Устройство для измерения осевой нагрузки на долото

 

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ОСЕВОЙ НАГРУЗКИ НА ДОЛОТО, содержащее датчик веса бурильного инструмента , соединенный с одним на входов блока вычитания непосредетве шю, а с другими через последовательно соединенные первые ключи и первый блок памяти , выход блока вычитания соединен с входом индикатора, отпичающеес я тем, что, с целью повышения точности измерения устройства, в него введены аналого-Ш1( преобразователи, датчик подачи, блок управления ключами, второй, третий и четвертый ключи, второй , третий, четвертый и пятый блоки памяти, зацатчик коэффициентов, дополните льнь1й индикатор и блок вычисления осевой нагрузки, при этом датчик веса бурильного инструмента через первый анагюго-ци чювой преобразователь подключен к информационным входам второго, третьего и четвертого ключей, выходы которык через соответствующий блок памяти , подключены к первому, второму и (Л третьему входам блока вычисления осевой нагрузки, четвертый вход которого соединен с выходом задатчика коэффицие1 тов , датчика подачи через второй аналого-цифровой преобразователь соединен с информационным входом питого ключа, выход которого через четвертый блок памяти соединен с пятым входом ОО блока вычисления осевой нагрузки, вы00 ход которого соединен с дополнительным индикаторов, выходы блока управления аЛ ключами соединены с управляющими вхоСО дами ключей и блока вычисления осевой нагрузки.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

SU„„1033719

3(59 Е 21 В 44/ОО

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

IlO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬП ИЙ (21) 3432697/22-03, (22 ) 2 9,04.82 (46) 07.08,83. Бюп. М 29 (72) В.А.Кузнецов (71) Куйбышевский ордена Трудового

Красного Знамени политехнический институт им, В. В.Куйбышева (53) 6 22. 245. (088. 8) (56) 1, Погарский A.À. и др. Оптимизация процессов гпубокого бурения. М., "Недра", 1981, с. 213.

2, Демнхов В.И. и цр. Контроньноизмеритепьные приборы при бурении скважин. М., Недра, 1980, с 124-125.

3. Погарский А.А. и цр. Оцтимизапия процессов гпубокого бурения. М., "Недра", 1 981, с. 21 4-21 7.

4.- Айрапетов В.А. и цр. Контропь параметров npovecca бурения. М., "Недра, 1973, с. 68-70 (прототип).

5. Бромберг Э.М. и цр. Тестовые ме тоды повышения точности измерений. М., Энергия", 1978. (54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ОСЕВОЙ НАГРУЗКИ НА ДОЛОТО, содержащее датчик веса бурипьного инструмента, соединенный с одним из вхо дов бпока вычитания непосредственно, а с другими через поспецоватепьно соединенные первые ключи и первый бпок памяти, выход бпока вычитания соединен с входом индикатора, о т и и ч а ю щ е ес я тем, что, с цепью повышения точности измерения устройства, в него введены аналого-цифровые преобразоватепи, датчик подачи, блок управпения ключами, второй, третий и четвертый кпючи, второй, третий, четвертый и пятый бцоки памяти, зацатчик коаффициентов, допопнитепьный индикатор и бпок вычиспения осевой нагрузки, при етом датчик веса бурипьного инструмента через первый анапого-цифровой преобразоватепь подкпючен к информационным входам второго, третьего и четвертого кпючей, выходы которых через соответствующий блок па- PQ мяти, подключены к первому, второму и третьему входам бпока вычисления осевой нагрузки, четвертый вход которого сое- у цинен с выходом задатчика коэффнциен» тов, выход датчика подачи через второй анапого-цифровой преобразоватепь соединен с информационным входом пятого ключа, выход которого через четвертый бпок памяти соединен с пятым входом ©ф бпока вычисления осевой нагрузки, вы- фф ход которого соединен с допопнитепьным индикатором, выходы блока управцения кпючами соединены с управпяющими вхо» дами кпючей и бпока вычисления осевой нагрузки.

1033719

30 !

20 р= 3q 3 =КР

Изобретение относится к бурению гпубоких скважин при разведке и добыче попезных ископаемых и предназначено дня опредепения осевой нагрузки на допото в пропессе бурения скважины.

Осевая нагрузка на допото явпяется важнейшим регупируемым параметром, or правильного выбора которого во многом зависит эффективность управпения процессом бурения. В настояшее время в связи с отсутствием надежных каналов связи с забоем в основном испопюуется косвенный метод измерения осевой нагрузки на допото - по изменению веса бурильного инструмента. При измерении, веса бурильного инструмента производится преобразование усилия на крюке тапеиой системы буровой установки в измерительный сигнал. Уравнение этого преобразования имеет спедующий вид: т.К (Q + ) + Q где $ - результат измерения веса бу рипьного инструмента;

К - коэффициент преобразования измерительного устройства;

Q - -вес бурипьного инструмента;

- сипы трения копонны бурильных труб о стенки скважины;

g - аддитивная погрешность иэмери . тепьного устройства, Знак силы треНия зависит от иаправпения движения копонны бурипьных труб, так при движении копонны вниз силы трения имеют знак минус".

Иэ уравнения преобразования иэмеритепьного устройства видно, что источниками погрешности измерения веса бу рнпьного инструмента явпяются нестабипьность кое)4ициента преобразования

К измерительного устройства; непостоянство сип трения Т колонны о стенки скважины; аддитивная погрешность измерительного устройства.

Дпя уменьшения и стабилизации сип трения колонны бурипьных труб с стенки скважины при турбинном бурении капонна обычно медпеино проворачивается с помошью специального привода.

При определении осевой нагрузки на доното в начале измеряется и запоминается вес бурильного инструмента, нв касающегося забоя скважины ="((о- )+ О где Ч< - твлный вес копонны бурильных труб юспе спуска ее в скважину.

Осевая нагрузка на допото создается частью веса копонны бурильных труб, поэтому в процессе бурения при создании осевой нагрузки на долото вес бурипьного инструмента уменьшаетю на вепичину P, равную осевой нагрузке на допото.

1;-К(ц,-р-т) + a.

Осевая нагрузка на допото опредепяется как разность этих двух измерений.

Считая, что при проведении этих измерений иаправпение движения колонны не изменялось, и приняты меры к уменьшению и стабилизации сип трения путем проворачивания копонны бурильных труб и что эа период времени между измерениями апдитивная погрешность иэмеритепьного устройства не изменилась, попучим:

Этот алгоритм определения осевой нагрузки используется во всех известных устройствах дпя измерения осевой нагрузки на долото t,l), Недостатком этих устройств является нестабипьность коэффициента преобразования К, Учитывая, что устройства измерения осевой нагрузки на допото, работаюшие в усповиях буровой установки, подвержены впиянию бопьшого числа воэмушаюших факторов, точнрсть этих устройств иэ-аа нестабильности коэффициента лреобраэования невысока.

Известйы устройства для опредепения осевой нагрузки на долото, основанные на рассмотренном косвенном методе измерения. Так гидравлический индикатор веса бурипьного инструмента, с помошью которого опредепяется и осевая нагрузка на долото, содержит датчик веса бурипьного инструмента (гидравпическнй транс« форматор давпения), эакреп яемый на неподвижном конце тапевого каната, маноМетр, по показаниям которого определяется вес бурильного инструмента, верньерный показываюший прибор, спужаший для опредепения осевой нагрузки на долото, регистрируюший прибор и прессбачок Р 23.

Недостатком этого устройства явпяется большая погрешность измерения, достигающая при нормапьных усповиях эксплуатации 2,5%. При колебаниях окружаюшей температуры вследствие теплового расширения жидкости, являюшейся рабочим агентом в этом устройстве, погрешность измерения еше бопее возрастает.

3 103

Известно электрическое устройство для оцределения осевой нагрузки на долото,,состоящее нз датчика веса бурильного, инструмента, в качестве которого используется упругий элемент, механически свя- g ванный с сельсином, и показывающего прибора, в котором установлен сельсинйриемник,.электрически связанный с сельсином-.датчиком Р 3 3.

Недостатком этого устройства являет- >0 ся также большая погрешность измерения, составляющая в нормальных условиях

2,5% и увеличивающаяся на 1% при изменении окружающей температуры на каждые 1О С. I5

Наиболее близким по технической сущности к IIpeanaraeMoMy является устрой- ство дпя измерения осевой нагрузки на долото, содержащее датчик веса буриль ного инструмента, блоки вычитания, два 20 блока памяти в качестве которых исполь. эуются потенциометры, нущ -усилитель, ключи, два реверсивных двигателя, два отсчетных устройства и индикатор.

Работа этого устройства основана на предварительном запоминании сигнала, пропорционального весу бурильного ин струмента в тот момент, когда долото . не касается забоя, и вычитании из него сигнала, пропорционального текущему ве- 30 су бурильного инструмента в процессе бурения 4 Я.

Недостатком известного устройства является большая погрешность измерения, составлякхцая 2,5% при Йэрмалып> х усло 35 виях эксплуатации и увеличивающаяся при изменении окружакхцей темцературы и под действием других возмущающих факторов, влияние которых особенно велико в условиях буровой устаювки.

Белью изобретения является повышение точности измерения осевой нагрузки на долото

Указанная цепь достигается тем; что в устройство для измерения осевой на 45 грузки на долото, содержащее датчик веса бурильного инструмента, соединенный с одними из входов блока вычитания непосредственно, а с другим через после-. довательно соединенные первые ключи и пер ый блок памяти, выход блока вычи, тания соединен с входом индикатора, введены аналого-цифровые преобразователи, датчик подачи, блок управления ключами, второй, третий и четвертый ключи, вто- И рой, третий, четвертый и пятый блоки памяти, задатчик коэффициентов, дополнительный индикатор и блок вычисления

371 9 осевой нагрузки, при этом датчик веса бурильного инструмента через первый аналог< -цифровой преобразователь подключен к инэормационным входам второго, третьего и четвертого ключей, выходы которых через соответствукяций блок па- мяти нодкпючены к первому, второму и третьему в ищам блока вычисления осе вой нагрузки, четвертый вход которого соединен с выходом задатчика коэффициентов, выход датчика подачи через второй аналого-цифровой преобразователь соединен с информационным входом литого snIoча, выход которого через четвертый блок памяти соединен с пятым входом блока вычисления осевой нагрузки, выход кото рого соединен с дополнительным индикатором, выходы блока управления ключами соединены с управляющими входами ключей и блока вычисления осевой нагрузки, На чертеже изображена структурная схема предложенного устройств.

Устройство содержит датчик 1 веса бурильного инструмента, блок 2 вычита- ния, ключ 3, блок 4 памяти, блок Б ssAsKaIIEH, аналог -цифровой преобразователь

6, ключ 7, блок 8 памяти, блок 9 вычисления осевой нагрузки, ключ 10, блок

11 памяти, ключ 12, блок 13 памяти, задатчик 14 коэффициентов, датчик 15 подачи бурильного инструмента, аналогоцифровой преобразователь 16, ключ 17, блок 18 памяти, блок 19 индикации и блок 20 управления ключамн.

Датчик l веса бурильного инструмента соединен с первым входом блока 2 вычитания, а через последовательно соединенные ключ 3 и блок 4 памяти - c вторым входом блока 2 вычитания, выход которого связан с блоком 5 индикации.

Кроме того, датчик 1 веса бурильного инструмента связан через аналого-цифровой преобразователь -.6 и последовательно сае» диненные ключ 7 и блок 8 памяти c первым входом блока 9 вычисления осевой нагрузки, через последовательно соеди пенные ключ 10 и блок 11 памяти - с вторым входом блока 9, а через последовательно соединенные ключ 12 и блок

13 памяти - с третьим входом блока 9 вычисления осевой нагрузки. С четвертым входом блока 9 связан задатчнк 14 коэффицне итог

Датчик 15 подачи бурильного инстру мента через последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь 1 6, ключ 17 и блок 18 памяти связан с пятым входом блока 9. Выход блока 9 вычиспения осевой нагрузки соединен с бпоком 19 индикации.

Первый выход блока 20 управпения кпючами соединен с управпяюшим входом кпюча 3 и управпяюшим входом кпюча 7, второй выход бпока 20 управпения соединен с управпяюшим входом ключа 10, третий выход - с управпяюшим входом кпюча 12, четвертый выход - c управпя юшим входом кпюча 17, а пятый выход

16 соединен с входом блока 8 вычиспения осевой нагрузки.

В устройстве используются два канапа измерения осевой нагрузки на долото. Канал грубого измерения осевой нагрузки

f5 вкпючает датчик 1 веса бури инструмента, бпок 2 вычитания, ключ 3, блок 4 памяти и бпок 5 индикации. Этот канап позвопяет непрерывно попучать ин- формацию об осе.вой нагрузке на допото в процессе бурения. Работа этого канала не отпичается от работы известных устройств измерения осевой нагрузки на долото по изменению веса бурипьного

25 инструмента.

Все остальные эпементы и бпоки устройства образуют канап точного измерения осевой нагрузки на допото, позвопяюший периодически получать бопее точ= ное значение осевой нагрузки.

B основу работы канапа точного измерения осевой нагрузки на допото положен тестовый метод повышения точности измерения $5).

Сущность этого метода закпючается 35 в том, что в процессе измерения осевой нагрузки на допото периодически вводят=-ся тест, представляющий собой образцовое приращение измеряемой вепичины, Осевая .нагрузка на допото создается 40 частью веса копонны бурипьных труб и регулируется перемещением верхнего кон= ца копонны бурипьных труб.

Еспи верхний конец копонны бурипьных труб опустить на величину Г, то на 45 основании закона Гука осевая нагрузка возрастает на величину где Е - модуль упругости материапа труб; г плошадь поперечного сечения труб;

Ь длина копонны бурипьных труб.

При мапык значениях Ь| сипы трения копоины о стенки скважины сохраняются неизменными и образцовое приращение осевой нагрузки на долото 6Р, явпяющееся забойным параметром, может быть с высокой точностью определено на осно ванин закона Гука по перемещению верхнего конца бурильной копонны Ь .

Предложенное устройство работает спедующим образом.

После спуска копонны бурипьных труб в скважину производится измерение веса бурипьного инструмента Яо в тот Момент, когда долото еше нэ касается забоя скважины. Сигнал с первого выхода блока 20 управления ключами открывает кпючи 3 и 7. Бпок 4 памяти запоминает резупьтат измерения веса бурильного инструмента. < =к(ро-т)+ о где К - коэффициент преобразования измеритепьного устройства;

à — силы трения копонны о стенки скважины д - аддитивная погрешность измерительного устройства, Одновременно блок 8 памяти запоминает этот же результат измерения в цифро вом виде после преобразования его в аналого-цифровом преобразователе 6

N =-KKg (Q0- )+о1, где gy - коэффициент преобразования анайого-цифрового преобразоватепя; и - суммарная аддитивная погреш=

4 ность измеритепьного устройства и анапого-цифрового преобразоватепя.

Поспе первого измерения кпючи 3 и 7 закрываются, Затем долото доводится до забоя и начинается процесс буренки, На один из входов блока 2 вычитания непрерывно подается сигнал с датчика 1 веса. бурипьного инструмента., пропорционапьный текущему весу бурипьного инструмента, который в процессе бурения уменьшился на вепичину осевой нагрузки íà допото Р

S = а,-р-т .а.

На другой вход бпока 2 вычитания непрерывно подается сигнал из первого бпока

4 памяти, пропорционапьный попному весу бурипьнога инструмента. Результирующий сигнап на выходе блока 2 вычитания определяется выражением 3 = 3„>+= к Р

Текущее значение осевой нагрузки непрерывно воспроизводится бпоком 5 индика1033719 ции. Так работает канап грубого измерения осевой нагрузки на допото. Погрешности этого канала измерения связаны с нестабильностью коэффициента преобразования измерительной цепи К под действием различных возмущающих факторов.

При необходимости попучения точного значения осевой нагрузки на допото предваритепьно с помошью канапа грубого измерения устанавливается осевая нагруэ- >0

K& Р, несколько меньшая заданного зна( чения. Затем сигнал с второго выхода блока 20 управления ключами открывает кпюч 10, и в блок 11 памяти поступает сигнап с анапого-цифрового преобразова- t 5 тепя 6, опредепяемый выражением

Ч КК „(Q Р Т)+О q

Дапее кпюч 10 закрывается, а сит нап с третьего выхода блока 20 управ- 20 пения открывает пятый ключ 17. Осевая нагрузка на допото с помощью канала грубого измерения доводится до заданного значения путем перемешения верхнего конца колонны на некоторую вепичину Ь 25

Одновременно сигнап с датчика 15 подачи бурильного инструмента после преобразования в цифровую форму в анапого-цифровом преобразоватепе 16 через ключ 17 поступает на блок 18 памяти, . где в цифровом виде фиксируется перемещение верхнего конца бурильной копонны

После установки заданного значения осевой нагрузки кпюч 17 закрывается, и сигнап с четвертого выхода блока 20 управления кпючами открывает кпюч 12.

В блоке 13 памяти фиксируется в цифровом вице реэупьтат третьего измерения, определяемый выражением

Ng--,„(Я„-P- T)+ (4

После третьего измерения кпюч 12 закрывается.

Произведем спедуюшие вычиспеиия. 45

Вычтем из резуцьтатов первого и второго измерений результат третьего измерения ъ= @

N -N " u (Р-р )=к ц р

Решая эту систему уравнений относитеп но Р, получим

Hg-ИЪ Ng-Mg

hÐ кк,, ч,-н "

Из этого выражения видно, что точность 55 определения осевой нагрузки на долото не зависит от стабильности коэффициентов преобразования К и К,, а определяется только точностью задания образцового прирашения осевой нагрузки йР, называемого тестом. Как было показано выше, образцовое прирашение осевой нагрузки

QP создается путем перемещения верхнего конца бурильной копонны на вепичи- ну 5f и при мапых значениях hP определяется по закону Гука

6Р= р

Е

Таким образом, поспе проведения каналом точного измерения осевой нагрузки трех рассмотренных измерений с пятого выхода блока 20 управпения появпяется сигнал, запускающий процессорный блок

9, который вычисляет точное значение осевбй нагрузки по апгоритму ъ е7

Р=—

N - Н.

Реэупьтат вычиспения блока вычиспения осевой нагрузки индицируется блоком 19 индикации.

С помощью задатчика 14 коэффициентов задается значение множителя Н/((, зависящее от модуля упругости Е материала труб, плошади поперечного сечения труб F и длины бурипьной колонны Ь

При необходимости получения нового уточненного значения осевой нагрузки на долото повторяются измерения, связанные с попучением цифровых значений 2 и 3 веса бурильного инструмента, и перемещения верхнего конца бурильной колонны, Блок 9 рассчитывает новое уточненное значение осевой нагрузки по рассмотренному алгоритму.

Устройство может быть упрощено, если перед получением цифрового значения 3 третьего измерения веса бурипьной колонны перемешение верхнего конца бурипьной колонны Ь(. будет составлять постоянную величину. В этом случае отпадает необходимость в датчике подачи бурипьного ин\ струмента и соответствуюшем аналогоцифровом преобразователе, так как вепи-. чина ЙР будет вводиться в блок 9 вы- числения осевой нагрузки как постоянный коэффициент.

Предпоженное устройство позволяет по вышать точность измерения осевой на,грузки на. допото. Известные устройства дпя измерения осевой нагрузки на допото имеют погрешность измерения при норо мальных условиях эксплуатации (2+20 С) составляюшую 2,5%, и дополнительную . погрешность, увепичиваюшуюся на 1% на каждые 10 С изменения температуры, беэ учета других впияющих факторов. В

9 1033 диапазоне ра зочих температур от 50 С

Ь до +50 С, в котором могут работать средства измерения, устанавпиваемые на буровых установках, обшая погрешность известных устройств дпя измерения осевой нагрузки на допото мажет достигать 9,5% топько при изменении темпе ратуры. Под действием других возмушаю- ших факторов HoppemHocTB 8THx устройств может быть erne больше.

В предпоженном устройстве точность опредепения осевой нагрузки sa допото зависит от точности измерения перемешения верхнего конпЮ бурильной копонны

ЬГ, точности задания вепнчин, и точности вычиспитепьных оперений.

Вепичина перемешення верхнего коню бурипьной кслонны hE явпяетса наземным параметром и беэ затруднений может быть измерена пифровыми измери тепьными устройствами с погрешностью, не превышакпцей 1% в диапазоне возможных рабочих температур. Точность зада-: ния вепичин E. и Р не ограничена, так как эти величины могут быть измерены заранее с любой требуемой точностью.

Дпина бурнпьной колонны Ь даже в наихудшем случае может быть измерена, с точностью до +5 м, что на гпубине

1000 м обставит 0,5%. Точность выпоп пения математических операций нв ограничена, так как может быть повышена путем увепичения разрядности кодов нропессорного бпока.

Таким образом, погрешность предпсженного .устройства опредепяется, в оо новном, погрешностью измерения неремешения верхнего конпа бурипьной копонны, погрешностью определения дпины бурипь ного инструмента и при приведенных ввпне значениях составпяюших тюгрешностей не превосходит 1,5% во всем диапазоне рабочих тем вратур.

В предпоженном устройстве могут быть исж>пьэованы простые, нестабильные, а следоватепьно, и недорогие датчик веса бурипьного инструмента и анапого-пифровой преобраэоватепь, так как их погрешность не сказывается на точности оггределения осевой нагрузки на допото.

1033719

Составитепь И. Назаркина

Редактор A. Шандор Техред Т.Иаточка Корректор М. Демчик

Заказ 5587/36 Тираж 603 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по депам изобретений и открытей

113035, Москва, Ж-35, Paymncas наб., д. 4/5

Финиап НЛП Патент, r. Ужгород, ул. Проектная, 4