Устройство для измерения осевой нагрузки на долото Советский патент 1981 года по МПК E21B44/00 E21B44/02 

Изобретение относится к области бурения нефтяных и газовых скважин при разведке и добыче полезных ископаемых и может быть использовано в системах оперативного управления бурением для поиска эффективной осевой нагрузки на долото. Известно устройство Для определв ния эффективной осевой нагрузки при турбинном способе бурения, основанное на анализе осевой нагрузки на долото в процессе специального реляма бурения l . Специалышй режим бурения осуществляется путем предварительной разгруз ки долота и последующим заданием скорости бурения намного большей, чем скорость бурения в установившемся режиме (Vj). Эта скорость (Vf|) поддерживается постоянной в течение всего времени поиска. Поскольку. Vfi Vg, нагрузка на долото растет, однако в области экстремума функции V f(РЭ) первая произимеет минимум, а вторая водная меняет знак на противоположный. Этот момент характеризуется наступлением эффективной осевой нагрузки на долото (), при которой механическая скорость бурения достигает максимального значения. Устройство содержит датчик веса, определитель нагрузки, запоминающее устройство, дифференцирующее устрой- ство, блок управления, исполнительный механизм, задатчик регулятора скорости, регистратор скорости, датчик скорости, сумматор, запоминающее устройство усредненной скорости проходки сигнум-реле, исполнительный орган, узел перенастройки, первый и второй переключающие устройства, устройство задаш1Я интервала интегрирования. Недостатки этого устройства связаны с необходимостью дифф,еренцирования сигнала об осевой нагрузке,что усиливает влияние помез а точность определения эффективной осевой нагрузки, с большими кянелтческт перегрузками воздействующими на колонну бурильных труб и долото в период переходного процесса, что может привести к аварии на забое. Известно устройство для определения эффективной осевой нагрузки на долото 2. . Движение колонны бурильных труб описывается уравнением П где механическая скорость бурения;V - скорость подачи долота с - коэффициент, учитывающий па раметры колонны бурильных труб, Р - осевая нагрузка на долото Работа устройства заключается в анализе информации об осевой нагрузк на долото при заторможенном верхнем конце колонны труб, когда V 0. V-tc В этом случае механическая скорость бурения пропорхдаональна скорости изменения осевой нагрузки на долото. Устройство осуществляет поиск эффективной осевой нагрузки при специальном режиме бурения: осевая нагрузка на долото доводится до максимального значения Е ограничиваемого прочностью долота или критической нагрузкой турбобура,после этого подача инструмента прекращается. По мере выбуривания породы осевая нагрузка на долото уменьшается и последовательно проходит все значения от Р „„ до 0. Такой характер изменения осевой нагрузки при остановленно подаче инструмента подтвержается экс перимвнтальШ)1ми исследованиями. В тот момент времени, когда осева нагрузка равна эффективному значению темп ее изменения максимальный.За эффективное значение осевой нагрузки на долото Рд принимают ее значение при котором производная 4т- достига максимальной величины. Для уменьшения влияния сил трени колонны бурильных труб о стенки скв жины бурильную колонну постоянно в процессе поиска Р проворачивают. Таким образом устройство осуществля ет поиск максимального значения с}Р|сНЬ Недостатки устройства связаны с необходимостью проведения специального режима поиска, занимахицего длительное время. В течение поиска большую часть времени долото работает при неэффективной нагрузке, что снижает средннмо за долбление скорость бурения . Так как в процессе поиска нагрузка на долото доводится до максимальных значений-, то надежность работы долота и бурильшлх труб снижается. При поиске эффективной нагрузки на долото определяется производная осевой нагрузки по времени, но сигнал об осевой нагрузке сильно зашумлен помехами, возш1кающими в колонне бурильных труб и в талевой системе под действием вибраций бурильного инструмента, сил трения колонны 6 стенки скважины и пульсаций промьшочной жидкости, поэтому при дифференцировании сигнала об осевой нагрузке помехи усиливаются, чтоснижает надежность определения эффективной нагруэки;Известно устройство, являющееся наиболее близким к изобретению по технической сущности, содержащее датчик веса, блок памяти, пороговые элементы и индикатор 3 . Недостатком устройства так же является невысокая точность измерения. Целью изобретения является повышение точности измерения. Цель достигается тем, что устройство, содержащее датчик веса, блок памяти, пороговые элементы и индика-. тор, снабжено двумя интеграторами, блоком вычитания, источником опорного напряжения, блоком сравнения и пятью ключами, при этом выход датчика веса соединен с первым входом вычитания и входом блока памяти, выход которого соединен со вторым входом блока вычитания, выход которого связан со входом первого порогового элемента, связан через первый ключ со входом второго порогового элемента и соединен через первый н второй ключи со входом первого интегратора, выход которого подключен через четвертый ключ с первым входом блока сравнения, причем выход источника опорного напряжения соединен через третий ключ со входом второго интегратора, выход которого связан через пятый ключ со вторым входом блока

сравнения, а выход блока сравнения связан со входом индикатора, при это выход первого порогового элемента свзан со входами первого, четвертого и пятого ключей, а выход второго порогового элемента связан со входами второго и третьего ключей.

На фиг, 1 представлена блок-схема устройства для измерения осевой наг-ГРУЗКИ на долото, на фиг. 2 - днаграмма изменения осевой нагрузки на долото в процессе разбуривания при остановленной подаче на фиг. 3 диаграмма изменения веса инструмента в процессе поддержания выбранного значения осевой нагрузки на долото.

Устройство для определения эффективной осевой нагрузки на долото содержит датчик веса 1, блок памяти 2, блок вычитания 3, первый пороговый элемент 4, первый ключ 5, второй пороговый элемент 6, второй ключ 7, певый интегратор 8, источник опорного напряжения 9, третий ключ 10, второй интегратор 11, четвертый ключ 12, пятый ключ 13, блок сравнения 14, индикатор 15.

Уcтpoйcfвo работает следующим об- разом.

Устройство интегрирует осевую нагрузку по времени на заданном интервале ее изме 1ения ЛР, поэтому отсутствуют блоки поиска максимального значения производной осевой нагрузки Pjbijt а поиск эффективного значения осевой нагрузки () основан на сравнении проинтегрированного значения текущей осевой нагрузки в течение времени At, за которое при остановленной подаче бурильного инструмента осевая нагрузка изменится -на заданную величину &Р, с сигналом, полученным путем интегрирования опорного напряжения, пропорционального величине ДР, в течение этого же времени t. Разность между этими значениями выводится на индикатор с соответствующим знаком, что позволяет оперативно определять знак и величину необходимых изменений осевой нагрузки.

В процессе начального нагружеиия долота происходит уменьшение веса инструмента. При раз.буривании с остановленной подачей вес снова уве личивается и блок памяти фиксирует .минимальное из доступных значений веса инструмента. На выходе блока вычитания сигнал появляется в момент увеличения веса инструмента и представляе разность текущего веса и наименьшего зафиксированного в блоке памяти. При этом первый пороговый элемент срабатывает при достижении сигнала на его входе величины АР, а второй пороговый элемент срабатывает при появлении сигнала на выходе блока вычитания.

Если после первого поиска изменился режим бурения и необходимо провест повторный поиск, то уменьшают нагрузку и временным отключением прибора сбрасывают содержимое блока памяти. Таким образом, за изменением осевой нагрузки следит и фиксирует ее максимальные значенияiблок памяти и два пороговых элемента.

Определение эффективной осевой нагрузки на долото с помощью заявленного устройства происходит следующим образом.

Осевую нагрузку на долото увеличивают на величину ДР, значительно меньшую максимально возможной нагрузки Wax затем верхний конец бурильной колонны затормаживается. По мере выбуривания породы осевая нагрузка на долото уменьшается. График изменения осевой нагрузки при этом повторяет участок на кривой изменения осевой нагрузки на долото от )(ДО О при остановленной подаче.

Например, если бурение ведется в зоне эффективш 1х значений, то осевая нагрузка при остановленной подаче уменьшается по кривой CD, повторяя участок АВ кривой изменения осевой нагрузки. Если бу1)ение ведется в зоне нагрузок больших эффективной осевой нагрузки (Р Рдф) кривая изменения осевой нагрузки в диапазоне АР при остановленной подаче является выпуклой.

Сравнивая площадь треугольника, у которого катеты соответственно про- порциональны величине уменьшения осевой нагрузки на долото ДР, в процессе поиска эффективной осевой нагрузки, и времени поиска t, с площадью фигуры, образованной заменой в треугольнике гипотенузы кривой изменения во времени осевой нагрузки на долото на интервале , можно определить в какой зоне осевых нагрузок ведется бурение,,

Если Р РЭА то площадь треугольника EFK меньше площади фигуры, образоБанной заменой гипотенузы FK кривой 2 изменения осевой нагрузки .на интервале Ц, то есть

Диалогично если Р то , и если Р. то SA ,

Плоцадь треугольника определяется выражением

t

придР«Сопз1, 5д«К« ty,, то есть linoщадь прЪпорциональна времени псжс и-.

Площадь гуры определяется ии тегралом

Ьи

J P(t)dt

ф

Направление изменения осевой нагрузки, ведущее к максимальной скорости бурения определяется сразу по результатам первого анализа указанных площадей.

Если окажется, что , то необходимо уменьшать осевую нагрузку, если , необходимо увеличивать осевую нагфузку и если 5Д . Зф, то осевая нагрузка соответствует эффективному значению.

Диапазон изменения осевой нагрузки йР определяется разрешающей способностью измерительного устройства. Если разрешающая способность измерительного устройства ЛSP, то должно выполняться условие . ,

S - Sui Д5р

Подставляя в это вьфажение значения 5ф и Sfi, получим:

tv,

J P(t)dt.- 7ДР

Л5, о2

«

(t)dt°-&Spl

tn

Практический диапазон ДР не превьшает 2т.

В процессе бурения сигнал с выхода датчика веса 1 поступает на входы блока памяти 2 и блока вычитания 3.

При достижении веса инструмента значения Pj блок памяти фиксирует это значение и в дальнейшем с выхода блока памяти на второй вход блока вычитания поступает сигнал пропорциональный Р .

Блок вычитания вырабатывает сигнал пропорциональный разности текущего значения веса инструмента и Р , этотсигнал Поступает на входпервого

порогового элемента 4 и через первый ключ 5 на второй пороговый элемент 6, который включает второй ключ 7 и третий ключ 8. В реэультате чего сигнал

с выхода блока вычитания через первый ключ, второй ключ поступает на вход первого интегратора 9. Сигнал от источника опорного напряжения 10 через третий KJB04 поступает на вход второго интегратора II. В момент достижения веса инструмента значения Р срабатывает первый пороговый элемент и разрывает первый ключ, одновременно включая четвертый 12 и пятый 13 клю5 Р1. В результате чего сигналы с выходов первого интегратора и второго интегратора через соответственно четвертый и пятый ключи поступают на первый и второй входы блока сравнения 14.

0 Блок сравнения вырабатывает сигнал, зависящий от соотношения сигналов первого и второго иитеграторов, этот сигнал с выхода блока сравнения поступает на вход индикатора 15, который в

J зависимости от того превьпиает сигнал с датчика веса или нет сигнал от источника опорного напряжения, сигнализирует о необходомости соответственно, уменьшать или увеличивать осевую на« грузку. В случае равенства сигналов, индикатор сигнализирует об эффективности осевой нагрузки на долото.

В предложенном устройстве определения эффективной осевой нагрузки на долото производится интегрирование сигнала об осевой нагрузке, чем значительно ослабляется действие помех. Это дает возможность определять эффективную осевую нагрузку при небольших значениях АР. Это в свою очередь приводит к сокращению длительности поиска, к повышению точности определения эффективности осевой нагрузки. Применение заявленного устройства повысить эффективность бурения за счет увеличения рейсовой скорости проходки, улучшения условий работы долота.

Наиболее эффективное использование изобретения возможно при релейном регулировашр осевой нагрузки на долото, когда осевая нагрузка в процессе бурения вручную или автоматически изменяется в диапазоне АР.

Формула изобретения

Устройство для измерения осевой нагрузки на долото, содержащее датчик веса и блок памяти, пороговые элементы и индикатор, отличающеес я тем, что, с целью повьшения точнЬсти измерения, оно снабжено двумя интеграторами, блоком вычитания, источником опорного напряжения, блоком сравнения и пятью ключами, при этом выход датчика веса соединен с первым входом блока вычитания и входом блока памяти, выход которого соединен со вторым входом блока вычитания, выход которого связан со входом перйого порогового элемента и связан через первый ключ со входом второго порогового элемента и соединен через первый и второй ключи со входом первого интегратора, выход которого подключен через четвертый ключ с первым входом блока сравнения, причем выход источника опорного напряжения соединен через третий ключ со входом второго интегратора, выход которого связан через пятый со вторым входом блока сравнения, а выход блока сравв««ния связан со входом иццикатора, 9 этом выход первого порогового эле- мента связан со входами первого, Ч|;т вертого и пятого ключей, а выход 9t рого порогового элемента связан со входами второго и третьего ключей.

Источники Н1ф}рмации. принятые во внимание при экспертизе

1.Демин Е.А. и Кириченко Б.В. Устройство для определения и поддержания максимапьйой скорости проходки при турбинном способе бурения. НИИНП, Бурение, вып. 41, Куйбьшев, 1969.

2.Фингерит М.А. Технологические критерии оперативного управления работой долота. НИИНП, Багрение, вып. 41, Куйбышевf 1969.

3.Авторское свидетельство СССР 573570, кл. Е 21 В 19/08, 1977 (прототип).