Устройство для определения границ залегания горных пород различной буримости и износа алмазной коронки Советский патент 1984 года по МПК E21B45/00 

Изобретение относится к геологоразведочному бурению, а именно к уст ройствам для оптимизации процесса бу рения. Известно устройство для оптимизмации процесса бурения l. Известно также устройство для определения границ залегания горных по род различной буримости и износа алмазной коронки, содержащее датчики осевой нагрузки и частоты вращения коронки и измеритель глубины скважины, подключенные к измерительным вхо дам блока определения буримости горн породы, выход которого подключен ко входу первого квадратора и первому входу второго сумматора, выходы -кото рых подключены соответственно к первому входу первого сумматора и ко вх ду второго квадратора, выходы которы связаны с входами первого и второго множительных блоков, подключенных ко входам схемы сравнения кодов, один выход которой присоединен к формирователю сигнала Сброс -, подключенном ко вторым входам первого и второго сумматоров и к одному из входов счет чика числа интервалов, выход которого подсоединен ко второму входу первого множительного блока, а другой вход связан с выходом измерителя глубины скважины, подключенным к синхронизирующему входу блока опреде ления буримости горной породы, и индикаторы-сигнализаторы Г2 . Недостатком известного устройства является то, что оно не обеспечивает требуемый ресурс алмазных коронок. Цель изобретения - увеличение ресурса алмазных коронок и сокращение числа аварии и осложнений в процессе бурения. Поставленная цель достигается тем что устройство для определения грани залегания горных пород различной буримости и износа алмазной коронки, содержащее датчики осевой нагрузки и частоты вращения коронки и измеритель глубины скважины, подключенные к измерительным входам бдока определ ния буримости горной породы, выход к торого подключен ко входу первого кв адрато{)а и первому входу второго сумматора, выходы которых подключены соответственно к первому входу первого сумматора и ко входу второго квадратора, вькоды которых связаны с .входами первого и второго множительных блоков, подключенных ко входам схемы сравнения кодов, один выход которой присоединен к формирователю сигнала Сброс, подключенному ко вторым входам первого и второго сумматоров и к одному из входов счеТчика числэ интервалов, выход которого подсоединен ко второму входу первого множительного блока, а другой вход связан с выходом измерителя глубины скважины, подключенным к синхронизирующему входу блока определения буримости горной породы, и индикаторысигнализаторы, снабжено датчиками затрат мощности и давления промьшочной жидкости, блоком уставок, анализаторами механической скорости, затрат мощности и давления промьшочной жидкости, двумя трехвходовыми и тремя четьфехвходовьвда схемами И, причем один выход блока уставок связан с вторым входом второго множительного блока, а два других с соответствующини входами анализаторовj третьи входы которых присоединены к выходу измерителя глубины скважины, а четвертые входы анализаторов механичес- . кой скорости, затрат мощности и давления промывочной жидкости соединены соответственно с выходами измерителя буримости, датчика затрат мощности и датчика давления промьшочной жидкости, пятые их входы связаны с выходом формирователя сигнала Сброс, ВЕ 1ходы анализаторов соединены с входами пяти схем И, причем четвертые входы четырехвходовых схем И присоединены ко второму выходу схемы сравнения кодов, а выходы схем И соединены с входами соответствующих индикаторов-сигнализаторов технологических ситуаций и входом формирователя сигнала Сброс. На чертеже приведена функциональная схема устройства. Устройство для определения границ залегания торных пород различной буримости и износа алмазной коронки содержит осевой нагрузки 1 и частоты вращения коронки 2, измеритель глубины скважины 3, датчики мощности 4 и давления промывочной зкидкости 5, измеритель буримости 6, счетчик числа интервалов 7, квадраторы 8 и 9, умножители 10 и 11, суммат торы 12 и 13,схему сравнения кодов 14 и формирователь 15 сигнала Сброс три анализатора 16-18,три четырехвходовых 19-21 и две трехвходовых 22 и 23 схемы И,индикаторы 24-28 и блок установок 29

В процессе бурения на вход измерителя буримости 6 с датчиков осевой нагрузки 1 и частоты вращения коронки 2 и измерителя глубины 3 поступает в виде цифрового кода информация о бурении. В измерителе буримости происходит вычисление среднего значения механической скорости по величинам дц (величина пробуренного интервала) at (время бурения интервала) и среднего за интервал значения показателя буримости. Измеритель глубина скважины 3 по окончании бурения равных интервалов скважины формирует тактовые импульсы, которые поступают на вход измерителя буримости 6 и счетчик числа интервалов 7. В момент прихода импульса с измерителя глубины скважины информация с измерителя буримости б поступает на входы вычислительных каналов. Первый канал, содержа1цнй квадратор 8, сумматор 13, умножитель 10, производит вычисление правой части неравенства

/ ./N 2 N

(4)(s)-i;«r.

приведенного в описаний устройства, а второй канал, содержащий сумматор 12,.квадратор 9 и умножители 11, производит вычисление левой части этого неравенства. Выходы каналов присоединены к соответствующим входам скемы сравнения кодов 14. При бурении пород с одинаковым показателем буримости величина вычисленного коэффициента вариации не превьппает 0,33, запиC lHHoe неравенство вьшолняется, и синал на выходах схеьа сравнения кодов 14 отсутствует. При изменении показателя буримости породы неравенство нарушается, и на выходах схемь сравнения 14 появляется сигнал, который поступает на входы четырехвходовых схем И 19-21 и формирователя 15 сигн ла Сброс, который генерирует сигна Сброс для приведения всех элементов устройства в исходное состояние.

Одновременно с работой вычислител ных каналов производится работа анализаторов механической скорости 16, затрат мощности t7 и давления промывочной жидкости 18, на входы каждого из которых подаются сигналы от измерителя глубины скважины 3 и блока уставок 29, а также соответственно для каждого от измерителя буримости 6, датчика затрат мощности 4 и датчика давления промывочной жидкости 5. Выходы анализаторов связаны с входами схемы И 19-23, где производится анализ изменения параметров бурения с целью выявления технологической ситуации (соответственно указанные на чертеже ситуации А В , С , ) , Е) . Выходы схем И связаны с соответствующими индикаторами-сирнализаторами технологи ческих ситуаций 24-28 и формироватет лем сигнала Сброс. Один из выходов блока уставок 29 (задается К связан с входом множительного устройства 124 Блок 14 (схема сравнения) проверяет правильность неравенства L I И 2 Ц

K).r,

и в момент, когда оно нарушается, на выходах блока появляется сигнал, в противном случае сигнал отсутствует. Ьлок 2У уставок служит для изменения входных значений, требуемых для работы устройства: коэффициента 5 вариации К , уровня значимости ot , требуемого для работы анализаторов, количества замеров N , по которому определяется среднее значение соответствукщего параметра при работе Q анализатора.

Действия анализаторов (блоки 1618) основаны на том, что контролируемые технологические параметры процесса бурения (механическая скорость проходки, мощность, давление промывочной жидкости) являются случайными, некоторым образом р1&спределенными величинами, на которые воздействуют множество факторов. Поэтому оценить изменение параметров можно только с

0 некоторой вероятностью, задаваемой уровнем значимости критерия. В качестве критерия изменения параметра можно выбрать следующий:.

5UP ,

5

К N,n

где л

4.-)

N

Е

л

а г

- оценка матожидания случайной величины;

ч - текущий номер, поступившего на контроль значения |(

- контролируема случайная величина

N - задаваемый интервал усреднения. Возникает задача выбора порогового эйачения U . Оценим вероятность: P{5UPS Uj , . Проделав преобразования, получаем весьма точную двустороннюю оценку: .UJ P{SUPS,,U}.2P{SUPS.U1 Задаваясь уровнем значимости oL , к торый в данном случае будет предст лять вероятность ложного сообщения изменении контролируемой величины (о(0,05, 0,1; ... - в зависимости требований пользователя), можно .опр делить пороговый уровень из неравен ства: . КгТПТп Это условие будет тем более вьшолн но, если находить U из неравенств 2Р{5„ и5 оС , Воспользовавшись тем, что 5„ /Vn-N слабо сходится к гаусовской величи не (по центральной предельной теор ме) с параметрами (0,6), где 6 .дисперсия случайных величин . - за пишем приближенное неравенство: ,Pl nUHp{t fr Yrrl- WT к e(-x2/26)jx . u/rSniF Поэтому приближенное можно находит и из условия: (. u/dyiviT В качестве оценки &2 накапливается выборочная дисперсия: N J2 1 IP л)2 Зная oL , по таблш ам найдем U/eVn-N отсюда по оценке 6 - непосредстве Ui Ь - номер проверяемого значени .параметра. В связи с указанным критерием алгоритм функционирования анализатора может быть следующим. На входы анализатора поступают от блока уставок 29 цифровое значение уровня значимости критерия at. и цифровое значение интервала усреднения N j значения контролируемого параметра в цифровом коде {в анализатор 16 - значения механической скорости проходки из блока определения показателя буримости 6, в анализатор 17 - значения затрат мощности от датчика затрат мощности 4, в анализатор 18 - значения давления промьшочной жидкости от датчика давления промывочной жидкости 5){ импульсы от измерителя глубины 3 для подсчета количества поступивших ., в анализатор значений контролируемого параметра, сигнал сброса анализатора в начальное состояние в случае появления какой-либо из указанных в описании технологических ситуаций. 2. Алгоритм функционирования: 2.0.Если . 0, то переход на 2.6. 2.1.Определяют среднее значение контролируемого параметра за N замеNров: --1 f N 2.2 Определяют выборочную дисперсию, проведенных замеров: ). 2.3. Из равенства: е -xV dx имея таблицу зависимости U/ Vn-N (нижний предел интегрирования интеграла) от значения ot , которую получаем из таблиц стандартного интеграла вероятностей, определяют величину иМТп-М , а из нее величину порога буримости U . 2.4.Определяют сумму отклонений вновь поступающих значений контролируемого параметра от йайденного среднего значения: -|М2.5.Определяют разность: H.u -|sil если: , то значение па- « аметра не изменилось, Н и, и S О - уменьувеличило.сь шилось. 2.6.Из полученных в 2.5 и 2.0 результатов формируют сигналы на вы-ходе анализатора. 2.7.Возврат на 2,0 в случае появления сигнала Сброс. Устройство работает следующим образом. По мере вычисления показателей буримости, полученных при бурении равных по длине интервалов скважины, рассчитьшается величина коэффициента вариации сначала для двух показателей и сравнивается с пороговой вели.чиной. Если величина коэффициента вариации К меньше допустимой для дан ного закона распределения величины, то к первбначальной выборке, состоящей из двух показателей, присоединяется третий показатель буримости и для новой выборки снова рассчитывается величина коэффициента вариации и сравнивается с допустимой величиной и т.д. Тот показатель, который, будучи присоединенным к выборке, при вел к превьппению величины ее коэффициента вариации допустимого значения равного 0,33, считается граничным, соответствующим породе (интервалу глубины), отличной по буримости от предьщущей. Одновременно анализирует ся поведение других параметров, инфо мирукнцйх о ходе бурения: затрат мощности на бурение, давления промьшочной жидкости, скорости проходки, и п окончании бурения указанных выше равных по длине интервалов скважины. В зависимости от сочетания закономер ностей изменения этих параметров и коэффициента вариации бурильщику выдается информация о возможно имеющих место ситуациях: заполировании алмазов в коронке, смене пород с более твердой на менее твердую и наоборот, переходе матрицы в предприжоговое состояние, самозаклинке керна или при отсутствии сообщений о нормально ходе бурения. Устройство указьгоает не только на факт изменения буримости, но и на причину, вызвавщую это изменения. Не обходимо отметить, что ситуация прижога коронки, например, развивается довольно быстро (45-90 с-) и часто упускается бурильщиком, устройство же предупрезвдает бурильщика с предприжоговой ситуации и позволяет свое 11 временно предотвратить аварию. Информация о других технологических , ситуациях (заполирование алмазов, самозаклинка коронки, смена пород) позволяет оперативно искать наиболее эффективные режимы бурения, либо предпринимать какие-либо иные действия (заточка алмазов, подъем керна и т.д.). Алгоритм функционирования предлагаемого устройства можно описать следующим образом. С датчиком 1 и 2 и измерителя глубины 3 на вход измерителя буримости 6 поступает информация о процессе бурения и происходит вычисление показателя буримости и средней за интервал механической скорости. Информация о показателе буримости поступает на входы вычислительных каналов: в первом, состоящем из квадратора 8, сумматора 13 и з ножителя 10, вычиск51х, (блок 8 вычисляет Х , ляется блок 13 - Х-, ° - искрмое произведение, причем количество поступивших на вход каналов значений показателя буримости поступает на вход блока 10 с выхода счетчика 7). во втором канапе вычисляется выраже/ N 2 X 1 , , канал состоит из квадратора 9 сумматора V/M Y и умножителя 11, причем К V/ поступает на вход этого блока от блока уставок 29. В схеме сравнения кодов 14 проверяется правильность неравенства:rV V I .. Если оно верно, то сигнал на выходе схемы отсутствует, т.е-, бурение производится в породе прежней буримости, и в каналах продолжается вычисление обеих частей неравенства. Нарущение неравенства означает смену пород, и на выходах схемы 14 появляется сигнал. С одного из выходов этот сигнал поступает на четвертые входы трехвходовых схем И, с другого - на вход формирователя сигнала Сброс, который генерирует сигнал, приводящий элементы устройства в начальное состояние: сумматоры 12 и 13, счетчик числа интервалов 7, анализаторы 16-18. Одновременно с работой вычислительных каналов по уже описанному ранее алгоритму функционируют анализаторы 16-17 сигналы с которых поступают на три входа схем И 19-23, в которых производитсяанализ технологической ситуации в соответствии с представленными в описании изобретения формулами, и в зависимости от ситуации А, В, С,D или. Е появляются сигналы на выходах соответствую1чих схем И, которые инициируют появление информации о ситуации на индикаторах-сигнализаторах 2428. Выходы схем И связаны также с входом формирователя сигнала Сброс, дсоторый, тем самым, после выявления ситуации приводит элементы устройства в начальное состояние.

Устройство постоянно ведет контрольза поступающими технологическими параметрами о процессе бурения и на основе их анализа выявляет и высвечивает указанные ранее технологические ситуации, причем в случае выявления технологической ситуации устройство приводится в начальное состояние.

Алгоритм и принцип работы устройства реализован в виде программы на микро-ЭВМ Электроника С5-02 и Электроника С5-12. Применение устройства позволяет не только выявить момент смены буримости пород, но и указывает конкретную причину этого (смена на ;более или менее твердую породу, заполирование алмазов в коронке), а также указывает на такие технологические

ситуации, как предприжоговая и самоздклинка керна. Своевременное выявление предприжоговой ситуации ведет к снижению числа аварий; бурение коронг, кой с постоянно заточенньми алмазами за счет опера ивного выявления их заполирования увеличивает скорость проходки; указание направления смены пород облегчает поиск нового эффективного режима бурения и т.д. Все это в конечном счете приводит к росту производительности труда при бурении и снижению себестоимости бурения.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГРАНИЦ ЗАЛЕГАНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД РАЗЛИЧНОЙ БУРИМОСТИ И ИЗНОСА АЛМАЗНОЙ КОРОНКИ, содержащее датчики осевой «агруэки и частоты вращения коронки и измеритель глубины скважины, подключенные к измерительным входам блока определения буримости горной породы, выход которого подключен, ко входу первого квадратора и первому входу второго сумматора, выходы которых подключены соответственно к первому входу первого сумматора и ко входу второго квадратора, выходы которых связаны с входами первого и второго множительньк блоков, подключенных ко входам схемы сравнения кодов, один выход которой присоединен к формирователю сигнала Сброс, подключенному ко вторым входам первого и второго сумматоров и к одному из входов счетчика числа интервалов, выход которого подсоединен ко второму входу первого множительного блока. а другой вход связан с выходом измери теля глубины скважины, подключенным к . синхронизирующему входу блока определения буримости горной породы, и индикаторы-сигнализаторы, отличающееся тем, что, с целью увеличения ресурса алмазных коронок и со- ; кращения числа аварий и осложнений в процессе бурения, оно снабжено датчиками затрат мощности и давления промывочной жидкости, блоком уставок, анализаторами, механической скорости, затрат мощности и давления промывочной жидкости, двумя трехвходовыми и тремя четырехвходовьв 1И схемами И, причем один выход блока уставок связан с вторым входом второго множительного блока, а два других - : соответствукицими входами анализаторов, третьи входы которых присоединены к . выходу измерителя глубины скважины, а четвертые входы анализаторов механической скорости, затрат мощности и давления промывочной жидкости соедиэ нены соответственно с выходами измеt рителя буримости, датчика затрат мощности и датчика давления промывочной JD № жидкости, пятые их входы связаны с выходом фOp шpoвaтeля сигнала Сброс, выходы анализаторов соединены с входами пяти схем И, причем четвертые входы четырехвходовых схем И присоединены ко второму выходу схемы сравнения кодов, а выходы схем И соединены с входами соответствующих индикаторовсигнализаторов технологических ситуаций и входом формирователя сигнала Сброс.