Устройство для измерения длины колонны труб,спускаемых в скважину Советский патент 1985 года по МПК E21B45/00 E21B47/04 

Изобретение относится к бурению скважин при разведке и добыче полезных ископаемых, предназначено для автоматизации измерения длины колонны труб во время спускоподъемных one раций при бурении скважин и может быть использовано для измерения длин бурильного инструмента, длины обсадной колонны при спуске ее в скважину или длины насоСно-компрессорных труб

Целью изобретения является повышение точности измерения длины колон ны труб, спускаемых в с Ёсважину.

На фиг. 1 показан процесс образования погрешности измерения из-за упругой вытяжки талевого каната; на фиг. 2 - блок-схема устройства для измерения длины колонны труб, спускаемых в скважину; на фиг. 3 - зависимость сигнала поправки от длины ко-) лонны труб.

Процесс образования погрешности измерения известного устройства изза упругой вытяжки талевого каната показан на примере одного цикла спус ка колонны на величину очередной трубы (фиг, 1), на котором по горизонтальной оси отложен угол поворота барабана лебедки, а по вертикальной оси - нагрузка на спускоподъемные механизмы,

- В момент соединения очередной трубы с колонной последняя закреплена на устье скважины, а крюк спуско-. подъемного механизма занимает верхнее положение и не нагружен (точка 1 на фиг, 1), Затем крюк перемещается вверх и воспринимает вес колонны. Вначале барабан лебедки поворачивается на угол fp-j-i за счет упругого растяжения талевого каната (участок 1-2), затем на угол ру за. счет упругого растяжения очередно трубы (участок 2-4).

Упругая деформация этих элементов происходит одновременно, но для наглядности на фиг, 1 эти деформации раздельны,

В точке 3, когда нагрузка спускоподъемного механизма превышает уровень блокировки Qj, начинается процесс измерения длины колонны, В точке 4 весь вес колонны воспринимает.ся спускоподъемным механизмом и начинается спуск колонны на величину очередной трубы, при этом вал барабана лебедки поворачивается на угол

ttii пропорциональный длине этой трубы (участок 4-5 на графике),

Если бы талевый канат был абсолютно жестким, то при спуске колонны на длину очередной трубы 1; вал барабана лебедки повернулся бы на угол , , определяемый выражением

. сш

где К - коэффициент пропорциональности между величиной перемещения крюка и углом поворота барабана лебедки при абсолютной жесткости талевого каната.

Талевый канат, находящийся на барабане лебедки, навивается на последний при подъеме ненагруженного крюка. При спуске колонны на величину очередной трубы сматываемыйс барабана лебедки талевьй канат воспринимает вес колонны труб:.и вследствие упругих свойств испытывает упругое растяжение. Из-за упругого растяжения сматываемого с барабана лебедки талевого каната вал барабана лебедки недоворачивает на угол AfpyKi (участок 5-6) по сравнению с расчетным углом поворота f(-f,;

Af.-Чр . 4f .

PTKl ЧМ1 ICHI ,

- действительный угол поворота вала барабана лебедки при спуске колонны, на величину очередной трубы (i-й)

Недоворот вала барабана лебедки на угол:д1ртк1 из-за упругого растяжения сматываемого с барабана лебедки талевого к анала явл.чется причиной погрешности измерения длины колонны труб. Эта погрешность нЪ исключается введением плавающего уровня блокировки Q,, (фиг, 1), Величина этой погрешности, приведенная к длине колонны, определяется выражением

д I. kilL

К,,.Е,.Р,

длина очередной i-той трубы;

текущий вес колонны труб; коэффициент оснастки талевой системы спускоподъемного механизма:к иРтк- соответственно модуль упругости материала и площадь поперечного сечения талевог каната. В точке 5 заканчивается спуск колонны на длину очередной трубы. Колонна труб закрепляется на устье скважины и нагрузка на спускоподъемный механизм уменьшается. Барабан лебедки поворачивается на угол сжт за счет упругого сжатия талевого каната (участок 5-8). В точке 7, ко да текущая нагрузка будет меньше уровня блокировки Qfj, цикл измерени заканчивается. Второй составляющей погрешности измерения известного устройства является погрешность из-за тепловой деформации колонны труб в скважине. Устройство измеряет длину колонны при температуре окрзщающего воздуха однако по мере спуска колонны труб в скважину температура пластов земл увеличивается и колонна труб под де ствием температуры пластов земли удлиняется. Величина температурной деформации определяется выражением де Лт1ГТо-тт--Тт), где Т - геометрический градиент; Д - коэффициент линейного расширения труб; L - длина колонны труб; TQ - среднегодовая температура нейтрального слоя; - температура бурильных труб на поверхности. Известное устройство для опреде ления длины колонны труб, спускаемых в скважину, не учитывает этой деформации колонны в скважине, что также приводит к погрешности измере ния. Устройство для измерения длины колонны труб, спускаемых в скважин содержит датчик 1 перемещения колон ны, -первьй ключ 2, счетчик 3 перемещения, датчик 4 нагрузки, элемент 5 сравнения, второй ключ 6, первьй блок 7 памяти, третий ключ 8 второй блок 9 памяти, суммирующий блок 10, задатчик 11 начального уро ня блокировки, элемент НЕ 12, блок 13 функционального преобразования и задатчик 14 параметров талевого каната для спуска труб и температурно го градиента. 904 Устройство работает следующим образом. При спускоподъемных операциях сигнал Q/ с датчика А нагрузки поступает на один из выходов блока 5 сравнения, одновременно на другой его вход поступает сигнал с суммирующего блока 10, равный сумме постоянного сигнала с задатчика 11 уровня блокировки Q и сигнала Q-. со второго блока 9 памяти, который пропорционален весу колонны во время -предыдущего цикла измерения. Обозначим через сигнал с суммирующе-Го блока 10, тогда Qh QO - Q Если выполняется условие Qi м то на выходе элемента 5 сравнения появляется сигнал, который открывает ключи 2 и 6, а через элемент 12 НЕ закрывает ключ 8. Через открытый ключ 2 сигнал с датчика 1 перемещения поступает на счётчик 3 перемещения, идет процесс измерения длины колонны труб. Одновременно сигнал с датчика 4 нагрузки через ключ 6 поступает на первьй блок 7 памяти, где запоминается. После того, как колонна спущена на величину очередной i-й трубы и закреплена на устье скважины, нагрузка на спускоподъемньй механизм уменьшается. Условие Qj 0, уже не выполняется, и элемент сравнения 5 закрьшает ключи 2 и 6, а ключ 8 открывается. Сигнал, пропорциональнь г весу колонны предыдущего цикла, переносится из первого блока 7 памяти во второй блок 9 памяти, и на выходе суммирующего блока 10 появляется новое значение уровня блокировки. Блок функционального преобразования представляет собой перестраиваемый дешифратор, которьй при определенных кодовых комбинациях на входе, поступающих со счетчика перемещения, вырабатывает импульсы поправки. Задатчик параметров талевого каната дл спуска труб и температурного гради- ента представляет собой блок переключателей с помощью которых изменяются параметры блока функционального преобразования, которьй воспроизводит заданную функцию поправок от длины колонны. Задатчик параметров

талевого каната для спуска труб и температзфного градиента позволяет изменять функцию поправок при смене талевого каната спускаемых труб и изменения геотермического градиента По мере накопления измерительног сигнала в счетчике 3 перемещений блок 13 функционального преобразователя вырабатьшает сигнал поправки, который дополнительно поступает на вход счетчика 3 перемещений. Сигнал поправки является функцией Сигнала длины колонны Lfu счетчика 3 перемещения

А 1 f(LCU)

и компенсирует погрешности измерения, связанные с упругим растяжением сматьтаемого с барабана лебедки под нагрузкой талевого каната и температурным удлинением колонны труб в скважине.

Блок 13 функционального преобразования воспроизводит зависимость

AC ueVui -. /Ч

те -т(

ЛтЬ (TO T-T-TT)

Для введения в блок 13 параметров талевого каната, спускаемых в скважину труб, и-температурного градиента пластов земли служит блок 14 задания этих параметров.

Поправка Л 1 вводится в счетчик 3 перемещений дискретно (фиг. 3). Величина поправки Л If имеет постоянную величину и определяется по требуемой точности измерения длины колонны. По зависимости Д 1(14е.ц) определяются моменты введения поправки LCU, l.tuj, Ьсцд И т.д. (фиг. 3).

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДЛИНЫ КОЛОННЫ ТРУБ, СПУСКАЕМЫХ В СКВАЖИНУ, по авт. св. № 750046, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения, оно снабжено блоком функционального преобразования и задатчиком параметров талевого каната для спуска труб и температурного градиента, выход которого соединен с первым входом блока функционального преобразования, выход блока функционального преобразования соединен с входом счетчика перемещений, выход которого подключен к второму входу блока функционального преобразования.