Устройство для контроля процесса бурения

О П И С А Й И Е (497404 Союз СоаетскииСоциалистическихРеспублик ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДВТИЛЬСТВУ Е 45/00 61) Дополнительно т. свид) Заявл рисоединением заявки-еоударстоеиай комитетСоаета Миииатрав СССРпа дедам изоаретеиийи открытий 23) Приоритет 22.23.0088.8) 3) л иков а но 30,12,75. Бюллетень ия 03.11,76 вания о та опубл Авторы изобретени И етров, Е. В, Калыгин, Н. Б, Ситников и И. А, Бердов 71) Заявител Свердловский ордена Трудового Красного Знамен горный институт им, В, В, Вахрушева(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ПРОЦЕССА БУРЕНИЯИзобретение относится к области контроля и управления процессом бурения нефтяных, газовых и геологоразведочных скважин и может быть использовано для экспериментального определения коэффициентов уравнений математической модели бурового процесса и целевой функции управления.Известно устройство для контроля процесса бурения, содержащее датчик осевой нагрузки, датчик скорости вращения породоразрушающего инструмента, выполненный в виде тахогенератора с независимым возбуждением, датчик расхода промывочной жидкости, датчик перемещения колонны с релейным элементом, командное реле времени, операционные интегрирующие усилители, регулятор подачи породоразрушающего инструмента, задающий элемент и регистрирующие приборы.Однако получаемая с помощью этого устройства информация является недостаточной для определения связей между зависимыми и независимыми параметрами процесса бурения,Предлагаемое устройство отличается от известного тем, что датчик перемещения ко лонны снабжен дополнительным выходом который через дифференцирующий элемент размыкающие контакты командного реле вре мени и замыкающие контакты релейного эле мента соединен с входом операционного интегрирующего усилителя, а выход тохогенератора с независимым возбуждением соединен с задающим элементом и регулятором 5 подачи породоразрушающего инструмента.Такое конструктивное выполнение устройства позволяет увеличить объем информации о внешних условиях ведения процесса бурения, упростить операции по эксперименталь ному определению связей между зависимымии независимыми параметрами процесса бурения.На чертеже изображена функциональнаяблок-схема устройства для контроля процес са бурения.Исполнительные элементы 1, 2 и 3, приводные механизмы 4, взаимодействующая пара: породоразрушающий инструмент - по.рода забоя 5 - составляют буровую установ ку, для контроля параметров которой предназначено устройство, включающее датчик осевой нагрузки 6, тахогенератор с независимой обмоткой возбуждения 7, тахогенератор с постоянными магнитами 8, датчик 9 расхо да промывочной жидкости, датчик 10 перемещения колонны, на основном выходе которого включен релейный элемент 11 с нормально открытыми контактами 12, 13, 14 и 15, а на дополнительном выходе - диффе- ЗО ренцирующий элемент 16, задающий эле 4974043мент 17. Элемент сравнения 18, регулятор 19 подачи породоразрушающего инструмента, операционные интегрирующие усилители 20, 21 и 22, регистрирующий прибор 23, двухкоординатные регистрирующие приборы 24 и.25, переключатели 26 и 27 сигналов независимых переменных источников 28 нормированного напряжения постоянного тока, блок питания 29, командное реле времени 30 с нормально замкнутыми контактами 31 на выходе,Полный цикл работы устройства по сбору информации о параметрах режима бурения состоит из нескольких этапов, каждый из которых включает 8 - 10 элементарных шагов, характеризуемых приращением проходки на величину 2 Ла, (при Лй, = Лй ) и временем механического бурения Л 1; + + Л 1, За первую половину шага производится контроль времени М; и усреднение мехапическои скорости Р, = , а зянйзвторую - изменение какого-либо независимого параметра и переход системы в новое состояние условного покоя.На первом этапе программы осуществляется приработка породоразрушающего инструмента на забое и определяются базовое значение породоразрушающего фактора Фб и базовое значение механической скорости бурения Г а также коэффициент парабо. лы статической характеристики Р,(Ф), равный (ЛФ - ЛЪо)/ЛФ,Работа системы на этом этапе осуществляется следующим образом. После выполне. ния операции спуска породоразрушающего инструмента с помощью исполнительных элементов 1 и 2 устанавливяются скорость вращения ротора и и расход промывочной жидкости Я. Уровни последних выбираются с учетом данных предыдущего репса. С помощью задающего элемента 17 задается значение породоразрушающего фактора Ф,Ф. Переключатели 26 и 27 устанавливаются в полокение, показанное на схеме сплошной линией. Прп перемещении бурильной колонны вниз на выходе датчика 10 появляется напряжение и включается рслейиый элемент 11. Последн ий своим и контактами производит следующие изменения в схеме: контактом 13 вход операционного усилителя 20 соедигяется с выходом тахогепсратора с независимым возбуждением 7, а контактом 32 отсоединяется выход этого усилителя от второго его входа; контактом 15 подается питание командному реле времени 30, а контактом 14 дифференцирующий элемент 16 соединяется с входом операционного усилителя 22. Начинается отсчет заданного времени усреднения Л 1, За этот отрезок времени на вход операционного усилителя 22 с выхода дифференцирующего элемента 16 поступают импульсы напряжения, частота следования которых пропорциональна скорости 10 5 20 25 зо 35 40 45 50 55 50 55 перемещения колонны, и накапливаются в нем,По истечении времени Ы, контакт 31 командного реле времени 30 размыкается, а контакт 33 замыкается, Напряжение на выходе операционного усилителя 22 в это время пропорционально механической скорости Р Полученный результат, как и значение напряжения У, = Ф, регистрируется в прямоугольной системе координат на ленте прибора 25, С замыканием контакта 33 напряжение на выходе усилителя 22 устанавливается на нуль, Напряжение на основном выходе датчика перемещения колонны снижается до нуля, релейный элемент 11 отключается,Его контакты 13, 14 и 15 размыкаются, а контакт 32 замыкается, Напряжение на выходе операционного усилителя 21 в это время пропорционально сопротивляемости горнойФ,породы разрушению, а, = - , Полученный результат, как и значение напряжения У ф, = - Ф регистрируется на ленте прибора 24. С замыканием контакта 32 напряжение на выходе усилителя 21 устанавливается на нуль. Первая половина шага системы на этом заканчивается.С помощью задающего элемента 17 задается новое значение породоразрушающего фактора Ф = Ф, + ЛФ. Продолжается приработка породоразрушающего инструмента на забое скважины.С повторным срабатыванием датчика 10 перемещения колонны заканчивается вторая половина псрвого шага и начинается второй шаг работы системы. При этом все операции, связанные с измерением Р, а, и Ф, повторяются.К концу первого этапа программы, заканчивающегося измерениями а. и 11 прп Ф ( 0,8 Ф,(где Ф , = Рв), в расположение бурового мастера поступает информация об исследуемых взаимосвязях, представленная в виде двух семейств вертикальных отрезков, верхние концы которых соответствуют значениям зависимостей сопротивляемости горной породы и механической скорости бурения от породоразрушающего фактора. На основании этих графиков легко определяются искомые базовые величины (Ф и Рб ) и коэффициент параболы ля.Основной задачей второго этапа является получение экспериментальной зависимости У, (1) и определение с ее помощью базовой интенсивности условного изнашивания породоразрушающего инструмента.Для ее решения с помощью задающего элемента 17 задается породоразрушающий фактор Ф = Ф;, уровень которого в ходе эксперимента поддерживается неизменным с помощью регулятора 19 подачи.После включения релейного элемента 11 контакт 12 замыкается, а контакт 34 размыкается. На вход операционного интегрирую5щего усилителя 20 поступает нормированное сдиничное напряжение 1, = 1 (1), что соответствует началу первого шага второго этапа программы. Напряжение на выходе операционного усилителя 20 увеличивается по линейному закону.С перемещением колонны на заданную величину ЛЙ = ЛЙ, релейный элемент 11 обесточРзвается, Его контакт 12 размыкается, а контакт 34 замыкается. Напряжение У, на выходе операционного усилителя 20 к этому времени пропорционально относительно площади затупления породоразрушающего инструмента в. Результат измерения фиксируется на ленте прибора 23 и соответствует верхней точке наклонной кривой У, (1). С замыканием контакта 34 напряжение на выходе операционного усилителя 20 устанавливается на нуль.С повторным включением релейного элемента 11 начинается второй шаг второго этапа программы работы устройства. Цикл измерения показателя в повторяется.К концу второго этапа программы, вклю. чающего 6 - 10 шагов, на ленте регистрирующего прибора 23 вычерчивается пилообразный график У, (1), вершины зубцов кото. рого определяют искомую зависимость в (1), вершины зубцов которого определяют искомую зависимость в (1). С помощью последнего определяются скорость затупления г,б =.ЛяЫи базовая интенсивность условного изнашивания породоразрушающего инструмента Йб. - .Л"ои,бОсновпой целью третьего этапа программы раооты системы является получение экспериментального графика зависимости Ъ(со) при Ф = Ф, = сопз 1, необходимого для определсния наивыгоднейшей скорости вращения породоразрушдющего инструмента. Для сс. достижения с помощью задающего элементд 17 зддается породоразрушающий фактор Ф = Ф, значение которого в последучощем поддерживается неизменным регулятором Юдачн 19.Переключатель 27 переводится в положение, показанное пунктиром, Зтим самым к измерительному каналу независимой переменной регистрирующего прибора 25 подсоедНгяется выход тахогенератора с постоянными магнитами 8. С помощью исполнительного элемента 2 задается скорость вращения ПОРОДОРаЗРУШаЮЩЕГО ИНСтРУМЕНта Сс 5, ИЗМЕ- ронне н регистрация механической скорости бурения 1, соответствующей угловой скорости сч, осуществляется следующим образом,При срабатывании датчика перемещения колонны включается релейный элемент 11. Последний своими контактами 15 подключает командное реле времени 30 к блоку пита 4974046ния 29, а контактами 14 соединяет выходдифференцирующего элемента 16 с входомоперационного интегрирующего усилителя 22и т. д, По истечении времени Лконтролируемого командным реле времени 30, контакт 31 размыкается и поступление импуль- сов напряжения на вход усилителя 22 прекращается и т. д,С помощью исполнительного элемента 2О задается скорость вращения сс 5 и на первойполовине второго шага системы измеряется ирегистрируется соответствующая ей механическая скорость бурения 15.С окончанием а-го шага третьего этапа5 программы работы (где и - число ступенейскорости привода ротора) на ленте прибора 25 фиксируются точки, определяющие зависимость (а) при Ф =сопз 1, В качествеоптимальной принимается скорость вращения20 Сс 5- СсОпт , КОтОрОй СООтВЕтСтВуЕт= макс,Основной задачей четвертого этапа работы является нахождение зависимости а., (сПрИ Ф = Ф И С 1=Сс 5., НЕОбХОдИМОй дЛяопределения наивыгоднейшего расхода промывочной жидкости, Для ее решения с помощью исполнительного элемента 2 устанавливается скорость вращения породоразруШаЮщЕГО ИНСтруМЕНта Сд = Сс 5, . ПЕрЕКЛЮЧаз 0 тель 26 устанавливается в положение, указаР 1 ное пунктиром. Зтим самым выход датчика расхода промыьочной жидкости подсоединяется к измерительному каналу регистрирующего прибора.35 С пОмОЩью Р 1 спО, ПителъРОГО элемента 1устанавливаются различные значения расхода промывочной жидкости Я (Я 1, Я и т. д.)и каждый раз ранее изложенным способомизмеряются и регистрируются соответствую 40 щие им значения сопротивляемости горнойпороды разрушению а, К концу этапа наленте прибора 24 фиксируются точки, характеризующие здвисР 1:5 ость а., (Я) приФ=сопз 1 и сд =- сс 5, В качестве оптимального принимается то значение расхода промывочной жидкости Я; = Я, которомуотвечает а,= мин.Нд последующем этапе программы работы устройства бурение ведется в оптимальном режиме и задача сводится к контролюоднородности проходимых горных пород ивремени механического бурения. С достиженнем Времени:51 ехдпческого бурения г= го 11 тили к = к,буренР 1 е прекращается. С целью55 КОНТРОЛ 5 ОДНОРОДНОСТИ ГорНой ПОРОДЫ ОСУщсствлястся непрерывная запись показателяУ, (1) нд ленте регистрируемого прибора 23.Каждый излом графика зависимости е(1) иизменение его наклона к оси времени свиде 00 тельствует О переходе породоразрушающегоинструмента в породу с другими физико-механическими свойствами, При этом по данРым графикам е (1) сравнительно простооценивается буримость породы новой формаь 5 ции и ее абразивные свойства.497404 ь Н, Кривко 3. Тараненко остав Корректор О, Тюрин Редакто хр елена ПодпнсноСССР Тираж 648митета Совета Министретений и открытийРаушская набд. 4/5 Изд.1056ударственного ко ио делам изоб 5, Москва, Ж.З аказ 3592 НИИП МОТ, Загорский филиал 71 аким образом, предлагаемое устройство Позволяет методом активного эксперимента получить объективные сведения об условиях бурения и взаимосвязях между зависимыми и независимыми переменными, необходимые для обоснованного выбора параметров отработки породоразрушающего инструмента, при которых доспигается минимальная стоимость 1 м проходки. Предмет изобретения Устройство для контроля процесса бурения, содержащее датчик осевой нагрузки, датчик скорости вращения породоразрушающего инструментавыполненный в виде тахогенератора с независвмым возбуждением, датчик расхода промывочной жидкости, датчик перемещения колонны с релейным элементом,командйое реле времени, бперационные интегрирующие усилители, регулятор подачи породор аз руша ющего инструмента, задающий элемент и регистрирующие приборы, отличаюи 4 ееея тем, что, с целью увеличения объема информации о внешних условиях ведения процесса бурения, упрощения операций по экспериментальному определению связей между зависимыми и независимыми параметрами процесса бурения, датчик перемещения колонны снабжен дополнительным выходом, который через дифференцнрующий элемент, размыкающие контакты командного реле времени и замыкающие контакты ре лейного элемента соединен с входам операционного интегрирующего усилителя, а выход тахогенератора с независимым возбуждением соединен с задающим элементом и регулятором подачи породоразрушающего инст румента.