Система для автоматического управления режимами бурения скважин

 

Союз Советских

Социалистических

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 22.02.74 (21) 1998868/22-03 с присоединением заявки №вЂ” (23) Приоритет— (51) М Кл

E 21 В 45/00

Гооударстеенный комитет

СССР но делам изооретеиий и открытий

Опубликовано 15.04.80. Бюллетень № 14

Дата опубликования описания 25.04.80 (53) УДК 622.241 (088.8) (72) Авторы изобретения

В. Н. Рукавицын, П. А. Гвоздев и Э. П. Кайданов

Московский институт радиотехники, электроники и автоматики (71) 3аявитель (54) СИСТЕМА ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

РЕЖИМАМИ БУРЕНИЯ СКВАЖИН

Изобретение относится к области контроля и управления режимами бурения нефтяных и газовых скважин.

Известны системы автоматического управления режимами бурения, использующие обратную связь по величине энергии, подводимой к долоту (11.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является система автоматического управления режимами бурения, использующая обратную связь по упругим колебаниям бурового инструмента и содержащая датчики измерения осевой нагрузки, частоты вращения, скорости проходки, блок управления, исполнительные механизмы; блок измерения упругих колебаний и анализатор спектра (2).

Однако в этой системе не предусмотрено согласование частотных составляющих волнового сопротивления бурильной колонны и частотных составляющих волнового сопротивления горных пород, что значительно снижает эффективность процесса разрушения разбуриваемых горных пород и увеличивает степень износа долота.

Целью изобретения является обеспечение оптимизации процесса бурения путем согласования волновых сопротивлений бурильной колонны и горных йород под долотом.

Цель достигается тем, что предлагаемая система автоматического управления режимами бурения скважин снабжена коррелятором, детектором, временным селектором, блоком деления, блоком коррекции износа и функциональным преобразователем, причем к выходам датчика измерения осевой нагрузки и блока измерения упругих колебаний через анализатор спектра подключены

10 коррелятор и детектор, выход которого непосредственно, а выход коррелятора через временной селектор подключены к блоку деления, выход которого соединен с функциональным преобразователем, подсоединенным

15 к блоку управления, к одному из входов которого подключен блок коррекции износа, соединенный с выходами датчиков измерения осевой нагрузки, частоты вращения и детектора.

На чертеже представлена блок-схема системы автоматического управления режимами бурения скважин.

Схема содержит объект контроля и управления — буровую скважину 1, трехкомпонентные датчики 2 и 3 упругих колеба72784

2S

3О

3 ний (например, сейсмоприемники, находяшиеся в верхней части бурильной колонны 4 вблизи устья — на дневной поверхности), усилители 5 и 6 сигналов, датчики 7 осевой нагрузки на долоте, регулятор 8 подачи бурового инструмента и частоты вращения долота, блоки 9 — 12 фильтрации анализатора спектра, датчик 13 частоты вращения долота, исполнительные механизмы 14 регулятора подачи и частоты вращения, коррелятор 15, детектор 16, блок 17 управления, временной селектор 18, блок 19 питания, блок 20 коррекции износа долота, блок 21 деления, преобразователь 22 аналог-код, ана- -логовый регистратор 23, функциональный преобразователь 24, блок 25 синхрбнизации.

Система работает следующим образом.

Сигналы U, упругого доля, возникающего при работе долота и забойного бурового инструмента в забое буровой скважины 1, после передачи по беспроводному каналу связи (по колонне бурильных труб, в околоскважинном пространстве и по столбу промывочной жидкости) принимаются датчиками 2 и 3 упругих колебаний, преобразующими их в электрические колебания U2 и

U3 (два датчика и два приемно-усилитель— ных канала показаны условно, так как число датчиков упругих колебаний может быть неограниченным и они могут быть расйоложены в нижней части бурильной колонны на забое, вверху бурильной колонны на устье скважины и в буровом растворе, вокруг устья скважины на дневной поверхности по заранее выбранной системе, на вертлюге, на «мертвомм» конце талевого каната и т.д.) ..

"- - В случае установки датчиков в нижней части бурильной колонны могут быть использованы как модуляционные способы передачи сигналов на поверхности при помощи импульсов давления, возбуждаемых в промывочном растворе, так и акустический— через бурильную колонну с использованием продольных и поперечных волн в качестве несущего сигнала.

После предварительного усиления в блоках 5 и 6 и фильтрации в блоках 9 — 12 ана,lè3àToðà спектра, где блоки 9 и 10 являются широкополосными, а блоки 11 и 12— узкополосными, где осушествляется фильтрация сигналов с выходов датчиков 2,3 и 7 в заданной полосе частот, когда область низких частот характеризует динамический режим бурильной колонны и частоту врашейия долота, а область высокочастотных колебаний, соответствующая произведению частоты вращения на число режуших элементов долота, характеризует степень буримости горных пород и степень износа долота.

Отфильтрованные сигналы поступают одновременно на входы многоканального коррелятора 15, где осуществляется измерение значений функций автокорреляции

К (z), R33 (w) и взаимной корреляции

R () сигналов, принятых датчиками 2,3

46

4S

SO

1

4 и 7 на вход блока 16 детектирования, в котором осуществляется оценка энергии сигналов в различных полосах частот при помощи узкополосных фильтров А (А > ), где

Л< = ЯдЛ1 — полоса фильтрации.

Сигналы с выхода коррелятора 15 через временной селектор 18, в котором осуществляется регулирование временной задержки т положения максимум сигналов корреляции, необходимое для разделения упругих колебаний, возникающих при разбуривании горных пород и упругих колебаний, отраженных от горных пород, находящихся ниже забоя буровой скважины, поступают на один из входов блока 21 деления, выполненного в виде сумматора с предварительным взвешиванием, на другой вход которого подаются сигналы с выхода блока 16 детектирования.

В блоке 21, осуществляющем суммирование со взвешиванием, происходит Опера .ия деления максимум сигна70B с выхода блока 16 детектирбвания и измерение значений коэффициента )3p буримости горных пород, сооТв.-тствуюших величинам волнового сопротив.icныя Гор" ых пород, и изlhcpc 1ш полно. вого сопротивления 3< бурильной колонны.

2 Ъ 213, m

Л сов и Л а„— верхний и нижний диапазоны фильтрации упру, пх колебаний и колебаний О.<вой нагрузки на долото.

Одновременно с блоком 21 деления св;-:,зан блок 20 коррекции износа долота, представляющий собой усилитель-формирователь, управляемый сигналами с выходов блоков

16 и 21, где степень износа долота определяется по формуле.

A(ы)

К3 ию+К-,), где К3 — коэффипиент пропорциональности при соответствующих значениях осевой нагрузки Р 2 на долотo и частоты п вращения до.тота, поступаюших с выходов датчиков 7 и 3.

С выхода блока 21 сигналы значений ф „(я) поступают в функциональный преобразователь 24, преобразующий сигналы значений Д„„(ь ) в соответствуюшие значения осевой нагрузки на долото и частоты вращения, необходимые для достижения . требуемой максимальной скорости проходки скважины при минимуме износа долота.

Функциональный преобразователь 24 выполнен по схеме управляемого усилителяформирователя и служит для программного

C задания сигналов, пропорциональных оптимальным значениям частотных составляющих осевой нагрузки P»z на долото, соотвествуюшим наименьшим значениям разности волновых сопротивлений Л (Л >) и ф,(Л, ) и частоты пз,„врашения для измеренных значений /3„(Л ), (3„(Л ч) и выпол727841 няет усЛ.>вие приближения к равенству

Д„(Лоз) = /1„(Л ) в каждый момент измерения, при котором обеспечивается наибольший эффект разрушения разбуриваемой горной породы.

Сигналы с выхода функционального преобразователя 24 поступают на вход блока

17 управления, связанного с исполнительными механизмами 14, где сравниваются с сигналами с выхода датчика 7 нагрузки и с выхода датчика 13 соответственно пропорциональными измеряемым значениям нагрузки на долото и измеряемым значениям с выдачей управляющих сигналов.

Л Р = Ризм-Рзщ, Ь« = пизн - пзлд

Выходные сигналы Ьр Ьп с выхода блока 17 управляют через исполнительные механизмы 14 регулятором 8 подачи бурового инструмента и частоты вращения.

Нагрузка на долото и частота вращения ограничены безопасными экстремальными значениями и диапазоном изменения задаваемых значений.

Одновременно система измеряет пространственное положение ствола скважины в процессе бурения по величинам максимумов (или отношения максимумов) сигналов взаимной и автокорреляции и разности моментов вступления функций взаимной корреляции г (c v ïðóãèõ колебаний, принятых датчиками упругих колебаний, установленными на дневной поверхности вокруг устья скважины tto заранее принятой системе наблюдения. Сигналы с выходов блоков 7,13, 20 и 24 поступают на вход многоканального аналогового регистратора 23, где регистрируются амплитуды и ведущие частоты упругих колебаний А (Л ы), параметры функций взаимной и автокорреляции

R (z), такие как коэффициент и интервал корреляции, коэфициент когерентности, параметры Я„, P„âoëíîâûõ сопротивлений горных пород и бурильной колонны степени износа 5 бурового инструмента, нагрузки

P на долото, скорости п вращения и скорости V проходки в аналоговой форме.

Лентопротяжный механизм регистратора

23 синхронизирован с процессом разбуривания скважины, и регистрация этих параметров производится одновременно в виде непрерывных кривых в функции глубины скважины и времени бурения. Привязка к глубине бурящейся скважины регистратора

23 осуществляется импульсами с датчика глубин, преобразуемыми в двоичный код магнитного регистратора (на чертеже блок магнитного регистратора не показан).

Аналоговые сигналы с выхода блока 23 поступают на вход аналого-цифрового преобразователя напряжения в код преобразователя 22. Получаемые на выходе преобразователя 22 сигналы регистрируемых параметров в параллельном двоичном коде подаго

З5

Формула изобретения

4 Система для автоматического управления режимами бурения скважин, содержащая датчики измерения осевой на грузки, частоты вращения и скорости проходки, блок управления, исполнительные механизмы, блок измерения упругих колебаний и at-али45 затор спектра, отличающаяся тем, что с целью обеспечения оптимизации процесса бурения путем согласования волновых сопротивлений бурильной колонны и горных пород под долотом, она снабжена коррелятором, временным селектором, блоком деления, блоком коррекции износа и функциональным преобразователем, причем к выходам датчика измерения осевой нагрузки и блока измерения упругих колебаний через анализатор спектра подключены коррелятор и детектор, выход которого непосредственно, а выход коррелятора через временной селектор подключены к блоку деления, выход которого соединен с функциональным

5 о

15 ются на вход магнитного регистратора для дальнейшего в случае необходимости уточнения литологического расчленения исследуемого разреза скважины и прогнозирования режимов бурения.

Для этого в магнитном регистраторе хранится программа литологического расчленения разреза скважины по данным А, R, 3, P, V и корректировки режимов бурения скважины на последующие добавления. С выхода программного устройства результаты литологического расчленения разреза в процессе бурения подаются на графопостроитель, строящий литологический разрез разбуриваемых и находящихся ниже забоя пластов с одновременным построением пространственного положения ствола скважины.

Глубина исследования пластов, находящихся ниже забоя, регулируется выбором ведущей частоты фильтров в блоках 9 в 12.

Вся измерительно-информационная часть системы выполняется на интегральных микросхемах и устанавливается непосредственно на буровой скважине или возле буровой в специальном стенде или прицепе. Не исключается и возможность дистанционного управления.

Важным преимуществом предлагаемой ситемы является отсутствие проводной линии связи для передачи информации на дневную поверхность и высокие возможности оптимизации процесса бурения за счет автоматического поддержания условий согласования частотных составляющих волновых сопротивлений бурильной колонны и горных пород, находящихся ниже забоя буровой скважины.

72784 I

Составитель Н. Чижи кова

Техред К. Шуфрич Корректор М. Шароши

Тираж 626 Л одиисиое

Редактор Л. Батанова

Заказ 1699 34

ЦНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений н открытий

113035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушсная наб., д. 4/5

Филиал П П П «Патент», г. Ужгород, ул. Проектная, 4 преобразователем, подсоединенным к блоку управления, к одному из входов которого подключен блок коррекции износа, соединенныи с выкодамн датчиков измерения осевой нагрузки, частоты вращения и детектора.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Патент США № 337823, кл. 173 — 6, опублик. 19б8.

2., Патент Франции № 2033351, кл. G О1 N 3/00, опублик. 1969.