Устройство для контроля износа долота Советский патент 1991 года по МПК E21B45/00 

Изобретение относится к бурению скважин и может б.ыть использовано в устройствах управления процессом бурения или определения степени изно са вооружения шарошечного долота, а также для выявления характера неисправности долотао

Цель изобретения - повышение точности определения степени износа вооружения шарошечного долота0

На фигс 1 представлена блок-схема устройства для контроля износа долота; на фиго 2 - функциональная схема блока управления; на фиг„ 3 - функциональная схема блока коррекции на фигс 4 - кривые изменения величин на входе и выходе блока коррекции, где а - кривая изменения величины отношения угловой скорости долота к частоте пульсаций момента на долоте, вызванных перекатыванием шарошек с зуба на зуб, в процессе бурения; б - кривая изменения поправочного коэффициента; в - кривая изменения откор- ректированной величины отношения угловой скорости долота к частоте пульсаций момента на долоте, вызванных перекатыванием шарошек с зуба на зуб0 Сущность изобретения заключается

в том, что измеряют отношение угловой скорости долота к частоте пульсаций момента на долоте, вызванных перекатыванием шарошек с зуба на зуб, в начале бурения данным долотом при док- ритической угловой скорости долота (Ар и сравнивают это отношение с аналогичным отношением (Аг), измеренным в процессе бурения„ Величина равна средней степени износа зубьев шарошечного долота, т0ес величине

RUH/R42 гд-е кшо Rwa РЭДиусы пе риферийного венца шарошки в начале

бурения и в процессе бурения соответственно,, Это объясняется следующим обравомо

Угловая скорость шарошки связана с угловой скоростью долота соотношением

Rfr

Q

иг

«с

ш

(D

где &)„ - угловая скорость долота; RO,- радиус долота о

Частота вращения шарошки с учетом 55 соотношения (1)

,, KL 30

(2)

Частота пульсаций момента на долоте, вызванных перекатыванием шарошки с зуба на зуб, определится как

Пш 60 Z

Zfr CJ.- R9-

2tf

R

Ш

)

(3)

здесь z я - число зубьев долота,,

Тогда отношение А находится из выражения

Юз 2 (Г

Г2 fM

3R9

R

ia

(4)

Исходя из выражения (4)

5 0 5

0

5

0

5

0

5

(5)

Аг Ruig. А, Кцм

Устройство для контроля износа долота содержит блок 1 определения угловой скорости долота и блок 2 определения частоты пульсаций момента на долоте, вызванных перекатыванием шаро- шек с зуба на зуб, связанные выходами с первым и вторым соответственно входами первого делителя 3 Кроме того, устройство содержит коммутатор 4, связанный первым входом с выходбм делителя 3 и вторым входом с вторым выходом блока 5 управления, а также второй делитель 60 Выходы коммутатора 4 соединены соответственно первый с первым входом блока 7 памяти, второй с вторым входом блока 8 коррекции, первый и третий входы которого соединены с соответствующими первым и третьим выходами блока 5 управления, четвертый выход которого связан с вторым входом блока 7 памяти0 Второй делитель 6 связан первым входом с первым выходом блока 8 коррекции, вторым входом с выходом блока 7 памяти„ Сигнальный вход электронного ключа 9 связан с выходом второго делителя 6, а управляющий - с третьим выходом блока 5 управления Блок 10 индикации и сигнализации связан первым входом с выходом электронного ключа 9, а вторым и третьим входами с одноименными выходами блока 8 коррекции,,

Блок 5 управления (фиг0 2) состоит из тактового генератора 11, формирователя 12 импульсов, четырехразрядных двоичных счетчиков-делителей 13 и 15, RS-триггеров 14, 16, 17, дифференциальной цепочки, состоящей из конденсатора 18 и диода 19,.элемента ИЛИ 20о Вход формирователя 12 импульсов соединен с выходом тактового генератора 11, один из выходов формиро51640J81

влтеля 12 является первым выходом бло- геры ка 5 управления, а другой соединен со счетными входами счетчиков-делителей 13 и 15„ Выход счетчика-делителя 13 соединен с S-входом RS-триг- гера 14, один из выходов счетчика- делителя 15 соединен с S-входом RS- триггера 17, а другой - с S-входом

14, 16 и 17 переходят в единично состояние только при появлении сигнала логической 1 на их S-BXO- дах, то, пока на их прямых выходах

сигналы отсутствуют, соответственно отсутствуют сигналы на втором, третьем, четвертом выходах блока 5 управления Поэтому электронные ключи 9

RS-триггера 160 Прямые выходы тригге- ,0 устройства и ключи 26, 27 и 31 блока ров 14 и 16 являются вторым и третьим 8 коррекции (фиг 3) заперты, что

геры

14, 16 и 17 переходят в единично состояние только при появлении сигнала логической 1 на их S-BXO- дах, то, пока на их прямых выходах

Изобретение относится к бурению скважин и позволяет повысить точность определения степени износа вооружения шарошечного долота (Д)„ Устройство содержит делители 3 и 6, блок 5 унрав- ления, блок 10 индикации, блоки 1 и 2 определения соответственно угловой скорости Д и частоты пульсаций момента на Д, вызванных перекатыванием шарошки с зуба на зуб, коммутатор 4, блоки памяти 7 и коррекции 8 и ключ, 90 В делителе 3 вычисляется отношение А сигнала угловой скорости Д с блока 1 к сигналу частоты пульсаций момента на Д с блока 2„ Отношение А, соответствующее началу бурения данным Д, при докритической угловой скорости через коммутатор 3 записывается в блок 7 памяти. В делителе 6 вычисляется отношение Д аналогичной величины А„, определяемой в процессе бурения, к величине А. Величина Д равна средней степени износа зубьев шарошечного Д. Коррекция величины Аг, необходимая для предотвращения неверной оценки степени износа вооружения Д вследствие увеличения отношения Аг в мрменты скола и заклинивания, осуществляется блоком 8 коррекции. Степень износа индицируется блоком 10„ Работу устройства синхронизирует блок 5 управления. 4 ил. V с

соответственно выходами блока 5 уп - равленияо Выход RS-триггера 17 соединен через дифференциальную цепочку 18-19 с входом элемента ИЛИ 20, выход которого является четвертым выходом блока 5 управления

Блок 8 коррекции (фиг. 3) состоит из линии 21 задержки, первого делителя 22, коммутатора 23, двух двух- пороговых компараторов 24 и 25, двух электронных ключей 26 и 27, схемы 28 выборки-хранения, умножителя 29 второго делителя 30 и третьего ключа 31 Вход линии 21 задержки и первые входы делителей 22 и 30 являются вторым входом блока 8 коррекции Второй вход делителя 22 соединен с выходом линии 21 задержки, а выход - с первым входом коммутатора 23, входами компараторов 24 и 25 и первым входом умножителя 29, выход которого связан с вторыми входами делителя 30 и коммутатора 23о Выход коммутатора 23 соединен с информационным входом схемы 28 выборки-хранения, управляющий вход которой является первым входом блока 8 коррекции, а выход соединен с вторым входом умножителя 290 Сигнальные входы ключей 26, 27 и 31 соединены соответственно с выходами компараторов 24, 25 и делителя 30, а управляющие входы ключей 26, 27 и 31, а также коммутатора 23 являются третьим входом блока 8 коррекции. Выходы ключей 26, 27 и 31 являются первым, вторым и третьим соответственно выходами блока 8 коррекциИо .

Устройство работает следующим образ ом о

В начале бурения данным долотом при докритической угловой скорости запускаются тактовый генератор 11 и формирователь 12 импульсов блока 5 управленияо Импульсы поступают на первый выход блока 5 управления и на счетные входы четырехразрядных двоичных счетчиков-делителей 13 и 15„ Счетчики начинают отсчет0 Так как RS-триг

5

0

предотвращает появление неверной информации на блоке 10 индикации и сигнализации в момент включения устройства

Первый вход коммутатора 4 при отсутствии сигнала на его входе управления соединен с его первым выходом, и сигнал с выхода делителя 3, равный отношению угловой скорости долота к частоте пульсаций момента на долоте, вызванных перекатыванием шарошек с зуба на зуб, (Aj) поступает на вход блока 7 памятио Сигнал для записи ин5 формции в блок 7 цамяти формируется в блоке 5 управления RS-триггером 17 - дифференциальной цепочкой 18-19 - элементом ИЛИ 20 (фиг„ 2) при появлении сигнала на первом выходе счет-

Q чика-делителя 150 В это время RS-триг- гер 17 переходит в единичное состояние, а дифференцирующая цепочка и элемент ИЛИ 20, выход которого соединен с четвертым выходом блока 5 управления, а значит, и с вторым входом бло5

0

значит,и

ка 7 памяти, формируют сигнал для записи информации в блок 7 памяти, где она запоминается и передается на второй вход второго делителя 6„

После заполнения счетчика-делителя 13 RS-триггер 14 переходит в .и

еди5

0

5

ничное состояние и тем самым первый вход коммутатора 4 соединяется с его вторым выходом, поэтому сигнал с выхода первого делителя 3 (Л2) поступает на второй вход блока 8 коррекции,,

При появлении сигнала на втором (старшем) выходе счетчика-делителя 15 блока 5 управления RS-триггер 16 переходит в единичное состояние Выход RS-триггера 16 является третьим выходом блока 5 управления, поэтому он открывает электронные ключи 9 устройства и ключи 26, 27, 31 блока 8 коррекции,, И следовательно, на первый вход второго делителя 6 устройства через блок 8 коррекции поступает сигнал с выхода первого делителя 3, а на выходе второго делителя 6 устрой-

71640381

ства появляется сигнал, равный отношению АЈ/А, по величине которого судят о степени износа шарошечного долота, индицирующейся в блоке 10 ин- ,- то дикациИо

Поскольку скол части зубьев шарошки и износ противоположно влияют на величину отношения из-за того9 что при износе зубьев шарошек величи- Q на отношения ,, уменьшается вследствие увеличения пульсаций момента на долоте, вызванных перекатыванием шарошек с зуба на зуб, а скол части зубьев приводит к уменьшению частоты этих ,5 пульсаций, которая, в свою очередь, приводит к увеличению величины А2и, следовательно, отношения А2/А, то это может привести к неверной оценке степени износа долота0 Аналогичное ig происходит и при зшслинивании шарошек0

Для предотвращения этого явления в схеме предусмотрена коррекция величины А вследствие изменения ее при

Но так как

9

mz

ш

Г А1 ./ЛРРЛ

и m - Т

т

(9

(Ю)

В выражениях (9) и (10) m - числ шарошек долота0

Максимальная величина отношения при заклинивании одной шарошки опре делится из выражения

G

А

А3

(11

макс

Как видно из выражений (6), (10 и (11), величина скачка отношения А при сколе зубьев и заклинивании шар ки для различных типов долот различ на о Поэтому подъем долота зависит к от типа долота, так и от технологических условий буренияо

Из вышесказанного следует, что

сколе зубьев шарошки и (или) заклиню-.25 скачкообразное изменение отношения

ваниЯо Эта коррекция осуществляется блоком 8 коррекции,,

Идентификацию ситуации скола зубьев и заклинивания шарошек осуществляют исходя из следующего 30

Если предположить, что износ &4 % числа зубьев долота ведет к нерациональному его дальнейшему использованию, то максимальная величина скачкообразного изменения отношения величи35

АЈ до величины Ј однозначно свидетельствует о сколе зубьев, а в пред лах от ОТ до & -о заклинивании ша рошки „ Таким образом, непрерывный контроль за величиной Ag в процессе бурения данным долотом позволяет точно определять число сколотых зубьев и момент заклинивания шароше

Контроль за величиной А, а. так ее коррекция, необходимая для пред вращения неверной оценки степени и носа вооружения шарошечного долота вследствие увеличения отношения А моменты скола и заклинивания, осущ ствляется, как указывалось выше, б ком 8 коррекциий

ны А при сколе зубьев определится как

Ј

А2

А,

макс

(6)

ф

Jli&JLJL

z№

где А . и А Ј - величина отношения А до и после скола соответственно;число зубьев долота, соответствующее % числу изношенных зубьев, т0ес

z (1 - fc/100)-z-. (7)

Выражение (6) получено из выражения (4) о

Минимальное значение скачкообразного изменения отношения А при заклинивании шарошек аналогично выражению (6)

мин

zr2

(8)

ш

здесь z lu - число зубьев одной шарошки

Но так как

9

mz

ш

(9)

Г А1 ./ЛРРЛ

и m - Т

т

(Ю)

В выражениях (9) и (10) m - число шарошек долота0

Максимальная величина отношения А при заклинивании одной шарошки определится из выражения

А

А3

(11)

макс

Как видно из выражений (6), (10) и (11), величина скачка отношения А при сколе зубьев и заклинивании шарошки для различных типов долот различна о Поэтому подъем долота зависит как от типа долота, так и от технологических условий буренияо

Из вышесказанного следует, что

скачкообразное изменение отношения

скачкообразное изменение отношения

АЈ до величины Ј однозначно свидетельствует о сколе зубьев, а в пределах от ОТ до & -о заклинивании шарошки „ Таким образом, непрерывный контроль за величиной Ag в процессе бурения данным долотом позволяет точно определять число сколотых зубьев и момент заклинивания шарошек,

Контроль за величиной А, а. также ее коррекция, необходимая для предотвращения неверной оценки степени износа вооружения шарошечного долота вследствие увеличения отношения А в моменты скола и заклинивания, осуществляется, как указывалось выше, блоком 8 коррекциий

Блок 8 коррекции работает следующим образом (фиг„ 3)0

На второй вход первого делителя 22 подается сигнал с второго входа блока 8 через линию 21 задержки, а на первый - непосредственно с второго входа блока 8 коррекции0 Таким образом, на вход делителя 22 поступают два сигнала: один - синхронный процессу на забое и второй - задержанный. Первый сигнал отображает состояние долота з момент времени tf а второй сигнал - в предшествующий момент времени t - At, где Д t - время задержки сигналив При отсутствии скола зубьев и(или) заклинивания шарошки сигнал на

выходе первого делителя 22 постоянен и соответствует единице0

В начальный момент при отсутствии сигнала на третьем входе блока 8 кор рекции, соединенном с управляющим входом коммутатора 23, первый вход коммутатора 23 соединен со своим выходом, и при появлении управляющих импульсов на первом входе блока 8, ко- торый соединен с управляющим входом схемы 28 выборки-хранения, в схему выборки-хранения записывается сигнал с выхода первого делителя 22„ соответствующий единице„ На входы умно- жителя 29 поступают два сигнала, соответствующие единице, поэтому на его выходе и, следовательно, на втором входе второго делителя 30 сигнал также соответствует единице, а на выходе второго делителя сигнал соответствует входному, т0е0

После появления сигнала на третьем входе блока 8 коммутатор 23 соединяет свой второй вход с выходом и в схему 28 выборки-хранения записывается сигнал с выхода умножителя 29„

При сколе зуба шарошки или заклинивании ее на выходе делителя 22 появляется сигнал, пропорциональный скач- ку величины А2 (К)0 Эта величина, пройдя через умножитель 29, записывается в схему 28 выборки-хранения и одновременно поступает на второй вход второго делителя 30.В последующий мо- мент сигнал на входе первого делителя 22 снова соответствует единице, а на выходах умножителя 29 и второго делителя 30 соответственно устанавливаются К и Лг/К(,

В тот момент, когда происходит второй скол зуба шарошки или ее закли- нивание, сигнал на выходе первого лителя 22 становится равным Kg, а на выходах умножителя 29 и второго де- лителя 30 соответственно - К и Ag/K t KЈ Аналогично вышеизложенному сигнал, соответствующий К,, пройдя через умножитель 29э записывается в схему 28 выборки-хранения и далее процесс повторяется, как в предыдущем случае0

Таким образом, в общем случае сигнал на выходе умножителя 29 можно

представить в следующем виде:

п

ТС ТС

Q о о о

К

п gKi

(12)

,где Kj - значение 1-го скачка величины А

2°

, tQ 5 20 25 30 ,, 40

45 50

55

Аналогично выражению (1) сигнал на выходе второго делителя 30, а значит, и на первом выходе блока 8 коррекции мокко представить в виде:

А /ПК,.

Ј ,1

Принцип коррекции величины А„ пояснен на фиг„ 4 о

В момент времени ts когда происходит скол части зубьев долота (кривая а), величина отношения А2 скачкообразно увеличиваетсяц Затем снова уменьшается, но уже по более крутому углу наклона. Аналогично происходит в момент рременч t Yg, когда происходит заклинивание шарошки Сигнал на выходе умножитепч 29. изменяется по кривой б, а скорректированная величина отношения А у на выходе второго делителя 30 до момента t совпадает с кривой изменения сигнала на входе блока 8 коррекции, а далее в моменты скола зубьев или заклинивания шарошки долота изменяется крутизна его убывания (кривая в)0

Период импульсов записи-считывания схемы 28 выборки-хранения выбирается, исходя из следукщлх соображении о

Если период импульсов записи-считывания схемы 28 выборки-хранения больше, чем время задержки линии 21 задержки, то в этом случае может произойти просчет изменения величины коэффициента коррекции К, записанной в схему выборки-храненияо

Если период импульсов записи-считывания схемы 28 выборки-хранения меньше, чем время задержки линии 21 задержки, то в этом случае может произойти неоднократное исменение коэффициента коррекции К при единичном сколе или заклиниваниИо

Неизменение величины коэффициента коррекции К так и его неоднократное изменение при единичном сколе зубьев шарошки или ее заклинивании приводят к неверной оценке степени износа шарошечного долотао Поэтому с целью повышения точности оценки степени износа шарошечного долота период импульсов записи-считывания схемы 28 выборки-хранения устанавливается равным времени задержки линии 21 задержки0

Для определения характера неисправности долота в блоке 8 коррекции предусмотрены двухпороговые компараторы 24 и 25о Нижний порог срабатывания

11

компаратора 24 определяется величиной скачка отношения А, соответствующей сколу хотя бы одного зуба шарошки, а верхний - величиной f„ Поэтому на его выходе появляется сигнал при сколе зубьев„

Аналогично вышеизложенному нижний порог срабатывания компаратора 25 определяется значением С , а верхний - , что позволяет по появлению на его зыходе сигнала определить момент заклинивания шарошки долота, которое, как и скол, индицируется в блоке 10 индикации и сигнализации„

Использование устройства позволяет судить о износе шарошечного долота для всех способов бурения любых пород о

Формула изобретения

Устройство для контроля износа долота, содержащее два делителя, блок

управления и блок индикации, о т л чающееся тем, что, с целью повышения точности определения степени износа вооружения шарошечного долота, оно снабжено блоком определения угловой скорости долота, блоком определения частоты пульсаций момента на долоте, вызванных перекатыванием ша164038112

рошки с зуба на зуб, коммутатором, блоком памяти, блоком коррекции и ключом, при этом выходы блоков определе - ния угловой скорости долота и определения частоты пульсаций момента на долоте, вызванных перекатыванием шарошки с зуба на зуб, соединены соответственно с первым и вторым входами JQ первого делителя, выход которого подключен к первому входу коммутатора, выход второго делителя соединен с первым входом ключа, выход которого подключен к первому входу блока инди- 15 кадии, первый выход блока управления соединен с первым входом блока коррекции, первый выход которого подключен к первому входу второго делителя, второй выход блока управления соеди- 20 нен с вторым входом коммутатора, первый выход которого подключен к первому входу блока памяти, второй выход соединен с вторым входом блока коррекции, второй и третий выходы которои- -25 го подключены к соответствующим вхо- - дам блока индикации, причем третий выход блока управления соединен с вторым входом ключа и третьим входом блока управления, а четвертый выход - 30 с вторым входом блока памяти, выход которого подключен к второму входу второго делителяо

Фиг. 2