Устройство для установления эффективной нагрузки на долото Советский патент 1993 года по МПК E21B44/00 

vi

00

ю о

о

со

1-4-10-11-20-22-23-27-24-26-23, 1-2-3-4, 24- 29-30, 10-12-21-22, 10-25-28-29, 28-8, 28-9, 6-8-15, 7-9-15, 15-26, 15-10, 5-11, 5-20, 5-13- 16-11, 16-19, 13-17-22, 17-28,5-14-17, 14-18- 19, 18-12, 5-12, 5-21, Применение двух реверсивных счетчиков 11 и 12 и двух блоков памяти 23 и 28 позволяет получить два значения разности (производной) в цикле измерения. Величина нагрузки на долото определяется третьим счетчиком 25. Эффективная ее величина фиксируется в момент наибольшего изменения АР/ Л t за цикл поиска и индицируется цифровым индикатором 30. 1 ил.

Изобретение относится к средствам управления процессом бурения нефтяных и газовых скважин и может применяться на буровых установках как с ручной, так и автоматизированной подачей бурильного инструмента. Цель изобретения - повышение точности установления аффективной нагрузки на долото. Сущность изобретения: устройство содержит датчик (1) веса бурильного инструмента, ключи (2, 20, 21), блоки (3, 22, 23, 28) и (29) памяти, блок (4) вычитания, мультивибратор (5), блоки (6 и 7) задания уставки, блоки (8, 9 и 27) сравнения, элементы (10 и 24) И, реверсивные счетчики (11,12), формирователи импульсов (13, 14), триггер

Изобретение относится к нефтяной и газовой промышленности, в частности к техническим средствам управления режимом бурения нефтяных и газовых скважин.

Известен прибор для определения эф- фективной нагрузки на долото, содержащий датчик осевой нагрузки на долото, сглаживающий фильтр, дифференцирующее устройство, анализатор, ключ и регистрирующее устройство, анализирующий зависимость осевой нагрузки от времени в процессе специально организованного поиска.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является принятое за прототип устройство для управ- ления процессом турбинного бурения, состо- ящее из датчика веса бурильного инструмента, четырех ключей, блока памяти, двух блоков вычитания, блока задания устав- ки, блока сравнения, триггера, двух порога- вых элементов, интегросумматора, источника эталонного сигнала и элементов логики,

В нем эффективная нагрузка на долото определяется как координата точки перегиба кривой зависимости нагрузки от времени путем сравнения величины площади криволинейного треугольника с площадью обычного треугольника с тем же основанием, равным интервалу времени, необходимого для уменьшения нагрузки на заданную ве- личину АР.

Недостатком этого устройства является то, что площадь криволинейного треугольника определяется как интеграл разности фиксированного и текущего значений нагрузки на долото, что требует также фиксации достижения наперед заданных приращений нагрузки на долото APi, А Ра. Сигнал, пропорциональный разности мгновенных значений, является помехоза- щищенным не в большей степени, чем сигнал производной dP/dt. Поэтому такой способ не обеспечивает необходимой помехоустойчивости и точности определения этих площадей и, как следствие, эффективной осевой нагрузки на долото.

Целью изобретения является повышение точности установления эффективной нагрузки на долото.

В прототипе сигнал разности мгновенных значений осевой нагрузки на долото составляет всего 2-3% значений уменьшаемого и вычитаемого, поэтому обладает чрезвычайно низкой помехоустойчивостью. Это не может не отразиться на точности определения экстремума скорости изменения осевой нагрузки на долото и повлечет за собой изменение уставок нагрузки в сторону от экстремума.

В предлагаемом устройстве интегрируется не разность нагрузок на долото, а ее абсолютное значение. Поэтому влияние помехи на результат интегрирования будет на порядок ниже, т. к. вычитаются два интеграла, т. е. величины, получаемые после фильтрации первичного сигнала.

Интегрирование, вычитание и сравнение величины производится средствами цифровой техники, что также обеспечивает высокую помехоустойчивость и точность.

Устройство прототипа выходит на первый экстремум от начала поиска.

В предлагаемом устройстве зона поиска задается априори и оно устанавливает осевую нагрузку, соответствующую самому большему значению механической скорости независимо от количества экстремумов в зоне поиска.

Принцип работы устройства основан на общеизвестном уравнении

L

Vn VM --p-q0) верхнего конца

d Pg dt

Vn - скорость подачи нны бурильных труб;

VM - скорость углубления долота в породу; L-длина колонны бурильных труб; Е - модуль упругости материала труб; S - эквивалентное сечение трубы; Рд - осевая нагрузка на долото.

Приняв -р- К, коэффициент, опредеый параметрами колонны, получим Vn - dPc

К

dt

величина производной

и запоминаетЕсли скорость подачи Vn 0, то

VM (2)

Уравнение (2) указывает метод поиска оптимальной нагрузки на долото, для реализации которого необходимо провести эксперимент, заключающийся в том, что долото нагружается максимально допустимой нагрузкой Рдтах, после чего подача верхнего конца колонны бурильных труб прекращается Vn 0.

В процессе разбуривания породы, при неподвижной системе, осевая нагрузка уменьшается, проходя все значения от Рдтах до наперед установленного значения

РдГТНП.

В процессе разгрузки анализируется .. dPg dt ся оптимальная нагрузка, при которой проdPgизводная -тт достигает максимума.

Поиск рационального режима бурения при неподвижной буровой лебедке увеличивает помехоустойчивость определения и

- dPg анализа производной -гр за счет того,

что ликвидируются все помехи, которые вносит в сигнал датчика веса и сигнал осевой нагрузки движение талевого блока, ро- ликов кронблока, барабана буровой лебедки.

Дальнейшее повышение помехоустойчивости достигается способом формирования и сравнения производной в процессе поиска в виде конечных приращений

dPg ДРд

dtДт

Если At convt, то значение производной пропорционально величине приращения нагрузки за фиксированный интервал времени А т .

В свою очередь, величина приращения Д Рд в интервале времени 2Д t может быть определена выражением

T(/0A pfl(t)dt-T PA(t)

(3)

Эта разность всегда положительна потому, что при неподвижной буровой лебедке в процессе разбуривания породы осевая нагрузка может только уменьшаться. Это позволяет заменить дифференцирование осевой нагрузки операцией вычитания двух интегралов этой величины.

На чертеже представлена блок-схема предлагаемого устройства.

Устройство дг.я установления эффективной нагрузки не долото содержит датчик

1 веса бурильного инструмента, первый ключ 2, первый блок 3 памяти, блок 4 вычитания, мультивибратор 5, первый 6 и второй 7 блоки задания уставки, первый 8 и второй

9 блоки сравнения, первый 10 элемент И, первый 11 и второй 12 реверсивные счетчики, первый 13 и второй 14 формирователи импульса, триггер 15, первый элемент 16 временной задержки, первый 17 элемент

0 ИЛИ, второй элемент 18 временной задержки, второй 19 элемент ИЛИ, второй 20 и третий 21 ключи, второй 22 и третий 23 блоки памяти, второй 24 элемент И, счетчик 25 импульсов, третий 26 элемент ИЛИ, третий

5 27 блок сравнения, четвертый 28 и пятый 29 блоки памяти, индикатор 30.

Выход датчика 1 веса бурильного инструмента соединен с входом первого 2 ключа и первым входом блока 4 вычитания, выход

0 которого подключен к первому входу первого 10 элемента И. Выход первого 2 ключа подключен ко входу первого 3 блока памяти, выход которого соединен со вторым входом блока 4 вычитания. Первый выход мульти5 вибратора 5 соединен со вторыми входами первого 11 реверсивного счетчика и второго 20 ключа и входом первого 13 формирователя импульсов, выход которого подключен к первому входу первого 17 элемента ИЛИ и

0 через последовательно соединенный первый 16 элемент временной задержки к первому входу второго 19 элемента ИЛИ и входу Установка О первого 11 реверсивного счетчика. Второй выход мультивибра5 тора 5 соединен со вторыми входами второго 12 реверсивного счетчика и третьего 21 ключа и входом второго 14 формирователя импульса, выход которого подключен ко второму входу первого 17 элемента ИЛИ

0 и через последовательно соединенный второй 18 элемент временной задержки ко второму входу второго 19 элемента ИЛИ и входу Установка О второго 12 реверсивного счетчика. Выход первого 6 блока зада5 ния уставки соединен с первым входом 8 первого блока сравнения, выход которого подключен к первом/ входу триггера 15. Первый выход триггера 15 соединен со вторым входом первого 10 элемента И, выход

0 которого подключен ко входам первого 11 и второго 12 реверсивных счетчиков и входу счетчика 25 импульсов. Выход второго 7 блока задания уставки соединен с первым входом второго 9 блока сравнения, выход

5 которого подключен ко второму входу триггера 15. Второй выход триггера 15 соединен со вторым входом третьего 26 элемента ИЛИ. Выход первого 11 реверсивного счетчика соединен с первым входом первою 20 ключа. Выход второго 12 реверсивного счет чика соединен с первым входом второго 21 ключа. Выходы первого 20 и второго 21 ключей подключены к первому входу второго 22 блока памяти, выход которого соединен с первым входом третьего 23 блока памяти и вторым входом третьего 27 блока сравнения. Выход третьего 23 блока памяти соединен с первым входом третьего 27 блока сравнения, выход которого подключен к первому входу второго 24 элемента И. Выход первого 17 элемента ИЛИ подключен ко вторым входам второго 22 и четвертого 28 блоков памяти, а выход второго 19 элемента ИЛИ соединен со вторым входом второго 24 элемента И и входом Установка О счетчика 25 импульсов, выход которого соединен с первым входом четвертого 28 блока памяти. Выход второго 24 элемента И соединен с первым входом третьего 26 элемента ИЛИ и вторым входом пятого 29 блока памяти, а выход третьего 26 элемента ИЛИ соединен со вторым входом третьего 23 блока памяти. Выход четвертого 28 блока памяти соединен со вторыми входами первого 8 и второго 9 блоков сравнения и первым входом пятого 29 блока памяти, соединенного своим выходом с индикатором 30.

Устройство работает следующим образом.

После спуска бурильной колонны в скважину, перед началом подачи, сигнал датчика 1 веса через кратковременно открытый ключ 2 запоминается блоком 3 памяти.

Осевая нагрузка на долото, по частотному сигналу датчика веса, определяется как разность частоты, соответствующей полному весу бурильного инструмента (бурильный инструмент спущен, долото еще не на забое) и частоты, соответствующей нагруженному инструменту. Операция вычитания частот реализуется блоком 4 вычитания, на выходе которого получаем частоту, пропорциональную нагрузке на долото.

Перед началом бурения блоками 6 и 7 задания уставок задаются, исходя из реальных условий бурения и компоновки инструмента, максимально допустимое Рдтах и целесообразно минимальное значения пределов изменения осевой нагрузки на долото, т. е. интервал разгрузка долота.

После этого долото нагружается максимально допустимой нагрузкой Рд / Рдтах и подача останавливается (лебедка затормаживается).

По мере разбуривания породы, осевая нагрузка начинает уменьшаться и при достижении ее значения, заданного блоком 6, блок сравнения 8 переключит триггер 15 по входу S в состояние логической 1, в результате чего частотный сигнал, пропорциональный осевой нагрузки на долото с выхода блока 4 вычитания через открытый элемент 10 поступает на первые входы реверсивных счетчиков 11 и 12, которые работают в противофазе, т. е. когда счетчик 11 выполняет операцию сложение, то счетчик 12 - операцию вычитание и наоборот. Такой режим счетчиков задается сигналами управления, формируемыми мультивибра0 тором 5, по команде которых за период обеспечивается последовательность выполнения операций суммирование и вычитание. Цикл работы каждого из этих счетчиков заканчивается результатом на5 копления импульсов в видечисел N, пропорциональных приращению осевой нагрузки Л PAcp за тот же период N Д Рдср.

В процессе разгрузки долота получится некотороечисло п таких циклов, резуль0 татом измерения в которых будет информация Ni А Рдсрт, Мз А Рдсрз, ..., накопленная первым реверсивным счетчиком 11 И N2 А РДСР2, N4 А РДСР4, ...,

накопленная вторым реверсивным счетчи5 ком 12. Эта информация через ключи 20 последовательно передается на вход блока 22 памяти и заносится в него каждый полупериод по команде сигнала Запись 1, поступающего на второй вход этого блока.

0 Этот сигнал формируется в конце первого полупёриода формирователем 13 импульса и элементом 17 ИЛИ, а в конце второго полупериода - формирователем 14 и элементом 17 ИЛИ.

5 После занесения информации в блок 22 памяти счетчики 11 и 12, поочередно, через элементы 16 и 18 временной задержки устанавливаются в нулевое состояние. Этими-же элементами 16 и 18 временной задержки

0 содержимое блока 22 перезаписывается в блок 23 памяти. Блоком 27 сравнения проверяется выполнение условия МЗ М2, т. е. сравнивается приращение ДРдср, находящееся в блоке 23 памяти, с приращением 5 в блоке 22.

Основным управляющим сигналом для прохождения сигнала записи Запись 2 через второй 24 элемент И и второй 26 эле0 мент ИЛИ является выходной сигнал блока 27 сравнения, который находится в состоянии логической 1 при выполнении условия МЗ М2. Когда это условие нарушается, то выходной сигнал блока 27 сравнения блоки5 рует прохождение сигнала Запись 2 и в блоке 29 памяти сохраняется значение осевой нагрузки на долото Рдср, последнего измеренного приращения N процесса разгрузка, соответствующее максимальному

ДР

значению д . Если до окончания процесса полной разгрузки долота снова выполнится условие МЗ М2, то после повторного его нарушения в блок 29 памяти запишется новое значение нагрузки, соответствующее

АР наибольшему значению д достигнутому

в процессе разгрузки, которое будет оптимальным для данной породы при заданных значениях других параметров режима бурения.

Канал измерения текущих значений Рдср организуется путем подсчета количества импульсов счетчиком 25, поступающих с блока 4 вычитания за фиксированный промежуток времени A t (один полупериод). Информация этого счетчика, после занесения ее в блок 28 памяти выходным сигналом первого 17 элемента ИЛИ, обнуляется командой Установка О, в каждом полупериоде.

В процессе поиска оптимальной нагрузки на долото Рдопт, информация в блоке 28 памяти обновляется каждый полупериод и поступает на вход блока 29 памяти, в котором фиксируется только значение Рдопгп и представляется для визуального наблюдения индикатором 30.

Процесс разгрузка заканчивается при достижении равенства текущего значения нагрузки на долото заданному минимальному значению.

При этом выходной сигнал блока 9 сравнения переключит триггер 15 по входу R в исходное состояние (на выходе Q сигнал логической 1). Его выходной сигнал запишет в блок 23 памяти последнее в процессе разгрузки значение приращения N из блока 22 памяти, а индикатор 30 сохраняет последнее, находящееся в блоке 29 памяти значение и схема готова к новому автоматическому поиску.

Формула изобретения

Устройство для установления эффективной нагрузки на долото, содержащее блок памяти, блок вычитания, три ключа, первый блок сравнения, первый блок задания устав- ки, триггер, первый формирователь импульса, первый логический элемент И и датчик веса бурильного инструмента, выход которого соединен с первым входом блока вычи- тания и через последовательно соединенные первый ключ и блок памяти - с вторым входом этого блока, а выход блока задания уставки соединен с первым входом блока сравнения, отличающееся тем, что, с целью повышения точности установления эффективной нагрузки на долото, оно

дополнительно снабжено мультивибратором, вторым блоком задания уставки, вторым и третьим блоками сравнения, двумя реверсивными счетчиками, вторым формирователем импульсов, двумя элементами временной задержки, тремя элементами ИЛИ, вторым элементом И, вторым, третьим, четвертым и пятым блоками памяти, счетчиком импульсов и индикатором, при0 чем выход первого блока сравнения соединен с первым входом триггера, а выход второго блока задания уставки соединен с первым входом второго блока сравнения, выход которого подключен к второму входу

5 триггера, выход блока вычитания соединен с первым входом первого элемента И, второй вход которого соединен с первым выходом триггера, а выход этого элемента И соединен с первыми входами первого и вто0 рого реверсивных счетчиков и входом счетчика импульсов, выходы этих реверсивных счетчиков подключены соответственно к первым входам второго и третьего ключей, первый выход мультивибратора соединен с

5 первым формирователем импульса и вторыми входами первого реверсивного счетчика и второго ключа, а второй выход мультивибратора соединен с вторым формирователем импульса и вторыми входами второго ревер0 сивного счетчика и третьего ключа, выход первого формирователя импульса соединен с первым входом первого элемента ИЛИ и через последовательно соединенный первый элемент временной задержки подклю5 чен к первому входу второго элемента ИЛИ и входу Установка нуля первого реверсивного счетчика, а выход второго формирователя импульса соединен со вторым входом первого элемента ИЛИ и через последова0 тельно соединенный второй элемент временной задержки подключен к второму входу второго элемента ИЛИ и входу Установка нуля второго реверсивного счетчика, выходы второго и третьего ключей подклю5 чены к первому входу второго блока памяти, выход которого соединен с первым входом третьего блока памяти и вторым входом третьего блока сравнения, выход третьего блока памяти соединен с первым входом

0 третьего блока сравнения, выход которого соединен с первым входом второго элемента И, выход первого элемента ИЛИ подключен к вторым входам второго и четвертого блоков памяти, выход второго элемента

5 ИЛИ соединен с вторым входом второго элемента И и входом установка нуля счетчика импульсов, выход которого соединен с первым входом четвертого блока памяти, а выход четвертого блока памяти подключен к первому входу пятого блока памяти и вторым входам первого и второго блоков сравнения, выход второго элемента И соединен с первым входом третьего элемента ИЛИ и вторым входом пятого блока памяти, второй выход триггера подключен ко второму входу

третьего элемента ИЛИ, выход которого подключен ко второму входу третьего блока памяти, а выход пятого блока памяти соединен с индикатором.