Устройство для каротажа скважин в процессе бурения Советский патент 1980 года по МПК G01V1/52 

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ КЙРОТЙЖЙ СКВАШЙГ В ПРОЦЕССЕ БУ&ЕНИЯ

Изобретение относится к области каротажа скважин в процессе бурения Оно может быть применено как при бур НИИ глубоких скважин,;так и при буре нии взрывных скважин на открытых карьерах шарсядечными долотами. Известно устройство для измерения механических свойств горной породы в процессе бурения 1. Йанное устройство рассчитано на каротаж скважин в процессе бурения только по колебаниям буровой штанги не учитывая давление на забой и скорость проходки, Известно также устройство для кар тажаскважин 2 ,содержащее датчики, усилители, дифференциальный усилитель, два фильтра, генератор перио дического напряжения, усилитель с переменным коэффициентом усиления, фазосдвигаюшее устройство, линию задержки, сравнивающее устройство, интегратор и компаратор, соединенные таким образом, что дают возможность измерять механические свойства горной породы по колебаниям буровой штанги.. , Данное устройство использует в качестве.информационного признака параметр .- вибрацию буровой , штанги и,как вспомогатеЛЬнййпараметр - скорость враиения буровой штанги. Наличие одного информационного признака затрудняет объективную оценку свойств разб5 рйваёмой Так, например, в резуль,тате увеличения давления на долото (наращивание штанги , при глубоком бурении, уве- личейие давления в гйдроцияйндрах бурового станка при бурении, вз|: й1вных скважин) при разбуривании одной и той же породы изменяется уровень вибрации буровой мтанги, что ведет к снпибкам в измерении. При разбуривании пород с .различными коэффициентами крепости изменяется скорость проходки, что тоже является информационным параметром не используемым в рассмотренном устройстве. Работа устройства основана на обработке непрерывного сигнала, что снижает его помехозащищенность и затрудняет настройку устройства. .Целью изобретения является повы иение точности определения свойств горной породы. Поставленная цель достигается тем, что в устройство введены каналы измерения давления, скорости проходки и устанох;ки перебура, причем все введенные каналы соединены с каналом измерения колебаний буровой штанги, а канал измереАия скорости проходки соединен также с каналом измерения авления и ка налом коррекции сигнала о скорости вращения буровой штанги. ри этом какал измерения колебаний буровой штанги состоит из передатчика, подключенного к дифференциальноу усилителюи последовательно соединенных приемника, усилителя сигнала колебаний буровой штанги, фильтра, схемы выработки среднего значения сигнала колебаний штанги, пороговых элементов, элемента выделения максиального сигнала и схем совпадения, В канал коррекции сигнала по скороси вращения буровой штанги введена схема выработки пбрЪговогоуровня, выходы ее подключены к порогов элементам канала измерения колебаний танги и скорости -проходки, Канал намерения давления :сост.оит иэ последовательно соединённых датЧика давления, усилителя сигнала давления, выпрямителя/ пороговых элементов, элемента ВЕлделе ни я максимального сигнаа, схем совпадения, блока ввода ая-, горитма порода канала измерения давления, выход которого подключен к схемам совпадения канала колебаний буровой штанги. Канал измерения скорости проходки состоит из сй дйнённых, последйватеяьно датчика; ckojpocTH Проходки усилителя сигнала скорости проходки, выпрямителя, пороговых элементЬв, злемеята выдёлёнйй мИссймального/сигнала, бЯо.ка .ввода алгоритма- , порода канала измерения скорости проходки t. выход которого - подключен к схемам совпадения канала измерения

давления. Канал установки.перебура срстрит из послёдоват-ельно соединенных, ячейки ИЛИ , cxejvfej задержкии схемы форг.№рованйя управЯяющёгО напряжения;--;- .-.--- г . Устройство состоит из двух конструктйвно изолированных .частей, Конструктивное выполнение части устройства, регистрирукйцей и трансяирующей сигнаЯ Колебаний буровой штанги;, возможнб в виде коявцевой пяатформы,

закрепляемой на вращающейся буровой штанге. По периметру платформы из изоляционного материала закрепляется антенка. На платформу крепятся два пьезо4атчика и часть устройства вплоть до передатчика. Остальная часть устройства находится в любом Удобном месте.(либо на буровом стайке, либо вкаьине упр1авлёния бурового оборудования) .

На чертеже представлена схема Устройства.

Для регистрации виброускорения буровой штанги использованы два пьезодатчика 1,2, два истоковых повто рителя 3 и 4,два усилителя 5 и 6,дифференциаяьный усилитель У, который соединен с передатчиком 8, Для снятия информации с буровой штачги использован радиоканал. Приемник 9 работает на усилитель 10, который, в свою очередь, соединен через фильтр 11 со схемой выделения среднего значения 12, Коррекция сигнала по скорости вращения буровой штанги выполнена на согласующем элементе 13, соединенным со схемой выработки порогового уровня 14. Пороговые элементы 15-17 канала колебаний буровой мтанги соединены с выходом схемы 14, Элемент вьщеления максимального сигйала 18 соединен со схемами совпадения 19-21, которые, в свою очередь, соединены с индикатором 22, Канал установления перебура состоит из соединенных последовательно схемы ИЛИ 23, схемы задержки 24 .и схеМы формирования управляющего напряжения 25. Каная измерения давления состоит из датчика давяения 26, усилителя 27, выпрямителя 28 соединенного с пороговыми элементами 29-31,

Элемент выделения максимального сигнала 32 соединен со схемами совпадения 33-55, Выходы схем совпадения соединены со входом блока алгоритма порода 36 канала измерения давления. Канал скорости проходки состоит КЗ йосяедоватеяьно соединенных датчика скорости йроходки 37, усилителя 38, выпрямителя 39, пороговых элементов 40-42, элемента выделения максимального сигнала 43 и блока алгоритма порода канала скорости роходки 44, ,

Число.Пороговых элементов 15, 16, 17, 29, 30, 31, 40, 41, 42 и схем совпадения 19, 20, 21, 33, 34, 35, а также связей между ними зависит от уровня градации в определении механических свойствразбуриваемой породда. Чем выше степень градации, тем точнее определение свойств породы.

Принцип работы устройства состоит в том, что каждому типу пёроды соответствует определенный уровень вибрбуЪкорейия буровой штанги на частотах разрушения породы штырями шарошёк дояота.и постоянная- скорость проходки при определенных давлении на долото, и скорости вращения буровой штанги,

Устройст.во опредеяяет разбуриваемую породу по соответствию трех параметров: уровня виброускорения, скорости проходки и давления. Так Как уровень виброускорения и скорость проходки изменяются от числа оборотов, то. в схеме устройства имеется коррекция по уровням, использующая в качестве управляющего напряжения . сигнал о скорости вращения буровой штанги. Устройство работает следующим образом. Сигналы колебаний буровой штанги с пьезодатчиков 1, 2 поступают на истоковые повторители 3, 4р обеспечивающие высокое входное сопротивление с целью регистрации колебаний, начиная с низкой частоты. Пьезодатчики устанавливаются на платформе, закрепленной на буровой штанге с раз воротом их друг относитеЛЁНо друга на 180. TfaKHM образом, сигнал колебаний бхфовой штанги будет отличаться на выходе дифференциального усили теля 7 после усилителей 5, 6 на 180 Дифференциальный усилитель вычитает сигналы, в результате исследуемые сигнатпы о колебаниях буровой Ытанги будут складываться, а сигналы помех, наводимые на входные цепи устройства, вычитаться. Вследствие того, что входные цепи находятся в равных условиях, то сигналы помех будут близк по амплитуде и в дифференциальном усилителе 7 произойдет их Взаимное подавление. Напряжение, соответствующее колебаниям буровой штанги подается на колебательный контур передатчика 8, где осуществляется частотная модуляция высокочастотного сигнала передатчика напряжением, соответствуюйщм колебанию буровой штанги. Приемник 9 принимает сигнал с буровой штанги, усилитель 10 усиливает его, а фильтр 11 выделяет часть сигнала в полосе частот, соответствующей работе штырей долота по забою. Схема выделения среднего значения 12 выделяет из полученно го сигнала после детектирования его среднее значение. Элемент выделения максимального сигнала 18 пропускает на свой выход сигнал соответствующий максимальному значению напряжения, пол ученного после, пороговых элемент тов 15-17. Таким образом, сигнал соответствующий среднему значению колебаний буровой штанги в ограниченной полосе частот поступает только на ту из схем совпадения 19-21, которая расчитана на определенный уровень напряжения, соответствующий полученному в конкретный момент буре ния. На выходе схемы совпадения сигнал будет лишь в том случае, если на второй ее вход пришел сигнал,.соответствующий определенному давлению и скорости Проходки. Эти сигналы формируются следующим образом. С датчика давления 26 переменное напряжение, амплитуда которого соответствует уровню давления в гидроцилиндрах подачи буровой штанги или же весу бурильной штанги через усилитель 27 поступает на выпрямитель 28. Выпрямленное напряжение, величина которого .соо ветствует уров ню давления, поступает на пороговые. элементы 29-31 и далее на элемент , выделения максимального сигнала з, работающий аналогично описанному элементу 18. Схемы совпадения 33-35 вырабатывакгг сигнал на выходе л(Ш1ь в тбМ сЙ Мё;; еслй прйсутствую сигналы на двух входах одной из схем ; совпадения. На первый вход подается сигнал, соответствующий давлению на забой, на второй сигнал соответствующий скорости проходки. Совпадение возможно только на одной из схем. Далее сигнал подается на блок ввод алгоритма порода 36, который скоммутирован согласно соответствию уровйй с лёбаний буровой штанги и давлению нз долото, соответс1 ву|0й1ик раэбуриванию псэрода с конкретн( Коэффициентами крепости. С этого блока сигнал о давлении подается на ту йзс:хёмсовпаден1 тя 19-21, на которую пришел сигнал о вибрации, соответствующий при данном давлении конкретной крепости разбурива « Ой породы. Аналогично работают и схея«л совпадения 33-35j только на них должны сОвйаг гёЬйгйШй о давлений и П Ьходкй. Сигнал о скорости проходки прстуйаёт с датчика ctKopccти проходки 37 на усилитель 38 и представляет собой переменное напряжение, амплитуда котсч ог6 пропорциональна.. скорости 1ФОХ6ДКИ, Это напряжение вйпрямляётсявййтрямителем 39. Затем выпрдашенное напряжение, амйЛитуда к6твр 9 ТпрШерцжЖ1Жйа скорости проходки, подается на 1юр 6говые элементы 40-42 и далее череэ Климент ВБщелёнйгймакСймальйбго сйг йаЯа 43, который работает акалогично рассмотренному элементу 18, на блок ввода алгор|итма порода 44, кот .й скоишутирован согласно сооТвётётгаю уровня давления йа долОто и с&орбсти Яроходки, соответстр5 ших j&as бурив анйю породы с конкретньами коэффициеятами крепости« С данного блока, сигн1ал о скорости проходки подается на тУ из схем сЬвпадения 33-35, на которую гфишел Сигнал о давлШйй на Долото соот- ветствующий при данной скорости проходки конкретной крепости разбуриваейой порода .-У образомj сигнал на выходе той или иной cxeNttJ совпадения 19-21 будет лишь в случае совпадения сигналов уровня колебаний буровой штанги, давления и скорости проходки. Этот сигнал подается на индикатор 22, фиксируюший его в размерности крепость разбуриваемой породы. На этот же индикатор приходит сигнал с усилителя 38, соответствующий скорости проходки,.для определения глубины залегания породы с фиксируемой 1срепостью. Со схем совпадения, соответствуюших пропусканию сигнала при разбуривании рудного тела (19 и 20), напряжение подается на схему ИЛИ 23. Схема задержки 24 срабатывает лшйь в отсутствия сигнала со схе1 ИЛИ 23 и наличия сигнала сорхе мы сбвп&дёния, соответствующей пропх скацию сигналов от разбуривания вмёщаюйёй породы (21) .Схема задержки 24 вырабатывает сигнал после истечения времени, соответствуюиегр ве перебура во вмещающую породу. Подле этЪго срабатывает схема формир йания управляющего напряжения 25и отключает двигатель вращения бурового снаряда при использовании устройс ва иа буровом станке при разбуривани рудного тела, . - - . ,; Так как уровень колебаний буровой штанин и скорость п)оходки-эависят от числа оборотов, Фо в устройстве Гфейусйб рена коррекция по урозвням, йсПоль-зующая в качестве управляюгцего йапряжёния сигнал о скорости вращени буровой .йтанги, . корректирующей цепи еледующая. С датчика скорости, вращения ;черезсогласующий элемент 13 перемен ное напряжение, частота которогоrijpo порцйональна .числу оборотов буровой штанги, пбступает на схему выработки nopolOBuro ypoSHH 14. Схема 14 вырабатавает коррёйтйрующёё напряжение ЙЙя ;й&мёйёййя потр-ога прот ускания. ПбрЬГбййХ,элементов 15, 1б, 17, 40, 41 и 42,АмплИГУда .корректируюиего напряжения пропорциональна числу .оборотов буровой штанги. Из теорий распознавания образцов следует, что подобного рода у строй ст во требует первоначйльного обучения, В насфр.яшём выполнении настройка . ссуществляётся изменениёмко1имутации аходов;и выходов .блогаГГ§вЭЯ1:- лГ6-- ритмов порода,3.6 и 44 при бурении образцовГО1РНОЙ пброды с йзёбстрыми ме.ханическими свойствами,; .;.- Устрййство прошло промышленные испытания на Северо-Джёзказганском руднике. Испытания устройства проводитась на станке шйрошечного бурения СБШ-250МН по перемежающимся поро дам и рХ(де.. Во время испытаний было выявлено, что устройство работоспособно и обес печивает распознавание механичгёскйх свойств разбуриваемой породы. Исполь зован1|е.,в качестве информативных пар йётров наряду с виброускорением, скб рости прОходки, давления на долото и корректировки по урсэвням, в с бй ствйё изменения числа оборотов штанги,ис ключаюг сяаибки в определении механических свойств разбуриваемой поро ды. Возмо скость оцределения границ залегания рудного тела с помощью устройства дает возможность вйДёржйвания равншс перебуррв по плсшади

737902

8 залегания р ДНого тела, что предотвращает разубоживание руды после . Устройство дает возможность корректировки параметров буровзрывных работ с целью их оптимизации. Формула изобретения 1.Устройство для каротажа скважин в процессе бурения, содержащее канал измерения колебаний буровой штанги, состоящий из двух пьезодатчиков, двух усилителей, соединенных с пьезодатчика 1И через истоковые повторители, дифференциального усилителя, соединенного с усилителями, фильтра и индикатора, канала коррекции сигнала по Скорости вращения буровой штанги, состоящего из согласующего элемента, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что, с целью повышения точности определения свойств горных пород, в него введены каналы измерения давления,, скорости проходки и установки пёребура, причем все введенные каналы соедйнерш с каналом измере.Ийя колебаний буровой штанги, а канал измерения скорости, проходки соединён С каналом измерения давления и каналом коррекции сигнала по скорости вращения буровой штанги. 2.Устройство по П.1, отл и ч а ю щ е ее я.тем, что канал измерения колебаний буровой штанги состоит из передатчика, подключенного к дифференциальному усилителю, и последовательно соединенных приемника, усилителя сигнала колебаний буровбй штанги, фильтра ,схемы выработки среднего значения сигнала колебаний , пороговых элементов, элемента выделен.ня максимального сигнала и схем совпадения. 3;. Устройство по п.1, от личающее.с я тем, что в канал коррекции сигнала по бкорости вращения буроврй штанги введена схема выработки порогового уровня, выходы которой подключены к пороговым элементам канала измерения колебаний буровой штанги и скорости проходки. 4,Устройство по п.1, отличающееся тем, что канал измерения давления состри.т .из последовательно соединенных датчика давления, усилителя сигнала давления, /выпрямителя, пороговых элементов, элейента выделения максимального сигнала, схем совпадения, блока ввода алгоритма порода канала измерения давления, выход которого подключен к схеMaw совпадения канала измерения колебаний буровой штанги. 5.Устройство по п.1, о т л и чающееся тем, что кйнал измерег ния скорости проходки состоит из соединенных последовательно датчика скорости проходки, усилителе сигнала

скорости проходки, выпрямителя, пороговых элементов, элемента выделени максимального сигнала, блоки ввода альгоритма порода канала измерения скорости проходки, выход которого подключен к схемам совпадения канала измерения давлений.

6, Устройство по n.i, о т л и ч а ю ш. е е с я тем, что канал установки перебура состоит из последова тельно соединенннх ячейки ИЛИ, схемт-j задержки и схемы формирования уппавляюшего напряжения.

- - Источники информации, . ггринятые во внИйанИе при экспёотизё 1. Заявка Великобритании № 128598 : кл, G 01 N 3/34, 1972.

2. Патент Лраиции № 1587350, . кл. Е 21В 47/00, 1970 (ппототип) .