Многоканальный автономный прибор для исследования скважин в процессе бурения Советский патент 1982 года по МПК E21B47/00 E21B47/12 E21B45/00 

(54) МНОГОКАНАЛЬНЫЙ АВТОНОМНЫЙ ПРИБОР ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СКВАЖИН В ПЮЦЕССЕ БУРЕНИЯ

1 . ,

Изобретение относится к/буровой технике, в частности к устройствам для измерения и регистрации забойных параметров в процессе бурения скважинки предназначен для I одновременного измерения и регистрации забойных технологических и геофизических параметрюв в процессе бурения скважин с целью Лолучения. данных, необходимых для оптимизации бурового процесса.

Известен автономный прибор, предназначенный для регистрации частоты вращения долота, содержащий корпус, датчик оборотов, измерительную аппаратуру и регистратор, иа носителе записи (стальная проволока) которого регистрируются текущие значения оборотов вала турбобура 1.

Недостатком указанного автономного прибора является то, что он предназначен для и. мерения только одного параметра - частоты вращения вала турбобура. Вследствие этого полученные в процессе бурения данные недостаючны для оценки проходимых долотом пород.

Другой из известных автономных приборов .предназначен для измерения и регистрации осевой нагрузки на долото, крутящегб и изгибающего моментов, вибраций бурильного инструмента, а также давлений в затрубном и виутритрубном пространстве. Нрибор сЬдержит измерительную аппаратуру и магнитный регистратор. Объем памяти прибора равен 9 мии.

Прибор разработан для исследовательских целей и не может использоваться в промыш- , ленных масщтабах для получения даниных за время полного рейса долота 2.

Известен также автономный прибор для

15 геофизических исследований скважин в процессе бурения типа АПК-1, который предназначен для геофизических исследований скважин, рассчитан на последовательную регистрацию дискретных значений двух параметров кажущет

20 гося удельного сопротивления горных пород 3.

Недостатками этого прибора являются ограниченный геофизический комплекс, а также 3. 9 то, что в нем не предусмотрена регистрация технологических параметров бурения. Наиболее близким по технической сущност к изобретению является многоканальный автономный прибор дан каротажа скважин в процсссе бурения, содержащий трубу-зонд с токовыми и измерительными электродами, генератор зондирующего тока, измерительные- каналы, действующие на компенсационном принципе, состоящие из последовательно-вклю ченных трансформатора, усилителя, триггера 1Лмигта, схемы сравнения, релейной схемы, вы ход которой соединен с соответствующей обмоткой многоканальной магнитной головки, магнитный регистратор для параллельной записи всех параметров, состоящий из двигателя, ведущей кассеты, ведомой кассеты, магнитной ле ты, магнитной головки, прижимного ролика, кот рый связан с движком, потенциометра набора ком пенсирующего напряжения; потенциометр питается от вторичной обмотки трансформаторов зондирующего тока, первичная обмотка которого подключена к щунту; управление работой аппаратуры осуществляется с помощью формирователя опорного напряжения, схем фо мирователей импульсов конца стирания и конца цикла измерения, реле времени и триггера цикла, управляющего включением и отклю чением ключа; прибор содержит также последовательно включенные датчик включения, блок питания, ключ и блок задержки. В магнитном регистраторе использован принцип записи, основанный на стирании избыточной информации 4, Недостатком известного прибора является т что при измерении и регистрации необходимог комплекса геофизических параметров не обесп чивается регистрация технологических параметров бурения. Целью изобретения является обеспечение с минимальными дополнительными затраталти при помощи аппаратуры и способа записи известного прибора одновременного измерения и регистрации вместе с геофизическими параметрами нескольких забойных технологических параметров бурения, а также повышение точности измерения исключением влияния на погрещность преобразования изменения ско рости перемещения носителя записи и изменения напряжения питания датчиков. Поставленная цель достигается тем, что многоканальный автономный прибор снабжен датчиками осевой нагрузки на долото и крутящего момента на долоте, формирователем питания датчиков технологических параметров, двумя трансформаторами, двумя блоками клю чей, двумя фазочувствительными усилителямивыпрямителями, двумя интеграторами, двумя нуль-органами, двумя триггерами записи, датчиком оборотов, формирователем нормированных импульсов, схемой совпадения, формиройателем базы времени, блоком управления направлением интегрирования, при зтом датчит ки последовательно соединены с трансформаторами, с первыми ключами блока ключей, фазочувствительными усилителями-выпрямителями, интеграторами, нуль-органами, триггерами записи, а датчик оборотов соединен с формирователем нормированных импульсов, выход которого соединен с первым входом схемы совпадения, выход формирователя базы времени соединен с вторым входом схемы совпадения, вход формирователя базы времени соединен с вь1ходом формирователя импульса конца стирания и вторым входом блока управления направлением интегрирования, первый вход которого соединен с выходом блока задержки, а первый выход подключен к вторым входам триггеров записи и второй выход - к управляющим входам первых ключей блока ключей, кроме того, с целью исключения влияния изменения скорости перемещения носителя записи, на точность измерения осевой нагрузки и крутящего момента, он снабжен двухвходовым блоком формирования времени оборота, входы которого соединены с выходами схем формирования импульсов конца стирания и конца цикла измерения, а выходы - с третьим входом блока управления направлением интегрирования. Причем, с целью исключения влияния изменения напряжения питания датчиков тех юлогических параметров на точность измерения, второй ключ блока ключей включен между выходом формирователя питания датчиков и входом фазочувствительного усилителя-выпрямителя, а управляющий вход ключа подключен к выходу триггера записи. На фиг. 1 показана блок-схема прибора для измерения и регистрации геофизических и технологических параметров бурения; на фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие его работу. Прибор содержит датчик 1 включения, соединенный с блоком 2 питания, реле 3 времени, соединенное с одним входом триггера 4 цикла, выход которого соединен с управляющим входом ключа 5, соединенного по входу с блоком 2 питания, а по выходу - с блоком 6 задержки, который соединен с обмоткой управления двигателя 7 и с одним входом блока 40 управления направлением интегрирования; вал двигателя 7 соединен с ведущей кассетой 8, на которую с ведомой кассеты 9 перематывается магнитная лента 10, движение которой с помощью прижимного ролика 11 передается движку 13 потенциометра 12, который запитывается вторичным напряжением трансформатора 14, первичная обмотка которого подсоединена к щунту 15, включенному в выходную цепь задающего генератора 16, питающего ТОКОВЬЕС электроды А-В; вывод движка 13 потеншюметра 12 соединен с землей; первичная обмотка входного трансформатора 17 подключена к измерительным геофизическим электродам М , а вторичная - одним концом к усилителю 18, а вторым - к делителю, подключенному к вторичной обмотке трансформатора 14; выход усилителя 18 соединен с входом триггера Шмитта 19, выход которого соединен с первым входом схемы 20 сравнения, выход которой соединен с первым входом релейной схемы 21, соединенной по выходу с обмоткой управления многодорожечной магнитной головки 25; вход формирователя 22 опорного напряжения соединен с второй втрричной обмоткой трансформатора 14, а выход формирователя 22 подключен к второму входу схемы 20 сравиения; вход формирователя 23 импульсов конца стирания подсоединен к первому концу обмотки потенциометра 12, а выход формирователя 23 подсоединен к вторым входам релейной схемы 21 и блока 40 ynpaBjieния направлением интегрирования, а также к . первому входу блока 41 и входу блока 36; вход формирователя 24 конца цикла измерения подключен к второму концу обмотки потенцио- метра 12, а выход формирователя 24 подсое,динен к. вторым входам триггера 4 цикла и блока 41 формирования времени оборота; вход формирователя 26 питания дат«шков технологических параметров подсоединен к второй М вторичной обмотке трансформатора 14, а,выход формирователя 26 подключен к питающим входам первичных датчиков 27-1 и 27-2 осевой нагрузки и крутящего момента, выполненных, например, в виде тензометрических мостов, вы-3 хода которых .подключены к первичным обмоткам трансформатороз28-1 и 28-1, вторишые обмотки которых подю1ючены к входам клйчей 30-1 и 30-2, входящих в блоки ключей 29-i и 29-2; к входам ключей 31-1 и 31-2, входя щих в блоки ключей 29-1 и 29-2, подключен выход формирователя 26 питания датчиков технологических параметров; выход блоков . ключей 29-1 и 29-2 подключен к входам фазочувствительных усилителей-выпрямителей 32-1 4 и 32-2, выходы которых соединены с входами интеграторов 33-1 и 33-2, соединенных со входами нуль-органов 34-1 и 34-2, выходы которых соединены в первыми входами триггеров 35-1 и.35-2 записи, а их выходы соединены с соответствующими обмотками многодорожечной магнитной головки 25 и управляющими входами ключей 31-1 и 31-2; управляющие входы ключей 31-1 и 30-2 соединены с вторым выходом блока 40 управления неправлением интегрирования; вторые входы триггеров 35-1 и 35-2 записи соединены с первым выходом блока 40; блок 36 формирования базы времени соединен по входу с выходом формирователя 23 импульсов ко1ща стирания, а по выходу - с вторым входом схемы 39 .сравнения; датчик 37 оборотов, например, индукционного типа соеданен с входом формирователя 38 нормированных импульсов, выход которого соеданен с первым входом схемы 39 совпадения, а ее выход соединен с соответствующим входом многодорожечной магнитной головки 25; выход блока 41 соединен с третьим входом блока 40; на часть 42 аппаратуры, выделенную штрих-пунктирными линиями, напряжение питания Е подается непосредственно от блока 2 питания а на часть 43 аппаратуры тоже выделенную штрих- пунктиром, напряжение питания Ец подается через ключ 5 только на время циклов измерения, в промежутках между 1у«клами измерения эта часть аппаратуры обесточивается. Прибор работает следующим образом. После спуска автономного прибора, встроенного в бурильную колонну, в скважину и с началом циркулягщи промьгоочного раствора датчик 1 включения подключает к блоку 2 питания напряжение батерей Еб, а блОк 2 питания формирует стабилизированное напряжение питания Е, которое подается на часть 42 аппаратуры. Реле 3 времени формирует интервалы, через которые повторяются циклы измерения, например, 16 или 32с, и управляет входом триггера 4 гшкла, который. перебрасывает передним фронтом выходного сигнала реле времени 3 и включает с помощью клюЧа 5 питающее напряжение Ец на часть 43 аппаратуры. Напряжение Ец подается только на время изMepeifflH цикла, так. как-триггер 4 цикла по второму входу перебрасьшается выходным сигналом схемы формирования импульса конца цикла измерения. В пределах каЬкдого цикла измерения происходит преобразование и регистрация всех геофизических параметров и скорости вращения долота, а преобразование и регистрация осевой нагрузки и крутящего момента, в связи с необходимостью их интегрирования, происходит за 2 цикла: за один тщкп осуществляется преобразование параметра в соответствующее напряжение интегратора, а за другой цикл - регистрация на ленте. Преобразование геофизических параметров можно рассмотреть на примере одного канала (фиг. 1). Каждый цикл измерения начинается после срабатывания триггера 4 цикла от реле 3 времени, в результате чего на блок 43 через ключ 45 подается напряжение питания Ец. Через время, необходимое для обеспече шя нормального режима электронной аппаратуры, блок 6 задержки включает двигатель 7 и начинается перемещение магнитного носителя 10, а через прижимной ролик 11 перемещение движка 13 потенциометра 12. В момент перехода компенсирующего напряжения, снимаемого с потёнциоп метра 12, нулевое значение, схема 23 фор мирования импульса конца стирания вырабатывает импупьс; который перебрасьшает релейную схему 21 в состояние, при котором на магнитную головку не подается стирающее напряжение и на носителе остаются предварительно записанные импульсы, которые уже несут информацию о преобразуемом параметре. В момент равенств нарастающего компенсирующего напряжения и измеряемого напряжения, снимаемого с зпектродов M,N,- с помощью трансформатора 17, релей ная схема 21 перебросится в состояние, при кот ром вновь начнется стирание. В результате на ленте останется число импул сов, пропорциональное измеряемому напряжению и измеряемому параметру. Лента в режиме ,стирания будет перемещаться до момента достижегшя компенсирующим напряжением максимального значения. В этот момент схема 24 формирования импульса ковда цикла вырабатывает импульс, перебрасьшающий триггер цикла в исходное состояние, при котором ключ 5 запирается, в результате чего напряжение питания Ец на блок 43 не подается, и двигатель 7 останавливается. Следующий цикл измерения начинается после паузы, задающейся реле 3 времени. Для регистрации технологических параметров используется тот же принцип стирания избыточной информации, предварительно записанной на ленте в виде непрерывной последователь ности импульсов Канал преобразования и регистрации частоты вращения долота работает следующим образом. Датчик 37 оборотов формирует импульсы (Уд, фиг. 2а), частота которых пропорциональна частоте враще1шя долота; формирователь 38 нормированных импульсов формирует из зтих импульсов импульсы калиброванной длитель- . ности (, фиг. 2а), которые поступают на один из входов схемы 39 совпадений. На другой вход схемы 39 поступает импульс (Ugg, фит. 2а) стабильной длительности, задающий базу времени, за которзто регистрируются HMnynv сы датчика 37 оборотов. База времени формиру ется формирователем 36 базы времени по команде импульса конца стирания, формируемого в каждый цикл схемой 23„ При наличии импуль сов, на обоих входах схемы 39 -совпадений прекршцается стирание сигаала На магнитной ленте. В результате на магнитной ленте останутся нестергые участки (фиг. 2а), количество которых в кадре определяет частоту вращения долота.. Каналы преобразования и регистрации осевой нагрузки и крутящего момента построены одинаково, поэтому достаточно рассмотреть работу одного из них, например осевой нагрузки. В СВЯЗИ j; тем, что мгновенные значения осевой нагрузки и крутящего момента колеблются с частотой вращ.ения долота, необходимо определять их среднее или интегральное значение за определенный промежуток времени - назовем его временем прямого интегрирования Тпр. На время Тпр на вход интегратора подается напряжение, цропорциональ- . ное осевой нагрузке G и напряжению питания . датчика Е. Тогда к концу времени интегрирования величина напряже1шя после интегратора будет пр-порционально G и Е и обратно пропорциональноt, где - постоянная времени интегратора. Затем это напряжение преобразуется в дли}iy ленты с нестертой записью: на вход интегратора подается напряжение обратного интегрирования Vpgp такого знака, чтобы U инт уменьшалось, и одновременно прекращается стирание на движущейся ленте на время, за которое напряжение на выходе интегратора уменьшится до нуля, Число нестертых -импульсов на ленте пропорционально не только измеряемому параметру G, но и зависит еще от скорости перемещения ленты, которая изменяется с наполнением кассеты, от времени прямого интегрирования Тпр, а также от Е, Исключить влияние перечислеин1)х величин на результат преобразования можно 5 сделав время Тпр обратно-пропорциональным скорости движения ленты, а Vo6p пропорциональным Е. .Пля выполнения этого условия в устройство вводится блок 41 формирования времени оборота потенциометра, которое обратно пропорционально скорости ленты и за которое производатся прямое интегрирование. Кроме этого, с помощью ключа 31 напряжение питания датчика Е подключается к входу интегратора при обратном интегрировании. Таким образом, длина ленты, а значит и число импульсов, оставшихся на ленте в кадре, определяется только измеряемым параметром. Преобразование и регистрация осевой нагрузки происходит за два цикла измерения. В первом цикле осуществляется прямое интегрирование, а во втором - обратное интегрирование и регистрация. Направление интегрирования задает блок 40 управления направления интегрирования. В первом цикле он включает на время, определяемое блоком 41 формирования времени оборота, ключ 30 блока ключей 29. В результате на вход фазочувствительного усилителя-вьшрямителя 32, а дальше на интегратор 33 подается через трансформатор 28 выходной сигнал датчика 27, Прямое интегрирование прекращается после размыкания ключа 30, а результат интегрирования запоминается (26). В следующем цикле блок 40 с приходом импульса конца стирания формируемого схемой 23, перебрасывает тригпредварительно записат&1х импульсов на ленте и открьгоает ключ 31, через который на усилитель32, а дальше на интегратор 33 подается напряжение обратного интегрирования. Обратное интегрирование (фиг. 26) продолжается до уменьшения выходного напряжения интегратора 33 до нуля, В момент равенства напряжения интегратора 33 нулю срабатьшает нуль-орган 34 и перебрасьшает триггер записи 35 в состояние, при котором запирается ключ 31 и производятся стирание. В результате зтого в кадре на ленте (фиг. 26) остается число импульсов, пропорциональное -осевой нагрузке. На фиг. 26 приведены временные диаграммы напряжения на интеграторе для различных значений осевой нагрузки (G., 62, GiTiax и кадры на магнитной ленте с числом импульсов N, N5, N3 соответствую щим зтим значениям осевой нагрузки. Применение предлагаемого автономного прибора позволит осуществить одновременную регистращ1ю как геофизических, так и технологических параметров и получить данные, необходимые для оптимизации бурового процесса. Расчетный экономический эффект согласно предварительной оценке составит при промышленной эксплуатации прибора АПК-М-1 7740 руб, на один прибор. Формула изобретения 1. Многоканальный автономный прибор для исследования скважин в процессе бурения, содержащий многоэлектродный зонд с токовыми и измерительными электродами, последовательно соединенные датчик включения, лок питани ключ, блок задержки, двигатель, а также ведущую кассету протяжки. магнитной ленты, прижимной ролик, потенциометр с движком, трансформатор тока, включенный в цепь токовых электродов, генератор :синусоидальных колебаний, каналы измерения геофизических параметров, состоящие из последовательно включенны трансформатора, усилителя, триггера Шмитта, схемы сравнения, релейных схем, многодороже ной магнитной головки, реле времени, триггера цикла измерения, формирователя опорного напряжения, формирователя импульсов конца стирания и конца цикла измерения, отличающийся тем, что, с Целью одновременного измерения и регистрации нескольких забойных технологических параметров бурения вместе с геофизическими, он снабжен датчикам осевой нагрузки на долото и крутящего момен- 55 та на долоте, формирователем питгЬшя датчиков технологических параметров, двумя тра}1сформатовительными усилителями-выпрямителямн,:.Двумя .нуль-органами, двумя триггерами записи, датчиком оборотов, формирователем нормированных импульсов, схемой совпадения, формирователем базы времени, блоком управления направлением интегрирования, при этом датчики последовательно соединены с трансформаторами, с первыми ключами блока ключей, фазочувствительными усилителями-вьшрямителями, интеграторами, нуль-органами, триггерами записи, а датчик оборотов соединен с формирователем нормированных импульсов, выход которого соединен с первым входом схемы совпадения, выход формирователя базы времени соединен с вторым входом с:№мы совпадения, вход формирователя базы времени соединен с выходом формирователя импульса конца стирания и вторым входом блока управления шпразлением интегрирования, первый вход которого соединен с выходом блока задержки, а первый выход подключен к вторым входам триггеров записи и второй выход - к заправляющим входам первых ключей блока ключей. 2. Прибор по п. 1, о т л и ч а ю щ н и с я тем, что, с целью исключения влияния изменения скоросги перемещения носителя записи на точность измерения осевой нагрузки и крутящего момента, он снабжен двухвходовым блоком формирования времени оборота, входы которого соединены с выходами схем формирования импульсов конца стирания и конца цикла измерения, а выходы - с третьим входом блока управле1шя направлением интегрирования. 3. Прибор по п. 1, отличающийся тем, что, с целью исключетшя влияния изменения напряжения питания датчиков технологических параметров на точность измерения, второй ключ блока ключей включен между выходом формирователя питания датчиков и входом фазочувстаительного усилителя-вьшрямителя, а управляющий вход ключа подключен к выходу триггера записи. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР № 528983, кл. 21 В 45/00. 2.Дейли Ф. Новый буровой исследовательский инструмент для замеров в скважине. - Oil and Gas Journal, 1968, № 2, 66. 3.Саркисов И. К. и др, Двухканальный автономный прибор для электрического каротажа скважин в процессе бурения. Сб. Геофнзическая аппаратура. Вып. N 61. Л., Недра, 1977..4. Авторское свидетельство СССР № 661482, кл. G 01, V 11/00, Е 21 В 47/00, 1975.

л A ЛАЛЛЛЛААЛЛ

l/ф

П П ПППППППППП

%

/

cc

П П ППП ППП

1

-GHOKC

/(адр

Кадр

Фиг:г