SU1033719A1 - Устройство дл измерени осевой нагрузки на долото - Google Patents

Abstract

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ОСЕВОЙ НАГРУЗКИ НА ДОЛОТО, содержащее датчик веса бурильного инструмента , соединенный с одним на входов блока вычитани  непосредетве шю, а с другими через последовательно соединенные первые ключи и первый блок пам ти , выход блока вычитани  соединен с входом индикатора, отпичающеес   тем, что, с целью повышени  точности измерени  устройства, в него введены аналого-Ш1( преобразователи, датчик подачи, блок управлени  ключами, второй, третий и четвертый ключи, второй , третий, четвертый и п тый блоки пам ти, зацатчик коэффициентов, дополните льнь1й индикатор и блок вычислени  осевой нагрузки, при этом датчик веса бурильного инструмента через первый анагюго-ци чювой преобразователь подключен к информационным входам второго, третьего и четвертого ключей, выходы которык через соответствующий блок пам ти , подключены к первому, второму и (Л третьему входам блока вычислени  осевой нагрузки, четвертый вход которого соединен с выходом задатчика коэффицие1 тов , датчика подачи через второй аналого-цифровой преобразователь соединен с информационным входом питого ключа, выход которого через четвертый блок пам ти соединен с п тым входом ОО блока вычислени  осевой нагрузки, вы00 ход которого соединен с дополнительным индикаторов, выходы блока управлени  аЛ ключами соединены с управл ющими вхоСО дами ключей и блока вычислени  осевой нагрузки.

Description

Изобретение относитс  к бурешпо гпу бокик скважин при разведке и добыче по пезных ископаемых и предназначено дн  опредепе НИИ осевой нагрузки на допото в процессе бурени  скважины. Осева  нагрузка на допото  вп етс  важнейшим регулируемым параметром, о правильного выбора которого во многом зависит эффективность управпеки  iipoцессом бурени , В насто щее врем  в св зи с отсутствием надежных каналов св зи с забоем в основном используетс  косвенный метод измерени  осевой нагрузки на долото - по изменению веса бурильного инструмента. При измерении. веса бурильного инструмента производит с  преобразование усили  на крюке тапевой системы буровой установки в изме рительный сигнал. Уравнение этого преобразовани  имеет следующий йид: -K(Q±T)a, где - результат измерени  веса бурильного инструмента; К коэффициент преобразовани  из мерительного устройства; Q - вес бурильного инструмента; Т - силы трени  колонны бурильны труб о стеНки скважины; а - аддитивна  погрешность измери тельного устройства, нак силы треНи  зависит от та правлени  дви сени  колонны бурильных труб, так при движении колонии вниз си лы трени  имеют знак минус. Из уравнени  преобразовани  измерительного устройства видно, что источи ками погрешности измерени  веса бу. рильюго инструмента  вл ютс  нестабильность кое зфициента преобразовани  К измерительного устройства; непосто нство сил тр($ни  Т кодоннь о стенки скваживы; аддативна  погрешность изме рительного уа-ройства. Цп  умевьпюни  н стабилизации сил трени  колонны бурильных труб с стенки скважины при ту| инном бурении колонн медпеи:но проворачиваетс  с помощью cneJ aiibHoro привода. При определении осевой нагрузки на доното в ннчатю измер етс  и запом наетс  вес бу рильного инструмента, не касаюш бгос  €1або  скважины ,-(Ро-Т)а, где Q - полный вес колонны бурильны труб после спуска ее в скважину . Осева  нагрузка на долото создаетс  частью веса колонны бурильных труб, поэтому в процессе бурени  при создании осевой нагрузки на долото вес бурильного инструмента уменьшаете на величину Р, равную осевой нагрузке на долото. V(Qo-P-T)a. Осева  нагрузка на долото определ етс  как разность этих двух измерений. Счита , что при проведении этих измерений направление движени  колонны не измен лось , и прин ты к уменьшению и стабилизации сил трени  путем проворачивани  колонны бурильных труб и что за период времени между измерени ми аддитивна  погрешность измерительного устройства не изменилась, получим; Этот алгоритм определени  осевой нагрузки используетс  во всех известных устройствах дл  измерени  осевой нагрузки на долото fll. Недостатком этих устройств  вп етс  нестабильность коэффициента преобразовани  К, Учитыва , что устройства измерени  осевой нагрузки на долото, работающие в услови х буровой установки, подвержены вли нию большого числа возмушаюишх факторов, точнрсть этих уст ройств нестабильности коэффициента лреобразовани  невысока. Известны устройства дл  определени  осевой нагрузки на долото, основанные на рассмотренном косвенном методе измерени . Так гидравлический индикатор веса бурильного инструмента, с помощью которого определ етс  и осева  нагрузка на долото, содержит датчик веса бурильного инструмента (гидравлический трансформатор давлени ), закрепл емый на неподвижном конце талевого каната, манометр , по показани м которого определ етс  вес бурильного инструмента, ве{ ньерный показывающий прибор, служащий дл  определени  осевой нагрузки на долото , регистрирующий прибор и прессбачок 12, Недостатком этого устройства  вл етс  больша  погрешность измерени , достигающа  при нормальных услови х эксплуатации 2,5%. При колебани х окружающей температуры вследствие теплового расширени  жидкости,  вл ющейс  рабочим агентом в этом устройстве, погрешность измерени  еще более возрастает. Известно эпекгричвское устройство дп  опредепени  осевой нагрузки на допото , .состо щее из датчика веса бурильного инструмента, в качестве которого испопь ауетс  упругий элемент, механически св к аавный с сельсином, к показывающего прибора, в котором установлен сепьсинприемкик ,. электрически св занный с сепьсином-датчиком Пз}. Недостатком этого устройства  вл ет с  также больша  гюгрешность измерени  составл юща  в нормальных услови х 2,5% и увепичиваюша с  на 1% при ш менении окружающей температуры на каж дые . Наиболее близким по технической сущнюсти к предлах емому  вл етс  устройство дп  измерени  осевой нагрузки на долото, содержащее датчик веса бурильного инструмента, блоки иачитани , два блока пам ти в качестве которых исшпсг эзгютс  потенциометры, нуль-усилитель, ключи, два реверсивных сшигател , два отсчетных устройства и индикатор. Работа этого устройства основана на предварителыюм запоминании сигнатга, гфопорционального весу бурильного нн струмента в тот момент, когда долото . не касаетс  забо , и вычитании из даго сигнала, пропрриионального текущему весу бурильного инструмента в процессе бурени  С4 5). Недостатком известного устройства  вл етс  больша  погрешность измерени  составл юош  2,5% при нормальных усш ВИЯХ эксплу 2тации и увеличивающа с  прн изменении окружающей температуры и по действием других возмущающих факторов, вли ние которых особенно велико в услови х буровой устайошси. Целью изобретени   вл етс  повышение точности измерени  осевой нагрузки на допото. Указанна  цель достигаетс  тем-, что в устройство дл  измере1Ш  осевой нагрузки на долото, содержащее датчик веса бурильного инструмента, соединенный с одними из входов блока вычитани  непосредственно , ас другим через . довательно соединенные первые ключи и первый блок пам ти, выход блока вычитани  соединен с входом индикатора, введены аналого-цифровые преобразователи, датчик подачи, блок управлени  ключами, второй, третий и четвертый ключи, второй , третий, четвертый и п тый блоки пам ти , задатчик коэффициентов, дополнительный индикатор и блок вычислени  осевой нагрузки, тфи этом датчик веса бурильного инструмента через первый ашпого-цифровой преобразователь подключен к информационным входам второго, третьего и четвертого ключей, выхошм которых через соответствующий блок пам ти подключены к первому, второму и третьему входам блока вычислени  осевой нагрузки, четвертый вход которого соединен с выходом задатчнка коэффициентов , выход датчика подачи через второй анатюго цифровой преобразователь схэедивен с инфо1Нь1аш1оншым входом п того , БЫ7ЮД которого через четвертый блок пам ти соеЕШнен с п тым входом блока вычислени  осевой нагрузки, выход которого соединен с дополнительным индикатором , выходы блока управлени  ключами соединены с управл ющими входами ключей к блока вычислени  осевой нагрузки. На чертеже изображена структзфна  схема предложенного устройства. Устройство содержит датчик 1 веса бурильного инструмента, блок 2 вь1читаНИН , ключ 3, блок 4 пам ти, бпок 5 и дикацви , аналого-ци4фовой преобразователь 6, кгаоч 7t блок 8 пам ти, блок 9 вычислени  осевой нагрузки, ключ 1О, блок 11 пам ти, ключ 12, блок 13 пам ти, задатчик 14 коэффициентов, датчик 15 подачи бурильного инструмента, анапогоцифровой преобразователь 16, ключ 17, блок 18 пам ти, блок 19 индикации и блок 20 управлени  ключами. flaT4Hk 1 веса бурильного инструмента соединен с первым входом блока 2 вычитани , а через последовательно соединенные ключ 3 и блок 4 пам ти с BTopiiM входом бгаока 2 вычитани , которого св зан с блоком 5 индикации. Кроме того, датчик 1 весабурильного инструмента св зан через аналого-цифровой преобразователь б и последовательно соединенные ключ 7 и блок 8 пам ти с первым входом блока 9 вычислени  оСевой тгрузки, через последовательно соединенные ключ 1О и блок 11 пам ти - с вторым входом блока 9, а через последовательно соединенные кпюч 12 и блок 13 паьстти - с третьим входом б лежа 9 вычислени  осевой нагрузки. С четвертым входом блсжа 9 св зан задатчик 14 коэффициентоЕС Датчик 15 подачи бурипьюго инстру мента через последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь 16, ключ 17 и блок 18 пам ти св зан с п тым входом блока 9. Выход блока 9 вычиспени  осевой нагрузки соединен с бпо ком 19 индикации. Первый выхоц блока 20 утгравпешш кгаочами с эецивек с управл ющим входом кпюча 3 и управг1 ющим вкодом кпюча 7, второй выход бтюка 20 управлени  соединен с управл юттсм входом ключа Ю, третий выход - с управл ющим входом ключа 12, четвертый вы код - с управл ющим вкодом кпюча 17, а п тый ныкод соединен с входом блока 9 вычислени  осевой нагрузки. В устройстве используютс  два канала измерени  осевой нагрузки на долото. Ка нал грубого измерени  осевой нагрузки включает датчик 1 веса бурильного инструмента , блок 2 вычитани , ключ 3, блок 4 пам ти и блок 5 индикации. Этот канал позвол ет непрерывно получать информаш ю об осевой нагрузке на долото в процессе бурени . Работа этого канала не отличаетс  от работы известных устройств измер гни  осевой нагрузки на долото по иамешмтаю веса бурильного инструмента. Все остальные элементы и блоки уст ройства образуют канал точного измерени  осевой нагрззк 1 на долото, позвол ющий периодически получать более точ кое значение.осевой нагрузки. В основу рабэты канала точного измерени  осевой нагрузки на долото поло жен тестовый метод повышени  точности измерени  Г 5. Сущность этого метода аакпючаетс  в том, что в процессе измерени  осевой нагрузки на долото периодически вводит-с  тест, представп ютдий собой образцовое прухращеше измер емой веш чиньи . Осева  шгрузка на долото создаетс  частью веса колонны бурильнь х труб и регулируетс  переметенкем верхнего кон ца колонны бурк.пьпых труб, Если верхний: коней колонны бурильны труб опустить на величину ДР, то на основании закона Гука осева  нагруззш возрастает на величину модуп :. упругости матервйпа площадь поперечного сечени  дпина колонны бурильных труб. При малых значен шх А. 8 сипы треш  колонны о стешси скважины сохра1шютс  неизменными и образцовое приращение 10 196 осевой нагрузки на долото sP,  вл ющеес  забойным параметром, может быть с высокой точностью определено на осно вании закона Гука по перемещению верхнего конца бурильной колонны Д Р . Предложенное устройство работает следующим образом. После спуска колонны бурильных труб в скважину производитс  измерение веса бурильного инструмента в тот момент , когда долото еще не касаетс  забо  скважины. Сигнал с первого выхода блока 20 управлени  ключами открывает кпючи 3 и 7. Блок 4 пам ти запоминает результат измерени  веса бурильного инструмента . (Qo-T)a, где К - коэффициент преобразовани  измерительного устройства; Т - силы трени  колонны о стенки скважины; а - аддитивна  погрешность измерительного устройства. Одновременно блок 8 пам ти запоминает этот же результат измерени  в цифровом виде после преобразовани  его в аналого-цифровом преобразователе 6 (Оо-т)+а,, где К j; « коэффициент преобразовани  аналого-цифрового преобразовав тел ; : q суммарна  аддитивна  погреш ность измерительного устройст-- ва и аналого-цифрового преобразовател . После первого измерени  ключи 3 и 7 закрываютс . Затем долото доводитс  до забо  к начинаетс  процесс бурени , На один из входов блока 2 вычитани  непрерывно подаетс  сигнал с датчика 1 веса. бурильного инструмента, пропоршюнальный текущему весу бурильного инструмента, который в процессе бурени  уменьшилс  на величину осевой нагрузки на долото Р --(GoP-T)ciНа другой вход блока 2 вычитани  непрерывно подаетс  сигнал из первого блока 4 пам ти, пропорциональный полному весу бурилыюго инструмента. Результирующий сигнал на выходе блока 2 вычитани  определ етс  вьфажением V- t-H-KP Текущее значение осевой нагрузки непрерывно воспроизводитс  блоком 5 индикации . Так работает канал грубого измерени  осевой нагрузки на цопото. Погрешности этого канала измерени  св заны с нестабильностью коэффициента преобразовани  измерительной цепи К под дей- 5 твием разпичнь1х возмущающих факторов. При необходимости получени  точного начени  осевой нагрузки на долото предарительно с помощью канала грубого измерени  устанавливаетс  осева  нагруз- О а Р , несколько меньща  заданного знаени . Затем сигнал с второго выхода блока 20 управлени  ключами открывает ключ 1О, ив блок 11 пам ти поступает игшл с аналог о-цифрового преобразова- 15 теп  6, определ емый выражением

(ао-р-т)о |Далее ключ 10 закрываетс , а сигнал с третьего выхода блока 20 управ- 20 пени  открывает п тый кпюч 17. Осева  нагрузка на долото с помощью канала грубого измерени  доводитс  до заданноо значени  путем перемещени  верхнего онца колонны на некоторую величину 25 дновременно сигнал с датчика 15 подачи бурильного инструмента после преобразовани  в цифровую форму в анапого-1ш4 овом преобразователе 16 через ключ 17 поступает иа блок 18 пам ти, зо где в цифровом виде фиксируетс  перемещение верхнего кошш бурильной колонны

де.

После установки заданного значени  осевой нагрузки ключ 17 закрываетс , и 5 сигнал с четвертого выхода блока 2О управлени  ключами отк1Я 1вает кЛюч 12. В блоке 13 пам ти фиксируетс  в цифровом виде результат третьего измерени , определ емый выражением40

1,-ккцСС)о-Р-)

После третьего измерени  ключ 12 закрываетс .

Произведем следующие илчислеии . 5 Вычтем из результатов первого и второго измерений результат третьего из- мерени  м,-н.,--ККцР

Ма-Ы,,ККц(р-Р)-ККцйР50

Реша  эту систему уравнений относительно Р , получим

.,.УИН.

кКцч -Кг

Из этого выражени  видно, что точность 55 определени  осевой нагрузки на долото не зависит от стабильности коэффициентов преобразовани  К и К« t а определ етс 

только точностью задани  образцового приращени  ос«вой нагрузки Д Р, называемого тестом. Как было показановыше, образцовое приращение осевой нагрузки Др создаетс  путем перемещени  верхнего конца бурильной копонны на величину ДР и при малых значени х ДР определ етс  по закону Гука

Таким образом, после проведени  каналом точного измерени  осевой нагрузки трех рассмотренных измерений с п того выхода блока 20 управлени  по вл етс  сигнал, запускающий процессорный блок 9, который вычисл ет точное значение осевбй нагрузки по алгоритму

- p-:i: r h.

Na-N,, Ь

Результат вычислени  блока вычислени  осевой нагрузки индицируетс  блоком 19 индикации.

С помощью задатчика 14 коэффициентов задаетс  значение множител  EF/b, завис щее от модул  упругости t материала труб, площади поперечного сечени  труб F и длины бурильной колонны L .

При необходимости получени  нового уточненного значени  осевой нагрузки на долото повтор ютс  измерени , св занные с получением цифровых значений 2 и 3 веса бурильного инструмента, и перемещени  верхнего конца бурильной колонны. Блок 9 рассчитывает новое уточненное значение осевой нагрузки по рассмотренному алгоритму.

Устройство может быть упрощено, если перед получением цифрового значени  3 третьего измерени  веса бурильной перемещение верхнего конца бурильной колонны Дс будет составл ть посто нную величину. В этом случае отпадает необходимость в датчике подачи бурильного инструмента и соответствующем аналогоцифровом преобразователе, так как вел чина ДР будет вводитьс  в бпок 9 вы- числени  осевой нагрузки как посто нный коэффициент.

Предложенное устройство позвол ет пот вышать точность измерешш осевой на ,грузки на. долото. Известные устройства дл  измерени  осевой нагрузки на долото имеют погрешность измерени  при нор мапь№1х услови х эксплуатации (2+ 20 С) составл ющую 2,5%, и допол шгельную . погрешность, увеличивающуюс  на 1% на. каждые изменени  температуры, без учета других вт1 ющг1х факторов. В диапазоне раэочих температур от -50 С до , в котором могут работать средства измерени , устанавпиваемые на буровых ;уств1нсовках, обша  погрешность взвеетвых устройств дп  измерени  осевой нагрузки на допото мовкет достигать 9,5% топько Яри изменении температуры . Под действием других возмущак щих факторов погрешность этих устройст может быть еще больше. В предложенном устройстве точнобть определени  осевой нагрузки на долото зависит от точности измерени  перемещени  верхнЕ ГО KoHDik бурильной колонны uiP , точности задани  величин Е, tU и точности Еычисштельных операций. Величина перемещени  верхнего кониа бурильной колонны Ь В  вл етс  наземным параметром и без затруднений может быть измерена цифровыми измерительными устройствами с гогрешностью, не превышающей 1% в диапазоне возможных рабочих температур. Точность задаПИЯ величин Е и Р не ограничена, так как эти ветгаины могут быть измершол заранее с тобой требуемой точностью. Длина бурильной колонны Ai даже в наихуагаем случае может быть измерена с точностью до ±5 м, что на глубине 1ООО м составит 0,5%. Точность выполнени  математических операций не ограничена , так как может быть повышена путем увеличени  разр дности кодов процессорного блока. Таким образом, погрешность предложенного .устройства определ етс , в ооШэвном , погрешностью измерени  перемещени  верхнего кониа бурильной колонны, погрешностью определени  длины бурильного инструмента н тартз. приведенных ВЕШЮ значени х составл ющих погрешностей не превосходит 1,5% во всем диапазоне рабочих температур. В предложенном устройстве могут бытьиспользованы простые, нестабильные, а следовательно, и недорогие датчик веса бурильного инструмента и аналого-цифровой дреобразователь, так как их погрешность не сказываетс  на точности onpisделени  осевой нагрузки на долото.

f -J

ff

/

//

ff

//

J

/J

f2

/tf

Claims (1)

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ОСЕВОЙ НАГРУЗКИ НА ДОЛОТО, содержащее датчик веса бурильного инструмента, соединенный с одним из входов блока вычитания непосредственно, а с другими через последовательно соединенные первые ключи и первый блок памя- ти, выход блока вычитания соединен с входом индикатора, отпичаюшеес я тем, что, с цепью повышения точности измерения устройства, в него введены аналого-цифровые преобразователи, датчик подачи, блок управления ключами, второй, третий и четвертый ключи, второй, третий, четвертый и пятый блоки памяти, задатчик коэффициентов, дополнительный индикатор и блок вычисления осевой нагрузки, при этом датчик веса бурильного инструмента через первый аналого-цифровой преобразователь подключен к информационным входам второго, третьего и четвертого ключей, выходы которых через соответствующий блок па- § мяти, подключены к первому, второму и третьему входам блока вычисления осевой нагрузки, четвертый вход которого соединен с выходом задатчика коэффициентов, выход датчика подачи через второй аналого-цифровой преобразователь соединен с информационным входом пятого ключа, выход которого через четвертый блок памяти соединен с пятым входом блока вычисления осевой нагрузки, выход которого соединен с дополнительным индикатором, выходы блока управления ключами соединены с управляющими входами ключей и блока вычисления осевой нагрузки. .

   SU „,.1033719