Устройство для измерения и регистрации частоты вращения вала скважинного забойного двигателя Советский патент 1986 года по МПК E21B45/00 

ется ячейка памяти в блоке 6 для записи в него значения ut. .С выхода блока 4 управления поступает разрешение на это. При этом t; и Т;, записывается и в блок 11. После этого по сигналу с блока 4 происходит сброс С 2 и 7. Если , т.е. ЧВ не изменилась, &t;. и в блоки 11 не записываются. На выходе ЭС 10 появляется сигнал О и посту;пает в блок 4. Происходит сбрасывание С 2 и 7. После подсчета С 9

определенного числа происходит обнуление С 8 и подсчет ЧВ прекращается. Таким образом, устройство проводит предварительную обработку входного сигнала и записывает в память только существенные значения ЧВ, сокращая объем памяти. Преобразование выходных сигналов датчиков производится согласно фактической частоте изменения параметра, т.е. независимо от изменения. ЧВ вала забойного двигателя. 3 ил.

Изобретение относится к средствам для исследования скважин в процессе бурения.и предназначено для измерения параметров в скважине при отсутствии телеметрического канала связи. Целью изобретения является повышение точности измерения частоты вращения (ЧВ) вала забойного двигателя за счет автоматического приспо.сабливания к реальному значен1ю ЧВ. Для зтого устройство снабжено двумя счетчиками (С) 7 и 8 времени, С 9 адресов, элементом сравнения (ЭС) 10 и регистром 11 памяти. В зависимости от фактического числа оборотов вала забойного двигателя с датчика 1 оборотов на вход С 2 поступает от до . импульсов в 1 с. Чтобы подсчитать ЧВ вала с высокой точ(О ностью, определяется время at подiсчета С 2 заданного числа импульсов. (Л Определяется ЧВ как . Время it подсчитывается С 7, а текущее время отсчета Т - С 8. Для определения ЧВ вала прбизводится сравнение с заданным числом К. При ,- г К на выходе ЭС 10 вырабатывается сигнал 1 и через С 9 выбираю 05 сд ю

Изобретение относится к средствам для исследования скважин в процессе бурения и может быть использовано в глубинных приборах для измерения параметров в скважине при отсутствии телеметрического канала связи.

Целью изобретения является повышение точности измерения частоты вращения вала забойного двигателя.

На фиг. 1 показана блок-схема усройства на фиг. 2 - функциональная схема блока управления j на фиг. 3 функциональная схема элемента сравнения.

Устройство содержит (фиг. 1) датчик 1 оборотов вала забойного двигателя, счетчик 2 импульсов, генератор 3 тактовых импульсов, блок 4 управления, генератор 5 электрических сигналов времени, блок 6 памяти первый счетчик 7 времени,, второй счетчик 8 времени, счетчик 9 адресов, элемент 10 сравнения, регистр 11 памяти, а, - а соответственно первый, второй и третий входы блока управления, ь, - bj соответственно первый - пятый Входы блока управления, счетный вход с, счетчика 9 адресов, выход Cj содержимого счетчика 9 адресов, выход с переполнения счетчика 9 адресов, адресный вход d, блока 6 памяти, вход d разрешения записи и считывания инфор мации из блока 6 памяти, информационный выход d блока 6 памяти, d и dg информационные входы d и d

блока 6 памяти, вход т, разрешения записи информации в регистр 11 памяти, информационный вход т,. регистра 11 памяти выход ш содержимого регистра 11 памяти.

Устройство работает следующим образом.

При вращении вала забойного двигателя на выходе датчика 1 оборотов вала двигателя, в качестве которого используется магнитоуправляемый контакт (геркон), при каждом обороте появляется один импульс. Так как выход датчика 1 соединен с входом счетчика 2 импульсов, то последний подсчитывает число оборотов вала

забойного двигателя. I

Анализ статистических данных при турбинном бурении нефтяных скважин показывает, что число оборотов вала забойного двигателя изменяется бт 60 до 1200 об/мин, т.е. минимальное и максимальное значения числа оборотов вала забойного двигателя равны Н„„- 1 об/с, N, 20 об/с. Исходя из указанньгх.,значений N и Нд,;. в зависимости от фактического числа оборотов вала забойного двигателя на вход счетчика 2 импульсов поступает 1 - 20 импульсов в с. Чтобы подсчитать частоту f вращения вала забойного двигателя с высокой точностью, определяют время fit подсчета счетчиком 2 импульсов заданного числа импульсов, соответствующее числу оборотов ,вала за с.Зная время

t, частоту f вращения вала забойно1 о двигателя определяют

(1)

f «оке UL

Устройство построено так, что счетчик 2 импульсов, независимо от фактического значения числа оборотов вала забойного двигателя, всегда подсчитывает число импульсов, равное

N. .т.е. М„„ 20, а первый счетмахе ма«с

чик 7 времени подсчитывает время bt, соответствующее Таким образом, из формулы (1) видно, что так как N,y, const, то об изменении частоты f вращения вала забойного двигателя можно судить по изменению значения времени ut, т.е. путем сравнения значения времени utj, следующего цикла измерения со значением времени it, предыдущего цикла измерения. В предлагаемом устройстве частота генератора 5 равна 20 Гц, Таким образом,если об/с, то t 400, а если N .20 об/с, то At 20. Следовательно, если N 19 об/с, то it 21. Аналогично если N 2 об/с, то at 200 и т.д. . Как видно, при изменении числа оборотов вала забойного двигателя на 1 об/с, наименьшее изменение значения U t получается при уменьшении числа оборотов N от 20 до 19 об/с, т.е. при этом значение ut увеличивается от 20 и 21, т.е. на единицу. Поэтому для определения изменения частоты вращения вала забойного двига:теля в предлагаемом устройстве проводятся сравнения значения /ut,, -(,t; I с К, где К 1.

На счетные входы счетчиков 7 и 8 (фиг. 1) поступают импульсы от генератора 5 электрических импульсов времени, поэтому первым счетчиком 7 времени подсчитывается время fitj, а вторым счетчиком 8 времени текущее время отсчета Т;. I

После подсчета счетчиком 2 импульсов заданного числа импульсов выходе счетчика 2 импульсов возникает сигнал, который поступает на второй вход а блока 4 управления. Так как первый вход З) блока 4 управления подключен к выходу генератора 3 тактовьсх импульсов, который вырабатывает импульсы с частотой 100 кГц, то при поступлении сигнала на второй вход а блока 4 уп6529 4

равления, на eio первом выходе Ь, вырабатывается сигнал, который поступает на первый вход элемента 10 сравнения. При этом в элементе 10 5 сравнения происходит сравнение содержимого первого счетчика 7 времени it , поступающего на второй вход элемента 10 сравнения, с содержимым регистра 11 памяти At;. Зна0 чения it. с выхода т содержимого регистра 11 памяти поступают на третий вход элемента 10 сравнения. На первом этапе, т.е. в первом цикле работы, когда первым счетчиком 7

5 времени подсчитывается время ut,, предыдущее значение времени jjt 0, т.е. в начальный момент времени содержимое регистра 11 памяти равно нулю.

20 Таким образом, в первом цикле работы в элементе 10 сравнения происходит сравнение it, с ut. Так как в начальный момент времени , то в первом цикле работы в результа5 те сравнения ut, с ut всегда выполняется условие /ut,- . Поэтому в первом цикле работы необходимо первое (начальное) значение результатов измерений записать в па0 мять устройства, т.е. значения it, и Т необходимо записать в блок 6 памяти, кроме того значения flt,, необходимо записать в регистр . 1 памяти, потом провести сброс в нуле, вое состояние счетчиков 2 и 7, и далее начать новый цикл измерения частоты вращения вала забойного двигателя.

Указанные операции осугцествляютО ся следующим образом. Так как /At, 4to/ K, то на выходе элемента 10 сравнения вырабатывается сигнал 1, .который поступает на третий вход а блока 4 управления. При этом на

5 третьем выходе Ь блока А управления вырабатывается сигнал, который поступает на счетный вход с счетчика 9 адресов и содержимое счетчика 9 адресов становится равным 1. Так

как выход содержимого счетчика 9 адресов с2 подключен к адресному входу d, блока 6 памяти, то в соответствии с содержимьш счетчика 9 адресов выбирается первая ячейка памяти блока 6 памяти для записи значений At, и Т,. После этого, на четвертом выходе Ь блока управления вырабатывается сигнал, который пос$тупает на вход d разрешения записи информации в блок 6 памяти. При этом содержимое первого счетчика 7 времени it, и второго счетчика 8 времени Т , пройдя через информационные входы d и d у блока 6 памяти, записываются в первую ячейку памяти блока 6 памяти. После этого на пятом выходе Ь блока 4 управления вырабатывается сигнал, который поступает на вход т|разрешения записи и считывания информации в регистр 11 памяти. При этом содержимое первого счетчика 7 времени At, , пройдя через информационный вход И- регистра 11 памяти, записывается в регистр 11памяти. Далее сигналом с второго выхода Ь блока 4 управления содержимое счетчика 2 .импульсов и первого счетчика 7 времени сбрасывается в нулевое состояние. В этом случае заканчивается первый цикл подсчета частоты вращения вала забойного двигателя и аналогично первому циклу начинается второй цикл. Так как в первом цикле работы , то для первого цикла работы не рассматриваем работу устройства в случае / и t(-4to/ К. Во втором цикле работы все опи- санные операции повторяются. Разница заключается в том что, во втором цикле работы в первом счетчике 7 времени подсчитывается время ut,j, а во втором счетчике 8 времени время Т,. В элементе 10 сравнения происходит сравнение ut с at,. Зн чения utj поступают на второй вход элемента 10 сравнения с выхода пер вого 7 счетчика времени, а значени ;iLt, поступает на третий вход элемента 10 сравнения с выхода m сод жимого регистра 11 памяти. Если /liitj - ut,/2-K, то это оана чает, что частота вращения вала за бойного двигателя изменилась. В этом случае необходимо значения At . и Tj записать в блок 6 памяти и, кроме того,необходимо значение t записать в регистр 11 памяти. При /ut -ut, на выходе элемента 10 сравнения вырабатывается сигнал 1 который поступает на третий вход а блока 4 управления. Далее на трет ем выходе b ) блока 4 управления вы рабатывается сигнал, который посту 94 пает нэ счетный вход С( счетчика 9 адресов, и содержимое счетчика адресов становится равным 2, Так как выход содержимого счетчика 9 адресов С2 подключен к адресному входу d. блока 6 памяти, то в соответствии с содержимым счетчика 9 адресов, выбирается вторая ячейка памяти блока 6 памяти для записи значений it и Tj, . После этого, на четвертом выходе Ь блока 4 управления вырабатывается сигнал, который поступает на вход d- разрешения записи информации в блок 6 памяти. При этом содержимое первого счетчика 7 времени tj и второго счетчика 8 времени Т соответственно, пройдя через информационные входы d и dj- блока 6 памяти, записывается во вторую ячейку памяти блока 6 памяти. После этого на пятом выходе bj- блока 4 управления вырабатывается сигнал, который поступает на вход mj разрешения записи информации в регистр 11 памяти. При этом содержимое первого счетчика 7 времени & t, пройдя через информационный вход т регистра 11 памяти, записывается в регистр 11 памяти. Далее сигналом с второго выхода b 2 блока управления 4 содержимое счетчика 2 импульсов и первого счетчика 7 времени сбрасывается в нулевое состояние. В этом случае заканчивается второй цикл подсчета частоты вращения вала забойного двигателя и аналогично второму циклу начинается третий цикл. Если /ut - , то это означает, что частота вращения вала забойного двигателя не измелилась. В « этом случае нет необходимости записывать значения дс и Т в блок6 памяти, а также нет необходимости записывать значения it, в регистр 11 памяти. При /ut - ut,, на выходе элемента 10 сравнения вырабатывается сигнал 0% который поступает на третий вход а блока 4 управлеНИН. Далее сигналом с второго выхода Ъ блока 4 управления содержимое счетчика 2 импульсов и первого счетчика 7 времени сбрасьшается в нулевое состояние. В этом случае заканчивается второй цикл частоты вращения забойного двигателя и аналогично второму циклу начинается третий цикл. В третьем цикле аналогично втор му циклу все описанные операции по торяются. После записи необходимого коли.честна информации в блок 6 памяти, т.е. после подсчета счетчиком 9 ад ресов определенного числа (например, 1024), на выходе Cj переполне :НИН счетчика 9 адресов получается .сигнал, который поступает на второ обнуляющий вход второго счетчика времени 8, и процесс подсчета част ты вращения вала двигателя прекращается . Таким образом, в каждой ячейке памяти блока 6 памяти записываются существенные значения времени At; и соответствующее значение текущег времени отсчета Т;. После подъема устройства на поверхность для считывания информации, записанной в ячейках памяти блока 6 памяти, на адресный вход dj блока 6 подаются номера ячеек памяти (например, числа от 1 до. 1024), а на вход d разрешения считывания информации блока 6 памяти подается сигнал считывания. При этом содержимое ячеек памяти блока памяти снимается с информационного выхода dj блока 6 памяти, который далее можно подавать на другой носитель информации, печатающее устро ство или любой микро-ЭВМ для последующей обработки и анализа изменения частоты вращения вала забойного двигателя в процессе бурения. При этом, зная существенное значение времени ut. частоту вращения вала забойного двигателя определяют по формуле (1) V, Блок управления 4, функциональная схема которого приведена на фиг. 2, содержит первый триггер 12, первый элемент И 13, второй элемент И 14, элемент 15 задержки, второй триггер 16, третий элемент И 17 и счетчик - дешифратор 18, ; Блок управления работает следующим образом (фиг. 2). При поступлении сигнала на второй вход а блока управления первый триггер 12 устанавливается в единичное состояние. Высоким уровнем напряжения с выхода первого триггера 12 открывается первый элемент И 13 и сигнал, поступающий на первый вход а, блока управления, проходит через первый элемент И 13. Поэтому на первом выходе Ь блока управления вырабатывается соответствующий сигнал. Кроме того, импульсом с выхода первого элемента И 13 первый триггер 12 переключается в нулевое состояние и первый элемент И 13 закрывается. Сигнал с выхода первого элемента И 13 фиг. 2 также поступает на вход элемента 15 задержки, выход которого подключен к одному из входов второго элемента И 14. Другой вход второго элемента И 141 подключен к инверсному выходу второго триггера 16. Если/и t j,-flt; / 5 К, то на выходе элемента 10 сравнения (фиг.1) вырабатывается сигнал 1, который поступает на третий вход а, блока управления. При этом второй триггер 16 (фиг. 2) устанавливается в единичное состояние. Высоким уровнем напряжения с выхода второго триггера 16 открывается третий элемент И 17 и импульсы, поступающие на первый вход а( блока управления, проходят через третий элемент И 17. Так как выход третьего элемента И 17 подключен к счетному входу счетчика-дешифратора 18, то при поступлении на счетный вход счетчика-дешифратора 18 первого импульса, на его первом выходе вырабатывается соответствующий сигнал, который поступает на третий выход Ь блока управления. Аналогично при поступлении на счетный вход счетчика-дешифратора 18 второго импульса на его втором выходе вырабатьгоается сигнал, который поступает на четвертый выход Ь блока управления. Таким образом, при поступлении на счетньп вход счетчика-дешифратора 18 третьего импульса на его третьем выходе вырабатывается соответствующий сигнал, который поступает на пятый выход Ь блока управления. Сигнал (фиг. 2) с третьего выхода счетчикадешифратора 18 также поступает на входы установки в нулевое состояние второго триггера 16 и счетчика-дешифратора 18. Поэтому при получении сигнала на третьем выходе счетчикаешифратора 18 второй триггер 16 и четчик-д-ешифратор 18 устанавливатся в нулевое состояние. При переcлючeнии второго триггера 16 в нулеое состояние третий элемент И 17 закрывается, а второй элемент И 14 высоким уровнем напряжения с инверс ного выхода второго триггера 16 открывается. Поэтому сигнал с выхода элемента задержки 18 проходит через второй элемент И 14 и на втором выходе Ь блока управления вырабатывается соответствующий сигнал. Если /At., -utj/ K, то на выходе элемента 10 сравнения (фиг. 1) вырабатывается сигнал О, который поступает на третий вход а блока управления. При этом второй триггер 16ЧФИГ. 2) не переключается в единичное состояние и третий элемент И 17 не открывается„ Поскольку второй триггер 16 в этом случае остается в нулевом состоянииJ то высоким уровнем напряжения с инверсного выхода второго триггера 16 открывается второй элемент И 14. Поэтому сигнал с выхода элемента задержки 15,проходит через, второй эле мент И 14 и на втором выходе Ъ бло ка упр ленйя вырабатывается соответствующий сигнал. Этим 1дакл работы блока управления завершается. Следующий цикл работы блока управления происходит аналогично описанному. Требуемое время задержки о в эл менте задержки 15 в блоке упрлвле НИИ (см. фиг. 2) выбирается из 5HCc+2t,+ ,. .(2) где 1 - значение времени сравнения в элементе 10 сравнения (фиг. I), OT - время переключения второго триггера 16 (фиг. 2) из одного сос тояния в другое j ofi время прохож дения сигнала через третий элемент И 17 (фиг. 2); OQ - длительность периода частоты генератора 3 (фиг. Условие (2) выбирается, исходя из алгоритма работы устройства. Пр поступлении сигналаЬ, в элементе сравнения (фиг. 1) происходит срав нение содержимого счетчика 7 с содержимым регистра 11 памяти. Необходимость задержки сигнала Ь отно сительно сигнала Ъ связана с тем, что в противном случае может сравниваться обнуленное значение счетчика 7 с содержимым регистра 11 памяти, при этом сигнал Ь5(фиг.2) получается при нулевом состоя-нни второго триггера 16. Если в резуль тате сравнения обнарзокится, что fut;,, -ut;/ ;K, то получается сиг94Оал а, второй триггер 1Ь перехоит в единичное состояние и третий элемент И 17 открывается. При поступлении на счетный вход счетчикаешифратора 18 третьего импульса на его третьем выходе вырабатывается сигнал, который поступает на другой вход второго триггера 16. При этом второй триггер 16 переключается в нулевое состояние, второй элемент И 14 открывается и пропускает на выход Ь задержанный на элементе задержки 15 на время с сигнал bj. При частоте F 100 кГц генератора тактовых частот 3 и при использова.НИИ микросхем серии К155 требуемое значение времени задержки тавляет не более 50 мкс, поэтому значение - 50 мкс. Элемент - сравнения 10 (фиг. 3) содержит первый инвертор 19, сумматор 20, триггер 21 знака, первый 22 и второй 23 элементы И, второй инвертор 24, элемент ИЛИ 25, дешифратор нуля 26 и третий элемент И 27. Элемент сравнения 10 работает следующим образом. Значение &t;, от блока 7 поступает на вход первого инвертора 19 и после инвертирования с его выхода поступает на первый вход сумматора 20. На другой вход сумматора 20 поступает значение (it; с выхода т содержимого регистра 11 памяти. На выходе сумматора 20 получается значение (u.t,v, -it;). Знак этой разниць получается на выходе триггера 21 знака. Если знак разницы (, tj) положительный, то содержимое сумматора 20, пройдя через второй элемент И 23, поступает на первый вход элемента ИЛИ 25. Если же знак разницы (At;, -ut;) отрицательный, то содержимое сумматора 20, пройдя через первый .элемент И 22, поступает на вход второго инвертора 24 и после инвертирования с его выхода поступает на другой вход элемента ИЛИ 25.. С вы5сода элемента ИЛИ 25 значение /ut;4i bt;/ поступает на вход дешифратора нуля 26. Если /ut, - ut;/i:.1, то на выходе дешифратора нуля 26 вырабатьгоается единичный сигнал, который поступает на первый вход третьего элемента И 27. Если /Utj., -ut,, то на выходе дешифратора 26 нуля вырабатывается нулевой сигнал. На другой вход третьn

его элемента И 27 поступает сигнал с выхода Ь| блока 4. Таким образом,

если /4t;, -At; / 1, ТО ПрИ ПОСТуПлении сигнала на другой вход третьего элемента И 27 с выхода Ь, блока 4 на вьпсод. третьего элемента И 27 получается единичный сигнал, который поступает на вход а блока 4..

Предлагаемое устройство проводит предварительную обработку входного сигнала и записывает в память только существенные значения частоты,, это сокращает требуемый объем блока 6 памяти, повышает надежность устройства и увеличивает продолжительность работы устройства в скважине.

Кроме того, в зависимости от фактического значения частоты вращения вала забойного двигателя предлагаемое устройство выбирает различные значения времени it для их подсчета, т.е. устройство автоматически приспосабливается к реальному значению частоты вращения -вала и тем самым повышает точность измерения его частоты

Формула изобретения

Устройство для измерения и регистрации частоты вращения вала скважинного забойного двигателя, содержащее датчик оборотов вала забойного двигателя, генератор электрических сигналов времени, блок памяти .и генератор тактовых импульсов, выход которого соединен с первым входом блока управления, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения частоты вращения вала скважинного забойного

6529412

двигателя, устройство снабжено счетчиком импул сов, двумя счетчиками времени, счетчиком адресов, элементом сравнения и регистром памяти, 5 при этом выход датчика оборотов вала забойного двигателя соединен с первым входом счетчика импульсов, выход которого соединен с вторым входом блока управления, первый выход блока

10 управления подключен к первому входу . элемента сравнения, выход генератора электрических сигналов времени соединен с первыми входами первого и второго счетчиков времени, выход пер

15 вого счетчика времени соединен с первым информационным входом блока памяти, с информационным входом регистра памяти и с вторым входом элемента сравнения, выход которого под20 ключен к третьему входу блока управления, второй выход блока управления подключен к вторым входам счетчика импульсов и первого счетчика времени, третий выход блокя управ25 ления соединен с счетным входом счетчика адресов, выход содержимого счетчика адресов соединен с адресным входом блока памяти, четвертый выход блока управления соединен с входом

30 разрешения записи и считывания информации блока памяти, а пятый вькод блока управления соединен с входом разрешения записи информации регистра памяти, выход содержимого ко5 торого соединен с третьим входом элемента сравнения, -причем выход переполнения счетчика адресов соединен с вторым входом второго счетчика времени, выход которого соединен с вто0 рым информационным входом блока памяти.

От5лока7

Фиг.з