Устройство для каротажа скважин в процессе бурения

 

Союз Советских

Социалистических

Республик о и к. вл,нт к

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИ ИТЕЛЬСТВУ рп737902 (61) Дополнительное к авг. саид-ву (22) Заявлено 280677 (21) 2503223/18-25 (51)М. Кд.2

01 У 1/40 с присоединением заявки М

Государственный комитет

СССР ио делам изобретений и открытий (23) Приоритет

Опубликовано 300586. Бюллетень М 20 (53) УД (550,83 .,(088.8)

Дата опубликования описания 3005.80 (72) Авторы изобретения

Б.В.Эквист и P,С.Замалетдинов

-Московский ордена Трудо™вого«Красйо«го Знаме«йи горный инстит ут" (71) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ KAPOTAKA СКВАЖИН

В ПРОЦЕССЕ БУРЕНИЯ

Изобретение относится к области каротажа скважин в процессе бурения.

Оно может быть применено как при бурении глубоких скважин,. так и при бУрении взрывных скважин на открытых карьерах шарошечными цолотами.

Известно устройство для измерения механических свойств горной породы в процессе бурения (1). 36

)1анное устройство рассчитано на каротаж скважин в процессе бурения только по колебаниям буровой штанги, не учитывая давление на забой и скорость проходки.

Известно также устройство для каро- 5 тажа скважин (2),содержащее датчики, усилители, дифференциальный усилитель, два фильтра, генератор периодического напряжения, усилитель с. переменным коэффициентом усиления, фазосдвигающее устройство, линию задержки, сравниваюшее устройствб, интегратор и компаратор, соединенные таким образом, что дают возможность измерять механические свойства горной породы по колебаниям буровой штанги, Данное устройство использует в качестве информационного признака

:- :одйн параметр . — вйбрацию буровой, штанги й.как вспомогательный параметр — скорость врашения буровой мтавги. наличие одного информационного признака затрудняет объективную оценку свойств разбурйваемой породы;

Так, например, в результате увеличения давления на;долото (наращивание штанги,при глубоком бурении, yseличейие давления в гидроцилиндрах бурового станка при бурении, взрыйных, скважин) при разбуривании одной и той же породы изменяется уровень вибрации буровой штанги, что ведет к ошибкам в измерении. При раэбуривании пород с .различными коэффициентами крепости изменяется скорость проходки, что тоже является информационным параметром не используемым в рассмот-, ренном устройстве. Работа устройства основана на обработке непрерывного

- сигнала, что снижает его помехозашищенность и затрудняет настройку устройства, Белью изобретения является повышение точности определения свойств горной породы.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство введены каналы из737902 мерения давления, скорости проходки и устано ки перебура, причем все введенные каналы соединены с каналом измерения колебаний буровой штанги, а канал измерейия cêîðoñòè проходки соединен также с каналом измерения давления и каналом коррекции сигнала по скорости вращения буровой штанги.

При этом канал измерения колебаний буровой штанги состоит из передатчика, подключенного к дифФеренциальному усилителю и последовательно соединенных приемника, усилителя сигнала колебаний буровой штанги, фильтра, схемы выработки среднего значения сигнала колебаний штанги, пороговых элементов, элемента выделения максимального сигнала и схем совпадения.

В канал коррекции сигнала по скорости вращения буровой штанги введена схема выработки порогового уровня, выходи ее подключены к пороговым элементам канала измерения колебаний штанги и скорости проходки. Канал измерения давления состоит из последовательно соединеннйх датчика " давления, усилителя сигнала давления, выпрямителя, пороговых элементов, эле мента выделения максимального сигнала, схем совпадения, блока ввода ал горитма порода канала измерения давления, выход которого подключен к cxgMaM совпадения канала колебаний буровой штанги, Канал измерения скорости проходки состоит из соедйнен-" ных последовательно датчика скорости проходки, усилителя сйгнала скорости проходки, вйпрямйтеля, пороговых элементов, элемеята вйделения максймального сигнала, блОка ввода алгоритма порода канала измерения скорости проходки, выход которого подключен к схемам совйадения канала измерения давления. Канал установки перебура состоит из последовательно соединеннйх ячейки ИЛИ, схемы задержки и схемы формирования управляющего напряжения.

Устройство состоит из двух кон структивно изолированных частей .

Конструктивное выполнение части устройства, регистрирующей и транслирующей сигнал колебаний буровой штанги, возможнб в виде кольцевой платФормы, закрепляемой на вращающейся буровой штанге. По периметру платформы из изоляцйонного материала закрепляется антенна, На платформу крепятся два пьезодатчика и часть устройства вплоть до передатчика. Остальная часть устройства находится в любом удобном месте (либо на буровом станке, либо в кабине управления бурового оборудования).

На чертеже представлена схема устройства, Для регистрации виброускорения буровой штанги использованы два пьезодатчика 1,2, два истоковых повто рителя 3 и 4,два усилителя 5 и б,диф ференциальный усилитель /, который соединен с передатчиком 8. Для снятия информации с буровой штанги использован радиоканал. Приемник 9 работает на усилитель 10, который, в свою очередь, соединен через фильтр

11 со схемой выделения среднего значения 12. Коррекция сигнала по скорости вращения буровой штанги выполнена на согласующем элементе 13, соединенным со схемой выработки порогового уровня 14. Пороговые элементы

15-17 канала колебаний буровой штанги соединены с выходом схемы 14.

Элемент выделения максимального сиг15

5 нала 18 соединен со схемами совпадения 19-21, которые, в свою очередь, соединены с индикатором 22. Канал. установления перебура состоит из соединенных последовательно схемы

Щ ИЛИ 23, схемы задержки 24 .и схемы формирования управляющего напряжения 25. Канал измерения давления состоит из датчика давления 26, усилителя 27, выпрямителя 28 соединенного с пороговыми элементами 29-31.

Элемент выделения максимального сигнала 32 соединен со схемами совпадения 33-35. Выходы схем совпадения соединены со входом блока алгоритма порода 36 канала измерения давления. Канал скорости проходки со.стоит из последовательно соединенных датчика скорости проходки 37, усилителя 38, выпрямителя 39, пороговых элементов 40-42, элемента выделения максимального сигнала 43 и блока алгоритма порода канала скорости проходки 44.

Число пороговых элементов. 15, 16, 4О 17, 29, 30, 31, 40, 41, 42 и схем совпадения 19, 20, 21. 33, 34, 35, а также связей между ними зависит от уровйя градации в опоеделении механических свойств разбуриваемой породы. Чем выше степень градации, тем точнее определение свойств породы.

Принцип работы устройства состоит в том, что каждому типу пброды соответствует определенный уровень виб® роускорения буровой штанги на часто ®О тах разрушения породы штырями шарошек долота.и постоянная скорость проходки при определенных давлении на долото и скорости вращения буровой штанги.

55 Устройство определяет разбуриваемую породу по соответствию трех параметров: уровня виброускорения, скорости проходки и давления. Так как уровень виброускорения и скорость проходки изменяются от числа обаро тов, то. в схеме устройства имеется коррекция по уровням, использующая в качестве управляющего напряжения сигнал о скорости вращения буровОй штанги.

737902

Устройство работает следующим образом.

Сигналы колебаний буровой штанги с пьезодатчиков 1, 2 поступают на истоковые повторители 3, 4, обеспечивающие высокое входное сопротивление с целью регистрации колебаний, начиная с низкой частоты. Пьезодатчики устанавливаются на платформе, закрепленной на буровой штанге с разворотом их друг относительно друга на 180 . Таким образом, сигнал колебаний буровой штанги будет отличаться на выходе дифференциального усилителя 7 после усилителей 5, 6 на 180

Дифференциальный усилитель вычитает сигналы, в результате исследуемые: сигналы о колебаниях буровой штанги будут складываться, а сигналы помех, наводимые на входные цепи устройства, вычитаться ° Вследствие того, что входные цепи находятся в равных условиях, то сигналы помех будут близки по амплитуде и s дифференциальном. усилителе 7 произойдет их взаимное подавление.

Напряжение, соответствующее колебаниям буровой штанги подается на колебательный контур передатчика 8, где осуществляется частотная модуляция высокочастотного сигнала пеоедатчика напряжением, соответствующим колебанию буровой штанги.

Приемник 9 прийимает сигнал с буровой штанги, усилитель 10 усиливает его, а фильтр li выделяет часть сигнала s полосе частот,,соответствующей работе штырей шароиек долота по забою. Схема выделения среднего значения 12 выделяет из полученного сигнала после детектирования его среднее значение. Элемент выделения максимального сигнала 18 пропускает на свой выход сигнал соответствующий максимальному значению напряжения, полученного после, пороговых элемей-. тов 15-17. Таким образом, сигнал соответствующий среднему значению колебаний буровой штанги в ограниченной полосе частот поступает только на ту иэ схем совпадения 19-21, которая расчитана на определенный уровень напряжения, соответствующий полученному s конкретный момент бурения. На выходе схемы совпадения сигнал будет лишь в том случае, если на второй ее вход пришел сигнал, соответствующий определенному давлению и скорости проходки.

Эти сигналы формируются следующим образом. С датчика давления 26 переменное напряжение, амплитуда которого соответствует уровню давления в гидроцилиндрах подачи буроэбй штанги или же весу бурильной штанги через усилитель 27 поступает на выпрямитель 28. Выпрямленное напряжение, величина которого соответствует уровню давления, поступает на пороговые элементы 29-31 и далее на элемент, выделения максимального сигнала работавший аналогично описанному элементу 18. Схемы совпадения 33-35 вырабатывают сигнал на выходе лишь в тдм с)фчае, еслй""прйсутствуюг сигналы на двух входах одной из схем . совпадения. На первый вход подается сигнал, соответствующий давлению на забой, на второй сигнал соответствую« щий скорости пооходки. Совпадение возможно только на одной из схем.

Далее сигнал подается на блок ввод алгоритма порода Зб, который скоммутирован согласно соответствию

35 уровня колебаний буровой штанги и давлению на долото, соответствующих раэбуриванию породы с конкретными коэффициентами -крепости. С этого блока сигнал о давлении подается на ту из схем совпадения 19-21, на

29 которую пришел сигнал о вибрации, соответствующий при данном давлении конкретной крепости разбуриваемой породы.

Аналогично. работаю* и схем совд5 падения 33-35, только на них должны совпасть сигналы о давлении и скорости проходки . Сигнал о скорости проходки поступает с датчика скорос " ти проходки 37 на усилитель 38 и представляет собой переменное найряжение, амплитуда которого пропорциональна скорости прохОдки. Это напряжение выпрямляется выпрямителем 39, Затем выпрямленное напряжение,- амплитуда которбго пройорцйойальна скорости проходки, подается на поро- говые элементы 40-42 и далее через элемент выделения максимального сиг:нала 43, который работает аналогич но рассмотренному элементу 18, на 40 "второй блок ввода алгоритма порода" 44, который скоммутирован согласно соответствию" уровня давления на долбто и скорости Проходки, соответствующих раэбуриванию породы с конкретными коэффициентами крепости, С данного блока сигнал о скорости проходки подается на т т из схем совпадения 33-35, на которую кишел сигнал о давлении- на долбто, соот-" ; ветствующий при данной скорости проходки конкретной крепости разбуриваайой породы;

Таким образом, сигнал на выходе той или иной схемы совпадения 19-21

55 будет лишь в случае совпадения сигналов уровня колебаний буровой штанги, давления и скорости проходки.

Этот сигнал подается на индикатор 22, фиксирующий его в размернос@ ти крепость разбуриваемой породы .

На этот же индикатор приходит сигнал с усилителя 38, соответствующий скорости проходки,,для определения глубины залегания породы с фиксируемой крепостью, I ...ж фЯж Ь ;; . =;, 4 Хф ф Г"" ..;" «РфД фР Я „.aÞ, Ябмах,, Н - " Р .- а " М»»

---. v .Ф.

737902

Со схем совпадения, соответствую щих пропусканию сигнала при раэбуривании рудного тела (19 и ."О), напряжение подается на схему ИЛИ 23.

Схема задержки : 24 срабатывает лишь в случае отсутствия сигнала со схемы ИЛИ 23 и наличия сигнала со схемы совпадения, соответствующей пропускаиию сигналов от раэбуривания -вмещающей породы (21). Схема задержки 24 вырабатывает сигнал после истечения времени, соответствующего величине перебура во вмещающую породу, После этого срабатывает схема формиро вания управляющего напряжения 25 и отключает двигатель вращения бурового снаряда при использовании устройст-15 ва на буровом станке при разбуривании рудного тела. Так как уровень колебаний буровой штанги и скорость прохЬдки зависят от числа оборотов, то в устройстве

" " ПредусМбтрена коррекция по уровням, использующая в качестве управляющего напряжения сигнал о скорости вращения буровой, штанги.

L аборта корректирующей цепи сле- д5 дующая. С датчика скорости вращения

" через согласующий элемент 13 переменное напряжение, частота которого пропорциональна,числу оборотов буровой штанги, пбступает на схему выработки порогового. уровня 14, схема 14 вырабатывает корректирующее напряжение дйя" йэмененйя порога пропускания порох овых элементов 15, 1б, 17, 40, 41 и 42.Амплитуда корректирующего напряжения пропорциональна числу оборотов буровой штанги.

Иэ теорий распознавания образцов следует, что подобного рода устройст-: во требует первоначального обучЕния.

В настоящем выполнении настройка 4{) осуществляется изменением коммутации входов и выходов:блоков";ввода""3Глгб- ритмов порода, 36 и 44 при бурении образцов горной пброды с известными механическими свойствами.:Устройство прошно промышленные испытания на Северо-Джезказгайском руднике. Испытания устройства проводились на станке шарошечного бурения СБШ-250ИН по пер "еж щимся поро- 50 дам и руде.

Во время испытаний было выявлено, что устройство работоспособно и обеспечивает распознавание механическйх свойст в раэбуриваемой породы. Исполь-, зование..в качестве информативных пара 55 метров наряду с виброускорением, сКорости проходки, давления на долото и корректировки по уровням, вследствие изменения числа оборотов штанги, исключают ошибки и определении меха- 49 нических свойств разбуриваемой породы. Возможность ойределения границ залегания рудного тела с помощьюустройства дает возможность выдеряивания равных перебуров по площади залегания рудного тела, что предотвращает разубоживание руды после взрыва.

Устройство дает воэможность корректировки параметров буровэрывных работ с целью их оптимизации.

Формула изобретения

1. Устройство для каротажа скважин в процессе бурения, содержащее канал измерения колебаний буровой: штанги, состоящий из двух пьеэодатчиков-, двух усилителей, соединенных" с пьезодатчиками через истоковне повторители, дифференциального усилителя, соединенного с усилителями, фильтра и индикатора, канала коррекции сигнала по скорости вращения буровой штанги, состоящего из согласующего элемента, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что, с целью повышения точности определения свойств горных пород, в него введены каналы измерения давления, скорости проходки и установки перебура, причем все введенные каналы соединены с каналом измерения колебаний буровой штанги, а канал измерения скорости проходки соединен также с каналом измерения давления и каналом коррекции сигнала по скорости вращения буровой штанги.

2. Устройство по п.1, о т л и— ч а ю щ е е с я тем, что канал измерения колебаний буровой штанги состоит из передатчика, подключенного к дифференциальному усилителю, и последовательно соединенных приемника, усилителя сигнала колебаний буровЬй штанги, фильтра,"схемы выработки среднего значения сигнала колебаний штанги, пороговых элементов, элемента выделения максимального сигнала и схем совпадения.

3. Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что в канал коррекции сигнала по скорости вращения буровой штанги введена схема выработки порогового уровня, выходы которой подключены к пороговым элементам канала измерения колебаний буровой штанги и скорости проходки.

4, Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что канал измерения давленйя состоит,из последовательно соединенных датчика давления, усилителя сигнала давления, выпрямителя, пороговых элементов, элемента выделения максимального сигнала, схем совпадения, блока ввода алгоритма порода канала измерения давления, выход которого подключен к схемам совпадения канала измерения колебаний буровой штанги, 5. Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что канал измере-, ния скорости проходки состоит из соединенных последовательно датчика скорости проходки, усилителя сигнала. i.

3/902 10 тельно соединенных ячейки ИЛИ, схемы задержки и схемы 1 опмирования управляющегоо на пр яжени я .

Составитель Э.Волконский

Редактс О.Коляда Техред М.Петко Корректор Г.Назарова й. м Ъ. - м% М. /Фимоз . 4 &

Заказ 2656/27 Тираж 649 ... .Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП Патент, гоужгород, ул.Проектная,4 скорости проходки, выпрямителя, пороговых элементов, элемента зыделения максимального сигнала, блока ввода альгоритма порода канала измерения скорости проходки, выход которого подключен к схемам совпадения канала измерения давления, 6. Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что канал установки перебура состоит из последова-

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Заявка Великобритании Р 128598", кл. G 01 N 3/34, 1972.

2. Патент Франции Р 1587350, кл. F. 21 В 47/00, 1970 (ппототип).