Устройство для контроля частоты вращения вала турбобура

)5 Е 21 В 45/О ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ сследовательскииой геофизики Ш.Дубинский и тво СССРО, 1976.тво СССР00, 1982.(54) УСТРОЙСТВО Д ТЫ ВРАЩЕНИЯ ВА (57) Изобретение от жин и позволяет по ля частоты вращен устройстве датчико ЛЯ КОНТРОЛЯ ЧАСТО- А ТУРБОБУРА осится к бурению сквасить точность контроия вала турбобура, В 1 вибрации регистри 02 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯПРИ ГКНТ СССР К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(56) Авторское свидетельсМ 652318, кл. Е 21 В 45/ОАвторское свидетельсч. 1055864, кл. Е 21 В 45/ руются вибрации бурильной колонны, Далее полосовым фильтром 3 выделяется полоса частот, в которой заключена основная гармоника исследуемого сигнала. С выхода фильтра 3 информативный сигнал поступает непосредственно на первый вход корреляционного анализатора 5, а на второй вход - через блок 4 управляемой линии задержки. В анализаторе 5 определяется автокорреляционная функция виброакустического сигнала. По частоте вариации максимума этой функции при линейном увеличении временной задержки определяется значение частоты основной гармоники вала турбобура. Результат отображается блоком 10 индикации, Блок 11 управления обеспечивает синхронную работу блока 4 управляемой линии задержки, анализатора 5 и блока 10 индикации, 2 ил.Изобретение относится к телеконтролю ет возможность использования его как авто- забойных параметров в процессе турбинно- намного устройства.го бурения нефтяных скважин, в частности . Наиболее близким к предлагаемому явк контролю частоты вращения вала турбобу- ляется устройство для контроля частоты ра, 5 вращения вала турбобура, содержащее датНепрерывный контроль частоты оборо- чик вибраций. установленный на вертлюге и тов долота позволяет поддерживать такие предназначенный для преоброзования менагрузки на долото, которые являются опти- ханических колебаний бурильной колонны в мальными для работы забойного двигателя электрический сигнал, выход которого поди долота, что способствуе в конечном счете 10 ключен к входу усилителя, предназначенноповышению скорости проходки, увеличе- го для усиления и формирования нию проходки на долото. Точный контроль анализируемого сигнала, выход которого за оборотами долота наиболее актуален при подключен к входу аналого-цифрового преведении турбинного наклонно-направлен- образователя, предназначенного для полного бурения, при котором весьма трудно с 15 учения цифровой формы анализируемого поверхности оценить значение нагрузки на сигнала, выход которого подключен к блоку долото, и частота вращения долота является памяти, предназначенному для запоминанаиболее приемлемым параметром для оп- ния ординат анализируемого процесса, вытимизации режима бурения. ход которого подключен к корреляционномуИзвестно устройство контроля часто анализатору, осуществляющему специалиты вращения вала турбобура по механиче- зированнуюоработкуисходного процесса, скому каналу связи, в котором упругие один выход которого подключен к блоку упколебания бурильной колонны преобразу- равления,адругойвыходсоединенсвходом ются в электрический сигнал, который в блока индикации, предназначенным для випоследствии поступает в измерительное 25 зуального отображения текущей информаустройство, где входные полосовые филь- ции, Блок управления, выходы которого тры разделяют данный сигнал на низкоча- соединены соответственно с управляющистотные и высокочастотные составляющие ми входами аналого-цифрового преобразос диапазонами 20 - 120 и 120 - 250 Гц соот- вателя, корреляционного анализатора и ветственно. Полагая, что низкочастотные 30 генератора опорных сигналов, служит для составляющие вызваны перекатыванием выработки управляющих сигналов.шарошек долота по волнообразной повер- Генератор опорного сигнала предназхности забоя, а высокочастотные - перека- начен для формирования сигнала опорной тыванием шарошек с зубца на зубец по частоты, необходимого для специализирозабою скважины, оценка частоты враще ванной обработки исходного сигнала. Выния вала турбобура в устройстве осущест- ход генератора подключен к входу вляется по двум алгоритмам - по низким корреляционного анализатора.или по высоким частотам. Выбор того или В корреляционном анализаторе по сигиного алгоритма осуществляется путем налу с блока управления рассчитываются сравнения осредненных значений ампли значения взаимокорреляционной функции туд сигналов в обоих диапазонах. Если в между исходным процессом, поступающим сигнале преобладают низкочастотные со- из блока памяти, и опорным сигналом, выставляющие, то контроль частоты произво- рабатываемым генератором опорных сигнадится понизкимчастотам почислупровалов лов, Причем временной сдвиг между ними бурильной колонны на ухабах, а в случае 45 осуществляется вблокепамяти. Максимальпреобладания высоких частот - по числу ное значение взаимокорреляционной функ- ударов зубьев шарашек о забой за единицу ции получается при совпадении частоты времени, опорного сигнала с частотой полезного сигНедостатком данного устройства явля- нала, подаваемого на прибор в смеси со ется низкая точность и сложность в обслу случайной помехой,живании, обусловленная тем, что По мере вычисления функции для кажухабистости забоя, которыми объясняется дой частоты опорного сигнала в корреляципроисхождение низкочастотных составляю- онном анализаторе происходит выбор щих, присущи только твердым породам и не максимального значения этой функции и опхарактерны для относительно мягких пород. 55 ределение частоты, соответствующей этому Кроме того, аппаратурная реализация уст- максимуму. Значение этой частоты соответройства сложна и необходимая точность из- ствует частоте вращения долота в забое. мерения предполагает привлечение для Выделение из исследуемого сигнала чаобработки сигналов малых ЭВМ или других стоты, соответствующей частоте вращения ,вычислительных устройств, что ограничива- вале турбобура, с помощью корреляцион40 50 55 ной обработки позголяет исключить влияние случайной частоты и фазы на результаты измерений, так как случайный сигнал ставится в соотве;ствии наиболее вероятному детерминированному сигналу, а конечные результаты формируются на основе измерения соответствующего детерминирующего сигнала, что значительно повышает точность измерений по сравнению с ранее известн ыми устройствами.Недостатком данного устройства является низкая точность измерения, обусловленная следующими причинами,В данном устройстве частотные диапазоны исследуемого сигнала и генератора опорных частот не ограничены. Это может привести к появлению дополнительных максимумов функции взаимной корреляции, например, на частотах, вызванных вращениями шарошек долота или ударами зубьев шарошек о породу. В зависимости от того, какому из данных частот в данный момент времени соответствует большее значение функции взаимной корреляции, в устройстве выделяется то или иное значение частоты, которое при постоянном коэффициенте пересчета его в частоту вращения вала турбобура приводит к неверным результатам.Кроме того, в устройстве не учитываются фазовые соотношения между анализируемым сигналом и сигналом, вырабатываемым опорным генератором.В зависимости от того, в каком фазовом соответствии находятся исследуемый и опорный сигналы, значение их функции взаимной корреляции разное, Например, когда они находятся в фазе, функция взаимной корреляции имеет положительный максимум, а когда они находятся в противофазе, функция имеет отрицательный максимум, При произвольном фазовом соотношении функция взаимной корреляции имеет некоторое промежуточное значение, Таким образом, нельзя адекватно оценивать и сравнивать между собой два произвольных значения функции взаимной корреляции для разных значений частоты опорного генератора. Цель изобретения - повышение точности контроля частоты вращения путем использования в качестве опорного сигнала сдвинутого по времени исследуемого сигнала. Поставленная цель достигается тем, что устройство для контроля частоты вращения вала турбобура, содержащее датчик вибраций, выход которого соединен с входом усилителя, корреляционный анализатор, блок индикации и блок управления, включающий 5 10 15 20 25 30 35 в себя генератор, выход корреляционного анализатора соединен с входом блока индикации, выход блока управления подключен к первому управляющему входу корреляционного анализатора, снабжено полосовым фильтром и блоком управляемой задержки, а в блок управления введены счетчик, преобразователь код - период. делитель частоты, первый и второй формирователи, причем выход усилителя подключен к входу полосового фильтра, выход которого соединен одновременно с первым входом корреляционного анализатора и входом блока управляемой задержки, выход последнего подключен к второму входу корреляционного анализатора, а в блоке управления выход генератора подключен к входу делителя, выход которого, являющийся одновременно первым выходом блока управления, соединен с первым управляющим входом корреляционного анализатора и входом счетчика, первый выход которого соединен с объединенными входами первого и второго формирователей, а второй выход подключен к входу преобразователя код - длительность, выход которого, являющийся одновременно вторым выходом блока управления, подключен к управляющему входу блока управляемой задержки, выход второго формирователя, являющийся одновременно четвертым выходом блока управления, подключен к управляющему входу блока индикации,Существенное отличие данного устройства заключается в том, что оно позволяет измерить частоту, соответствующую основной гармонике оборотов вала турбобура в определенной полосе частот, тогда как в известном устройстве диапазон исследуемых частот не ограничивается и измеряется преобладающая частота. имеющая в данный момент времени мэгсимальную амплитуду, и по этой преобладающей частоте вычисляется частота оборотов турбобура, хотя и зта преобладающая чэстога может быть обусловлена другими, например геологическими или технологическими факторами. Кроме того, в извест ном устройстве данная частота определяегся по наилучшему коррелированию исследуемого сигнала с опорной частотой пересгрливэсмого генератора без учета фазовых соотношений между ними, а в предлагаемом устройстве в качестве опорного сигнала используется сам исследуемый си над, сдвинутый по времени, и вычисляегся его эетокорреляционная функция, кп прая уже является функцией не от чэсогь э от воеменного сдвига, Преоблэдэюнрч агота, равная основной гармони. оборотов турбь бура, оп 1719627ределяется по видимой частоте повторения максимума автокорреляционной функции при линейном увеличении временной задержки, Таким образом, в данном устройстве автокорреляционным методом выделяется и регистрируется именно та частотная составляющая, которая имеет максимальное значение спектральной плотности в полосе прозрачности полосового фильтра,Таким образом повышается точность измерения частоты оборотов вала турбобура в процессе бурения,На фиг. 1 приведена структурная схема предлагаемого устройства; на фиг, 2 - временная диаграмма работы устройства.Устройство содержит датчик 1 вибраций, усилитель 2, полосовой фильтр 3, блок 4 управляемой задержки, корреляционный анализатор 5, включающий умножитель 6, интегратор 7, компаратор 8, двоично-десятичный счетчик 9, блок 10 индикации, блок 11 управления, включающий преобразователь 12 код - период, генератор 13, делитель 14 частоты, счетчик 15. первый формирователь 16 импульса и второй формирователь 17 импульса.Функциональные узлы соединены следующим образом.Выход датчика 1 вибрации через усилитель 2 подключен к входу полосового фильтра 3. Выход полосового фильтра соединен одновременно с первым входом корреляционного анализатора 5 и входом блока 4 управляемой задержки, выход которого подключен к второму входу корреляционного анализатора 5, Первый выход блока 11 управления подключен к первому управляющему входу корреляционного анализатора, второй выход соединен с управляющим входом блока 4 управляемой линии задержки, а третий и четвертый выходы подключены соответственно к второму управляющему входу корреляционного анализатора 5 и к управляющему входу блока 10 индикации. Вход последнего соединен с выходом корреляционного анализатора 5, причем в последнем выход умнажителя 6 соединен с входом интегратора 7, выход которого подключен к входу компараора 8. Выход последнего подключен к входу двоично-десятичного счетчика 9. Первый и второй входы умножителя 6 являются соответственно первым и вторым входами корреляционного анализатора 5, управляющий вход интегратора 7 является первым управляющим входом корреляционного анализатора 5, управляющий вход двоичнодесятичного счетчика 9 является вторым управляющим входом корреляционного50 55 где Т - время оценки автокорреляционной функции (или время интеграции),При линейном во времени изменении задержки т (1) видимый период (частота) автокорреляционной функции по оси тсоответствует преобладающему периоду (частоте) анализируемого сигнала 0(т) в реальном времени, т,е. частота повторения максимума автокорреляционной функции по оси времени т равна преобладающей частоте сигнала. За один полный цикл измерения, за которыйх(1) пробегает анализатора, а выход двоично-десятичного счетчика 9 является выходом корреляционного анализатора 5, В блоке 11 управления выход генератора 13 через делитель 14 час тоты соединен с входом счетчика 15, первыйвыход которого соединен с входами первого и второго формирователей 16 и 17 импульса соответственно, а второй выход - с входом преобразователя 12 код - период, Выход 10 делителя 14 частоты является первым выходом, выход преобразователя 12 код - период - вторым выходом, а выходы первого и второго формирователей 16 и 17 импульса соответственно являются третьим и четвер тым выходами блока 11 управления.Устройство работает следующим образом.Электрический сигнал с выхода датчика1 вибраций через усилитель 2, где сигнал 20 нормируется по уровню в зависимости отвеличины сигнала с датчика, подается на вход полосового фильтра 3, Последний предназначен для подавления в сигнале инфранизких насосных и высокочастотных зубцовых частотных составляющих и выделения полосы частот, в которой присутствует основная гармоника от оборотов вала турбобура, Полоса прозрачности фильтра 2 - 15 Гц. Отфильтрованный информативный 30 сигнал с выхода полосового фильтра 3 поступает на первый вход корреляционного анализатора 5, на второй вход которого поступает тот же сигнал через блок 4 управляемой задержки с определенным за паздыванием по времени, Величинавременного сдвига т определяется значением управляющей частоты, поступающей с первого выхода блока 11 управления,В корреляционном анализаторе 5 про изводится вычислениеавтокорреляционнойфункции К (1, т) исследуемого виброакустического сигнала О(1) при линейно изменяющемся временном сдвиге;значения от Ъин до тмах, осредненная частота оборотов вала турбобура Г определяется выражениемМ Хмакс где Й - число периодов вариации автокорреляционной функции,В компараторе 8 частота вариации значения автокорреляционной функции преобразовывается в прямоугольные импульсы той же частоты, которые в последующем считываются двоично-десятичным счетчиком 9,Блок 11 управления предназначен для выработки управляющих сигналов, которые обеспечивают совместную согласованную работу блока 4 управляемой задержки, корреляционного анализатора 5 и блока 10 индикации, Импульсы с частотой 1 мГц с выхода генератора 13 поступают на вход делителя 14, с выхода которого импульсы с частотой 1 Гц подаются на вход счетчика 15 и интегратора 7 (фиг. 1 и 2), Код на втором выходе счетчика 15 после каждого импульса с делителя 14 увеличивается на один разряд, Соответственно на выходе преобразователя 12 код - период также увеличивается период управляющих импульсов - Тупр, По мере увеличения периода управляющих импульсов увеличивается также время задержки в блоке 4 управляемой задержки, После каждого 100-го импульса на входе на первом выходе счетчика появляется прямоугольный импульс, по переднему фронту которого второй формирователь 17 импульсовформирует короткий импульс "Перезапись", по которому информация, соответствующая значению частоты оборотов вала турбобура за данный цикл измерения, с выхода двоично-десятичного счетчика 9 перезаписывается в блок 10 индикации. По заднему фронту указанного импульса счетчик 15 сбрасывается в нулевое состояние, а в первом формирователе 16 формируется короткий импульс "Сброс", который обнуляетдвоично-десятичный счетчик 9. После этого автоматически начинается следующий цикл измерения.В преобразователе 12 код - период производится сравнение кода счетчика 15 с кодом внутреннего счетчика, значение которого с частотой 1 сч = 100 кГц возрастает с нулевого значения. Период (частота) управляющих импульсов на выходе преобразователя 12 изменяется со скоростью смены кода на выходе счетчика 15, т,е. один раэ в 1 с, а диапазон изменения определяется максимально возможным значением кода на выходе счетчика 15 и частотой счетныхимпульсов 1 сч. на входе внутреннео счетчи.ка преобразователя 12, и определяется поформулеТупр, = Код сч. 15)11 сцТак как в предлагаемом устройстве код 10 счетчика 15 изменяется в пределах 1 - 100.а 1 сч= 100 кГц, то диапазон изменения периода115Тупр (мин) = 1 = 10/1105Тупр. (макс) = 100 = 1000,и Я . 1. 105 20Блок 4 управляемой задержки включаетв себя две последовательно соединенныелинии задержки (выход первого канала подключен к выходу второго канала), Задержка25в блоке 4 задается периодом (частотой) упра вля ющих импул ьсов Туп р.Г= 1024 Тупр,отсюдатмин = 1024 10 = 10 м 5;тмакс = 1024 1000 = 1 с,В устройстве точность повышается засчет измерения частоты, соответствующейоборотам вала турбобура, путем измеренияпериода повторения максимума автокорреляционной функции исследуемого виброакустического сигнала.Высокая точность измерений способствует успешному решению задачи оптимизации режима турбинного бурения, позволяетполучать более высокие технико-зкономиче 40 ские показатели буренияФормула изобретенияУстройство для контроля частоты вращения вала турбобура, содержащее датчиквибраций, выход которою соединен с входом усилителя, корреляционный анализатор, выход которого соединен с входомблока индикации, и блок управления, первый выход которого подключен к первомууправляющему входу корреляционного анализатора, при этом блок управления содержит генератор, о т л и ч а ю щ е е ся тем,что, с целью повышения точности контролячастоты вращения, устройство снабжено полосовым фильтром и блоком управляемойзадержки, а в блок управления введены делитель частоты, счетчик, преобразователькод - период и два формирователя импульса, при этом выход усилителя через полосовой фильтр соединен с первым входом1719621 х,Вык 7 Сброс сч Ф корреляционного анализатора и с входом блока управляемой линии задержки, выход которого подключен к второму входу корреляционного анализатора, второй выход блока управления соединен с управляющим входом блока управляемой линии задержки, а третий и четвертый выходы. блока управления подключены соответственно к второму управляющему входу корреляционного анализатора и к управляющему входу блока индикации, причем в блоке управления выход генератора через делитель частоты соединен с входом счетчика, первый выход которого соединен с входами первого и второго формирователей импульса, а второй выход 5 - с входом преобразователя код - период,при этом выход делителя частоты является первым выходом, выход преобразователя код - период является вторым, выходом, а выходы первого и второго формирователей 10 импульса являются соответственно третьими четвертым выходами блока управления.