автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.10, диссертация на тему:Контроль забойных параметров в процессе сверхглубокого бурения с использованием гидравлического канала связи (на примере Кольской сверхглубокой)

Р Г 5 ОД На правах рукописи

ВАРЛАМОВ Сергей Евгеньевич

КОНТРОЛЬ ЗАБОЙНЫХ ПАРАМЕТРОВ В ПРОЦЕССЕ СВЕРХГЛУБОКОГО БУРЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО КАНАЛА СВЯЗИ

(на примере Кольской сверхглубокой)

Специальность 05.15.10 - Бурение скважин

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа 1997

Работа выполнена в научно-производственном центре (НПЦ) "Кольская сверхглубокая" и на кафедре бурения нефтяных и газовых скважин Самарского политехнического университета.

Научный руководитель: член-корр. РАЕН, доктор технических наук, профессор Г. М. Файн.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОПОНЕНТЫ:

доктор технических наук Ситдыков Г. А. кандидат технических наук Акбулатов Т. О.

ВЕДУЩЕЕ ПРЕДПРИЯТИЕ:

институт «Гипровостокнефть»

Защита состоится " ^ "января 1998 г. в -15 часов на заседании диссертационного совета Д 063.09.02 в Уфимском государственном нефтяном техническом университете по адресу: 450062, г.Уфа-62, ул. Космонавтов 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного нефтяного технического университета.

Автореферат разослан декабря 1997г.

УченыЦ секретарь диссертационного

совета, доктор физико-математических . /

наук, профессор ^^ахтизин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Прирост минерально-сырьевой базы в настоящее время возможен только за счет разработки глубоких залежей полезных ископаемых, что требует дальнейшего совершенствования техники и технологии глубокого и сверхглубокого бурения. Разведка и эксплуатация месторождений нефти и газа уже сегодня осуществляется на глубинах 5000 - 6000 метров.

При бурении глубоких и сверхглубоких скважин ряд технологических параметров, замеренных на поверхности и определяющих условия бурения, существенно отличается от реально действующих на забое скважины. Результаты исследований соответствия наземных и забойных параметров показывают, что, например, по осевой нагрузке на долото при глубине 5000 метров даже условно вертикальной скважины несоответствие этого параметра может достигать величины более 50%. В наклонно-направленных скважинах и при сверхглубоком бурении это несоответствие будет еще более существенным. Для СГ-3 удлинение бурильной колонны под действием собственного веса и температуры составляет десятки метров, а для начала вращения нижних секций колонны на поверхности необходимо сделать более 30 оборотов. В связи с этим, эффективное управление работой забойного двигателя и породоразрушающего инструмента при больших глубинах скважины по информации, полученной с помощью наземных приборов, становится весьма затруднительным. Для выбора оптимального режима бурения необходимы глубинные измерения, адекватно отражающие измеряемые параметры.

Одной из основных задач совершенствования техники и технологии глубокого и сверхглубокого бурения, является повышение скорости проходки за счет поддержания оптимальных параметров режима бурения и снижения вероятности возникновения аварий и осложнений. Опыт бурения сверхглубоких скважин в России и за рубежом показывает, что без-

аварийная проходка скважин глубиной более 6000 метров невозможна без контроля и управления процессом бурения по забойным параметрам.

Цель работы. Исследование и разработка телеметрического комплекса для получения по гидравлическому каналу связи (ГКС) забойной информации об основных параметрах режима бурения с целью оперативного управления процессом проводки глубоких и сверхглубоких скважин.

Основные задачи исследований. В соответствии с поставленной целью в работе ставятся и решаются следующие задачи:

1. Исследование уровня и спектра помех в ГКС при различных режимах работы бурового оборудования.

2. Исследование пульсаций давления бурового раствора и вибраций трубопровода высокого давления и ведущей трубы.

3. Исследование спектральных характеристик гидравлического канала связи.

4. Разработка передающих датчиков системы контроля забойных параметров в процессе сверхглубокого бурения.

5. Экспериментальное опробование передающих датчиков и исследование их параметров в стволе СГ-3.

6. Исследование влияния характеристик сигнала на прохождение по ГКС.

7. Исследование изменения уровня сигнала в зависимости от глубины скважины и частоты сигнала.

8. Разработка рекомендаций по применению датчиков телеметрической системы контроля забойных параметров.

Научная новизна работы.

¡.Впервые проведены исследования уровня и спектра помех в ГКС протяженностью 12000 м. при различных режимах работы бурового оборудования.

2.Исследованы вибрации нагнетательной линии насосов, ведущей трубы, дана оценка их влияния на канал связи.

3.Предложена схема контроля и передачи забойных параметров, в соответствии с которой разработан алгоритм, позволяющий достоверно интерпретировать забойную информацию.

4.Проведены экспериментальные исследования влияния характеристик сигнала на прохождение по ГКС, а также изменения уровня сигнала в зависимости от его частоты и глубины скважины.

Практическая ценность. На основании проведенных исследований разработана и внедрена в практику бурения Кольской сверхглубокой скважины система контроля забойных параметров для сверхглубокого бурения с передачей информации по ГКС о частоте вращения забойного двигателя, осевой нагрузке на породоразрушающий инструмент и отклонении зенитного угла скважины выше допустимого значения. Отдельные устройства разработанной системы были внедрены и успешно используются при бурении Уральской сверхглубокой скважины и при глубоководном бурении. Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе при чтении лекций по курсу «Технология бурения глубоких и сверхглубоких скважин»

Апробация работы. Вопросы, составляющие содержание диссертации, докладывались и обсуждались:

- на заседаниях научно-технического совета НПЦ "Кольская сверхглубокая", г. Заполярный.

- на заседании технического совета ВНИИЭМ, г. Москва.

- на заседаниях кафедры бурения нефтяных и газовых скважин Самарского политехнического университета, г. Самара.

- на совещании по технике и технологии бурения сверхглубоких скважин в лаборатории НПЦ "Кольская сверхглубокая", г. Самара.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в четырех печатных работах.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, выводов и рекомендаций, изложенных на 121 страницах машинописного текста, содержит 37 рисунков, 15 таблиц. Список использованной литературы содержит 57 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приводится обоснование актуальности проблемы контроля забойных параметров при бурении глубоких и сверхглубоких скважин.

В первой главе рассмотрены существующие системы контроля и передачи информации о забойных параметрах бурения, приведена сравнительная характеристика способов передачи информации в процессе бурения с использованием различных каналов связи, сформулированы цели и задачи исследований.

Анализ рассмотренных телеметрических систем (ТС) контроля забойных параметров показывает, что все основные параметры ТС определяются в первую очередь свойствами канала связи и конструкцией забойных датчиков скважинной части аппаратуры. Активно ведутся исследования средств передачи информации с забоя скважины на поверхность с использованием кабельного, электромагнитного, акустического и гидравлического каналов связи. Общими признаками различных каналов являются следующие: на выходе канала даже при отсутствии полезного сигнала всегда имеются помехи, в канале связи происходит задержка передаваемого сигнала во времени и затухание по уровню, сигнал, проходя по каналу связи, претерпевает также искажения, которые вызваны его несовершенством. Общим для скважинных приборов ТС различных фирм является наличие датчиков измеряемых параметров, блока преобразования и кодирования сигналов, блока питания.

В качестве датчиков контролируемых параметров применяются тен-зодатчики, индуктивные, магнитоупругие или емкостные преобразователи малых перемещений. Импульсы давления бурового раствора формируются клапаном, который приводит в действие электромагнит или электродвигатель. Питание забойных датчиков осуществляется либо от генератора переменного тока, либо от батарейного источника.

Максимальная глубина использования ТС определяется температурой на забое и гидростатическим давлением. От температуры зависит работоспособность электронных компонентов измерения и преобразования контролируемых параметров в сигнал. Для рассмотренных систем за исключением ТСЧ температура на забое не должна превышать 150°С. Глубина использования ограничивается также гидростатическим давлением, на которое расчитан контейнер со скважинной аппаратурой, и составляет для системы Gearhart Owen Industries 3000 м., для системы Teleco 4000 м., для системы Schlumberger 6000 м. и ТСЧ 12000 м. На основании анализа эксплуатации существующих телеметрических систем можно сделать вывод, что максимальная глубина использования телесистем, в которых применяется электрический метод измерения параметров при существующем уровне развития техники ограничена 6000 - 7000 м.

Для повышенных термобарических условий сверхглубокого бурения наиболее приемлемой является система ТСЧ, в которой используется гидромеханический принцип измерения и преобразования контролируемого параметра в сигнал с передачей информации на поверхность по ГКС. Недостатками ТСЧ являются низкая информативность, система передает информацию только о частоте вращения забойного двигателя, что недостаточно для эффективного контроля за процессом бурения, и несогласованность сигнала системы с ГКС, в результате чего на передачу сигнала затрачивается значительная гидравлическая мощность.

Работы по исследованию гидравлического канала связи велись в основном применительно к условиям скважин глубиной 3000 - 5000 метров. Анализ опубликованных научных работ по передаче информации в процессе бурения скважин показал слабую изученность и противоречивость результатов исследований. В работах, посвященных проблемам передачи информации с забоя скважины, выполненных различными авторами, нет единства в оценках распределения помех по частотному диапазону ГКС. Этим объясняется использование для передачи информации по ГКС различных частотных диапазонов: система Mobile research and development 24 Гц, система Analyst Schlumberger 12 Гц, Teledrifit 0,05 - 0,03 Гц, ТСЧ 0,02 -0,20 Гц. Нет единого мнения и о необходимой величине и длительности сигнала. Уровень сигнала, создаваемый скважинным прибором, значительно отличается для различных систем. Так для ТС Mobile research and development амплитуда сигнала составляет 0,105-0,350 МПа для Teledrifit этот же показатель 1 МПа, для ТСЧ уровень сигнала 2,5 МПа, а для Gearhart Owen Industries 5-6 МПа. То же можно сказать и о длительности сигнала, которая для систем Geaihait Owen Industries и Mobile research and development отличается на порядок и составляет соответственно 0,25 -1,00 с. и 0,1 с.

Во второй главе изложены результаты проведенных исследований: уровня и спектра помех при различных режимах работы бурового оборудования, пульсаций давления бурового раствора, вибраций трубопровода высокого давления и ведущей трубы, а также спектральные характеристики ГКС Кольской сверхглубокой

Помехи, возникающие в ГКС, можно разделить на активные и пассивные. К активным относятся помехи, вызванные работой различного бурового оборудования, к пассивным - помехи, возникающие, главным образом, в результате изменения параметров самого канала связи. Пассивные помехи вызываются изменением расхода, плотности, газовой фазы

промывочной жидкости, а также упругими колебаниями бурильных труб и т.д.

Наиболее значительными по величине являются пульсации давления, вызванные работой бурового насоса. При этом основные частоты помех от пульсаций давления насоса УНБ-1250 располагаются в интервале 0,59 - 1,04 Гц. Гармонические составляющие пульсаций давления кратны основным частотам пульсаций. От действия пульсаций давления насоса возникают и различные вторичные явления, крайне усложняющие картину помех в ГКС. Эти помехи, вызванные резонансными явлениями в гидросистеме, возникают в области резонансных частот различных элементов оборудования гидросистемы скважины.

Для исследования уровня и спектра помех в ГКС проведена одновременная запись пульсаций давления и расхода в нагнетательной линии насоса СГ-3. Запись проводилась при проработке ствола скважины в интервале 9700 - 9800 м. В компоновку входил турбобур 1А7Ш+РМ и датчик частоты вращения вала забойного двигателя. В процессе работы изменялась производительность насоса. При этом, значения расхода устанавливались следующие: 34, 30, 20, 30, 34, 25 л/с. Пульсации давления записывались с измерительного преобразователя "Сапфир" и преобразователя расхода РГР-100 в виде электрических напряжений на измерительный магнитограф, Запись осуществлялась в частотном диапазоне 0 - 1250 Гц со скоростью 38,1 мм/с. Записанные сигналы обрабатывались на двухка-нальном анализаторе с использованием графического регистратора, цифрового магнитофона и двухкоординатного самописца. Для записи и анализа сигналов использовались приборы фирмы "Брюль и Кьер" производства Дании. После обработки записанных сигналов получены среднеквадратичные спектры, адекватные пульсациям давления и вибрационным процессам в ГКС. Результаты измерений представлены в виде спектрограмм.

Полученные в результате исследований ГКС Кольской сверхглубокой спектры носят дискретный характер с ярко выраженными составляющими, кратными частоте двойных ходов насоса. Спектры пульсаций давления и расхода близки по характеру и имеют практически одни и те же частотные составляющие. При этом, низкочастотная часть спектра расхода в информативном диапазоне до 1 Гц заполнена шумовым фоном.

Наиболее значительными по величине являются пульсации давления в интервале частот 0,59 - 1,04 Гц, вызванные работой бурового насоса. Частоты, соответствующие частоте двойных ходов и их кратностям, определяют динамическую составляющую пульсаций. Первые их порядки для расходов 30 л/с и 34 л/с составляют соответственно 0,953 и 1,046 Гц с уровнем 0,465 и 0,572 МПа. С увеличением кратности их уровень уменьшается.

Диапазон частот в интервале от нуля до первой частоты двойных ходов насоса содержит частотные составляющие 0,281; 0,570; 0,679; 0,859 Гц, которые не смещаются по частотной шкале при изменении режима работы насоса. Присутствие этих частотных составляющих в спектрах пульсаций давления объясняется собственной частотой нагнетательного трубопровода и бурильной колонны, а также воздействием на ГКС СГ-3 вибрационных процессов от колебаний, возбуждаемых работой бурового оборудования.

. Общая интегральная оценка динамических составляющих пульсаций давления в ГКС, проведенная при анализе вероятностных характеристик сигналов, показывает, что пульсации давления могут достигать 2,55 и 2,79 МПа при расходах 30 и 34 л/с соответственно.

Работа бурового оборудования сопровождается значительными вибрациями, что может вносить дополнительные помехи в ГКС. Наиболее сильные наводки возможны в нагнетательной линии насоса, в месте установки датчика "Сапфир", с которого снимается информационный сигнал,

а также на ведущей трубе. На магнитограф одновременно записаны изменения давления на датчике "Сапфир" и вибрации нагнетательного трубопровода и ведущей трубы. В качестве датчика механических колебаний использовался трехкомпонентный акселерометр Delta Shear.

Пиковые уровни виброускорений на квадрате хорошо коррелируют-ся с соответствующими дискретными пиками в спектре пульсаций давления. В нагнетательной линии насосов этого не наблюдается. Пиковый уровень вибраций находится в диапазоне 0,2 - 0,4 Гц, что связано с собственной частотой подвески трубы. Дальнейшие исследования проводились в интервале 0 - 3,13 Гц, так как частота вибраций трубопровода высокого давления не превышает этого значения. Как показывает анализ спектрограмм наибольший интерес представляют вибрации нагнетательного трубопровода в месте установки датчика давления "Сапфир". С целью выявления связи между вибрациями нагнетательного трубопровода и пульсациями давления буровой жидкости в нем произведена одновременная запись пульсаций давления с датчика "Сапфир" и виброускорений с пьезоэлектрических преобразователей Один из пьезоэлектрических преобразователей был установлен рядом с "Сапфиром", а другой на расстоянии 12 метров от него. В качестве согласующих предусилителей использовались приборы с фильтрами высоких частот 0,003 Гц, с питанием от стабилизированного источника.

Для проведения анализа выбран отрезок записи, где пульсации давления по общему уровню менялись в пределах не более 0,2 МПа, что можно оценить как достаточно стационарный режим, пригодный для спектрального анализа. Записанные сигналы обрабатывались с использованием двухканального анализатора, графического регистратора, цифрового магнитофона и двухкоординатного самописца.

Анализ пульсаций давления дает основание полагать, что пульсации давления и вибрации трубопровода взаимосвязаны. Наиболее сильные на-

водки возможны в нагнетательной линии насосов в месте установки датчика давления "Сапфир", с которого снимается информационный сигнал. В процессе исследований установлено, что на частоте около 0,15 Гц возможно проявление резонансных свойств колебательной системы трубопроводов.

Процесс передачи информационного сигнала протекает в условиях значительных изменений во времени как полного давления и расхода, так и амплитуды информационного сигнала и помех. Амплитуды и скорости изменения давления составляют: полное давление от 20,5 до 22,6 МПа с наибольшей скоростью 0,1 МПа/мин; основная помеха от 0,25 до 0,35 МПа с наибольшей скоростью 0,5-10"3 МПа/мин; информационный сигнал от 0,08 до 0,13 МПа с наибольшей скоростью 0,5-10"3 МПа/мин. Пульсации расхода менее стабильны во времени, чем пульсации давления.

Уровень информационного сигнала преобладает над близкими по частоте составляющими спектра, определяющими помехи в диапазоне 0 -0,859 Гц.

В третьей главе рассматривается разработанный комплекс датчиков, объединенных в единую телеметрическую систему для передачи забойной информации о параметрах, характеризующих процесс бурения. Предложен и реализован алгоритм, позволяющий достоверно интерпретировать забойную информацию о частоте вращения забойного двигателя, осевой нагрузке на породоразрушающий инструмент, отклонении зенитного угла скважины выше допустимых пределов В результате аналитических исследований разработан расчет измерительного элемента датчика осевой нагрузки. На основании проведенных экспериментальных исследований ГКС Кольской сверхглубокой разработана телеметрическая система контроля и передачи основных забойных параметров для сверхглубокого бурения. Она состоит из трех основных функциональных блоков, выполненных в виде самостоятельных датчиков, которые обеспечивают измере-

ние или индикацию необходимых технологических параметров и передачу информации по гидравлическому каналу связи. Информация о частоте вращения и осевой нагрузке передается постоянно, а о зенитном угле в момент наращивания бурильной колонны, а также при необходимости после каждого включения буровых насосов. Датчики осевой нагрузки и предельного угла отклонения скважины приближены к забою и разделены с датчиком частоты вращения забойным двигателем.

В результате аналитических исследований разработан алгоритм в котором принято, что период следования импульсов обратно пропорционален частоте вращения вала забойного двигателя, осевая нагрузка прямо пропорциональна величине среднего давления в нагнетательной линии насосов, а резкое увеличение давления до максимальной величины после переключения насосов соответствует превышению заданного зенитного угла.

Переход от нагрузки Ох к Ог характеризует изменение перепада давления АР1 т.е.

АР,=Р2-Р,=/(АС), (1)

Искривление ствола скважины выше допустимых пределов определяется по перепаду давления ДР2, которое устанавливается в нагнетательной линии насосов при срабатывании сигнализатора. При этом АРг значительно больше АР, и превышает величину перепада давления АР, соответствующего максимальной осевой нагрузке на долото. Сигнал, сформированный забойными датчиками телеметрической системы, снимается на поверхности в виде электрических напряжений с измерительного преобразователя "Сапфир". Далее сигнал фильтруется от помех, действующих в ГКС. Для фильтрации сигнала используются активные фильтры на основе операционных усилителей. Когда спектральные плотности импульсных помех и полезного сигнала совпадают, выделение сигнала обычными методами фильтрации затруднено. Использование вычислительной техники

для фильтрации и обработки сигнала давления позволяет получить разложение исходного сигнала на частотные составляющие, на основании анализа которых можно сделать заключение о принадлежности данной составляющей полезному сигналу или помехе. Ввод информации в ПЭВМ в цифровом виде осуществляется автоматически с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП). После обработки сигналов наземной аппаратурой получаем данные о величине среднего давления в нагнетательной линии, а также о периоде следования информационных импульсов, которые после пересчета в цифровом выражении выводятся на дисплей в виде частоты вращения породоразрушающего инструмента, осевой нагрузки на породоразрушающий инструмент или сигнала о превышении предельно допустимого угла наклона скважины. Информация о забойных параметрах фиксируется также регистрирующим прибором.

Датчик частоты вращения входит в состав телеметрической системы контроля забойных параметров и предназначен для передачи информации о частоте вращения забойного двигателя в процессе сверхглубокого бурения, а также для получения информации после подъема инструмента о значении зенитного угла скважины и его изменении в течение одного рейса. Датчик выполнен в виде механического преобразователя частоты вра-. щения турбины в гидравлические импульсы давления и располагается в КНБК непосредственно над забойным двигателем.

Датчик предельного отклонения зенитного угла скважины предназначен для получения оперативной информации в процессе бурения о превышении допустимого зенитного угла скважины, установленного перед спуском бурильной колонны, а также для получения более точной информации о значении зенитного угла после подъема инструмента. Действие датчика основано на том, что шар под действием силы тяжести занимает на сферической поверхности положение, соответствующее зенигно-

му углу искривления скважины. Отклонение шара от оси датчика определяется по формуле:

г = R-sina, ^

где г - отклонение шара от оси датчика, R - радиус сферической поверхности, а - угол наклона скважины.

Датчик осевой нагрузки располагается под забойным двигателем и является составным звеном телеметрической системы контроля забойных параметров, разработанной для условий сверхглубокого бурения. В процессе бурения осевая нагрузка на долото создается в основном весом нижней части компоновки бурильной колонны. Ее величина для условий сверхглубокого бурения колеблется от 0 до 100 кН. Принцип работы датчика осевой нагрузки основан на создании перепада давления, пропорционального осевой нагрузке на долото.

Недостатками известных датчиков является высокий порог срабатывания и большая погрешность измерения, т.к. измерение контролируемого параметра возможно только после приложения осевой нагрузки на долото, которая компенсирует вес элементов компоновки, расположенных ниже датчика, а также дополнительную нагрузку, возникающую от действия перепада давления на них. Так, например, в датчике осевой нагрузки при площади выдвижной части 132 см2 и перепаде давления на клапане 2 МПа дополнительная нагрузка, действующая на забой, достигает 26,5 кН, что составляет около 30% от измеряемого параметра. В связи с этим важное значение имеет место установки датчика в КНБК. Чем ближе датчик расположен к забою, тем меньше нагрузка на датчик, вызванная перечисленными факторами, а также меньше погрешность, связанная с трением компоновки о стенки скважины.

Таким образом, для достоверного контроля осевой нагрузки необходимо выполнить следующие условия:

- силовой элемент должен обеспечивать измерение параметра, а также компенсацию веса и перепада давления на нижележащих элементах компоновки;

- зависимость между осевой нагрузкой на долото и перепадом давления на сужающем устройстве (СУ) датчика должна носить линейный характер. Это в свою очередь предполагает, что перемещение клапана СУ в зависимости от осевой нагрузки также должно происходить по линейному закону.

Давление в нагнетательной линии насосов Рн складывается из суммы потерь давления Рс во всей циркуляционной системе скважины, в которую входят: бурильные трубы, забойный двигатель, элементы КНБК, долото, затрубное пространство и потери давления АР на датчике осевой нагрузки:.

Р„ = РС+ЛР (3)

Давление Рс определяется при отсутствии нагрузки на долото перед постановкой инструмента на забой скважины. Перепад давления на датчике определяется по формуле:

АР = КдТСд-<>, (4)

где Кд - коэффициент преобразования датчика, (}, у- расход и плотность бурового раствора, Од - осевая нагрузка на долото. Из уравнений (3) и (4) получаем:

Сд^Рн-Рс/Кд-гО1 (5)

При осевой нагрузке вд = 0 давление Рс равно давлению РНо, тогда в качестве алгоритма расчета осевой нагрузки на долото можно использовать выражение:

(*д - Рц-Рно/Кд-уО2 (6)

Параметры Кд и у вводятся оператором вручную, а Рн и вводятся в систему автоматически, причем Рно фиксируется перед началом бурения как

давление в нагнетательной линии насосов, соответствующее положению долота над забоем скважины.

В четвертой главе изложены результаты тарировки и экспериментального исследования параметров передающих датчиков в стволе СГ-3. Исследовано влияние характеристик сигнала на прохождение по ГКС, а также изменение уровня сигнала в зависимости от глубины скважины и частоты сигнала. Даны рекомендации по применению датчиков телеметрической системы контроля забойных параметров.

Тарировка датчика осевой нагрузки проводилась в два этапа. На первом определялась реальная силовая характеристика измерительного элемента датчика, а на втором изменение перепада давления на клапане датчика при различных расходах. В результате тарировки датчика осевой нагрузки установлено, что наибольший гистерезис силового элемента датчика соответствует нагрузке 70 кН и составляет 2,2 мм, относительный гистерезис к максимальному перемещению 4,4%. Нелинейность характеристики 3,1%.

Значение коэффициента преобразования датчика при установившемся расходе для различных нагрузок достаточно стабильно и составляет для расходов 32; 28; 24 л/с соответственно 0,030; 0,023; 0,017 МПа/кН. С уменьшением коэффициента преобразования датчика увеличивается абсолютная погрешность измерения осевой нагрузки, которая составляет 4,7кН при кд = 0,030 МПа/кН; 5,43 кН при кд = 0,023 МПа/кН и 6,05 кН при кд= 0,017 МПа/кН.

Тарировка автономного индикатора кривизны скважины, входящего в состав датчика частоты вращения забойного двигателя и датчика предельного отклонения зенитного угла скважины показала, что точность измерения зенитного угла зависит от радиуса максимального отклонения шарика от оси датчика и от радиуса самой сферы, при их увеличении точность измерения повышается. Погрешность определения зенитного угла

по положению шарика на сфере для разработанных датчиков находится в допустимых пределах и для большинства сменных сфер не превышает ±0,5°.

Для сужающего устройства таходатчика разработан комплект сменных масок, предназначенных для формирования гидравлического сигнала, с различными характеристиками изменения перепада давления в зависимости от угла разворота подвижной маски относительно неподвижной и даны рекомендации по их применению.

Установлено, что коэффициент расхода для различных комплектов масок отличается незначительно и для практических расчетов может быть принят равным 0,24.

Установлено, что при прохождении по ГКС сигнал изменяет первоначальную форму. Острые пики давления, вызванные быстрым перекрытием проходного сечения в результате поворота подвижной маски, а также углы на участках перехода плавного подъема давления в площадку постоянного давления, сглаживаются с потерями давления зависящими от длительности сигнала.

В результате исследований влияния характеристик сигнала на его прохождение по гидравлическому каналу связи установлено, что при увеличении длительности сигнала его потери уменьшаются.

Установлено, что величина коэффициента затухания сигнала давления в ГКС Кольской сверхглубокой увеличивается с увеличением частоты и составляет для частот 0,04; 0,08; 0,13; 0,49 Гц соответственно 0,81; 1,12; 1,39; 3,90-Ю"4 Нп/м.

На основании анализа спектра помех и исследований затухания сигнала в ГКС Кольской сверхглубокой установлено, что наиболее приемлемым диапазоном по частоте для передачи с забоя является интервал ин-франизких частот 0,01-0,25 Гц.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Проведены исследования уровня и спектра помех в гидравлическом канале связи протяженностью 12000 м, при бурении Кольской сверхглубокой скважины, на основании которых установлен оптимальный диапазон, обеспечивающий наиболее свободную от помех передачу забойной информации для оперативного управления режимом бурения.

2. Разработан комплекс датчиков, объединенных в единую телеметрическую систему для передачи забойной информации о параметрах, характеризующих процесс бурения.

3. Предложен и реализован алгоритм, позволяющий достоверно интерпретировать забойную информацию о частоте вращения забойного двигателя, осевой нагрузке на породоразрушающий инструмент, отклонении зенитного угла скважины выше допустимых пределов и использовать ее для оперативного управления процессом бурения.

4. Проведены экспериментальные исследования по определению затухания сигнала в зависимости от его частоты и глубины скважины, позволившие установить необходимый уровень сигнала для устойчивой работы наземной аппаратуры.

5. На основании анализа спектра помех и экспериментальных исследбва-ний затухания сигнала установлено, что наиболее эффективная работа телеметрической системы реализуется в диапазоне инфранизких частот 0,01-0,25Гц.

6. Разработана методика расчета профиля клапана сужающего устройства датчика осевой нагрузки, который обеспечивает линейную характеристику изменения перепада давления в зависимости от его перемещения.

7. Результаты и рекомендации диссертационной работы внедрены в практику бурения Кольской сверхглубокой скважины СГ-3

Основные положения диссертации опубликованы в следующих

работах:

1. Варламов С.Е., Басович B.C. Основы построения измерительных каналов телеметрической системы контроля основных забойных параметров бурения. - В научно-техническом журнале Охрана и разведка недр, 1995, N5

2. Варламов С.Е. Сравнительная характеристика телеметрических систем контроля забойных параметров с различными каналами связи скважин-ных измерительных приборов с наземной аппаратурой. - В научно-техническом журнале Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море, ВНИИОЭНГ,1996, N1-2, стр.34-37.

3.Варламов С.Е., Басович B.C., Файн Г.М. Формирование сигнала сква-жинной аппаратурой для передачи по гидравлическому каналу связи. -В научно-техническом журнале Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море, ВНИИОЭНГ, 1996, N3, стр.18-20.

4. Варламов С.Е., Басович B.C., Файн Г.М. Контроль за осевой нагрузкой в процессе бурения сверхглубоких скважин. - В научно-техническом журнале Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море, ВНИИОЭНГ, 1996, N4, стр.2-3.

Соискатель

С.Е.Варламов

Подписано к печати 04.12.97. Формат бумаги 60x84 1/16 Бумага оберточная. Печать офсетная , Печ. листов 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 963

Ротапринт Уфимского государственного нефтяного технического университета Адрес университета и полиграфпредпрюпия: 450062 Уфа, Космонавтов, 1