Устройство для контроля процессов бурения Советский патент 1983 года по МПК E21B45/00 E21B47/12 

Изобретение отноЬится к тепеконтропю забойных параметров в процессе турбинного бурения нефтяных и газовых скважИЕ и может быть использовано также дл акустических исследований упругих свойста горных пород в процессе бурения сква жин. Известно устройство для контроля процесса бурения скважины с акустически каяапом связи, состоящее из датчика виб раций, установленного на бурильной копонне, полосового фильтра, пикового детек тора, компаратора, коммутатора, усилителя tl}. Недостатком указанного устройства является то, что контроль параметров осуществляется только для случаев квазигармонических вибраций колонны. Известно также устройство для контроля частоты вращения вала, турбобура как по низкочастотной, так и по высокочастотной составляющим продольных колебаний бурильной колонны, содержащее акустический канал связи и аппаратуру обработки сигнадьв С2.. Недостатком этого устройства является низкая точность, обусловленная прямы методом измерения и влиянием на резуп таты измерения передаточных характеристик колонны бурильных труб. Наиболее близким техническим,решением к изобретению является двухканальная акустическая измерительная система Контроля забойных параметров, содеркащая два приемных акустических преоб- разОватепя, один из которых расположен в верхней части бурильной колонны (на вертлюге или квадрате) |И воспринимает сигнал, поступаГющий с забоя скважины по бурильной.колонне, а второй расположен на поверхности земли на некотором расстоянии от устья скважины в специальном шурфе и регистрирует сигнал, пост тюющий с забоя скважины по горным породам. Устройство обеспечивает опер тивное измерение в процессе бурения частоты вращешш вала турбобура, степени износа бурового инструмента, механи- ческой скорости бурения, а также испол зуется для вычисления частотно-зависимо го .акустического импедаеса горных пород коэффициента затухания с целью построение геологического разреза скважины TSJ. Недост атком известного устройства является низкая точность измерения, обусловлейй влиянием буровых насосов,; которые создают значите гьную ибрашш бурильной колон1аЫ и грунта, а также электрические помехи в измерительных пиниях связи. Целью изобретения является повышение точности измерения .и помехозащищенности устройства, а также удобства в эксплуатации. Поставленная цель достигается тем, что устройство для контроля процессов бурения, содержащее в каждом из двух каналов измерения датчик, линию связи, льтр низких частот, активный полосовой фильтр, амплитудный дефектдр, а также триггер Шмитта, измеритель отнощения напряжений, селектор длительности, аналоговый и ци(| овой бпюки измерения частоты, причем выходы активных полосо-; вых фильтров каждого канала через амплитудные детекторы соединены о измерителем отношения напряжений, а выход полосового фильтра первого канала соединен также с триггером Шмитта, снабжено третьим измерительным каналом, содержащим датчик и линию связи, а также одновибратором, элементом ИЛИ, капибратором, двумя усилителями и двумя устройствами вычитания°сигналов, входы кажрого из которялх подключены к линиям связи первого и третьего и второго и третьего каналов соответственно, а выходы через усилители подсоединены к объединенным входам фильтра низкой частоты и активного полосового фильтра, кроме того, к выходу -триггера Шмитта поогключены входы одновибратора и селектора длительнсюти, иыход одновибратора сое динен с вторым входом селбктора длвнтельности, выход которого через элемент ИЛИ соединен с входами аналогового и цифровогчэ блоков измерения частоты, а к второму входу элемента ИЛИ подключен калибратор.. При этом линия связи в каждом из каналов измерения состоит из электрооптического преобразователя, световода и оптоэпектрического преобразователя. На чертеже изображена структурная схема устройства. Функционально схема устройства состоит из трех измерительных каналов: , В и С. Канал А служит для выделения на фоне, помех, обработки и регистрации информационного сигнала, поступающего с забоя скважины по бурильной колонне; канал В - дпя выделения ва фоне помек, обработки и регистрации нЬфо апионного сигнала, поступающего с забоя скважины 5Ю горным породам, а канал С для выделения и компенсации сигнала, поступаюцдхх) от буровых насосов. Ижлерительтле канапы А и В имеют идентичные схемы и состоят каждый .из датчика 1 сигналь оптической пинии связи, содержащей эпектрооптический преобраэоватепь 2, светов од 3 и оптоэпектрический преобразоватепь 4, устройства 5 вычитания сигналов масштабирующего, уситштепя 6, фильтра 7 низкой частоты, шстивного попосовогю фипьтра 8 и амплитудного дискриминатора 9 сигнапюв. Канал С является корректиру кХцнм и состоит только из датчика,сиг нала 1 и оптической линии связв, содер жащей злектрооптический преобразователь 2, световод 3 и оптоэлектрический преобразователь 4, выход которого подключей к устройствам 5.1 вычитания сигнапов (канал А) и 5.2 (канал В). Kpcevie того, устройство содержит из мерите ль Ю отношения напряжений, триггер ШмИтта 11, одновибратор 12, селек- тор 13 длительности, калибратор 14 и впемент ИЛИ 15, соединенный с входами аналогового и rnKJ JOBoiro блоков измерения частоты. Аналоговый блок измерения частоты (АБИЧ) состоит из интегратрра 16 и формирователя 17 калиброванных импульсов. Цифровой блок «змерешся чаототы (ЦБИЧ) содержит масштабирующее устройство 18, временной селектор 19, генератор 20 опорной частоты, делитель 21 частоты; счетчик 22 импульсов, буферилй регистр 23 памяти и устройство 24 цифровой индикации. Устройство работает следующим образом. Электрический сигнал с выхода акустического преобр зователя 1.1, установленно1Ч на буровой колонне (санап А), поступает на вход электрооптического преобразователя 2.1, который подсоединен к световоду 3.1, служащему для пе едачи измерительного сигнала в форме инфракрасного излучения оптоэпбктричеоKoiviy преобразователю 4.1. Оптическая пиния связи обеспечивает существенное уменьшение уровня электрических помех, возникающих при работе буровых насосов и других электроустановок на скважине. Эпектрический сигнал с выхода оптоэпектрическстч) йреобразователя 4.1 поступает на вход устройства 5.1 вычитания сш налов, на второй вхоц которого ш пинии связи поступает сигнал коррекции с датчика 1.3, установленного ва буровом насосе (канал С). На выходе устрой ства вычитателя 5.1 формируется свг нап, в спектре которого скомпенсированы . нецнформативные частотные оостЕШЛЯЮош обусповйвнные работой буровых насосов. Полученный сигнал подается на вход усилителя 6.1 с перестраиваемым коэффициентом усиления,который позволяет получить сигнал нужного уровня.С выхода усиштеля 6.1 сигнал поступает на входы фильтра 7.1 киа ких частот и активного полосового фильтра 8.1. Фильтр 7.1 низких частот служит для выделения, и контроля на выходе 1 устройства широкополосного сигнала в диапазоне частот дб Гц. Полосовой фильтр 8.1 служит для выделешш сигнала преобладающей частоты - частоты вращения ват турбобура, имеет полосу пропух;кания Ю Та. и может плавно перестраиваться в диапазоне 15-150 Гц. Для определения максимальной амплитуды иос зедуемого сигнала используется амплитудный детектор 9.1 (выход И), подключенный к выходу полосового фильтра 8.1. Айапогично осуществляется преобразова riie сигнала в канале В, обеспечивает регистрацию широкополосного сигнала, проходящего по горным породам (выход Ш), и измерение амплитуды преобладающей частоты этого сигнала (выход 1УЬопределение коэффициента затухания акустического сигнала осуществляется в измерителе 1О отношения напряжений (выкод У), входы которого подключены к амплитудным детекторам измерительных каналов А и В. .. . . Устройство обеспечивает также измерение и регистрацию частоты вращения вала турбобура в аналоговой и цифровой форме. С этой целью синусоидальный сигнал с выхода полосового,фильтра i8.1 подается на вход триггера Шмитта 11, который формирует из него поспедоватепьность прямоугольных импульсов, с помощью одновибратора 12 и селектора 13 длительности, подключенных к выходу . триггера Шмитта 11, из этой последовательности выделяются импульсы, длительность которых превышает 2 мс. Это усповие обеспечивает подавление электричеоких помех и сбоев, возникающих при KONfмутации электроустановок на буровой. Сформированная на выходе селектора 13 длительности последовательность импуш сов через. элемент ИЛИ 15 поступает на аналоговый и цифровой блоки измеренв Я частоты. К второму входу элеме|1та ШШ 15 подключен калибратор 14, которой вы- рабатывает им 1ульсный сигнал с частотой jiOO Гц и служит для калибровки аналогового частотомера и проверки работоспособ.Ности 1шфрово1х частотомера. Аналоговый частотомер (АБИЧ) обеопечивает на выходе У1 устройства регистрашпо взмерйемой частоты в адапоговой форме

Цифровой блок измерения частоты (ЦБИЧ) представляет собой цифровой эпектровносчетный частотомер, в котором в течение интервала измерения 1 с, формируемого генератором 20 и делителем 21, в счетчике импульсов 22 регистриpyefcH количество импульсов, прошедших через селектор 19. В интервале между измерениями код хранится в регистре 23 и индицируется на цифровом индикаторе 24. На входе цифрового частотомера включено устройство 18 масштабирования

частотно-импульсного сигнала, которое обеспечивает индикацию частоты вращения вала турбобура в об/мин.

Промысловое опробование устройства на на скважинах с глубиной до 20ОО м подтвердило его эффективность для оперативного контроля процесса бурения. Наличие достоверной информации о работе турбобура и свойствах буримык горных пород на буровой, получаемой с помощью устройства в реальном масштабе времени, позволяет правильно регулировать нагрузку на долото и поддерживать оптимальный режим бурения.

1. УСТРОЙСТВО Для КОНТРОЛЯ ПРОЦЕССОВ БУРЕНИЯ, содержащее датчик линию связи, фильтр низких , {цстивный полосовой фильтр, ак плитудный детектор, а также триггер Шмитта, измеритель отношения напряжений, сетюктор длительности, аналоговый и ци({фовой блоки измерения частоты, гфупвм выходы активных полосовых фильтров каждого канала через амплитудные детекторы соединены с измерителем отношения напряжений, а выход полосового фильтра первого канала соеШшен также с т,риггером Шмитта, отличающееся тем, что, с целыо повышения точности измерения и помехозащищенности устройства, оно снабжено третьим измерительным каналом, содержащим датчик и линию связи, а также одновибратором, элементом ИЛИ, калибратором, двумя усилителями и двумя устройствами -зычитания сигналов, входы каждого из которых подключены к линиям связи первого и третьего и второго и третьего каналов соответственно, а клходы через усилит&пи подсоединены к объединенным входам фильтра низкой.частоты и активного полосового фильтра, кроме того, к выходу (Л триггера Шмитта подключены входы одновибратора и селектора длительности, выход однови то за соединен с вторым входсял селектора длительности, выход которого через элемент ИЛИ соединен с входами аналогового и цифрового блоков измерения частоты, а к второму входу о со о ел элемента ИЛИ подключен калибратор. 2. Устройство по п. 1, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что линия связи в каждом из каналов измерения состоит из 4 9лектроопт1яческогопреобрааоватёля,свето- вода и оптоэлектрйческого преобразователя..