РЕГУЛЯТОР ПОДАЧИ БУРОВОГО ИНСТРУМЕНТА Российский патент 1994 года по МПК E21B44/00 

Изобретение относится к регулированию режимных параметров процесса бурения и может использоваться в нефтяной и газовой промышленности для автоматической подачи бурового инструмента при бурении нефтяных и газовых скважин забойным двигателем с переменной линией давления.

Известен регулятор подачи бурового инструмента, содержащий исполнительный механизм с электроприводом и отрицательной обратной связью по механической скорости проходки, датчик веса с электрическим выходом, задатчик веса, элемент сравнения, задатчик скорости подачи, коммутатор, управляемый делителем частоты, формирователь управляющих импульсов, схему И, устройство запуска электропривода исполнительного механизма, переключатель и блок управления [1] .

Наиболее близким к предлагаемому является регулятор подачи бурового инструмента, содержащий датчик веса, блок памяти начального веса инструмента, два элемента вычитания, индикатор осевой нагрузки, задатчики осевой нагрузки и скорости подачи, усилитель, управляемый ограничитель уровня и исполнительный механизм, выполненный с отрицательной обратной связью по скорости подачи [2] .

Недостатком этих регуляторов является то, что при изменении условий проходки меняется крутящий момент на долоте. Это приводит к перегрузке и недогрузке забойного двигателя, а в отдельных случаях к торможению двигателя, а также к интенсивным колебаниям низа бурильной колонны. Кроме того, при больших углах наклона скважины в горизонтальных скважинах величина силы трения бурильной колонны о стенки скважины колеблется в больших пределах, что снижает эффективность буровых работ.

Цель изобретения - повышение эффективности процесса бурения и долговечности бурового инструмента за счет поддержания постоянства крутящего момента на долоте и уменьшения колебаний низа бурильной колонны.

Указанная цель достигается тем, что регулятор подачи бурового инструмента, содержащий датчик веса, установленный на канате тормозной лебедки, индикатор веса, размещенный на приборной доске, задатчик веса, выход которого последовательно соединен с блоком управления и исполнительным механизмом, а также усилитель, снабжен датчиком давления, последовательно соединенным с усилителем, фильтром низкой частоты и индикатором давления, выход фильтра низкой частоты соединен с входом блока сравнения, первый выход которого соединен с входом формирователя звукового сигнала, инверсные входы блока сравнения соединены с выходами задатчика рабочего давления и задатчика предельно допустимого давления, второй выход блока сравнения связан с входом блока управления.

При бурении скважины забойным двигателем с наклонной линией давления сигнал от датчика давления, установленного в манифольдной линии (трубопроводе), подается через усилитель и фильтр низкой частоты на индикатор давления и блок сравнения. В блоке сравнения величина поступившего сигнала сравнивается с величинами заранее заданными задатчиком рабочего давления и задатчиком предельно допустимого давления. В зависимости от соотношения величин поступившего сигнала и заранее заданных из блока сравнения на блок управления поступает один из двух возможных видов сигнала: сигнал на увеличение или уменьшение силы торможения лебедки или сигнал на вращение барабана лебедки на подъем бурового инструмента и включение или выключение формирователя звукового сигнала, данный сигнал в блоке управления преобразуется в силовой и подается на исполнительный механизм. Исполнительный механизм связан с буровой лебедкой и в зависимости от вида поступившего сигнала выполняется одна из трех функций: торможение лебедки и растормаживание, подача бурового инструмента вниз и вращение барабана лебедки на подъем бурового инструмента.

Таким образом, при использовании данного технического решения контролируется давление в манифольдной линии, обеспечивается постоянство крутящего момента на долоте и снижаются колебания низа бурильной колонны, что позволяет повысить эффективность процесса бурения и долговечности бурового инструмента.

На фиг. 1 дана структурная схема регулятора подачи бурового инструмента; на фиг. 2 - принципиальная схема регулятора подачи бурового инструмента.

Регулятор подачи бурового инструмента содержит датчик 1 давления, установленный в манифольдной линии, соединенные последовательно с ним усилитель 2 сигнала, фильтр 3 низкой частоты, индикатор 4 давления 4, выход фильтра 3 соединен с первым входом блока 5 сравнения, инверсные входы которого соединены с выходами задатчика 6 рабочего давления и задатчика 7 предельно допустимого давления, а выходы блока 5 - первый с входом формирователя 8 и звукового сигнала, второй - с блоком 9 управления, второй вход которого соединен с задатчиком 10 веса, а выход - с входом исполнительного механизма 11, соединенным с валом буровой лебедки. Регулятор также содержит датчик 12 веса бурового инструмента, установленный на неподвижном конце каната, и индикатор 13 веса, установленный на приборной доске. Ходовой конец каната наматывается на барабан лебедки.

Регулятор подачи бурового инструмента содержит типовые узлы. В качестве датчика давления используется тензометрический датчик давления типа ЛХ-412.

Усилителем является преобразователь сигналов тензорезисторных датчиков типа ПА-1. Необходимым условием работы преобразователя является подключение датчика. На вход стабилизатора напряжения поступает питающее напряжение 24 В. С выхода стабилизатора напряжение 12 В поступает на активный делитель напряжения, формирующий нулевую (среднюю) точку и напряжения 6, -6, 3, -3 В. Источники напряжений питания датчика формируют напряжения -3 и 3 В; масштабный усилитель осуществляет требуемое усилие сигнала датчика. В зависимости от относительного изменения сопротивления датчика, пропорционально приложенному к датчику механическому усилию на выходе усилителя появляется напряжение U_вых, определяемое формулой
U_вых = 4Е ( ΔR_дат/R_дат)˙ (R_o/R_дат), где ΔR_дат/R_дат - относительное изменение сопротивления датчика;
Е - половина напряжения питания датчика;
R_o - сопротивление обратной связи масштабного усилителя, Ом;
R_дат - сопротивление датчика, Ом.

Фильтр низкой частоты служит для подавления пульсация давления. Используется фильтр Чебышева. Фильтр имеет полосу пропускания 0,5 Гц. Для получения выходных напряжений, необходимых для работы блока сравнения, фильтр имеет масштабный усилитель.

Блок сравнения предназначен для получения управляющих сигналов для схемы управления исполнительным механизмом и формирователя звукового сигнала. Блок сравнения собран на двух компараторах типа К55АСА3. На прямые входы компараторов поступает сигнал давления в диапазоне 0-2 В с ФНЧ. На инверсные входы компараторов поступают сигналы с задатчиков 6 и 7 в диапазоне 0-2 В. В зависимости от соотношения этих сигналов компараторы вырабатывают сигнал для включения исполнительного механизма или формирователя звукового сигнала или сигнал для их выключения.

Блок управления собран по схеме цифрового тиристорного регулятора. Блок содержит генератор, управляемый напряжением, заторможенный генератор высокочастотных импульсов, формирователь открывающих импульсов и тиристорный ключ. Блок позволяет плавно изменять напряжение на исполнительном механизме от 0 до 110 В при токе от 0 до 10 А.

В качестве исполнительного механизма используется тормоз электропорошковый (ТЭП).

Регулятор подачи бурового инструмента работает следующим образом.

Буровой инструмент, включающий забойный двигатель с наклонной линией давления, например винтовой, опускают до касания долота с забоем скважины и по датчику 12 веса, индикатору 13 веса оператор определяет полный вес инструмента. Вычитая от величины полного веса инструмента максимально допустимую величину осевой нагрузки на долото (паспортная величина), оператор определяет минимальную величину веса на крюке и задатчиком 10 веса устанавливает эту величину. После этого буровой инструмент поднимают над забоем и включают буровой насос. Нагрузка на долото при этом равна 0. Сигнал (напряжение) от датчика 1 давления, величина которого пропорциональна величине давления в манифольдной линии, пройдя через усилитель 2 и фильтр 3 низкой частоты, в сглаженном виде поступает на блок 5 сравнения и индикатор 4. Величина давления в данный момент соответствует давлению холостого хода (Р_х). Задатчиком 6 оператор задает величину рабочего давления (Р_р), которое больше давления холостого хода на величину ΔР_р. Значение ΔР_р зависит от типа забойного двигателя и является паспортной величиной. После этого задатчиком 7 оператор устанавливает величину предельно допустимого давления: Р_кр = Р_р + 0,5 - 1,5 МP_а. Р_кр также зависит от типа забойного двигателя.

После задания величин веса инструмента, рабочего и предельно допустимого давлений с помощью ручного тормоза (не показан) буровой инструмент подают на забой. При этом увеличиваются осевая нагрузка на долото и вращающий момент на двигателе, что приводит к росту давления в манифольдной линии и увеличению сигнала, поступающего на блок 5 сравнения. Сигнал, поступивший на блок 5, величина которого пропорциональна величине давления в манифольдной линии, сравнивается с заранее заданными величинами рабочего и предельно допустимого давлений. В зависимости от соотношения этих сигналов в блоке 5 вырабатываются два вида управляющих сигналов: одна на увеличение силы торможения и включение формирователя звукового сигнала, а другой на снижение силы торможения.

Управляющий сигнал поступает в блок 9 управления, где преобразуется в силовой, который подается на исполнительный механизм 11. Исполнительный механизм связан с буровой лебедкой и в зависимости от поступившего на него сигнала увеличивает или уменьшает силу торможения лебедки или осуществляет подъем бурового инструмента и включение сигналоизлучателя.

При превышении давления в манифольдной линии заданного рабочего давления Р_р из блока 5 сравнения поступает сигнал на блок 9 управления, где он преобразуется в силовой сигнал, поступающий на исполнительный механизм, который увеличивает силу торможения буровой лебедки, при этом замедляется или прекращается подача бурового инструмента. Это приводит к снижению крутящего момента на двигателе и падению давления в манифольдной линии.

В тот момент, когда величина давления в манифольдной линии станет ниже рабочего давления Р_р, из блока 5 на блок 9 поступает сигнал, который уменьшает силу торможения буровой лебедки и приводит к ускорению подачи бурового инструмента, увеличению крутящего момента на двигателе и долоте и повышению давления в манифольдной линии. Таким образом, контроль давления в манифольдной линии позволяет поддерживать на долоте крутящий момент, величина которого колеблется в очень малых пределах, поэтому можно считать, что крутящий момент на долоте поддерживается постоянным.

При превышении давления в манифольдной линии величины предельно допустимого давления Р_кр из блока 5 сравнения на блок управления поступает новый сигнал, который, преобразуясь в блок 9, поступает на исполнительный механизм 11, что приводит к отрыву долота от забоя или полному торможению буровой лебедки в зависимости от типа и возможностей исполнительного механизма. Кроме того, в этом случае из блока 5 сигнал поступает и на формирователь звукового сигнала (например, громкоговоритель), что позволяет оператору своевременно отреагировать на случившееся.

Технико-экономические преимущества предлагаемого регулятора заключаются в повышении долговечности бурового инструмента - забойного двигателя и долота, так как они работают в постоянном режиме, в защите их от перегрузок. Кроме того, постоянство крутящего момента обеспечивает постоянный угол закручивания бурильной колонны, что особенно важно при бурении скважины ориентируемыми компоновками, и исключает недогруз и перегруз долота.

Использование: регулирование режимных параметров процесса бурения в нефтяной и газовой промышленности для автоматической подачи бурового инструмента при бурении нефтяных и газовых скважин забойным двигателем с переменной линией давления. Сущность изобретения: регулятор подачи содержит датчик 1 давления в манифольдьной линии, усилитель 2, фильтр 3 низких частот, индикатор 4 давления, блок 5 сравнения, формирователь 8 звукового сигнала, задатчики рабочего 6 и предельно допустимого 7 давлений, блок 9 управления, датчик 10 веса, задатчик 11 веса и индикатор веса 12. 1 → 2 → 3 → 5 → 9 → 11; 3 → 4; 6 → 5; 7 → 5; 5 → 8, 10 → 9; 12 → 13. Регулятор позволяет повысить эффективность процесса бурения и долговечность бурового инструмента за счет поддержания постоянства крутящего момента на долоте и уменьшения колебаний низа бурильной колонны. 2 ил.

РЕГУЛЯТОР ПОДАЧИ БУРОВОГО ИНСТРУМЕНТА, содержащий установленный на канате тормозной лебедки датчик веса, подключенный к установленному на приборной доске индикатору веса, задатчик веса, выход которого подключен к одному из входов блока управления, исполнительным механизмом и усилитель, отличающийся тем, что он снабжен датчиком давления, индикатором давления, фильтром низкой частоты, блоком сравнения, задатчиками рабочего и предельно допустимого давления и формирователем звукового сигнала, причем выход датчика давления через усилитель подключен к входу фильтра низкой частоты, выходы которого соединены с входом индикатора давления и с одним из входов блока сравнения, к двум другим входам которого подключены соответственно выходы задатчика рабочего давления и задатчика предельно допустимого давления, причем один выход блока сравнения подключен к входу формирователя звукового сигнала, а другой - к второму входу блока управления исполнительным механизмом.