Способ оптимизации ударного бурения Советский патент 1990 года по МПК E21B49/00 

Изобретение относится к способу ,оптимиза1ЩИ ударного бурения.

Цель изобретения - повышение эффективности процесса бурения.

На фиг, 1 и 2 показана диаграмма изменения волн сжатия в результате изменения мощности подачи бурильной машины; на Фиг. 3-6 - диаграммы изменения спектров волн сжатия в результате изменения мощности подачи бурильной машины; на фиг. 7 - блок-схема устройства регулирования на основе предлагаемого способа, основанная на спектральном анализе волн сжатия; на фиг. 8 - пример типичной формы начального участка волны сжатия-;

на фиг. 9 - блок-схема устройства автоматического регулирования,, основанная на анализе формы волны сжатия , на фиг. 10 - блок-схема вспомогательного оборудования устройства регулирования, основанного на анализе формы волны сжатия бурильщиком.

Специфическим для ударного бурения является то, что при каждом ударе по буровой штанге в последней образуется импульс сжатия, который распространяется вдоль буровой штанги до ее конца.

Часть импульса сжатия отражается назад и распространяется в направлении к буровой коронке. Совокупность

сд ел

Од 4

ы

импульсов сжатия и отражения образует волну сжатия.

Сущность изобретения в том, что измеряют волну сжатия, образованную в буровой штанге, и регулируют управляемые переменные процесса бурения на основе разницы меж;цу формой из- меренной волны сжатия (или интенсивностью различных ее участков) и нор- мальной -формой (или нормальными вели- чинами волны сжатия), по,т1ученными экспериментально.

Волну сжатия можно измерить несколькими различньпуи способами, на- пример электрическим, магнитным, оптическим. Волну сжатия можно измерит в нескольких точках буровой штанги, например в двух. Измерение, выполненное в более чем в одной точке, име-. ет то преимущество, что волну ежа- тия можно тем самым поделить на сос- тавляютще, различающиеся направлениями перемещения : одна составляющая ; распространяется к горной породе, другая отражается от горной породы. При этом появляется возможность получить значительно больше информации о процессе бурения, чем при измерении волны сжатия в одной точке, Измере- ние, выполненное в нескольких точках, ; особенно целесообразно в случае короткой буровой штанги.

В качестве инф.ормативных парамет- : ров регистрнруе1 $ьп{ волн сжатия, по которым осуществляется регулирование, могут использоваться: интенсивность исходной и отраженной составляющей волны, ее полная энергия, скорость затухания, скорость нарастания или затухания ударного импульса и т.д.

В контуре регулирования может быть использован микропроцессор. А само регулирование направлено на миними- зацию отклонений между измеренными информативными параметрами волн сжатия и их эталонными значениями.

Для иллюстрации изобретения ниже приведены три различных варианта pea-t лизации предлагаемого способа.

Первый вариант реализации основан на использованз;1и скорости затухания волны сжатия, Как было сказано, каждый удар по буровой штанге обусловлимает в ней появление импульса сжатия, который образует посте пенно затухающую волну сжатия, поочередно отраженную от обоих концов

с fo

15 2025 ЗО 3540

45

«-,,

5

штанги. Скорость затухания лучше го можно наблюдать при изучении огибающей волны сжатия. Волна сжатия i затухает с большей скоростью, если увеличить мощность удара и ход штанги в горную цороду. На фиг. 1 и 2 показано как изменяется огибающая волна сжатия в результате изменения мощности подачи бурильной машины: на фиг. 1 - когда мощность-подачи высокая, а на фиг. 2 - малая.

Скорость затухания может быть определена, например, в течение временного периода, когда амплитуда импульсов отражения падает ниже заданного опорного уровня. При этом опорный уровень может быть или фиксированным или составлять определенный процент от амплитуды первого импульса.

Другой вариант реализации основан на измерении спектров волн сжатия. На фиг. 3-6 показаны спектры сжатия, соответствуюпще следующим величинам . давлений подачи: 90, 80, 60 и 40 бар. Видно, что условия с избыточным значением подйчи обусловливают образование характерного пика в спектре на ча:стоте удара маЕины, точка которого обозначена отметкой IT (фиг. 3) . Условия с недостаточным значением подачи обусловливают появление соответствующего пика на резонансной частоте буровой штанги, точка которого обозначена отметкой RT (фиг. 5). Если мощность подачи является приемлемой, то спектр будет относительно ровным (фиг. 4),

Для регулирования бурильной машины нет необходимости Измерять полный ее спектр. Наиболее интересными участками последнего являются частота удара бурильной машины и резонансная частота илIi частоты буровой штанги. Регулирование мощности подачи может быть основано на указанных частотных составляющих. Однако очевидно, что частоты гармоник резонансных частот буровол штанги или частота удара могут быть использ ованы дополнительно.

Если в качестве характерньк признаков процесса бурения использовать характерные частоты, то спектральный анализ, предназначенный для их выделения, можно реализовать посредством ряда полосовых фильтров. Блок-схема такого устройства (фиг. 7) содержит детектор 1 волны сжатия, предусилитель 2, усилитель 3, полосовые фильтры 4-7, устройство 8 регулирова- ння. Полосовые фильтры настроены так. что фильтр 4 пропускает частоту ударов, фильтры 5 и 6 - резонансные частоты буровой штанги, причем, каадь. из них пропускает свою частоту, фильтры и 7 пропускают характерные частоты волны сжатия.

В общем случае количество фильтров не ограничено. Выходы «фильтров соединены с входами устройства 8 регулирования, на которое дополнительно можно подать информацию о других измеряемых параметрах процесса бурения, таких как рабочая частота бурения и т.д. Множество этих дополнительных входов обозначено стрелкой Ni

Выходы блока регулирования обозначены стрелкой М.

Для построения третьего примера рассмотрим возможные методы описания волны сжатия. .Ти пичньш вид первоначапь ного участка такой волны, образуемой в буровой штанге в результате хода ударного поршня, показан на фиг. 8, где участок А соответствует со ставляю щей волны, распространяющейся к горной породе, .а. участок В -. составляю- щей волны, распростран яющейся от горной породы. Форму волны можно характеризовать или множеством ординат ее характерных точек, или величинами площадей между характерными участ- кама волны и нулевым уровнем. Примерами характерных точек могут служить максимальные и минимальные значения Р - РЛ в качестве характерных площадей - площади А - АЗ (фиг. 8). Величинь, соответствующие характерным точкам (площадям) или соотношениям между ними, могут быть использованы в качестве регулируемых параметров процесса бурения.

Устройство автоматического регу- лирования (фиг.9),работа которого аснована на анализе формы волны .ска тия, содержит детектор 11 волны сжатия, предусилитель 12, усилитель 13, фильтр 14 шумового.сигнала, аналого- циф ровой преобразователь 15, управляющий процессор 16. Стрелкой N обозначены дополнительные входы процессоI ра, аналогичнь е входам устройства .. управления на фиг. 7, а стрелкой М - выход для регулирующих . Может быть предусмотрено несколько

5

0

5 0 5 0

каналов для волны сжатия (на фиг. 9 показан один из них).

Если необходимо, то анализ и интерпретацию формы волны сжатия можно также оставить для бурильщика. В этом случае должно. Cu Tb предусмотрено соответствующее устройство отображения (фиг. 10), содержащее детектор 17 волны сжатия, предусилитель 18, усилитель 19, цепь задержки 20, уст-; ройство 21 отображения, магазин . 22 вспомогательны: фигур. Устройство 21 отображения синхронизируется сигналом с выхода усилителя 19. 1 .

Из магазина 22 вспомогательных фигур бурильщик выбирает эталонную фигуру согласно требованиям каких-либо конкретных условий, сравнивая форму импульса, полученного из устройства отображения с эталонной фигурой. Регулируя управляемые перемен- ные, бурильщик регулирует высвечивае- .мую на устройстве отображения фигуру таким образом, чтобы она точнее соответствовала эталонной фигуре. Соответствующая эталонная фигура выби- рается, например, в зависимости от бурильной машьнь:, ropHoii. породы и т.д. Изооретенье также может быть испол: - зовано в случае, когда измерение вы- полняют из нескольких точек, а поэтому необходимо предварительно обработать сигналы для получения соответствующей формы волны на экране устройства отображения. На фиг. .10 показана лишь одна точка измерения, хотя их может быть больше.

Форму-ла изобретения

25 30 35 40

45

1, Способ оптимизации ударного бурения с помощью бурового оборудования включающего ударное устройство и буровую штангу с буровой коронкой, основанньп на измерении параметров, характеризующих процесс бурения, обработке результатов измерений и формиро,д ванни управляющих воздействий для одиночных управляющих параметров бурового оборудования или их комбинаций, отличающийся тем, что, с целью повыщения эффективности ведения процесса бурения, измеряют волны сжатия, образукщиеся в буровой штанге

при ее взаимодействии с ударнь1м устройством, при этом измеряют параметры волн сжатия, распространяющихся как

iK буровой коронке, так и в обратном направлении, задают эталонные значения параметров волн сжатия,а управляю щие воэдействия формируют на основе результатов сравнения параметров из- меренньп{ волн сжатия с их эталонными значениям :,

2.Способ по п. 1, о т л и ч а rant и и с я тем, что измерение парамет ров волн сжатия производят по кр,ай- ней мере в двух точках буровой штанги.

3.Способ по п, 1 , о т л н ч а ю- щ и и с я тем, что управляющее воздействие формируют на основе реззшь- татов сравнения измеряемых скоростей затухания волн сжатия,

4.Способ по п. 15 о т л и ч а ю- щ и и с я тем, что управляющие воз

с

ю

5

действия формируют на.основ.е результатов сравнения измеряемых спектров волн сжатия.

5.Способ по п„ 4, о т л и ч а ю- щ и и с я тем, что управляющие воздействия формируют на основе результатов сравнения частоты ударов в процессе бурения и резонансной.ласто- ты буровой шт.анги по измеренным спектрам волн сжатия.

6.Способ по п. 1, о т ли ч а ю- щ и и с я тем, что управляющие воздействия Формируют в характерных точках на волне сжатия.

7.Способ по пп. 1 и 4, о т л и- чающийся тем, что управляющие воздействия формируют в.штоща- дях характерных участков спектра волн сжатия.

Изобретение относится к оптимизации ударного бурения. Цель изобретения - повышение эффективности процесса бурения. Для этого измеряют волны сжатия /ВС/, образующиеся в буровой штанге при ее взаимодействии с ударным устройством. При этом измеряют параметры ВС распространяющихся как и буровой коронке, так и в обратном направлении. Задают эталонные значения параметров ВС, а управляющие воздействие формируют на основе результатов сравнения параметров измеренных ВС с их эталонными значениями. В качестве параметров, характеризующих ВС могут быть использованы скорости их затухания, спектральные характеристики, различные характеристики точки и площади под характерными участками кривых на временных графиках. Измерение параметров ВС может производиться как в одной, так и в нескольких точках буровой штанги. 6 з.п. ф-лы, 10 ил.

|ffi « «H«v« «a«,

111L-l . I f

0 10

3U W 50 60 Фаг.1

a iiUmtttoMi (

Ji-J1-J.

70 во 90 100

,Cs;tf.

a 10 20 30

dS

Фиг.Ъ

Фиг,5

« -I-I-I-J-I- -L

ttO 50 60 70 80 90 100

()

te.2

0.5

Фиг.

as

k

лД/

t/г.б

W0} -«-I-I-I-t I . , ,

0 0. Q,e 1,2 1,S yp ;«

/

rsx/z7 ;

/

ae.e

rsx/z7 ;

Н нН - yi I---Фаг.10

Составитель В,Логинов Редактор Н.Лазаренко Техред М.Дидык Корректор Н- вская

Заказ 2841

Тираж 481

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат Патент, г. Ужгород, ул. Гагарина, 101

iL

TF

22

2i

Подписное