Устройство для измерения углубления долота при бурении глубоких скважин Советский патент 1983 года по МПК E21B45/00 

Изобретение относится к автомати зации процесса бурения глубоких скв жин и может быть использовано дая и мерения текущего углубления долота в процессе бурения. Известны устройства для определе ния проходки по перемещению верхнег конца колонны бурильных труб, содер жащие в качестве датчика подачи сел син, механически связанный с помощь мерного ролика с одним из шкивов крон-блока, а также сельсин-приемни дистанционно связанный с сельсиномдатчиком, преобразующим электрический сигнал в угол повороти вала измерительного механизма Недостаток устройства заключается в наличии фрикционной передачи, снижающей надежность получения ий-формации. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для измерения углубления долота при бурении глубоких скважин содержащее датчик веса, соединенный через первый ключевой эл,емент, с входом первогоблока памяти, датчик оборотов, соединенный с устройством ручного ввода, выход которого подключен к распределителю импульсов, триггер, счетчик импульсов,бло сравнения кодов, блоки памяти,элементы И, блок вычитания и сложения, регистры 2. Общий недостаток всех известных. устройств для измерения проходки, принцип действия которых основан на измерении перемещений верхнего конца бурильной колонны, заключается в том, что скорости перемещения нижнего и верхнего концов колонны отличаются друг от друга из-за упру гой деформации бурильной колонны. Указанное устройство обладает недостаточно точностью. Целью изобретения является повышение точности измерения устройства за счет учета разницы в скоростях верхнего и нижнего концов колонны. Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения углубления долота при бурении глубоких скажин, содержащее дат.чик вес соединенный через первый ключевой элемент с входом первого блока памяти, блок вычитания, счетчик импул сов и второй блок памяти, введены блок синхронизации, одновибраторы, блок умножения, блок задания параметров колонны, второй и третий клю чевые элементы, аналого-цифровой преобразователь и.индикатор, причем один из выходов блока синхронизации подключен к управляющему входу второго ключевого элемента непосредственно и через первый одновибратор к управляющему входу первого ключевого элемента и к обнуляющему входу второго блока памяти,другой выход блока.синхронизации через второй одновибратор подключен к обнуляющему входу первого блока памяти и к управляющему входу третьего ключевого элемента, выход первого блока памяти соединен с первым входом блока вычитания, второй вход которого соединен с выходом датчика веса, выход блока вычитания соединен с одним из входов блока умножения, другой вход которого соединен с выходом блока задания параметров колонны, выход умножителя соединен с информационным входом второго ключевого элемента,выход которого через аналого-цифровой преобразователь соединен с входом второго блока памяти, выход которого подключен к индикатору и к информационному входу третьего ключевого элемента, выход которого соединен с входом счетчика импульсов. На фиг. 1 представлена блок-схема устройства; на фиг. 2 - диаграмма измерения веса инструмента. Устройство содержит датчик 1 веса, блок 2 синхронизации, выполненный в виде органа управления подачей бурового инструмента, первый ключевой элемент 3, одновибраторы 4 и 5, первый блок б памяти, блок 7 вычитания, блок 8 умножения, блок 9 задания параметров колонны, второй ключевой элемент 10, аналого-цифровой преобразователь 11, второй блок 12 памяти, третий ключевой .элемент 13, счетчик 14 импульсов и индикатор 15. Блок 2; синхронизации представляет собой контакты реле органа управления подачей бурового инструмента. В основу работы устройства заложено известное соотношение .h., Ahg - элементарное перемещение верхнего конца колонны бурильных труб; 4hj - перемещение нижнего конца колонны (углубление долота); Е, F соответственно модуль упругости материала труб и площадь.поперечного сечения колонны; длина колонны перед нагружением;Зсщаваемое изменение величины осевой нагрузки. При релейном режиме поддержания выбранной величины осевой нагрузки uQ(t) существует область отклонения параметра iQ(t), назовем ее ЛР, из которой данный параметр не выходит. Релейный режим поддержания величины осевой нагрузки состоит из двух этапов. Первый этап - нагружение долота и процесс разбуривания на ве личину, например ДР, при этом в фор муле (1) в левой ее части присутству ют оба слагаемых в этот период устройство не реги стрирует изменение осевой нагрузки. Второй этап - разбуривание с остано ленной подачей, когда 4 в Р этом (1) примет вид , В этот период регистрируется изм некие осевой нагрузки, По формуле ( в предлагаемом устройстве происходи обработка параметра - величины изме не Ни я осевой нагрузки АР - с целью получения значения элементарного углубления долота лНц. Алгоритм функционирования предла гаемого устройства H. biE:. где ЛР, - величина изменения осевой нагрузки за период разбур вания с заторможенной по дачей . Датчик 1 веса служит для получени информации о текущем весе бурового инструмента Q(t), реле органа управ ления подачей бурового инструмента 2 служит для синхронизации работы устройства с циклами подачи бурового инструмента и разбуривания с остано ленной подачей. Первым ключевым элементом 3 в момент останова подачи бурового инструмента заносят мгновенное значение текущего веса инструмента, равное Q(t) Q,-yB первый блок б памяти. Первый одновибратор 4 управляет работой первого ключевого элемента -3 и служит для обнуления содержимого второго блока 12 памяти, в котором регистрируется измеряемое значение проходки долота в цифровой форме, с одновременной индикацией в индикатор 15. Блок 7 вычитания служит для выделения текущего значения aij{t) в соответ- . ствии с формулой dQ(t) Q(t) - йф где Qtf, - фиксированное значение веса инструмента, хранящееся в блоке 6 памяти. Блок 8 умножения производит операцию умножения Q(t) С h(t), где С - коэффициент, зависящий от параметров колонны; h(t) текущее углубление долота. Блок 9 задания параметров колонны имеет несколько установок регулирования выходного сигнала в функции глубины забоя. Второй ключевой элемент 10 управляется с помощью сигнала, поступающего с первого выходного контакта реле органа управления подачей бурового инструмента и.соединяет выход блока 8 умножения. с входом аналого-цифрового преобразователя 11. Второй одновибратор 5 служит для управления работой третьего ключевого элe 4eнтa 13 и обнуления первого блока 6 памяти, счетчик 14 импульсов служит для накопления информации о проходке за период .одного рейса долота. Необходимом условием работы устройства является релейный режим подДержания выбранной велич:ины осевой нагрузки на долото в процессе бур ения, который.может осуществляться jwfia вручную, либо автоматически, например с помощью СЕМ. В период осуществления подачи переключающий контакт реле органа управления подачей бурового инструмента замкнут на второй выходной контакт и подает управляющий сигнаш на свою вторую выходную шину. Этот сигнал запускает второй одновибратор 5,выходной импульс которого обнуляет содержимое первого блока б памяти и кратковременным открытием третьего ключевого элемента 13 переписывает содержимое второго блока 12 памяти, которое в начальный момент работы устройства должно быть равным нулю, в счетчик 14 импульсов. В дальнейшем, в течение всегопериода нагружения, в устройстве не происходит никаких изменений. В момент прекращения подачи бурового инструмента в скважину, например при значении веса инструмента Qj, верхний конец бурильной колонны затормаживается, при этом непрерывно происходит разбуривание забоя, в результате которого вес инструмента начинает увеличиваться. Затормаживание подачи бурового инструмента вызывает переключение контактов реле органа управления подачей бурового инструмента, в результате которого сигнал появится на его первой выходной шине, а на второй выходной шине сигнал исчезнет. Сигнал управления с первой выходной шины реле органа управления подачей бурового инструмента открывает -второй ключевой элемент 10, и, одновременно, поступает на вход первого одновйбратора 4, который своим выходным импульсом обнуляет содержимое второго блока 12 памяти, и кратковременным открытием ключевого элемента 3, записывает мгновенное значение текущего веса инструмента (в данном случае Q,) в первый блок б памяти. На протяжении всего периода разбуривания с заторможенной подачей происходит увеличение веса инструмента, при этом на второй вход блока

7 вычитания, поступает сигнал текущего веса инструмента Q(t), а на первый вход - фиксированное значение веса инструмента,равное i На выходе блока 7 вычитания формируется сигнал, пропорциональный /3Q(t) .fQ(t), - Q2, сигнал 4Q(t) поступает на первый вход блока 8 умножения на второй вход которого подается сигнал от блока 9 задания параметров колонны, пропорциональный С, На выходе блока умножения 8 формируется сигнал, пропорциональный .ДН( t) с /iQ(t)

С -.

где L - длина бурильной колонны; Е - модуль упругости материала

труб; Р - площадь поперечного сечения

колонны.

Через открытый ключевой элемент. 10 сигнал, пропорциональный Ah(t), поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 11, на выходе которого формируется кодовая комбинация .представляющая величину .Ah(t) в дискретной форме, в соответствии с выбранным уровнем квантования.Кодова комбинация поступает в блок 12 памяти в котором запоминается максимальное значение входного сигнала, а с выхода второго блока 12 памяти подается в индикатор 15, служащий для визу-альной оценки величины проходки.

По достижении весом инструмента некоторого значения осуществляют : оттормаживание буровой колонны, а цикл нагружения до следующей произвольной величины Q Qj повторяется .

Возрастание веса инструмента преращается и сменяется процессом его уменьшения, т.е. разгрузкой части веса колонны бурильных труб на забо

В связи с этим происходит смена рабочего состояния выходных шин рел органа управления подачей бурового инструмента: выходной сигналпереключается с первой выходной шины на вторую/ в результате чего срабатывает второй одновибратор 5 и свойм выходным импульсом обнуляет содержимое первого блока 6 памяти, а посредством ключевого элемента 13 заносит содержимое второго блока 12 памяти в счетчик 14 импульсов. Второй ключевой элемент 10 закрыт в течение йсего цикла подачи инструмента. В счетчике 14 импульсов происходит накопление информации о проходке в соответствии с формулой N

Н П ль, (t: ),

Ы ,

где h-( ) - элементарная проходка за i-й период разбуривания с заторможенной подачей.

Необходимым условием надежной работы устройства, при турбинном способе бурения, я&ляется постоянное проворачивание бурильной колонны с целью исключения прилипания последней к стенкам скважины.

Работа предлагаемого устройства основана на косвенном измерении величины текущего углубления долота по величине изменения веса инструмента, что делает ненужным специальный датчик проходки, следовательно упрощается измерительная система возрастает ее надежность.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛУБЛЕНИЯ ДОЛОТА ПРИ БУРЕНИИ ГЛУБОКИХ СКВАЖИН, содержащее датчик веса, соединенный через первый ключевой элемент с входом первого блока памяти, блок вычитания, счетчик импульсов и второй блок памяти, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введены блок синхрони1зации, одновибраторч, блок умножения, блок задания параметров колонна, второй и третий ключевые элементы, аналого-цифровой преобразователь и индикатор, причем один из выходов блока синхронизации подключен , к управляющему входу второго ключевого элемента непосредственно и через первый одновибратор к управляю1цему входу первого ключевого элемента и к обнуляющему входу второго блока памяти, другой выход блок синхрониза-. ции через второй одновибратор подключен к обнуляющему входу первого блока памяти и к управляющему входу третьего ключевого элемента, выход первого блока памяти соединен с первым входом блока вычитания, второй вход которого соединен с выходом датчика веса, выход блока вычитания coe-jg динен с одним из входов блока умно(Л жения, другой вход которого соединен с выходом блока задания параметров колонны, выход умножителя соединен с информационным- входом второго клю чевого элемента, выход которого че-рез аналого-цифровой преобразователь соединен с вхоДом второго блока памяти, выход которого подключен к 4 индуктору и к информационному входу третьего ключевого элемента, выход которого соединен с входом счетчика импульсов. Ю О)

.