Устройство для автоматического контроля износа резьбовых соединений бурильных труб

Устройство для автоматического контроля износа резьбовых соединений бурильных труб

Реферат

 

Изобретение предназначено для автоматического контроля износа резьбовых соединений бурильных труб на буровых установках, применяемых преимущественно в нефтегазовой промышленности. Задачей изобретения является повышение надежности процесса проведения скважин за счет уменьшения вероятности аварийных ситуаций, вызванных состоянием резьбовых соединений буровой колонны. Устройство включает контрольные муфту и ниппель, генератор акустических колебаний, установленный с возможностью возбуждения колебаний в теле бурильной штанги, акустические датчики для приема акустических колебаний, укрепленные на контрольных муфте и ниппеле, которые расположены с возможностью соединения соответственно с ниппелем и муфтой контролируемой штанги, а также соединенные между собой посредством линий связи блоки формирования образцового порогового сигнала и логические блоки сравнения сигналов от акустических датчиков с заданным пороговым сигналом. Кроме того, устройство имеет полосовые фильтры, установленные в линии связи непосредственно за каждым из акустических датчиков. Блок формирования порогового сигнала содержит установку для настройки уровня указанного сигнала. В линию связи после полосового фильтра включен умножитель, один из входов которого соединен с выходом фильтра. Устройство может быть снабжено дополнительным акустическим датчиком, вход которого акустически связан с генератором акустических колебаний, а выход - через полосовой фильтр и блок задержки - со вторым входом умножителя. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

Настоящее изобретение относится к области нефтегазовой промышленности и горного дела, а именно бурению скважин, преимущественно глубоких.

Известны различные устройства для проверки технического состояния бурильных труб, применяемых в буровых установках при бурении скважин различного назначения. При этом бурильные трубы могут проверяться по многим параметрам. Одним из важных параметров бурильных труб является износ резьбового соединения муфты и ниппеля, которыми бурильные трубы соединяются друг с другом.

От надежности этого соединения зависит прочность колонны бурильных труб, т. е. безаварийная проводка скважины. Износ резьбы в резьбовом соединении ведет к его прослаблению ("разбалтыванию"), что приводит к появлению циклических, динамических нагрузок, вызывающих ускоренное усталостное разрушение резьбового соединения. Кроме того, прослабленное резьбовое соединение ведет к увеличению динамических нагрузок на буровой колонне, что может привести к ее разрыву и даже потере уже пробуренной скважины.

При бурении взрывных скважин износ резьбы в резьбовом соединении ведет к потере энергии ударного импульса, передаваемого по ставу штанг при ударном или ударно-вращательном бурении, или к потере устойчивости бурового става при вращательном бурении.

Поэтому своевременное обнаружение изношенного резьбового соединения, особенно в буровой колонне при глубоком бурении, имеет очень большое значение для безаварийной производительной работы буровых установок.

Не менее важно своевременное обнаружение изношенного резьбового соединения и при проверке насосно-компрессорных труб, производить которую можно, например, при использовании на новых скважинах уже эксплуатировавшихся труб.

Применяемые в настоящее время устройства контроля износа, особенно конических резьбовых соединений, в большинстве применяемых для соединения бурильных труб при глубоком бурении, весьма несовершенны из-за использования ручного мерительного инструмента и отсутствия методик и оборудования для автоматизации процесса контроля. Это не позволяет осуществить полный контроль состояния бурильных труб на буровых, когда приходится производить свинчивание и развинчивание буровой колонны для осуществления спуско-подъемных операций при замене, например, бурового инструмента.

Вместе с тем выход из строя только одного резьбового соединения в ставе может привести к серьезной аварии. Поэтому, например, в условиях нефтяных промыслов появляется необходимость периодической проверки 100 процентов резьбовых соединений буровых штанг, что возможно практически реализовать только с помощью автоматических устройств контроля.

Известные из уровня техники устройства для контроля резьбовых соединений бурильных труб (см., например, патент России 2019675 C1, кл. E 21 В 17/00, 15.09.94 г.) предназначены для проверки резьбовых соединений только на прочность при изгибе и не дают возможности проверить износ резьбы в соединениях.

Изобретение направлено на решение задачи создания устройства для проведения контроля износа резьбового соединения бурильных труб, которое позволило бы полностью автоматизировать процесс проведения проверки, повысить надежность измерений и сократить время проведения таких испытаний.

Технический результат, который может быть получен при реализации изобретения, заключается в том, что повышается надежность процесса проведения скважин за счет уменьшения вероятности возникновения аварийных ситуаций, вызванных состоянием резьбовых соединений буровой колонны. При этом появляется возможность включения процесса контроля составным элементом в полностью автоматизированный процесс бурения.

Указанный технический результат достигается тем, что устройство автоматического контроля износа резьбовых соединений бурильных труб включает генератор акустических колебаний, установленный с возможностью возбуждения колебаний в теле бурильной трубы, датчики для приема акустических колебаний, укрепленные на контрольных муфте и ниппеле, которые расположены с возможностью соединения соответственно с ниппелем и муфтой контролируемой трубы, а также соединенные между собой посредством линий связи, по меньшей мере, один блок формирования порогового сигнала, соответствующего сигналу образцового резьбового соединения образцовых муфты и ниппеля, и, по меньшей мере, один логический блок сравнения сигналов от датчиков с заданным пороговым сигналом.

А также за счет того, что блок формирования порогового сигнала содержит уставку для настройки уровня указанного сигнала.

А также за счет того, что оно имеет полосовые фильтры, установленные в линии связи непосредственно за каждым из акустических датчиков, при этом выход каждого из акустических датчиков связан с входом каждого из полосовых фильтров, включенного в линию связи указанного акустического датчика.

А также за счет того, что в линию связи после каждого из полосовых фильтров включен умножитель, один из входов которого соединен с выходом указанного фильтра.

А также за счет того, что оно снабжено дополнительным акустическим датчиком, вход которого связан с генератором акустических колебаний, а выход - через, по меньшей мере, один полосовой фильтр и блок задержки - со вторым входом каждого из умножителей.

А также за счет того, что второй вход умножителя связан через регулируемый блок задержки с выходом каждого из полосовых фильтров, установленных в соответствующей линии связи.

В указанную совокупность признаков включены все существенные признаки, каждый из которых необходим, а все вместе достаточны для достижения заявленного технического результата.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена блок-схема первого варианта устройства для автоматического контроля износа резьбовых соединений бурильных штанг, на фиг. 2 блок - схема второго варианта.

Устройство по первому варианту включает в себя контрольную муфту 1 и контрольный ниппель 2, которые выполнены и размещены с возможностью соединения с ниппелем 3 и муфтой 4 соответственно контролируемой бурильной трубы 5. Муфта 1 и ниппель 2 снабжены датчиками 6 регистрации сигнала. Акустический сигнал формируется генератором акустических колебаний 7. Для формирования порогового сигнала служит блок формирования порогового сигнала 8, соединенный посредством линии связи с логическим блоком 9 сравнения сигналов.

Генератор акустических колебаний 7 размещен с возможностью возбуждения акустических колебаний в теле бурильной трубы 5 и в ее резьбовых соединениях. При этом генератор акустических колебаний 7 может иметь свой датчик 6 регистрации сигнала. Для выделения определенной полосы частот акустического сигнала, снятого датчиками 6 регистрации сигнала, наиболее чувствительной к изменению акустического сопротивления, обусловленного зазорами в резьбовом соединении, служат полосовые фильтры 10, каждый из которых включен последовательно своему датчику 6 регистрации сигнала.

Канал генератора акустических колебаний 7 снабжен линией задержки с блоком задержки 11, обеспечивающей одновременное поступление сигнала с датчиков 6 регистрации сигнала, размещенных на генераторе акустических колебаний 7 и на контрольных муфте 1 и ниппеле 2, на второй вход умножителя 12. Усреднение умноженного сигнала производит интегратор 13, включенный в линию связи последовательно с умножителем 12.

Логический блок 9 сравнения сигналов - поступающего от интегратора 13 и порогового сигнала, закладываемого в логический блок 9, включен последовательно с интегратором 13. Периодическая поднастройка порогового сигнала производится блоком формирования порогового сигнала 8.

Устройство по второму варианту, представленному на фиг. 2, отличается от вышеописанного варианта тем, что в нем отсутствует канал генератора акустических колебаний с датчиком 6 регистрации сигнала и полосовым фильтром 10. При этом блок задержки 14 выполнен регулируемым.

Устройство по первому варианту (фиг. 1) работает следующим образом.

Перед свинчиванием става бурильных труб или после его развинчивания каждую бурильную трубу 5 устанавливают на контрольный стенд с приспособлением для автоматического соединения контролируемой бурильной трубы с контрольными муфтой и ниппелем (на чертеже не показаны). Контрольные муфта 1 и ниппель 2 каждые имеют свой датчик 6, воспринимающий акустические колебания и преобразующий их в соответствующий аналоговый электрический сигнал.

Затем генератором акустических колебаний 7 в теле бурильной трубы 5 возбуждают колебания, которые проходят через резьбовые соединения и воспринимаются датчиками 6. Датчик 6, воспринимающий акустические колебания, размещен также и на генераторе акустических колебаний 7.

Сигнал, полученный датчиком 6, размещенным на генераторе акустических колебаний 7, и сигнал, полученный датчиком 6, размещенным на контрольных муфте 1 и ниппеле 2, обработанные соответствующим образом путем прохождения их через полосовые фильтры 10, поступают через умножитель 12 на интегратор 13, в котором происходит усреднение умноженного сигнала за время корреляции.

В блоке сравнения 9, который может быть выполнен в виде решающего логического устройства, производят сравнение усредненного сигнала с пороговым сигналом, соответствующим образцовому резьбовому соединению. По результатам сравнения указанных сигналов делают вывод о пригодности контролируемого резьбового соединения для дальнейшей эксплуатации.

Возможен вариант устройства (фиг. 2), в котором на генераторе акустических колебаний 7 отсутствует датчик 6, воспринимающий акустические колебания. В этом случае на умножитель 12 поступает разветвленный и задержанный блоком задержки 14 в одной из своих ветвей сигнал с датчика 6, размещенного на контрольных муфте 1 или ниппеле 2, т. е. перед интегратором 13 получают автокорреляционную функцию сигнала. На интеграторе 13 происходит усреднение умноженного сигнала за время корреляции.

В блоке сравнения 9, который может быть выполнен в виде решающего логического устройства, производят вычисление времени интегрирования, при котором перемноженный и усредненный сигнал достигает порогового значения и это время сравнивают с аналогичным временем образцового резьбового соединения. На основании сравнения времен делают вывод о пригодности контролируемого резьбового соединения для дальнейшей эксплуатации.

В качестве критерия сравнения в обоих вариантах могут быть использованы корреляционные или автокорреляционные функции акустических колебаний, прошедших образцовое резьбовое соединение и контролируемое. Сравниваются величины этих функций или их параметры.

Возможно получение, обработку полученных датчиками 6 сигналов с обоих резьбовых соединений бурильной трубы 5 и сравнение их с пороговым сигналом производить последовательно или одновременно для каждого резьбового соединения бурильной трубы 5.

В случае, когда получение, обработку полученных датчиками 6 сигналов с обоих резьбовых соединений бурильной трубы 5 и сравнение их с пороговым сигналом осуществляют последовательно для каждого резьбового соединения бурильной трубы 5, необходим по меньшей мере один блок сравнения 9.

В случае, когда получение, обработку полученных датчиками 6 сигналов с обоих резьбовых соединений бурильной трубы 5 и сравнение их с пороговым сигналом осуществляют одновременно, необходимым является наличие, по меньшей мере, двух блоков сравнения 9, работающих одновременно.

Формирование порогового сигнала производят путем пропускания акустических колебаний через бурильную трубу 5 с образцовым резьбовым соединением и статистической обработки многократно снятого датчиками 6 сигнала. В качестве образцового резьбового соединения может быть использовано соединение, изготовленное и прошедшее контроль по стандартным методикам в заводских условиях и признанное годным к эксплуатации, но не эксплуатировавшееся.

В качестве образцового может быть использовано также и специально подготовленное резьбовое соединение, возможно и бывшее в эксплуатации, с поэлементной проверкой параметров резьбы, например, с использованием калибров и установленной степенью износа.

Пороговый сигнал в качестве уставки заводится в блок формирования порогового сигнала 8 и на него настраивается блок сравнения 9.

Формула изобретения

1. Устройство для автоматического контроля износа резьбовых соединений бурильных труб, включающее генератор акустических колебаний, установленный с возможностью возбуждения колебаний в теле бурильной трубы, датчики для приема акустических колебаний, укрепленные на контрольных муфте и ниппеле, которые расположены с возможностью соединения соответственно с ниппелем и муфтой контролируемой штанги, а также соединенные между собой посредством линий связи по меньшей мере один блок формирования порогового сигнала, соответствующего сигналу образцового резьбового соединения образцовых муфты и ниппеля, и по меньшей мере один логический блок сравнения сигналов от датчиков с заданным пороговым сигналом.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок формирования порогового сигнала содержит уставку для настройки уровня указанного сигнала.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно имеет полосовые фильтры, установленные в линии связи непосредственно за каждым из акустических датчиков, при этом выход каждого из акустических датчиков связан с входом каждого из полосовых фильтров, включенного в линию связи указанного акустического датчика.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что в линию связи после каждого из полосовых фильтров включен умножитель, один из входов которого соединен с выходом указанного фильтра.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что оно снабжено дополнительным акустическим датчиком, вход которого связан с генератором акустических колебаний, а выход - через по меньшей мере один полосовой фильтр и блок задержки - со вторым входом каждого из умножителей.

6. Устройство по п.4, отличающееся тем, что второй вход умножителя связан через регулируемый блок задержки с выходом каждого из полосовых фильтров, установленных в соответствующей линии связи.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2