SU1719627A1 - Устройство дл контрол частоты вращени вала турбобура - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к бурению скважин и позвол ет повысить точность контрол  частоты вращени  вала турбобура. В устройстве датчиком 1 вибрации регистри7 руютс  вибрации бурильной колонны. Далее полосовым фильтром 3 выдел етс  полоса частот, в которой заключена основна  гармоника исследуемого сигнала. С выхода фильтра 3 информативный сигнал поступает непосредственно на первый вход коррел ционного анализатора 5, а на второй вход - через блок 4 управл емой линии задержки. В анализаторе 5 определ етс  автокоррел ционна  функци  виброакустического сигнала . По частоте вариации максимума этой функции при линейном увеличении временной задержки определ етс  значение частоты основной гармоники вала турбобура. Результат отображаетс  блоком 10 индикации . Блок 11 управлени  обеспечивает синхронную работу блока 4 управл емой линии задержки, анализатора 5 и блока 10 индикации . 2 ил. СП G о о го vj

Description

Изобретение относитс  к телеконтролю забойных параметров в процессе турбинного бурени  нефт ных скважин, в частности к контролю частоты вращени  в ла турбобура .

Непрерывный контроль частоты оборотов долота позвол ет поддерживать такие нагрузки на долото, которые  вл ютс  оптимальными дл  работы забойного двигател  и долота, что способствует в конечном счете повышению скорости проходки, увеличению проходки на долото. Точный контроль за оборотами долота наиболее.актуален при ведении турбинного наклонно-направленного бурени , при котором весьма трудно с поверхности оценить значение нагрузки на долото, и частота вращени  долота  вл етс  наиболее приемлемым параметром дл  оптимизации режима бурени .

Известно устройство контрол  частоты вращени  вала турбобура по механическому каналу св зи, в котором упругие колебани  бурильной колонны преобразуютс  в электрический сигнал, который в последствии поступает в измерительное устройство, где входные полосовые фильтры раздел ют данный сигнал на низкочастотные и высокочастотные составл ющие с диапазонами 20-120 и 120-250 Гц соответственно . Полага , что низкочастотные составл ющие вызваны перекатыванием шарошек долота по волнообразной поверхности забо , а высокочастотные- перекатыванием шарошек с зубца на зубец по забою скважины, оценка частоты вращени  вала турбобура в устройстве осуществл етс  по двум алгоритмам - по низким или по высоким частотам. Выбор того или иного алгоритма осуществл етс  путем сравнени  осредненных значений амплитуд сигналов в обоих диапазонах. Если в сигнале преобладают низкочастотные составл ющие , то контроль частоты производитс  по низким частотам по числу провалов бурильной колонны на ухабах, а в случае преобладани  высоких частот - по числу ударов зубьев шарошек о забой за единицу времени.

Недостатком данного устройства  вл етс  низка  точность и сложность в обслуживании , обусловленна  тем, что ухабистости забо , которыми объ сн етс  происхождение низкочастотных составл ющих , присущи только твердым породам и не характерны дл  относительно м гких пород. Кроме того, аппаратурна  реализаци  устройства сложна и необходима  точность измерени  предполагает привлечение дл  обработки сигналов малых ЭВМ или других .вычислительных устройств, что ограничивает возможность использовани  его как автономного устройства.

Наиболее близким к предлагаемому  вл етс  устройство дл  контрол  частоты

вращени  вала турбобура, содержащее датчик вибраций, установленный на вертлюге и предназначенный дл  преоброзовани  механических колебаний бурильной колонны в электрический сигнал, выход которого под0 ключей к входу усилител , предназначенного дл  усилени  и формировани  анализируемого сигнала, выход которого подключен к входу аналого-цифрового преобразовател , предназначенного дл  пол5 учени  цифровой формы анализируемого сигнала, выход которого подключен к блоку пам ти, предназначенному дл  запоминани  ординат анализируемого процесса, выход которого подключен к коррел ционному

0 анализатору, осуществл ющему специализированную обработку исходного процесса, один выход которого подключен к блоку управлени , а другой выход соединен с входом блока индикации, предназначенным дл  ви5 зуального отображени  текущей информации . Блок управлени , выходы которого соединены соответственно с управл ющими входами аналого-цифрового преобразовател , коррел ционного анализатора и

0 генератора опорных сигналов, служит дл  выработки управл ющих сигналов.

Генератор опорного сигнала предназначен- дл  формировани  сигнала опорной частоты, необходимого дл  специализиро5 ванной обработки исходного сигнала. Выход генератора подключен к входу коррел ционного анализатора.

В коррел ционном анализаторе по сигналу с блока управлени  рассчитываютс 

0 значени  взаимокоррел ционной функции между исходным процессом, поступающим из блока пам ти, и опорным сигналом, вырабатываемым генератором опорных сигналов , Причем временной сдвиг между ними

5 осуществл етс  в блоке пам ти. Максимальное значение взаимокоррел ционной функции получаетс  при совпадении частоты опорного сигнала с частотой полезного сигнала , подаваемого на прибор в смеси со

Q случайной помехой.

По мере вычислени  функции дл  каждой частоты опорного сигнала в коррел ционном анализаторе происходит выбор максимального значени  этой функции и оп5 ределение частоты, соответствующей этому максимуму. Значение этой частоты соответствует частоте вращени  долота в забое.

Выделение из исследуемого сигнала частоты , соответствующей частоте вращени  вал турбобура, с помощью коррел циейной обработки позвол ет исключить вли ние случайной частоты и фазы на результаты измерений, так как случайный сигнал ставитс  в соответствии наиболее веро тному детерминированному сигналу, а конечные результаты формируютс  на основе измерени  соответствующего детерминирующего сигнала, что значительно повышает точность измерений по сравнению с ранее известными устройствами.

Недостатком данного устройства  вл етс  низка  точность измерени , обусловленна  следующими причинами.

В данном устройстве частотные диапазоны исследуемого сигнала и генератора опорных частот не ограничены. Это может привести к по влению дополнительных максимумов функции взаимной коррел ции , например, на частотах, вызванных вращени ми 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 коррел ции, в устройстве выдел етс  то или иное значе- ние частоты, которое при посто нном коэффициенте пересчета его в частоту вращени  вала турбобура приводит к неверным результатам .

Кроме того, в устройстве не учиты- ваютс  фазовые соотношени  между анализируемым сигналом и сигналом, вырабатываемым опорным генератором.

В зависимости от того, в каком фазовом соответствии наход тс  исследуемый и опорный сигналы, значение их функции взаимной коррел ции разное, Например, когда они наход тс  в фазе, функци  взаимной коррел ции имеет положительный максимум , а когда они наход тс  в противофазе, функци  имеет отрицательный максимум. При произвольном фазовом соотношении функци  взаимной коррел ции имеет некоторое промежуточное значение. Таким образом , нельз  адекватно оценивать и сравнивать между собой два произвольных значени  функции взаимной коррел ции дл  разных значений частоты опорного генератора .

Цель изобретени  - повышение точно- сти контрол  частоты вращени  путем использовани  в качестве опорного сигнала сдвинутого по времени исследуемого сигнала .

Поставленна  цель достигаетс  тем, что устройство дл  контрол  частоты вращени  вала турбобура, содержащее датчик вибраций , выход которого соединен с входом усилител , коррел ционный анализатор, блок индикации и блок управлени , включающий

в себ  генератор, выход коррел ционного анализатора соединен с входом блока индикации , выход блока управлени  подключен к первому управл ющему входу коррел ционного анализатора, снабжено полосовым фильтром и блоком управл емой задержки. а в блок управлени  введены счетчик, преобразователь код - период.делитель частоты , первый и второй формирователи, причем выход усилител  подключен к входу полосового фильтра, выход которого соединен одновременно с первым входом коррел ционного анализатора и входом блока управл емой задержки, выход последнего подключен к второму входу коррел ционного анализатора, а в блоке управлени  выход генератора подключен к входу делител , выход которого,  вл ющийс  одновременно первым выходом блока управлени , соединен с первым управл ющим входом коррел ционного анализатора и входом счетчика, первый выход которого соединен с объединенными входами первого и второго формирователей , а второй выход подключен к входу преобразовател  код - длительность , выход которого,  вл ющийс  одновременно вторым выходом блока управлени , подключен к управл ющему входу блока управл емой задержки, выход второго формировател ,  вл ющийс  одновременно четвертым выходом блока управлени , подключен к управл ющему входу блока индикации.

Существенное отличие данного устройства заключаетс  в том, что оно позвол ет измерить частоту, соответствующую основной гармонике оборотов вала турбобура в определенной полосе частот, тогда как в известном устройстве диапазон исследуемых частот не ограничиваетс  и измер етс  преобладающа  частота, имеюща  в данный момент времени максимальную амплитуду , и по этой преобладающей частоте вычисл етс  частота оборотов турбобура, хот  и эта преобладающа  частота может быть обусловлена другими, например геологическими или технологическими факторами . Кроме того, в известном устройстве данна  частота определ етс  по наилучшему коррелированию исследуемого сигнала с опорной частотой перестраиваемого генератора без учета фззопых соотношений между ними, а в предлагаемом устройстве в качестве опорного сигнала используетс  сам исследуемый сигнал, сдвинутый по времени , и вычисл етс  его автокоррел ционна  функци , котора  уже  вл етс  функцией не от частоты, а от временного сдвига. Преоблэдающлч частота, равна  основной гармонике оборотов турбобура, определ етс  по видимой частоте повторени  максимума автокоррел ционной функции при линейном увеличении временной задержки, Таким образом, в данном устройстве автокоррел ционным методом выдел етс  и регистрируетс  именно та частотна  составл юща , котора  имеет максимальное значение спектральной плотности в полосе прозрачности полосового фильтра.

Таким образом повышаетс  точность измерени  частоты оборотов вала турбобура в процессе бурени .

На фиг. 1 приведена структурна  схема предлагаемого устройства; на фиг, 2 - временна  диаграмма работы устройства.

Устройство содержит датчик 1 вибраций , усилитель 2, полосовой фильтр 3, блок 4 управл емой задержки, коррел ционный анализатор 5, включающий умножитель 6, интегратор 7, компаратор 8, двоично-дес тичный счетчик 9, блок 10 индикации, блок 11 управлени , 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 коррел ционного анализатора 5 и входом блока 4 уп- рэвл емой задержки, выход которого подключен к второму входу коррел ционного анализатора 5. Первый выход блока 11 управлени  подключен к первому управл ющему входу коррел ционного анализатора , второй выход соединен с управл ющим входом блока 4 управл емой линии задержки, а третий и четвертый выходы подключены соответственно к второму управл ющему входу коррел ционного анализатора 5 и к управл ющему входу блока 10 индикации. Вход последнего соединен с выходом коррел ционного анализатора 5, причем в последнем выход умножител  6 соединен с входом интегратора 7, эыход которого подключен к входу компаратора 8. Выход последнего подключен к входу двоично-дес тичного счетчика 9. Первый и второй входы умножител  6  вл ютс  соответственно первым и вторым входами коррел ционного анализатора 5, управл ющий вход интегратора 7  вл етс  первым управл ющим входом коррел ционного анализатора 5, управл ющий вход двоично- дес тичного счетчика 9  вл етс  вторым управл ющим входом коррел ционного

анализатора, а выход двоично-дес тичного счетчика 9  вл етс  выходом коррел ционного анализатора 5. В блоке 11 управлени  выход генератора 13 через делитель 14 частоты соединен с входом счетчика 15, первый выход которого соединен с входами первого и второго формирователей 16 и 17 импульса соответственно, а второй выход - с входом преобразовател  12 код - период. Выход

делител  14 частоты  вл етс  первым выходом , выход преобразовател  12 код- период - вторым выходом, а выходы первого и второго формирователей 16 и 17 импульса соответственно  вл ютс  третьим и четвертым выходами блока 11 управлени .

Устройство работает следующим образом .

Электрический сигнал с выхода датчика 1 вибраций через усилитель 2, где сигнал

нормируетс  по уровню в зависимости от величины сигмала с датчика, подаетс  на вход полосового фильтра 3. Последний предназначен дл  подавлени  в сигнале ин- франизких насосных и высокочастотных

зубцовых частотных составл ющих и выделени  полосы частот, в которой присутствует основна  гармоника от оборотов вала турбобура. Полоса прозрачности фильтра 2- 15 Гц. Отфильтрованный информативный

сигнал с выхода полосового фильтра 3 поступает на первый вход коррел ционного анализатора 5, на второй вход которого поступает тот же сигнал через блок 4 управл емой задержки с определенным запаздыванием по времени. Величина временного сдвига т определ етс  значением управл ющей частоты, поступающей с первого выхода блока 11 управлени .

В коррел ционном анализаторе 5 производитс  вычисление автокоррел ционной функции К (t, г) исследуемого виброакустического сигнала U(t) при линейно измен ющемс  временном сдвиге:

K(t,T)

J Т

t +Т

/ U(t)-U(t-.T)dt, t

где Т - врем  оценки автокоррел ционной функции (или врем  интеграции),

При линейном во времени изменении задержки т (t) видимый период (частота) автокоррел ционной функции по оси тс.о- ответствует преобладающему периоду (частоте ) анализируемого сигнала U(t) в

реальном времени, т.е. частота повторени  максимума автокоррел ционной функции по оси времени г равна преобладающей частоте сигнала. За один полный цикл измерени , за который r(t) пробегает

значени  от тМин до гмах, осредненна  частота оборотов вала турбобура F определ етс  выражением

г

N

Гмакс

где N - число периодов вариации автокоррел ционной функции.

В компараторе 8 частота вариации значени  автокоррел ционной функции преобразовываетс  в пр моугольные импульсы той же частоты, которые в последующем считываютс  двоично-дес тичным счетчиком 9.

Блок 11 управлени  предназначен дл  выработки управл ющих сигналов, которые обеспечивают совместную согласованную работу блока 4 управл емой задержки, коррел ционного анализатора 5 и блока 10 индикации . Импульсы с частотой 1 мГц с выхода генератора 13 поступают на вход делител  14, с выхода которого импульсы с частотой 1 Гц подаютс  на вход счетчика 15 и интегратора 7 (фиг. 1 и 2). Код на втором выходе счетчика 15 после каждого импульса с делител  14 увеличиваетс  на один разр д . .Соответственно на выходе преобразовател  12 код- период также увеличиваетс  период управл ющих импульсов - ТуПр. По мере увеличени  периода управл ющих импульсов увеличиваетс  также врем  задержки в блоке 4 управл емой задержки. После каждого 100-го импульса на входе на первом выходе счетчика по вл етс  пр моугольный импульс, по переднему фронту которого второй формирователь 17 импульсов формирует короткий импульс Перезапись , по которому информаци , соответствующа  значению частоты оборотов вала турбобура за данный цикл измерени , с выхода двоично-дес тичного счетчика 9 перезаписываетс  в блок 10 индикации. По заднему фронту указанного импульса счетчик 15 сбрасываетс  в нулевое состо ние , а в первом формирователе 16 формируетс  короткий импульс Сброс, который обнул ет двоично-дес тичный счетчик 9. После этого автоматически начинаетс  следующий цикл измерени .

В преобразователе 12 код - период производитс  сравнение кода счетчика 15 с кодом внутреннего счетчика, значение которого с частотой fC4 100 кГц возрастает с нулевого значени . Период (частота) управл ющих импульсов на выходе преобразовател  12 измен етс  со скоростью смены кода на выходе счетчика 15, т.е. один раз в 1 с, а диапазон изменени  определ етс  максимально возможным значением кода

на выходе счетчика 15 и частотой счетных импульсов W на входе внутреннего счетчика преобразовател  12, и определ етс  по формуле

Тупр. Код(сч. 15) -

Ti

1

Так как в предлагаемом устройстве код 10 счетчика 15 измен етс  в пределах 1-100. а Тсч 100 кГц, то диапазон изменени  периода

15

Тупр. (мин) 1 10/г S ;

10

1 ТуПр (макс) 100 1000м S . 10Ь

5

0

5

0

5

0

Блок 4 управл емой задержки включает в себ  две последовательно соединенные линии задержки (выход первого канала подключен к выходу второго канала). Задержка в блоке 4 задаетс  периодом (частотой) управл ющих импульсов Тупр:

г 1024-Тупр, отсюда

т„ин 1024-10 10м5;

гмакс 1024-1000-1 с.

В устройстве точность повышаетс  за счет измерени  частоты, соответствующей оборотам вала турбобура, путем измерени  периода повторени  максимума автокоррел ционной функции исследуемого виброакустического сигнала.

Высока  точность измерений способствует успешному решению задачи оптимизации режима турбинного бурени , позвол ет получать более высокие технико-экономические показатели бурени . .

Claims (1)

1. Формула изобретени 

   Устройство дл  контрол  частоты вращени  вала турбобура, содержащее датчик вибраций, выход которого соединен с входом усилител , коррел ционный анализатор , выход которого соединен с входом блока индикации, и блок управлени , первый выход которого подключен к первому управл ющему входу коррел ционного анализатора , при этом блок управлени  содержит генератор, отличающее с   тем, что, с целью повышени  точности контрол  частоты вращени , устройство снабжено полосовым фильтром и блоком управл емой 5 задержки, а в блок управлени  введены делитель частоты, счетчик, преобразователь код - период и два формировател  импульса , при этом выход усилител  через полосо вой фильтр соединен с порвым входом

   0

   коррел ционного анализатора и с входом блока управл емой линии задержки, выход которого подключен к второму входу коррел ционного анализатора, второй выход блока управлени  соединен с управл ющим входом блока управл емой линии задержки, а третий и четвертый выходы блока управлени  подключены соответственно к второму управл ющему входу коррел ционного анализатора и к управл ющему входу блока индикации , причем в блоке управлени  выход

   0

   генератора через делитель частоты соеди нен с входом счетчика, первый выход которого соединен с входами первого и второго формирователей импульса, а второй выход - с входом преобразовател  код - период, при этом выход делител  частоты  вл етс  первым выходом, выход преобразовател  код - период  вл етс  вторым выходом, а выходы первого и второго формирователей импульса  вл ютс  соответственно третьим и четвертым выходами блока управлени .

   Зь/х./З

   Вых. 72 | | Н I

   зад.

   Сброс сч. 15Сброс ст. /5

   Ф№2