Главная Случайная страница


Категории:

ДомЗдоровьеЗоологияИнформатикаИскусствоИскусствоКомпьютерыКулинарияМаркетингМатематикаМедицинаМенеджментОбразованиеПедагогикаПитомцыПрограммированиеПроизводствоПромышленностьПсихологияРазноеРелигияСоциологияСпортСтатистикаТранспортФизикаФилософияФинансыХимияХоббиЭкологияЭкономикаЭлектроника






ИЗМЕРЕНИЕ ОСЕВОЙ НАГРУЗКИ НА ЗАБОЙ

 

Осевая нагрузка — это осевое усилие, воспринимаемое долотом при его внедрении в породу.

Колонна бурильных труб, на нижнем конце которой закреплено долото, подвешена на крюке, а крюк—на талевом канате, прохо­дящем через ролики талевого блока и кронблока. Один конец ка­ната закреплен неподвижно, а другой навивается на барабан бу­ровой лебедки. В том случае, когда колонна бурильных труб подве­шена на крюке, осевая нагрузка на долото равна нулю и бурение не проводится. Если полностью снять нагрузку с крюка, т. е. опу­стить колонну труб на забой, под действием собственного веса они могут сломаться. В процессе бурения осевая нагрузка создается частью веса колонны бурильных труб. Осевая нагрузка задается технологическим режимом в зависимости от механической прочно­сти пород и типа бурового инструмента. Уменьшение этой нагрузки относительно заданного значения приведет к снижению скорости бу­рения. Превышение ее может привести к искривлению скважины и поломке бурильных труб или долота.

Осевую нагрузку определяют как разницу между силой веса бу­ровой колонны, передаваемой на крюк, когда буровой инструмент приподнят над забоем, и силой веса, передаваемой на крюк во вре­мя бурения.

Вес колонны бурильных труб определяют с помощью индикатора веса—прибора для измерения натяжения неподвижного конца та­левого каната.

В зависимости от параметра, в который преобразовывается из­меряемое усилие, различают индикаторы гидравлические и электри­ческие. В промышленности используют преимущественно гидравли­ческие индикаторы веса.

Вес колонны бурильных труб, висящей на крюке талевой систе­мы, находят произведением усилия в неподвижном конце талевого каната на число струн, несущих талевый блок. При этом учитыва­ется начальное натяжение неподвижного конца от веса талевого блока, крюка и вертлюга.

Если умножить усилие в неподвижном конце талевого каната на общее число несущих струн плюс две струны неподвижного и ходо­вого (навиваемого на барабан лебедки) концов талевого каната, получим стати­ческую нагрузку на вышку.

Основные узлы гидравлического ин­дикатора веса — трансформатор давле­ния (датчик), предназначенный для пре­образования растягивающего усилия в неподвижном конце талевого каната в пропорциональное давление жидкости, и вторичный прибор (манометр).

Схема гидравлического Индикатора веса показана на рис. 10.1. Трансформа­тор давления смонтирован на неподвиж­ном конце талевого каната 4, который изгибается между роликами 1, 2 и 3.

На центральный ролик 2 действует горизонтальная составляющая S силы R, растягивающей канат 4:

Сила R, через тарелку 5 и мембрану передающаяся жидкости, заполняющей внутреннюю полость корпуса 6, уравновешивается силой

где р— давление жидкости, определяемое манометром; F—пло­щадь мембраны.

Приравняв эти силы, получим

Поскольку угол преломления каната а мал, то без особой по­грешности можно допустить, что sin α=tg α.

Если обозначить расстояние между крайней и средней опорами через α, а прогиб каната — через b, то tg α=b/a.

Тогда

По показаниям манометра, включенного в гидравлическую систе­му трансформатора давления, можно судить о натяжении талевого каната, следовательно, и о весе подвешенной к нему буровой ко­лонны.

Чтобы определить нагрузку на крюке Qкр, необходимо усилие, ис­пытываемое при натяжении в неподвижном конце талевого каната, умножить на число несущих струн, которое равно числу роликов та­левого блока т, умноженному на 2, т. е.

Подставив в (10.6) вместо S его выражение из (10.5), получим

В комплект гидравлического индикатора веса входят: трансфор­матор давления, показывающий прибор основной, показывающий прибор верньерный и регистрирующий прибор.

Все перечисленные устройства соединены красномедной трубкой в единую герметичную гидравлическую систему. Внутренняя полость всех приборов заполняется жидкостью с помощью пресс-бачка.

В качестве основного показывающего прибора применяют манометр с трубчатой пружиной, шкала которого разделена на 100 рав­ных делений. Устройство верньерного указателя, предназначенного для отсчета дольных значений осевой нагрузки на забой, аналогич­но устройству основного показывающего прибора, но чувствительность его в 6 раз выше, поэтому шкала верньерного прибора более растянута.

В качестве регистрирующего прибора в гидравлическом индика­торе веса применен стандартный самопишущий манометр МСТМ-410, который дает запись изменения давления на круговой диаграмме с нулем в центральной части. Чувствительным элемен­том прибора является геликоидальная пружина. Диаграммный бланк, имеющий дисковую форму, вращается часовым механизмом, выходная ось которого совершает один оборот в сутки. Бланк раз­делен концентрическими окружностями на 100 делений и временны­ми отметками—на 24 части, каждая из которых соответствует 1 ч времени. Части, соответствующие этому времени, разделены дугами на четыре деления, каждое из которых соответствует 15 мин.

На диаграммном бланке индикатора веса получается запись из­менения веса бурильных труб, подвешенных на крюке, во времени, По диаграмме можно прочитать, сколько раз поднимали и спуска­ли инструмент, какой вес был при каждом его подъеме и сколько времени продолжался подъем и спуск инструмента, сколько времени бурили, какова была осевая нагрузка и сколько времени проводили проработку ствола скважины и т. д. Таким образом, диаграмма ин­дикатора веса — объективный документ, отражающий работу буро­вой бригады.

Отечественная промышленность выпускает серийные гидравли­ческие индикаторы веса ГИВ6, предназначенные для измерения уси­ления натяжения талевых канатов диаметром от 15 до 38 мм. В за­висимости от диаметра каната и предела измерения выпускают три модификации: ГИВ6-1, ГИВ6-П, ГИВ6-1П. Соответственно пределу измерения гидравлические индикаторы веса комплектуются различ­ными трансформаторами давления.

ГИВ6-1 в комплекте с трансформатором давления ТД-2А предназ­начен для измерения натяжения неподвижного конца талевого ка­ната диаметром от 15 до 19 мм с пределами измерений: 100— 4000 и 2000— 80000 Н; ГИВ6-П в комплекте с трансформатором ТД-4—для канатов диаметром от 19 до 28 мм с пределами изме­рения: 500—1200, 500—45000 и 500—18000 Н; ГИВб-Ш—в комп­лекте с трансформатором ТД-5—для канатов диаметром от 32 до 38 мм с пределами измерений 800—20 000 и 800—25 000 Н.

Верхние пределы измерений устанавливают регулировкой угла преломления каната при помощи прокладок под обоймами крайних и среднего роликов. Положение среднего ролика после регулировки фиксируется пломбой. Нижние пределы измерения во всех случаях устанавливаются при положении стрелки основного указывающего прибора на десятом делении. Натяжение каната при этом соответ­ствует усилию от суммарного веса талевого блока, крюка и верт­люга.

На заводе трансформаторы давления градуируют с канатом оп­ределенного диаметра, о чем делается запись в паспорте с приложе­нием так называемых нагрузочных кривых. Нагрузочная кривая представляет собой графическое изображение изменения показаний прибора в функции изменения натяжения каната. С изменением диа­метра каната меняется и нагрузочная кривая, поэтому применять трансформатор давления можно лишь с канатом того диаметра, с которым градуировали трансформатор.

Давление в гидравлической системе индикатора при максималь­ных усилиях во всех случаях равно 1,0 МПа. Угол поворота стрелок при максимальном давлении в трансформаторе для основного ука­зателя равен 270°, для верньерного— 1800°.

Основная приведенная погрешность составляет ±2,5% от преде­лов шкал. Порог чувствительности—не более 0,3% от верхнего предела измерения.

Принимают, что вес вертлюга, крюка и талевого блока соответ­ствует 10 делениям показывающего прибора. Шкала индикатора веса неименованная. Значение делений показывающего прибора оп­ределяется по таблице или по нагрузочной кривой, приведенной в паспорте прибора. Шкала прибора неравномерна. Значения делений прибора, соответствующие усилию в ньютонах (Н) в талевом кана­те, приводятся в таблице через каждые 10 делений. Значения про­межуточных делений определяют интерполяцией.

 

Измерение крутящего момента

Главная цель контроля крутящего момента—предупреждение больших его значений, которые могут привести к скручиванию и обрыву колонны бурильных труб. Кроме того, измерение крутящего момента в сочетании с измерением осевой нагрузки позволяет су­дить о состоянии скважин, о характере разбуриваемых пород и о техническом состоянии породоразрушающего инструмента. Иссле­дования показывают, что 75—80% времени опоры шарошек долота работают в условиях постепенного износа, после чего наступает резкое увеличение износа, разрушение и заклинивание опоры. Воз­никающее при этом значительное увеличение крутящего момента указывает на необходимость прекращения долбления и замены до­лота.

Измерение момента на валу привода позволяет избежать многих осложнений в процессе бурения. Так, во время проводки глубоких, наклонных или искривленных скважин, когда инструмент «зависа­ет», а индикатор веса не «чувствует» нагрузку на забой, для косвен­ного контроля нагрузки на долото применяют моментомер. Он поз­воляет своевременно обнаружить начало образования сальника, зна­чительно облегчает проведение ловильных работ, а при аварийном перебуривании ствола избавляет от опасности зарезки в ствол, за­крепленный обсадной колонной. Моментомер незаменим для обнару­живания заклинивания опор долота. Во всех случаях этот прибор может работать как индикатор, абсолютные показания которого не интересны.

На рис. 10.2 приведена схема датчика типа ДМ, принцип действия которого заключается в использовании явления магнитоупругости вращающегося вала, передающего крутящий момент. Этот дат­чик конструктивно состоит из рабочего вала / и неподвижно за­крепленной в корпусе кольцевой электромагнитной системы, через отверстие которой свободно проходит вращающийся вал. Под действием приложенного крутящего момента в нем возникают меха­нические напряжения, которые приводят к изменению его магнитных характеристик. Кольцевая электромагнитная система совместно с охваченным ею участком рабочего вала образует электромагнит­ный преобразователь. Электромагнитная система состоит из двух цепей: возбуждения и измерительной. Цепь возбуждения представ­ляет собой кольцевой многополюсный статор 2 с катушками W1, ко­торые включаются последовательно, обеспечивая чередование полю­сов. Ток в цепи возбуждения создает в материале вала магнитные потоки, пути которых показаны на рис. 10.2. Измерительная цепь представляет собой совокупность П-образных магнитопроводов 3, расположенных вдоль оси вала между полюсами возбуждения с из­мерительными катушками W2, включенными последовательно.

При отсутствии крутящего момента и полной однородности вала чувствительного элемента суммарный магнитный поток возбужде­ния Фв направлен под прямым углом к оси измерительной катушки, и поэтому эдс в этих катушках не наводится.

Возникающие под действием крутящего момента механические напряжения приводят к такому изменению магнитных характеристик материала вала (чувствительного элемента), при котором магнит­ный поток направляется под некоторым (непрямым) углом к оси измерительной катушки. При этом появляется составляющая маг­нитного потока Фц, наводящая в измерительной катушке W2 эдс. Из­менение направления скручивания приводит к изменению фазы вы­ходного сигнала на 180°. Индуцированная эдс в измерительной об­мотке измеряется соотношением

где К.—коэффициент пропорциональности; В—индукция, создавае­мая обмоткой возбуждения; Rм — магнитное сопротивление вала на участке между полюсами одного П-образного магнитопровода; С — коэффициент магнитоупругости; Rми. — магнитное сопротивление це­пи измерительной обмотки; σmax — максимальное значение напряже­ния во вращающемся вале (σmах не должно превышать 0,3 МПа).

Магнитопроводы датчика выполнены из листовой трансформа­торной стали. Магнитная система датчика с обмотками после сбор­ки и проверки заливается эпоксидной смолой, что обеспечивает за­щиту от механических повреждений и герметизирует от внешней среды.

Характеристика датчика E=f(M) достаточно линейна и при диаметре его вала, равном 90 мм и изготовленном из стали марки 38ХМЮА, выражается зависимостью:

где Е— напряжение, В; М—момент силы, Н*м.

Длина участка вала, являющегося чувствительным элементом, изменяется в пределах 80—100 мм. На этой длине вал должен иметь один и тот же наружный и внутренний диаметры без каких-либо кольцевых расточек и шлицевых пазов.

Биение кольцевой магнитной системы датчика относительно ва­ла—чувствительного элемента—не должно превышать 0,1 мм. Датчики ДМ обладают незначительной чувствительностью к осевым усилиям, действующим на вал—чувствительный элемент. К их не­достаткам следует отнести зависимость коэффициента преобразова­ния от частоты вращения вала.

Схема моментомера для определения измеряемого параметра по натяжению цепи привода ротора показана на рис. 10.3. Изменение усилия цепи 1 привода ротора через ролик 3, закрепленный на ры­чаге 2, и упругий элемент 4 передается трибосекторному механизму 5,

который поворачивает ось ротора малоинерционного сельсина 6 датчика типа БС-3 на угол, пропорциональный измеряемому момен­ту. Сельсин 6 по трансформаторной схеме подключен к приемному сельсину 7 указателя. Сигнал рассогласования сельсинов через фазосдвигающую R—C цепочку подается на вход усилителя, выход которого подключен к управляющей обмотке реверсивного двигате­ля РД-09. Двигатель на оси имеет стрелку 8 указателя. Сельсин 7 механически связан с сельсином 9, который по индикаторной схеме подключен к сельсину 10. На оси ротора сельсина 10 закреплен ку­лачок 11, который управляет пером 12, записывающим изменение момента на диаграммном бланке.

Поскольку роторная цепь передает на датчик момента резкие динамические нагрузки с частотой в несколько герц, что может вы­звать размазывание записи, быстродействие прибора замедлено при­менением двигателя РД-09 с передаточным числом i=l/l37. Изме­ритель момента на роторе ИМР-2 имеет диапазоны измерения кру­тящего момента 0—30 кН*м, основная приведенная погрешность усилия, действующего на датчик, составляет ±2,5%.

Датчик момента монтируется в специальном приспособлении, ко­торое преобразует натяжение движущейся цепи в усилие, действую­щее на неподвижный датчик.

 

Последнее изменение этой страницы: 2016-08-28

lectmania.ru. Все права принадлежат авторам данных материалов. В случае нарушения авторского права напишите нам сюда...