Forbidden

You don't have permission to access /zzz_siteguard.php on this server.

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКОГО ПАРАМЕТРА, СВЯЗАННОГО С ДВИЖЕНИЕМ БУРИЛЬНОЙ ГОЛОВКИ, В ПРОЦЕССЕ БУРЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ - Патент РФ 2120032
Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКОГО ПАРАМЕТРА, СВЯЗАННОГО С ДВИЖЕНИЕМ БУРИЛЬНОЙ ГОЛОВКИ, В ПРОЦЕССЕ БУРЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКОГО ПАРАМЕТРА, СВЯЗАННОГО С ДВИЖЕНИЕМ БУРИЛЬНОЙ ГОЛОВКИ, В ПРОЦЕССЕ БУРЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКОГО ПАРАМЕТРА, СВЯЗАННОГО С ДВИЖЕНИЕМ БУРИЛЬНОЙ ГОЛОВКИ, В ПРОЦЕССЕ БУРЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Изобретение относится к автоматизации бурения нефтяных скважин и позволяет обеспечить оптимизацию процесса бурения путем непосредственной его регулировки в каждый момент времени в зависимости от измеряемых параметров, характеризующих движение бурильной головки. Для этого в процессе бурения измеряют физический параметр, характеризующий движение бурильной головки в непосредственной близости от бурильной головки. При этом в качестве физического параметра измеряют электрическую характеристику бурильной среды. В корпусе устройства для реализации способа выполнены гнезда для размещения в них электродов измерителя физического параметра и датчиков движения корпуса бурильной головки. 2 с. и 31 з.п. ф-лы, 18 ил.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2120032
Класс(ы) патента: E21B44/00, E21B45/00
Номер заявки: 96105415/03
Дата подачи заявки: 20.07.1994
Дата публикации: 10.10.1998
Заявитель(и): Баройд Текнолоджи, Инк. (US)
Автор(ы): Этьенн Ламин (BE); Кес Лангевельд (NL)
Патентообладатель(и): Баройд Текнолоджи, Инк. (US)
Описание изобретения: Изобретение относится к автоматизации бурения нефтяных скважин и предназначено для контроля бурильной головки устройства для бурения или колонкового бурения, в частности для бурения нефтяных скважин.
Известен способ контроля состояния бурильной головки в процессе бурения, включающий измерение физического параметра среды бурения как минимум между двумя отдельными местами, выработку электрического сигнала и передачу его через электрический проводник в систему сбора данных. Устройство для его реализации содержит прикрепленный к концу бурильной колонны корпус бурильной головки, к которому прикреплен как минимум один режущий инструмент, измерительное приспособление для измерения электрического сопротивления (электрической характеристики) среды бурения, выполненный в виде по меньшей мере двух электродов и подключенный через электрический проводник к системе сбора данных (см. US, 4905774A, кл. E 21 B 7/04, 06.03.86).
Известные способ и устройство не позволяют осуществлять непосредственную регулировку процесса бурения в каждый момент времени за счет измерения ограниченного количества параметров, характеризующих среду бурения и сам процесс бурения.
Целью изобретения является осуществление оптимизации процесса бурения путем непосредственной его регулировки в каждый момент времени в зависимости от измеряемых параметров, характеризующих движение бурильной головки, и увеличения количества измеряемых параметров, характеризующих среду бурения.
Поставленная задача достигается тем, что в способе измерения физического параметра, связанного с движением бурильной головки, в процессе бурения, включающем измерение физического параметра, связанного с движением бурильной головки, по меньшей мере между двумя отдельными местами в скважине, выработку электрического сигнала и подачу его через электрический проводник в систему сбора данных, физический параметр, связанный с движением бурильной головки, измеряют в непосредственной близости от бурильной головки. При этом в качестве физического параметра измеряют электрическую характеристику бурильной среды вблизи бурильной головки и по ней определяют радиальное движение бурильной головки или калибр буровой скважины, или уровень вибрации бурильной головки, связанный с высоким износом бурильной головки. Для уменьшения уровней вибрации осуществляют регулировку процесса бурения. Кроме того, по измеренной электрической характеристике определяют частоту удара бурильной головки о стенку буровой скважины.
Дополнительно определяют множество электрических характеристик в разнесенных в пространстве положениях на бурильной головке.
Также дополнительно определяют кажущееся удельное сопротивление пласта из распределения, образованного указанным множеством электрических характеристик. По указанным множествам электрических характеристик дополнительно определяют нестабильное состояние бурильной головки. Для уменьшения нестабильного состояния бурильной головки осуществляют регулировку процесса бурения и определяют поперечную траекторию оси головки по отношению к оси буровой скважины. Также в способе дополнительно определяют ускорение бурильной головки и, исходя из определенного ускорения, дополнительно определяют приблизительный диаметр буровой скважины или траекторию указанной бурильной головки, исходя из определенного ускорения, а также наклон бурильной головки. Множество электрических характеристик хранят в системе сбора данных. При осуществлении способа бурильную головку извлекают из пробуренного ствола и возвращают указанное множество электрических характеристик, хранимых в системе сбора данных.
В зависимости от указанного множества электрических характеристик осуществляют регулировку бурения.
Ускорение бурильной головки определяют с помощью датчика-акселерометра, установленного внутри по отношению к внешней поверхности бурильной головки.
По измеренной электрической характеристике бурильной среды определяют изменение мгновенной скорости вращения бурильной головки.
Дополнительно в способе определяют сопротивление для вертикально размещенных положений на бурильной головке и используют его для определения наклона бурильной головки.
Устройство для измерения физического параметра, связанного с движением бурильной головки, в процессе бурения, корпус которой прикреплен к концу бурильной колонны и имеет по меньшей мере один режущий элемент, содержащее измерительное приспособление для измерения физического параметра, связанного с движением бурильной головки, выполненное в виде по меньшей мере одного электрода и подключенное через электрический проводник к системе сбора данных для приема электрического сигнала с измерительного приспособления, дополнительно снабжено по крайней мере одним датчиком давления корпуса бурильной головки, подключенным к системе сбора данных, прикрепленным к корпусу бурильной головки полым хвостовиком, имеющим верхнее резьбовое соединение для присоединения к бурильной колонне, корпус бурильной головки выполнен полым, и в нем выполнен канал для циркулирующего через буровую колонну и буровую скважину жидкостного потока, причем резьбовой соединитель хвостовика охватывает указанный канал, а в корпусе бурильной головки выполнено по меньшей мере одно гнездо для размещения в нем электрода и датчика движения корпуса бурильной головки.
В качестве физического параметра измеряют удельное электрическое сопротивление бурильной среды вблизи бурильной колонны в буровой скважине. Датчик движения корпуса бурильной головки закреплен вдоль радиуса бурильной головки и ориентирован для восприятия радиального ускорения бурильной головки вдоль указанного радиуса. Кроме того, устройство снабжено вторым датчиком движения корпуса бурильной головки, который установлен со смещением от оси бурильной головки и ориентирован с возможностью восприятия тангенциального ускорения по отношению к радиусу бурильной головки. Также устройство может быть снабжено третьим датчиком движения корпуса бурильной головки, который установлен и ориентирован в корпусе бурильной головки с возможностью восприятия аксиального ускорения по отношению к оси бурильной головки. Измерительное приспособление для измерения физического параметра содержит множество электродов, расположенных по окружности вокруг бурильной головки. При этом датчик движения корпуса бурильной головки установлен с возможностью измерения ускорения по меньшей мере в двух направлениях, ортогональных друг другу, а бурильная головка выполнена со съемной частью, в которой расположено гнездо для размещения датчика движения корпуса бурильной головки. Датчик движения корпуса бурильной головки установлен заподлицо с калиброванным диаметром бурильной головки. Для подачи напряжения на внешнюю поверхность измерительного приспособления для измерения физического параметра устройство снабжено источником напряжения.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где фиг. 1 изображает аксиальный вид одного типа бурильной головки, оборудованной так, чтобы измерять сопротивление и ускорение, фиг. 2 является графиком, иллюстрирующим взаимосвязь между измеренным сопротивлением и удельным сопротивлением бурового раствора вокруг головки, или удельным сопротивлением пласта породы в контакте с круглым электродом радиуса 5 мм, фиг. 3 изображает в увеличенном масштабе аксиальный вид электрода, используемого в измерении вышеупомянутого сопротивления, фиг. 4 представляет в другом масштабе перспективный вид элемента бурильной головки, приспособленной для того, чтобы разместить несколько электродов и три акселерометра, фиг. 5 иллюстрирует функциональную схему устройства для измерения и передачи данных о сопротивлении и ускорении согласно изобретению, фиг. 6 представляет собой теоретический график измеряемой разности потенциалов между электродом и металлической массой устройства в контакте с буровым раствором для данного переменного тока, проходящего по цепи измерения, как функции времени, фиг. 7 представляет собой график в соответствии с фигурой 6 и показывает вышеупомянутую разность потенциалов после ее преобразования с помощью дифференциального усилителя, выпрямляющего устройства и фильтра, фиг. 8 является графиком в соответствии с двумя предыдущими графиками и одновременно представляет измеряемое сопротивление, фиг. 9 представляет собой пример показаний разности потенциалов как функции времени во время бурения ствола с помощью головки, оборудованной восемью электродами, фиг. 10 представляет собой пример показаний как функции времени для головки во время бурения при одновременном измерении изменений скорости вращения, ускорений, угловых расположений и измерениях сопротивления с помощью нескольких электродов, фиг. 11 представляет собой пример показаний, соответствующих фигуре 10 для другой головки во время бурения, фиг. 12 представляет собой пример траектории, по которой движется центр головки во время бурения в течение определенного промежутка времени в плоскости, проходящей через этот центр и перпендикулярной оси скважины, пробуриваемой головкой, причем траектория получена из измерений сопротивления с помощью электродов, как показано на фигуре 4, фиг. 13 схематически представляет в разрезе бурового головку, в которой два электрода расположены так, что их продольные оси размещаются в той же плоскости, что и ось указанной головки, фиг. 14 представляет собой поперечный вид особой конфигурации буровой головки типа "cannon-fuse" ("пушечный взрыватель"), фиг. 15 приведена только для информационных целей и представляет анализ частотного спектра (вертикальная ось) как функции частоты (горизонтальная ось), фиг. 16 иллюстрирует в масштабе, отличном от масштаба на фиг. 12, теоретическую траекторию (вдоль непрерывной линии) центра головки, а также экспериментальную траекторию (пунктирная линия) в течение определенного промежутка времени, которая была получена двойным численным интегрированием ускорения головки, измеренного с помощью вышеупомянутых акселерометров, фиг. 17 представляет собой полученную из сигналов от электродов временную зависимость развития зазора между мгновенным положением центра ствола во время бурения и центром головки, осуществляющей бурение ствола и оборудованной в соответствии с изобретением, фиг. 18 является графиком, изображающим развитие реального радиуса скважины, которую бурят головкой с номинальным диаметром 8 1/2", то есть с номинальным радиусом 107,9 мм, как функцию времени, полученную на основе сигналов от электродов.
Способ осуществляется следующим образом.
Способ по изобретению предназначен для контроля бурильной головки 1, показанной на фиг. 1. Равным образом она может быть головкой для колонкового бурения, поскольку опытный специалист может легко адаптировать изобретение к особым требованиям колонкового бурения. В соответствии с изобретением данный способ включает стадии измерения электрического сопротивления среды бурения и регулировку средств управления в соответствии с измеренными величинами этого электрического сопротивления.
Измеренное сопротивление зависит от удельного сопротивления ( в омах) элементов, где проводят измерения. Например, было определено, что обычные буровые растворы для бурения или колонкового бурения в промышленности бурения скважин, как правило, имеют удельное сопротивление между 0,05 Ом и 1 Ом м. В буровых растворах на основе нефти удельное сопротивление существенно возрастает до бесконечности. Это же справедливо, если измерение осуществляют в контакте с пластом породы, которая содержит нефть. С другой стороны, во время измерений путем контакта пласты пород обычно проявляют удельное сопротивление между 0,1 Ом и 20 Ом м, однако это удельное сопротивление может быть значительно выше в районах добычи нефти в соответствии с содержанием нефти в пласте.
Было установлено математическим моделированием и подтверждено экспериментами, что соотношение между сопротивлением и удельным сопротивлением среды, в которой производят измерение, является хорошим приближением к следующему уравнению
R = ρ/8, a,
где
a - радиус круговой поверхности элемента с очень высокой электропроводностью,
причем только поверхность элемента находится в контакте со средой с удельным сопротивлением ρ.
На фиг. 2 показан логарифмический график кривой, соответствующей этому уравнению, если a = 5 мм, R выражено в омах а ρ - в Ом м.
Измерения сопротивления могут быть переданы оператором бурового устройства так, чтобы они могли отрегулировать управление этого устройства в соответствии с соприкасаемой средой. Как уже отмечено выше, это измерение сопротивления может быть записано для последующего использования.
Измерение электрического сопротивления R среды предпочтительно следует проводить вблизи бурильной головки 1 так, что немедленно могут быть известны условия, в которые попала данная деталь, являющаяся основной частью бурового механизма.
Измерение сопротивления R можно осуществить, с одной стороны, электродом 2 (фиг. 1 и 2), например электродом, приспособленным к бурильной головке 1 так, что он электрически изолирован от остальной части бурового устройства, а с другой стороны - металлической массой 3 бурового устройства, и, следовательно, головки 1. С этой целью непосредственно вокруг электрода 2 расположены металлические поверхности бурового устройства, причем эти металлические поверхности не имеют какого-либо вида изоляции, представляющей какое-либо электрическое сопротивление.
Таким образом, в соответствии с изобретением вышеуказанное измерение сопротивления R можно осуществить между двумя электродами, подобными электроду 2 и расположенными подобным образом, причем внешние металлические поверхности бурового устройства, расположенные между двумя электродами и вокруг этих двух электродов, в этом случае предпочтительно прочно покрыты электрическим изолятором так, чтобы избежать какой-либо помехи на измерения со стороны металлической массы 3 указанного устройства.
Кроме того, как будет пояснено ниже, можно использовать несколько электродов 2 (фиг. 4), распределенных вокруг бурового устройства, и, таким образом, измерение сопротивления осуществляется либо между каждым из электродов 2 и металлической массой устройства, либо в соответствии с одной или несколькими комбинациями между каждой парой распределенных электродов 2.
В соответствии с другим преимуществом изобретения, как будет подробно описано ниже, с помощью по меньшей мере одного акселерометра 4 можно также измерять изменения в скорости вращения и/или движения устройства бурильной головки самого по себе, причем полученная таким образом комбинация измерений сопротивления и ускорения затем используется для того, чтобы приспособить вышеупомянутый контроль с целью получения таким образом указаний, оптимизирующих управление бурением скважин во время проведения измерений и/или для использования этих указаний во время других последующих операций бурения.
Выгодно, чтобы способ по изобретению мог включать обработку измерений разности потенциала (V) и, следовательно, измерений сопротивления R как функцию времени для нескольких электродов 2. Это выражено графиком, изображенным на фиг. 9, который представляет кривые, соответствующие восьми электродам (кривые CN01-CN08). Этот график изображает поведение головки бурового устройства 1 в форме "пушечного взрывателя" и схематически иллюстрированного на фигуре 14. Как показано на фиг. 14, электрод 2 расположен внутри так называемого "опорного вкладыша" или вкладыша 100 головки 1, причем этот вкладыш 100 почти постоянно опирается на стенку пробуриваемого ствола.
Электрод 2 на уровне с внешней поверхностью вкладыша 100 в действительности находится в контакте с пробуриваемым пластом, который имеет электрическое сопротивление выше, чем в буровом растворе. Кривая CNO1 на фигуре 9 иллюстрирует изменение напряжения V между этим электродом 2 во вкладыше 100 и металлической массой головки 1 во время бурения. Это изменение напряжения V зависит от более (верхняя часть кривой) или менее (нижняя часть кривой) выраженного контакта со стенкой ствола и, таким образом, зависит от большего или меньшего количества жидкости, присутствующей между стенкой и электродом 2.
Другие кривые CNO2-CNO8 соответствуют электродам 2, распределенным на том же уровне головки 1 и вокруг головки 1 так же, как электрод 2, дающий кривую CNO1. Электроды 2, приводящие к кривым CNO2 и CNO8, расположены по обе стороны электрода, дающего кривую CNO1, и т.д. Электрод 2, дающий кривую CNO5, почти противоположен электроду, дающему кривую CNO1, и почти всегда отстоит от стенки ствола вследствие действия режущей силы, которая прижимает вкладыш 100 к стенке ствола и, следовательно, отталкивает электрод 2 от этой стенки.
Обработка измерений сопротивления R как функции времени может легко дать частоту ударов головки 1 о боковую стенку ствола в месте расположения электрода 2 и посредством комбинации измерений, осуществляемых на нескольких электродах 2, распределенных вокруг головки 1, дать частоту вращения наружной поверхности головки 1 по отношению к стенке пробуриваемого ствола.
Фиг. 10 иллюстрирует в виде функции времени (между t и t + 200 мс) сигналы ОМ от головки 1 по скорости вращения в оборотах в минуту (и в флуктуации этой скорости), сигналы АКС от акселерометра (от 0 до более 10), сигналы УГЛ об угловом расположении ускорения головки 1 по отношению к одному исходному положению, а также сигналы по сопротивлению R1 - R8 от восьми электродов 2, равномерно распределенных на внешней окружности головки 1, фигура 10 представляет бурильную головку или головку для колонкового бурения, о которой сообщается, что она нестабильна.
Фиг. 11 представляет результаты, соответствующие результатам из фигуры 10, но они относятся к бурильной головке или головке для колонкового бурения, о которой сообщается, что она стабильна.
Обработка сигналов с фиг. 10 дает возможность определить для каждого момента времени пространственное расположение головки 1 по отношению к боковой стороне пробуриваемого ствола и рассчитать траекторию, проходимую центром данной головки 1.
Так, траектория центра головки 1 (пример на фиг. 16) может быть найдена путем двойного численного интегрирования измеренных величин ускорения от одного или нескольких акселерометров 4. Эта траектория также может быть получена (фиг. 12) с помощью расчетов, проведенных на основе расстояний между головкой 1 и стенкой пробуриваемого ствола, измеряемых одновременно несколькими электродами 2. Удельное сопротивление (или сопротивление R) фактически связано с данным расстоянием гиперболической функцией. Эта траектория аппроксимируется эпициклоидой, описываемой вращением головки 1 относительно указанной стенки.
Кроме того, ориентация акселерометров 4A и 4B вдоль диаметра головки, с одной стороны, и акселерометра 46 перпендикулярно этому диаметру, с другой стороны, позволяет путем частотной обработки определить две угловые скорости вращения, которые необходимы для того, чтобы определить характеристики вращения вдоль вышеупомянутой эпициклоиды.
Устройство для осуществления способа по изобретению включает приспособление 5 (фиг. 1 и 5), расположенное таким образом, чтобы измерять электрическое сопротивление R между по меньшей мере двумя различными местами 6 и 7 среды, в которой происходит бурение. Это измерение сопротивления может быть осуществлено в любом месте вдоль бурового устройства (или устройства для колонкового бурения), расположенного в пробуриваемой среде. Предпочтительно, чтобы два раздельных места 6 и 7 были расположены на уровне головки бурильного устройства, как показано в варианте осуществления изобретения на фиг. 1.
В соответствии с другим преимуществом изобретения измерительное приспособление 5 (фиг. 3 и 5) содержит электрод 2, который электрически изолирован от устройства посредством изолятора 8. Согласно настоящему примеру электрод 2 содержит цилиндрическую часть 9, продольная ось которой расположена в головке 1 вдоль радиуса головки, а ее свободный торец 10 перпендикулярен этому радиусу и находится на уровне внешней поверхности 11 головки 1 так, чтобы образовать место 6 измерения. На конце, противоположном свободному торцу 10, цилиндрическая часть 9 продолжена участком 12 из конических и цилиндрических деталей, соосных части 9. На конце 13, противоположном части 9, электрод 2 содержит соединительный провод 14.
Согласно фиг. 3 изолятор 8, изготовленный из стандартного изолирующего материала или материалов, также может быть образован изолирующей втулкой 15, причем одна часть этой втулки подогнана к конической части 12 электрода 2 и к соответствующему гнезду в головке 1, а цилиндрическая часть данной втулки выступает в роли центра цоколя 16 с уступом, несущего прокладку 17 (типа Бельвиля), для того, чтобы поджать друг к другу соответствующие конические поверхности и кольцо 18 с уступом с внешней резьбой, ввинчиваемой в соответствующую резьбу в головке 1. Ввинчивание кольца в головку 1 обеспечивает точную установку электрода 2 и изолирующей втулки 15 в головке 1. Герметизация отверстия электрода 2 на уровне внешней поверхности 11 может быть достигнута посредством смолы 19, которую заливают в него и затем оставляют для отверждения.
Таким образом, место 6 измерения образовано только вышеупомянутым торцом 16 свободного конца электрода без какого-либо изолирующего материала, а другое место 7 измерения образовано металлической массой 3 устройства без изолирующего материала, находящейся в контакте со средой, в которой происходит бурение. Три водонепроницаемых уплотнения 20 включены для того, чтобы предотвратить какое-либо проникновение бурового раствора вдоль электрода 2 или изолятора 8.
Внешняя периферийная поверхность 11 вокруг изолятора 8 также выгодным образом образует место 7 измерения и поэтому ее держат открытой для того, чтобы быть в контакте с пробуриваемой средой.
Установление свободного конца 10 на уровне внешней периферийной поверхности 11 обеспечивает одновременный контакт этого свободного конца 10 и периферийной поверхности 11 не только с буровым раствором, но и с пластами, где осуществляется бурение.
Два электрода 2 можно расположить (фиг. 13) на боковой стенке бурильной головки (или головки для колонкового бурения) 1 на линии, параллельной оси вращения головки, так чтобы их свободные концы 10 были в плоскости, параллельной оси головки 1. Измерение сопротивления в месте расположения двух электродов 2 после расчетов может указать угол наклона головки 1 по отношению к боковой стенке ствола, который пробуривают.
Как показано на фиг. 4, несколько электродов 2 предпочтительно распределены по окружности головки 1, причем продольные оси электродов 2 в основном лежат в одной и той же плоскости, перпендикулярной продольной оси головки 1. Эти электроды 2A можно использовать для измерения сопротивления R одновременно в нескольких местах, каждый раз между электродом 2 и металлической массой 3 внешней периферийной поверхности 11. Кроме того, место 6A можно использовать в качестве торца 10 электрода 2, а место 7A - в качестве торца 10A другого электрода 2A, например, прилегающего к электроду 2. В объем настоящего изобретения также входят другие расположения электродов 12 вокруг головки 1 и другие места 6 и 7 для измерения сопротивления.
Измерительное приспособление 5 для измерения сопротивления (фиг. 5) состоит, например, из батарей 25, подающих постоянный ток на преобразователь 26 тока, который генерирует для измерений переменный ток на выходах 27, 28 так, чтобы не поляризовать места 6, 7 измерений. Переменный ток предпочтительно имеет квадратную форму с частотой 1 кГц, так что скорость вращения бурильной головки не влияет на измерение.
Например, выход 27 соединен с металлической массой 3, а выход 28 - с электродом 2.
Выходы 27 и 28 также соединены с входом дифференциального усилителя 29, выход которого последовательно соединен с выпрямителем 30 и фильтром 31. Выход фильтра 31 соединен со входом 33a системы 32 сбора данных, которая включает микропроцессор, аналого-цифровой преобразователь, память и модуль, приспособленный для кодировки данных перед передачей. Выход системы 32 сбора данных соединен с передающим устройством 34.
Передающее устройство 34 может быть адаптировано так, чтобы передавать измерения сопротивления R, как только они получены, на контрольный блок (не показан) в рассматриваемом устройстве.
Передающее устройство 34 также может быть адаптировано для того, чтобы хранить измерения и передавать их только позже, например после извлечения головки 1 из пробуренного ствола.
Данные, подаваемые электродами 2 и/или акселерометрами 4, можно обрабатывать на месте с помощью микропроцессора с целью отбора информации, полученный из этих данных, так, чтобы избежать хранения и/или передачи всех сигналов, которые записываются с большой скоростью и далее не будут нужны.
Ток, протекающий через электрод 2 и металлическую массу 3 в среде, которую бурят, встречает электрическое сопротивление R, которое создает разность потенциалов V1 между металлической массой 3 и электродом 2 (фиг. 6). Эта разность потенциалов C1 после обработки дифференциальным усилителем 29 создает на выходе указанного операционного усилителя напряжение, которое после обработки выпрямителем 30 и фильтром 21 дает напряжение V1 (фиг. 7), пропорциональное измеряемому сопротивлению R (фиг. 8), причем сопротивление R является почти бесконечным, когда между местами 6, 7 измерений и проводящей средой нет контакта.
Также выгодно, чтобы устройство по изобретению включало акселерометры 4 (фиг. 1 и 4). Каждый из этих акселерометров 4 может быть одноосным, двухосным или трехосным в соответствии с тем, должен ли он быть чувствительным к ускорениям вдоль одного, двух или трех взаимно ортонгональных направлений. Так, акселерометр 4А является одноосным и адаптирован для того, чтобы воспринимать радиальные ускорения вдоль направления 40, проходящего по оси головки 1. Акселерометр 4В является двухосным и адаптирован так, чтобы воспринимать радиальные ускорения вдоль того же направления 40 и тангенциальные ускорения вдоль направления 41. Акселерометр 4С является двухосным акселерометром, адаптированным так, чтобы воспринимать радиальные ускорения головки 1 вдоль направления 42 и аксиальные ускорения головки 1 вдоль направления 43.
Акселерометры 4 расположены по одному и тому же диаметру головки 1, перпендикулярному оси указанной головки, так, что акселерометры 4А и 4Б лежат на одном и том же расстоянии от оси головки 1. Акселерометр 4С расположен на оси головки 1.
Акселерометр 4В может быть трехосевым и измерять ускорения во всех трех направлениях 40, 41 и 43 (тогда измерение вдоль этого направления с помощью акселерометра 4C может больше не осуществляться). Как показано на фиг. 1, головка 1 может включать три соосных элемента: полое тело 1А, образующее в числе прочих гнездо для измерительного приспособления 5 и расположенное так, чтобы быть зафиксированным вдоль штанг (не показаны), вставную часть 1В, которая закрепляется в теле 1А и удерживается там с помощью винтов 50, причем измерительное приспособление расположено в кольцевом пространстве между телом 11 и вставной частью 1Б, и имеется труба 51 для бурового раствора вдоль оси трубы 51, которая также содержит резьбовые гнезда для акселерометров 4 и резьбовые гнезда для электродов 2 (на фиг. 1 видны проходы для соединительных проводов измерительных элементов), резец 1С для самого бурения.
Используются водонепроницаемые соединения так, что буровой раствор может течь только вдоль штанги по направлению к резцу 1С так, что он не может среди прочих попадать в кольцевое пространство, предусмотренное для измерительного приспособления 5.
Пробка 52 (фиг. 1) позволяет иметь доступ к измерительному приспособлению 5, например, для того, чтобы прокалибровать его, зарядить батареи, собрать измерения и т.д.
Возвращаясь к фиг. 5, видим, что в качестве примера для других электродов 2, распределенных на головке 1, предусмотрены входы 33В и 33I, подобные входу 33А. Кроме того, система 32 сбора данных может быть оснащена другими входами 35 для того, чтобы принимать сигналы от трех акселерометров 4, и она адаптирована в соответствии с типом указанных акселерометров для того, чтобы обрабатывать сигналы.
Следует понять, что изобретение никоим образом не ограничено описанным здесь типом осуществления и что может быть создано много модификаций в рамках настоящего изобретения.
Так, в случае бурильной головки, собранной по типу "пушечного взрывателя" (показана на фиг. 14), можно обеспечить только один электрод 2, расположенный на уровне вкладыша 100 головки, причем этот вкладыш в основном расположен в направлении равнодействующей режущей силы данной головки 1.
Таким образом, в изобретении предлагается средство измерения сопротивления R среды, где происходит бурение, средство измерения различных ускорений, испытываемых головкой 1 во время бурения и средство определения динамического поведения головки 1 и ее положения по отношению к стенке пробуриваемой скважины, из которых можно получить эксцентриситетные кривые для головки 1 по отношению к пробуриваемой скважине (фиг. 17). Используя изобретение, также можно произвести измерение реального радиуса пробуриваемой скважины (фиг. 18).
Формула изобретения: 1. Устройство для измерения физического параметра, связанного с движением бурильной головки, в процессе бурения, корпус которой прикреплен к концу бурильной колонны и имеет по меньшей мере один режущий элемент, содержащее измерительное приспособление для измерения физического параметра, связанного с движением бурильной головки, выполненное в виде по меньшей мере одного электрода и подключенное через электрический проводник к системе сбора данных для приема электрического сигнала с измерительного приспособления, отличающееся тем, что оно снабжено по крайней мере одним датчиком движения корпуса бурильной головки, подключенным к системе сбора данных, прикрепленным к корпусу бурильной головки полым хвостовиком, имеющим верхнее резьбовое соединение для присоединения к бурильной колонне, корпус бурильной головки выполнен полым и в нем выполнен канал для циркулирующего через буровую колонну и буровую скважину жидкостного потока, причем резьбовой соединитель хвостовика охватывает указанный канал, а в корпусе бурильной головки выполнено по меньшей мере одно гнездо для размещения в нем электрода и датчика движения корпуса бурильной головки.
2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве физического параметра измеряют удельное электрическое сопротивление бурильной среды вблизи бурильной колонны в буровой скважине.
3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что датчик движения корпуса бурильной головки закреплен вдоль радиуса бурильной головки и ориентирован для восприятия радиального ускорения бурильной головки вдоль указанного радиуса.
4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно снабжено вторым датчиком движения корпуса бурильной головки, который установлен со смещением от оси бурильной головки и ориентирован с возможностью восприятия тангенциального ускорения по отношению к радиусу бурильной головки.
5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно снабжено третьим датчиком движения корпуса бурильной головки, который установлен и ориентирован в корпусе бурильной головки с возможностью восприятия аксиального ускорения по отношению к оси бурильной головки.
6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что измерительное приспособление для измерения физического параметра содержит множество электродов, расположенных по окружности вокруг бурильной головки.
7. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что датчик движения корпуса бурильной головки установлен с возможностью измерения ускорения по меньшей мере в двух направлениях, ортогональных друг другу.
8. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что бурильная головка выполнена со съемной частью, в которой расположено гнездо для размещения датчика движения корпуса бурильной головки.
9. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что датчик движения корпуса бурильной головки установлен заподлицо с калиброванным диаметром бурильной головки.
10. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно снабжено источником напряжения для подачи напряжения на внешнюю поверхность измерительного приспособления для измерения физического параметра.
11. Способ измерения физического параметра, связанного с движением бурильной головки, в процессе бурения, включающий измерение физического параметра, связанного с движением бурильной головки по меньшей мере между двумя отдельными местами в скважине, выработку электрического сигнала и подачу его через электрический проводник в систему сбора данных, отличающийся тем, что физический параметр, связанный с движением бурильной головки, измеряют в непосредственной близости от бурильной головки.
12. Способ по п. 11, отличающийся тем, что в качестве физического параметра измеряют электрическую характеристику бурильной среды вблизи буровой головки.
13. Способ по п. 11, отличающийся тем, что по измеренной электрической характеристике определяют радиальное движение бурильной головки.
14. Способ по п. 11, отличающийся тем, что по измеренной электрической характеристике определяют калибр буровой скважины.
15. Способ по п. 11, отличающийся тем, что по измеренной электрической характеристике определяют уровень вибрации бурильной головки, связанный с высоким износом бурильной головки.
16. Способ по п. 15, отличающийся тем, что для уменьшения уровней вибрации осуществляют регулировку процесса бурения.
17. Способ по п. 11, отличающийся тем, что по измеренной электрической характеристике определяют частоту удара бурильной головки о стенку буровой скважины.
18. Способ по п. 11, отличающийся тем, что дополнительно определяют множество электрических характеристик в разнесенных в пространстве положениях на бурильной головке.
19. Способ по п. 18, отличающийся тем, что дополнительно определяют кажущееся удельное сопротивление пласта из распределения, образованного указанным множеством электрических характеристик.
20. Способ по п. 19, отличающийся тем, что по указанным множествам электрических характеристик дополнительно определяют нестабильное состояние бурильной головки.
21. Способ по п. 19, отличающийся тем, что для уменьшения нестабильного состояния бурильной головки осуществляют регулировку процесса бурения.
22. Способ по п. 19, отличающийся тем, что определяют поперечную траекторию оси головки по отношению к оси буровой скважины.
23. Способ по п. 11, отличающийся тем, что дополнительно определяют ускорение бурильной головки.
24. Способ по п. 23, отличающийся тем, что дополнительно определяют приблизительный диаметр буровой скважины, исходя из определенного ускорения.
25. Способ по п. 23, отличающийся тем, что дополнительно определяют траекторию указанной бурильной головки, исходя из определенного ускорения.
26. Способ по п. 25, отличающийся тем, что дополнительно определяют наклон бурильной головки.
27. Способ по п. 11, отличающийся тем, что множество электрических характеристик хранят в системе сбора данных.
28. Способ по п. 27, отличающийся тем, что дополнительно осуществляют извлечение бурильной головки из пробуренного ствола и возврат указанного множества электрических характеристик, хранимых в системе сбора данных.
29. Способ по п. 27, отличающийся тем, что в зависимости от указанного множества электрических характеристик осуществляют регулировку бурения.
30. Способ по п. 23, отличающийся тем, что ускорение определяют с помощью датчика-акселерометра, установленного внутри по отношению к внешней поверхности бурильной головки.
31. Способ по п. 12, отличающийся тем, что по измеренной электрической характеристике определяют изменение мгновенной скорости вращения бурильной головки.
32. Способ по п. 11, отличающийся тем, что определяют сопротивление для вертикально размещенных положений на бурильной головке.
33. Способ по п. 32, отличающийся тем, что определенное сопротивление для вертикально размещенных положений на бурильной головке используют для определения наклона бурильной головки.