура подключается разъединителем Р2 к шкафу АОСУ (см. рис. 82). Нажатием кнопки включают кон­ тактор К1 и подают напряжение обратной последовательности. Фазовое реле ФР включает измерительную цепь ориентира. Ука­ зывающий прибор определяет направление отклонителя. Медлен­ ным поворотом бурильной колонны добиваются нужного положе­ ния отклонителя. При необходимости проверяют найденное положение, поворачивая бурильную колонну несколько раз и срав­ нивая между собой отметки положения роторного стола, соответст­ вующие одинаковым показаниям АОСУ.

173

Закончив ориентирование отклонителя, переключают реле ФР в положение угломера. Измеряют кривизну скважины, а затем отключают измерительную цепь и включают силовую цепь пита­ ния электробура; начинается бурение. В процессе бурения перио­ дически проверяют направление отклонителя.

Аппарат АОСУ применялся при бурении ряда наклонно-на­ правленных скважин. Он прост по устройству и надежен в работе. Маслозаполненный корпус с лубрикаторным устройством до­ пускает применение прибора при любом гидростатическом давле­ нии. Точность установки отклонителя составляет ±5° при кривизне не менее 5°, точность измерения кривизны ±30'. На одно ориенти­ рование отклонителя затрачивается всего 3—5 мин.

Однако аппарат АОСУ не отвечает всем требованиям, так как необходим контроль за направлением отклонителя при работаю­ щем электробуре, чтобы устранить влияние реактивного момента, а также контроль за изменением азимута скважины. Недостаток схемы аппарата АОСУ заключается еще и в том, что на точность замеров влияет изменение сопротивления изоляции токоподвода.

Импульсные инклинометры ИИ-3, ИИ-2, ИИ-1, ИИ-За

Для непрерывного контроля за всеми параметрами траектории скважины в процессе бурения электробуром в Азербайджанском институте нефти и химии им. Азизбекова был разработан импуль­ сный инклинометр для электробура [3, 14, 20, 74].

Этот аппарат обеспечивает измерение угла наклона, азимута, а также направления отклонителя непосредственно в ходе буре­ ния. Измерительные датчики инклинометра расположены в глу­ бинном снаряде, встроенном в колонну труб над электробуром. Их показания передаются на поверхность путем наложения изме­ рительных сигналов на силовой ток электробура. Принято частот­ ное разделение измерительного и силового каналов. В устройстве применена время-импульсная система телеизмерения, при которой устранено влияние изменения параметров канала связи (снижение сопротивления изоляции одной из фаз токоподвода вплоть до нуля, изменение длины токоподвода, переходных контактных сопротив­ лений и др.) на точность измерения.

Были разработаны инклинометры трех типов: 1) для измере­ ния трех параметров — наклона, азимута скважины и положения отклонителя (ИИ-3); 2) для измерения двух параметров — поло­ жения отклонителя относительно плоскости искривления скважины и угла наклона скважины (ИИ-2); 3) для контроля за положе­ нием отклонителя (ИИ-1).

Импульсный инклинометр первого типа содержит датчик для измерения азимута скважины, определяемого относительно маг­

174

ного элемента и встраивается в обычные бурильные трубы. Это значительно упрощает конструкцию инклинометра. Аппарат ИИ-1 обеспечивает только установку отклонителя относительно извест­ ного азимута наклонной скважины.

Принципиальная схема импульсного инклинометра ИИ-3 пред­ ставлена на рис. 83.

В глубинной части инклинометра установлены однотипные кон­ тактные датчики время-импульсной системы телеизмерения: Д К — датчик кривизны, Д О — датчик направления отклонителя и ДА — датчик азимута. Каждый из датчиков имеет неподвижный контакт

Сеть 6000В

КН, контакт КН, укрепленный на стрелке измерительного чувстви­ тельного элемента, и контакт КВ, вращающийся с постоянной ско­ ростью и замыкающий поочередно два первых контакта. Время между двумя замыканиями определяет продолжительность изме­ рительного импульса. Оно пропорционально углу поворота кон­ такта КН относительно контакта КН, который определяет вели­ чину измеряемого параметра. Вращение контактов КВ всех трех датчиков осуществляется от одного малогабаритного двигателя СД со скоростью 2 об/мин.

В качестве чувствительных элементов датчиков применены: в датчике азимута скважины — магнитная стрелка, в датчике кри­ визны скважины ■— маятник-отвес, в датчике направления откло­ нителя— ось с эксцентричным грузом, как и в аппарате АОСУ.

175

При помощи переключателя Я датчики поочередно подключа­ ются к цепи реле Р и управляют ею включением и отключением. При замыкании контактов КН и КВ любого из подключенных дат­ чиков реле включается и самоблокируется до момента замыкания контактов КН и КВ того же датчика. При включении реле Р его нормально открытый контакт включает выходную цепь высокоча­ стотного генератора Г, что вызывает посылку измерительного сигнала на поверхность. Продолжительность этого сигнала пропор­ циональна величине измеряемого параметра. Генератор настраи­ вается на три фиксированные частоты (25, 35 и 45 кГц), соответ­ ствующие трем измеряемым параметрам. Переключение частот

Т=4,5мин

Рис. 84. График цикла измерительных сигналов импульсного инклино­ метра ИИ-3:

из параметров; Т — время всего цикла замеров; /і, f2 и — фиксированные частоты.

осуществляется переключателем Я синхронно с переключением датчиков. Таким образом, в схеме осуществлено не только времен­ ное разделение измерительных каналов, но и частотное.

На рис. 84 представлен график цикла измерительных сигналов инклинометра ИИ-3. Максимальная продолжительность измери­ тельного импульса принята 30 с. На графике показан цикл про­ должительностью 4,5 мин с трехкратным замером каждого пара­ метра. При необходимости график и время цикла могут быть из­ менены путем замены кулачков и передаточного отношения переключателя.

В качестве канала связи для передачи измерительных сигналов на поверхность используются одна из фаз токоподвода и зазем­ ленная колонна труб (схема канала связи: фаза — земля). Присо­ единение цепи измерительного сигнала глубинного и наземного ус­ тройств к токоподводу электробура выполнено при помощи при­ соединительных фильтров Ф1 и Ф2 (см. рис. 83).

Питание глубинного устройства инклинометра осуществляется от трансформатора.

Наземное устройство инклинометра включает трехканальный усилитель. Усиленные измерительные сигналы вызывают срабаты­ вание реле Р1, Р2 и РЗ (см. рис. 83) в соответствии с частотой сигнала. Эти реле управляются включением электромагнитных муфт сцепления ЭМ1, ЭМ2 и ЭМЗ указывающих приборов. При

176

включении муфты стрелка прибора отклоняется при помощи син­ хронного двигателя СД на угол, соответствующий продолжитель­ ности измерительного импульса, т. е. величине измеряемого пара­ метра. Конструкция указывающих приборов предусматривает сохранение предыдущих показаний в промежутках между импуль­ сами.

Устройство приборов поясняется на рис. 85. Скорость враще­ ния синхронного двигателя прибора СД-2 такая же, как и двига-

Рис. 85. Схема устройства указывающего прибора инкли­ нометра ИИ-3.

теля в -глубинной части. Через шестерни zu z2, z3, 2 4 и z5 враща­ ются в противоположные стороны две ведущие полумуфты 1 и 3. Ведомые полумуфты 2 и 4 имеют на осях поводки 5 и 6, которые при помощи спиральных пружин 7 удерживаются в начальном по­ ложении. Вначале измерительного импульса включается муфта ЭМ1 и поводок 5, упираясь в штифт 8, поворачивает шестерни 2 б, z7 и zs. На оси шестерни z7 находится стрелка прибора, угол от­ клонения которой будет пропорционален продолжительности им­ пульса.

При окончании импульса муфта ЭМ1 отключается, поводок 5 под действием спиральной пружины возвращается в исходное по­ ложение, а стрелка остается отклоненной. В тот же момент (на­ чало паузы) включается муфта ЭМ2 и начинается движение

поводка 6. Если за время паузы параметр не изменился, то в мо­ мент, когда поводок дойдет до штифта 9, отключится муфта ЭМ2 вследствие окончания паузы и начала импульса. Если же величина параметра уменьшится, то стрелка отклонится на соответствующий угол. Таким образом, прибор реагирует как на импульс, так и на паузу.

Глубинная часть инклинометра смонтирована в герметичном корпусе из немагнитного металла (латунь, дюралюминий). Внут­ ренний диаметр корпуса 75 мм, толщина стенки 10—12,5 мм, длина корпуса до 1300 мм. Глубинный снаряд инклинометра встраива­ ется в немагнитную бурильную трубу длиной 3,5 м, которая имеет кабельную секцию с обычными контактными соединениями токо­ подвода электробура на концах. Одна жила секции имеет припа­ янное ответвление для присоединения к инклинометру через гер­ метичный кабельный ввод. Для увеличения немагнитного участка на концах немагнитной трубы с инклинометром устанавливают уд­ линители— немагнитные трубы длиной 2 м. Вся длина немагнит­ ного участка в колонне труб составляет 7,5 м.

Наземная часть инклинометра выполнена в двух блоках: при­ соединительном фильтре, монтируемом в высоковольтной камере станции управления электробуром, и приемном измерительном устройстве, монтируемом на буровой против поста бурильщика.

Пределы измерения инклинометра ИИ-3: для угла наклона скважины 0—100° — предусмотрены диапазоны 0—50° и 50—100°; для азимута скважины и угла направления отклонителя 0—360°.

Максимальная глубина бурения с инклинометром составляет 2500 м при латунном корпусе и 4000 м при корпусе из высокопроч­ ного дюралюминиевого сплава или немагнитной стали.

Электрическая схема импульсного инклинометра ИИ-2 анало­ гична схеме инклинометра ИИ-3. Отличие заключается в отсутст­ вии датчика азимута скважины. В связи с этим генератор глубин­ ного устройства имеет две фиксированные частоты, наземное уст­ ройство— усилитель на два канала и два указывающих прибора. Элементы и детали схемы те же, что и у инклинометра ИИ-3. Глу­ бинная часть ИИ-2 встраивается в обычную стальную бурильную трубу длиной около 3 м.

По устройству инклинометр ИИ-2 проще описанного выше ИИ-3. Он измеряет угол наклона скважины и направление от­ клонителя относительно плоскости искривления скважины. Как по­ казал опыт, при непрерывном контроле за этими двумя парамет­ рами можно бурить, контролируя азимут скважины лишь периоди­ чески обычными геофизическими инклинометрами.

Усовершенствованные инклинометры ИИ-За имеют следующие отличия от прибора ИИ-3:

1 ) переключение измерительных датчиков осуществляется «по вызову» с поверхности;

178

2 ) электромагнитное реле формирования импульсов в глубин­ ном устройстве заменено тиратронным реле.

Схема инклинометра ИИ-За приведена на рис. 8 6 . В глубинной части инклинометра применены те же датчики, высокочастотный генератор (на лампе 6Н15П), присоединительный фильтр и токо­ вый трансформатор, что и в инклинометре ИИ-3.

Переключение датчиков и фиксированных частот генератора путем изменения емкости в контуре задающего каскада (Ь2, Cg, С4 и С5) осуществляется реле-искателем И, включенным в анод­ ную цепь тиратрона Л г (типа ТГ1Б). Это реле реагирует на сиг­ налы вызова частотой 10 кГц, посылаемые с поверхности от гене­ ратора вызова ГВ. Пройдя присоединительные фильтры Ф2 и Ф1, первичную обмотку выходного трансформатора Т2 и полосовой фильтр ФЗ, вызывной сигнал поступает на сетку тиратрона ЛЗ, что приводит к зажиганию тиратрона и срабатыванию реле-иска­ теля. При отсутствии сигнала вызова тиратрон гаснет. Чтобы переключить контакты реле с одного положения на другое, посылается сигнал вызова в течение короткого промежутка вре­ мени.

Временные измерительные сигналы формируются путем воз­ действия датчика на режим генерации высокочастотного тока. При замыкании контактов КН и КВ одного из подключенных датчиков на сетку тиратрона Л2 (тип ТГ1Б) подается положительное на­ пряжение, тиратрон зажигается и включает цепь анодного напря­ жения генератора. При замыкании контактов КВ и КП тиратрон шунтируется — выключается анодное питание генератора. Приме­ нение тиратрона для управления работой генератора позволяет значительно уменьшить силу тока, проходящего через контакты датчика; на работе схемы практически не сказывается переходное сопротивление контактов.

Для питания анодных цепей генератора используется однополупериодный выпрямитель В с кремниевым диодом Д-205.

В датчике азимута предусмотрено арретирование магнитной стрелки при помощи механизма с биметаллическим элементом БМ. В момент измерения наклона включается нагревательная об­ мотка БМ, магнитная стрелка устанавливается по направлению магнитного меридиана. При измерении азимута питание обмотки включается и стрелка скачком арретируется. В инклинометрах ИИ-За арретирование стрелки осуществляется при помощи ку­ лачка, вращаемого от двигателя СД.

Переданный на поверхность измерительный сигнал поступает на вход трехканального усилителя У. Каждый его канал — двух­ каскадный резонансный усилитель на лампе 6Н1П с электронным реле на выходе. В соответствии с частотой сигнала срабатывает одно из трех реле РА, РО или РК, которые включают электромаг­ нитные муфты указывающих приборов (те же приборы, что и в инклинометре ИИ-3).