Устройство для контроля частоты вращения вала турбобура Советский патент 1984 года по МПК E21B45/00 

110 Изобретение относится к телеконт ролю забойных параметров в процессе турбинного бурения нефтяных и газовых скважин. Известен низкочастотный гидротурботахометр, содержащий редуцирующее устройство, клапанное устрой ство (преобразователь давления), усилитель, фильтр, пересчетное устройство и регристратор или указател оборотов 11 1 Недостатками данного устройства являются сложность, обусловленная наличием в таходатчике редуктора и гидравлического усилителя для получения гидроимпудьсов в низкочастотном диапазоне, и низкая помехоустойчивость при контроле частоты вращения вала турбобура на больших глу бинах, когда уровень помех в гидравлическом канале на устье скважин прёвьшает уровень полезного сигнала в заданном диапазоне частот. Наиболее близким к предлагаемому является устройство для непрерывног контроля оборотов вала турбобура, содержащее датчик числа оборотов, в котором диски пяты турбобура снабжены выступами, периодически перекр вающими потоку промывочной жидкости направляемой через проходные отверстия подпятника для создания импуль сов давления, частота которых воспринимается на поверхности прием,НИКОМ и узкополосным фильтром 123. Недостатками известного устройства является небольшая глубина контроля частоты вращения вала турбобура. Это обусловлено тем, что на забое амплитуда сигнала забойног датчика не может превышать определенной величины (20-40 кГ/см), так как дальнейшее увеличение перепада давления отрицательно сказывается на работе турбобура. В то же время, для надежного вьщеления частотномодулированного сигнала датчика необходимо, чтобы его амплитуда на приеме превьш1ала амплитуду помех в полосе частот передаваемого сигнала не менее, чем в 2 раза. При указанной амплитуде сигналов забойного датчика и коэффициенте затухания сигналов в гидравлическом канал связи 1 дБ/км известное устройство обеспечивает контроль частоты враще ния вала турбобура на глубинах до 1-2 км. Цель изобретения - увеличение дальности передачи показаний. Поставленная цель достигается тем, что устройство, содержащее глубинный датчик, состоящий из ротора и статора с отверстиями, гидравлический канал связи, преобразователь давления, измеритель частоты, выход которого подключен к входу регистрирующего устройства, снабжено аналого-цифровым преобразователем, вычислителем структурной функции cHrHaj a, включающим многокаскадный регистр сдвига, синхронизатор,- логический элемент -ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, формирователь последовательности нечетных чисел и накопитель в каждом канале, при этом первый выход синхронизатора соединен с синхро-входом аналого-цифрового преобразователя, информационный вход которого подключен к преобразователю давления, а выход соединен с входом первого каскада многокаскадного регистра сдвига, сдвиговые входы каждого каскада которого подключены к второму выходу синхронизатора, а выходы каждого каскада регистра соединены с первыми входами элементов ИСКЛЮЧАЩЕЕ ШШ, вторые входы последних- соединены с выходом аналого-цифрового преобразователя, причем выходы элементов ИСКЛЮЧАЩЕЕ ШШ соединены с формирователями последовательности нечетных чисел, входы синхронизатора и выходы через накопители соединены с входами измерителя частоты, а отверстия в статоре глубинного датчика размещены по законуМ-сигнала. На фиг. 1 представлена структурная схема устройства, содержащего глубинный гидравлический таходатчик 1, гидравлический канал связи 2, преобразователь давления 3, аналого-цифровой преобразователь 4, вычилитель структурной функции 5, синхронизатор 6, многокаскадный регистр сдвига 7 (каскады ), элементы ИСКЛОЧАЮЩЕЕ ИЛИ 8-,-8, формирователи последовательности нечетных чисел 9-1-9т, накопители ,измеритель частоты впадин структурной функции 1 Т. На фиг. 2 изображены статора и ротора турбобура, который является генератором гидравлических импульсов в виде 3 лл-сигнала, представляющего собой импульсную последовательность сиг налов, например типа 1110100, кото рая имеет двухуровневую автокорреляционную функцию, На фиг. За-Зе представлены соот ветственно разверткам-сигнала на интервале одного оборота вала турбобура (а)j структурная функция, ;соответствующаяМ-сигналу (б), реа лизация помехи в гидравлическом канале (в), структурная функция помехи (г), реализация суммы М-сиг нала и помехи (д) , структурная функция на выходе приемника (е). Устройство работает следующим образом. При вращении турбобура ротор таходатчика 1 перекрывает отверсти в статоре, что приводит к возникно вению пульсаций гидравлического давления в виде М-сигнала в канале связи 2. На устье скважины пульсации давления воспринимаются преобразователем давления 3 и преобразуются с помощью аналого-цифрового преобразователя 4 в цифровой унитарный код X-(t), который поступает в вычислитель структурной функции 5, реализующий зависимость Cx,..(t)-x-(t+42 Так как автокорреляционная функция М-сигнала является периодической Э а структурная функция, являющаяся зеркальным отражением автокорреляционной функции, также периодичн то частота впадин структурной функ ции на выходе устройства 5 будет соответствовать частоте вращения вала турбобура на забое. Вычислитель структурной функции работает следующим образом. Значения мгновенной амплитуды сигнала пульсаций давления P(t) после их преобразования преобразователем давления 3 в аналоговую величину 4(t) поступает на вход ан лого-цифрового преобразователя 4. Процесс вычисления структурной функции происходит за n тактов измерений. В начале каждого такта изменения на первом выходе синхро- низатора б формируется короткий импульс, по фронту нарастания кото 54 рого происходит предустановка всех триггеров (не показаны) последовательности нечетных чисел 9-,- 9 в единичное состояние, а по фронту спада - запуск преобразователя аналог - код 4. Одновременно с этим на втором выходе синхронизатора 6 вырабатывается последовательность импульсов, которая действует на всем протяжении такта измерения, тактируя сдвиги в многокаскадном регистре 7, а также работу формирователя нечетных чисел (последняя связь на схеме не показана) . В процессе измерения с выхода преобразователя аналог-код 4 синхронно с тактовыми импульсами на первые входы элементов и первый выход первого каскада регистра 7/. поступает унитарный код отсчета .мгновенного значения амплитуды сигнала пульсаций давления. При этом в каждом канале на выходе элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ получается число имп.ульсов, равное абсолютной разности между текущим и хранимым в J-OM каскаде регистра сдвига 7 значением входного случайного.процесса. По каждому импульсу, поступающему на вход формирователя 9|, в нем происходит счет нечетных чисел и передача их кодов в накопитель 10, где коды нечетных чисел складываются с ранее полученной суммой. Таким образом, в такте измерения предлагаемое устройство обеспечивает одновременное выполнение операций получения абсолютных разностей отсчетов, сдвинутых во времени в каждом канале, суммирование в накопителях квадратов этих разностей и сдвиг информации в многокаскадном регистре сдвига 7. Формирователь кодов нечетных чисел реализуется на базе суммирующего двоичного счетчика. Причем получение последовательности нечетных чисел обеспечивается предуста- . НОНКОЙ всех триггеров счетчика в единичное состояние и подключение выхода соответствующего сдвигового регистра к входу второго триггера счетчика. После тактов измерений свыходных зажимов накопителей 10 коды точек структурной функции

поступают в измеритель частоты впадин 11 структурной функции, который может быть реализован с помощью мультиплексора, цифро-аналогового преобразователя и аналоговой схемы определения минимального значения.

Б процессе вычисления структурной функции в устройстве 4 происходит цифровая фильтрация помех в широком диапазоне частот, при этом обеспечивается выделение полезного сигнала в гидравлическом канале связи на фоне помех, превы-шающих уровень полезного сигнала.

Кроме того, дальность передачи показаний увеличивается при накоплении точек структурной функции за счет некоррелированных помех и хороших корреляционных свойств М сигнала. Применение вычислителя структурно функции на приеме аналогично корреляционному приемнику обеспечивает выделение сигнала на фоне помех, превышающих уровень сигнала в ZNpas где N - число накоплений структурной функции, поэтому минимальная амплитуда сигнала в точке приема, необходимая для его выделения на фоне помех, равна:

Itnin 5N - N Г.кГ/см Ь

где Аи А - амплитуды -сигнала и помехи в точке приема соответственно

Предельная глубина контроля часто вращения вала турбобура рассчитьшается по формуле (1):

1 I In -А2

,х ,

где fb - коэффициент затухания сигнала,

А- - амплитуда сигнала на забое, и для предложенного устрой ства составит в зависимости от N 1-10: 1 40 1- - In - 3,7 км.,

|пЬХ

1

1 bn«x/N.MO 10 ; ,1Скм} Таким образом, по сравнению с известными устройствами предлагаемое устройство обеспечивает повьшение глубины контроля частоты вращения вала турбобура в раза при существенном упрощении забойного датчика.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ ВАЛА ТУРБОБУРА, содержащее глубинный датчик, состоящий из ротора и статора с отверстиями, гидравлический канал связи, преобразователь давления, измеритель частоты, выход которого подключен к входу регистрирующего устройства, отличающееся тем, что, с целью увеличения дальности передачи показаний, оно снабжено аналого-цифровым преобразователем, вычислителем структурной . функции сигнала, включающим многокаскадный регистр сдвига, синхронизатор, логический элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, формирователь последовательности нечетных чисел и накопитель в каждом канале, при этом первый выход синхронизатора соединен с синхровходом аналогоцифрового преобразователя, информационный вход которого подключен к преобразователю давления, а выход соединен с входом первого каскада многокаскадного регистра сдвига, сдвиговые входы каждого каскада i которого подключены к второму выходу синхронизатора, а выходы каждого каскада регистра сдвлга соединены с первыми входами элементов С ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, вторые входы последних соединены с выходом аналогоцифрового преобразователя, причем выходы элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ соединены с формирователями последовательности нечетных чисел, входы О 00 синхронизатора и выходы через накопители соединены с входами измерио: теля частоты, а отверстия в статоре глубинного датчика размещены по законуЛ -сигнала. со СП