А. А. Молчанов Санкт-Петербург



страница10/33
Дата26.10.2016
Размер3.24 Mb.
ТипОтчет
1   ...   6   7   8   9   10   11   12   13   ...   33

2.2.3. Акустический канал связи


Возможность приема информации на устье забоя скважины в виде упругих колебаний (сигналов) определяется начальной величиной сигналов на забое, затуханием их в бурильных трубах и уровнем помех в точке приема. Для исследования прохождения колебаний долота по бурильной колонне как по линии связи необходимо знать передаточные функции колонны, определяемые отношением выходных и входных величин, т.е. сигналов долота на забое и устье скважины.

Исследования, проведенные в нашей стране и за рубежом, убедительно доказывают, что колонну бурильных труб в скважине можно использовать в качестве акустического канала связи [8,47 ]. По акустическому каналу связи можно передавать информацию о забойных параметрах (частота вращения долота при турбинном бурении, физико-механические свойства разбуриваемых пород, степень износа долота по вооружению и опоре). Разработаны структурные схемы устройств для контроля некоторых из этих параметров, однако вопросы точности работы этих устройств и дальность действия акустического канала связи еще не решены. Ниже излагается методика, позволяющая при минимальном числе экспериментальных данных оценить дальность действия механического канала связи в виде однородной колонны бурильных труб с естественным забойным источником вибрации - долотом, взаимодействующим с разрушаемой породой [47].

Для однородной колонны бурильных труб комплексные коэффициенты передачи продольных перемещений и силы:

где E, S, L - модуль упругости, площадь поперечного сечения и длина колонны бурильных труб; М - сосредоточенная масса, включающая массы вертлюга, ведущей трубы, талевого блока, крюка, строп и др.; К - жесткость талевого каната;  - угловая частота;

 - коэффициент распространения упругой волны.

Коэффициент распространения  =  + j. Входящие в это выражение коэффициент затухания  и коэффициент фазы  рассчитываются по формулам:



где  - плотность материала бурильных труб; h - коэффициент демпфирования.

Выражения КU(j), КF (j) представляют комплексные коэффициенты передачи продольных перемещений и вибросилы и справедливы для статического установившегося режима. Модули этих выражений представляют собой статические амплитудно-частотные характеристики колонны и тоже справедливы лишь для установившегося режима. На рис. 2.8 (сплошная линия) показаны такие характеристики для колонны бурильных труб длиной L = 1000 м при следующих исходных данных:  = 7800 кг/м3, М = 7400 кг, К = 2106 Н/м, Е = 21011 Па, S = 4,310-3 м2, h = 200 Па.

Практические вследствие непостоянства режима бурения вместо представленных на рис. 2.8 статических характеристик будет наблюдаться множество динамических характеристик, предельным случаем которых являются динамические характеристики продольных перемещений и вибросилы. Эти две предельные динамические характеристики отражают, очевидно, наихудшие условия передачи продольных перемещений и вибросилы в колонне бурильных труб, поэтому при использовании их можно получить оценку нижней границы максимально достижимой дальности действия механического канала связи.

Для используемых на практике бурильных труб в диапазоне частот механического канала связи соблюдается неравенство (h/S)2 << 1. Это позволяет разложить корень выражений для  и  по формуле бинома Ньютона и получить приближенные выражения, используемые на практике и обеспечивающие достаточную точность расчетов   h/2S,   /а, где а = - скорость распространения звука в материале бурильных труб.

Анализ зависимостей  и  показывает, что в диапазоне частот механического канала связи коэффициент фазы прямо пропорционален частоте, а коэффициент затухания не зависит от частоты и имеет постоянное значение   1. Последнее обстоятельство позволяет упростить выражение статических амплитудно-частотных характеристик:





где

Член cos 2(L - ) в приведенных уравнениях при изменении частоты изменяет свое значение в пределах от -1 до +1 и является осциллирующим. Для случая, когда коэффициенты передачи минимальны, получим следующие выражения предельных динамических амплитудно-частотных характеристик однородной колонны бурильных труб.



Выражения предельных динамических амплитудно-частотных характеристик значительно проще соответствующих выражений статических характеристик и, что важно, позволяют получить зависимость длины колонны бурильных труб от заданного коэффициента передачи, пригодную для простых инженерных расчетов дальности действия механического канала связи.

Предположим, что на устье осуществляется причем и анализ продольных перемещений, распространяющихся от забоя к устью по колонне бурильных труб (методика оценки дальности действия при приеме вибросилы аналогична описанной выше). Обозначим через Uп - уровень продольных перемещений - помех в месте приема в рабочем диапазоне частот механического канала связи, а через N = -Uc/Uп - отношение уровня уверенно принимаемого на устье сигнала к уровню помех, при котором интересующие нас параметры полезного сигнала измерены с заданной точностью (это отношение характеризует совершенство наземной измерительной аппаратуры).

Имея в виду, что уровень любой информативной составляющей частотного спектра полезного сигнала, достигшей устья, связан с уровнем этой же составляющей на забое Uзаб зависимостью



Введя обобщенный показатель для этого случая  = Uзаб/NUп, характеризующий забойный сигнал, помеху и совершенство наземной измерительной аппаратуры, получим следующее выражение для дальности акустического канала связи:

L = 1/ arch z,

где

Для удобства расчетов на ЭВМ выражение можно также представить в виде L = 1/ln(z + ). Такая замена справедлива при соблюдении неравенства z >> 1, которое имеет простой физический смысл: о дальности действия можно говорить в том случае, если полезный сигнал на устье превышает некоторое пороговое значение, при котором обеспечивается отношение сигнал-помеха, необходимое для работы наземной измерительной аппаратуры; при несоблюдении упомянутого неравенства L  0.

Это позволяет оценить максимальную глубину скважины, при которой возможен прием любой интересующей частотной составляющей спектра полезного сигнала, генерируемого долотом (задача, решаемая при телеизмерении износа долота). В качестве примера на рис. 2.9 показана зависимость дальности действия для основной гармоники продольных перемещений (час­тота основной гармоники составляет примерно 250 Гц), вызываемых контактами зубьев типа 2К214СГ и ТК214СГ с забоем при частоте вращения долота n = 8,33 с-1, от обобщенного показателя  в области ожидаемых значений коэффициента демпфирования h = 50-200 Нс/м2. При этом использовались такие же технические данные буровой колонны, что и при расчете характеристик (рис. 2.8).

Полученные зависимости позволяют также решить другую задачу,. встающую при телеизмерении частоты вращения долота при турбинном бурении: определить зависимость дальности действия механического канала связи от частоты информативной составляющей спектра полезного сигнала при заданном значении обобщенного показателя . На рис. 2.10 такие зависимости приведены для значения  = 140. Следует отметить, что изложенная выше методика позволяет получить предельные динамические характеристики, а по ним рассчитать дальность действия механического канала связи, включающего наряду с обычными бурильными трубами секцию утяжеленных труб.

В глубоком бурении справедливо представление бурильной колонны в виде полубесконечного стержня. Принимая длину колонны конечной, надо учитывать и отраженный сигнал, вернувшийся от устья к долоту. Такой учет не имеет смысла вследствие сильного затухания сигнала на двойном пробеге. Запишем сигнал Y в произвольной точке Х колонны в виде Y(x, t) = Y0(t)e-x, где Y0 - забойный сигнал. Передаточная функция колонны Ф(j) = e-xe-jx. Согласно анализу функции (), () являются возрастающими, что приводит к следующим выводам: 1) спектральный состав сигнала от долота на устье скважины определяется не только спектром забойного сигнала, но и конкретным видом и характером сил трения колонны в скважине; 2) неопределенный и нестабильный характер трения осложняет контроль работы долота по спектру наземного сигнала.

Если спектр сигнала неинформативен, то остается информативной средняя частота первой гармоники сигнала. Установлено, что реальный спектр сигналов от долота является полигармоническим и вторые (третьи) гармоники сигнала обусловливают некоторую погрешность при таком способе контроля. Однако эти гармоники затухают сильнее, чем основная частота сигнала при любых видах трения. Промысловые экспериментальные данные по спектрам сигналов [47] подтверждают явление затухания от высокочастотных гармоник сигналов от долота с увеличением глубины скважины и ростом сил трения.

В связи с массовым применением легкосплавных бурильных труб были рассмотрены их возможности использования в качестве акустического (меха­нического) канала связи. Демпфирующая способность труб (способность поглощать колебания в результате внутреннего трения в металле) зависит от твердости, модуля упругости и прочности металла на разрыв. В частности, большой демпфирующей способностью обладают металлы, имеющие пониженную прочность, например диамагнитные бурильные трубы из латуни.

Экспериментальные исследования показывают, что при бурении колонна бурильных труб испытывает продольные колебания двух видов. Низкочастотные колебания чаще всего наблюдаются при бурении мягких пород и обусловлены продольными перемещениями винтообразной колонны, сжатой и скрученной усилием подачи и крутящим моментом турбобура. Вибрация высокой частоты вызывается вращением долота на забое скважины при бурении твердых пород.

Представляет интерес сравнение передачи продольных колебаний на поверхность легкосплавными и обычными бурильными трубами.

Продольные низкочастотные перемещения колонны hл, hс для легкосплавных и стальных труб можно вычислить по известным формулам. Отношение этих перемещений при одинаковых крутящем моменте, полярном моменте инерции сечения труб, радиусе винтовой системы и длине колонны равно

hл/hс = лsin2лЕл/сsin2cЕc,

где л и с - индексы, относящиеся соответственно к колонне из сплава Д16Т и к стальной колонне.

Принимая Ел = 20105 Па, Ес = 7,21010 Па, л = 0,3, с = 0,33, а соотношение углов наклона винтовой системы пропорциональным модулям упругости, т.е. sinл  3sinc, будем иметь hл/hс  1. Следовательно, для низкочастотных колебаний продольные вибрации на устье скважины при использовании легкосплавных и обычных труб будут примерно одинаковыми.

Высокочастотная вибрация долота передается на устье через колонну тем сильнее, чем меньше коэффициент внутреннего трения материала труб. С достаточной точностью этот коэффициент можно принять обратно пропорциональным твердости материала труб.

Принимая твердость по Бринелю НВ для стали равной 35108 Па, для сплава Д16Т - 12108 Па, можно из их соотношения заключить, что гашение вибрации вследствие внутреннего трения в материале легкосплавных труб будет в 1,5-3 раза больше по сравнению со стальными.

Для проверки этого положения были проведены сравнительные экспериментальные исследования в лабораторных условиях по общепринятой методике. Демпфирующую способность материала труб оценивали по логарифмическому декременту затухания л.с, величину которого находили по осциллограмме свободных колебаний образцов стальной и легкосплавной труб длиной 0,27 м и диаметром 0,114/0,098 м. По общеизвестным формулам определяли важные для практики коэффициенты поглощения л.с и внутреннего трения л.с.

Экспериментальная установка (рис. 2.11) включала испытательный копер типа КИ, тензорезисторы 4, тензоусилитель 2 со стабилизированным по анодному напряжению источником питания 1, осциллограф 3.

Свободные колебания, затухающие после удара, записывали на 35-миллиметровую фотографическую пленку при скорости ее движения 0,65 и 2,5 м/с. рабочие гальванометры осциллографа имели собственную частоту 1200 и 2500 Гц. Первую частоту использовали при экспериментах со стальными трубами, вторую - с легкосплавными. Результаты исследований приведены в табл. 2.4. Средняя демпфирующая способность легкосплавных труб оказалась в 1,6 раза выше демпфирующей способности стальных, а время затухания, число циклов и собственная частоты - ниже.

Несмотря на принятые меры против помех, разброс экспериментальных данных был большим. Для стали диапазон логарифмического декремента составлял 0,16-0,43, для сплавов Д16Т - 0,27-0,67. Соответственно крайним значениям минимальная и максимальная демпфирующая способность сплава в отдельных опытах в 1,5-4,2 раза превышала затухание колебаний в стали.

Таблица 2.4

Демпфирующая способность легкосплавных и стальных труб



Показатели

Сталь

Сталь Д16Т

Коэффициент фазы л.с

Число измерений

Коэффициент распространения упругой волны л.с

Время затухания упругих колебаний, с

Число циклов на осциллограмме

Собственная частота fл.с, Гц

Отношение логарифмического декремента стали и сплава


0,27

32

0,54



0,86

33

254


1,6

0,43

42

0,86



0,137

7

175


-

Характерно, что для первых двух-трех, реже пяти циклов колебаний логарифмический декремент затухания был в 2-3 раза меньше среднего. Например, для стали он был равен 0,11-0,19, а для сплава - 0,19-0,28. Типичные осциллограммы свободных колебаний показаны на рис. 2.12. Итак, в одинаковых условиях затухание колебаний в легкосплавных бурильных трубах в 1,5-4,2 раза больше, чем в стальных. Экспериментальное подтверждение этого в промысловых условиях было получено в Усть-Балыкской конторе бурения. При бурении переслаивающихся глин и песчаников максимальная амплитуда высокочастотной вибрации, записанная вибрографом на устье скважины, составляла 0,3310-3 м (стальные трубы ТБПВ-127) и 0,0510-3 м (трубы диаметром 147 мм из сплава Д16Т). Глубина скважины при измерениях достигала 1280-1480 м. Бурили долотом К-214СГ; тип турбобура, подача промывочной жидкости, а также осевое усилие на долото в обоих случаях были одинаковыми. Частота вибрации находилась в пределах 56-64 Гц (для ЛБТ) и 63-80 Гц (для ТБПВ). В нижней части легкосплавной колонны были установлены трубы ТБПВ общей длиной 375 м. Анализируя полученные результаты, можно сделать следующие выводы.

1. Передаточная функция бурильной колонны определяется конструктивными параметрами труб, видом и величиной сил внешнего трения и внутреннего поглощения энергии колебаний в металле труб.

2. Нестабильность трения бурильной колонны в скважине делает ее передаточную функцию непостоянной.

3. Спектральный состав сигналов долота определяется совокупностью спектра забойного сигнала и характера сил трения бурильной колонны в скважине. Это осложняет контроль работы долота по спектру сигнала, принимаемого на поверхности, но не исключает способа контроля по средней частоте первой гармоники сигнала.

4. При приеме сигналов через колонну легкосплавных бурильных труб в глубоких скважинах должна учитываться повышенная демпфирующая способность материала ЛБТ.

Как показали экспериментальные работы, проведенные фирмой Эко Ресэч (Ecco Research) во Франции, при внедрении аппаратурно-обрабатывающе­го комплекса надежные результаты измерений режима работы долота получены с глубин 3300 м.

В зарубежной литературе имеются публикации когда акустический сигнал образуется бурильной колонной с источником акустических сигналов на забое в виде механического ударника и приемника на поверхности вблизи вертлюга. Сигналы от забойных датчиков передаются при остановках бурения из запоминающих устройств глубинных блоков (например, данные о полной волновой картине при акустическом каротаже в процессе бурения), когда уровень акустических помех значительно меньше, чем при бурении скважины.

В Советском Союзе акустический канал предполагалось использовать с целью определения положения долота (Б.П. Ивакин, Е.В. Карус, О.Л. Кузнецов, В.Н. Рукавицин, С.Л. Певзнер). Действительно, осуществляя наземные сейсмические наблюдения рассредоточенными приемниками, можно, применив соответствующую математическую обработку, определить по времени прихода полезных сигналов от долота его положение [8].

Однако точность таких измерений позволяет определить положение забоя с точностью до 5 - 10 м, что недостаточно для высокоточной проводки ствола на участках набора кривизны и особенно ее горизонтального участка.

Расчет передаточной функции модели бурильной колонны проводился в Тюменском индустриальном институте [73] на основе подобия краевых механических и электрических задач [9, 28].

Выбрав в качестве функции, характеризующей продольные колебания стержня, силу T, авторы [29] получили волновое уравнение:



,

которое сравнивали с волновым уравнением электрического напряжения в длинной линии



,

где


(a – скорость распространения в стержне механических колебаний);

- скорость распространения в линии электрических колебаний.

Из сравнения вышеприведенных уравнений составлена таблица основных аналогий:

механическая сила T электрическое напряжение U;

коэффициент трения h  омическое сопротивление R;

погонная масса m  погонная индуктивность L;

погонная жесткость EF  (C – погонная емкость линии);

время t в механической системе  время τ в системе электрической;

линейные координаты x  x.

Для определения коэффициентов подобия была составлена таблица 2.5.

Таблица 2.5

Коэффициенты подобия


Механические и электрические величины

Коэффициенты

Взаимосвязь величин

Время

t, τ

K0=t/ τ

t=K0 τ

Масса и индуктивность

m, L

K1=m/L

m=K1L

Трение и сопротивление

h, R

K2=h/R

h=K2R

Жесткость и емкость

EF, 1/C

K3=EF/(1/C)

EF=K3/C

Перемещение и заряд

ε, q

K4= ε/q

ε=K4/q

Сила и напряжение

T, U

K5=T/U

T=K5U

Далее были проведены электрические моделирования механических систем и исследованы электрические модели турбобуров ЗТСШ-195 и ЗСТШ-195ТЛ [9] и бурильной колонны (буровая установка БУ-75 БРЭ), включая талевую систему, вертлюг и сдвоенный квадрат, реализующие условия закрепления бурильной колонны на устье скважины.

В результате решения систем уравнений на ЭВМ было получено следующее [73]:

- входной механический импеданс системы «долото-турбобур-колонна» имеет комплексный характер и зависит от конструкции и закрепления вала турбобура;

- сквозная передаточная функция бурильного инструмента от долота до до точки приема (вертлюг), полученная для компоновки бурильной колонны, используемой при бурении в Среднем Приобье, незначительно зависит от длины УБТ. На величину затухания динамической силы вибраций, как и следовало ожидать, в основном влияет длина колонны, причем независимо от нее частотное поведение передаточной функции почти неизменно.

Полученная передаточная функция позволяет с приемлемой для практических целей погрешностью корректировать регистрируемые параметры вибраций на устье скважины, с целью определения их забойных значений, независимо от конкретных компоновок бурильной колонны и условий закрепления на устье ее верхнего конца, а также выбрать наиболее подходящий частотный диапазон при организации активного акустического (механического) канала связи с использованием бурильной колонны.

Изучением затухания акустических волн в стенках колонны бурильных труб занимался Акустический институт РАН в рамках договора между ВНИГИК и АО «Наука» 1990-93 гг [58].

При рассмотрении бурильной колонны, как акустического волновода с периодическими неоднородностями в виде замков, расположенных в местах сочленения бурильных труб, и возбуждении в колонне продольных и крутильных колебаний в диапазоне частот 0 – 6000 Гц были рассчитаны зоны пропускания и «запирания» для идеализированной колонны с наружным и внутренним диаметрами 130 мм и 207 мм соответственно, с цилиндрическим замком длиной 500 мм, наружным и внутренним диаметрами 150 и 95 мм.

В табл. 2.6 представлены результаты расчетов полос пропускания и запирания для случая возбуждения в колонне крутильных колебаний, а в табл. 2.7 — для случая возбуждения в колонне продольных колебаний. Результаты показывают, что для рассмотренного идеализированного случая в диапазоне частот 0-6000 Гц для обеих типов волн существует целый ряд частотных полос запирания и пропускания (прохождения). В полосе прохождения действуют механизмы затухания, связанные с потерями собственно в материале трубы, а в области запирания основной вклад вносит резонансное отражение звука от неоднородностей (замков).

Таблица 2.6

Полосы частот пропускания и запирания для крутильных колебаний буровой колонны


Частота f, Гц

Полоса пропускания, Гц

Полоса запирания, Гц

0 – 140

140

40

180 – 300

120

60

360 – 460

100

80

540 – 620

80

100

720 – 780

60




2950 – 3070

120

30

3100 – 3390

290

40

3430 – 3550

120



Таблица 2.7

Полосы частот пропускания и запирания для продольных колебаний буровой колонны


Частота f, Гц

Полоса пропускания, Гц

Полоса запирания, Гц

0 – 280

280

40

330 – 570

240

80

650 – 860

210

110

540 – 620

180

140

970 – 1150

160

170

5060 – 5270

210

80

5350 – 5590

240

40

5630 – 6180

550



Для обоих типов колебаний, начиная с 0 Гц и до 140-280 Гц, существует область пропускания. Использование колонны бурильных труб для передачи акустических колебаний непосредственно по телу бурильной трубы в области частот выше 250 Гц малоперспективно из-за наличия часто расположенных зон «запирания».

Очень интересны как с теоретической, так и с практической точек зрения результаты, полученные в Тюменском индустриальном институте [9], которые свидетельствуют, что из всех типов волн (продольная, поперечная, изгибная, растяжная) менее всего подвержена затуханию поперечна волна, распространяющаяся по телу трубы по винтообразной линии.

Проведенные эксперименты показывают, что поперечно-винтообразные колебания звукового диапазона частот могут быть широко использованы для передачи различной забойной информации по колонне бурильных труб в процессе бурения скважины.

Все вышеизложенное позволяет утверждать, что диапазон частот 0-250 Гц может с успехом использоваться для организации активного акустического канала связи с передачей забойной информации как продольными и крутильными колебаниями, так и поперечными колебаниями, распространяющимися по винтовой линии.



Поделитесь с Вашими друзьями:
1   ...   6   7   8   9   10   11   12   13   ...   33


База данных защищена авторским правом ©grazit.ru 2019
обратиться к администрации

войти | регистрация
    Главная страница


загрузить материал