Устройство для акустических исследований скважин в процессе бурения Советский патент 1984 года по МПК E21B45/00 

Изобретение относится к исследованиям акустических свойств горных пород в процессе бурения и может быть использовано для телеконтроля забойных параметров в процессе турбинного бурения нефтяных и газовых скважин. Известно устройство для анализа спектра вибраций в скважине, состоящее из датчика вибраций, установленного на бурильной колонне, полосового фильтра, пикового детектора, компаратора, коммутатора и усилителя 1. Недостатком данного устройства является низкая точность литологического расчленения разреза скважины. Известно устройство для контроля частоты вращения турбобура, содержащее вибропреобразователь, усилитель, подключенный к фильтрам высокой и низкой частоты, выходы которых соединены с входами частомеров высоких и низких частот и входами блока деления, индикатор, амплитудный дискриминатор, блок задержки, блок сравнения, функциональный преобразователь, блок памяти и анализатор информации. В данной установке для повышения точности контроля учитываются изменения в процессе бурения конфигурации забоя и степени износа сооружения долота 2. Недостатками указанного устройства являются низкая точность и разрешающая способность литологического расчленения разреза исследуемой скважины, обусловленные прямым методом измерения упругих колебаний и влиянием на результаты измерений передаточных характеристик колонны бурильных труб и буровых насосов. Наиболее близким к предлагаемому является устройство для акустических исследований скважин в процессе бурения, содержащее расположенные в каждом из трех каналов А, Б и В датчик и линию связи, соединенные последовательно, в каждом из каналов А и Б - блок вычитания, усилитель, блок выделения первой гармоники, амплитудный детектор и триггер Шмитта, причем выходы линий связи каналов А и В и Б и В подключены к входам блоков вычитания каналов А и Б соответственно, к выходам блоков вычитания последовательно подключены усилитель и блок выделения первой гармоники, к выходу блока выделения первой гармоники параллельно подсоединены амплитудный детектор и триггер Шмитта, выход амплитудного детектора подсоединен к измерителю отношения напряжений, выход триггера Шмитта канала Б соединен с первым входом блока временного сдвига, выход триггера Шмитта канала А параллельно подсоединен к входу одновибратора, первому входу селектора длительности и второму входу блока временного сдвига, выход одновибратора соединен с вторым входом селектора длительности, выход селектора длительности соединен с первым входом элемента ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом калибратора, а выход параллельно подключен к блоку масштабных коэффициентов и аналоговому блоку измерения частоты, состоящему из формирователя импульсов калиброванной длительности и интегратора, выход формирователя соединен с входом интегратора, выход блока масщтабных коэффициентов подсоединен к цифровому блоку измерения частоты, включающему соединенные последовательно генератор, делитель частоты, формирователь временного окна, счетчик, буферный регистр памяти и индикатор 3. Однако известное устройство характеризуется недостаточно высокой точностью, обусловленной тем, что напряжение на выходе активных полосовых фильтров при частоте сигнала, не равной резонансной частоте, отличается от действительного значения сигналов. Цель изобретения - повышение точности и качества исследований. Ноставленная цель достигается тем, что устройство для акустических исследований скважин в процессе бурения, содержащее расположенные в каждом из трех каналов А, Б и В датчик и линию связи, соединенные последовательно, в каждом из каналов А и Б - блок вычитания, усилитело, блок выделения первой гармоники, амплитудный детектор и триггер Шмитта, причем выходы линий связи каналов А и В и Б и В подключены к входам блоков вычитания каналов А и Б соответственно, к выходам блоков вычитания последовательно подключены усилитель и блок выделения первой гармоники, к выходу блока выделения первой гармоники параллельно подсоединены амплитудный детектор и триггер Шмитта, выход амплитудного детектора подсоединен к измерителю отношения напряжений, выход триггера Шмитта канала Б соединен с первым входом блока временного сдвига, выход триггера Шмитта канала А параллельно подсоединен к входу одновибратора, первому входу селектора длительности и второму входу блока временного сдвига, выход одновибратора соединен с вторым входом селектора длительности, выход селектора длительности соединен с первым входом элемента ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом калибратора, а выход параллельно подключен к блоку масщтабных коэффициентов и аналоговому блоку измерения частоты, выход блока масштабных коэффициентов подсоединен к цифровому блоку измерения частоты, снабжено линией автоматической настройки на резонансную частоту, состоящей из одновибратора, аналого-цифрового преобразователя, буферного регистра памяти, цифроаналогового преобразователя и двух

преобразователей напряжение - сопротивление, причем одновибратор, аналого-цифровой преобразователь через управляющий вход, буферный регистр памяти, цифроаналоговый преобразователь соединены последовательно, к выходу цифро-аналогового преобразователя параллельно подключены входы двух преобразователей напряжениесопротивление, выходы которых подсоединены к блокам выделения первой гармоники каналов А и Б, каждый к соответствующему каналу, вход одновибратора, подключен к выходу селектора длительности, а выход интегратора соединен с другим входом аналого-цифрового преобразователя.

На чертеже изображена функциональная схема устройства для акустических исследований скважин в процессе бурения.

Функциональная схема предлагаемого устройства разделена на три измерительных канала А, Б и В. Канал А служит для выделения на фоне помех, обработки и регистрации информационного сигнала, поступающего с забоя скважины по бурильной колонне, канал Б - для выделения на фоне помех, обработки и регистрации информационного сигнала, поступающего с забоя скважины по горным породам, а канал В - для выделения и устранения сигнала, поступающего от буровых насосов.

Канал А регистрирует щирокополосный сигнал (выход I), амплитуду сигнала преобладающей частоты (выход II), преобладающую частоту сигнала в аналоговой форме (выход III) ив цифровой форме на цифровом индикаторе. Канал Б регистрирует щирокополосный сигнал, приходящий по горным породам (выход IV), и амплитуду преобладающей частоты сигнала (выход V).

Одновременно регистрируется коэффициент затухания и временной сдвиг между каналом В и А.

Поскольку схемы каналов идентичны в соответствующей части, описывается схема только одного канала.

Выход датчика 1 соединен с входом линии 1 связи. Линия передачи сигнала состоит из последовательно подсоединенных друг к другу электрооптического преобразователя 2, световода 3 и оптоэлектрического преобразователя 4.

Выход линии 1 связи подсоединен к первому входу блока 5 вычитания, второй вход которого соединен с выходом линии I связи канала В. Выход блока 5 вычитания соединен с входом усилителя 6, имеющего коэффициент усиления 1, 10, 100, 1000, 10000. Выход усилителя 6 соединен с входами фильтра 7 низких частот и блока 8 выделения первой гармоники (активного полосового фильтра) . Фильтр 7 низких частот имеет полосу пропускания 10000 Гц. Блок выделения первой гармоники имеет полосу пропускания 10 Гц на уровне 0,7 и может плавно настраиваться на частоту в диапазоне 15-150 Гц.

Выход блока 8 выделения первой гармоники соединен через амплитудный детектор 9 с первым входом измерителя 10 отнощения напряжений и с входом триггера Шмитта 11.

Выходы триггеров Шмитта 11 и 1 I каналов А и Б соединены с входами блока 12 временного сдвига.

Выход триггера Шмитта 11 канала А соединен также с входом одновибратора 13

и первым входом селектора 14 длительности, на второй вход которого поступает сигнал с выхода одновибратора 13. Выход селектора 14 длительности соединен с первым входом элемента ИЛИ 15, к второму входу которого подключен калибратор 16. Выход

5 элемента ИЛИ 15 параллельно подключен к входам блока 17 масштабных коэффициентов и формирователя 18 импульсов калиброванной длительности. Выход формирователя 18 импульсов калиброванной длнтельQ ности подсоединен к интегратору 19.

Выход блока 17 масштабных коэффициентов соединен с первым входом формирователя 20 временного окна, второй вход которого через делитель 21 частоты соединен с генератором 22. К выходу формирователя

5 20 временного окна последовательно подключены счетчик 23, буферный регистр 24 памяти и индикатор 25.

Формирователь 18 импульсов калиброванной длительности и интегратор 19 составляют аналоговый блок И измерения частоты.

Формирователь 20 временного окна, делитель 21 частоты, генератор 22, счетчик 23 буферный регистр 24 памяти и индикатор 25 составляют цифровой блок III измерения частоты.

Кроме того, в схему введена линия автоматической настройки на резонансную частоту, для чего выход интегратора 19 соединен с входом аналого-цифрового преобразователя 26 (АЦП), управляющий вход которого соединен с выходом одновибратора 27

Вход одновибратора 27 связан с выходом селектора 14 длительности. Выход АЦП 26 соединен с входом второго буферного регистра 28 памяти. Выход буферного регистра 28 памяти связан с входом цифроаналогового преобразователя 29 (ЦАП). К выхо ду ЦАП параллельно подключены два преобразователя 30 и 30напряжение-сопротивление, выходы которых подсоединены к вторым входам полосовых фильтров 8 и 8 каналов А и Б соответственно.

Устройство (канал А) работает следующим образом.

Акустические сигналы принимаются датчиком 1 и преобразуются в электрические, а затем при по.мощи электрооптического преобразователя 2 - в оптические. Оптические

5 сигналы в виде инфракрасного излучения по световоду 3 передаются оптоэлектрическому преобразователю 4. С выходов оптоэлектрических преобразователей 4 и 4 каналов А

и В сигналы поступают на вход блока b вычитания, где определяется разность между ними. Таким образом, на выходе блока вычитания получается сигнал, свободный от влияния колебаний, возникающих при работе буров| 1х насосов, который затем усиливается до нужного уровня и отфильтровывается фильтрами 7 низких частот и активными иолосовыми фильтрами 8. Фильтр низких частот выделяет и усиливает сигнал на фоне высокочастотных помех.

На второй вход активного полосового фильтра 8 поступает сигнал с преобразователя 30 напряжение-сопротивление линии автоматической настройки, который позволяет настраивать активные полосовые фильтры 8 на резонансную частоту предыдущего измерения. В результате сигнал на выходе полосовых фильтров 8 в некотором приближении можно считать пропорциональным автокорреляционному сигналу.

Затем сигнал поступает на вход амплитудного детектора 9. А.мплитудные детекторы определяют амплитуду преобладающего сигнала и передают на вход измерителя 10 отношения напряжений. Измеритель 10 отнощения напряжений определяет коэффициент затухания сигналов о( , как величину отношения амплитуд преобладающих сигналов по двум каналам А и Б

ОС K-gf-,

где Ui -амплитуда преобладающего сигнала канала А;

Uj - амплитуда преобладающего сигнала канала Б.

С выхода полосового фильтра сигнал поступает также на вход триггера Шмитта 11. Триггер Шмитта 11 преобразует поступающий сигнал в сигнал, совместипыйс уровнем ТТЛ-логики.

Сигнал с выхода триггера Шмитта 11 поступает на вход блока 12 измерения временного сдвига, одновибратора 13 и селектора 14 длительности. Одновибратор 13 вырабатывает импульсы длительностью 2мс, которые поступают на второй вход селектора 14 длительности. Селектор 14 длительности выделяет полезный сигнал, длительность которого превыщает 2 мс, что позволяет не учитывать электрические помехи, сбои по цепям питания, возникающие при включении и отключении электродвигателей, насосов, компрессоров и т.д. С выхода селектора 14 длительности сигнал поступает на первый вход элемента ИЛИ 15 и вход одновибратора 27. На второй вход элемента ИЛИ 15 поступает сигнал с калибратора 16. Калибратор вырабатывает импульсы частотой 100 Гц, позволяющие проводить калибровку прибора. С выхода элемента ИЛИ 15 сигнал поступает на вход блока 17 масщтабных коэффициентов и вход формирователя 18 импульсов калиброванной длительности.

Блок 17 .масщтабных коэффициентов преобразует значение измеряемой частоты исследуемого объекта в об/мин. Затем сигнал поступает на вход формирователя 20 временного окна, определяющего интервал измерения. Для повыщения точности регистрации время выбрано 1 с. Этот интервал вырабатывается делением частоты, создаваемой генератором 22 и делителем 21 частоты. Импульсы, прощедщие за время измерения через формирователь 20 временного окна, подсчитываются счетчиком 23, затем буферный

регистр 24 памяти запоминает число импульсов, подсчитанных счетчико.м 23 за время предыдущего измерения, и передает его на индикатор 25.

Формирователь 18 преобразует сигналы в импульсы калиброванной длительности, после чего они поступают на интегратор 19, который преобразует частоту импульсов f в напряжение по линейному закону U K.f, где к - коэффициент пропорциональности. Одновибратор 27 вырабатывает управляю„ щие и.мпульсы для АЦП 26, который с приходом управляющих импульсов преобразует напряжение, поступающее на второй его вход с выхода интегратора 19 блока II аналогового измерения частоты, в цифровой код который записывается в буферный регистр

5 28 памяти. В интервалах между управляющими импульсами код с регистра 28 поступает на вход ЦАП 29, выход которого соединен с преобразователями 30 и 30 каналов А и Б, осуществляющими настройку полосовых фильтров 8 и 8 на резонансную частоту.

0 Применение предлагаемого устройства дает возможность повысить качество измерения сигнала путем введения линии обратной связи, которая позволяет автоматически настраиваться на резонансную частоту. В известном устройстве настройка полосовых фильтров осуществляется вручную. При этом полоса пропускания фильтров на уровне 0,7 равна±10 Гц относительно резонансной частоты, т.е. при расстройке фильтра относительно входного сигнала на±10 Гц ам0 плитуда выходного напряжения отличается от истинной на .

Номинальная скорость вращения турбобура А7Ш при бурении примерно 500 об/мин, что составляет -| -хЗ 25 3 - число щаращек долота.

5 Так как скорость вращения поддерживается вручную увеличением осевой нагрузки на долото, то поддержание ее точно на уровне 500 об/мин не реально и она из.меняется в пределах 300-800 Гц или 15-40 Гц.

Изменение скорости вращения и амплитуды сигнала происходит также при изменении твердости породы (с увеличением твердости породы резко возрастают частоты вращения турбобура и амплитуда сигнала).

Таким образом, возникают сложности с 5 расщифровкой диаграмм и затрудняется определение твердости пород.

Введение обратной связи позволяет повысить точность и качество измерения.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ АКУСТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ СКВАЖИН В ПРОЦЕССЕ БУРЕНИЯ, содержащее расположенные в каждом из трех каналов А, Б и В датчик и линию связи, соединенные последовательно, в каждом из каналов А и Б - блок вычитания, усилитель, блок выделения первой гармоники, амплитудный детектор и триггер Шмитта, причем выходы линий связи каналов А и В и Б и В подключены к входам блоков вычитания каналов А и Б соответственно, к выходам блоков вычитания последовательно подключены усилитель и блок выделения первой гармоники, к выходу блока выделения первой гармоники параллельно подсоединены амплитудный детектор и триггер Шмитта, выход амплитудного детектора подсоединен к измерителю отношения напряжений, выход триггера Шмитта канала Б соединен с первым входом блока временного сдвига, выход триггера Шмитта канала А параллельно подсоединен к входу одновибратора, первому входу селектора длительности и второму входу блока временного сдвига, выход одновибратора соединен с вторым входом селектора длительности, выход селектора длительности соединен с первым входом SvieMeHTa ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом калибратора, а выход параллельно подключен к блоку масштабных коэффициентов и аналоговому блоку измерения частоты, состоящему из формирователя импульсов калиброванной длительности и интегратора, выход формирователя соединен с входом интеграто-ра, выход блока масщтабных коэффициентов подсоединен к цифровому блоку измерения частоты, включающему соединенные последовательно генератор, делитель частоты, фор.мирователь вре.менного окна, счетчик, буферный регистр памяти и индикатор, отличающееся тем, что, с целью повышения точности и качества исследований, оно снабжено линией автоматисл ческой настройки на резонансную частоту, состоящей из одновибратора, аналого-цифрового преобразователя, буферного регистра памяти, цифроаналогового преобразователя и двух преобразователей напряжение-сопротивление, причем одновибратор, аналого-цифровой преобразователь через управляющий вход, буферный регистр памяти, цифроаналоговый преобразователь соединены последовательно, к выходу цифроаналогового 00 преобразователя параллельно подключены входы двух преобразователей напряжениесо сопротивление, выходы которых подсоединены к блокам выделения первой гармоники каОд налов А и В, каждый к соответствующему каналу, вход одновибратора подключен к выходу селектора длительности, а выход интегратора соединен с другим входом аналого-цифрового преобразователя.