Система для автоматического управления режимами бурения скважин Советский патент 1980 года по МПК E21B45/00 

(54) СИСТЕМА ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ РЕЖИМАМИ БУРЕНИЯ СКВАЖИН НИИ (например, сейсмоприемники, находящиеся в верхней части бурильной колонны 4 вблизи устья -на дневной поверхности), усилители 5 и 6 сигналов, датчики 7 осевой нагрузки на долоте, регулятор 8 подачи бурового инструмента и частоты вращения долота, блоки 9-12 фильтрации анализатора спектра, датчик 13 частоты вращения долота, исполнительные механизмы 14 регулятора подачи и частоты вращения, коррелятор 15, детектор 16, блок 17 управления, временной селектор 18, блок 19 питания, блок 20 коррекции износа Долота, блок 21 деления, преобразователь 22 аналог-код, ана-логовый регистратор 23, функциональный преобразователь 24, блок 25 синхронизации. Система работает следующим образом. Сигналы и, упругого роля, возникающего при работе долота и забойного бурового инструмента в забое буровой скважины 1, после передачи по беспроводному каналу связи (по колонне бурильных труб, в околоскважинном пространстве и по столбу промывочной жидкости) принимаются датчиками 2 и 3 упругих колебаний, преобразующими их в электрические колебания Uj и Us (два датчика и два приемно-усилитель-ных канала показаны условно, так как число датчиков упругих колебаний может быть iieограниченным и они могут быть расположены в нижней части бурильной колонны на забое, вверху бурильной колонны на устье скважины и в буровом растворе, вокруг устья скважины на дневной поверхности по заранее выбранной системе, на вертлюге, на «мертвом конце талевого каната и т.д.). В случае установки датчиков в нижней части бурильной колонны могут быть использованы как модуляционные способы передачи сигналов на поверхности при помощи импульсов давления, возбуждаемых в промывочном растворе, так и акустический - через бурильную колонну с использованием продольных и поперечных волн в качестве несущего сигнала. После предварительного усиления в блоках 5 и 6 и фильтрации в блоках 9-12 анализатора спектра, где блоки 9 и 10 являются широкополосными, а блоки 11 и 12 - узкополосными, где осуществляется фильтрация сигналов с выходов датчиков 2,3 и 7 в заданной полосе частот, когда область низких 4acTot характеризует динамический режим бурильной колонны и частоту вращения долота, а область высокочастотных колебаний, соответствующая произведению частоты вращения на число режущих элементов долота, характеризует степень бурймости горных пород и степень износа долота. Отфильтрованные сигналы поступают одновременно на входы .многоканального коррёлятора 15,. где осуществляется измергние значений функций автокорреляции R22(t), R(r) и взаимной корреляции R22(t:) сигналов, принятых датчиками 2,3 И 7 на вход блока 16 детектирования,-в ко-, тором осуществляется оценка энергии сигналов в различных полосах частот при помощи узкополосных фильтров Л(Ас1)), где А (О JnAf - полоса фильтрации. Сигналы с выхода коррелятора 15 через временной селектор 18, в котором осуществляется регулирование временной задержки т положения максимум сигналов корреляции, необходимое для разделения упругих колебаний, возникающих при разбуривании горных пород и упругих колебаний, отраженных от горных пород, находящихся ниже забоя буровой скважины, поступают на один из входов блока 21 деления, выполненного в виде сумматора с предварительным взвещиванием, на другой вход которого подаются сигналы с выхода блока 16 детектирования. В блоке 21, осуществляющем суммирование со взвещиванием, происходит операция деления максимум сигналов с выхода блока 16 детектирбванил и измерение значений коэффициента jS п буримости горных пород, соответствующих величинам волнового сопротив.;ения гор-ны.х rsopoj, и измерение волнового сопротивления Дк бурильной колонны. д г,. ) . а V Ктлх(ДШц) ОгЩГ -ёГаШГ где Ki и Ка -.коэффициенты пропорциональности;Д cog и Д 0ц верхний и нижний диапазоны фильтрации упруг.х колебаний и колебаний осе-вой нагрузки на долото. Одновременно с блоком 21 деления СЕ;:зан блок 20 коррекции износа долота, представляющий со.бой усилитель-формирователь, управляемый сигналами с выходов блоков 16 и 21, где степень износа долота определяется по формуле. к - и A(w) Т(ш+1Ц где Кз - коэффициент пропорциональности при соответствующих значениях осевой нагрузки Pj на долото и частоты п вращения долота, поступающих с выходов датчиков 7 и 3. С выхода блока 21 сигналы значений Дп.к(й)) поступают в функциональный преобразователь 24, преобразующий сигналы значений .к() в соответствующие значения осевой нагрузки на долото и частоты вращения, необходимые для достижения требуемой максимальной скорости проходки скважины при минимуме износа долота. Функциональный преобразователь 24 выполнен по схеме управляе1у1ого усилителяформирователя и служит для программного задания сигналов, пропорциональных оптимальным значениям частотных составляюших .осевой нагрузки на долото, соотвествующим наименьщим значениям . разнести волновых сопротивлений fi (Лш) и /JK(AOJ) и частоты пзм вращения для измеренных значений/ „ (А uj),/;IR (Л ю ) и выполняет усЛивие приближения к равенству /9n(Aoj) Дк(Л) в каждый момент измерения, при котором обеспечивается наибольший эффект разрушения разбуриваемой горной породы.

Сигналы с выхода функционального преобразователя 24 поступают на вход блока 17 управления, связанного с исполнительными механизмами 14, где сравниваются с сигналами с выхода датчика 7 нагрузки и с выхода датчика 13 соответственно пропорциональными измеряемым значениям нагрузки на долото и измеряемым значениям с выдачей управляюших сигналов.

ДР Ризм-РзАА ; An Пн}М-ПзААВыходные сигналы ДрДп с выхода блока 17 управляют через исполнительные механизмы 14 peгyляtopoм 8 подачи бурового инструмента и частоты вращения.

Нагрузка на долото и частота враш;ения ограничены безопасными экстремальными значениями и диапазоном изменения задаваемых значений.

Одновременно система измеряет пространственное положение ствола скважины в процессе бурения по величинам максимумов (или отношения максимумов) сигналов взаимной и автокорреляции и разности моментов вступления функций взаимной корреляции (т удругих колебаний, принятых датчиками упругих колебаний, установленными на дневной поверхности вокруг устья скважины по заранее принятой системе наблюдения. Сигналы с выходов блоков 7,13, 20 и 24 поступают на вход многоканального аналогового регистратора 23, где регистрируются амплитуды и ведущие частоты упругих колейаний А (Ли)), параметры функций взаимной и автокорреляции R{T), такие как коэффициент и интервал корреляции, коэфициент когерентности, параметры Rf, /JK волновых сопротивлений гор ных пород и бурильной колонны степени износа 5 бурового инструмента, нагрузки Р на долото, скорости п вращения и скорости V проходки в аналоговой форме.

Лентопротяжный механизм регистратора 23 синхронизирован с процессом разбуривания скважины, и регистрация этих параметров производится одновременно в виде непрерывных кривых в функции глубины скважины и времени бурения. Привязка к глубине бурящейся скважины регистратора 23 осуществляется импульсами с датчика глубин, преобразуемыми в двоичный код магнитного регистратора (на чертеже блок магнитного регистратора не показан).

Аналоговые сигналы с выхода блока 23 поступают на вход аналого-цифрового преобразователя напряжения в код преобразователя 22. Получаемые на выходе преобразователя 22 сигналы регистрируемых параметров в параллельном двоичном коде подаются на вход магнитного регистратора для дальнейшего в случае необходимости уточнения литологического расчленения исследуемого разреза скважины и прогнозирования режимов бурения.

Для этого в магнитном регистраторе хранится программа литологического расчленения разреза скважины цо данным А, R, /3, Р, V и корректировки режи.мов бурения скважины на последующие добавления. С 0 выхода программного устройства результаты литологического расчленения разреза в процессе бурения подаются на графопостроитель, строящий литологический разрез разбуриваемых и находящихся ниже забоя пластов с одновременным построением прост5ранственного положения ствола скважинь. Глубина исследования пластов, находящихся ниже забоя, регулируется выбором ведущей частоты фильтров в блоках 9-12.

0 Вся измерительно-информационная часть системы выполняется на интегральных микросхемах и устанавливается непосредственно на буровой скважине или возле буровой в специальном стенде или прицепе. Не исключается и возможность дистанционного

S

управления.

Важным преимуществом предлагаемой ситемы является отсутствие провод К)й линии связи для передачи информации на дневную поверхность и высокие возможности оптимизации процесса бурения за счет автоматического поддержания условий согласования частотных составляющих волновых сопротивлений бурильной колонны и горных пород, находящихся ниже забоя буровой

скважины.

Формула изобретения

Система для автоматического управле: ния режимами бурения скважин, содержащая датчики измерения осевой нагрузки, частоты вращения и скорости проходки, блок управления, исполнительные механизмы, блок измерения упругих колебаний и анализатор спектра, отличающаяся feM, что с целью обеспечения оптимизации процесса бурения путем согласования волновых сопротивлений бурильной колонны и горных пород под долотом, она снабжена коррелятором, временным селектором, блоком деления, блоком коррекции износа и функциональным преобразователем, причем к выходам датчика измерения осевой нагрузки и блока измерения упругих колебаний через анализатор спектра подключены коррелятор и детектор, выход которого непосредственно, а выход коррелятора через временной селектор подключены к блоку деления, выход которого соединен с функциональным

преобразователем, подсоединенным к б.току управления, к одному из входов которого подключен блок коррекции износа, соединенный с выходами датчиков измерения осевой нагрузки, частоты вращения и детектора.

, Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Патент США № 337823, 173-6, опублик. 1968.

2., Патент Франции № 2033351, G 01 N 3/00, опублик. 1969.

.s..- V:iV-; --v i -.: