Устройство для контроля процесса бурения

 

ОП ИСАЙИЕ (" 497404

Союз Соаетскии

Соералистичесиии

Республик

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДВТИЛЬСТВУ (61) М. Кл. E6L446 46/00

«Ь,-:.)

06Ф(61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 20.03.74 (21) 2007512/22-3 с присоединением заявки №вЂ” (23) Приоритет—

Опубликовано 30.12.75. Бюллетень № 48

Дата опубликования описания 03.11.76

Геоударстоеиай иоиитет

Соаета Миииатрав СССР па,аеаам изоаретеиий и открытий (53) УДК 622.23.082 (088.8) (72) Авторы изобретения

И. П. Петров, Е. В. Калыгин, Н. Б. Ситников и И. А. Бердов (71) Заявитель

Свердловский ордена Трудового Красного Знамени горный институт им. В. В, Вахрушева (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ

ПРОЦЕССА БУРЕНИЯ

Изобретение относится к области контроля и управления процессом бурения нефтяных, газовых и геологоразведочных скважин и может быть использовано для экспериментального определения коэффициентов уравнений математической модели бурового процесса и целевой функции управления.

Известно устройство для контроля процесса бурения, содержащее датчик осевой нагрузки, датчик скорости вращения породоразрушающего инструмента, выполненный в виде тахогенератора с независимым возбуждением, датчик расхода промывочной жид(кости, датчик перемещения колонны с релейным элементом, командное реле времени, операционные интегрирующие усилители, регулятор подачи породоразрушающего инструмента, задающий элемент и регистрирующие приборы.

Однако получаемая с помощью этого устройства информация является недостаточной для определения связей между зависимыми и независимыми параметрами процесса бурения, Предлагаемое устройство отличается от известного тем, что датчик перемещения колонны снабжен дополнительным выходом, который через дифференцирующий элемент, размыкающие контакты командного реле времени и замыкающие контакты релейного элемента соединен с входом операционного интегрирующего усилителя, а выход тохогенератора с независимым возбуждением соединен с задающим элементом и регулятором подачи породоразрушающего инструмента.

Такое конструктивное выполнение устройства позволяет увеличить объем информации о внешних условиях ведения процесса бурения, упростить операции по эксперименталь1п ному определению связей между зависимыми и независимьп|и параметрами процесса бурения.

На чертеже изображена функциональная блок-схема устройства для контроля процес15 са бурения.

Исполнительные элементы 1, 2 и 3, приводные механизмы 4, взаимодействующая пара: породоразрушающий инструмент — порода забоя 5 — составляют буровую установ20 ку, для контроля параметров которой предназначено устройство, включающее датчик осевой нагрузки 6, тахогенератор с независимой обмоткой возбуждения 7, тахогенератор с постоянными магнитами 8, датчик 9 расхо25 да промывочной жидкости, датчик 10 перемещения колонны, на основном выходе которого включен релейный элемент 11 с нормально открытыми контактами 12, 13, 14 и

15, а на дополнительном выходе — диффе30 ренцирующий элемент 16, задающий эле497404

3 мент 17. Элемент сравнения 18, регулятор 19 подачи породоразрушающего инструмента, операционные интегрирующие усилители 20, 21 и 22, регистрирующий прибор 23, двухкоординатные регистрирующие приборы 24 и.

25, переключатели 26 и 27 сигналов независимых переменных источников 28 нормированного напряжения постоянного тока, блок питания 29, командное реле времени 30 с нормально замкнутыми контактами 31 на выходе.

Полный цикл работы устройства по сбору информации о параметрах режима бурения состоит из нескольких этапов, каждый из которых включает 8 — 10 элементарных шагов, характеризуемых приращением проходки на величину 2ЛЬ, (при Лй, = Лй ) и временем механического бурения At; +

+ At,. 3a первую половину шага производится контроль времени М; и усреднение мехапическои скорости V; =, а за з

М; вторую — изменение какого-либо независимого параметра и переход системы в новое состояние условного покоя.

На первом этапе программы осуществляется приработка породоразрушающего инструмента на забое и определяются базовое значение породоразрушающего фактора Фб и базовое значение механической скорости бурения V„g, а также коэффициент параболы статической характеристики V<>(&), рав° (Ф вЂ” AVo) ИФ

Работа системы на этом этапе осуществляется следующим образом. После выполнения операции спуска породоразрушающего инструмента с помощью исполнительных элементов 1 и 2 устанавливаются скорость вращения ротора и и расход промывочной жидкости Q. Уровни последних выбираются с учетом данных предыдущего рейса. С помощью задающего элемента 17 задается значение породоразрушающего фактора Ф

Ф„„„. Переключатели 26 и 27 устанавливаются в положение, показанное на схеме сплошной линией. Прп перемещении бурильной колонны вниз на выходе датчика 10 появляется напряжение и вклю гнется рслейный элемент 11. Последний своими контактами производит следующие изменения в схеме: контактом 13 вход операционного усилителя 20 соеди!гяется с выходом тахогепсратора с независимым возбуждением 7, а контактом 32 отсоединяется выход этого усилителя ат второго его входа; контактом 15 подается питание командному реле времени 30, а контактом 14 дифференцирующий элемент 16 соединяется с входом операционного усилителя 22. Начинается отсчет заданного времени усреднения At„, За этот отрезок времени на вход операционного усилителя 22 с выхода дифференцирующего элемента 16 поступают импульсы напряжения, частота следования которых пропорциональна скорости!

0 !

25 зо

05 перемещения колонны, и накапливаются в нем, По истечении времени Ы„, контакт 31 командного реле времени 30 размыкается, а контакт 33 замыкается, Напряжение на выходе операционного усилителя 22 в это время пропорционально механической скорости 1 ь

Полученный результат, как и значение напряжения U, = Ф! регистрируется в прямоугольной системе координат на ленте прибора 25. С замыканием контакта 33 напряжение на выходе усилителя 22 устанавливается на нуль, Напряжение на основном выходе датчика перемещения колонны снижается до нуля, релейный элемент 11 отключается, Его контакты 13, 14 и 15 размыкаются, а контакт 32 замыкается, Напряжение на выходе операционного усилителя 21 в это время пропорционально сопротивляемости горной

Ф, породы разрушению, а! — — —, Полученный

Vi результат, как и значение напряжения

U = — Фь регистрируется на ленте прибора 24. С замыканием контакта 32 напряжение на выходе усилителя 21 устанавли вается на нуль. Первая половина шага системы на этом заканчивается.

С помощью задающего элемента 17 задается новое значение породоразрушающего фактора Ф = Ф + ЛФ. Продолжается приработка породоразрушающего инструмента на забое скважины.

С повторным срабатыванием датчика 10 перемещения колонны заканчивается вторая половина п:рвого шага и начинается второй шаг работы системы. При этом все операции, связанные с измерением Vq, а и Ф повторяются.

К концу первого этапа программы, заканчивающегося измерениями а,„. и У„ прп

Ф (0,8 Ф,„„(где Ф „, = Р„„в), в расположение бурового мастера поступает информация об исследуемых взаимосвязях, представленная в виде двух семейств вертикальных отрезков, верхние концы которых соответствуют значениям зависимостей сопротивляемости горной породы и механической скорости бурения от породоразрушающего фактора. На основании этих графиков легко определяются искомые базовые величины (Ф и V ) и коэффициент параболы п .

Основной задачей второго этапа является получение экспериментальной зависимости U, (t) и определение с ее помощью базовой интенсивности условного изнашивания породоразрушающего инструмента.

Для ее решения с помощью задающего элемента 17 задается породоразрушающий фактор Ф = Ф;, уровень которого в ходе эксперимента поддерживается неизменным с помощью регулятора 19 подачи.

После включения релейного элемента 11 контакт 12 замыкается, а контакт 34 размыкается. На вход операционного интегрирую5 щего усилителя 20 поступает нормированное сдиничное напряжение t Ä, = 1 (/), что соответствует началу первого шага второго этапа программы. Напряжение на выходе операционного усилителя 20 увеличивается по ликейному закону.

С перемещением колонны на заданную величину ЛЙ = ЛЙ, релейный элемент 11 обесточввается. Его контакт 12 размыкается, а контакт 34 замыкается. Напряжение U, на выходе операционного усилителя 20 к этому времени пропорционально относительно площади затупления породоразрушающего инструмента в. Результат измерения фиксируется на ленте прибора 23 и соответствует верхней точке наклонной кривой U, (/). С замыканием контакта 34 напряжение на выходе операционного усилителя 20 устанавлиv,àåòñÿ на нуль.

С повторным включением релейного элемента 11 начинается второй шаг второго этапа программы работы устройства. Цикл измерения показателя в повторяется.

К концу второго этапа программы, включающего 6 — 10 шагов, на ленте регистрирующего прибора 23 вычерчивается пилообразный график U, (t), вершины зубцов которого определяют искомую зависимость в (/), вершины зубцов которого определяют искомую зависимость в (t). С помощью последнего определяются скорость затупления !г,„- = я

Ы и базовая интенсивность условного изнашивания породоразрушающего инструмента Й„„-= к — о

v„,Основпой целью третьего этапа программы Раооты системы является получение экспериментального графика зависимости V(co) при Ф = Ф„, = const, необходимого для определсния наивыгоднейшей скорости вращения породоразрушающего инструмента. Для сс. достижения с помощью задающего элемента 17 задается породоразрушающий фактор Ф = Ф„„, значение которого в последующем поддерживается неизменным Регулятором подачи 19.

Переключатель 27 переводится в положеnHi, показанное пунктиром. Этим самым к измерительному каналу независимой переменной регистрирующего прибора 25 подсоединяется выход тахогенератора с постоянными магнитами 8. С помощью исполнительного элемента 2 задается скорость вращения породоразрушающего инструмента к, Измерение п регистрация механической скорости бурспия Vn соответствующей угловой скорости ьч, осуществляется следующим образом, При срабатывании датчика перемещения колонны включается релейный элемент 11.

Последний своими контактами 15 подключает командное реле времени 30 к блоку пита497404

6 ния 29, а контактами 14 соединяет выход дифференцирующего элемента 16 с входом операционного интегрирующего усилителя 22 и т. д, По. истечении времени Л „,, контролируемого командным реле времени 30, кон-такт 31 размыкается и поступление импульсов напряжения на вход усилителя 22 прекращается и т. д.

С помощью исполнительного элемента 2 задается скорость вращения ю и на первой половине второго шага системы измеряется и регистрируется соответствующая ей механическая скорость бурения Vq.

С окончанием и-го шага третьего этапа

15 программы работы (где и — число ступеней скорости привода ротора) на ленте прибора 25 фиксируются точки, определяющие зависимость 1 (а) при Ф =сопз1. В качестве оптимальной принимается скорость вращения ю; = в,,„,, которой соответствует

= макс, Основной задачей че1вертого этапа работы является нахождение зависимости а., (Q) при Ф = Ф„„и e=io... необходимой для определения наивыгоднейшего расхода промывочной жидкости. Для ее решения с помощью исполнительного элемента 2 устанавливается скорость вращения породоразрушающего инструмента о = 0)un„. Переключатель 26 устанавливается в положение, указанное пунктиром. Этим самым выход датчика расхода промыьочной жидкости подсоединяется к измерительному каналу регистрирующего прибора.

С помощью исполнительного элемента 1 устанавливаются различные значения расхода промывочной жидкости Q (Q, Qq и т. д.) и каждый раз ранее изложенным способом измеряются и регистрируются соответствую4р щие им значения сопротивляемости горной породы разрушению а, К концу этапа на ленте прибора 24 фиксируются точки, характеризующие зависимость а, (Q) при

@=const и oo =- o„.. B качестве оптимального принимается то значение расхода промывочной жидкости Q; = Q,„, которому отвечает а.„„= мип.

На последующем этапе программы работы устройства бурение ведется в оптимальном режиме и задача сводится к контролю однородности проходимых горных пород и времени механического бурения. С достижением времени мехаш ческого бурения t=t„„ или к = к„.„бурение прекращается. С целью

55 контроли Однородности горнон породы ОсУ щсствлястся непрерывная запись показателя

U, (t) па ленте регистрируемого прибора 23.

Каждый излом графика зависимости e(t) и изменение его наклона к оси времени свиде5О тельствует О переходе породоразрушающего инструмента в породу с другими физико-механическими свойствами. При этом по даннь м графикам е (t) сравнительно просто оценивается буримость породы новой формаь5 ции и ее абразивные свойства.

497404

-Предмет изобретения

Составитель Н. Кривко

Техред 3. Тараненко

Корректор О. Тюрина

Редактор Е. Шепелева

Изд. № 1056 Тираж 648 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий

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

Заказ 3592

МОТ, Загорский филиал

Таким образом, предлагаемое устройство

Позволяет методом активного эксперимента получить объективные сведения об условиях бурения и взаимосвязях между зависимыми и независимыми переменными, необходимые для обоснованного выбора параметров отработки породоразрушающего инструмента, при которых доспигается минимальная стоимость 1 м проходки.

Устройство для контроля процесса бу рения, содержащее датчик осевой нагрузки, датчяк скорости вращения породоразрушающего инструмента„выполненный в виде тахогенератора с независвмым возбуждением, датчик ра схода промывочной жидкости, датчик перемещения колонны с релейным элементом, командйое Пеле времени, бперационные интегрирующие усилители, регулятор подачи породор аз руша ющего инструмента, задающий элемент и регистрирующие приборы, отличаюи1ееся тем, что, с целью увеличения объема информации о внешних условиях ведения процесса бурения, упрощения операций по экспериментальному определению связей между зависимыми и независимыми параметрами процесса бурения, датчик перемещения колонны снабжен дополнительным выходом, который через дифференцнрующий элемент, размыкающие контакты командного реле времени и замыкающие контакты ре1S лейного элемента соединен с входам оыерационного интегрирующего усилителя, а выход тахогенератора с независимым возбуждением соединен с задающим элементом и регулятором подачи породоразрушающего инст20 румента.