Устройство для определения динамического состояния бурильной колонны

 

Изобретение относится к буровой технике и позволяет повысить эффективность бурения путем использования динамических свойств бурильной колонны. Устройство состоит из датчика 1 продольных колебаний бурильной колонны, усилителя 2, блока 3 выделения резонансного сигнала, блока 4 группирования резонансных сигналов по импедансным каналам и блока 5 регистрации . . Устройство позволяет регистрировать и различать динамические состояния бурильной колонны, соответствующие или близкие резонансам с минимальным и максимальным входным импедансом бурильной колонны. Это позволяет более оперативно принимать решения по регулированию технологических параметров бурения таким образом, чтобы использовать динамические свойства бурильной колонны. .4 ил. ... : ;-./„. ,;:; . : ,; - ;... ,-..; -у -..: т С ч

„„Я „„18090 24 А1

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

<я)з Е 21 В 44/00

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ .

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 2 (21) 4932685/03 ских GBoAGTB бурильной anoHH, YcTpoAcT(22) 18.03.91 во состоит из датчика 1 продольных колеба(46) 15.04.93. Бюл. Ь 14 ний бурильной колонны, усилителя 2, блока (71) Центральная научно-исследовательская 3 выделения резонансного сигнала, блока 4 лаборатория,Производственного объединв- группирования резонансных сигналов по ния "Оренбургнефть" импедансным каналам и блока 5 регистра(72) Б,Е.Афанасьев и В.В.Сунцов .- ции. 1 ° 2- 3- 4- 5. Устройство позволяет (56) Авторское свидетельство СССР регистрировать и различать динамические

ЬВ 909140, кл. Е 21 В 47/00, 1979. состояния бурильной колонны. соответствуАвторское свидетельство СССР - ющие или близкие резонансам с минимальВ 652318, кл. Е 21 B 45/00; .. ным и максимальным входным импедансом (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ .. бурильной колонны, Это позволяет более

ДИНАМИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ БУРИЛЬ- оперативно принимать решения по регули-.

НОЙ КОЛОННЫ рованию технологических параметров буре(57) Изобретение относится к буровой тех- ния таким образом, чтобы использовать нике и позволяет повысить эффективность динамическиесвойствабурильной колонны. бурения путем использования динамиче- . 4 ил, 1809024

Изобретение относится к буровой технике, в частности к устройствам оптимизации процесса бурения нефтяных и газовых скважин.

Цель изобретения — повышение эффективности бурения путем использования динамических свойств бурильной колонны.

Поставленная цельдостигается тем, что устройство для определения динамического состояния бурильной колонны снабжено последовательно соединенными датчиком продольных колебаний бурильной колонны, усилителем, блоком выделения резонансных сигналов по импедансным каналам и блоком регистрации.

Известно, что резонанс продольных колебаний в бурильной колонне возникает как и ри минимуме, так и при максимуме входного импеданса бурильной колонны со стороны долота. Резонанс при минимуме импеданса характеризуется максимальной амплитудой колебаний долота и минимальной переменной составляющей силы взаимодействия долота с забоем скважины, а при резонансе с максиму ам входного импеданса амплитуда колебаний долота минимальна, а переменная составляющая силы взаимодействия долота с забоем скважины максимальна. Оба резонансных состояния сопровождаются увеличением амплитуды колебаний верха бурильной колонны, Предпочтительным считается режим бурения, при котором бурильная колонна находится в состоянии резонанса с максимумам входного импеданса или в динамическом состоянии, близком к этому резонансу. Режим бурения, при котором динамическое состояние бурильной колонны близко к резонансу с минимальным входным импедансом, является нежелательным. В процессе бурения эти состояния необходимо различать для регулирования технологических параметров таким образом, чтобы динамическое состояние бурильной колонны при необходимости приближать к резонансу с максимумом входного импеданса бурильной колонны или не допустить динамического состояния с минимумом входного импеданса бурильной колонны. Для этого необходимо, например, получить сигналы, соответствующие резонансным состояниям бурильной колонны. а затем сигналы, соответствующие резонансным состояниям бурильной колонны с минимальным входным импедансом, выделить в один канал, а сигналы, соответствующие резонансным состояниям бурильной колонны с максимальным входным импедансом, — в другой канал. В дальнейшем тексте эти каналы именуются минимальным импедансе ным каналам и максимальным импедансным каналом, Тогда по наличию сигнала в том или ином импеданснам канале определяют динамическое состояние бурильной

5 колонны в процессе бурения. Указанные операции выполняет устройство для определения динамического состояния бурильной колонны.

На фиг,1 изображена функциональная

"0 схема устройства; на фиг.2 — схема одного из наиболее простых вариантов практической реализации устройства; на фиг,3 — схема практической реализации устройства, собранного на основе сепективного устрой15 ства для выделения резонансного сигнала; на фиг,4 — графики, поясняющие работу устройства, собранного по схеме фиг.3.

Указанные операции выполняет устройство для определения динамического состояния бурильной колонны, Функциональная схема устройства приведена на фиг.1. Оно состоит из датчика 1 продольных колебаний бурильной колонны, усилителя 2, блока 3 выделения резонансных сигналов, блока 4 группировки резонансных сигналов по импедансным каналам и блока 5 регистрации.

Выход датчика 1 соединен с входом усилителя 2, выход которого подключен к входу блока 3 выделения резонансных сигналов, а

30 выход блока 3 подключен к входу блока 4 групплровки резонансных

Устройство работает следующим обра35 зом. Продольные колебания бурильной колонны воспринимаются датчиком 1 и преобразуются в электрический сигнал, соответствующий величине одного из следующих параметров колебаний: смещения, 40 скорости или ускорения — в зависимости от типа датчика. Частота этого сигнала соответствует частоте колебаний бурильной колонны, Сигнал с выхода датчика 1 поступает нэ вход усилителя 2, где усиливается до не45 обхадимой величины, С выхода усилителя 2 сигнал поступает на вход блока 3 выделения резонансных сигналов. Резонансное состояние бурильной колонны характеризуется определенной частотой и увеличением амп50 литуды колебаний верха бурильной колонны, Поэтому и сигнал, соответствующий резонансному состоянию бурильной колонны, поступающий на вход блока 3 выделения резонансных сигналов, также имеет определвнную частоту и отличается большей амплитудой в спектре сигналов, поступающих на вход блока 3, 8 дальнейшем тексте сигнал, соответствующий резонансному состоянию бурильной колонны называется резонансным сигналом. В блоке 3

1809024 выделение резонансного сигнала произво- дансный канал, а сигналы, поступающие с дится по частоте и амплитуде. Если в спект- выхода блока 3 по каналам, соответствуюре сигналов, поступающих на вход блока 3 щим найденным частотам резонансных ковыделения резонансных сигналов, присут- лебаний бурильной колонны с ствуют одна или более составляющих, соот- 5 максимальным входным импедансом, групветствующих резонансным состояниям пировались в максимальный импедансный бурильной колонны, то нэ выходе блока 3 канал блока 4 группирования резонансных появляются один или более резонансных сигналов по импедансным каналам. Схема сигналов, соответствующих частотам резо- блока 4органами управления приводится в нансных колебаний бурильной колонны. 10 соответствие с составленным алгоритмом.

Чтобы при преобразованиях резонансного Таким образом, если на вход блока 4 постусигналанетеряласьинформацияосоответ- пают сигналы, соответствующие резонанствующей резонансному сигналу частоте сам бурильной колонны с минимальным колебаний бурильной колонны, каждый ре- входным импедансом, то появляется сигнал зонансный сигнал на выход блока 3 выделе- 15 на выходе минимального импедансного кания резонансного сигнала поступает по нала,а если на вход блока4 поступаютсиготдельному каналу, соответствующему on- налы, соответствующие резонансам с ределеннойчастоте.Свыходаблока3резо- максимальным входным импедансом бунансные сигналы поступают на вход блока рильной колонны, то появляется сигнал на

4 группирования сигналов по импедансным 20 выходе максимального импедансного канаканалам. В этом блоке резонансные сигна- ла. Выходы импедансных каналов являются лы группируются по соответствию резонан- выходом блока 4, С выхода блока 4 групписам бурильной колонны при минимальном рования резонансных сигналов по импеданвходном импедансе и резонансам при мак- сным каналам сигналы подаются в блок 5 симальном входном импедансе бурильной 25 регистрации. Если сигнал на вход блока реколонны. Сигналы, соответствующие резо-: гистрации поступает с максимального импенансам при минимуме входного импеданса дансного канала блока 4, то на выходе блока бурильной колонны, выделяются в один ка- регистрации появляется сигнал, соответстнал, называемый минимальным импеданс- вующий резонансу бурильной колонны при ным каналом, а сигналы, соответствующие 30 максимуме входного импеданса, а если сигрезонансам при максимальном входном им- нал на вход блока регистрации поступает с педансе бурильной колонны, выделяются в минимального импедансного канала блока другой канал, называемый максимальным . 4, то на выходе блока регистрации появляимпедансным каналом. ется сигнал, соответствующий резонансу

Для различных компоновок бурильной 35 бурильной колонны при минимуме входного колонны соответствуют разные значения импеданса бурильной колонны. Таким обрареэонансных частот. Причем, если для од- зом, предлагаемое устройство позволяет ной компоновки определенная частота со- регистрировать и различать динамические." ответствует резонансу при максимуме . состояния бурильной колонны соответствувходного импеданса, то для другой компо- 40 ющие или близкие резонансам бурильной новки та жечастота может соответствовать колонны с максимумом или минимумом резонансу при. минимуме входного импе- входного импеданса бурильной колонны. данса бурильной колонны. Поэтому конст- Схема наиболее простого варианта рукция блока 4 предусматривает работу по практической реализации предлагаемого заданному алгоритму, Для составления ал- 45 устройства приведена на рис. фиг.2. В качегоритма работы блока 4 группирования ре- стве датчика 1 используют сейсмоприемзонансных сигналов по импедансным ник, например, типа СВ1-10. Усилитель 2 каналам расчетным или опытным путем на- собирают на базе микросхемы, например, ходят. возможные частоты резонансных ко- типа К157УД1. В качестве блока 3 выделелебаний бурильной колонны с 50 ния резонансного сигнала используют наминимальным входным импедансом и час- бор узкополосных фильтров: f1......fN, тоты резонансных колебаний бурильной ко- перекрывающих диапазон от 1 Гц до 120 Гц. лонны с максимальным входным В данном примере резонансные сигналы импедансом. Алгоритм работы блока 4 со- поступают на выход блока 3 по каналам, ставляется тэк, чтобы резонансные сигна- 55 образованным выходами фильтров f1...fN. лы, поступающие с выхода блока 3 по В качестве блока 4 группирования реканалам, соответствующим найденным час- зонансных сигналов по импедансным кана-:, тотам резонансных колебаний бурильной лам используют, например, набор колонны с минимальным входным импедан- переключателей Â1...BN на три положения сом, группировались в минимальный импе- с нейтральным и двумя крайними положе1809024

15

30

50 ниями, Переключающий контакт "1" каждого переключателя подключают к определенному каналу на выходе блока 3. Таким образом, каждый переключатель соответствует резонансному сигналу, отображающему резонанс бурильной колонны в определенной полосе частоты, то есть каждый переключатель соответствует определенной полосе частот. Выходные контакты

-"2" каждого переключателя, соответствующие первому(на фиг.2 — верхнему) крайнему . положению переключателя, соединяются вместе и образуют, например, минимальный импедансный канал, а выходные контакты "3" каждого переключателя, соответствующие второму край нему (на фиг.2 — нижнему) положению. также соединяются вместе и образуют максимальный импедансный канал блока 4. В зависимости от крайнего положения переключателя сигнал, соответствующий полосе частот этого переключателя, поступает в минимальный или максимальный импедансный канал, При нейтральном положении переключателя сигнал, соответствующий полосе частот этого переключателя не проходит через блок 4 группирования резонансных сигналов по импедансным каналам. Расчетным или опытным путем находят частоты, соответствующие резонансным состояниям бурильной колонны, Алгоритм работы блока 4 в данном примере заключается в следующем.

Если найденная частота соответствует резонансу бурильной колонны при минимальном импедансе„то переключатель, соответствующий этой частоте, устанавливается в первое крайнее положение (на фиг.2 — верхнее), а если найденная частота соответствует резонансу при максимуме входного импеданса, то соответствующий переключатель устанавливается во второе крайнее положение (на фиг.2 — нижнее). Остальные переключатели ставятся в нейтральное положение. Выходы импедансных каналов являются выходом блока 4.

Блок 5 регистрации собирают из двух параллельных цепей, содержащих преобразователь и сигнальное устройство. Преобразователь собирают, например, из последовательно включенных усилителя, собранного на микросхеме К157УД1, диодного выпрямителя, сглаживающего RCфильтра и подключаемого к нему тиристорного ключа. Через тиристорный ключ от сети переменного тока питается сигнальчое устройство, например, лампа накаливания с цветным светофильтром. Лампа, включенная в первую цепь, подключаемую к минимальному импедансному каналу на выходе блока 4, устанавливается, например, с красным фильтром. Лампа, включенная во вторую цепь блока 5, соединенную с максимальным импедансным каналом на выходе блока 4, устанавливается, например, с зеленым светофильтром, Работает устройство следующим образом. Если динамическое состояние бурильной колонны приближается к резонансу, то в спектре колебаний бурильной колонны появляется составляющая, соответствующая этому резонансу, отличающаяся большей амплитудой по сравнению с другими составляющими, Поэтому и на выходе датчика 1 появляется соответствующая составляющая электрического сигнала, С выхода датчика 1 сигналы поступают в усилитель 2, где усиливаются и далее подаются на вход блока 3 выделения резонансного сигнала, то есть на параллельно включенные фильтры

f1.....Л N. На выходе блока 3 сигнал появляется в канале, соответствующем выходу фильтра с полосой пропускания, в которую попадает частота резонансных колебаний бурильной колонны. С выхода блока 3 сигнал поступает на вход блока 4, где он поступает в минимальный импедансный канал, если соответствует резонансу с минимальным входным импедансом бурильной колонны, Если сигнал соответствует резонансу бурильной колонны при максимальном входном импедансе, то он поступает в максимальный импедансный канал блока 4 группирования резонансных сигналов по импедансным каналам. С блока 4 сигнал подается на вход блока 5 регистрации. Если сигнал соответствует резонансу при минимуме входного импеданса бурильной колонны, то он с выхода блока 4, соответствующему выходу минимального импедансного канала, поступает на вход первой цепи блока регистрации, При этом включается лампа с красным светофильтром, сигнализирующая о резонансе бурильной колонны при минимальном входном импедансе.

Аналогично, если бурильная колонна находится в состоянии резонанса с максимальным входным импедансом, то включается лампа с зеленым светофильтром.

При турбинном бурении резонансные колебания наблюдаются в основном при частотах выше 20 Гц. В этом случае устройство для определения динамического состояния бурильной колонны собирают на основе селективного устройства для выделения резонансного сигнала, например, на основе

1809024 0 анализатора спектра. типа С4-53, имеющего нижний предел измерения 20 Гц. Этот вариант имеет то преимущество по сравнению с приведенным выше примером, что устройство не имеет полосовых фильтров, которые вносят дискретность при выделении резонансного сигнала. Упрощенная схема примера практической реализации предлагаемого устройства с применением анализатора спектра приведена на фиг.3.

Датчик 1, усилитель 2 выполняют аналогично вышеописанному примеру. В качестве блока выделения резонансного сигнала применяют панорамный анализатор спектра (АС) типа С4 — 53. Этот АС является прибором последовательного типа, поэтому сигналы на его выходе, соответствующие определенным частотам, разнесены по времени. То есть на выходе блока 3, в качестве которого применяют АС, резонансные сигналы разделяются по временным каналам.

Работа AC поясняется рисунком фиг.4. На фиг.4а приведен график изменения сигнала на информационном выходе АС, Если на вход АС подается сигнал, например, с двумя частотами fq и f2, то на информационном выходе АС в моменты времени t< и tz появляются сигналы отклика,соответствующие этим частотам. На фиг.4б приведен график изменения напряжения на выходе генератора развертки осциллографического индикатора АС. На фиг.4 видно, что частота f< соответствует напряжению U1 на выходе генератора развертки и сигнал отклика в момент времени t а частоте h соответствует напряжение Ug и сигнал отклика в момент времени tz. Таким образом, каждой частоте сигнала, подаваемого на вход АС, соответствует сигнал отклика в некоторый. момент времени и определенный уровень напряжения на выходе генератора развертки осциллографического индикатора АС. В данном примере сигнал отклика на выходе

АС является резонансным сигналом.

Блок 4 группирования резонансных сигналов по импедансным каналам собирают из стабилизированного источника напряжения Е, делителей напряжения Ri-1, нуль-индикаторов НИь, логических элементов

"И"-И1 и И2, реле времени РВ1 и РВ2, где ! = 1;2; j =1;2;...n.

I = 1 соответствует минимальному импедансному каналу.

l = 2 соответствует максимальному импедансному каналу.

Значение и определяется числом учитываемых резонансных состояний бурильной колонны. Делители йц подключают к источнику стабилизированного напряжения Е, Выходы делителей напряжения подключают на первые входы соответствующих нульиндикаторов, а на вторые входы нуль-индикаторов подают напряжение с выхода генератора развертки АС. Выходы нуль-ин5 дикаторов НИ1- подключены к первому входу логического элемента И1, а выходы НИ - — к первому входу логического элемента И2.

Вторые входы логических элементов И1 и

И2 подключены к информационному выходу

10 АС. Выходы логических элементов И1 и И2 подключены соответственно к выходам реле времени РВ1 и РВ2. Выходы реле времени являются выходами минимального и максимального импедансных каналов блока 4, то

15 есть являются выходом блока 4.

Блок 4 группирования резонансных сигналов по импедансным каналам работает следующим образом.

Предварительно расчетным или опыт20 ным путем находят частоты возможных резонансных колебаний бурильной колонны и составляют алгоритм работы блока 4. Он сводится к определению, например, по фиг.4 соответствия найденных частот на25 пряжениям на выходе генератора развертки

АС и к установке этих напряжений надели- . телях напряжения Вц, причем резонансным частотам с минимальным входным импедансом соответствуют делители R>-1, а резонан30 сным частотам с максимальным входным импедансом бурильной колонны соответствуют делители R2- . Например, найденная частота f> соответствует резонансу бурильной колонны с минимальным входным им35 педансом, а частота f2 соответствует резонансу бурильной колонны с максимальным входным импедансом. При этом делитель, например, R>-1 устанавливают в, положение, когда с него снимается напря40 жение U>, соответствующее частоте f> (см. фиг.4), а делитель, например R2-1 устанавливается в положение, при.котором с него снимается напряжение Uz (см; фиг.4), соответствующее частоте fz. Остальные делите-.

45 ли устанавливают в нулевое положение.

Тогда, если на входе блока 3, в качестве которого используют АС, присутствует составляющая с частотой f>, то в момент времени t> (см. фиг,4) на информационном

50 выходе АС появляется сигнал, а с генератора развертки АС на вторые входы всех нуль-индикаторов подается напряжение U >.

Так как на первый вход только одного нульиндикатора ÍÈè подается так же напряже55 ние 01, то только на выходе этого индикатора появляется выходной сигнал, который подается на первый вход логиче-. ского элемента И1. В этот же момент времени на вторые входы логических элементов

И1 н И2 поступает сигнал отклика с инфор-

1809024 мационного выхода АС. Так как на первый вход логического элемента И2 сигнал не поступает, то выходной сигнал появляется только на выходе первого логического элемента И1, что свидетельствует о наличии на выходе АС- (блока 3) составляющей, соответствующей резонансной частоте колебаний бурильной колонны с минимумом входного импеданса. Аналогично, если с датчика 1 через усилитель 2 на вход АС (блока 3) поступает составляющая сигнала с частотой 1, то сигнал, соответствующий частоте резонансных колебаний бурильной колонны с максимальным входным импедансом, появляется на выходе логического элемента И2.

Сигналы с выходов логических элементов . И1 и И2 поступают соответственно на входы реле времени РВ1 и РВ2. Реле времени . включают в схему для того, чтобы сохранить сигнал на выходе блока 4 до последующего цикла работы генератора развертки АС.

Если применяется реле времени с контактными выходами, то блок 5 регистрации состоит из ламп накаливания со светофильтрами. От входных контактов реле времени

РВ1 блока 4 включается лампа, например, с красным светофильтром, что сигнализирует о резонансе бурильной колонны при минимальном входном импедансе. А выходными контактами реле времени РВ2 блока 4 включается лампа, например, с зеленым светофильтром, что сигнализирует о резонансе бурильной колонны . ри максимальном входном импедансе бурильной колонны.

Второй пример практической реализации устройства па сравнению с первым, кроме устранения дискретности при выделении резонансного сигнала, имеет и следующее преимущество. Среди возможных резонансных частот колебаний бурильной колонны есть такие, которые изменяются по мере углубления скважин. Во втором примере легче производить автоматическую коррекцию в зависимости от глубины скважины.

5 Это делают путем подключения органов управления соответствующих резисторов, образующих делители напряжения Яц, к датчику глубины скважин.

Таким образом, предлагаемое устрой10 ство решает поставленную цель, Оно позволяет регистрировать и различать динамические состояния бурильной колонны, соответствующие или близкие резонан; сам с максимумом или минимумом входного

15 импеданса бурильной колонны, Выдавае-мая предлагаемым устройством информация позволяет более оперативно принимать решения по регулированию технологиче- . ских параметров таким образом, чтобы ис20 пользовать динамические свойства бурильной колонны, например, при бурении резонансными компоновками с максимальным входным импедансом бурильной колонны, 25 Формула изобретения

Устройство для определения динамического состояния бурильной колонны в про цессе бурения, содер>кащее датчик продольных колебаний бурильной колонны, 30 подключенной к усилителю, о т л и ч з ю щ ее с я тем, что, с целью повышения эффективности бурения за счет учета динамических свойств бурильной колонны, оно снабжено последовательно соединенными блоком вы35 деления резонансного сигнала блоком группирования резонансных сигналов по импедансным каналам и блоком регистрации, при этом выход усилителя подключен к входу блока выделения резонансного сиг40 нала.

1809024

1809024

Составитель Б.Афанасьев

Техред M.Ìoðãåíòàë Корректор Е.Папп

Редактор

Заказ 1265 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101