Устройство для определения динамического состояния бурильной колонны Советский патент 1993 года по МПК E21B44/00 

Ј

Изобретение относится к буровой технике и позволяет повысить эффективность бурения путем использования динамических свойств бурильной колонны. Устройство состоит из датчика 1 продольных колебаний бурильной колонны, усилителя 2, блока 3 выделения резонансного сигнала, блока 4 группирования резонансных сигналов по импедансным каналам и блока 5 регистрации. . Устройство позволяет регистрировать и различать динамические состояния бурильной колонны, соответствующие или близкие резонансам с минимальным и максимальным входным импедансом бурильной колонны. Это позволяет более оперативно принимать решения по регулированию технологических параметров бурения таким образом, чтобы использовать динамические свойства бурильной колонны. .4 ил. ... : ;-./„. ,;:; . : ,; - ;... ,-..; -у -..: т С ч

ФигЛ

00 О

ю о

к

Изобретение относится к буровой технике, в частности к устройствам оптимизации процесса бурения нефтяных и газовых скважин.

Цель изобретения - повышение эффективности бурения путем использования динамических свойств бурильной колонны.

Поставленная цель достигается тем, что устройство для определения динамического состояния бурильной колонны снабжено последовательно соединенными датчиком продольных колебаний бурильной колонны, усилителем, блоком выделения резонансных сигналов по импедансным каналам и блоком регистрации.

Известно, что резонанс продольных колебаний в бурильной колонне возникает как при минимуме, так и при максимуме входного импеданса бурильной колонны со сторо- :ны долота. Резонанс при минимуме импеданса характеризуется максимальной амплитудой колебаний долота и минимальной переменной составляющей силы взаимодействия долота с забоем скважины, а при резонансе с максимумом входного импеданса амплитуда колебаний долота минимальна, а переменная составляющая силы взаимодействия долота с забоем скважины максимальна. Оба резонансных состояния сопровождаются увеличением амплитуды колебаний верха бурильной колонны, Предпочтительным считается режим бурения, при котором бурильная колонна находится в состоянии резонанса с максимумом входного импеданса или в динамическом состоянии, близком к этому резонансу. Режим бурения, при котором динамическое состояние бурильной колонны близко к резонансу с минимальным входным импедансом, является нежелательным. В процессе бурения эти состояния необходимо различать для регулирования технологических параметров таким образом, чтобы динамическое состояние бурильной колонны при необходимости приближать к резонансу с максимумом входного импеданса бурильной колонны или не допустить динамического состояния с минимумом входного импеданса бурильной колонны. Для этого необходимо,например, получить сигналы.соответствующие резонансным состояниям бурильной колонны, а затем сигналы, соответствующие резонансным состояниям бурильной колонны с минимальным входным импедансом, выделить в один канал, а сигналы, соответствующие резонансным состояниям бурильной колонны с максимальным входным импедансом, - в другой канал. В дальнейшем тексте эти каналы именуются минимальным импеданс5

5

0

ным каналом и максимальным импедансным каналом. Тогда по наличию сигнала в том или ином импедансном канале определяют динамическое состояние бурильной

колонны в процессе бурения. Указанные . операции выполняет устройство для определения динамического состояния бурильной колонны.

На фиг,1 изображена функциональная

схема устройства; на фиг.2 - схема одного из наиболее простых вариантов практической реализации устройства; на фиг.З - схема практической реализации устройства, собранного на основе селективного устройства для выделения резонансного сигнала; на фиг.4 - графики, поясняющие работу устройства, собранного по схеме фиг.З.

Указанные операции выполняет устройство для определения динамического состо0 яния бурильной колонны. Функциональная схема устройства приведена на фиг.1. Оно состоит из датчика 1 продольных колебаний бурильной колонны, усилителя 2, блока 3 выделения резонансных сигналов, блока 4 группировки резонансных .сигналов по импедансным каналам и блока 5 регистрации. Выход датчика 1 соединен с входом усилителя 2, выход которого подключен к входу блока 3 выделения резонансных сигналов, а выход блока 3 подключен к входу блока 4 группировки резонансных сигналов по импедансным каналам. Выход блока 4 соединен с входом блока 5 регистрации.

Устройство работает следующим обр а5 зом. Продольные колебания бурильной колонны воспринимаются датчиком 1 и преобразуются в электрический сигнал, соответствующий величине одного из следующих параметров колебаний: смещения,

0 скорости или ускорения - в зависимости от типа датчика. Частота этого сигнала соответствует частоте колебаний бурильной колонны. Сигнал с выхода датчика 1 поступает на вход усилителя 2, где усиливается до не5 обходимой величины, С выхода усилителя 2 сигнал поступает на вход блока 3 выделения резонансных сигналов. Резонансное состояние бурильной колонны характеризуется определенной частотой и увеличением амп0 литуды колебаний верха бурильной колонны. Поэтому и сигнал, соответствующий резонансному состоянию бурильной колонны, поступающий на вход блока 3 выделения резонансных сигналов, также имеет

5 определенную частоту и отличается большей амплитудой в спектре сигналов, поступающих на вход блока 3, В дальнейшем тексте сигнал, соответствующий резонансному состоянию бурильной колонны называется резонансным сигналом. В блоке 3

вцделение резонансного сигнала производится по частоте и амплитуде. Если в спектре сигналов, поступающих на вход блока 3 выделения резонансных сигналов, присутствуют одна или более составляющих, соответствующих резонансным состояниям бурильной колонны, то на выходе блока 3 появляются один или более резонансных сигналов, соответствующих частотам резонансных колебаний бурильной колонны. Чтобы при преобразованиях резонансного сигнала не терялась информация о соответствующей резонансному сигналу частоте колебаний бурильной колонны, каждый резонансный сигнал на выход блока 3 выделения резонансного сигнала поступает по отдельному каналу, соответствующему определенной частоте. С выхода блока 3 резонансные сигналы поступают на вход блока 4 группирования сигналов по импедансным каналам. В этом блоке резонансные сигналы группируются по соответствию резонан- сам бурильной колонны при минимальном входном импедансе и резонансам при максимальном входном импедансе бурильной колонны. Сигналы, соответствующие резонансам при минимуме входного импеданса бурильной колонны, выделяются в один канал, называемый минимальным импедансным каналом, а сигналы, соответствующие резонансам при максимальном входном импедансе бурильной колонны, выделяются в другой канал, называемый максимальным импедансным каналом.

Для различных компоновок бурильной колонны соответствуют разные значения резонансных частот. Причем, если для одной компоновки определенная частота соответствует резонансу при максимуме входного импеданса, то для другой компоновки та же частота может соответствовать резонансу при минимуме входного импеданса бурильной колонны. Поэтому конструкция блока 4 предусматривает работу по заданному алгоритму. Для составления алгоритма работы блока 4 группирования резонансных сигналов по импедансным каналам расчетным или опытным путем находят возможные частоты резонансных ко- лебаний бурильной колонны с минимальным входным импедансом и частоты резонансных колебаний бурильной колонны с максимальным входным импедансом. Алгоритм работы блока 4 составляется так, чтобы резонансные сигналы, поступающие с выхода блока 3 по каналам, соответствующим найденным частотам резонансных колебаний бурильной колонны с минимальным входным импедансом, группировались в минимальный импедансный канал, а сигналы, поступающие с выхода блока 3 по каналам, соответствующим найденным частотам резонансных колебаний бурильной колонны с 5 максимальным входным импедансом, группировались в максимальный импедансный канал блока 4 группирования резонансных сигналов по импедансным каналам. Схема блока 4 органами управления приводится в

0 соответствие с составленным алгоритмом. Таким образом, если на вход блока 4 поступают сигналы, соответствующие резонансам бурильной колонны с минимальным входным импедансом, то появляется сигнал

5 на выходе минимального импедансного канала, а если на вход блока А поступают сиг- налы, соответствующие резонансам с максимальным входным импедансом бурильной колонны, то появляется сигнал на

0 выходе максимального импедансного канала. Выходы импедансных каналов являются выходом блока 4. С выхода блока 4 группирования резонансных сигналов по импедансным каналам сигналы подаются в блок 5

5 регистрации. Если сигнал на вход блока регистрации поступаете максимального импедансного канала блока 4, то на выходе блока регистрации появляется сигнал, соответствующий резонансу бурильной колонны при

0 максимуме входного импеданса, а если сигнал на вход блока регистрации поступает с минимального импедансного канала блока 4, то на выходе блока регистрации появляется сигнал, соответствующий резонансу

5 бурильной колонны при минимуме входного импеданса бурильной колонны. Таким образом, предлагаемое устройство позволяет регистрировать и различать динамические, состояния бурильной колонны соответству0 ющие или близкие резонансам бурильной колонны с максимумом или минимумом входного импеданса бурильной колонны.

Схема наиболее простого варианта практической реализации предлагаемого

5 устройства приведена на рис. фиг.2. В качестве датчика 1 используют сейсмоприем- ник, например, типа СВ1-10. Усилитель 2 собирают на базе микросхемы, например, типа К157УД1. В качестве блока 3 выделе0 ния резонансного сигнала используют набор узкополосных фильтров: f1...fN, перекрывающих диапазон от 1 Гц до 120 Гц. В данном примере резонансные сигналы поступают на выход блока 3 по каналам,

5 образованным выходами фильтров f1...fN.

В качестве блока 4 группирования резонансных сигналов по импедансным кана-. лам используют, например, набор переключателей B1...BN на три положения с нейтральным и двумя крайними положениями. Переключающий контакт 1 каждого переключателя подключают к определенному каналу на выходе блока 3. Таким образом, каждый переключатель соответствует резонансному сигналу, отображающему резонанс бурильной колонны в определенной полосе частоты, то есть каждый переключатель соответствует определенной полосе частот. Выходные контакты каждого переключателя, соответствующие первому (на фиг.2 - верхнему) крайнему положению переключателя, соединяются вместе и образуют, например, минимальный импедансный канал, а выходные контакты 3 каждого переключателя, соответствующие второму крайнему (на фиг.2 - нижнему) положению, также соединяются вместе и образуют Максимальный импедансный канал блока 4. В зависимости от крайнего положения переключателя сигнал, соответствующий полосе частот этого переключателя, поступает в минимальный или максимальный импедансный канал. При нейтральном положении переключателя сигнал, соответствующий полосе частот этого переключателя не проходит через блок 4 группирования резонансных сигналов по импедзнсным каналам. Расчетным или опытным путем находят частоты, соответст- вукщие резонансным состояниям бурильной колонны. Алгоритм работы блока 4 в данном примере заключается в следующем. Если найденная частота соответствует резонансу бурильной колонны при минимальном импедансе то переключатель, соответствующий этой частоте, устанавливается в первое крайнее положение (на фиг.2 - верхнее), а если найденная частота соответствует резонансу при максимуме входного импеданса, то соответствующий переключатель устанавливается во второе крайнее положение (на фиг.2 - нижнее). Остальные переключатели ставятся в нейтральное положение. Выходы импедансных каналов являются выходом блока 4.

Блок 5 регистрации собирают из двух параллельных цепей, содержащих преобразователь и сигнальное устройство. Преобразователь собирают, например, из последовательно включенных усилителя, собранного на микросхеме К157УД1, диодного выпрямителя, сглаживающего RC- фильтра и подключаемого к нему тиристорного ключа. Через тиристорный ключ от сети переменного тока питается сигнальное устройство, например, лампа накаливания с цветным светофильтром. Лампа, включенная в первую цепь, подключаемую

к минимальному импедансному каналу на выходе блока 4, устанавливается, например. с красным фильтром. Лампа, включенная во вторую цепь блока 5, соединенную с максимальным импедансным каналом на выходе блока 4, устанавливается, например, с зеленым светофильтром.

Работает устройство следующим образом. Если динамическое состояние бурильной колонны приближается к резонансу, то в спектре колебаний бурильной колонны появляется составляющая, соответствующая . этому резонансу, отличающаяся большей амплитудой по сравнению с другими составляющими, Поэтому и на выходе датчика 1 появляется соответствующая составляющая электрического сигнала. С выхода датчика 1 сигналы поступают в усилитель 2, где усиливаются и далее подаются на вход блока 3 выделения резонансного сигнала, то есть на параллельно включенные фильтры f1...f N. На выходе блока .3 сигнал появляется в канале, соответствующем выходу фильтра с полосой пропускания, в которую

попадает частота резонансных колебаний бурильной колонны, С выхода блока 3 сигнал поступает на вход блока 4, где он поступает в минимальный импедансный канал, если соответствует резонансу с минимальным входным импедансом бурильной колонны. Если сигнал соответствует резонансу бурильной колонны при максимальном входном импедансе, то он поступает в максимальный импедансный канал

блока 4 группирования резонансных сигналов по импедансным каналам. С блока 4 сигнал подается на вход блока 5 регистрации. Если сигнал соответствует резонансу при минимуме входного импеданса бурильной колонны, то он с выхода блока 4, соответствующему выходу минимального импедансного канала, поступает на вход первой цепи блока регистрации. При этом включается лампа с красным светофильтром, сигнализирующая о резонансе бурильной колонны при минимальном входном импедансе.

Аналогично, если бурильная колонна находится в состоянии резонанса с максимальным входным импедансом, то включается лампа с зеленым светофильтром.

При турбинном бурении резонансные колебания наблюдаются в основном при частотах выше 20 Гц. В этом случае устройство

5 для определения динамического состояния бурильной колонны собирают на основе селективного устройства для выделения резонансного сигнала, например, на основе

анализатора спектра типа С4-53, имеющего нижний предел измерения 20 Гц. Этот вариант имеет то преимущество по сравнению с приведенным выше примером, что устройство не имеет полосовых фильтров, которые вносят дискретность при выделении резонансного сигнала. Упрощенная схема примера практической реализации предлагаемого устройства с применением анализатора спектра приведена на фиг.З. Датчик 1, усилитель 2 выполняют аналогично вышеописанному примеру. В качестве блока выделения резонансного сигнала применяют панорамный анализатор спектра (АС) типа С4-53. Этот АС является прибо- ром последовательного типа, поэтому сигналы на его выходе, соответствующие определенным частотам .разнесены по времени. То есть на выходе блока 3, в качестве которого применяют АС, резонансные сиг- налы разделяются по временным каналам. Работа АС поясняется рисунком фиг.4. На фиг.4а приведен график изменения сигнала на информационном выходе АС. Если на вход АС подается сигнал, например, с двумя частотами fi и f2, то на информационном выходе АС в моменты времени ti и г появляются сигналы отклика.соответствующие этим частотам. На фиг.4б приведен график изменения напряжения на выходе генера- тора развертки осциллографического индикатора АС. На фиг.4 видно, что частота fi соответствует напряжению Ui на выходе генератора развертки и сигнал отклика в момент времени ц, а частоте fa соответствует напряжение U2 и сигнал отклика в момент времени t2. Таким образом, каждой частоте сигнала, подаваемого на вход АС, соответствует сигнал отклика в некоторый момент времени и определенный уровень напря- жения на выходе генератора развертки осциллографического индикатора АС. В данном примере сигнал отклика на выходе АС является резонансным сигналом.

Блок 4 группирования резонансных сиг- налов по импедансным каналам собирают из стабилизированного источника напряжения Е, делителей напряжения RI-J, нуль-индикаторов HHi-j, логических элементов и И2, реле времени РВ1 и РВ2, где j 1;2;...n..

I 1 соответствует минимальному импе- дансному каналу.

1 2 соответствует максимальному им- педансному каналу.

Значение п определяется числом учитываемых резонансных состояний бурильной колонны. Делители RI-J подключают к источнику стабилизированного напряжения Е, Выходы делителей напряжения подключают на первые входы соответствующих нуль- индикаторов, а на вторые входы нуль-индикаторов подают напряжение с выхода генератора развертки АС. Выходы нуль-индикаторов HMi-| подключены к первому входу логического элемента И1, а выходы H142-J - к первому входу логического элемента И2. Вторые входы логических элементов И1 и И2 подключены к информационному выходу АС. Выходы логических элементов И1 и И2 подключены соответственно к выходам реле времени РВ1 и РВ2. Выходы реле времени являются выходами минимального и максимального импедансных каналов блока 4, то есть являются выходом блока 4.

Блок 4 группирования резонансных сигналов по импедансным каналам работает следующим образом.

Предварительно расчетным или опытным путем4 находят частоты возможных резонансных колебаний бурильной колонны и составляют алгоритм работы блока 4. Он сводится к определению, например, по фиг.4 соответствия найденных частот напряжениям на выходе генератора развертки АС и к установке этих напряжений на делителях напряжения RI-J, причем резонансным частотам с минимальным входным импедансом соответствуют делители RI-J, а резонансным частотам с максимальным входным импедансом бурильной колонны соответствуют делители Ra-j. Например, найденная частота fi соответствует резонансу бурильной колонны с минимальным входным импедансом, а частота г соответствует резонансу бурильной колонные максимальным входным импедансом. При этом делитель, например, RM устанавливают в. положение, когда с него снимается напряжение U1, соответствующее частоте fi (см. фиг.4), а делитель, например Ra-1 устанавливается в положение, при-котором с негр снимается напряжение Ua (см. фиг.4), соответствующее частоте fz. Остальные делители устанавливают в нулевое положение. Тогда, если на входе блока 3, в качестве которого используют АС, .присутствует составляющая с частотой fi, то в момент времени п (см. фиг.4) на информационном выходе АС появляется сигнал, а с генератора развертки АС на вторые входы всех нуль-индикаторов подается напряжение Ui. Так как на первый вход только одного нуль- индикатора НИ1-1 подается так же напряжение Ui, то только на выходе этого индикатора появляется выходной сигнал, который подается на первый вход логиче-: ского элемента И1. В этот же момент времени на вторые входы логических элементов И1 и И2 поступает сигнал отклика с информационного выхода АС. Так как на первый вход логического элемента И2 сигнал не поступает, то выходной сигнал появляется только на выходе первого логического элемента И1, что свидетельствует о наличии на выходе АС. (блока 3) составляющей, соответствующей резонансной частоте колебаний бурильной колонны с минимумом входного импеданса. Аналогично, если с датчика 1 через усилитель 2 на вход АС (блока 3) поступает составляющая сигнала с частотой fa, то сигнал, соответствующий частоте резонансных колебаний бурильной колонны с максимальным входным импедансом, появляется на выходе логического элемента И2. Сигналы с выходов логических элементов И1 и И2 поступают соответственно на входы реле времени РВ1 и РВ2. Реле времени включают в схему для того, чтобы сохранить сигнал на выходе блока 4 до последующего цикла работы генератора развертки АС.

Если применяется реле времени с контактными выходами, то блок 5 регистрации состоит из ламп накаливания со светофильтрами. От входных контактов реле времени РВ1 блока 4 включается лампа, например, с красным светофильтром, что сигнализирует о резонансе бурильной колонны при минимальном входном импедансе. А выходными контактами реле времени РВ2 блока 4 включается лампа, например, с зеленым светофильтром, что сигнализирует о резонансе бурильной колонны . ри максимальном входном импедансе бурильной колонны. Второй пример практической реализации устройства по сравнению с первым, кроме устранения дискретности при выделении резонансного сигнала, имеет и следующее преимущество. Среди возможных резонансных частот колебаний бурильной колонны

есть такие, которые изменяются по мере углубления скважин. Во втором примере легче производить автоматическую коррекцию в зависимости от глубины скважины.

Это делают путем подключения органов управления соответствующих резисторов, образующих делители напряжения RI-J, к датчику глубины скважин.

Таким образом, предлагаемое устройство решает поставленную цель. Оно позволяет регистрировать и различать динамические состояния бурильной колонны, соответствующие или близкие резонанг сам с максимумом или минимумом входного

импеданса бурильной колонны. Выдаваемая предлагаемым устройством информация позволяет более оперативно принимать решения по регулированию технологических параметров таким образом, чтобы использовать динамические свойства бурильной колонны,например, при бурении резонансными компоновками с максимальным входным импедансом бурильной ко-, лонны,

Формула изобретения

Устройство для определения динамического состояния бурильной колонны в процессе бурения, содержащее датчик продольных колебаний бурильной колонны,

подключенной к усилителю, отличающееся тем, что, с целью повышения эффективности бурения за счет учета динамических свойств бурильной колонны, оно снабжено последовательно соединенными блоком выделения резонансного сигнала блоком груп- пирования резонансных сигналов по импедансным каналам и блоком регистрации, при этом выход усилителя подключен к входу блока выделения резонансного сигнала.

-х

й

7

Y

Sf

п

38г

А-/

j-0 /з .у&-г

rz:

i

/7/

) I I

4

I

l

Яг

v ;

л

О

f

I

/

г Z3