Устройство регулирования оптимальной осевой нагрузки на долото Советский патент 1982 года по МПК E21B44/02 

Изобретение относится к буровой технике,в частности к устройствам оптимизации процесса бурения нефтяных и газовых скважин. Известно устройство для регулирования режима бурения скважин, содержащее блоки измерения частоты вращения вала турбобура, крутявдего момента на валу и осевого усилия на долото, а также преобразователь-усилител мощности с приборами индикации частоты вращения вала, крутящего тломента на валу и осевого усилия на долот регулируемые блоки смещения, блоки перемножения, блок сравнения с нуль индикатором 1. Недостатком данного устройства яв ляется то, что аналоговая вычислител ная схема устройства не учитывает перераспределения мощности турбобура на разрушение породы в забое и вибрацию бурильной колонны, а также низкую надежность вследствие применения забойных приборов, работающих в тяжелых скважинных условиях и требующих линию связи Забой-поверх ность. Наиболее близким к .предлагаемому по дбстигаемочу э.ффекту и технической СУЩНОСТИ является автоматичес ое устройство оптимизации режима бурения скважин, содержащее датчик осевого усилия, усилитель-преобразователь, блок сравнения, нуль-ийдикатор, автомат подачи долота, датчики вертикальной и горизонтальной составляющих колебаний бурильной колонны, cyNMaTop,квадраторов,блок запоминания MHHKMyivia, блок коммутации, блок управления, блок совпадения и блок установки предельной осевой нагрузки 23. Основныги недостатком указанного устройства является необходимость поиска минимального значения энергии колебаний бурильной колонны путем осевой нагрузки на долото во всем диапазоне допустимых нагрузок при изменении при этом амплитуды сигнала, снимаемого датчиками с бурильной колонны в 1,5-3 раза с частотой изменения уровня амплитуды 1-2 Гц, следовательно преобразователь этого сигнала должен иметь большую постоянную времени преобразования, что ведет к тому, что процесс поиска миниг 1ального значения энергии путем изменения нагрузки во всем диапазоне допусти лых значений может длиться до 10 мин и более, а при частом чередовании разбуриваемых пород приводит к неустойчивой работе устройства и делает его неэффективным. Цель изобретения - повьпиение эффективности бурения путем повышения точности регулирования и сокращения времени .на поиск оптимального режима бурения . Поставленная цель достигается тем что устройство регулирования оптимальной осевой негрузки снабжено индикатором знака изменения уровня сиг нала, логическим блоком, блоком памяти, реле времени и блоком шагового изменения уставки осевой нагрузки на долото, причем выходы датчиков колебаний бурильной колонны подключены через последовательно соединенные усилители-преобразователи и квад раторы к входу сумматора, выход которого подключен через последователь но соединенные индикатор знака изменения уровня сигнала, логический бло и блок шагового изменения уставки осевой нагрузки на долото к входу ав томата подачи долота, при этом выход логического блока подключен также к входу блока памяти, выход которого подключен к второму входу логического блока, а второй выход логического блока подключен к входу реле времени, выход которого подключен к второ viy входу индикатора знака изменения уровня сигнала. На чертеже представлена блок-схема предлагаемого ус ройства. Устройство содерж-.т датчик 1 вертикальной составляющей крлебаний бурильной колонны, датчик 2 я 3 горизонтальных составляющих колебаний бу рильной колонны, усилители-преобразователи 4-6, квадраторы 7-9, су матор 10, индикатор 11 знака приращения уровня сигнала,реле 12 времени, логический блок 13, блок 14 шаго вого изменения уставки осевой нагруз ки на долото, автомат 15 подачи долота, триггер 16. Устройство работает следующим образом . На ведущей трубе бурильной колонны устанавливают сейсмодатчики 1-3 которые воспринимают колебания в тре взаимно перпендикулярных направления Сигналы на выходе сейсмодатчиков 1пропорциональны составляющим скорости колебаний ; бурильной колонны в трех взаимно перпендикулярных направ хгениях. Сигналы с выходов сейсмодатчиков 1-3 поступают на входы усилителей-преобразователей 4 - б, где сигналы усиливаются и преобразовываю ся в сигнал постоянного . Постоянная времени /греобразования выбирается такой, чтобы на отдельные резкие изменения сигнала система не реагировала-. Далее с выходов усилителей-преобразователей 4-6 сигналы поступают на квадраторы 7-9, сигналы на выходе которых пропорциональны квадратам сигналов на их входах. С выходов квадраторов 7-9 сигналы поступают на сумматор 10, где алгебраически складываются. С сумматора 10 сигнал пропорциональный квадрату скорости, а следовательно, и уровню энергии колебаний бурильной колонны, поступает на вход индикатора 11 знака приращения уровня сигнала. При положительном приращении уровня сигнала, вводимого в индикатор 11 на его выходе появляется положинетльный импульсный сигнал, а при отрицательном приращении уровня сигнала - отрицательный импульсный сигнал. Логический блок 13 определяет знак производной (или равенство ее нулю функции Е f (Р ), где Е - уровень энергии колебаний бурильной колонны на устье скважины, а Р - осевая нагрузка на долото, и с первого выхода подает команду в виде импульса на положительное или отрицательное приращение уставки осевой нагрузки на долото. Триггер 16 является блоком памяти и запоминает команду, поступающую с первого выхода логического блока 13 ; если с первого выхода логического блока 13 поступает команда на положительное приращение уставки осевой нагрузки на долото, то на выходе триггера 16 появляется полсУжительный сигнал, а если с выхода логического блока 13 поступает команда на отрицательное приращение уставки осевой нагрузки на долото, то на выходе триггера 16 появляется отрицательный сигнал. Сигнал с первого выхода логического блока 13 также поступает и на вход блока шагового изменения уставки осевой нагрузки на долото 14, имеющей ограничители верхнего и нижнего пределов регулирования и регулятор величины шага регулирования.. Пределы регулирования и величину шага регулирования устанавливают перед началом работы. В зависимости от значения импульсной ка манды, поступающей с выхода логического блока, блок шагового изменения уставки осевой нагрузки на долото 14 увеличивает или уменьшает на один шаг уставку осевой нагрузки на долото автомата 15 подачи долота, а ав-томат 15 подачи долота в .зависимости от изменения уставки соответственно увеличивает или уменьшает нагрузку на долото. При.появлении любого сигнала на первом выходе логического блока 13 на втором его выходе появляется сигнал, который включает реле 12 времени, работающее с задержкой на отключение. Выходной сигнал реле 12 времени задерживает работу исполнительного органа индикатора 11 приращения уровня сигнала на время, необходимое для окончания переходных процессов в системе регулирования, возникаклцих при-изменении осевой нагрузки на долото на один шаг регулирования. Логический блок 13 находит знак производной функции Е f(Р) следую1ЦИМ образом. Если в какой-то мсмент времени с выхода логического блока 13 подается команда на положительное или отрицательное приращение осевой нагруз ки на долото, автомат 15 подачи долота изменяет нагрузку, а триггер 16 запоминает эту команду, и на его выходе появляется сигнал соответствующего знака, подаваемый на второй вхо логического блока 13, если при этом произошло изменение уровня энергии колебаний бурильной колонны, то в зависи-мости от знака приращения уров ня энергии на выходе индикатора 11 появляется сигнал соответствующего знака,подаваег/ый на первый вход логи ческого блока 13,Если знаки приращений осевой нагрузки на долото и уров ня энергии колебаний бурильной колонны, поступающие на входы логического блока 13 совпадают, то производная функция К {Р ) положительна, следовательно, бурение идет при нагрузке большей, чем та, котора соответствует минимальному экстрер сум т.е. оптимальному режиму бурения, в этом случае логический блок 13 подае команду на отрицательное приращение осевой нагрузки на долото. Если же знаки приращений осевой нагрузки на долото и уровня энергии колебаний бу рильной колонны противоположны, то производная функции Е i Р отрицательна, следовательно, бурение иде при нагрузке меньшей, чем та, котора соответствует минимальному экстремуму, в этом случае логический блок 13 подает команду на положительное прир щение осевой нагрузки на долото. Есл после приргццения осевой нагрузки на долото приращенуш уровня энергии колебаний бурильной колонны нет, это свидетельствует о том, что производная функции Е 1Р) при данной осевой нагрузке на долото равна нулю, то есть осевая нагрузка на долото ра на или незначительно отличается от о тимальной, при которой уровень энергии колебаний бурильной колонны имеет минимальное значение, при этом на выходе логического блока 13 сигнал отсутствует, и поиск оптимального значения нагрузки прекращается. Таким образом, первым шагом регулирования определяют необходимость изменения (увеличить или уменьшить) осевой нагрузки на долото, далее изменение нагрузки идет до минимума уровня энергии колебаний бурильной колонны, т.е. поиск идет в интервале изменения значения оптимальной нагрузки на долото, а не по всему интервалу допустимых значений нагрузок, что обеспечивает более устойчивую и точную работу системы регулирования при часто:/ чередовании разбуриваемых пород. Формула изобретения Устройство регулирования оптимальной осевой нагрузки на долото., содержащее датчики вертикальной и горизонтальной составлягацкх сигналов колебаний колонны, усилители-преобразователи, квадраторы, сумматор и автомат подачи долота, отличающеес я тем, что, с целью повышения точности и ускорения регулирования осевой нагрузки, оно снабжено индикатором знака изменения уровня сигнала, логически: блоком, реле времени, блоком памяти и блоком шагового изменения уставки осевой нагрузки на долото, причем выходы датчиков колебаний бурильной колонны подключены через последовательно соединенные усилители-преобразователи и квадраторы к входу cyjviMaTopa, выход которого подключен через последовательно соединенные индикатор знака изменения уровня сигнала, логический блок и блок шаговог.о изменения уставки осе|вой нагрузки на долото к входу автомата подачи долота, при этом выходлогического блока подключен также к входу блока памяти, выход которого соединен с вторым входом логического блока, а второй выход последнего г соединен с входом реле времени, выход которого подключен к второму входу индикатора знака изменения уровня сигнала. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР № 585274, кл. Е 21 В 45/00, 1979. 2.Авторское свидетельство СССР № 787625, кл. Е 21 В 45/00, 1979.