Устройство для измерения осевой нагрузки на долото

 

Е

В.А. Кузнецов, Н.Ф. Богданов и И.С. Земскова (72) Авторы изобретения о

Ф

Куйбышевский политехнический институ --ым., В. Куйбышева (7!) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ОСЕВОЙ.

НАГРУЗКИ НА ДОЛОТО

Изобретение относится к области бурения нефтяных и газовых скважин при разведке к добыче полезных ископаемых и может быть использовано в системах оперативного управления бурением для поиска эффективной осевой нагрузки на долото.

Известно устройство для определе ния эффективной осевой нагрузки при турбинном способе бурения, основанное на анализе осевой нагрузки на

19 долото в процессе специального режима бурения jl j.

Специальный режим бурения осуществляется путем предварительной раэгрузез ки долота и последующим заданием скорости бурения намного большей, чем. скорость бурения в установившемся режиме (Чэ). Эта скорость (Чр) поддерживается постоянной в течение всего времени поиска.

Поскольку. Чр>> Ч, нагрузка на долото растет, однако в области экстремума функции Ч. = f (P ) первая производная имеет минимум, а вторая

ОРИ де меняет знак на противоположный. д

Этот момент характеризуется наступлением эффективной осевой нагрузки на долото (Р ф), при которой механическая скорость бурения достигает максимального значения.

Устройство содержит датчик веса, определитель нагрузки, запоминающее устройство, дифференцирующее устрой". ство, блок управления, исполнительный механизм, задатчик регулятора скорости, регистратор скорости, датчик скорости, сумматор, запоминающее устройство усредненной скорости проходки "сигнум-реле, исполнительный орган, узел перенастройки, первый и второй переключающие устройства, устройство задания интервала интегрирования.

Недостатки этого устройства связаны с необходимостью дифференциро870682!

О

55 вания сигнала об осевой нагрузке,что усиливает влияние помех йа точность определения эффективной осевой нагрузки, с большими динамическиэр4 перегрузками воздействующими на колонну бурильных труб и долото в период переходного процесса, что может привести к аварии на забое.

Известно устройство для определения эффективной осевой нагрузки на долото $2).

Движение колонны бурильных труб описывается уравнением

9 Ч + С вЂ” >

dP

i% 1l с1 с где Ч®- механическая скорость бурения;

Ч вЂ” скорость подачи долота

П

С вЂ” коэффициент, учитывающий параметры колонны бурильных труб, Р— осевая нагрузка на долото.

Работа устройства заключается в анализе информации об осевой нагрузке на долото при заторможенном верхнем конце колонны труб, когда V> = О.

dP

v +с дt

В этом случае механическая скорость бурения пропорциональна скорости изменения осевой нагрузки на долото.

Устройство осуществляет поиск эффективной осевой нагрузки при специальном режиме бурения: осевая нагрузка на долото доводится до максимального значения Р „, ограничиваемого прочностью долота или критической нагрузкой турбобура, после этого подача инструмента прекращается.

Ilo мере выбуривания породы осевая нагрузка на долото уменьшается и последовательно проходит все значения от P до О. Такой характер изменеП1.ОХ ния осевой нагрузки при остановленной подаче инструмента подтвержается экспериментальными исследованиями.

В тот момент времени, когда осевая нагрузка равна эффективному значению, темп ее изменения максимальный. 3a эффективное значение осевой нагрузки на долото Р Ф принимают ее значение, эф с Р при котором производная достигает

СЙ, максимальной величины.

Для уменьшения влияния сил трения колонны бурильных труб о стенки скважины бурильную колонну постоянно в процессе поиска Рэ проворачивают.

Таким образом устройство осуществляет поиск максимального значенияф)сф

Недостатки устройства связаны с необходимостью проведения специально" го режима поиска, занимающего длительное время. В течение поиска большую часть времени долото работает при неэффективной нагрузке, что снижает среднюю за долбление скорость бурения.

Так как в процессе поиска нагрузка на долото доводится до максимальных значений;. то надежность работы долота и бурильных труб снижается.

При поиске эффективной нагрузки иа долото определяется производная осевой нагрузки по времени, но сигнал об осевой нагрузке сильно эашумлен помехами, возникающими в колонне бурильных труб и в талевой системе под действием вибраций бурильного инструмента, сил трения колонны о стенки скважины и пульсаций промывочной жидкости, поэтому при дифференцировании сигнала об осевой нагрузке помехи усиливаются, что снижает надежность определения эффективной нагрузки

Известно устройство, являющееся наиболее близким к изобретению по технической сущности, содержащее датчик веса, блок памяти, пороговые элементы и индикатор 3

Недостатком устройства так же является невысокая точность измерения.

Целью изобретения является повышение. точности измерения.

Цель достигается тем, что устройство, содержащее датчик веса, блок памяти, пороговые элементы и индикатор, снабжено двумя интеграторами, блоком вычитания, источником опорного напряжения, блоком сравнения и пятью ключами, при этом выход датчика веса соединен с первым входом вычитания и входом блока памяти, выход которого соединен со вторым входом блока вычитания, выход которого связан со входом первого порогового элемента, связан через первый ключ со входом второго порогового элемента и .соединен через первый и второй ключи со входом первого интегратора, выход которого подключен через четвертый ключ с первым входом блока сравнения, причем выход источника опорного напряжения соединен через третий ключ со входом второго интегратора, выход которого связан через пятый ключ со вторым входом блока

8706 сравнения, а выход блока сравнения связан со входом индикатора, при этом выход первого порогового элемента связан со входами первого, четвертого и пятого ключей, а выход второго порогового элемента связан со входами второго и третьего ключей.

На фиг, 1 представлена блок-схема устройства для измерения осевой на-.грузки на долото р на фиг. 2 — диаг- 111 рамма изменения осевой нагрузки на долото в процессе разбуривания при остановленной подаче, иа фиг. 3— диаграмма изменения веса инструмента в процессе поддержания выбранного значения осевой нагрузки на долото.

Устройство для определения эффективной осевой нагрузки на долото содержит датчик веса 1, блок памяти 2, блок вычитания 3, первый пороговый элемент 4, первый ключ 5, второй пороговый элемент 6, второй ключ 7, первый интегратор 8, источник опорного напряжения 9, третий ключ 10, второй интегратор. 11 четвертый ключ 12 пятый ключ 13, блок сравнения 14, индикатор 15.

Устройство работает следующим об-: разом.

Устройство интегрирует осевую на- З0 грузку по времени на заданном интервале ее изменения hP, поэтому отсут- ствуют блоки поиска максимального

Т значения производной осевой нагрузки

QF Ù :а поиск эффективного значения осевой нагрузки (Р ф) основан на сравнении проинтегрированного значения текущей осевой нагрузки в течение времени ht, за которое при остановленной подаче бурильного иистру- Ip мента осевая нагрузка изменится .на заданную величину ЬР, с сигналом, полученным путем интегрирования опорного напряжения, пропорционального величине ЬР, в течение этого же времени дй. Разность между этими значе- ниями выводится на индикатор с соответствующим знаком, что позволяет оперативно определять знак и величину необходимых изменений осевой нагрузки.

В процессе начального нагружения долота происходит уменьшение веса инструмента. При разбуривании с остановленной подачей вес снова уведичиЯ вается и блок памяти фиксирует .минимальное из доступных значений веса инструмента. На выходе блока вычитания сигнал появляется в момент увели8 6 чения веса инструмента и представляет разность текущего веса и наименьшего зафиксированного в блоке памяти. При этом первый пороговый элемент срабатывает при достижении сигнала на его входе величины АР, а второй пороговый элемент срабатывает при появлении сигнала на выходе блока вычитания.

Если после первого поиска изменился режим бурения и необходимо провести повторный поиск, то уменьшают осевую нагрузку и временным отключением прибора сбрасывают содержимое блока памяти. Таким образом, эа изменением осевой нагрузки следит и фиксирует ее максимальные значения блок памяти и два пороговых элемента.

Определение эффективной осевой нагрузки.на долото с помощью заявленного устройства происходит следующим образом.

Осевую нагрузку на долото увеличивают на величину ЬР, значительно меньшую максимально возможной нагрузки

Р„„ „, затем верхний конец бурильной колонны затормаживается. По.мере выбуривания породы осевая нагрузка на долото уменьшается. График изменения осевой нагрузки при этом повторяет участок на кривой изменения осевой нагрузки на долото от Р1врудо 0 .при остановленной подаче.

Например, если бурение ведется в зоне эффективных значений,. то осевая нагрузка при остановленной подаче " уменьшается по кривой СО, повторяя участок АВ кривой изменения осевой нагрузки. Если бурение ведется в зоне нагрузок больших эффективной осе-. вой нагрузки (РЪ Р ф),.кривая изменения осевой нагрузки в диапазоне hP при остановленной подаче является выпуклой.

Сравнивая площадь треугольника, у которого катеты соответственно пропорциональны величине уменьшения осевой нагрузки на долото АР, в процессе поиска эффективной осевой нагрузки, и времени поиска t» с площадью фигуры, образованной заменой в треугольнике гипотенузы кривой изменения во времени осевой нагрузки на долото на интервале t, можно определить в. какой soae осевых нагрузок ведется бурение.

Если Р7 Р9 1, то площадь треугольника EFK меньше площади фигуры, образованной заменой гипотенузы FK кри0492 8 порогового элемента 4 и через первый ключ 5 на второй пороговый элемент 6, который включает второй ключ 7 и третий ключ 8. В результате чего сигнал с выхода блока вычитания через первый ключ, второй ключ поступает на вход первого интегратора 9. Сигнал от источника опорного напряжения 10 через третий ключ поступает на вход второго интегратора l l. В момент достижения веса инструмента значения Pg срабатывает первый пороговый элемент и разрвеает первый ключ, одновременно включая четвертый 12 и пятый 13 ключи. В результате чего сигналы с выходов первого интегратора и второго интегратора через соответственно четвертый и пятый ключи поступают на первый и второй входы блока сравнения 14..

Блок сравнения вырабатывает сигнал, зависящий от соотношения сигналов первого и второго интеграторов, этот сигнал с выхода блока сравнения поступает на вход индикатора 15, который в зависимости от того превышает сигнал с датчика веса или нет сигнал от источника опорного напряжения, сигнализирует о необходимости соответственно, уменьшать или увеличивать осевую нагрузку. В случае равенства сигналов, индикатор сигнализирует об эффективности осевой нагрузки на долото.

В предложенном устройстве определения эффективной осевой нагрузки на долото производится интегрирование сигнала об осевой нагрузке, чем значительно ослабляется действие помех.

Это дает возможность. определять эффективную осевую нагрузку прн небольших значениях hP. Это в свою очередь приводит к сокращению длительности поиска, к повышению точности определения эффективности осевой нагрузки.

Применение заявленного устройства повысить эффективность бурения за счет увеличения рейсовой скорости проходки, улучшения условий работы долота.

Наиболее эффективное использование изобретения возможно при релейном регулировании осевой нагрузки на долото, когда осевая нагрузка в процессе бурения вручную или автоматически изменяется в пиапааоне АР.

Направление изменения осевой нагрузки, ведущее к максимальной скорости бурения определяется сразу по резуль- 0 татам первого анализа указанных площадей.

Если окажется, что Sa< Q то необходимо уменьшать осевую нагрузку, если 8ЬЪ5ф, необходимо увеличивать . осевую нагрузку и если Sh =. ®, то осевая нагрузка соответствует эффективному значению.

Диапазон изменения осевой нагрузки 6Р.определяется разрешающей спо: собностью измерительного устройства.

Если разрешающая способность измерительного устройства @SAN, то должно выполняться условие

Sy - Sn+ ЬSp

Подставляя в это выражение значения

S н Ь „получим: .+ Р 1 2 Р- =0 Р

1 о 2 И Р

Отсюда формула изобретения

7 8 вой 2 изщенения осевой нагрузки на интервале t, то есть Ф

Аналогично, если Р Р9, то Sh>S, и если P, Ð,, то Sh Q.

Площадь треугольника определяется выражением óP а

2 при,0,Р СОпзй, 86=К t, то есть площадь.пропорциональна времени поиска the

Площадь фигуры Зф определяется интегралом

И

Sф 3 P(t)dt о

tn

Практический диапазон ЬР не превышает 2 т.

В процессе бурения сигнал с выхода датчика веса 1 поступает на входы блока памяти 2 и блока вычитания 3.

При достижении веса инструмента значения P(блок памяти фиксирует это значение и в дальнейшем с выхода блока памяти на второй вход блока вычитания поступает сигнал пропорциональный Р1 .

Блок вычитания вырабатывает сигнал пропорциональный разности текущего значения веса инструмента н Р, этот сигнал поступает на вход первого

Устройство для измерения осевой нагрузки на долото, содержащее датчик веса и блок памяти, пороговые элемен70682 10 ка сравнения, а выход блока сравпения связан со входом индикатора, ащщ этом выход первого порогового эле, мента связан со входами первого, ч4цвертого и пятого ключей, а выход щ .рого порогового элемента связан со входами второго и третьего ключей.

9 8 ты и индикатор, о т л и ч а ю щ е е— с я тем, что, с целью повьппения точности измерения, оно снабжено двумя интеграторами, блоком вычитания, источником опорного напряжения, блоком . сравнения и пятью ключами, при этом выход датчика веса соединен с первым входом блока вычитания и входом блока памяти, выход которого соединен со вторым входом блока вычитания, выход которого связан со входом первого порогового элемента и связан через первый ключ со входом второго порогового элемента и соединен через первый и второй ключи со входом первого ин тегратора, выход которого подключен через четвертый ключ с первым входом блока сравнения, причем выход источника опорного напряжения соединен через третий ключ со входом второго интегратора, выход которого связан через пятый ключ со вторым входом блоИсточники информации

Iy принятые во внимание при экспертизе

I. Демин Е.А. и Кириченко Б.В.

Устройство для определения и поддержания максимальной скорости проходки при турбинном способе бурения. НИИНП, "Бурение", вып. 41, Куйбышев, 1969.

2. Фингерит М.А. Технологические критерии оперативного управления работой долота. НИИНП, "Бурение", вып. 41, Куйбышев, 1969.

3. Авторское свидетельство СССР

У 573570, кл. Е 2I В 19/03, 1977 (прототип).

870682

Тираж 63О . Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

1)3035, Москва, й-35, Рауиская наб., д. 4/5

Заказ 8536/34 филиал ППП "Патент", r. ужгород, ул. Проектная, 4

Составитель Т. Данилова

Редактор Н. Багирова Техред Т.Каточка

Корректор Г. Ренетник