Устройство для контроля частоты вращения вала турбобура Советский патент 1992 года по МПК E21B45/00 

Изобретение относится к телеконтролю забойных параметров в процессе турбинного бурения нефтяных скважин, в частности к контролю частоты вращения вяла турбобура.

Непрерывный контроль частоты оборотов долота позволяет поддерживать такие нагрузки на долото, которые являются оптимальными для работы забойного двигателя и долота, что способствует в конечном счете повышению скорости проходки, увеличению проходки на долото. Точный контроль за оборотами долота наиболее.актуален при ведении турбинного наклонно-направленного бурения, при котором весьма трудно с поверхности оценить значение нагрузки на долото, и частота вращения долота является наиболее приемлемым параметром для оптимизации режима бурения.

Известно устройство контроля частоты вращения вала турбобура по механическому каналу связи, в котором упругие колебания бурильной колонны преобразуются в электрический сигнал, который в последствии поступает в измерительное устройство, где входные полосовые фильтры разделяют данный сигнал на низкочастотные и высокочастотные составляющие с диапазонами 20-120 и 120-250 Гц соответственно. Полагая, что низкочастотные составляющие вызваны перекатыванием шарошек долота по волнообразной поверхности забоя, а высокочастотные- перекатыванием шарошек с зубца на зубец по забою скважины, оценка частоты вращения вала турбобура в устройстве осуществляется по двум алгоритмам - по низким или по высоким частотам. Выбор того или иного алгоритма осуществляется путем сравнения осредненных значений амплитуд сигналов в обоих диапазонах. Если в сигнале преобладают низкочастотные составляющие, то контроль частоты производится по низким частотам по числу провалов бурильной колонны на ухабах, а в случае преобладания высоких частот - по числу ударов зубьев шарошек о забой за единицу времени.

Недостатком данного устройства является низкая точность и сложность в обслуживании, обусловленная тем, что ухабистости забоя, которыми объясняется происхождение низкочастотных составляющих, присущи только твердым породам и не характерны для относительно мягких пород. Кроме того, аппаратурная реализация устройства сложна и необходимая точность измерения предполагает привлечение для обработки сигналов малых ЭВМ или других .вычислительных устройств, что ограничивает возможность использования его как автономного устройства.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для контроля частоты

вращения вала турбобура, содержащее датчик вибраций, установленный на вертлюге и предназначенный для преоброзования механических колебаний бурильной колонны в электрический сигнал, выход которого под0 ключей к входу усилителя, предназначенного для усиления и формирования анализируемого сигнала, выход которого подключен к входу аналого-цифрового преобразователя, предназначенного для пол5 учения цифровой формы анализируемого сигнала, выход которого подключен к блоку памяти, предназначенному для запоминания ординат анализируемого процесса, выход которого подключен к корреляционному

0 анализатору, осуществляющему специализированную обработку исходного процесса, один выход которого подключен к блоку управления, а другой выход соединен с входом блока индикации, предназначенным для ви5 зуального отображения текущей информации. Блок управления, выходы которого соединены соответственно с управляющими входами аналого-цифрового преобразователя, корреляционного анализатора и

0 генератора опорных сигналов, служит для выработки управляющих сигналов.

Генератор опорного сигнала предназначен- для формирования сигнала опорной частоты, необходимого для специализиро5 ванной обработки исходного сигнала. Выход генератора подключен к входу корреляционного анализатора.

В корреляционном анализаторе по сигналу с блока управления рассчитываются

0 значения взаимокорреляционной функции между исходным процессом, поступающим из блока памяти, и опорным сигналом, вырабатываемым генератором опорных сигналов, Причем временной сдвиг между ними

5 осуществляется в блоке памяти. Максимальное значение взаимокорреляционной функции получается при совпадении частоты опорного сигнала с частотой полезного сигнала, подаваемого на прибор в смеси со

Q случайной помехой.

По мере вычисления функции для каждой частоты опорного сигнала в корреляционном анализаторе происходит выбор максимального значения этой функции и оп5 ределение частоты, соответствующей этому максимуму. Значение этой частоты соответствует частоте вращения долота в забое.

Выделение из исследуемого сигнала частоты, соответствующей частоте вращения вал турбобура, с помощью корреляциейной обработки позволяет исключить влияние случайной частоты и фазы на результаты измерений, так как случайный сигнал ставится в соответствии наиболее вероятному детерминированному сигналу, а конечные результаты формируются на основе измерения соответствующего детерминирующего сигнала, что значительно повышает точность измерений по сравнению с ранее известными устройствами.

Недостатком данного устройства является низкая точность измерения, обусловленная следующими причинами.

В данном устройстве частотные диапазоны исследуемого сигнала и генератора опорных частот не ограничены. Это может привести к появлению дополнительных максимумов функции взаимной корреляции, например, на частотах, вызванных вращениями шарошек долота или ударами зубьев шарошек о породу. В зависимости от того, какому из данных частот в данный момент времени соответствует большее значение функции взаимной корреляции, в устройстве выделяется то или иное значе- ние частоты, которое при постоянном коэффициенте пересчета его в частоту вращения вала турбобура приводит к неверным результатам.

Кроме того, в устройстве не учиты- ваются фазовые соотношения между анализируемым сигналом и сигналом, вырабатываемым опорным генератором.

В зависимости от того, в каком фазовом соответствии находятся исследуемый и опорный сигналы, значение их функции взаимной корреляции разное, Например, когда они находятся в фазе, функция взаимной корреляции имеет положительный максимум, а когда они находятся в противофазе, функция имеет отрицательный максимум. При произвольном фазовом соотношении функция взаимной корреляции имеет некоторое промежуточное значение. Таким образом, нельзя адекватно оценивать и сравнивать между собой два произвольных значения функции взаимной корреляции для разных значений частоты опорного генератора.

Цель изобретения - повышение точно- сти контроля частоты вращения путем использования в качестве опорного сигнала сдвинутого по времени исследуемого сигнала.

Поставленная цель достигается тем, что устройство для контроля частоты вращения вала турбобура, содержащее датчик вибраций, выход которого соединен с входом усилителя, корреляционный анализатор, блок индикации и блок управления, включающий

в себя генератор, выход корреляционного анализатора соединен с входом блока индикации, выход блока управления подключен к первому управляющему входу корреляционного анализатора, снабжено полосовым фильтром и блоком управляемой задержки. а в блок управления введены счетчик, преобразователь код - период.делитель частоты, первый и второй формирователи, причем выход усилителя подключен к входу полосового фильтра, выход которого соединен одновременно с первым входом корреляционного анализатора и входом блока управляемой задержки, выход последнего подключен к второму входу корреляционного анализатора, а в блоке управления выход генератора подключен к входу делителя, выход которого, являющийся одновременно первым выходом блока управления, соединен с первым управляющим входом корреляционного анализатора и входом счетчика, первый выход которого соединен с объединенными входами первого и второго формирователей, а второй выход подключен к входу преобразователя код - длительность, выход которого, являющийся одновременно вторым выходом блока управления, подключен к управляющему входу блока управляемой задержки, выход второго формирователя, являющийся одновременно четвертым выходом блока управления, подключен к управляющему входу блока индикации.

Существенное отличие данного устройства заключается в том, что оно позволяет измерить частоту, соответствующую основной гармонике оборотов вала турбобура в определенной полосе частот, тогда как в известном устройстве диапазон исследуемых частот не ограничивается и измеряется преобладающая частота, имеющая в данный момент времени максимальную амплитуду, и по этой преобладающей частоте вычисляется частота оборотов турбобура, хотя и эта преобладающая частота может быть обусловлена другими, например геологическими или технологическими факторами. Кроме того, в известном устройстве данная частота определяется по наилучшему коррелированию исследуемого сигнала с опорной частотой перестраиваемого генератора без учета фззопых соотношений между ними, а в предлагаемом устройстве в качестве опорного сигнала используется сам исследуемый сигнал, сдвинутый по времени, и вычисляется его автокорреляционная функция, которая уже является функцией не от частоты, а от временного сдвига. Преоблэдающлч частота, равная основной гармонике оборотов турбобура, определяется по видимой частоте повторения максимума автокорреляционной функции при линейном увеличении временной задержки, Таким образом, в данном устройстве автокорреляционным методом выделяется и регистрируется именно та частотная составляющая, которая имеет максимальное значение спектральной плотности в полосе прозрачности полосового фильтра.

Таким образом повышается точность измерения частоты оборотов вала турбобура в процессе бурения.

На фиг. 1 приведена структурная схема предлагаемого устройства; на фиг, 2 - временная диаграмма работы устройства.

Устройство содержит датчик 1 вибраций, усилитель 2, полосовой фильтр 3, блок 4 управляемой задержки, корреляционный анализатор 5, включающий умножитель 6, интегратор 7, компаратор 8, двоично-десятичный счетчик 9, блок 10 индикации, блок 11 управления, включающий преобразователь 12 код-период, генератор 13, делитель 14 частоты, счетчик 15, первый формирователь 16 импульса и второй формирователь 17 импульса.

Функциональные узлы соединены следующим образом.

Выход датчика 1 вибрации через усилитель 2 подключен к входу полосового фильтра 3. Выход полосового фильтра соединен одновременно с первым входом корреляционного анализатора 5 и входом блока 4 уп- рэвляемой задержки, выход которого подключен к второму входу корреляционного анализатора 5. Первый выход блока 11 управления подключен к первому управляющему входу корреляционного анализатора, второй выход соединен с управляющим входом блока 4 управляемой линии задержки, а третий и четвертый выходы подключены соответственно к второму управляющему входу корреляционного анализатора 5 и к управляющему входу блока 10 индикации. Вход последнего соединен с выходом корреляционного анализатора 5, причем в последнем выход умножителя 6 соединен с входом интегратора 7, эыход которого подключен к входу компаратора 8. Выход последнего подключен к входу двоично-десятичного счетчика 9. Первый и второй входы умножителя 6 являются соответственно первым и вторым входами корреляционного анализатора 5, управляющий вход интегратора 7 является первым управляющим входом корреляционного анализатора 5, управляющий вход двоично- десятичного счетчика 9 является вторым управляющим входом корреляционного

анализатора, а выход двоично-десятичного счетчика 9 является выходом корреляционного анализатора 5. В блоке 11 управления выход генератора 13 через делитель 14 частоты соединен с входом счетчика 15, первый выход которого соединен с входами первого и второго формирователей 16 и 17 импульса соответственно, а второй выход - с входом преобразователя 12 код - период. Выход

делителя 14 частоты является первым выходом, выход преобразователя 12 код- период - вторым выходом, а выходы первого и второго формирователей 16 и 17 импульса соответственно являются третьим и четвертым выходами блока 11 управления.

Устройство работает следующим образом.

Электрический сигнал с выхода датчика 1 вибраций через усилитель 2, где сигнал

нормируется по уровню в зависимости от величины сигмала с датчика, подается на вход полосового фильтра 3. Последний предназначен для подавления в сигнале ин- франизких насосных и высокочастотных

зубцовых частотных составляющих и выделения полосы частот, в которой присутствует основная гармоника от оборотов вала турбобура. Полоса прозрачности фильтра 2- 15 Гц. Отфильтрованный информативный

сигнал с выхода полосового фильтра 3 поступает на первый вход корреляционного анализатора 5, на второй вход которого поступает тот же сигнал через блок 4 управляемой задержки с определенным запаздыванием по времени. Величина временного сдвига т определяется значением управляющей частоты, поступающей с первого выхода блока 11 управления.

В корреляционном анализаторе 5 производится вычисление автокорреляционной функции К (t, г) исследуемого виброакустического сигнала U(t) при линейно изменяющемся временном сдвиге:

K(t,T)

J Т

t +Т

/ U(t)-U(t-.T)dt, t

где Т - время оценки автокорреляционной функции (или время интеграции),

При линейном во времени изменении задержки т (t) видимый период (частота) автокорреляционной функции по оси тс.о- ответствует преобладающему периоду (частоте) анализируемого сигнала U(t) в

реальном времени, т.е. частота повторения максимума автокорреляционной функции по оси времени г равна преобладающей частоте сигнала. За один полный цикл измерения, за который r(t) пробегает

значения от тМин до гмах, осредненная частота оборотов вала турбобура F определяется выражением

г

N

Гмакс

где N - число периодов вариации автокорреляционной функции.

В компараторе 8 частота вариации значения автокорреляционной функции преобразовывается в прямоугольные импульсы той же частоты, которые в последующем считываются двоично-десятичным счетчиком 9.

Блок 11 управления предназначен для выработки управляющих сигналов, которые обеспечивают совместную согласованную работу блока 4 управляемой задержки, корреляционного анализатора 5 и блока 10 индикации. Импульсы с частотой 1 мГц с выхода генератора 13 поступают на вход делителя 14, с выхода которого импульсы с частотой 1 Гц подаются на вход счетчика 15 и интегратора 7 (фиг. 1 и 2). Код на втором выходе счетчика 15 после каждого импульса с делителя 14 увеличивается на один разряд. .Соответственно на выходе преобразователя 12 код- период также увеличивается период управляющих импульсов - ТуПр. По мере увеличения периода управляющих импульсов увеличивается также время задержки в блоке 4 управляемой задержки. После каждого 100-го импульса на входе на первом выходе счетчика появляется прямоугольный импульс, по переднему фронту которого второй формирователь 17 импульсов формирует короткий импульс Перезапись, по которому информация, соответствующая значению частоты оборотов вала турбобура за данный цикл измерения, с выхода двоично-десятичного счетчика 9 перезаписывается в блок 10 индикации. По заднему фронту указанного импульса счетчик 15 сбрасывается в нулевое состояние, а в первом формирователе 16 формируется короткий импульс Сброс, который обнуляет двоично-десятичный счетчик 9. После этого автоматически начинается следующий цикл измерения.

В преобразователе 12 код - период производится сравнение кода счетчика 15 с кодом внутреннего счетчика, значение которого с частотой fC4 100 кГц возрастает с нулевого значения. Период (частота) управляющих импульсов на выходе преобразователя 12 изменяется со скоростью смены кода на выходе счетчика 15, т.е. один раз в 1 с, а диапазон изменения определяется максимально возможным значением кода

на выходе счетчика 15 и частотой счетных импульсов W на входе внутреннего счетчика преобразователя 12, и определяется по формуле

Тупр. Код(сч. 15) -

Ti

1

Так как в предлагаемом устройстве код 10 счетчика 15 изменяется в пределах 1-100. а Тсч 100 кГц, то диапазон изменения периода

15

Тупр. (мин) 1 10/г S ;

10

1 ТуПр (макс) 100 1000м S . 10Ь

5

0

5

0

5

0

Блок 4 управляемой задержки включает в себя две последовательно соединенные линии задержки (выход первого канала подключен к выходу второго канала). Задержка в блоке 4 задается периодом (частотой) управляющих импульсов Тупр:

г 1024-Тупр, отсюда

т„ин 1024-10 10м5;

гмакс 1024-1000-1 с.

В устройстве точность повышается за счет измерения частоты, соответствующей оборотам вала турбобура, путем измерения периода повторения максимума автокорреляционной функции исследуемого виброакустического сигнала.

Высокая точность измерений способствует успешному решению задачи оптимизации режима турбинного бурения, позволяет получать более высокие технико-экономические показатели бурения. .

Формула изобретения

Устройство для контроля частоты вращения вала турбобура, содержащее датчик вибраций, выход которого соединен с входом усилителя, корреляционный анализатор, выход которого соединен с входом блока индикации, и блок управления, первый выход которого подключен к первому управляющему входу корреляционного анализатора, при этом блок управления содержит генератор, отличающее с я тем, что, с целью повышения точности контроля частоты вращения, устройство снабжено полосовым фильтром и блоком управляемой 5 задержки, а в блок управления введены делитель частоты, счетчик, преобразователь код - период и два формирователя импульса, при этом выход усилителя через полосо вой фильтр соединен с порвым входом

0

корреляционного анализатора и с входом блока управляемой линии задержки, выход которого подключен к второму входу корреляционного анализатора, второй выход блока управления соединен с управляющим входом блока управляемой линии задержки, а третий и четвертый выходы блока управления подключены соответственно к второму управляющему входу корреляционного анализатора и к управляющему входу блока индикации, причем в блоке управления выход

0

генератора через делитель частоты соеди нен с входом счетчика, первый выход которого соединен с входами первого и второго формирователей импульса, а второй выход - с входом преобразователя код - период, при этом выход делителя частоты является первым выходом, выход преобразователя код - период является вторым выходом, а выходы первого и второго формирователей импульса являются соответственно третьим и четвертым выходами блока управления.

Изобретение относится к бурению скважин и позволяет повысить точность контроля частоты вращения вала турбобура. В устройстве датчиком 1 вибрации регистри7 руются вибрации бурильной колонны. Далее полосовым фильтром 3 выделяется полоса частот, в которой заключена основная гармоника исследуемого сигнала. С выхода фильтра 3 информативный сигнал поступает непосредственно на первый вход корреляционного анализатора 5, а на второй вход - через блок 4 управляемой линии задержки. В анализаторе 5 определяется автокорреляционная функция виброакустического сигнала. По частоте вариации максимума этой функции при линейном увеличении временной задержки определяется значение частоты основной гармоники вала турбобура. Результат отображается блоком 10 индикации. Блок 11 управления обеспечивает синхронную работу блока 4 управляемой линии задержки, анализатора 5 и блока 10 индикации. 2 ил. СП G о о го vj

Зь/х./З

Вых. 72 | | Н I

зад.

Сброс сч. 15Сброс ст. /5

Ф№2