Устройство для измерения механической скорости бурения

 

е 863843

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTÎРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советскин

Социапистичесиик

Респубпии (8 l ) Дополнительное к авт. свид-ву (22)Завалено 12.11. 79 (21) 2839174/22-03 с присоединением заявки М (28) Приоритет

Опубликовано 15.09.81,бюллетень М 34

Дата опубликования описания 17.09.81 (51)M. Кл.

Е 21 В 45/00

1ЪаударотваннмИ комитет

СБСЕ

IlD делам наобретений и втнрытн11 (53) УДК 622.24. .082(088.8) (22) Авторы изобретения

Б. Г. Соколов, Г. М. Кузнецов, И. И. Рабин и Л. А. Афонин

Грозненское научно-производственное объединение

"Промавтоматика". (71) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКОЙ СКО

Изобретение относится к контролю и измерению параметров процесса бурения на буровых установках разведочного и эксплуатационного бурения.

Известно устройство для измерения механической скорости бурения, содержащее датчик подачи, два регистра подачи, регистр выходного блока, блок управления, логические вентили, вход первого регистра подачи через логический вентиль, коммутируемый блоком уп10 равления, подключен к датчику подачи, а выход соединен со входом регистра выходного блока )l ) и $2).

Недостатком этого устройства явля15 ется независимость величины интервала усреднения от значения текущей механической скорости. В связи с этим для получения заданной минимальной статической ошибки во всем диапазоне измерения необходимо интервал измерения выбирать для наименьшей скорости. Если измерять механическую скорость бурения порядка 0,5 м/ч, то интервал измерения должен бьшь 40 мин. Динамическая ошибка, вызванная таким большим интервалом измерения (усреднения). может намного превзойти статическую. так как механическая скорость бурения является быстроизменяющейся функцией времени, а динамическая ошибка пропорциональна скорости изменения измеряемого параметра.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для измерения механической скорости бурения, содержащее датчик проходки, счетчик импульсов подачи, счетчик времени усреднения, задатчик времени, триггер окончания измерения, логические вентили, блок деления, регистр результата, ин" дикатор, схему совпадения, к одному входу которой подключен счетчик времени усреднения, а к другому через .дешифратор и блок управления дешифра- тором — регистр результата, причем выход схемы совпадения кодов включен на вход триггера (3), 863843

Недостатком данного устройства является то, что интервал измерения механической скорости бурения определяется по предшествующему значению механической скорости бурения. В результате могут возникать ситуации, при которых будет или переполнение счетчика проходки, или заниженный интервал времени. Все это приведет к значительной погрешности измерения 1о

Учитывая, что механическая скорость бурения является быстроизменяющейся функцией времени, такие ситуации могут возникать довольно часто. Другим недоСтатком известного устройства

1является сложность реализации из-за наличия блока управления дешифратором, дешифратора, блока деления. Следующим недостатком известного устройства является малая частота отсчетов результатов измерения. Хотя она изменяется в зависимости от скорости, однако каждый интервал времени должен обеспечить минимальную погрешность измерения, т.е. должно быть достигнуто соответст- ZS вующее соотношение между динамической и статической ошибками. В известном устройстве необходимая статическая ошибка достигается установлением допустимого минимального интервала измерения для максимальной механической скорости. Таким образом, статистическая обработка результата измерения производится методом усреднения, т.е. за счет увеличения интервала измерения.

Целью изобретения является увеличение частоты отсчетов и уменьшение погрешности измерения.

Поставленная цель достигается тем, 40 что устройство, содержащее датчик проходки, .соединенный через первую схему И со счетным входом счетчика импульсов проходки, второй вход первой схемы И подключен к выходу триггера окончания измерения и первому входу второй схемы И, регистр результата,задатчик времени, схему совпадения, четыре схемы И, генератор, дополнительно содержит блок масштабирования, три схемы ИЛИ, триггер переполнения, формирователь импульсов, триггер запуска, триггер управления, регистр коэффициента сглаживания, буферный регистр результата, коммутатор, счетчик коэффициента сглажива- Ы ния, элемент задержки, триггер знака, логарифмический счетчик времени, сумматор, компаратор, сумматор коэффициента сглаживания, буферный регистр коэффициента сглаживания, вторую схему совпадения, вспомогательный регистр. причем все выходы счетчика импульсов проходки подключены к информационным входам блока масштабирования, два старших разряда счетчика импульсов проходки подключены к первой схеме ИЛИ, а старший разряд счетчика импульсов проходки подключен к счетному входу триггера переполнения, выход которого соединен с третьим входом первой схемы ИЛИ, причем выход первой схемы ИЛИ соединен с первым входом третьей схемы И, а выход последней соединен с первым входом второй схемы ИЛИ, выход которой соединен с входом установки нуля триггера окончан.л измерения, выхоц которого соединен через формирователь импульсов с входами установки единицы триггеров запуска и управления, с входами записи регистра коэффициента сглаживания и буферным регистром результата, с управляющим входом коммутатора, с входом установки нуля счетчика коэффициента сглаживания, с входом элемента задержки, выход которого соединен с входом установки единицы триггера окончания измерения, с входом записи информации триггера знака, с входами установки нуля триггера переполнения, счетчика импульсов проходки, логарифмического счетчика времени, выход старшего разряда которого соединен со вторым входом второй схемы ИЛИ, а оставшиеся выходы соединены через третью схему ИЛИ со вторым входом третьей схемы И, выходы логарифмического счетчика времени соединены с управляющим входом блока масштабирования, выход которого соединен с первым входом коммутатора и первым входом компаратора, выход которого соединен с информационным входом триггера знака, информационный вход и выход которого соединены с входами первой схемы совпадения, выход которой соединен с входами первого слагаемого сумматора коэффициента сглаживания за исключением младшего разряда, который соединен с источником логической единицы, а вход второго слагаемого соединен с выходом буферного регистра коэффициента сглаживания, информационный вход которого соединен с выходом регистра коэффициента сглаживания, и-вход которого соединен с (п +I)-выходом сумматора коэффициента сглаживания, а

863843 выход регистра коэффициента сглаживания соединен с первым входом второй схемы совпадения, выход которой соединен с входом записи буферного регистра коэффициента сглаживания и с входом установки нуля триггера запуска, выход котооого соединен с первым входом четвертой схемы И, выход которой соединен с счетным входом триггера управления, импульсный прямой выход ко- to торого соединен с входом записи вспомогательного регистра, выход которого соединен с входом первого слагаемого сумматора, (n + 1) — выходы которого соединены с и-входами регистра резуль-15 тата, выход которого соединен со вторым входом коммутатора, со вторым входом компаратора и с информационным входом буферного регистра результата, выход которого соединен с входом вто- р0 рого слагаемого сумматора, выход коммутатора соединен с информационным входом вспомогательного регистра, вход записи регистра результата со единен с импульсным инверсным выходом 35 триггера управления и с счетным входом счетчика коэффициента сглаживания, выход которого соединен со вторым входом второй схемы совпадения, генератор опорной частоты соединен со вто- 30 рым входом четвертой схемы И и через задатчик времени соединен со вторым входом второй схемы И, выход которой соединен со счетным входом логарифмического счетчика времени. 35,на одном из двух или одновременно ,старших разрядах появляются сигналы

На чертеже изображена структурная схема предлагаемого устройства.

Устройство для измерения механической скорости бурения содержит датчик 1 проходки, схемы И 2-5, счетчик 6 импульсов проходки, триггер 7 окончания измерения, регистр 8 результата, задатчик 9 времени, схемы 10, 45

11 совпадения, генератор 12, блок 13 масштабирования схемы ИЛИ 14-16, триггер 1? переполнения, формирователь 18 импульсов, триггер 19 запуска, триггер 20 управления с импульсными пря50 мым и инверсным выходами, регистр 21 коэффициента сглаживания, буферный регистр 22 результата, коммутатор 23, счетчик 24 коэффициента сглаживания, элемент, 25 задержки, триггер 26 знака, логарифмический счетчик 27 времени, сумматор 28, компаратор 29, сумматор 30 коэффициента сглаживания, буферный регистр 31 коэффициента б сглаживания, вспомогательный рет гистр 32.

Генератор 12 является источником тактового питания для устройства и одновременно опорным генератором для формирования интервала измерения. Величина минимального интервала измерения задается с помощью задатчика 9 времени, в качестве которого возможно использовать управляемый делитель частоты.

Логарифмический счетчик 27 времени производит подсчет импульсов, поступающих через элемент И 3 с задатчика времени и на выходе его формируется цифровой код, численно равный логарифму числа импульсов поступивших на его вход. Наиболее просто реализовать такой счетчик с логарифмированием по основанию. При этом значительно упрощается реализация блока 13 масштабирования, который представляет собой регистр сдвига в стоРону младших разрядов. Число сдвигов зависит от характеристики двоичного логарифма числа импульсов, поступивших на счетчик 27.

Схема ИЛИ 16 имеет импульсные входы, т,е. реагирует на изменение выходкого кода счетчика 27.

Устройство работает следующим образом.

Перед началом работы счетчик 6 импульсов проходки, логарифмический счетчик 27 времени, триггер !7 пере" полнения, триггер 19 .запуска, счетчик 24 коэффициента сглаживания, уста" навливаются в нулевое состояние. Задатчик 9 времени устанавливается в такое состояние, при котором с его входа поступает частота, равная

f

4 где 5, t — минимальньИ интервал измерения.

Триггер 7 окончания измерения находится в единичном состоянии.

При этом на вход счетчика 6 импульсов проходки поступают импульсы через схему И 2 с датчика 1 проходки.

Одновременно с задатчика 9 времени поступают импульсы с частотой f через схему И 3 на вход логарифмическо-. го счетчика 27 времени, Когда счетчик импульсов заполняется более чем на одну четвертую своего объема, т.е.

С выхода компаратора 29 поступает сигнал, значение которого зависит от знака разницы между значением, по45 ступившим с блока 13 масштабирования

m;, и предшествующим значением механической скорости Ч, 4с регистра 8 ре-, зультата. Допустим, что на выходе компаратора формируется сигнал Р

4 который равен

Pj = О, если и), Ч

Р! = 1, если 1п„<Ч„4.

Схемой 10 совпадения сравнивается знак текущей разницы с предшествующей Р, которая хранится триггером 26 .ф 4 знака. При разных знаках схемой 10 совпадения устанавливаются на всех разрядах первого входа сумматора 30

7 86384 логической единицы, триггер 7 окончания измерения переключается в нулевое положение, если на одном из выходов логарифмического счетчика 27 происхо" дит переход из состояния логического нуля в единичное, т.е. в момент изменения выходного сигнала логарифмического счетчика 27 времени. Это происходит потому, что выход логарифмического счетчика 27 соединен с импульс- t0 ным входом схемы ИЛИ 16, которая, в свою очередь, через схему И 4, схему ИЛИ 15 — с входом установки нуля триггера 7 окончания измерения. В зависимости от числа импульсов, посту- 15 пивших на логарифмический счетчик 27 времени, на его выходе образуется двоичный код, численно равный характеристике двоичного логарифма

r 1Оц2Мт

20 где N — число ймйульсов поступивших

Т

Э на вход логарифмического счетчика 27.

Информация, поступившая с счетчика 6 импульсов проходки на блок 13 масштабирования преобразовывается им °

Преобразование заключается в сдвиге содержимого счетчика 6 импульсов проходки на r разрядов вправо, что равносильно делению числа импульсов проход-Ю

I: ки Nq на 2 . Таким образом, на выходе блока масштабирования получим значение мгновенной сКорости

m. = -ф.

И

2" 35

При установке триггера, 7 окончания измерения в нулевое состояние происхо дит блокировка поступления импульсов с датчика I проходки и эадатчика времени эа счет подачи логических нулей,40 на входы схемы И 2, 3.

3 8 коэффициента сглаживания логические единицы. При одинаковых знаках лс гическая единица присутствует только на входе первого разряда первого вхо-. да сумматора. На выходе сумматора коэффициента сглаживания 30 имеет значение, которое со сдвигом на один разряд вправо заносится в регистр 21 коэффициента сглаживания. Таким образом, в регистре 21 имеет значение текущего коэффициента сглаживания, значение которого равно

1+1

К„= ", если(Р„ 1P1 P1-q Р1 > -Ог

К +К-, К = - - 1 если(Р P- Р- Р )=

2 1 1 1 где К *, К. — текущее и предшествую1 -4 щее значение коэффициента сглаживания, К вЂ” максимальное значение коэффициента сглаживания, МЧХ которое в общем случае может быть любым более единицы.

Практически, в целях упрощения реализации значение коэффициента равно К = 2" - 1. ЪМ331 где и — число разрядов первого слагаемого сумматора 30 коэффициента сглаживания.

Занесение результата в регистр 21 коэффициента сглаживания происходит сигналом, поступающим с формирователя 18 импульсов, запуск которого осуществляется переключением триггера 7 окончания измерения в нулевое состояние.

Импульсом с формирователя импульсов устанавливаются триггер !9 запуска и триггер управления в единичное состояние, в буферный регистр 22 результата заносится предшествующее . значение механической скорости V c регистра 8 результата.

При наличии импульсного сигнала на управляющем входе коммутатора 23 на его выход проходит информация с блока 13 масштабирования и записывается в вспомогательный регистр 32 сигналом, поступающим с импульсного выхода триггера 20 управления.

С задержкой времени, определяемой элементом 25 задержки, импульсный сигнал с формирователя 18 импульсов производит занесение текущей разницы

Р ° m " V .в триггер 26 знака, сбра—

4 1 а4 сывает в нуль счетчик 6 импульсов проходки и логарифмический счетчик 27

9 86 и возвращает триггер 7 окончания измерения в единичное состояние, тем самым открываются логические элементы 2 и 3.

Одновременно сигналом с триггера 19 запуска, открывается схема И 5 и через нее на счетный вход триггера 19 запуска поступают импульсы с генератора 12. Первым импульсом триггер 20 управления переходит в нулевое t состояния и импульсным сигналом с его инверсного выхода в счетчик коэффициента сглаживания записывается пер вый импульс .а в регистр 8 результата - значение, численно равное полусумме значений мгновенной скорости

m и предшествующей механической ско4 рости V. т.е. в„ + Ч ((g)K j

2 го

При отсутствии сигнала с формирователя 18 импульсов через коммутатор 23 на вход вспомогательного регистра 32 поступает информация с выхода регистра 8 результата, который записывается во вспомогательный регистр 32, когда триггер 20 управления устанавливается в единичное состояние. Переключение триггера .20

- управления в единичное состояние осу- 30 ществляется каждым четвертым импуль.сом, поступающим через схему И 5 с генератора 12. При следующем импульсе, поступившем на вход триггера 20 управления, происходит запнсь второ- 35 го импульса в счетчик 24 коэффициента сглаживания, а в регистр 8 ре, зультата записывается число и Ч + Ч

2 40 или с учетом пеового цикла

3843 10 сов с генератора 12 на "счетный вход триггера 20 управления. Этим же сигналом производится перезапись информации из регистра 21 коэффициента сглаживания в буферный регистр 31 козффжциента сглаживания. При наличии сигнала 1К, поступакицего со схемы 11 совпадения, с выхода регистра 8 резуль тата считывается значение механичес0 кой скорости бурения Ч, определяемое

4 соотношением

l5 которое является оператором экспоненциального сглаживания при параметре сглаживания

45 аналогично можно показать, что на третьем цикле сигнал на выходе регистра 8 результата станет равным

1„+ - < Ч

При совпадении числа циклов, подсчитанное счетчиком 24 коэффициента сглаживания, с числом К, поступакщим с регистра 21 коэффициейта сглажива 55 ния, со схемы 11 совпадения поступает сигнал, устанавливающий триггер 19 запуска в нулевое состояние и тем самым прекращающий поступление импуль"1=," «„„=Я}в„+(-(L) )». и описывается в общем случае рекурентным соотношением ч ч„- =d.ì; + у-ач„.»„.

Таким образом, измерение механической скорости бурения происходит в два этапа. На первом этапе определяется интервал времени измерения, кратный величине дй ° 2, в течение которого в счетчик 6 импульсов прохбдки проходит заданное минимальное число импульсов. Это число определяется из допустимого интервала усреднения по проходке с учетом дальнейшей цифровой обработки сигнала. Этот интервал ,может соответствовать числу импуль" сов, когда появляется логическая единица в старшем разряде счетчика импульсов. проходки, т.е.

2 -4 в где n — число разрядов счетчика 6 им" пульсов проходки.

Однако в этом случае возможно переполнение счетчика 6 импульсов проходки. С целью уменьшения вероятности переполнения счетчика 6 импульсов проходки фиксировать интервал проходки следует не по одному старшему разряду, а по двум. В результате диапаИ-4 зон расширяется с й= 2 — 1 до b

= 3 ° 2 — 1, т.е. более чем в 1,5 раза. Если переполнение произойдет,то триггер 17 переполнения переключится в единичное состояние и дальше работа устройства происходит аналогично описанной.

СоединЕние старшего разряда логарифмического счетчика 27 времени через схему ИЛИ 15 позволяет переклю-.

863843

30 чить триггер 7 окончания измерения в нулевое состояние независимо от содержимого счетчика 6 импульсов проходки. Интервал измерения при появлении единицы в старшем разряде логарифмического счетчика 27 времени соответствует контролю и измерению ми.нимальной механической скорости буре ния с учетом всех предшествующих измерений. Это осуществляется путем ( суммирования текущего мгновенного значения скорости и предшествующего сглаженного Ч. Причем каждое слагаемое ! имеет свои весовые коэффициенты Д.и (1-2). Чем меньше А или больше коэффициент сглаживания К, тем большее влияние на результат оказывает предшествующее сглаженное значение, что эквивалентно большему числу усреднен-. ной или большему интервалу измерения.

Однако большое преимущество здесь в том, что результат измерения получается не через несколько точек отсчета или большой интервал време|.и, а в каждой точке отсчета.

Во время бурения возможно изменение буримости пород, а это приводит к изменению среднего значения механической скорости бурения. Для того, чтобы исключить запаздывание и связанное с ним появление ошибок в результате сглаживания, необходимо корректировать коэффициент сглаживания.

Корректировка пооизводится путем анализа сигналов Р„ и Р

1 -1 это говорит о стационавности процесса и коэФфициент сглаживания принимает максимальное значение, который обес" печивает минимум дисперсии выходного сигнала. В противном случае коэффициент сглаживания должен быть минимальным, что позволяет уменьшить динамическую ошибку за счет устранения запаздывания. Учитывая случайный характер изменения мгновенного значения механической скорости бурения m и 50

его среднего значения коэффициент сглаживания К„ берется как среднее значение между предшествующим коэффициентом сглаживания К„ „и значением минимального или максимального коэф- 55 фициента сглаживания. Тем самым обеспечивается минимум ошибки измерения эа счет автоматического установления соответствующего соотношения между статической и динамической ошибками.

Таким образом, введение новых элементов позволило создать устройство с более высокой частотой отсчетов и уменьшить погрешность измерения. В связи с тем, что механическая скорость бурения является важнейшим информативным параметром, требование к частоте отсчетов является основополагающим, особенно при оперативном . управлении процессом бурения, при распознавании предаварийных ситуаций.

Экономический эффект от внедрения предлагаемого устройства достигается за счет увеличения рейсовой скорости бурения, а следовательно, стоимости метра проходки и предотвращения аварийных ситуаций, обусловленных точными замерами механической скорости °

Формула изобретения !

Устройство для измерения механической скорости бурения, содержащее датчик проходки, соединенный через первую схему И со счетным входом счетчика импульсов проходки, второй вход первой схемы И подключен к выходу триггера окончания измерения и первому входу второй схемы И, регистр результата, задатчик времени, схему совпадения, четыре схемы "И!, генератор, отличающееся тем, что, с целью уменьшения погрешности точности измерения, оно дополнительно содержит блок масштабирования, три схема ИЛИ, триггер переполнения, формирователь импульсов, триггер запуска, триггер управления, регистр коэффициента сглаживания, буферный регистр результата, коммутатор, счетчик коэффициента сглаживания, элемент задержки, триггер знака, логарифмический счетчик времени, сумматор, компаратор, сумматор коэффициента сглаживания, буферный регистр коэффициента сглаживания, вторую схему совпадения, вспомогательный регистр, пои этом выходы счетчика импульсов проходки подключены к информационным входам блока масштабирования, два старших разряда счетчика импульсов проходки подключены к первой схеме ИЛИ, а старший разряд счетчика импульсов проходки подключен к счетному входу триггера переполнения, выход которого соединен с .третьим входом первой схемы ИЛИ, 863843

14 причем выход первой схемы ИЛИ соединен с первым входом третьей схемы И, а выход последней соединен с первым входом второй схемы ИЛИ, выход которой соединен с входом установки нуля триггера окончания измерения, а выход триггера окончания измерения соединен через формирователь импульсов с входами установки единицы триггеров запуска и управления, .с входами записи регистра коэффициента. сглаживания и буферным регистром результата, с управляющим входом коммутатора, с входом установки нуля счетчика коэффициента сглаживания, с входом элемента задержки, выход которого соединен с входом установки единицы триггера окончания измерения, с входом записи информации триггера знака, с входами установки нуля триггера переполнения, счетчика импульсов проходки, логарифмического счетчика времени, выход старшего разряда которого соединен со вторым входом второй схемы ИЛИ, а оставшиеся выходы соединены через третью схему ИЛИ со вторым входом третьей схемы И, выходы логариф мического счетчика времени соединены с управляющим входом блока масштаби— рования, выход которого соединен с первым входом коммутатора и первым входом компаратора, при этом выход последнего соединен с информационным входом триггера знака, информационный вход и выход которого соединены с входами первой схемы совпадения, выход которой соединен с входами первого слагаемого сумматора коэффициента сглаживания за исключением младшего разряда, который соединен с источником логической единицы, а вход второго слагаемого соединен с выходом бу" ферного регистра коэффициента сглаживания, информационный вход которого соединен с выходом регистра коэффициента сглаживания, причем и — вход регистра коэффициента сглаживания соединен с (п+1)-выходом. сумматора коэффициента сглаживания, а выход регистра коэффициента сглаживания соединен с перв .м входом второй схемы совпадения, выход которой соединен с входом записи буферного регистра коэффициента сглаживания и с входом установки нуля триггера запуска, выход которого соединен с первым входом четвертой схемы И, выход которой со 0 единен со счетным входом триггера управления, импульсный прямой выход которого соединен с входом записи вспомогательного регистра, при этом выход вспомогательного регистра соединен с входом первого слагаемого сумматора, (и+1)-выходы которого соединены с и-входами регистра результата, а выход последнего соединен со вторым входом коммутатора, со вторыми входом компаратора и с информационным входом буферного регистра результата, выход которого соединен с входом второго слагаемого сумматора, а выход коммутатора соединен с инф6рмационным входом вспомогательного регистра, вход записи регис-.ра результата соединен с импульсным инверсным выходом триггера управления и со счетным входом счетчика коэффициента сглаживания, выход которого соединен со вторым входом ,.второй схемы совпадения, причем гене-. ратор опорной частоты соединен со вторым входом четвертой схемы И и через задатчик времени соединен со вто" рым входом второй схемы И, выход ко35 торой соединен со счетным входом логарифмического счетчика времени.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

Ф 471422, кл. Е 21 В 44/00, 1973.

2. Автоматизация технологических процессов. Труды ВНИИКАНЕФТЕГАЗ.

Вып. 11!. И., "Недра", 1971.

4> . 3. Авторское свидетельство .СССР

))- 47)423, кл. Е 21 В 44/00, )973 (прототип).

863843 составитель Г. Данилова

Редактор С. Тимохина Техреду Г.Маточка Корректор Е. Репко

Заказ 7731/50 Тираж 630 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

1)3035 Москва Ж-35 Разыская иаб. g. 4/5

Филиал ППП "Патент", r Ужгород, ул. Проектная, 4