„;-.--СОЮЗНАЯАвторы;"^ : ;, Советский патент 1973 года по МПК G01P3/66 

1

Изобретение относится к области контроля и измерения параметров процесса бурения на буровых установках разведочного и эксплуатационного бурения.

Известны устройства для измерения механической скорости бурения, включающие датчик подачи бурового инструмента, датчик времени и вторичную аппаратуру обработки информации.

Предложенное устройство отличается тем, что к выходу датчика подачи через индикатор направления движения и датчик интервалов пути подключен делитель пути на вре.мя, выполненный в виде генератора, соединенного со счетчиком импульсов, выходы разрядов которого через фиксатор равенства двух двоич.ных чисел связаны с одноименными выходами разрядов блока памяти времени, а блок памяти времени соединен с автоматическим переключателем диапазона измерения, входы двух схем совпадения которого подключены к датчику времени и декаде, а выходы через схему «ИЛИ связаны со счетчиком времени, на выход которого включен инвертор, соединенный с соответствующими разрядами счетчика времени и триггером, парафазные выходы которого соединены со вторыми входами схем совпадения.

Это обеспечивает измерение скорости в широком диапазоне.

На чертеже представлена блок-схема предлагаемого устройства.

Дву.хэлементный датчик 1 подачи буровото инструмента соединен с индикаторо.м 2 нанравлення движения (ИПД) бурового инструмента. ИНД н.меет два выхода: «Вниз и «Вверх, соединенные с соответствующими входами датчика 3 интервалов -пути (ДИП). Выход ДИП соединен с блоком 4 управления,

триггером 5 и блоком 6 памяти. Датчик 7 времени своими выхода.ми подключен к блоку 4, декаде 8 и диодной схеме 5 совпадения. Выход декады 8 связан с диодной схемой 10 совпадения. Диодные схемы 9 и 10 выполнены на

два входа. Вторые входы диодных схем совпадения подключены к парафазным выходам триггера 11, а их выходы - к входам диодной схемы «ИЛИ 12, выход которой соединен с двоичны.м триггерным счетчиком времени 13.

Каждый разряд счетчика времени 13 соединен с блоком 14 управляемых электронных ключей, разрядные выходы которого связаны с блоком 6 на.мяти. Блок 6 своими выходами калсдого разряда подключен к схеме 15 фиксации равенства двух двоичных чисел, на которую также поданы выходы разрядов двоичного триггерного счетчика импульсов 16. Вход счетчика импульсов 16 соединен с генераторо.м 17 импульсов. К выходу старшего разряда счетчика времени 13 подключен инвертор

18, выход которого подан на один из разделенных входов триггера 11 и на входы соответствуюихих разрядов счетчика времени 13. Выход схемы 15 фиксации равенства двух двоичных чисел подан на шину сброса счетчика импульсов 16 и на один из разделенных входов триггера 19. Второй разделенный вход триггера 19 соединен с одиим из младших разрядов счетчика импульсов 16. К выходу триггера 19 подключены показывающий прибор 20, записывающий прибор 21 и канал телемеханики или цифровая вычислительная машина 22. Выход блока 4 управления связан с шинами сброса декады 8 и счетчика времени 13, а также с одним из разделенных входов триггеров 5 и // и входом блока 14 управляемых электронных ключей. Питание всего устройства осуш,ествля-ется от блока 23 питания, который через кнопку 24 связан также со входами установки в исходное состояние ИНД 2, ДИП 3, и блока 4 управления.

Принцип действия предлагаемого устройства заключается в следуюш;ем. Механическую скорость бурения скважи определяют равенством

-

где Я - проходка.

В связи с отсутствием возможности непосредственного измерения проходки, в практике бурения ее измеряют по величине подачи бурового инструмента.

Вследствие деформации колонны мгновенные значения скорости крюка и долота в общем случае неравны. Это не позволяет в равенстве (1) заменить проходку шодачей и приводит к необходимости онределения усредненных значений механической скорости но равенству

ДП

1/„г

(2)

Д

где АП 2 П; - интервал иодачи инстру4 1

мента за время At; Hi - элементарная подача инструмента.

Можно показать, что при заданных точности измерения механической скорости, точности поддержания осевой нагрузки, длине колонны, ее сечении и модуле упругости материала коло-нны, величина интервала подачи должна удовлетворять условию

(3)

2п,-;

56

По равенству (2) определяют скорость поступательного перемещения бурового инструмента, однако по конструктивным соображениям проще контролировать угловое перемещение роликов талевой системы, пропорциональное перемещению подъемного крюка. В этом случае задача сводится к измерению скорости вращения ролика кронблока.

В предлагаемом устройстве принят метод измерения времени, в течение которого ролик кронблока поворачивается на угол, соответствующий подаче инструмента на величину АП,

определяемую по условию (3). Измерив это время и зная величину АП, согласно равенству (2) определяют механическую скорость бурения.

Результат вычисления по равенству (2) воспроизводится перед бурильщиком в виде угла поворота стрелки показывающего прибора, может быть записан на диаграммной ленте самописца и передан в линию телемеханики в форме прямоугольных импульсов постоянного

тока, частота следования которых пропорциональна механической скорости.

Устройство работает следующим образом. Схема содержит два датчика - пути (подача) 1 и времени 7 (стабилизированный мультивибратор). При нажатии кнопки 24 сброса устройство устанавливается в исходное состояние. После отпускания кнопки начинается измерение скорости по сигналам датчиков 1 н 7. При бурении сигналы-импульсы от датчика

пути через индикатор направления движения бурового инструмента поступают на вход датчика интервалов пути.

Каждый импульс датчика / является носителем информации о перемещении бурового

инструмента на определенную величину СпЭти импульсы накапливаются в блоке 3. При достил ении заданного числа импульсов, определяемого выбранной величиной интервала подачи АП, блок 3 устанавливается в исходное состояние и выдает сигнал на блоки 4 н 6 и триггер 5. Блоки б и 5, получив сигнал с блОКа 3, устанавливаются в исходные состояния. Сигналы-импульсы датчика 7 поступают на вход диодной схемы 9 совпадения и на

вход декады 8. Каждый импульс датчика времени является носителем информации об истечении определенного промежутка времени С(. При работе на пределе измерения О- 50 м/час сигналы датчика 7 через диодную

схему 9 и схему «ИЛИ 72 поступают на вход двоичного триггерного счетчика 13. При работе на пределе измерения О-5 м/час, сигналы датчика 7 поступают на вход счетчика времени 13 через декаду 8 (триггерная схема деления на число 10), диодную схему 10 совпадения и схему «ИЛИ 12. Импульсы, поступившие на вход счетчика времени 13, накапливаются в нем нарастающим итогом в течение времени подачи инструмента на величину интервала подачи АП. Выходы всех разрядов счетчика времени 13 через блок управляемых электронных ключей поданы на входы соответствующих ячеек блока памяти.

Во время бурения текущего интервала подачи АП все ключи блока 14 закрыты и изменение состояния ячеек блока 13 не меняет состояния ячеек блока 6. После прохождения заданного интервала подачи АП, блок управления, получив сигнал с выхода блока 3, выдает команды; на блок 14 - «Ввести в блок 6 информацию, накопленную в счетчике времени на триггер 5 - «Запомнить состояние триггера на блоки 8, 13 и 11 - «Установиться в исходные состояния. При этом сначала открываются электронные ключи блока 14, и сигналы с тех ячеек блока 13, которые находились в состоянии, условно обозначаемом «1, поступают на соответствующие ячейки блока 6, :переводя их также в состояние «1, и триггер 5 запоминает состояние триггера //, а затем сбрасываются в исходные состояния блоки 8, 13 н 1 Е закрываются электронные ключи блока М. Таким образом, информация, накопленная за время бурения интервала подачи ДП в блоне 13, переводится в блок 6, где хранится в виде двоичного кода в течение времени буреяия следующего интервала ДП. После выполнения команд а, б Hie все операции по накоплению информации о скорости бурения за щрощедщий интервал подачи ДП заканчиваются, и в блоках 3 и 13 начинает накапливаться информация о скорости бурения за текущий интервал ДП в последовательности, описанной выще. Время бурения прощедщего интервала подачи ДП, хранящееся в блоке 6 в виде двоичного кода, преобразуется в :период следования импульсов постоянного нaпpяжeJIия постоянной длительности. Частота следования этих импульсов пропорциональна механической скорости бурения. Указанное преобразование производится с помощью схемы 15 фиксации равенства двух двоичных чисел, генератора 17 импульсов, счетчика импульсов 16 и триггера 19 с разделенными входами. Выходы одноименных разрядов блока памяти и счетчика импульсов 16 поданы на соответствующие входы ячеек схемы фиксации равенства двух двоичных чисел. На вход счетчика им:пульсов 16 непрерывно поступают импульсы постоянной частоты /ген. от генератора 17. Схема фиксации равенства двух двоичных чисел содержит десять (по числу разрядов блоков 6 и 16) ячеек «Исключительно ИЛИ, схему совпадения и инвертор. Каждая ячейка «Исключительно ИЛИ имеет два входа а, и bi, на которые поданы соответствующие выходы триггеров одинаковых разрядов блоков 6 и 16. При подаче на входы такой ячейки отрицательного потенциала она выпотняет логическую операцию Сг а.Ь; + api Выходы всех ячеек «Исключительно ИЛИ через диодную схему совпадения поданы на вход инвертора. На выходе инвертора появляется сигнал - отрицательное тзапряжение постоянного тока при выполнении условия т. е. в моменты равенства модулей чисел, хранящихся в блоке 6 и акопивщегося в блоке 16 При равенстве чисел, хранящихся в блоке 6 и накопивщих-ся в блоке 16, блок /5 выдает сигнал на сброс счетчика /6 в нулевое состояние и перевод триггера 19 в состояние «1. Счетчик импульсов 16 после установки в нулевое состояние, вновь заполняется импульсами от генератора 17 до наступления равенства чисел, накопившихся в нем и хранящихся в блоке 6, опять сбрасывается в нулевое состояние и т. д. При этом частота следования выходных сигналов с блока 15 определяется равенством где Л - двоичное число, хранящееся в блоке 5. Так как время бурения интервала ДП равно M C,.N,(5) а величина ДП сопз1, то, положив ДП /ГГ,е„,(6) где /С-коэффициент пропорциональности, и рещая совместно равенства (2), (5) и (6), получим ГХГtf f /геи . ., f I/ . --.-- Л к CfN С N где «1 ПОСТОЯННЫЙ коэффициент проCtпорциональности. Триггер 19 имеет два разделенных входа. На первый его вход поступают сигналы с выхода блока /5 с частотой /вых.. а на второй его вход поступают сигналы с выхода одного из младших разрядов счетчика импульсов 16. Благодаря этому время нахождения триггера 19 в состоянии «1 определяется частотой генератора 17 и весовым коэффициентом / разряда счетчика импульсов 16, с выхода которого управляется триггер 19, т. е. время нахождения триггера 19 в состоянии «1 определяется равенством При /reir. const, также tu const, в этом случае среднее значение силы тока в показывающих приборах 20 и 21, включенных на выход триггера 19, определяется равенством ср /вых r; (°) где UK - напряжение на коллекторе закрытого транзистора триггера 19; RU - сопротивление нагрузки триггера 19. Так как tu, U,; и н-величины постоянные, то ср - - : т. е. среднее значение тока нропорционалыю механической скорости бурен1 Я, и шкала приборов может быть проградуирована непосредственно в единицах скорости. Выход триггера 19 является выходом устройства. На выход триггера 19 подключаются показывающий прибор 20, записывающий прибор 21 и линия телемеханики или вхол цифровой вычислительной машины 22. Возможно одновременное или раздельное нодключение блоков 20, 21 и 22.

При отрыве долота от забоя на выходе индикатора нанравления движения бурового инструмента, условно названном «Вверх, появляется сигнал, накладывающий запрет на работу блока 3. При этом на блоке индикации (на чертеже не показан) зажигается сигнальная лампа с надписью «Вверх. Чтобы вновь начать измерение скорости лосле нодачи долота на забой и установления желаемого значения осевой нагрузки на долото, необходимо нажать и отпустить кнопку 24.

Далее работа измерителя механической скорости повторяется.

Питание всего устройства осуществляется от блока 23.

Вычисленное значение скорости за прошедщий интервал воспроизводится -перед бурильщиком в виде угла поворота стрелки показывающего прибора 20 в течение времени бурения следующего интервала подачи ЛП.

Для ориентации бурильщика о скорости бурения текущего интервала, блок 3 снабжен индикацией, -позволяющей подсчитывать в двоичном коде число импульсов, поступивших от датчика пути 1, с начала буреиия текущего интервала. В момент включения устройства на измерение скорости и цосле накопления в блоке 3 числа импульсов, соответствующего установленному интервалу подачи ДП, включается специальное кодирующее реле.

Назначение реле - выдача в линию буровой установки с диспетчерским пунктом (если последние имеются) кодированного сигнала.

С помощью специального переключателя можно изменять величину интервала подачи АП. Автоматическое переключение Пределов измерения производится следующим образом. В момент начала измерения, т. е. иосле отпускания кнопки 24, блок 4 устанавливает декаду 8, счетчик времени 13 и триггер 11 в исходное состояние, при котором парафазные выходы триггера 11, подключенные к схемам 9 и 10 совпадения, разрешают работу схеме 9 и запрещают работу схеме 10. Это положение соответствует верхнему пределу измерения (О-50 м/час). На этом пределе устройство работа-ет до переполнения счетчика 13; так как емкость счетчика времени 13 ограничена, то при бурении с малой скоростью наступает момент, когда он переполняется и сбрасывается в нулевое состояние (при VM 5 м/час). Это приводит к потере информации о времени бурения заданного интервала ДП. Поэтому в устройстве предусмотрен инвертор 18, вход которого подключен на выход счетчнка времени 13. Выход инвертора 18 подан на один из входов триггера 11 и на входы соответствующих разрядов счетчика времени 13. В момент переполнения счетчика времени 13 инвертор 18 переводит триггер 11 -в другое устойчивое состояние, при котором его парафазные выходы запрещают работу схеме 9 и разрешают работу схеме 10.

Этим увеличивается цена импульса времени, вводимого в счетчик времени 13, в десять раз, так как теперь сигналы датчика времени поступают на вход счетчика времени 13 через декаду 8, схему 10 и схему «ИЛИ 12. Если обозиачить цену импульса времени на первом диапазоне измерения (от О до 50 м/час)-С,, а на втором диапазоне (от О до 5 м/час)-С,, то время бурения можно выразить равенством

&f Ct,N,,(11)

или

M Ct,N,(12)

Из равенств (И) и (12) имеем

N, N,-,

(13) t.

Следовательно, для исключения потери информации в момент переполнения счетчика времени 13 и для автоматического перехода на новый предел измерения скорости необходимо одновременно с увеличением цены имиульса времени ввести в опорожнившийся счетчик времени -13 число N-2, определяемое равенством (13), где - число Ихмпульсов ценой С/, каждый, хранившееся в счетчике времени 13 в момент его переполнения. Параллельный вход числа NZ в счетчик времени 13 осуществляется инвертором 18.

Для определения предела измерения, по которому необходимо произвести отсчет скорости по шкале прибора 20, на блоке индикации перед бурильщиком имеются сигнальные лампы с надписями «Умножить на 1 и «Умножить на 0,1, подключенные на выходы триггера 5.

Предмет изобретения

Устройство для измерения механической скорости бурения, включающее датчик Подачи бурового инструмента, датчик времени и вторичную аппаратуру обработки информации, отличающееся тем, что, с целью обеспечения измерения скорости в широком диапазоне, к выходу датчика подачи через индикатор направления И датчик интервалов пути подключен делитель пути на время, выподненный в виде генератора, соединенного со счетчиком импульсов, выходы разрядов которого через фиксатор равенства двух двоичных чисел связаны с одноименными выходами разрядов блока памяти времени, а блок памяти времени соединен с автоматическим переключателем диапазона измерения, входы двух схем совпадения которого подключены к датчику времени и декаде, а выходы через схему «ИЛИ связаны со счетчиком времени, на выход которого включен инвертор, соединенный с соответствующими разрядами счетчика времени и триггером, парафазные выходы которого соеди; ены со вторыми входами схем совпадения.

ПТГГП

R3j5

Г

И