БУРЕНИЯ С ГИДРАВЛИЧЕСКИМ КАНАЛОМ СВЯЗИ. ИНДИКАТОР ОСЕВОЙ НАГРУЗКИ

Забойный индикатор осевой нагрузки (ЗИН) предназначен для преобразования осевой нагрузки на долото в импульсы давления, частота которых пропорциональна измеряемому параметру. Эти им­пульсы передаются на поверхность по столбу жидкости в скважине и воспринимаются на поверхности преобразователем давления в электрические сигналы.

Схема датчика осевой нагрузки на долото приведена на рис. 10.12. Система двух поршней 1 и 2 образует гидротрансформа­тор. Осевая нагрузка воспринимается поршнем 1 и через жидкость передается поршню 2. При этом перемещение поршня 2 больше пе­ремещения поршня 1 на величину, пропорциональную отношению площадей этих поршней. Это перемещение передается к сильфонному измерителю 14, и жидкость из камеры 3 через калиброванный дроссель 4 перетекает в верхнюю камеру сильфона 5. Скорость сжа­тия сильфона пропорциональна величине осевой нагрузки на долото.

Над измерительным узлом датчика расположен исполнительный клапанный узел. Клапан 6, находящийся на пути движения промы­вочной жидкости (в том положении, как это изображено на рисун­ке), создает начальный перепад давления между зонами А и Б, рав­ный 0,1—0,15 МПа, а при его движении в нижнее положение— 1,0— 2,0 МПа (разность этих давлений равна сигналу).

Клапан 6 периодически перемещается вниз-вверх вместе с полым штоком 7 и поршнем 8 с частотой, пропорциональной осевой на­грузке. При этом поршень 8 перемещается в цилиндре 9, в верхней части которого помещен клапан 10 с пружиной 11. При открытии клапана 10 с обеих сторон поршня 8 проявляется примерно одина­ковое давление, в связи с чем на клапан 6 действует начальный пе­репад давления на нем, создающий силу, заставляющую перемещать­ся клапан 6 вместе со штоком 7 вниз. При этом нижняя часть штока 7 надавливает на сильфон 5 и заставляет перетекать жидкость, за­полняющую камеру сильфона 5, в камеру 3 измерительного силь­фона 14 через обратный клапан 15. В результате происходит авто­матическая перезарядка измерительного узла в исходное положение для измерения следующего значения осевой нагрузки. Движение штока 7 через стержень 16 передается поршню 2 гидротрансформа­тора.

Клапан 10 соединен со стержнем 12, имеющим такую длину, что после движения клапана 6 вниз и подачи при этом импульса шток 7 упирается в нижний бортик 13 стержня 12 и закрывает клапан 10. В этом случае на нижней стороне поршня 8 будет давление боль­шее, чем над поршнем (в цилиндре 9), передаваемом из зоны Б по каналу в штоке 7. Разность давлений приводит к перемещению што­ка 7 с клапаном 6 вверх. Этим заканчивается цикл измеряемого интервала времени перетекания жидкости через дроссель в измери­тельном узле. Затем жидкость начинает снова перетекать из камеры 3 в сильфон 5 до момента упора верхнего конца сильфона в стер­жень 12 и открытия им клапана 10. После этого повторяется опи­санный выше цикл перемещений деталей исполнительного узла дат­чика и подачи им в гидравлический канал связи импульса давления. Интервал времени между импульсами давления характеризует вели­чину осевой нагрузки на долото.

Гидравлический турботахометр (рис. 10.13,а) состоит из таходатчика 2, посылающего в гидравлический канал импульсы давления с частотой, пропорциональной частоте вращения турбобу­ра /, индуктивного преобразователя 3 сигналов (импульсов) давле­ния в электрические импульсы, электронного фильтра-усилителя 4, указателя 5 и регистратора 6 частоты вращения турбобура.

Для обеспечения надежной связи по гидравлическому каналу при больших расстояниях необходимо, чтобы сигналы от датчика были низкой частоты и большей продолжительности. Во время работы турбобура в гидравлическом канале бурового насоса создаются им­пульсы давления, что способствует появлению помех. Частота сигна­лов помех fп==1—8 имп/с. С учетом этого частота полезных сигна­лов от таходатчика fс должна быть 0,2—0,3 имп/с.

В результате применения инерционной системы в наземном при­боре турботахометра и соответствующих фильтров практически воз­можна четкая регистрация тахосигнала, если его наивысшая частота будет в 3—5 раз меньше самой низкой частоты помех, т.е. fс max (0,3—0,2). В ГТН-3 применен таходатчик ТДН-8, который посылает импульсы давления через каждые 100 оборотов турбобура.

Таходатчик состоит из планетарного редуктора и клапанной си­стемы с гидравлическим усилителем, смонтированных в специальном контейнере, навертываемом на турбобур. Вал турбобура при этом соединяется с входной осью таходатчика.

Таходатчик (рис. 10.13,6) собран в корпусе 1, который монтиру­ется над турбобуром. Перегородка 2 и деталь 3 образуют рабочий клапан, при периодическом закрывании которого создаются тахосигналы (импульсы давления). Клапан рассчитан на создание им­пульсов давления 1,5—2,0 МПа при расходе промывочной жидкости 35-40 л/с.

Между рабочим клапаном и задатчиком установлен гидравличе­ский усилитель 5 с элементом обратной связи 4. Задатчик имеет связь с валом турбобура 3.

При осевом перемещении штока 6 с управляющим клапаном ку­лачкового механизма редуктора 7 и закрытии входного отверстия камеры гидравлического усилителя 5 давление в последней уравни­вается с давлением над рабочим клапаном. При этом усилие, дейст­вующее на поршень гидроусилителя в камере 5, становится большим, чем противоположное усилие на поршне рабочего клапана, и послед­ний начинает перемещаться в сторону закрытия. В этот период вре­мени разность обоих указанных усилий постепенно увеличивается за счет действия положительной гидравлической обратной связи 4.

При открытии управляющего клапана давление в камере гидрав­лического усилителя 5 падает и результирующее усилие изменяет знак, открывая основной клапан и возвращая его в основное (откры­тое) состояние. Цикл работы гидроусилителя равен 100 об/мин вала турбобура. Коэффициент усиления гидравлического усилителя равен примерно 30—40, т. е. усилие на штоке 6 в 30—40 раз меньше усилия на штоке клапана 3. Следовательно, при усилии 4—5 кН, действую­щем на шток клапана 3, датчик 6 развивает усилие 1—1,5 кН.

Наземные приборы ГТН-3 питаются от сети переменного тока напряжением 220 В, частотой 50 Гц. Основная приведенная погреш­ность показаний при частоте вращения вала турбобура, равной 1000 об/мин, составляет +5% от усредненной частоты его вращения за время, соответствующее 100 оборотам. Погрешность в результате действия помех (пропадание полезных и появление ложных сигна­лов), не более 5% от общего числа регистрируемых сигналов.

Применение турботахометров позволяет бурильщику контролиро­вать отклонение работы турбобура от заданного режима. Изменение частоты вращения вала турбобура, если механические свойства по­род в это время не изменились, указывает на изменение осевой на­грузки на забой. На глубине 3000—4000 м и более остановка турбо­бура может быть определена бурильщиком по отсутствию проходки через 15 мин и более. При помощи турботахометра остановку тур­бобура можно определить за 1—1,5 мин.

Из сказанного ясно, что с помощью турботахометра можно весь­ма эффективно контролировать процесс бурения.

Контрольные вопросы

1. Назовите параметры контроля процесса бурения и объясните их значение в управлении процессом.

2. Как устроен гидравлический индикатор веса?

3. Как определить осевую нагрузку на забой?

4. Объясните назначение и принцип действия устройства для измерения мо­мента вращения на валу привода ротора.

5. Объясните принцип действия системы наземного контроля параметров процесса бурения типа ПКБ и объясните схему устройства его элементов.

6. Объясните принцип действия системы наземного контроля параметров процесса бурения типа Б-7, принцип действия первичных преобразователей и ре­гистратора.

7. Объясните построение информационно-измерительной подсистемы комп­лекса БУРУН и принцип действия входящих в нее первичных преобразователей.

8. Объясните принцип действия гидравлического канала связи.

9. Объясните принцип действия электрического канала связи, использующе­го бурильные трубы и окружающие породу.

10. Объясните принцип действия электрического проводного канала связи.

11. Объясните принцип действия гидротурботахометра.

12. Объясните принцип действия и устройства инклинометра.

ЧАСТЬ ВТОРАЯ