Устройство для установления эффективной нагрузки на долото

 

Изобретение относится к средствам управления процессом бурения нефтяных и газовых скважин и может применяться на буровых установках как с ручной, так и автоматизированной подачей бурильного инструмента . Цель изобретения - повышение точности установления аффективной нагрузки на долото. Сущность изобретения: устройство содержит датчик (1) веса бурильного инструмента, ключи (2, 20, 21), блоки (3, 22, 23, 28) и (29) памяти, блок (4) вычитания, мультивибратор (5), блоки (6 и 7) задания уставки, блоки (8, 9 и 27) сравнения, элементы (10 и 24) И, реверсивные счетчики (11,12), формирователи импульсов (13, 14), триггер

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛ И СТИЧ Е С К ИХ

РЕСПУБЛИК

„„ А „„1789016A3 (я)5 Е 21 В 44/00

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ (21) 4890952/03 (57) Изобретение относится к средствам уп(22) 17.12,90 равления процессом бурения нефтяных и (46) 15,01.93. Бюл, ¹ 2 газовых скважин и может применяться на (71) Львовский политехнический институт буровых установках как с ручной, так и автоим. Ленинского комсомола матизированной подачей бурильного инст(72) Б.Д. Денис, Б.С. Калужный, А.Д. Мар- румента, Цель изобретения — повышение тынчук, М.П, Мельник и И,И. Рыбчич точности установления эффективной на(73) Б.Д. Денис, Б.С. Калужный, А,Д. Мар- грузки на долото, Сущность изобретения; тынчук, M.Ï. Мельник и И.И. Рыбчич устройство содержит датчик (1) веса буриль(56) Степанян А,А. Архангельский С.В., Ка- ного инструмента, ключи(2,20,21), блоки(3, гур В.И., Мильченко В.И. Прибор для опре- 22, 23, 28) и (29) памяти, блок (4) вычитания, деления эффективной нагрузки на долото, мультивибратор (5), блоки (6 и 7) задания

НИИНП, "Бурение". вып. 4Р, Куйбышев,. уставки, блоки(8,9 и 27) сравнения, элемен1969, с. 267 †2, ты (10 и 24) И, реверсивные счетчики (11, 12), Авторское свидетельство СССР формирователи импульсов (13, 14), триггер

¹ 1104247, кл, Е 21 В 45/00, 1984, (15), элементы (16 и 18) временной задерж(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ УСТАНОВЛЕНИЯ ки, элементы (17, 19 и 26) ИЛИ, счетчик имЭФФЕКТИВНОЙ НАГРУЗКИ НА ДОЛОТО пульсов (25) и индикатор (3).

//

Усл „Р у(г 4

О

IO (1 789016

1-4-10-11-20-22-23-27-24-26-23, 1-2-3-4, 2429-30, 10-12-21-22, 10-25-28-29, 28-8, 28-9, 6-8-15, 7-9-15, 15-26, 15-10, 5-11, 5-20, 5-1316-11, 16-19, 13-17-22, 17-28, 5-14-17, 14-1819, 18-12, 5-12, 5-21, Применение двух реверсивных счетчиков 11 и 12 и двух блоков памяти 23 и 28 позволяет получить два значения разности (производной) в цикле измеИзобретение относится к нефтяной и газовой промышленности, в частности к техническим средствам управления режимом бурения нефтяных и газовых скважин.

Известен прибор для определения эффективной нагрузки на долото, содержащий датчик осевой нагрузки на долото, сглаживающий фильтр, дифференцирующее устройство, анализатор, ключ и регистрирующее устройство, анализирующий зависимость осевой нагрузки от времени в процессе специально организованного поиска.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является принятое за прототип устройство для управления процессом турбинного бурения, состоящее из датчика веса бурильного инструмента, четырех ключей, блока памяти, двух блбков вычитания, блока задания уставки, блока сравнения, триггера, двух пороговых элементов, интегросумматора, источника эталонного сигнала и элементов логики.

В нем эффективная нагрузка на долото определяется как координата точки перегиба кривой зависимости нагрузки от времени путем сравнения величины площади криволинейного треугольника с площадью обычного треугольника с тем же основанием, равным интервалу времени, необходимого для уменьшения нагрузки на заданную величину Ь P.

Недостатком этого устройства является то, что площадь криволинейного треугольника определяется как интеграл разности фиксированного и текущего значений нагрузки на долото, что требует также фиксации достижения наперед заданных приращений нагрузки на долото АР1, Л Р2. Сигнал, пропорциональный разности мгновенных значений, является помехозащищенным не в большей степени, чем сигнал производной dP/бс, Поэтому такой способ не обеспечивает необходимой помехоустойчивости и точности определения этих площадей и, как следствие, эффективной осевой нагрузки на долото. рения. Величина нагрузки на долото определяется третьим счетчиком 25. Эффективная ее величина фиксируется в момент наибольшего изменения Л Р/ Л t за цикл поиска и индицируется цифровым индикатором 30. 1 ил.

Целью изобретения является повышение точности установления эффективной нагрузки на долото, В прототипе сигнал разности мгновен5 ных значений осевой нагрузки на долото составляет всего 2 — 3% значений уменьшаемого и вычитаемого, поэтому обладает черезвычайно низкой помехоустойчивостью, Это не может не отразиться на точности опреде10 ления экстремума скорости изменения осевой нагрузки на долото и повлечет за собой изменение уставок нагрузки в сторону от экстремума, В предлагаемом устройстве интегриру15 ется не разность нагрузок на долото, а ее абсолютное значение. Поэтому влияние помехи на результат интегрирования будет на порядок ниже, т, к. вычитаются два интеграла, т. е, величины, получаемые после фильт20 рации первичного сигнала.

Интегрирование, вычитание и сравнение величины производится средствами цифровой техники, что также обеспечивает высокую помехоустойчивость и точнос1ь.

25 Устройство прототипа выходит на первый экстремум от начала поиска, В предлагаемом устройстве зона поиска задается априори и оно устанавливает осевую нагрузку, соответствующую самому

30 большему значению механической скорости независимо от количества экстремумов в зоне поиска.

Принцип работы устройства основан на общеизвестном уравнении

35 L dP

1/п /м = м ES бс (1) где V — скорость подачи верхнего конца колонны бурильных труб;

V — скорость углубления долота в породу;

40 L — длина колонны бурильных труб;

Š— модуль упругости материала труб;

S — эквивалентное сечение трубы;

Рд — осевая нагрузка на долото.

Приняв — = К, коэффициент, определяемый параметрами колонны, получим V>—

V =К вЂ” -. бт

1789016 (3) Если скорость подачи V> = О, то

VM =-к — dP бт (2)

Уравнение (2) указывает метод поиска оптимальной нагрузки на долото, для реализации которого необходимо провести эксперимент, заключающийся втом, чтодолото нагружается максимально допустимой нагрузкой Рдтах, после чего подача верхнего конца колонны бурильных труб прекращается Ч,=О, В процессе разбуривания породы, при неподвижной системе, осевая нагрузка уменьшается, проходя все значения от

Pamax до наперед установленного значения

Рлп)1п, В процессе разгрузки анализируется

dP величина производной — и запоминаетdt ся оптимальная нагрузка, при которой npodP изводная — достигает максимума.

dt

Поиск рационального режима бурения при неподвижной буровой лебедке увеличивает помехоустойчивость определения и

dP анализа производной за счет того, d< что ликвидируются все помехи, которые вносит в сигнал датчика веса и сигнал осевой нагрузки движение талевого блока, роликов кронблока, барабана буровой лебедки.

Дальнейшее повышение помехоустойчивости достигается способом формирования и сравнения производной в процессе поиска в виде конечных приращений а л Р

dr Лт

Если Лт=соп л, то значение производной пропорционально величине приращения нагрузки за фиксированный интервал времени Л t, В свою очередь, величина приращения

Л Рд в интервале времени 2Л т может быть определена в яражением

Дг (f р () д — f PÄ(c) dt =APacp

Эта разность всегда положительна потому, что при неподвижной буровой лебедке в процессе разбуривания породы осевая нагрузка может только уменьшаться. Это позволяет заменить дифференцирование осевой нагрузки операцией вычитания двух интегралов этой величины, На чертеже представлена блок-схема предлагаемого устройства.

Устройство дг. я установления эффе ктивной нагрузки на долото содержит датчик

1 веса бурильного инструмента, первый ключ 2, первый блок 3 памяти, блок 4 вычитания, мультивибратор 5, первый 6 и второй

7 блоки задания уставки, первый 8 и второй

9 блоки сравнения, первый 10 элемент И, первый 11 и второй 12 реверсивные счетчики, первый 13 и второй 14 формирователи импульса, триггер 15, первый элемент 16 временной задержки, первый 17 элемент

ИЛИ, второй элемент 18 временной задержки, второй 19 элемент ИЛИ, второй 20 и третий 21 ключи, второй 22 и третий 23 блоки памяти, второй 24 элемент И, счетчик 25 импульсов, третий 26 элемент ИЛИ, третий

27 блок сравнения, четвертый 28 и пятый 29 блоки памяти, индикатор 30, Выход датчика 1 веса бурильного инструмента соединен с входом первОго 2 ключа и первым входом блока 4 вычитания, выход которого подключен к первому входу первого 10 элемента И, Выход первого 2 ключа подключен ко входу первого 3 блока памяти, выход которого соединен со вторым входом блока 4 вычитания. Первый выход мультивибратора 5 соединен со вторыми входами первого 11 реверсивного счетчика и второго

20 ключа и входом первого 13 формирователя импульсов, выход которого подключен к первому входу первого 17 элемента ИЛИ и через последовательно соединенный первый 16 элемент временной задержки к первому входу второго 19 элемента ИЛИ и входу "Установка "О" первого 11 реверсивного счетчика. Второй выход мультивибратора 5 соединен со вторыми входами второго 12 реверсивного счетчика и третьего 21 ключа и входом второго 14 формирователя импульса, выход которого подключен ко второму входу первого 17 элемента ИЛИ и через последовательно соединенный второй 18 элемент временной задержки ко второму входу второго 19 элемента ИЛИ и входу "Установка "О" второго 12 реверсивного счетчика, Выход первого 6 блока задания уставки соединен с первым входом 8 первого блока сравнения, выход которого подключен к первому входу триггера 15.

Первый выход триггера 15 соединен со вторым входом первого 10 элемента И, выход которого подключен ко входам первого 11 и второго 12 реверсивных счетчиков и входу счетчика 25 импульсов. Выход второго 7 блока задания уставки соединен с первым входом второго 9 блока сравнения, выход которого подключен ко второму входу триггера 15, Второй выход триггера 15 соединен со вторым входом третьего 26 элемента

ИЛИ. Выход первого 11 реверсивного счетчика соединен с первым входом перво о 20 ключа, Выход второго 12 реверсивного счет1789016

50

55 чика соединен с первым входом второго 21 ключа. Выходы первого 20 и второго 21 ключей подключены к первому входу второго 22 блока памяти, выход которого соединен с первым входом третьего 23 блока памяти и вторым входом третьего 27 блока сравнения, В ыход третьего 23 блока памяти соединен с первым входом третьего 27 блока сравнения, выход которого подключен к первому входу второго 24 элемента И, Выход первого 17 элемента ИЛИ подключен ко вторым входам второго 22 и четвертого 28 блоков памяти, а выход второго 19 элемента

ИЛИ соединен со вторым входом второго 24 элемента И и входом "Установка" "0" счетчика 25 импульсов, выход которого соединен с первым входом четвертого 28 блока памяти, Выход второго 24 элемента И соединен с первым входом третьего 26 элемента ИЛИ и вторым входом пятого 29 блока памяти, а выход третьего 26 элемента ИЛИ соединен со вторым входом третьего 23 блока памяти. Выход четвертого 28 блока памяти соединен со вторыми входами первого 8 и второго 9 блоков сравнения и первым входом пятого 29 блока памяти, соединенного своим выходом с индикатором 30, Устройство работает следующим образом, После спуска бурильной колонны в скважину, перед началом подачи, сигнал датчика 1 веса через кратковременно открытый ключ 2 запоминается блоком 3 памяти, Осевая нагрузка на долото, по частотному сигналу датчика веса, определяется как разность частоты, соответствующей полному весу бурильного инструмента (бурильный инструмент спущен, долото еще не на забое) и частоты, соответствующей нагруженному инструменту, Операция вычитания частот реализуется блоком 4 вычитания, на выходе которого получаем частоту, пропорциональную нагрузке на долото.

Перед началом бурения блоками 6 и 7 задания уставок задаются, исходя из реальных условий бурения и компоновки инструмента, максимально допустимое Рдгпах и целесообразно минимальное Рдт!п значения пределов изменения осевой нагрузки на долото, т, е. интервал "разгрузка долота"

После этого долото нагружается максимально допустимой нагрузкой Рд i F amax u подача останавливается (лебедка затормаживаетсяя), По мере разбуривания породы, осевая нагрузка начинает уменьшаться и при достижении ее значения, заданного блоком 6, блок сравнения 8 переключит триггер 15 по входу S в состояние логической "1", в результате чего частотный сигнал, пропорциональный осевой нагрузки на долото с выхода блока 4 вычитания через открытый элемент 10 поступает на первые входы реверсивных счетчиков 11 и 12, которые работают в противофазе, т, е, когда счетчик 11 выполняет операцию "сложение", то счетчик 12 — операцию "вычитание" и наоборот, Такой режим счетчиков задается сигналами управления, формируемыми мультивибратором 5, по команде которых за период обеспечивается последовательность выполнения операций "суммирование" и "вычитание". Цикл работы каждого из этих счетчиков заканчивается результатом накопления импульсов в виде чисел N, пропорциональных приращению осевой нагрузки

Л Рдср за тот же период N =Л Рдср.

В процессе "разгрузки" долота получится некоторое число "n" таких циклов, результатом измерения в которых будет информация N1= Л Рдср, Мз = Л Рдсрз, ..., накопленная первым реверсивным счетчиком 11 и Nz= Л Рдср2, N4 = Л Рдср4, накопленная вторым реверсивным счетчиком 12, Эта информация через ключи 20 vt 21 последовательно передается на вход блока

22 памяти и заносится в него каждый полупериод по команде сигнала "Запись 1", поступающего на второй вход этого блока, Этот сигнал формируется в конце первого полупериода формирователем 13 импульса и элементом 17 ИЛИ, а в конце второго полупериода — формирователем 14 и элементом 17 ИЛИ, После занесения информации в блок 22 памяти счетчики 11 и 12, поочередно, через элементы 16 и 18 временной задержки устанавливаются в нулевое состояние. Этими-же элементами 16 и 18 временной задержки содержимое блока 22 перезаписывается в блок 23 памяти. Блоком 27 сравнения проверяется выполнение условия M3 < М2, т. е.

cðàâíèBàåòñÿ приращение Л Рдср, находящееся в блоке 23 памяти, с приращением— в блоке 22.

Основным управляющим сигналом для прохождения сигнала записи "Запись 2" через второй 24 элемент И и второй 26 элемент ИЛИ является выходной сигнал блока

27 сравнения, который находится в состоянии логической "1" при выполнении условия

M3 < M2, Когда это условие нарушается, то выходной сигнал блока 27 сравнения блокирует прохождение сигнала "Запись 2" и в блоке 29 памяти сохраняется значение осевой нагрузки на долото Рдср, последнего измеренного приращения N процесса "разгрузка", соответствующее максимальному

1789016

h,Р значению -, Если до окончания процес ьт са полной "разгрузки" долота снова выполнится условие M3 < М2, то после повторного его нарушения в блок 29 памяти запишется 5 новое значение нагрузки, соответствующее

h,p наибольшему значению — достигнутому лт в процессе "разгрузки", которое будет оптимальным для данной породы при заданных 10 значениях других параметров режима бурения.

Канал измерения текущих значений

Рдср организуется путем подсчета количества импульсов счетчиком 25, поступающих 15 с блока 4 вычитания за фиксированный и ромежуток времени Л t (один полупериод), Информация этого счетчика, после занесения ее в блок 28 памяти выходным сигналом первого 17 элемента ИЛИ, обнуляется ко- 20 мандой "Установка "0", в каждом полупериоде.

В процессе поиска оптимальной нагрузки на долото Рдопгп, информация в блоке 28 памяти обновляется каждый полупериод и 25 поступает на вход блока 29 памяти, в котором фиксируется только значение Рдопгп и представляется для визуального наблюдения индикатором 30.

Процесс "разгрузка" заканчивается при 30 достижении равенства текущего значения нагрузки на долото заданному минимальному значению.

При этом выходной сигнал блока 9 сравнения переключит триггер 15 по входу R в 35 исходное состояние (на выходе Q сигнал логической "1"). Его выходной сигнал запишет в блок 23 памяти последнее в процессе

"разгрузки" значение приращения N из блока 22 памяти, а индикатор 30 сохраняет по- 40 следнее, находящееся в блоке 29 памяти значение и схема готова к новому автоматическому поиску.

Формула изобретения

Устройство для установления эффектив- 45 ной нагрузки на долото, содержащее блок памяти, блок вычитания, три ключа, первый блок сравнения, первый блок задания уставки, триггер, первый формирователь импульса, первый логический элемент И и датчик 50 веса бурильного инструмента, выход которого соединен с первым входом блока вычитания и через последовательно соединенные первый ключ и блок памяти— с вторым входом этого блока, а выход блока 55 задания уставки соединен с первым входом блока сравнения, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности установления эффективной нагрузки на долото, оно дополнительно снабжено мультивибратором, вторым блоком задания уставки, вторым и третьим блоками сравнения, двумя реверсивными счетчиками, вторым формирователем импульсов, двумя элементами временной задержки, тремя элементами

ИЛИ, BTopblM элементом И, вторым, третьим, четвертым и пятым блоками памяти, счетчиком импульсов и индикатором, причем выход первого блока сравнения соединен с первым входом триггера, а выход второго блока задания уставки соединен с первым входом второго блока сравнения, выход которого подключен к второму входу триггера, выход блока вычитания соединен с первым входом первого элемента И, второй вход которого соединен с первым выходом триггера, а выход этого элемента И соединен с RBpBblMH входами первого и второго реверсивных счетчиков и входом счетчика импульсов, выходы этих реверсивных счетчиков подключены соответственно к первым входам второго и третьего ключей, первый выход мультивибратора соединен с первым формирователем импульса и вторыми входами первого реверсивного счетчика и второго ключа, а второй выход мультивибратора соединен с вторым формирователем импульса и вторыми входами второго реверсивного счетчика и третьего ключа, выход первого формирователя импульса соединен с первым входом первого элемента ИЛИ и через последовательно соединенный первый элемент временной задержки подключен к первому входу второго элемента ИЛИ и входу "Установка нуля" первого реверсивного счетчика, а выход второго формирователя импульса соединен со вторым входом первого элемента ИЛИ и через последовательно соединенный второй элемент временной задержки подключен к второму входу второго элемента ИЛИ и входу "Установка нуля" второго реверсивного счетчика, выходы второго и третьего ключей подключены к первому входу второго блока памяти, выход которого соединен с первым входом третьего блока памяти и вторым входом третьего блока сравнения, выход третьего блока памяти соединен с первым входом третьего блока сравнения, выход которого соединен с первым входом второго элемента И, выход первого элемента ИЛИ подключен к вторым входам второго и четвертого блоков памяти, выход второго элемента

ИЛИ соединен с вторым входом второго элемента И и входом установка нуля счетчика импульсов, выход которого соединен с первым входом четвертого блока памяти, а выход четвертого блока памяти подключен к первому входу пятого блока памяти и вто1789016

10

20

30

40

50

Составитель А,Мартынчук

Техред М.Моргентал Корректор Н.Король

Редактор

Заказ 85 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 рым входам первого и второго блоков сравнения, выход второго элемента И соединен с первым входом третьего элемента ИЛИ и вторым входом пятого блока памяти, второй выход триггера подключен ко второму входу третьего элемента ИЛИ, выход которого подключен ко второму входу третьего блока памяти, а выход пятого блока памяти соединен с индикатором, 5