Автоматическое устройство оптимизации режима бурения скважин Советский патент 1980 года по МПК E21B44/02 

Изобретение относится к буровой технике, а именно к устройствам оптимизации процесса бурения нефтяных и газовых скважин забойными двигателями. Известно устройство для регулирования режима бурения скважин, содержащее блоки измерения осевого усилия частоты вращения и крутящего момента на валу турбобура, преобразовательусилитель мощности с блоками перемно жения, регистрирующим прибором и нул индикатором 1 . Недостатки системы - сложность ко струкции и ее неустойчивая работа. Например, при малых скоростях подачи долота устройство входит в колебательный режим. Наиболее близким к изобретению является устройство для регулироваии режима бурения скважин, содержащее блоки измерения частоты врсицения вала турбобура, крутящего момента на валу и осевого усилия на долото, а также преобразователь-усилитель мощности с приборами индикации частоты вргицения вала, крутящего момента иа валу и осевого усилия на долото, регулируемые блоки смещения, блоки пе1 ремножения, блок сравнения с нульиндикатором С2 . Однако аналоговая вычислительная схема устройства не учитывает перераспределения мощности турбобура на разрушение породы в забое и на потери , например вибрацию бурильной колонны, а настраивается на поддержание в процессе бурения максимальной или какой-то наперед заданной мощности. Следовательно, возможны ошибки в оптимизации процес са бурения. На пример, мощность турбобуром отдается большая, вибрация колонны также большая, а проходка незначительна. В этом случае необходимо изменить осевую нагрузку, но система устройства продолжает удерживать згщанную мощность турбобура. Другим недостатком устройства является низкая надежность, так как в нем использованы забойные приборы (датчики), работающие в тяжелых скважинных условиях (высокое давление, агрессивыне жидкости, вибрация и т. п.), и, кроме того, для связи забойных приборов с поверхностью Необходима линия связи забой-поверхность, что также резко снижает надежность систеки.

Цель изобретения - повышение эффективности бурения за счет автоматического поддержания оптимальной нагрузки на долото по минимуму энергии, затрачиваемой в процессе бурения на вибрацию бурильной колонны, и повышение надежности устройства.

Цель достигается тем, что автоматическое устройство оптимизации режима бурения снабжено датчиками вертикальных и горизонтальных составляющих колебаний колонны, сумматором, квадратором, блоком запоминания минимума, блоком коммутации,блоком управления, Ьлоком совпадения и блоком установки предельной осевой нагрузки, прИ этом выходы датчика осевой нагрузки и блока установки предельной осевой нагрузки подключены через последовательно соединенные блок совпадения, блок управления, блок коммутации к блоку автоматической подачи долота, а выхо- ды датчиков вертикальных и горизонтальных составляющих колебаний колонны подключены через последовательно соединенные сумматор, усилитель-преобразователь и квадратор к одному из входов блока сравнения, к второму входу которого подклю чен блок управления, к третьему входу подключен блок запоминания минимума, вход которого подключен к выходу квадратора, а один из выходов блока сравнения подключен к входу нуль-индикатора, а другой выход - к блоку коммутации.

На чертеже представлена блок-схема автоматического устройства оптимизации режима бурения.

Устройство содержит датчики вертикальных 1 и горизонтальных .2 составляющих колебаний, сумматор 3, усилительпреобразователь 4, квадратор 5, блок 6 сравнения, нуль-индикатор 7, схему 8 запоминания минимума, датчик 9 осевой нагрузки, блок 10 установки пределов .осевой нагрузки, блок 11 совпадения, блок 12 управления, блок 13 коммутации, автомат 14 подачи долота.

Устройство работает следующим образом.

- В начале бурения блок 12 управления выдает команды {в-виде перепадов напряжения) на коммутационный вход блока 6 сравнения и блок 13 коммутации. При этом блок 6 сравнения обеспечивает подготовку схемы запоминания минимума к работе, .а блок 13 коммутации обеспечивает включение автомата 14 подачи долота в режим поиска, при котором нагрузка на долото постепенно повышается до значения, заранее установленного с помощью блока 10 установки пределов осевой нагрузки

За время поиска меняется энергия колебаний колонны. Продольные и поперечные составляющие колебаний колонны возбуждают датчики вертикальных 1 и горизонтальных 2 колебаний Напряжения датчиков вертикального Ug и

горизонтального U поступают на сумматор 3, где происходит геометрическое сложение сигналов Суммарное напряжение Ug , достаточно полно отражающее кoлeбa ия к-олонны, в блоке 4 усиливается и преобразуется в напряжение постоянного тока Uon

СР i

величина которого пропорциональна средней амплитуде. Далее в квадраторе 5 напряжение ( преобразуется в напряжение Ug , величина которого пропорциональна энергии колебаний , которое поступает на один из входов блока 6 сравнения.

За напряжением квадратора 5 через блок 6 сравнения следит схема 8 запоминания минимума, которая запоминает за период поиска его минимальное значение. Постоянная времени схемы 8 запоминания минимума выбирается таким образом, чтобы на случайные кратковременные уменьшения или пропадания сигнала квадратора она не реагировала. Напряжение схемы 8 запоминания минимума прикладывается ко второму входу блока 6 сравнения.

при достижении осевой нагрузки на долото верхнего, заранее установленного значения, а это произойдет тогда, когда напряжение датчика осевой нагрузки 9 сравняется с напряжением, установленным с помопдью блока 10 установки пределов осевой нагрузки, блок 11 совпадения выдает напряжение на блок 12 управления, с которого выдается в этот момент команда (перепад напряжения) на блок 13 коммутации где происходит включение автомата 14 подачи долота. Исполнительный двигатель автомата 14 подачи долота изменяет нагрузку на долоте в сторону уменьшения до тех пор, пока напряжение на выходе квадратора 5 не сравняется с напряжением схемы 8 запоминания минимума, что можно наблюдать на нуль-индикаторе. В момент сравнения указанных напряжений с выхода схемы совпадения поступает сигнал, воздействующий на блок 13 коммутации, который переключает автомат 14 подачи долота в режим слежения за опти-° мальвой нагрузкой, соответствующей минимуму вибрации бурильной колонны.

Если в процессе бурения в результате изменения горно-геологических условий система удержать запомнившееся значение минимума вибрации изменением осевой нагрузки не способна, возникает большой сигнал рассогласования с блока 6 сравнения, и блок 13 коммутации переключает автомат 14 подачи долота в режим поиска новой оптимальной нагрузки. Устройство после нахождения нового значения осевой нагрузки, соответствующего минимуму вибрации колонны, производит по вышеуказанной схеме захват и переходит в режим слежения. Наблюдение за слеже