Автономный забойный регистратор силовых параметров

 

Изобретение относится к буровой технике, в частности к автономным техническим средствам контроля забойных параметров, и может найти применение для регистрации продольной и поперечных сил и крутящего момента, действующих на колонну бурильных труб в компоновке низа бурильной колонны над буровым долотом в процессе бурения ствола скважины. Изобретением решается задача повышения точности измерений, регистрации абсолютных значений силовых параметров, изменяющихся с частотой до 3 кГц, и увеличения объема памяти для записи регистрируемых силовых параметров в цифровом виде. Для этого регистратор содержит установленный в буровой колонне корпус, выполненный в виде переводника, устанавливаемого в буровую колонну, и содержащий контейнер электронного блока и питания, многоканальный измерительный элемент силовых параметров, электронный блок, включающий многоканальный усилитель, многоканальный аналого-цифровой преобразователь (АЦП), процессор, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), состоящее из микросхем статической памяти с адресными входами-выводами, входами-выходами-выводами данных и входами-выводами записи, чтения и выбора микросхемы. Электронный блок снабжен двумя источниками опорного напряжения, элементами 2И и в каждом канале электронным ключом с четырьмя входами, одним выходом и схемой управления. В качестве многоканального измерительного элемента силовых параметров использован тензометрический преобразователь осевой силы, двух взаимно перпендикулярных поперечных сил и крутящего момента. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к буровой технике, в частности к автономным техническим средствам контроля забойных параметров, и может найти применение для регистрации продольной и поперечных сил и крутящего момента, действующих на колонну бурильных труб в компоновке низа бурильной колонны над буровым долотом в процессе бурения ствола скважины.

Известно устройство для определения нагрузок в колонне бурильных труб по авторскому свидетельству /1/, содержащее цилиндрический корпус, полый вал, телескопически размещенный относительно корпуса и образующий с корпусом кольцевую полость, в которой установлен с возможностью осевого перемещения подпружиненный поршень, клапаны, связанные с подпружиненной дифференциальной втулкой, концентрично установленной на валу, и обратные клапаны, установленные в поршне.

Это устройство регистрирует только среднюю осевую нагрузку на долото, не фиксируя колебания с частотой свыше 0,5 Гц, и обладает не высокой точностью.

От указанных недостатков свободна система контроля вибрации буровой колонны по патенту /2/, принятому за прототип. Эта система контроля вибрации работает на забое скважины в компоновке низа бурильной колонны над буровым долотом. Система включает четыре расположенных на определенном расстоянии акселерометра, которые измеряют и дифференцируют поперечные, продольные и крутильные колебания бурильной колонны. Три из четырех акселерометров расположены в определенном порядке по отношению друг к другу и измеряют тангенциальные ускоряющие усилия на внешний диаметр бурильной колонны для определения и измерения как поперечных, так и крутильных колебаний. Четвертый акселерометр измеряет продольные колебания. Все четыре акселерометра размещаются в пределах кольцевой стенки отрезка УБТ. Первая система обнаружения вибрации расположена в сегменте УБТ над буровым долотом для измерения сил вибрации на внешней поверхности бурильной колонны. Вторая система монтируется в охранном кожухе, обеспечивающем сохранность и крепление микропроцессора и электронной аппаратуры для измерения параметров в процессе бурения.

При измерении в процессе бурения возможно изменение температуры окружающей систему среды, что оказывает существенное влияние на параметры микросхем электронной аппаратуры для измерения параметров в процессе бурения. Аналогичное влияние может оказывать и вибрация. Это является существенным недостатком и снижает точность измерения. Вторым недостатком является то, что система контроля регистрирует только частоту и амплитуду силовых параметров, а не абсолютное значение. Третьим недостатком является небольшой объем оперативной памяти для регистрации параметров.

Предлагаемым изобретением решается задача повышения точности измерений, регистрация абсолютных значений силовых параметров, изменяющихся с частотой до 3 кГц, и увеличение объема памяти для записи регистрируемых силовых параметров в цифровом виде.

Для достижения этого технического результата в автономный забойный регистратор, содержащий установленный в буровой колонне корпус, выполненный в виде переводника, устанавливаемого в буровую колонну, и содержащий контейнер электронного блока и питания, многоканальный измерительный элемент силовых параметров, электронный блок, включающий многоканальный усилитель, многоканальный аналого-цифровой преобразователь (АЦП), процессор, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), состоящее из микросхем статической памяти с адресными входами-выводами, входами-выходами- выводами данных и входами-выводами записи, чтения и выбора микросхемы, при этом выходы усилителей соединены с входами АЦП, выходы которого соединены с портом ввода-вывода процессора, электронный блок снабжен двумя источниками опорного напряжения, элементами 2И и в каждом канале электронным ключом с четырьмя входами, одним выходом и схемой управления, при этом по каждому каналу один вход электронного ключа соединен с выходом одного из каналов измерительного элемента, второй и третий входы соединены с выходами источников опорного напряжения, четвертый вход соединен с аналоговой землей, выход ключа подключен к входу усилителя, а входы управления ключа соединены с выходами элементов 2И, одни входы которых соединены и подключены к выходу порта процессора, а остальные входы элементов 2И также подсоединены к выходам одного из портов процессора по отдельности, а в качестве многоканального измерительного элемента силовых параметров использован тензометрический преобразователь осевой силы, двух взаимно перпендикулярных поперечных сил и крутящего момента, кроме того, электронный блок снабжен электронным счетчиком, схемой установки адреса АЦП, режима чтения, записи и выбора микросхемы ОЗУ с входами и выходами, двунаправленным шинным драйвером, а микросхемы ОЗУ сгруппированы в блоки, число которых равно числу каналов измерительного элемента, при этом порт ввода-вывода процессора соединен через двунаправленный шинный драйвер с входами-выходами- выводами данных всех блоков ОЗУ, схема управления двунаправленного шинного драйвера соединена с выходами порта процессора, адресные входы всех микросхем ОЗУ соединены параллельно между собой и подсоединены к выходу счетчика, вход счетчика и вход его обнуления соединены с выходами порта процессора, выводы записи и чтения микросхем ОЗУ, составляющих один блок, соединены между собой в шины записи и чтения соответственно, выводы схем выбора микросхем соединены в группы по одной микросхеме из каждого блока, образуя шину выбора микросхемы и все эти шины присоединены к соответствующим выходам схемы установки адреса АЦП, режима чтения, записи и выбора микросхем ОЗУ, а ее входы соединены с выходами порта процессора.

Отличительными признаками предлагаемого автономного забойного регистратора от указанной выше системы, являющейся наиболее близкой к ней, является то, что электронный блок снабжен двумя источниками опорного напряжения, элементами 2И и в каждом канале электронным ключом с четырьмя входами, одним выходом и схемой управления, при этом по каждому каналу один вход электронного ключа соединен с выходом одного из каналов измерительного элемента, второй и третий входы соединены с выходами источников опорного напряжения, четвертый вход соединен с аналоговой землей, выход ключа подключен к входу усилителя, а входы управления ключа соединены с выходами элементов 2И, одни входы которых соединены и подключены к выходу порта процессора, а остальные входы элементов 2И также подсоединены к выходам одного из портов процессора по отдельности, а в качестве многоканального измерительного элемента силовых параметров использован тензометрический преобразователь осевой силы, двух взаимно перпендикулярных поперечных сил и крутящего момента, кроме того, электронный блок снабжен электронным счетчиком, схемой установки адреса АЦП, режима чтения, записи и выбора микросхемы ОЗУ с входами и выходами, двунаправленным шинным драйвером, а микросхемы ОЗУ сгруппированы в блоки, число которых равно числу каналов измерительного элемента, при этом порт ввода-вывода процессора соединен через двунаправленный шинный драйвер с входами-выходами-выводами данных всех блоков ОЗУ, схема управления двунаправленного шинного драйвера соединена с выходами порта процессора, адресные входы всех микросхем ОЗУ соединены параллельно между собой и подсоединены к выходу счетчика, вход счетчика и вход его обнуления соединены с выходами порта процессора, выводы записи и чтения микросхем ОЗУ, составляющих один блок, соединены между собой в шины записи и чтения соответственно, выводы схем выбора микросхем соединены в группы по одной микросхеме из каждого блока, образуя шину выбора микросхемы и все эти шины присоединены к соответствующим выходам схемы установки адреса АЦП, режима чтения, записи и выбора микросхем ОЗУ, а ее входы соединены с выходами порта процессора.

Благодаря наличию двух источников опорного напряжения и аналоговой земли, сигналы с которых через многоканальные электронные ключи, управляемые процессором, подаются на вход каждого усилителя перед началом цикла измерения параметров, с выхода усилителей, преобразованные АЦП в цифровой код, записываются в ОЗУ регистратора, калибруя таким образом в трех точках усилитель и АЦП. Эта калибровка используется для повышения точности при анализе результатов измерения после подъема регистратора из скважины. Использование тензометрического преобразователя силовых параметров позволяет измерять текущие значения регистрируемых параметров. Наличие электронного счетчика схемы установки адреса АЦП, режима чтения- записи и выбора микросхемы ОЗУ, двунаправленного шинного драйвера и группировка микросхем ОЗУ в блоки по числу каналов путем соединения входов запись-чтение микросхем одного блока между собой и соединение вместе входов выбора микросхем по одной из каждого блока и подключение этих соединений к выходам порта процессора обеспечивают увеличение памяти регистратора до размеров, значительно превышающих ту, с которой может работать процессор.

На основании всего вышеизложенного можно сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения критериям изобретения "новизна" и "изобретательский уровень".

Предложенный забойный регистратор силовых параметров иллюстрируется принципиальной схемой, изображенной на чертеже.

Автономный забойный регистратор силовых параметров содержит тензометрический многоканальный измерительный элемент силовых параметров 1, многоканальный усилитель 2 с каналами 2.1, 2.2,... , 2.n, многоканальный аналогоцифровой преобразователь 3, процессор с памятью программ 4, микросхемы статической памяти 5 с адресными входами а, входами данных д, входами записи Зп, чтения Чт и выбора микросхемы В, объединенными в блоки с числом микросхем к, число которых n равно числу каналов измерительного элемента силовых параметров, путем соединения входов Зп и Чт одного блока в шины записи и чтения соответственно. Выводы схем выбора микросхем В соединены в группы с числом к по одной микросхеме из каждого блока и образуют шины выбора микросхем. На чертеже вторая микросхема памяти, находящаяся в n-м канале обозначена 5. n. 2. Входы адреса а и входы-выходы данных д всех микросхем памяти объединены соответственно в адресные шины и в шины данных.

Выходы двух источников образцового напряжения 6.1 и 6.2, аналоговая земля A3 и выходы тензометрического многоканального измерительного элемента силовых параметров 1 соединены в каждом канале через электронные аналоговые ключи 7.1, 7.2, ..., 7.n с входами усилителей 2.1, 2.2, ..., 2.n. Выходы с усилителей 2 соединены с входами АЦП 3. Управление ключами 7 осуществляется четырьмя элементами 2И 8.1, 8.2, 8.3, 8.4, которые по одному из входов соединены между собой и подключены к одному из выходов порта процессора 4, а остальные входы каждый по отдельности соединены с выходами порта процессора 4. Выходы элементов 2И соединены с управляющими входами каждого ключа 7. Электронный счетчик 9 последовательно формирует адреса микросхем памяти, поэтому его выходы соединены с шиной адреса, а его счетный вход и вход обнуления соединены с выходами порта процессора. Схема установки адреса АЦП, режима чтения, записи и выбора микросхемы ОЗУ своими входами соединена с входами порта процессора, а выходами соответственно с входами адреса АЦП, с шинами записи, чтения и выбора микросхем ОЗУ. Информационные выходы АЦП 3 соединены с портом ввода- вывода процессора 4 и через двунаправленный шинный драйвер 11 с шиной данных ОЗУ. Управляющий вход двунаправленного шинного драйвера соединен с выходом порта процессора.

Работа автономного забойного регистратора силовых параметров осуществляется следующим образом.

После спуска забойного регистратора в скважину в составе колонны бурильных труб по гидравлическому каналу связи осуществляется запуск его электронной части для работы в автономном режиме. Перед каждым циклом регистрации силовых параметров осуществляется самотестирование каждого канала усилитель-АЦП путем записи в ОЗУ регистратора цифровых значений трех образцовых сигналов: аналоговой записи (нулевой отсчет) и двух величин калиброванных напряжений. Для этого процессор 4 с помощью четырех элементов 2И 8.1 - 8.4 подключает электронными ключами 7.1 - 7.n один из тестирующих сигналов от А. З. или от источников 6.1, 6.2 образцового напряжения к входам усилителей 2.1. . . . 2.n, выходы которых подключены к входам АЦП 3. Далее процессор 4 через схему 10 устанавливает адрес первого канала на АЦП 3 и после получения сигнала готовности данных по первому каналу устанавливает адрес через счетчик 9 на адресной шине "а" ОЗУ, включает шинный драйвер 11 в направлении считывания данных из АЦП 3 в ОЗУ регистратора 5. Установкой сигнала "чтение" (Чт) микросхем памяти 5, осуществляемой процессором через схему 10, выбирается первый блок 5. 1.1... 5.1. к ОЗУ, а сигналом "выбор схемы" (В) выбирается первая микросхема 5. 1.1 для записи результата. После прихода от АЦП 3 к процессору 4 сигнала готовности данных по каналу 2 цикл повторяется с той разницей, что выбирается второй блок памяти 5. 2.1... 5.2. к и т. д. По завершении записи данных по всем каналам процессор 4 через счетчик 9 устанавливает следующий адрес и процесс повторяется. Количество записей каждого тестирующего сигнала определяется программой работы процессора. После завершения тестирования по одному сигналу цикл повторяется по двум остальным.

По завершении всего тестирования процессор 4 через схемы 8.1 и 7.1 подключает выходы многоканального измерительного элемента 1 к соответствующим входам многоканального усилителя 2. Процесс регистрации измерительных сигналов аналогичен процессу регистрации тестирующих сигналов.

После подъема регистратора из скважины последовательный порт его процессора 4 соединяется с последовательным портом ПЭВМ. Запускается программа считывания данных из ОЗУ регистратора в файл на магнитные носители ПЭВМ. При этом процессор 4 обнуляет счетчик 9, устанавливая начальный адрес, устанавливает драйвер 11 на направление данных от микросхем ОЗУ 5 в порт данных процессора 4. Через схему 10 процессор устанавливает сигнал "чтение" (Чт) на микросхемах памяти соответствующего блока, а затем сигналом "выбор микросхемы" (В) соединяют шину данных этой микросхемы с портом данных процессора 4 и передают эти данные в файл ПЭВМ. Затем процессор 4 через схему 10 устанавливает сигнал Чт в следующем блоке, после чего процесс считывания повторяется. По завершении считывания данных из всех блоков процессор 4 через счетчик 9 устанавливает следующий адрес и процесс повторяется. Наличие тестирующих сигналов перед регистрацией при анализе результатов измерений повышает точность измерений известными методами.

Источники информации 1. А.С. СССР N 1273515, E 21 В 44/00, 45/00, 19/08, Бюл. N 44, 30.11.86 2. Пат. США N 5226332, НКИ 73/151; 73/493; 73/650; 175/40 (прототип).

Формула изобретения

1. Автономный забойный регистратор силовых параметров, содержащий установленный в буровой колонне корпус, выполненный в виде переводника, устанавливаемого в буровую колонну, и содержащий контейнер электронного блока и питания, многоканальный измерительный элемент силовых параметров, электронный блок, включающий многоканальный усилитель, многоканальный аналого-цифровой преобразователь (АЦП), процессор с памятью программ, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), состоящее из микросхем статической памяти с адресными входами-выводами, входами-выходами-выводами данных и входами-выводами записи, чтения и выбора микросхемы, при этом выходы усилителей соединены с входами АЦП, информационные выходы которого соединены с портом ввода-вывода процессора, отличающийся тем, что электронный блок снабжен двумя источниками опорного напряжения, элементами 2И и в каждом канале электронным ключом с четырьмя входами, одним выходом и схемой управления, при этом по каждому каналу один вход электронного ключа соединен с выходом одного из каналов измерительного элемента, второй и третий входы соединены с выходами источников опорного напряжения, четвертый вход соединен с аналоговой землей, выход ключа подключен к входу усилителя, а входы управления ключа соединены с выходами элементов 2И, одни входы которых соединены и подключены к выходу порта процессора, а остальные входы элементов 2И также подсоединены к выходам одного из портов процессора по отдельности, а в качестве многоканального измерительного элемента силовых параметров использован тензометрический преобразователь осевой силы, двух взаимно перпендикулярных поперечных сил и крутящего момента.

2. Регистратор по п.1, отличающийся тем, что электронный блок снабжен электронным счетчиком, схемой установки адреса АЦП, режима чтения, записи и выбора микросхем ОЗУ с входами и выходами, двунаправленным шинным драйвером, а микросхемы ОЗУ сгруппированы в блоки, число которых равно числу каналов измерительного элемента, при этом порт ввода-вывода процессора соединен через двунаправленный шинный драйвер с входами-выходами-выводами данных всех блоков ОЗУ, схема управления двунаправленного шинного драйвера соединена с выходами порта процессора, адресные входы всех микросхем ОЗУ соединены параллельно между собой и подсоединены к выходу счетчика, вход счетчика и вход его обнуления соединены с выходами порта процессора, выводы записи и чтения микросхем ОЗУ, составляющих один блок, соединены между собой в шины записи и чтения соответственно, выводы схем выбора микросхем соединены в группы по одной микросхеме из каждого блока, образуя шину выбора микросхемы, и все эти шины присоединены к соответствующим выходам схемы установки адреса АЦП, режима чтения, записи и выбора микросхем ОЗУ, а ее входы соединены с выходами порта процессора.

РИСУНКИ

Рисунок 1