Способ оптимизации ударного бурения
Изобретение относится к оптимизации ударного бурения. Цель изобретения - повышение эффективности процесса бурения. Для этого измеряют волны сжатия /ВС/, образующиеся в буровой штанге при ее взаимодействии с ударным устройством. При этом измеряют параметры ВС распространяющихся как и буровой коронке, так и в обратном направлении. Задают эталонные значения параметров ВС, а управляющие воздействие формируют на основе результатов сравнения параметров измеренных ВС с их эталонными значениями. В качестве параметров, характеризующих ВС могут быть использованы скорости их затухания, спектральные характеристики, различные характеристики точки и площади под характерными участками кривых на временных графиках. Измерение параметров ВС может производиться как в одной, так и в нескольких точках буровой штанги. 6 з.п. ф-лы, 10 ил.
СОЮЗ СОВЕТСНИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ
РЕСПУБЛИИ (SS)S Е 21 В 49/00
О ИКАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К flATEHTV
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ
ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ
ПРИ ГКНТ СССР (2i) 3910503/24-03 (22) 11.06.85 (31) 842364 (32) 12.06.84 (33) FI (46) 23,09. 90. Бюл. № 35 (71) Ой Тампелла AS (FI) (7?) Веса Уитто, Паси 10лкунен, Паси-Латва-Пуккила и Тимо Киикка (FI) (53) 622.23 (088.8) (56) Патент США ¹.4165789, кл. 175-27, опублик. 1980.
Патент С1ЦА ¹- 3550697, кл, 175-26, опублик. 1971. (54) СПОСОБ ОПТИ1"1ИЗАЦИИ УДАРНОГО
БУРЕНИЯ (57) Изобретение относится к оптимизации ударного бурения, Цель изобретения - повышение эффективности процесса бурения. Для этого измеряют
Изобретение относится к способу, оптимизации ударного бурения.
Цель изобретения — повышение эффективности процесса бурения, На фиг. 1 и 2 показана диаграмма изменения волн сжатия в результате изменения мощности подачи бурильной машины; на фиг. 3-6 - диаграммы из-. менения спектров волн сжатия в результате изменения мощности подачи буриль ной машины; на фиг. 7 - блок-схема устройства регулирования на основе предлагаемого способа, основанная на спектральном анализе волн сжатия; на фиг. 8 - пример типичной формы начального участка волны сжатия;
„,ЯО„„ 595З49 А 3
2 волны сжатия (ВС), образующиеся в буровой штанге при ее взаимодействии с ударным устройством. При этом измеряют параметры ВС, распространяющихся как к буровой коронке, так и в обратном направлении. Задают эталонные значения параметров 7С а управляющие воздействия формируют на основе результатов сравнения параметров измеренных ВС с их эталонными значениями. В качестве параметров, характеризующих ВС, могут быть использованы.скорости их затухания, спектральные характеристики, различные характеристики точки и площади под характерными участками кривых на временных графиках. Измерение параметров
BC может i ðîèçâoäüòüLÿ как B одной так и в нескольких точках буровой штанги. 6 з,п. ф-лы, 10 ил. на фиг, 9 — блок-схема устройства автоматического регулирования, основанная на анализе формы волны сжатия, на фиг. 10 — блок-схема вспомогательного оборудования устройства регулирования, основанного на анализе формы волны сжатия бурильщиком.
Специфическим для ударного бурения является то, что при каждом ударе по буровой штанге в последней образуется импульс сжатия, который распространяется вдоль буровой штанги до ее конца.
Часть импульса сжатия отражается назад и распространяется в направлении к буровой коронке. Совокупность
3 1595349 4 импульсов сжатия и отражения образу.ет волну сжатия, Сущность изобретения в том, что измеряют волну сжатия,. образованную в буровой штанге, и регулируют управляемые переменные процесса бурения на основе разницы между формой из меренной волны сжатия (или интенсивностью различных ее участков) и нор- 1О мальной .формой (или нормальными величинами волны сжатия), полученными экспериментально °
Волну сжатия можно измерить несколькими различными способами, на- 15 пример электрическим, магнитным, оптическим. Волну сжатия можно измерить в нескольких точках буровой штанги, например в двух. Измерение, выполненное в более чем в одной точке, име- 20 ет то преимущество, что волну сжатия можно тем самым поделить на составляющие, различающиеся направлениями перемещения: одна составляющая распространяется к горной породе, 25 другая отражается от горной породы.
При этом появляется возможность получить значительно больше информации о процессе бурения, чем при измерении волны сжатия в одной точке. Измере- 30 ние, выполненное в нескольких точках, особенно целесообразно в случае короткой буровой штанги.
В качестве информативных параметров регистрируемых волн сжатия, по которым осуществляется регулирование, могут использоваться: интенсивность исходной и отраженной составляющей волны, ее полная энергия, скорость затухания, скорость нарастания 40 или затухания ударного импульса и т.д.
В контуре регулирования может бьггь использован микропроцессор. A само регулирование направлено на миними - 4 зацию отклонений между измеренными информативными параметрами волн сжатия и их эталонными значениями.
Для иллюстрации изобретения ниже приведены три различных варианта реа-; g0 лизации предлагаемого способа.
Первый вариант реализации основан на использовании скорости затухания волны сжатия. Как уже было сказано, каждый удар по буровой штанге обусловливает в ней появление импульса сжатия, который образует посте" пенно затухающую волну сжатия, поочередно отраженную от обоих концов штанги. Скорость затухания лучше всего можно наблюдать при изучении огибающей волны сжатия. Волна сжатия затухает с большей скоростью, если увеличить мощность удара и ход штанги в горную породу, На фиг, 1 и 2 показано как изменяется огибающая волна сжатия в результате изменения мощности подачи бурильной машины: на фиг. 1 — когда мощность подачи высокая, а на фиг, 2 — малая.
Скорость затухания может быть определена, например, в течение временного периода, когда амплитуда импульсов отражения падает ниже заданного опорного уровня. При этом опорный уровень может быть или фиксирован-. ным или составлять определенный процент от амплитуды первого импульса.
Другой вариант реализации основан на измерении спектров волн сжатия.
На фиг. 3-6 показаны спектры сжатия, соответствующие, следующим величинам . давлений подачи: 90, 80, 60 и 40 бар.
Видно, что условия с избыточным значением подачи обусловливают образование характерного пика в спектре на частоте удара машины, точка которого обозначена отметкой IT (фиг, 3).
Условия с недостаточным значением подачи обусловливают появление соответствующего пика на резонансной частоте буровой штанги, точка которого обозначена отметкой RT (фиг. 5). Если мощность подачи является приемлемой, то спектр будет относительно ровным (фи г, 4), Для регулирования бурильной машины нет необходимости измерять полный ее спектр. Наиболее интересными участками последнего являются частота удара бурильной машины и резонансная частота или частоты буровой штанги. Регулирование мощности подачи может быть основано на указанных частотных составляющих. Однако очевидно, что частоты гармоник резонансных частот буровой штанги или частота удара могут быть использованы дополнительно.
Если в качестве характерных признаков процесса бурения использовать характерные частоты, то спектральный анализ, предназначенный для их выделения, можно реализовать посредством ряда полосовых филь. гров. Блок-схемя такого устройства (фиг. 7) содержит детектор 1 волны сжатия, пред5
1595349
45
50 усилитель 2, усилитель 3, полосовые фильтры 4-7, устройство 8 регулирования. Полосовые фильтры настроены так что фильтр 4 пропускает частоту уда-: ров, фильтры 5 и 6 — резонансные частоты буровой штанги, причем,каждьп" . из них пропускает свою частоту, филь тры 6 и 7 пропускают характерные частоты волны сжатия.
В общем случае количество фильтров не ограничено. Выходы фильтров соединены с входами устройства 8 регулирования, на которое дополнительно можно подать информацию о других измеряемых параметрах процесса бурения, таких как рабочая частота бурения и т.д. Множество этих дополнительных входов обозначено стрелкой N.
Выходы блока регулирования обозначены стрелкой М.
Для построения третьего примера рассмотрим возможные методы описания волны сжатия. Типичный вид первоначального участка такой волны, образуемой в буровой штанге в результате хода ударного поршня, показан на фиг, 8, где участок А соответствует составляющей волны, распространяющейся к горной породе, а. участок  †. составляющей волны, распространяющейся от горНой породы. Форму волны можно характеризовать или множеством ординат ее характерных точек, йли величинами площадей межцу характерными участками волны и нулевым уровнем. Примерами характерных точек могут служить максимальные и минимальные значения
P — Р, в качестве характерных площадей — площади А, — A (фиг. 8).
Величины, соответствующие характерным точкам (площадям) или соотношениям между ними, могут быть использованы в качестве регулируемых параметров процесса бурения.
Устройство автоматического регу::лирования (фиг. 9), работа которого основана на анализе формы волны сжа тия, содержит детектор 1.1 волны сжатия, предусилитель 12, усилитель 13, фильтр 14 шумового сигнала, аналогоцифровой преобразователь 15, управляю- щий процессор 16, Стрелкой N обозначены дополнительные входы процессо= ,,ра, аналогичные входам устройства ., управления на фиг. 7, а стрелкой Мвыход для регулирующих данных. Мо— ° гжет быть предусмотрено несколько каналов для волны сжатия («a фиг. 9 показан один из них).
Если необходимо, то анализ и интерпретацию формы волны сжатия можно также оставить для бурильщика, В этом случае должно быть предусмотрено соответствующее устройство отображения (фиг, 10), содержащее детектор 17
10 волны сжатия, предусилитель 18, усилитель 19, цепь задержки 20, уст-: ."ройство 21 отображения, магазин
22 вспомогательных фигур. Устройство 21 отображения синхронизируется сигналом с выхода усилителя 19. !
Из магазина 22 вспомогательных фигур бурильщик выбирает эталонную фигуру согласно требованиям каких-ли20 бо конкретных условий, сравнивая фор-. му импульса, полученного из устройства отображения с эталонной фигурой, Регулируя управляемые переменные, бурильшу:к регулирует высвечивае25:мую на устройстве отображения фигуру таким образом, чтобы она точнее соответствовала эталонной фигуре.
Соответствующая эталонная фигура выбирается, например, в зависимости от бурильно ". кашннь:, горной. породы и т.д.
Изобретенье также мох,ет быть испол зовано в случае, когда измерение выполняют из нескольких точек, а оэ- току необходимо предварительно обра35 ботать сигналы для получения соответствующей формы волны на экране устройства отображения, На AHI ..10 показана лишь одна точка измерения, хотя их может бьггь больше.
Формула изобретения
1. Способ оптимизации ударного бурения с помощью бурового оборудования, включающего ударное устройство и буровую штангу с буровой коронкой, основанный на измерении параметров, характеризующих процесс бурения, обработке результатов измерений и формировании управляющих воздействий для одиночных управляющих параметров бурового оборудования или их комбинаций, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности ведения процесса бурения, измеряют волны сжатия, образующиеся в буровой штанге при ее взаимодействии с ударным устройством, при этом измеряют параметры волн сжатия, распространяющихся как
1595349,к буровой коронке, так и в обратном направлении, задают зталонные значения параметров волн сжатия,а управляющие воздействия формируют на основе результатов сравнения параметров измеренных волн сжатия с их эталонными значениями.
2, Способ по п. 1, о т л и ч а юшийся тем, что измерение парамет-. 10 ров волн сжатия производят по крайней мере в двух точках буровой штанги.
Зе Способ по пе 11 о T л H ч а ю» шийся тем, что управляющее воз- 15 действие формируют на основе результатов сравнения измеряемых скоростей затухания волн сжатия, 4. Способ по п. 1, о т л и ч а юшийся тем, что управляющие всз- щ действия формируют на.основе результатов сравнения измеряемых спектров волн сжатия.
5. Способ по п„ 4, о т л и ч а юшийся тем, что управляющие воздействия формируют на основе резуль" татов сравнения частоты ударов в процессе бурения и резонансной. частоты буровой штанги по измеренным спектрам волн сжатия.
6. Способ по п. 1, о т лича юшийся тем, что управляющие воздействия формируют в характерных точках на волне сжатия.
7. Способ по пп. 1 и 4, о т л ич а ю шийся тем, что управляющие воздействия формируют в.площадях характерных участков спектра волн сжатия °
1595349 аа
0 f0 20 ЗО 40 50 О
Риг.2
Q5 (Риг. 5
1595349
Рие. 7 аппп и д 04 У,в 1г 16 уу 44, 1595349
Составитель В.Логинов
Редактор Н.Лазаренко Техред H.Äèäûê
Корректор Н.РевскаЯ
Тираж 481
Подписное
Заказ 2841
ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР
113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5
Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101
