Устройство для контроля и управления процессом турбинного бурения Советский патент 1989 года по МПК E21B44/04 

{

а

00 00

Изобретение относится к горному делу, а именно к системам контроля и управления процессом турбинного бурения нефтяных и газовых скважин с использованием системы критериев рациональной эксплуатации uapo- шечных долот.

Целью изобретения является повышение точности работы устройства.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства; на фиг. 2 - структурная схема блока определения перехода к спуско- подъемным операциям (СПО); на фиг. 3 - структурная схема блока определения перехода к бурению; на фиг. 4 - структурная схема анализатора рейсовой скорости; на фиг. 5 - структурная схема блока формирования временных интервалов.

В данном устройстве оптимизация процесса бурения осуществляется по критерию максимума рейсовой скорости. Достижение максимальной рейсовой (или экономической) скорости VP max обеспечивается функционированием анализатора рейсовой скорости, который выполнен как аналоговое счетно-решающее устройство для формирования текущей рейсовой скорости Vp(i), текущей усредненной механической скорости бурения Vm(t), деления первой на вторую и непрерывного сравнения этого отношения с заданным значением уставки С,. Сигнал на световое табло «Изношено вооружение, свидетельствующий о необходимости прекращения бурения и перехода к СПО для замены отработанного долота, поступает с выхода анализатора рейсовой скорости в момент выполнения условия

(П

v;.Tt) С,1,0 - коэффициент.

Текущие значения механической и рейсовой скоростей вычисляются анализатором скорости по следующим уравнениям:

V.(.)f ./4. VH )U1. (2)

(3)

где t - текущее время работы долота на забое, отсчитываемое с момента начала рейса (время бурения), ч; Ток, - затраты времени на работы по смене долота после предыдущего рейса, в том числе на спуско- подъемные операции (СПО), ч; h(t) - проходка с начала рассматриваемого рейса, м;

Ah(t) -приращение проходки за промежуток времени At, м; 1 - время усреднения механической

скорости, ч.

Устройство для контроля и управления процессом турбинного бурения (фиг. 1) содержит датчик 1 веса (ДВ), датчик 2 перемещения талевого блока (ДПТБ), сигнализатор 3 состояния буровых насосов (СН), датчик 4 крутящего момента на роторе (ДМ), анализатор 5 осевой нагрузки, анализатор 6

повторения поиска эффективной осевой нагрузки, анализатор 7 рейсовой скорости, анализатор 8 заклинивания опор долота, блок 9 контроля первой производной осевой нагрузки по времени, блок 10 контроля осевой нагрузки, блок 11 контроля веса, блок 12

контроля положения бурового инструмента, блок 13 измерения осевой нагрузки, блок 14 измерения веса, блок 15 определения перехода к СПО, блок 16 определения перехода к бурению, блок 17 индикации, включающий

5 указатель 18 эффективной осевой нагрузки, световое табло 19 «Повторить поиск, световое табло 20 «Изнощено вооружение, световое табло 21 «Изношена опора, световое табло 22 «Остановка турбобура ; в устройство входят также задатчик 23 коэф0 фициента Со, задатчик 24 предела ДР. задатчик 25 веса Qo.

ДВ 1 установлен на «Мертвом конце талевого каната.

ДПТБ 2 установлен на барабанном вас лу буровой лебедки или на одном из роликов кронблока и имеет число-импульсный выход, при перемещении талевого блока буровой установки вниз (вследствие углубления бурового инструмента или при выполнении СПО) импульсы вырабатываются на шине «-|- (для

0 суммирования импульсов), а при подъеме талевого блока - на щине «- (для вычитания импульсов). СН 3, установленный на приводе буровых насосов или на манифаль- де, позволяет определять момент отключения буровых насосов и прекращения цир5 куляции промывочной жидкости в скважине, т. е. момент завершения очередного долбления и перехода к СПО либо временной остановки бурения. На выходе СН 3 устанавливается сигнал электрическо. о напряжения (дискретный) высокого («1) или

низкого («О) , соответствующий наличию или отсутствию промывки, дм 4 установлен под ведущей ветвью цепи привода роторного стола и имеет унифицированный выходной аналоговый сигнал. ДМ 4 может

5 быть выполнен также в виде магнитоупру- гого преобразователя крутящего момента, устанавливаемого на ведущем валу роторного стола или на карданном валу к ротору.

Выход ДВ 1 соединен с пятым входом 0 блока 15 определения перехода к СПО и четвертым входом блока 16 перехода к бурению, а также с входами блока 13 измерения осевой нагрузки и блока 14 измерения веса. Выходы ДПТБ 2 подключены к входу анализатора 6 повторения поиска эффективной 5 осевой нагрузки, первому входу анализатора 7 рейсовой скорости и первому и второму входам блока 15 определения перехода к СПО. Выход СН 3 соединен с первым входом блока 16 определения перехода к бурению, к второму входу анализатора 7 рейсовой скорости и четвертому входу блока 15 определения перехода к СПО, а выход ДМ 4 подключен к входу анализатора 8 заклинивания опор долота, второму входу блока 16 и третьему входу блока 15. Первые (I) и вторые (II) пуско-остановочные входы анализаторов 6-8 подключены соответственно к управляющим выходам блока 10 контроля осевой нагрузки и блока 12 контроля положения бурового инструмента, а третий (III) распределительный вход анализатора 8 подключен к управляюш,ему выходу блока 9 контроля первой производной осевой нагрузки по времени, второй измерительный вход которого соединен с первым выходом анализатора 5 осевой нагрузки, последний осуществляет сглаживание и дифференцирование сигнала осевой нагрузки. Вход анализатора 5 подключен к первому выходу блока 13 измерения осевой нагрузки, второй выход которого соединен с вторым входом блока 10 контроля осевой нагрузки, третий вход последнего соединен с вторым выходом анализатора 5 осевой нагрузки.

Первые входы блоков 9-11 контроля соединены соответственно с задатчиком 23 коэффициента Со, задатчиком 24 .предела АР, задатчиком 25 веса Qo; второй вход блока 11 контроля веса подключен к выходу блока 14 измерения веса, а выход блока 11 соединен с вторым входом блока 12 контроля положения бурового инструмента. Третий вход анализатора 7 рейсовой скорости подключен к выходу блока 15 и третьему входу блока 16, а четвертый вход анализатора 7 - к выходу блока 16.

Анализаторы 5-8 имеют выход на блок 17 индикации.

Выход анализатора 5 осевой нагрузки, выполненного как анализатор максимума сглаженной функции первой производной осевой нагрузки по времени, подключен к первому входу блока 17, а значит - к указателю 18 эффективной осевой нагрузки, который выполнен на базе потенциометра постоянного тока.

Выход анализатора 6 повторения поиска эффективной осевой нагрузки, выполненного как дискретное счетно-решающее устройство для формирования начальной (ре- перной) проход} и за время At, запоминания и деления ее на текущее значение проходки за время At и сравнения этого отношения с заданным значением уставки, соединен с вторым входом блока 17, со световым табло 19 «Повторить поиск.

Выход анализатора 7 рейсовой скорости соединен с третьим входом блока 17 индикации - со световым табло 20 «Изношено вооружение.

Выходы первый и второй анализатора 8 заклинивания опор долота подключены соот0

ветственно к четвертому и пятому входам блока 17 индикации - к световым табло 21 «Изношена опора и табло 22 «Остановка турбобура. Причем анализатор 8заклинивания опор долота выполнен как аналоговое счетно-решающее устройство и предназначен для сравнения мощности, необходимой для вращения колонны бурильных труб в процессе бурения при нормальном состоянии опоры долота, с мощностью при заклиненном состоянии опоры долота или остановке турбобура, а также для распознавания одного из этих состояний путем контроля величины первой производной осевой нагрузки по времени при остановленной подаче квадра5 та и сравнения продолжительности анализируемого сигнала с заданным значением временной уставки.

Блок 15 определения перехода к СПО (фиг. 2) содержит реверсивный счетчик 26

0 двенадцатиразрядный, состоящий из счетчиков 27-29 четырехразрядных по традиционной схеме, компаратор 30, первый и второй элементы И 31 и 32 двухвходовые, элемент ИЛИ-НЕ 33 двухвходовый, третий элемент

5 И 34 трехвходовый, три элемента НЕ 35-37, задатчик 38 веса свечи qcB и резистор 39. Один из выходов резистора 39 подключен к положительному полюсу , источника питания цифровой части блока , а второй выход соединен со всеми информационными входа0 ми D реверсивных счетчиков 27-29; таким образом, на всех D-входах установлен уровень сигнала «I. Выходы переноса (3:15) и заема (0) счетчика 27 соединены соответственно с входом пря.мого ( + 1) и обратного (-1) счета счетчика 28, выходы (15)

5 и (0) счетчика 28 соединены соответственно с входами (-f-l) и ( - 1) счетчика 29, выход (0) счетчика 29 является выходом заема счетчика 26, а входы ( + 1) и (- 1) счетчика 27 являются соответственно входа- ми прямого и обратного счета счетчика 26. Входы предварительной установки (С) счетчиков 27-29 соединены между собой и образуют вход С счетчика 26; входы очистки (R) счетчиков 27-29 соединены с общим проводом блока. Первый и второй входы бло5 ка 15, подключенные к выходным шинам «-н и «- ДПТБ 2 соответственно, являю-тч-я вторыми входами первого и второго э.че- ментов И 31 и 32, первые входы которых объединены и подключены к выходу тр тього элемента И 34, первый-третий входы пос0 леднего соединены соответственно с выходом второго элемента НЕ 36, выходом третьего элемента НЕ 37 и выходом компаратора 30. Выходы первого и второго элементов И 31 и 32 соединены соответственно с входом (-|-1) и (-1) реверсивного счетчика 26

5

двенадцатиразрядного, вход предварительной установки С которого подключен к выходу элемента ИЛИ-НЕ 33, а выход заема (0) - к входу первого элемента НЕ 35. выход последнего,является выходом блока. Третий вход блока является входом второго элемента НЕ 36 и первым входом элемента ИЛИ-НЕ 33, четвертый вход блока является входом третьего элемента НЕ 37 и вторым входом элемента ИЛИ-НЕ 33; пятый вход блока является вторым входом компаратора 30, первый вход которого подключен к задатчику 38 .

Блок 16 определения перехода к бурению (фиг. 3) содержит первый элемент И 40 трехвходовый, второй элемент И 41 двух- входовый, триггер 42 типа D, элемент 43 дифференцирования, компаратор 44, задатчик 45 веса QI (Qi 0,25 Qyiii, где РУЫ - суммарный вес УБТ бурильной колонны). Первый и второй входы блока являются вторым и третьим входами первого элемента И 40, выход которого подключен к первому входу второго элемента И 41, а первый вход - к выходу компаратора 44, первый вход последнего соединен с задатчиком 45 Qi, а второй вход является четвертым входом блока. Третий вход блока является одноименным входом (вход R) D-триггера 42, второй вход которого (вход D) соединен с вторым входом второго элемента И 41 и вторым выходом (выход Q) D-триггера 42. -Первый вход триггера 42 (вход С) подключен к выходу второго элемента И 41, а первый выход (выход Q) - к входу элемента 43 дифференцирующего, выход последнего является выходом блока.

Анализатор 7 рейсовой скорости (фиг. 4) содержит блок 46 формирования временных интервалов, задатчик 47 интервала времени усреднения механической скорости At, сумматор 48, два счетчика 49 и 50 двоичных, четыре цифроаналоговых преобразователя (ЦАП) 51 - 54, элемент 55 памяти, три делителя 56 58, компаратор 59, триггер 60 типа RS, два элемента 61 и 62 задержки, два элемента И 63 и 64 двухвходовых, элемент ИЛИ-IIF , 65 двухвходовый, задатчик 66 коэф фициента С;., указатель 67 механической скорости V,,,, указатель 68 рейсовой скорости V,,, регистратор 69 двухканальный V ,,, и V,,, кнопка 70 «Сброс, резисторы 71 и 72. Второй, третий и четвертый входы анализатора 7 являются одноименными входами блока 46, первый вход которого подключен к задатчику 47 At и входу четвертого ЦАП 54; первый вход анализатора 7 является вторым входом нервого элемента И 63, первый вход последнего подключен к первому входу второго элемента И 64 и выходу элемента ИЛИ- НЕ 65, первый и второй входы которого являются соответственно I и II нуско-остано- вочными входами анализатора. Первый выход б. юка 46 нодключен к второму входу второго элемента И 64, выход которого соединен с входом нерв()1Ч) элемента 61 задержки, выход носледнего 11О:1ключен к второму входу (вход R) второго счетчика 50, и с вторым

входом (вход разрешения записи С) элемента 55 памяти; второй и третий выходы блока 46 соединены соответственно с первым и вторым входами сумматора 48, выход которого

подключен к входу третьего ЦАП 53, а выход последнего - к второму входу третьего делителя 58. Выход первого элемента И 63 соединен с первыми входами счетчиков 49 и 50, выходы которых подключены соответQ ственно к входу первого ЦАП 51 и первому входу (вход информационный D) элемента 55 памяти, выход последнего подключен к входу второго ЦАП 52. Выход первого ЦАП 51 подключен к первому входу третьего делителя 58, выход которого соединен с вторым

5 входом регистратора 69, входом указателя 68 VP и вторым входом второго делителя 57, а выход второго ЦАП 52 подключен к первому входу первого делителя 56, второй вход которого соединен с выходом четвертого ЦАП 54, а выход - с первым входом регистрато ра 69, входом указателя 67 Vm и первым входом второго делителя 57. Первый вход компаратора 59 соединен с задатчиком 66 коэффициента С,, второй - с выходом второго делителя 57, а выход компаратора 59

5 через второй элемент 62 задержки соединен с вторым входом (вход R) первого счетчика 49, а также с первым входом (вход S) RS-триг- гера 60, выход которого является выходом анализатора 7; второй вход (вход R) RS-триг- гера 60 подключен к первому неподвижному

0 контакту кнопки 70 «Сброс и одному из выводов резистора 71, второй вывод которого соединен с общим проводом анализатора; второй подвижный контакт кнопки 70 подключен к одному из выводов резистора 72, второй вывод которого подключен к -t-Unn.

5 Номиналы резисторов 71 и 72 обеспечивают при разомкнутой кнопке 70 на входе RS-триг- гера 60 низкий уровень напряжения - «О, а при замкнутой - «1, последнее приводит к сбросу RS-триггера 60.

-Q Блок 46 формирования временных интервалов (фиг. 5) содержит таймер 73, триггер

74типа D, счетчик 75 двоичный реверсивный, счетчики 76 и 77 двоичные, элемент 78 памя ти, элементы И 79 и 80, элемент ИЛИ 81, элемент НЕ 82 и элемент 83 задержки. Вы5 ход таймера 73 подключен к первым входам элементов И 79 и 80, вторые входы которых соединены соответственно с первым выходом (Q) и вторым выходом (Q) D-триггера 74, второй вход последнего (вход D) является вторым входом блока, а первый вход (вход С)

50 D-триггера 74 подключен к выходу элемента ИЛИ 81. Первый вход блока является первым входом (инф. вход D) счетчика 75 реверсивного, второй вход которого (вход-1) подключен к выходу первого элемента И 79 и первому входу (счетный вход) первого счет- чика 76, выход последнего является вторым выходом блока; выход заема (0) счетчика

75реверсивного подключен к входу элемента НЕ 82, выход последнего соединен с

третьим входом (вход предварительной установки С) счетчика 75 реверсивного и выходом элемента 83 задержки, а также является первым выходом блока. Выход второго элемента И 80 соединен с первым входом (счетный вход) второго счетчика 77, выход которого подключен к первому входу (вход D) элемента 78 памяти, выход последнего является третьим выходом блока. Третий вход блока является первым входом элемента ИЛИ 81 и входами сброса (R) счетчиков 75-77 и элемента 78 памяти, а также входом элемента 83 задержки; четвертый вход блока является вторым входом элемента ИЛИ 81 и вторым входом (вход С) элемента 78 памяти.

Устройство работает следующим образом.

25

30

В процессе бурения (углубления) бурильный инструмент опускается в скважину и на первый вход блока 15 определения, перехода 20 .к СПО (фиг. 2), а значит - на второй вход первого элемента И 31, с выхода «+ ДПТБ 2 поступают импульсы, число которых пропорционально величине проходки. В соответствии с требованием технологии через определенный интервал времени бурения или через определенный интервал проходки бурильщик выполняет «подрыв инструмента, т. е., не прекращая промывки, поднимает бурильную колонну на длину ведущей трубы и затем вновь опускает ее на забой и продолжает бурение. Во время выполнения «подрыва и подъема инструмента импульсы с щины «- ДПТБ поступают на второй вход блока 15, а значит - на второй вход второго элемента И 32. Однако указанные импульсы не проходят на счетные входы счетчика 26 реверсивного, так как на первых входах элементов И 31 и 32 установлен сигнал «О, поступающий с выхода третьего элемента И 34. Уровень указанного сигнала будет нулевым на протяжении всего бурения, при этом на выходе блока 15 также будет присутствовать сигнал «О. Действительно, в ходе бурения осуществляется непрерывная ц.иркуляция промывочной жидкости в скважине, при этом с выхода СН 3 на четвертый вход блока поступает единичный сигнал, который подается на второй вход элемента ИЛИ-НЕ 33 и вход третьего элемента НЕ 37, а с выхода последнего, сигнал «О подается на второй вход третьего элемента И 34. В процессе бурения сигнал

40

45

В ходе бурения возможны кратковременные (аварийные) остановки циркуляции. В этих ситуациях с целью исключения прихвата инструмента бурильную колонну проворачивают ротором и время от времени расхаживают на длину ведущей трубы. При этом на первом и втором входам и выходе элемента ИЛИ-НЕ 33 сигналы имеют уровни соответственно «1, «О и «О. На первом- третьем входах и выходе третьего элемента И 34: «О, «1, «1 и «О. Если при отсутствии циркуляции в скважине останавливают ротор, то на выходах элементов ИЛИ-НЕ 33 и И 34 появляется «1. В момент перехода сигнала на входе С счетчика 26 с «О на «1 происходит предварительная установка счетчика 26 и в нем записывается число (на всех информационных выходах 1, 2, 4, 8... установлены «1). Этому числу ставится в соответствие некоторый заданный путь талевого блока см 40,96 41 м.

Единичный сигнал, установивщийся на 3 первых входах элементов И 31 и 32, разре- щает прохождение импульсов с выходов «-f и «- ДПТБ 2 на входы соответственно прямого ( + 1) и обратного (- 1) счета счетчика 26 реверсивного. При подъеме бури.1Ь- ной колонны во время расхаживания инструмента импульсы поступают на вход ( - 1) счетчика 26 и двоичное число, соответствующее сигналу на его выходе, уменьшается до некоторого значения

S(t)S;u,A -п (t)4096-п (t), (5) где n(t) -число импульсов, поступивших на вход (- 1) счетчика 26.

Число п.- (t) пропорционально пути S-(t), на который был поднят бурильный инструмент (талевый блок) при расхаживании. Путь S-(t) может находиться в диапазоне

с ДМ 4, поступающий через третий вход so от О до U, где Ic - длина бурильной свечи.

блока на первый вход элемента ИЛИ-НЕ 33 и вход второго элемента НЕ 36 также имеет уровень «1. В результате на первом входе третьего элемента И 34 устанавливается сигнал «О. При бурении вес на крюке Qg мень- ще полного веса бурильной колонны ОБ к на величину нагрузки на долото Р (Qs QE.X - --Р), причем он превышает вес одной буриль ной свечи g (в качестве g принимается вес

55

Для отечественных условий характерны два типоразмера свечей: К-в м и м. чему соответствует диапазон измсмк-ипя n-(t)(tX3700. Из последне1Ч) и выражения (5) следует, что число на счетчика 26 реверсивного при расхал ива- нии колонны изменяется в диапазоне 4096 S (t) 396, т. е. оно никогда к этих условиях не может ДОСТИГНУТЬ шмя. чему COOTBOI0

5

5

0

0

0

5

наиболее тяжелой свечи труб в бурильной колонне). На первый и второй входы компаратора 30 поступают сигналы напряжения соответственно U,, и Us, пропорциональные qcB и ОБ, с задатчика 38 и пятого входа блока. Компаратор 30 проверяет выполнение условия

).cB,(4)

при выполнении которого на выходе его и на третьем входе третьего элемента И 34 устанавливается «1, в противном случае - «О. Из сказанного ясно, что в ходе бурения сигнал «О установлен также на выходе элемента ИЛИ-НЕ 33 и входе С счетчика 26 реверсивного.

В ходе бурения возможны кратковременные (аварийные) остановки циркуляции. В этих ситуациях с целью исключения прихвата инструмента бурильную колонну проворачивают ротором и время от времени расхаживают на длину ведущей трубы. При этом на первом и втором входам и выходе элемента ИЛИ-НЕ 33 сигналы имеют уровни соответственно «1, «О и «О. На первом- третьем входах и выходе третьего элемента И 34: «О, «1, «1 и «О. Если при отсутствии циркуляции в скважине останавливают ротор, то на выходах элементов ИЛИ-НЕ 33 и И 34 появляется «1. В момент перехода сигнала на входе С счетчика 26 с «О на «1 происходит предварительная установка счетчика 26 и в нем записывается число (на всех информационных выходах 1, 2, 4, 8... установлены «1). Этому числу ставится в соответствие некоторый заданный путь талевого блока см 40,96 41 м.

Единичный сигнал, установивщийся на первых входах элементов И 31 и 32, разре- щает прохождение импульсов с выходов «-f и «- ДПТБ 2 на входы соответственно прямого ( + 1) и обратного (- 1) счета счетчика 26 реверсивного. При подъеме бури.1Ь- ной колонны во время расхаживания инструмента импульсы поступают на вход ( - 1) счетчика 26 и двоичное число, соответствующее сигналу на его выходе, уменьшается до некоторого значения

S(t)S;u,A -п (t)4096-п (t), (5) где n(t) -число импульсов, поступивших на вход (- 1) счетчика 26.

Число п.- (t) пропорционально пути S-(t), на который был поднят бурильный инструмент (талевый блок) при расхаживании. Путь S-(t) может находиться в диапазоне

от О до U, где Ic - длина бурильной свечи.

Для отечественных условий характерны два типоразмера свечей: К-в м и м. чему соответствует диапазон измсмк-ипя n-(t)(tX3700. Из последне1Ч) и выражения (5) следует, что число на счетчика 26 реверсивного при расхал ива- нии колонны изменяется в диапазоне 4096 S (t) 396, т. е. оно никогда к этих условиях не может ДОСТИГНУТЬ шмя. чему COOTBOIствуст единичный уровень сигнала на выходе ) счетчика и «О - на выходе блока 15.

При возобновлении циркуляции или (и) вращения бурильной колонны блок 15 возвращается в исходное состояние. Бурение может быть цродолжено.

После заверщения очередного рейса и предподъемной промывки скважины осуществляется подъем бурильной колонны на длину ведущей трубы, отвинчивание последней и опускание в щурф. Затем осуществляется дальнейщий подъем колонны на длину ICB. В ходе цикла подъема первой свечи S(t) по (5) в некоторый момент времени обнуляется, т. е. все разряды информационного выхода счетчика 26 реверсивного обнуляются. В этот момент времени сигнал на выходе (0) счетчика принимает нулевое значение, а на выход блока 15 поступает импульс «1, свидетельствующий о начале СПО.

Импульс «1 поступает с выхода блока 15 в момент начала СПО (фиг. I) на третий вход блока 16 определения перехода к бурению и третий вход анализатора 7 рейсовой скорости. Это приводит (фиг. 3) к сбросу D-триггера 42, т. е. установке на его первом выходе сигнала «О, а на втором его выходе и втором входе, а также на втором входе второго элемента И 41, сигнал «1. При этом на выходе блока 16 устанавливается нулевой уровень сигнала.

Единичный импульс с блока 15 определения перехода к СПО проходит на третий вход блока 46 и далее - на вход элемента 83 задержки, на входы сброса (R) четвертый, второй, второй и третий соответственно счетчика 75 реверсивного, счетчика 76, счетчика 77 и элемента 78 памяти, а также через первый вход элемента ИЛИ 81 на первый вход (вход С) D-триггера 74 (фиг. 4 и фиг. 5). Это приводит к обнулению информационных выходов счетчиков и элемента 78 памяти, а значит к обнулению выходов первого- третьего блока 46 формирования временных интервалов.

В момент прихода единичного импульса на вход С D-триггера 74 на его входе D, являюп1.емся вторым входом блока 46 и вторым входом анализатора 7, был установлен нулевой уровень сигнала, так как промывка нри СПО отсутствует. Поэтому по переднему (|)|10нту имнулЕК-а па первом (Q) и втором (Q) выходах триггера 74 установятся соот- ис тственно «О и «I. Сигнал «1 с второго выхода триггера 74 поступает на второй вход второго элемента И 80 и удерживается в течение всего времени спуска-подъема, раз- |)е111ая прохождение единичных импульсов с выхода таймера 73, поступающих на первый вход второго элемента И 80, на первый вход (счетный вход) второго счетчика 77. С периодом Т„ 1 мин двоичный сигнал на выходе второго счетчика 77 возрастает на единицу, таким образом, на его выходе формируется сигнал, пропорциональный времени tcMo в минутах, прощедшему с начала СПО, который подается на первый вход (инф. вход D) элемента 78 памяти. Учитывая то, J что время, затрачиваемое на СПО, на глубоких скважинах, проводимых в сложных геолого-технических условиях, может достигать 30 ч и более, счетчик 77 и элемент 78 памяти должны быть двенадцатиразрядными.

После полного извлечения бурильной колонны из скважины и замены породораз- рущающего инструмента буровая вахта начинает спуск колонны. После спуска четвертой части УБТ вес на крюке достигает ве- 2 личины ,, при этом на выходе компаратора 44 (фиг. 3) устанавливается сигнал «1, так как компаратор проверяет выполнение условия

,(6)

сигнал «1 устанавливается на первом вхо- 0 де первого элемента И 40. Спуск бурильной колонны продолжается.

После заверщения спуска всех бурильных свечей на колонну навертывается ведущая труба и запускаются в работу буровые насосы, начинается промывка скважины. В этот момент единичный сигнал появляется на первом входе блока 16 и втором входе первого элемента И 40. Бурильная колонна медленно опускается до забоя скважины, в это

Q время происходит вымывание с забоя осев- щего за время СПО щлама.

Перед началом бурения производится операция «взвещивания инструмента путем установки на нуль стрелки блока 13 измерен ия осевой нагрузки и корректировка уставок

5 анализаторов 5, 6 и 8 и блоков контроля. По достижении долотом забоя блок 12 контроля положения бурового инструмента приводится в исходное нулевое состояние и запускается в работу; начинается бурение. В момент начала бурения на второй вход

0 блока 16 (фиг. 3) приходит сигнаЛ «1, который поступает на третий вход первого элемента И 40, а с выхода последнего - на первый вход второго элемента И 41. По переднему фронту единичного импульса,

г поступающего с выхода второго элемента И 41 и на первый вход (вход С) D-триггера 42, последний устанавливается, т. е. на его первом выходе (Q) появ тяется сигнал «1, а на втором выходе (Q) - нулевой сигнал. Единичный сигнал с первого выхода

0 D-триггера 42 поступает на вход элемента 43 дифференцирования, а с выхода последнего импульс «1 проходит на выход блока 16, свидетельствуя о переходе к бурению, и далее - на четвертый вход анализатора 7 рейсовой скорости (фиг. 4).

5Указанный единичный импу.-1ьс Иу,;:;стгя

на четвертый вход блока 46 формироиания временных интервалов (фиг. 4 и 5) и далее на второй вход (вход (( э.к-ментн 7м

1 1

памяти и через второй вход элемента ИЛИ 81 на первый вход (вход С) D-триггера 74 По единичному импульсу на входе С элемента 78 памяти в последнем запоминается время, затраченное на СПО Тсно; двоичный сигнал, пропорциональный ,:устанавливается на третьем выходе блока 46 на все время выполнения рейса бурения.

В момент прихода единичного импульса на вход С D-триггера 74 на его входе D был установлен единичный уровень сигнала, так как буровые насосы находятся в работе и обеспечивают промывку скважины. Поэтому по переднему фронту импульса на первом (Q) и втором (Q) выходах D-триггера 74 установятся соответственно «1 и «О. Сигнал «1 с первого выхода (Q) триггера 74 поступает на второй вход первого элемента И 79 и удерживается в течение всего времени бурения, разрешая прохождение единичных импульсов с выхода таймера 73 на первый вход (счетный вход) первого счетчика 76 и второй вход (вход-1) счетчика 75 реверсивного. На выходе первого счетчика 76 и втором выходе блока 46 формируется двоичный сигнал, соответствующий вре мени to в минутах, прошедшему с момента начала бурения.

После очистки счетчика 75 реверсивного через выдержку времени ,l мкс происходит предварительная установка счетчика 75 по переднему фронту импульса, посту: нающего на третий вход (вход S) счетчика 75 с выхода элемента 83 задержки, вследствие чего в счетчике записывается число At в двоичной форме. Сигнал At поступает на первый вход (инф. вход D) счетчика 75 через первый вход блока 46 с задатчи- ка 47 At.

При использовании в качестве счетчика 75 четырехзарядного реверсивного счетчика At можно выбирать из интервала At (2-16) мин. Предположим, что в задатчик 47 введено мин. Тогда импульсы, поступающие на вход (1) счетчика 75 с пе- риодо. мин,будут непрерывно уменьшать содержимое счетчика. Через 5 мин пос- /le начала бурения выход счетчика 75 об- нулится, а нулевой импульс с выхода заема «0) его поступит на вход элемента НЕ 82, а импульс «1 с выхода последнего - на первый выход блока 46 и третий вход (вход С) счетчика 75 реверсивного, вновь осуществляя предварительнук уставку счетчика 75 реверсивного.

Таким образом, в течение всего рейса долота па первом выходе блока 46 с периодом T., будут появляться единичные импульсы, на втором выходе формируется двоичный сигнал /и, а на третьем выходе установлен зафиксированный сигнал ,, все три сигнала организуют функционирование анализатора 7 рейсовой скорости.

После приработки лолота произр.олшся операция поиска эффективной oceBoii 1|агг)з12

10

20

ки Р,ф. Причем в качестве последней принимается осевая нагрузка, соответствующая максимуму механической скорости V- м.-.к или величине ей пропорциональной -- первой производной осевой нагрузки по времени dP/dt.

Операция поиска эффективной осевой на грузки заключается в следующем. Нагрузка на долото турбобура доводится до значения, близкого к тормозному, и подача инструмента прекращается. При этом на вход анализатора 5 осевой нагрузки (фиг. 1) поступает сигнал об изменении осевой нагрузки во времени P(t), который фильтруется от низкочастотных помех, дифференцируется и поступает в узел анализа максимума функции dP/dt, который управляет двигателем следящей системы указателя 18 эффективной осевой нагрузки Рэф. Последний отслеживает сглаженную осевую нагрузку до величины, :оответствующей максимуму ее производной. Найденное устройством Рэф поддерживается оператором-бурильщиком, при этом бурение осуществляется в оптимальном режиме.

5 Анализатор 6 повторения поиска эффективной осевой нагрузки получает информацию об изменении текущей проходки во времени h(t) от ДПТБ 2. На основе этой информации анализатор определяет момент времени, когда забойные условия существенно изменятся, что определяется изменением отноц ения текущей ме.ханической скорости Ум(1) к начальной (после установления эффективной осевой нагрузки) в заданное число раз. И если при этом выполняются условия, связанные с первым (I) и вторым 5 (11) пуско-остановочным входами, анализатор ,6 выдает командный сигнал на световое табло 19 «Повторить поиск.

Анализатор 7 рейсовой скорости (фиг. 4) на основе информации о текущей проходке Q h(t), получаемой по первому входу анализатора от ДПТБ 2, производит вычисление текущих механической Vv(t) и рейсовой V,,(t) скоростей бурения в соответствии с выражениями (2) и (3), а затем проверяет выполнение условия (1). Если ус.ювия, свя- 5 занные с I и И пуско-остановоч;-1ым.и входами выполняются, то на этих входах i п II анализатора 7 рейсовой скорости (фиг. -1) сигналы имеют неактивный уровень «О, при этом на выходе элемента ИЛИ-НЕ 65 установлен единичный сигнал, который подается на первые входы первого и второго элементов И 63 и 64 и разрешает прохождение единичных импульсов, подаваемых на BTOpi ie входы элементов И 63 и 64 соответственно с шипы «-f ДПТБ 2 и первого выхода блока 46. на выход первого элемента И 63 и далее па первые входы (счетные входы) счетчиков 49 п 50 и на выход второго элемента П 64 и дплсс па вход nepBOi o э.чсмепга til задержки п вход (Bxo.4(j

0

0

5

1461881

13

элемента 55 памяти. Счетчики 49 и 50 осуществляют суммирование импульсов проходки, при этом на выходе первого счетчи- каЧэ формируется возрастающий непрерывно по величине двоичный сигнал проходки с начала рассматриваемого рейса h(t): h(t) U«- N+{t) l,0-N+{t) N+(t),cM (7)

(1) -число импульсов, поступивших на счетный вход счетчика 49 с начала рассматриваемого рейса,

а на выходе второго счетчика 50 формируется возрастающий по величине двоичный сигнал приращения проходки Ah{t) только в течение минут, затем сигнал обнуляется и вновь начинает расти - определяемся новое значение Ah(t) за следующий промежуток времени At. В момент заверщения очередного интервала мин на второй вход (вход С) элемента 55 памяти поступает единичный импульс, по переднему фронту которого сигнал Ah(t), накопившийся за истекший период At и поступив1пий на первый вход (инф. вход D) элемента 55 памяти, запоминается и устанавливается на выходе элемента 55 памяти, а по истечении выдержки времени ,1 мкс выход второго счетчика 50 обнуляется. Таким образом, на выходе элемента 55 памяти всегда установлен двоичный сигнал, пропорциональный Ah(t), который подается на второй вход ЦАП 52, аналоговый сигнал с выхода которого Ah(t) поступает на первый вход первого делителя 56, на втором входе последнего установлен аналоговый сигнал At, поступающий с выхода четвертого ЦАП 54, на вход которого подается сигнал At с выхода задат- чика 47 At в цифровой форме. Сигнал Ум с выхода первого делителя 56, полученный в соответствии с выражением (2), поступает на вход указателя 67 Ум, первый вход регистратора 69 и первый вход второго делителя 57. На второй вход второго делителя 57, а также на вход указателя 68 Ур и второй вход регистратора 69 поступает аналоговый сигнал Ур, полученный в соответствии с выра- дением (3), с выхода третьего делителя 58, на первый вход которого поступает аналоговый сигнал h(t) с выхода первого ЦАП 51, а на второй вход - аналоговый сигнал (tn-f Тсио) с выхода третьего ЦАП 53, последний получается в результате преобразования цифрового сигнала (te+Tim), поступаюн его на вход третьего ЦАП 53 с выхода сумматора 48, на первый и второй входы которого с второго и третьего выходов блока 46 формирования временных интервалов соответственно подаются цифровые сигналы tc. и Tiu,. Сумматор 48, первый счетчик 49 и первый и третий ЦАП 51 и 53 должны быть выполнены двенадцатиразрядными; второй счетчик 50, элемент 55 памяти и второй ЦАП 52 восьмиразрядными; ЦАП 54 - четы- рех)азрядным.

14

Сигнал с выхода второго делителя 57 в соответствии с (1) подается на второй вход компаратора 59, на первый вход которого подается аналоговый постоянный по величине сигнал с задатчика 66;, пропорциональный С„. Компаратор 59 осуществляет проверку выполнения условия (1). При выполнении условия (1) единичный сигнал с выхода компаратора 59 поступает на вход второго элемента 62 задержки и первый вход (вход S) RS-триггера 60, который устанавливается; сигнал «1 с выхода RS-триггера 60 поступает на выход анализатора 7 и далее - на третий вход блока 17 индикации и световое табло 20 «Износ вооружения,

5 сигнализирующее оператору-бурильщику об износе вооружения до целесообразной величины, связанной с достижением действительного значения максимума рейсовой скорости Ур maxПо истечении выдержки времени Об2 0 1,0 с по. переднему фронту импульса «1, поступающего с выхода второго элемента 62 задержки на второй (вход R) вход первого счетчика 49, последний сбрасывается. Анализатор 7 готов к функционированию в следующем рейсе.

40

5

Восприняв информацию со светового табло 20 «Износ вооружения, оператор-бурильщик прекращает бурение и начинает предподъемную промывку скважины; для по- 30 гашения светового табло 20 он нажимает кнопку 70 «Сброс.

Анализатор 8 заклинивания опор долота (фиг. 1) в процессе бурения получает информацию об изменении во времени мощности на приводе проворота роторного стола от 35 ДМ 4, формирует отношение текущей мощности к мощности при нормальном состоянии долота и сравнивает его с заданной величиной. При превышении этим отношением заданной величины и превышении продолжительностью увеличенного сигнала заданно й величины, а также при выполнении условий, связанных с 1 и II пуско-остановочными входами, анализатор 8 формирует один из командных сигналов с выходом на световое табло; с первого выхода на 21 «Изношена опора или с второго выхода на 22 «Остановка турбобура. Причем с целью разделения сигнала заклинивания долота от остановки турбобура анализатор 8 через третий (111) распределительный вход производит контроль первой производной осевой 50 нагрузки по времени dP/dt при остановленной подаче инструмента. Если значение первой производной осевой нагрузки по времени больше заданного (dP/dt Co), выход анализатора подключается к световому табло 21 «Изношена опора. Если же значение первой производной осевой нагрузки по времени меньше заданного (dP/dt Co), второй выход анализатора включает световое табло 22 «Останов ка турбобура.

45

55

15

Функции пуско-остановочных входов анализаторов 6-8 заключаются в следующем. При любом отклонении текущей осевой нагрузки Р от эффективного значения Рэф на величину ±АР, устанавливаемого с номощью задатчика 24, блок 10 контроля осевой нагрузки через I пуско-остановочный вход этих анализаторов прерывает их функционирование, а при возвращении параметра в заданные пределы автоматически запускает их в работу без потери предыдущей информации.

При отрыве бурильного инструмента от забоя также прекращается функционирование этих анализаторов от блока 12 контроля положения бурильного инструмента через вторые II пуско-остановочные входы их, а при повторном достижении забоя осуществляется их автоматический запуск также без потери предыдущей информации.

В предлагаемом устройстве автоматизированы процессы вычисления времени, затрачиваемого на выполнения СПО Тсно и ввода численного значения параметра Тспо в анализатор рейсовой скорости, благодаря чему оператор-бурильщик освобождается от необходимости ручного ввода параметра и связанного с этим прерывания технологического процесса, благодаря-чему улучща- ются условия для оптимальной отработки

ДО. ЮТ.

Формула изобретения

. Устройство для контроля и управления процессом турбинного бурения, содер- жан1ее датчик перемещения талевого блока, датчик крх тящего момента на роторе, задатчик коэффициента останова, подключенный к первому входу блока контроля первой производной осевой нагрузки по времени, носледовате;|ьно соединенные датчик веса, блок измерения осевой нагрузки и анализатор осевой нагрузки, первый выход которого соединен с вторым входом 6, ioRa контроля первой производной осевой нагрузки по времени, блок контроля осевой нагрузки к входам которого соответственно подключены задатчик предела осевой нагрузки, второй выход блока измерения осевой нагрузки и второй выход анализатора осевой нагрузки, блок измерения веса и задатчик веса, выходы которых соединены с блоком контроля веса бурового инструмента, вход блока измерения веса подключен к выходу датчика веса, блок контроля положения бурового инструмента, к первому входу которого подключен датчик перемещения талевого блока, а к второму его входу под- к.тючен выход блока контроля веса бурового инструмента, анализатор повторения поиска эффективной осевой нагрузки, анализатор рейсовой скорости и анализатор заклинивания опор , подключенный к датчику крутящего момента на роторе, выход блока контроля осевой нагрузки соединен с нер16

выми входами анализаторов повторения поиска эффективной осевой , рейсовой скорости и заклиннвания опор до.чота. вторые входы которых соединены с выхо.юм г блока контроля положения бурового и.чстру- мента, выход блока контроля первой производной осевой нагрузки по времени соединен с третьим входом анализатора заклинивания опор долота, выходы которого соответственно соединены со световым табло

«Изнощена опора и «Остановка турбобура, второй выход анализатора осевой нагрузки и выход анализатора повторения поиска эффективной осевой нагрузки соединены соответственно с указателе.м эффективной осевой

2 нагрузки и со световым табло «Повторить поиск, выход анализатора рейсовой скорости подключен к световому табло «Изнощено вооружение, отличающееся тем, что, с целью повышения точности, устройство снабжено блоком определения перехода к спуско0 подъемным операциям, блоком определения перехода к бурению li сигнализатором состояния буровых насосов, при этом выход датчика перемещения талевого блока соединен с первым и вторым входами блока опредеf ления перехода к спуско-подъемным операциям, выход датчика крутящего момента на роторе подключен к третьему входу блока определения перехода к спуско-подъемным операция.м, выход сигнализатора состояния буровых насосов соединен с первы.м входом

Q блока определения перехода к бурению, с вторым входом анализатора рейсовой скорости и с четвертым входом блока определения перехода к спуско-подъемным операциям, выход которого подключен к третьему входу анализатора рейсовой скорости,

5 выходы датчика крутящего момента и блока определения перехода к спуско-под1 емным операциям соединены соответственно с вторым и третьим входами блока определения перехода к бурению, выход которого подключен к четвертому входу анализатора рейсовой скорости, а выход датчика веса соединен с четвертым и пятым входами б.ю- ков определения перехода к бурению и спуско-подъемным операциям соответственно.

5 2. Устройство по и. I, от.и :ию1цеес.ч тем, что блок определения перехода к спуско- подъемным операциям )жит реверсивный счетчик, три элемента 11, три элемента НЕ, элемент 1ЛИ-Н - . компаратор п за- датчпк веса свечи, при этом выходы перв01Ч)

0 и второго э.1ементов 11, а также элемснто ИЛ И-НЕ соединены соответственно с входами прямого счета, обратного счета , предварительной установки реверсивного счетчика, выход которого соединен с входом первого элемента НЕ, выход1 второго и TJICTI O5 го элементов НЕ подключены соответственно к первому и второму входам гретьего э.ю- мента II. выход которого соединен с ,iMii входами первою и второго э.чсментов 11. lUii0

1461881

ход задатчика веса свечи соединен с первым входом компаратора, выход которого под- к.пючен к третьему входу третьего элемента И, причем вторые входы первого и второго элементов И являются соответственно первым и вторым входами блока, первый и второй входы элементов ИЛИ-НЕ, а также входы второго и третьего элементов НЕ являются соответственно третьим и четвертым входами блока, второй вход компаратора является пятым входом блока, а выход первого элемента НЕ является выходом блока.

3.Устройство по п. 1, отличающееся тем,, что блок определения перехода к бурению содержит два элемента И, D-триггер, элемент дифференцирования, компаратор и за- датчик веса, при этом выход первого элемента И соединен с первым входом второго элемента И, выход которого подключен к входу синхронизации D-триггера, прямой выход D-триггера соединен с входом элемента дифференцирования, а обратный - с вторым входом второго элемента И и с информационным входом D-триггера, выход задатчика веса соединен с первым входом компаратора, выход которого подключен к первому входу первого элемента И, причем второй и третий входы первого элемента И являются соответственно первым и вторым входами блока, вход сброса D-триггера является третьим входом блока, второй вход компаратора является четвертым входом блока и выход элемента дифференцирования является выходом блока.

4.Устройство по п. 1, отличающееся Гем, что анализатор рейсовой скорости содержит блок формирования временных интервалов, задатчик времени усреднения механической скорости, сумматор, два счетчика, четыре цифроаналоговых преобразователя, элемент памяти, три делителя, компаратор, RS-триг- гер, два элемента задержки, два элемента И, элемент ИЛИ-НЕ, задатчик коэффициента, указатели механической и рейсовой скоростей, регистратор и кнопку «Сброс, при. этом выход первого элемента И соединен со счетными входами первого и второго счетчика, выход которого подключен к информацион,ному входу элемента памяти, выход первого счетчика соединен с входом первого цифро- ана. югового преобразователя, выход элемента памяти подключен к входу второго циф- роаналогового преобразователя, выход которого соединен с первым входом первого делителя, выход первого делителя подключен к первым входам второго делителя и регистратора, а также к входу указателя механической скорости, вход первого цифроаналогово- го преобразователя соединен с первым входом третьего делителя, выход которого подключен к вторым входам второго делителя и регистратора, а также к входу указателя рейсовой скорости, выход сумматора через

18

третий цифроаналоговый преобразователь соединен с вторым входом третьего делителя, выход задатчика времени усреднения механической скорости соединен с первым входом

блока формирования временных интервалов и через четвертый цифроаналоговый преобразователь - с вторым входом первого делителя, выход элемента ИЛИ-НЕ соединен с первыми входами первого и второго элемента И, выход которого подключен к входу синхронизации элемента памяти и через первый элемент задержки - к входу сброса второго счетчика, три вы.хода блока формирования временных интервалов соединены соответственно с вторым входом второго элемен5 та И, а также с первым и вторым входами сумматора, выходы задатчика коэффициента и второго делителя соединены соответственно с первым и вторым входами компаратора, выход которого подключен к S-входу

„ RS-триггера и через второй элемент задержки - к входу сброса первого счетчика, а выход кнопки «Сброс соединен с R-входом RS-триггера, причем второй вход первого элемента И является первым входом анализатора, второй, третий и четвертый входы

5 блока формирования временных интервалов являются соответствуюцдими входами анализатора, первый и второй входы элемента ИЛИ-НЕ являются соответствующими пус- коостановочными входами анализатора, а выход RS-триггера является выходом анали0 затора рейсовой скорости.

5. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что блок формирования временных интервалов содержит таймер, D-триггер, реверсивный счетчик, два счетчика, элемент па- 5 мяти, два элемента И, элемент ИЛИ, элемент НЕ и элемент задержки, при этом выход таймера соединен с первыми входами первого и второго элементов И, выходы которых подключены к счетным входам соответ4Q ствующих счетчиков, выход первого элемента И соединен также с входом обратного счета реверсивного счетчика, выход которого соединен с входом элемента НЕ, выход элемента ИЛИ соединен, с входом синхронизации D-триггера, прямой и обратный вы45 ходы которого подключены к вторым входам первого и второго элементов И соответ- ственно,выход элемента задержки соединен с входом предварительной установки реверсивного счетчика, а выход второго счетчика - с информационным входом элемента памяти,

50 причем информационный вход реверсивного . счетчика является первым входом блока, информационный вход D-триггера является вторым входом блока, первый вход элемента ИЛИ, вход элемента задержки, а также выходы сброса реверсивного счетчика, эле- мента памяти и двух счетчиков являются третьим входом блока, второй вход элемента ИЛИ и вход разрешения записи элемента памяти являются четвертым входом

19

20

блока, выходы элементов задержки и НЕ являются первым выходом блока, а выходы первого счетчика и элемента памяти являются соответственно вторым и третьим выходами блока формирования временных интервалов.

Фиг.З

II

Фиг.