Устройство для диагностики отказов бурового инструмента Советский патент 1980 года по МПК E21B45/00 

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ ОТКАЗОВ БУРОВОГО ИНСТРУМЕНТА

Изобретение относится к буровой .технике для контроля и автоматизации буровых процессов. Известно устройство для определе Ния выхода из строя бурового инстру та, реа/шзующее способ оценки износа долот по увеличению крутящего мо мента 1 . Однако данное устройство позво.ляет выявить уже вышедшее из строя долото, что недостаточно для эффективного управления буровым процессом. Известно устройство для контроля зЬбойных параметров, которое поз воляет регистрировать условия работы бурового инструмента в скважине, содержащее датчик вибрации бурового инструмента, соединенный с усилителе .и фильтрами, детекторы и индикатор 2 . С помощью известного устройства возможен контроль износа бурового инструмента, однако надежность контроля при этом невелика, так как на величину и частоту колебаний вли ет много факторов. Кроме того данно устройство также не позволяет вести опережающий контроль (т.е. предсказывать время выхода долота из,строя Цель изобретения - повьаиение надежности .прогнозирования отказов бурового инструмента. Поставленная цель достигается тем, что устройство снабжено датчиком токовой нагрузки двигателя враидателя, блоком настройки, пороговыми устроиствалш, схемой установки уровня, блоком логического умножения и реле времени, причем датчик токовой нагрузки и датчик вибраций соединены ка1ждый с целью,состоящей из управляемого фильтра, детектора и порогового устройства, управляющие входы фильтров соединены через блок настройки с двигателем вргвдателя бурового инструмента, а датчик вибрации через детектор и схему установки уровня соединен с пороговыми устройствами, выходы которых подключены к блоку логического умножения, соединенному через реле времени с индикатором. На чертеже показана схема устройства для диагностики отказов бурового инструмента. Устройство содержит датчик 1 токовой нагрузки, двигатель 2 вращателя, датчик 3 вибрации, усилитель 4, блок 5 настройки, перестраиваемые

фильтры 6, пиковые детекторы 7, пороговые устройства 8, детектор 9, схему 10 установки уровня, логическое устройство 11 умножения, реле 12 времени и индикатор 13.

Работа устройства основана на фиксации определенных соотношений характерных диагностических частот в общем спектре колебаний бурового инструмента при различных режимах бурения, а также установлении отношения между упомянутыми колебаниями и колебаниями в цепи тока двигателя вращателя,

характерным признаком, определяющим аварийное состояние долота, является наличие колебаний на штанге в диапазоне частот (2-3) F, где Р частота вращения бурового инструмент в цепи тока двигателя вращателя с частотой (1,5-2) F (для трехшарошечного долота), Упомянутые колебания имеют место при любых режимах работы и типах пород,

Устройство для диагностики отказо бурового инструмента работает следующим образом.

При возникновении подклинивания в шарошках долота, когда в одной из них из-за износа подшипников или попадания шлама в зазор возникает трение, в цепи двигателявращателя появляется значительная пульсация тока с частотой (1,5-2) Р. Указанная пульсация тока возникает в том случае, если происходит ассиметричное разрушение одной из шарошек, или в результате их зацепления. Одновременно с пульсациями тока в результате неравномерного разрушения забоя возникают продольные колебания бурового става с частотой (2 - 3)Р, которые регистрируются датчиком 3 вибрации и усиливаются усилителем 4. Колебания с усилителя 4 и датчика 1 токовой нагрузки поступают на фильтры 6, настроенные на соответствующие частоты. Перестройка фильтров осуществляетця блоком 5 настройки в зависимос,ти от скорости вращения бурового инструмента. Сигнал на блок настройки поступает с двигателя 2 вращателя, и с изменением числа оборотов фильтры 6 всегда настраиваются на характерные частоты, указывающие на начальную стадию выхода бурового инструмента из строя Пиковые детекторы 7 преобразуют амплитуду перемённы { напряжений с усилителя 4 и датчика 1 токовой нагрузки в постоянный .сигнал. Постоянные сигналы, отражающие амплитуду вибрации буровой штанги и величину колебаний тока в цепи двигателя вращателя, поступают на пороговые устройства 8. В зависимости от амплитуды указанных сигналов на выходе пороговых устройств присутствует дискретная величина напряжения,Уровень порога срабатывания этих устройств регулируется схемой 10 установки уровня, напряжение на которую подается через квадратичный детектор 9. Напряжение на выход детектора 9 определяется энергией колебаний во всем наблюдаемом спектре частот вибраций бурового инструмента. Чем сильнее вибрации (их величина зависит от осевого давления и от свойств разбуриваемой

0 породы), тем выше устанавливается порог срабатывания устройств 8. Таким образом устраняются ложные срабатывания устройства от изменений режима бурения и свойств горной

5 породы. Для срабатывания устройства необходимо наличие сигналов на двух входах логического устройства 11 умножения, т. е. необходимо наличие как продольных вибраций буровых

Q штанг, так и колебаний тока с опреде ленными частотами, причем должно соблюдаться их необходимое соотношение, имеющее место при выходе бурового инструмента из строя. При соблюдении этих условий действует логическое устройство 11 умножения, на выходе которого появляется напряженй реле 12 времени срабатывает и сигнальная лампочка 13 загорается. Лампа не загорается, если увал1-;чивается

0 осевое давление, при этом значительно возрастают вибрации, но колебания тока в цепи двигателя вращателя увеличивс1ются незначительно и на одном из входов устройства 11 отсутствует напряжение. Кроме того соотношение амплитуды колебаний в широком спектре частот и в узком диагностическом окне при всех прочих равных условиях и исправном или неисправном

Q долоте будет строго определенным (в последнем случае оно вькие) , что фиксируется пороговым устройством,

В случае трения буровых штанг о стенку скважины увеличиваются колебания тока, но амплитуда вибраций

5 будет недостаточна. С изменением крепости горных пород, появления их дефекта возрастают как вибрация так и колебания тока, но частота колебаний тока при этом такова, что они не

0 попадают через фильтр на детектор. Кратковременные случайные возмущения обеих величин (тока нагрузки и вибраций), вызванные какими-либо другими причинами (подклйнивание

г долот,завалы и пр.), вызывают срабатьгеание логического устройства 11, но время их действия небольшое и его не хватает для срабатывания pejie 12 времени.

Таким образом предлагаемое устройство максимальной надежностью фиксирует начальные признаки выхода бурового инструмента из строя, т.е, позволяет производить диагностику его отказов в процессе буре-

5 ния. Применение устройства позволяет значительно сократить время на замену буровых долот, улучшить технологию бурения и осуществить своевременный ремонт бурового инструмента (в ряде случаев требуется простая промывка долот), что значительно увеличивает ресурс работы бурового инструмента.

Формула изобретения

Устройство для диагностики отказов бурового инструмента, содержащее датчик вибрации бурового инструмента, соединенный с усилителем и фильтрами, детекторы и индикатор, отличающееся тем, что, с целью повышения надежности прогнозирования отказов бурового инструмента оно снабжено датчиком токовой нагрузки двигателя вращателя.

блоком настройки, пороговыми устройствами, схемой установки уровня, блоком логического у:1ножения и реле времени, причем датчик токовой нагрузки и датчик вибрации соединены . каждый с цепью, состоящей из управляемого фильтра, детектора и порогового устройства, управляющие выходы фильтров соединены через блок настройки с двигателем вращателя, а датчик вибрации через д тектор и схе0му установки уровня соединен с пороговыми устройствами, выходы которых подключены к блоку логического умножения, соединенному через реле времени с индикатором.

5

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

2.Авторское свидетельство СССР 0 301431, кл. Е 21 В 45/00, 1971.