Многоканальный автономный прибор для исследования скважин в процессе бурения

 

(il>9

ОП ИСАНИЕ

Союз Советских

Соцмалкстмческки

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свил-ву (22) Заявлено 11.03.81 {21) 3261376/22 — 03 (51}М. К.п.

Е 21 В 47/00 с присоединением заявки ря

Воударстеснный комитет (28) Приоритет оо делам нзобретеннй н открытий

ОпУбликовано. 23.12 82. Бюллетень лв 47 (53) УДК 550.839. .622.241 (088.8) Дата опубликования описания 23.12.82

И. К. Саркисов, Е. Г. Абаринов и В. И. Мивакян

Всесоюзный научно — исследовательский институт буровой техники, у

Всесоюзный научно — исследовательский ннститу геофизических, . / методов разведки и Гомельский филиал Белорусекого .ордена

Трудового Красного Знамени политехнического института" -.- ... (72) Авторы изобретения (7I) Заявители (54) МНОГОКАНАЛЬНЫЙ АВТОНОМНЫЙ ПРИБОР ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ

СКВАЖИН В ПРОЦЕССЕ БУРЕНИЯ

Изобретение относится к. буровой технике, в частности к устройствам для измерения и регистрации забойных параметров в процессе бурения скважнн,и предназначен для одновременного измерения н регистрации забойных технологических и геофизических параметров в процессе бурения скважин с целью получения. данных, необходимых для оптимизации бурового процесса, Известен автономный прибор, предназначенный для регистрации частоты вращения долота, содержащий корпус, датчик оборотов, измерительную аппаратуру и регистратор, на носителе записи (стальная проволока) которого регистрируются текущие значения оборотов вала турбобура (11:

Недостатком указанного автономного при бора является то, что он предназначен для из. мерения только одного параметра — частоты вращения вала турбобура. Вследствие этого полученные в процессе бурения данные недостаточны для оценки проходимых долотом гор етых пород.

Другой из известных автономных приборов ,предназначен для измерения и регистрации осевой нагрузки на долото, крутящего и изгиба. ющего моментов, вибраций бурильного инструмента, а также давлений в эатрубном и внутритрубном пространстве. Прибор содержит измерительную аппаратуру и магнитный регистратор. Объем памяти прибора равен 9 мнн.

Прибор разработан для исследовательских то целей и не может использоваться в промыш- . ленных маспггабах для получения даннных за время полного рейса долота (2) .

Известен также автономный прибор для

15 геофизических исследований скважин в процес :е бурения типа АПК вЂ” 1, который предназначен для геофизических исследований скважин, рассчитан на последовательную регистрацию

20 дискретных значений двух параметров кажутце; гося удельного сопротивления горных пород (3) .

Недостатками этого прибора являются огра.ниченный геофизический комплекс, а также. 9832б1

30 то, что в нем не предусмотрена регистрация технологических параметров бурения.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является многоканальный автономный прибор для каротажа скважин в процессе бурения, содержащий трубу — зонд с токовыми и измерительными электродами, генерагор зондирующего тока, измерительные каналы, действующие на компенсационном принципе, состоящие из последовательно — вклю- 10 ченных трансформатора, усилителя, триггера

1пмитта, схемы сравнения, релейной схемы, выход которой соединен с соответствующей обмоткой многоканальной магнитной головки, магнитный регистратор для параллельной записи всех параметров, состоящий из двигателя, ведущей кассеты, ведомой кассеты, магнитной ленты, магнитной головки, прижимного ролика, который связан с движком, потенциометра набора компенсирующего напряжения; потенциометр 20 питается от вторичной обмотки трансформаторов зондирующего тока, первичная обмотка которого подключена к птунту; управление работой аппаратуры осуществляется с помощью формирователя опорного напряжения, схем фор-25 мирователей импульсов конца стирания и конца цикла измерения, реле времени и триггег ра цикла, управляющего включением и отключением ключа; прибор содержит также последовательно включенные датчик включения, блок питания, ключ и блок задержки.

В магнитном регистраторе использован принцип записи, основанный на стирании избыточной информации (41.

Недостатком известного прибора является то, что при измерении и регистрации необходимого комплекса геофизических параметров не обеспечивается регистрация технологических параметров бурения.

Целью изобретения является обеспечение

40 с минимальными дополнительными затратами при помощи аппаратуры и способа записи известного прибора одновременного измерения и регистрации вместе с геофизическими параметрами нескольких забойных технологи45 ческих параметров бурения, а также повышение точности измерения исключением влияния на погрешность преобразования изменения скорости перемещения носителя записи и изменения напряжения питания датчиков.

Поставленная цель, достигается тем, что

50 многоканальный автономный прибор снабжен датчиками осевой нагрузки на долото и крутящего момента на долоте, формирователем питания датчиков технологических параметров, двумя трансформаторами, двумя блоками ключей, двумя фазочувствительными усилителями— выпрямигелями, двумя интеграторами, двумя нуль — органами, двумя триггерами записи, датчиком оборотов, формирователем нормирован. ных импульсов, схемой совпадения, формирователем базы времени, блоком управления направлением интегрирования, при этом датчи; ки последовательно соединены с трансформаторами, с первыми ключами блока ключей, фазочувствительными усилителями — выпрямителями, интеграторами, нуль — органами, триггерами записи, а датчик оборотов соединен с формирователем нормированных импульсов, выход которого соединен с первым входом схемы совпадения, выход формирователя базы времени соединен с вторым входом схемы совпадения, вход формирователя базы времени соединен с выходом формирователя импульса конца сти1 ракия и вторым входом блока управления направлением интегрирования, первый вход которого соединен с выходом блока задержки, а первый выход подключен к вторым входам триггеров записи и второй выход — к управляющим входам первых ключей блока ключей, кроме того, с целью исключения влияния изменения скорости перемещения носителя записи, на точность измерения осевой нагрузки и крутящего момента, он снабжен двухвходовым блоком формирования времени оборота, входы которого соединены с выходами схем формирования импульсов конца стирания и конца цикла измерения, а выходы — с третьим входом блока управления направлением интегрирования.

Причем, с целью исключения влияния изменения напряжения питания датчиков технологических параметров на точность измерения, второй ключ блока ключей включен между выходом формирователя питания датчиков и входом фазочувствительного усилителя — выпрямителя, а управляющий вход ключа подключен к выходу триггера записи.

На фиг. 1 показана блок — схема прибора для измерения и регистрации геофизических и технологических параметров бурения; на фиг. 2— временные диаграммы, поясняющие его работу.

Прибор содержит датчик 1 включения, соединенный с блоком 2 литания, реле 3 времени, соединенное с одним входом триггера 4 цикла, выход которого соединен с управляющим входом ключа 5, соединенного по входу с блоком

2 питания, а по выходу — с блоком б задержки, который соединен с обмоткой управления двигателя 7 и с одним входом блока 40 управления направлением интегрирования; вал двигателя 7 соединен с ведущей кассетой 8, на которую с ведомой кассеты 9 перематывается магнитная лента 10, движение которой с помощью прижимного ролика 11 передается движку 13 потенциометра 12, который запитывается вторичным напряжением трансформатора 14, первичная обмотка которого подсоединена к шунту 15, включенному в выходную цепь задающего гене5 98326 ратора 16, питающего токовые электроды А — В; вывод движка 13 иотецшюметра 12 соединен с землей; первичная обмотка входного трансформатора 17 подключена к измерительным геофизическим электродам М> и, а вторичная —одним концом к усилителю 18, а вторым — к делителю, подключенному к вторичной обмотке трансформатора 14; выход усилителя IS соединен с входом триггера Шмитта 19, выход кото рого соединен с первым входом схемы 20 срав-, » кения, выход которой соединен с первым входом релейной схемы 21, соединенной по выходу с обмоткой управления многодорожечной магнитной головки 25; вход формирователя 22 опорного напряжения соединен с второй вторич-1 ной обмоткой трансформатора 14, а выход формирователя 22 подключен к второму входч .схемы 20 сравнения; вход формирователя 23 импульсов конца стирания подсоединен к первому концу обмотки потенциометра 12, а выход формирователя 23 подсоединен к вторым входам релейной схемы 21 и блока 40 управления направлением интегрирования, а также к . первому входу блока 41 и входу блока 36; вход формирователя 24 конца цикла измерения подключен к второму концу обмотки потенциометра 12, а выход формирователя 24 подсоединен к вторым входам триггера 4 цикла и блока 41 формирования времени оборота; вход формирователя 26 питания датчиков технологических параметров подсоединен к второй ЗО

° вторичной обмотке трансформагора 14> а,выход формирователя 26 подключен к питающим входам первичных датчиков 27 — 1 и 27 — 2 осевой нагрузки и крутящего момента, выполненных, например, в виде тензометрических мостов, вы- 5 ходы которых .подключены к первичным обмоткам трансформаторов 28 — 1 и 28 — 2, вторичные обмотки которых подключены к входам ключей

30 — 1 и 30 — 2, входящих в блоки ключей 29 — 1 и 29 — 2; к входам ключей 31 — 1 и 31 — 2, входя о щих в блоки ключей 29 — 1 и 29 — 2, подключен выход формирователя 26 питания датчиков технологических параметров; выход блоков ключей 29 — 1 и 29 — 2 подключен к входам фазочувствительных усилителей — выпрямителей 32 —.1 45 и 32 — 2, выходы которых соединены с входами интеграторов 33 — 1 и 33 — 2, соединенных со входами нуль — органов 34 — 1 и 34 — 2, выходы которых соединены в первыми входами триггеров

35 — 1 и 35 — 2 записи, а их выходы соединены с 5О соответствующими обмотками многодорожечной магнитной головки 25 и управляющими входами ключей 31 — 1 и 31 — 2; управляющие входы ключей 31 — 1 и 30 — 2 соединены с вторым выходом блока 40 управления неправлением интегрирова1 ния; вторые входы триггеров 35 — 1 и 35 — 2 записи соединены с.первым выходом блока 40; блок 36 формирования базы времени соединен по входУ с выходом формирователя 23 импуль1 . 6 сов ко ща стирания, а по выходу — с вторым входом схемы 39,сравнения; датчик 37 оборотов, например, индукционного типа соединен с. входом формирователя 38 нормированных импульсов, выход которого соединен с первыМ входом схемы 39 совпадения, а.ее выход соединен с соответствующим входом многодорожечной магнитной головки 25; выход блока

4! соединен с третьим входом блока 40; на часть 42 аппаратуры, вьщеленную штрих — пунктирными линиями, напряжение питания Е подается непосредственно от блока 2 питания, а на часть 43 аппаратуры, тоже вьщеленную штрих— пунктиром, напряжение питания Ец подается через ключ 5 только на время циклов измерения, в промежутках между циклами измерения эта часть аппаратуры обесточивается.

Прибор работает следующим образом.

После спуска автономного прибора, встроенного в бурильную колонну, в скважину и с началом циркуляции промывочного раствора датчик 1 включения подключает к блоку 2 питания напряжение батерей Еб, а блок 2 питания формирует стабилизированное напряжение питания Е, которое подается на часть 42 аппаратуры. Реле 3 времени формирует интервалы, через которые повторяются циклы измерения, например, 16 или 32с, и управляет входом триггера 4 цикла, который. перебрасывает передним фронтом выходного сигнала реле времени 3 и включает с помощью ключа 5 питающее напряжение Ец на часть 43 аппаратуры.

Напряжение Ец подается только на время измерения цикла, так, как триггер 4 цикла по второму входу перебрасывается выходным сигналом схемы формирования импульса конца цикла измерения.

В пределах каждого цикла измерения прои ходит преобразование н регистрация всех геофизических параметров и скорости вращения долота, а преобразование и регистрация осевой

;нагрузки и крутящего момента, в связи с необходимостью их интегрирования, происходит за 2 цикла: за один цикл осуществляется преобразование параметра в соответствующее напряжение интегратора, а эа другой цикл— регистрация на ленте.

Преобразование геофизических параметров можно рассмотреть на примере одного канала (фиг. 1). Каждый цикл измерения начинается после срабатывания триггера 4 цикла от реле

3 времени, в результате чего на блок 43 черезключ 45 подается напряжение питания Ец. Через время, необходимое для обеспечения нормального рсжима электронной аппаратуры, блок

6 задержки включает двигатель 7 и начинается перемещение магнитного носителя 10, а через прижимной ролик 11 перемещение движка 13 потенциометра 12. В момент перехода компен7 983261 8 сирую«цего напряжения, снимаемого с потенцио«, связи с тем, что мгнове метра 12, через нулевое значение, схема 23 фор. нагрузки и крутящего мо мирования импульса конца стирания вырабаты- тотой вращения долота, не вает импульс, который перебрасывает релейную среднее или интегральное з схему 21 в состояние, при котором на магнит- 5 промежуток времени — наз ную головку не подается стирающее напряжение могоинтегрированияТпр. и на носителе остаются предварительно записан- интегратораподается напр ные импульсы, которые уже несут информацию ное осевой нагрузие G u о преобразуемом парйметре. В момент равенства датчика Е. Тогда к конц нарастаю«цего компенсирующего напряжения и 10 вания величина напряже« измеряемого напряжения, снимаемого с электро- будет пропорционально 6 дов М;й; с помо«цью трансформатора 17, релей- порционально, где ная схема 21 перебросится в состояние, при кото- мени интегратора. ром вновь начнется стирание. Затем это напряжение

В результате на ленте останется число импуль- 1«у ленты с нестертой за сов, пропорциональное измеряемому "a««p«« aHH ратора подается нап яже« ато а подается напряже« и измеряемому параметру. Лента в режиме рования «/ такого зна стиРаниЯ бУдет перемещатьсЯ до момента дости- уменьшалось и однов еме ования о5Р такого зна

7 жениЯ компенсиРУющим напРЯжением макси- стирание на дви щейся л мального значениЯ. В этот момент схема 24 20 которое напряжение на вь формирования импульса Ко««««а цикла выраба ы- м «, щ„я, ля вает импульс, перебрасывающий триггер цикла Число нестертых имп в исходное состоиние, при котоРом ключ 5 пропо он ьно не тольк запирается, в результате чего напряжение пита- метру 6 но и зависит ещ

Э ния Ец на блок 43 не подается, и двигатель

7 останавливается. Следующий цикл измерения нением кассеты от в м нчинается пос е паузы задающейся р ле 3 овация Тп а также от пр, а времени. ние перечисленных величи

ДлЯ РегистРа«ц«и технологических парамет- зования можно, сделав вре ров используется тот же принцип стирания из- ционмьнь«м ско ос, циональным скорости дви быточной инфоРмации, предварительно записан пропорциональным 1: пля ной на ленте в виде непрерь«в««ой последователь,ности импульсов.

Канал преобразования и регистрации частоты вращения долота работает следующим образом.

Датчик 37 оборотов формирует импульсы (О о, фиг. 2а), частота которых пропорциональна частоте вращения долота; формирователь 38 нормированных импульсов формирует из этих импульсов импульсы калиброванной длитель- 4, ности (+, фиг. 2а), которые поступают на один из входов схемы 39 совпадений. На другой вход схемы 39 поступает импульс (000, фиг. 2а) стабильной длительности, задающий базу времени, за которую регистрируются импуль-4 сы датчика 37 оборотов. База времени формируется формирователем 36 базы времени по команде .импульса конца стирания, формируемого в.каждый цикл схемой 23. При наличии импульсов. на обоих входах схемы 39 совпадений прекращается стирание сиг««ала на магнитной ленте. В результате на магнитной ленте останутся

Ф нестертые участки (фиг. 2а), количество которых в кадре определяет частоту вращения долота.

Каналы преобразования и регистрации осев и нагрузки и крутящего момента построены одинаково, поэтому достаточно рассмотреть работу одного из них, например осевой нагрузки. В нные значения осевой мента колеблются с часобходимо определять их начение за определеннь«й овем его временем пряНа время Тпр на вход яжение, пропорциональнапряжению питания у времени интегриро«ия после интегратора и Е и обратно про— постоянная врепреобразуется в длиписью: на вход интег«ие обратного интегрика, чтобы 0 инт нно прекращается енте на время за

«ходе интегратора льсов на ленте о измеряемому парае от скорости переизменяется с наполни прямого интегриЕ. Исключить влиян на результат преобрамя Тпр обратно — пропоржения ленты, а Чобр— выполнения этого дится блок 41 формирования времени оборота потенциометра, которое обратно пропорционально скорости ленты и эа которое производится прямое интегрирование. Кроме этого, с помощью ключа 31 напряжение питания датчика Е подключается к входу интегратора при обратном интегрировании. Таким образом, длина ленты, а значит и число импульсов, оставшихся на ленте в кадре, определяется только измеряемым параметром.

Преобразование и регистрация осевой нагруз. ки происходит за два цикла измерения. В первом цикле осуществляется прямое интегрирование, а во втором — обратное интегрирование и регистрация. Направление интегрирования задает блок 40 управления направления интегрирования. В первом цикле он включает на время, определяемое блоком 41 формирования времени оборота, ключ 30 блока ключей 29.

В результате на вход фазочувствительного усилителя-выпрямителя 32, а дальше на интегратор 33 подается через трансформатор 28 выходной сигнал датчика 27.

Прямое интегрирование прекращается после раэмыкания ключа 30, а результат интегрирования запоминается (2б). В следующем цикле блок 40 с приходом импульса конца стирания, ! формируемого схемой 23, перебрасывает триг30

9 98326 гер 35 записи, который прекращает стирание предварительно записанных импульсов на ленте и открывает ключ 31, через который на усили тель 32, а дальше на интегратор 33 подается напряжение обратного интегрирования. Обратное интегрирование (фиг. 2б) продолжается до уменьшения выходного напряжения интегратора

33 до нуля. В момент равенства напряжения интегратора 33 нулю срабатывает нуль-орган 34 и перебрасывает триггер записи 35 в состояние, 10 при котором запирается ключ 31 и производится стирание.

В результате этого в кадре на ленте (фиг. 2б) остается число импульсов, пропорциональное осевой нагрузке. На фиг. 2б приведены15 временные диаграммы напряжения на ййтеграторе для различных значений осевой нагрузки (6„, 6>, 6,„„) и кадры на магнитной ленте с числом импульсов N„, N, N9, соответствующим этим значениям осевой нагрузки.

Применение предлагаемого автономного прибора позволит осуществить одновременную регистрацию как геофизических, так и технологических параметров и получить данные, необходимые для оптимизации бурового процесса.

Расчетный экономический эффект согласно предварительной оценке составит при промышленной эксплуатации прибора АПК М 1

7740 руб. на один прибор.

Формула изобре гения

1. Многоканальный автономный прибор.для исследования скважин в процессе бурения, содержащий многоэлектродный зонд с токовыми и измерительными электродами, последовательно соединенные датчик включения, блок питания, ключ, блок задержки, двигатель, а также ведущую кассету протяжки. магнитной ленты, приV 4о жимнои ролик, потенциометр с движком, трансформатор тока, включенный в цепь токовых электродов, генератор :синусоидальных колебаний, каиалы измерения геофизических параметров, состоящие из последовательно включенных трансформатора, усилителя, триггера Шмитта, схемы сравнения, репейных схем, многодорожечной магнитной головки, реле времени, триггера цикла измерения, формирователя опорного напряжения, формирователя импульсов конца стирания и конца цикла измерения, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью одновременного измерения и регистрации нескольких забойных технологических параметров бурения вместе с геофизическими, он снабжен датчиками осевой нагрузки на. долото и крутящего момен- 5 та на долоте, формирователем питания датчиков технологических параметров, двумя трансформато1 10 рами, двумя блоками ключей, двумя фазочувст- вительными усилителями — выпрямителями,,двумя нуль-органами, двумя триггерами записи, датчиком оборотов, формирователем нормированных импульсов, схемой совпадения, формирователем базы времени, блоком управления направлением интегрирования, при этом датчики последовательно соединены с трансформаторами, с первыми ключами блока ключей, фазочувствительными усилителями — выпрямителями, интеграторами, нуль — органами, триггерами записи, а датчик оборотов соединен с формирователем нормированных импульсов, выход которого соединен с первым входом схемы совпадения, выход формирователя базы времени соединен с вторым входом схемы совпадения, вход формирователя базы времени соединен с выходом формирователя импульса конца стирания и вторым входом блока управления направлением интегрирования, первый вход которого соединен с выходом блока задержки, а первый выход подключен к вторым входам триггеров записки второй выход — к управляющим входам первых ключей блока ключей.

2. Прибор по п. 1, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью исключения влияния изменения скоросги перемещеннл носителя эаниси на точность измерения осевой нагрузки и крутящего момента, он снабжен двухвходовым блоком формирования времени оборота, входы которого соединены с выходами схем формирования импульсов конца стирания и конца цикла измерения, а выходы — с третьим входом блока управления направлением интегрирования.

3. Прибор по и. 1, отличающийся тем, что, с целью исключения влияния изменения напряжения питания датчиков технологических параметров на точность измерения, второй ключ. блока ключей включен между выходом формирователя питания датчиков и входом фазочувствительного усилителя — выпрямителя, а управляющий вход ключа подключен к выходу триггера записи.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР И 528983, кл..Е 21 В 45/00.

2. Дейли Ф. Новый буровой исследовательский инструмент для замеров в скважине.—

"Oil and Gas Journal", 1968, N 2, 66.

3. Саркисов И. К. и др, Двухканальный автономный прибор для электрического каротажа скважин в процессе бурения. Сб. "Геофи.зическая аппаратура". Вьш. N" 61. Л., "Недра", 1977.

4. Авторское свидетельство СССР К 661482, кл. G 01 Ч 11/00, E 21 В 47/00, 1975.

983261

Составитель В. Варламов

Техред Е.Харитончик

Редактор О. Половка

Корректор А. Дзятко

Тираж 623

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Заказ 9862/36

Подписное

Филиал ПП!1 "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

1! 1! ИИ!ИИШ!!И!!В! ИИИ1И1ШИИИ! И1ШШ1И1ИИИ1ИИИ1ИИШ11ИИИИИИИ!