Устройство для измерения длины колонны труб

 

Изобретение предназначено для контроля процессов бурения скважин и позволяет с высокой точностью измерять длину колонны труб. Устр-во содержит измерительный барабан (Б) 1, соединенный канатом 2 с подвешенным на несущем канате 4 талевым блоком 3. Канат 4 намотан на Б 5 буровой лебедки . Между Б 1 и 5 установлен компенсирующий узел. Он выполнен в виде дифференциальной зубчатой передачи с водилом 6, на котором закреплен вспомогательный Б 7. .На нем закреплен канат 8 с грузом 9. При эТом Б 1 через магнитную муфту 10 соединен с многоотсчетным сельсинным преобразователем (П) 11. При нагружении блока 3 трубйми сигнал с выхода П 14 веса через компаратор 13 включает муф- fy 10. Обеспечивается жесткая связь Б 1 с П 11. Последний суммирует перемещения блока 3. Соединенный с П 11 индикатор 12 регистрирует длину колонны , опущенной в скважину. Кинематическая связь Б 1 и 5 обеспечивает привод вращения Б 1 без колебаний последнего, уменьшает зону перемещения груза. 4 ил. i (Л

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) А1 (594 E 21 В 45 00

4 5»Ф ъггяа1иуърВ я с

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А BTOPCHOMV СВИ4ЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

IlO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (2 1) 38845 1 2/22-03 (22) 19.02.85 (46) 30.12.86. Бюл. У 48 (71) Специальное конструкторское бюро средств автоматизации Ивано-Франковского производственного объединения

"Геофизприбор" (72) Б.А.Майстренко,А.М.Голембйовский, П.Е.Шендрик и Ю.Н.Степашкин (53) 622.245(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР и 883364, кл. Е 21 В 44/00, 1979.

Авторское свидетельство СССР

Ф 56$805s кл.Е 21 В 19/00, 1971. (54) Устройство для измерения длины

КОЛОННЫ ТРУБ (57) Изобретение предназначено для контроля процессов бурения скважин и позволяет с высокой точностью измерять длину колонны труб. Устр-во содержит измерительный барабан (Б) 1, соединенный канатом 2 с подвешенным на несущем канате 4 талевым блоком 3.

Канат 4 намотан на Б 5 буровой лебедки. Между Б 1 и 5 установлен компенсирующий узел. Он выполнен в виде дифференциальной зубчатой передачи с .водилом 6, на котором закреплен вспомогательный Б 7..На нем закрейлен канат 8 с грузом 9. При этом Б 1 через магнитную муфту 10 соединен с многоотсчетным сельсинным преобразо" вателем (П) 11. При нагружении блока 3 трубами сигнал с выхода П 14 веса через компаратор 13 включает муфту 10. Обеспечивается жесткая связь

Б 1 с П 11. Последний суммирует перемещения блока 3. Соединенный с П 11 I индикатор 12 регистрирует длину icoлонны, опущенной в скважину, Кинематическая связь Б 1 и 5 обеспечивает привод вращения Б 1 без колебаний последнего, уменьшает зону перемещения груза. 4 ил.

128(111

Изобретение относится к приборам контроля процессов бурения скважины, а именно к измерителям перемещений бурового инструмента и длины колонны труб. 5

Целью изобретения является повышение точности измерения длины колонны труб.

На фиг.1 приведена схема устройства; на фиг.2 — кинематическая схе- !О ма привода измерительного барабана и планы его скоростей; на фиг.3— изображение кинематическай схемы с указанием направлений вращения передаточных звеньев и направления действия сил; на фиг.4 — два варианта графиков скоростей точки водила и углов поворота водила вспомогательного барабана, от которых зависит величина вертикального перемещения натяжного груза, Устройство содержит (фиг.1) изме рительный барабан 1, соединенный канатом 2 с талевым блоком 3, подвешенным на несущем канате 4, намотанном

25 в несколько слоев на барабан 5 буровой лебедки. Измерительный барабан 1 и барабан 5 буровой лебедки кинематически соединены также посредством компенсирующего узла в виде дифферен-З0 циальной зубчатой передачи, на водиле б которой выполнен вспомогательный барабан 7, связанный канатом 8 с грузом 9. Барабан 1 через магнитную муфту 10 соединен с многоотсчетным 35 сельсинным преобразователем 11,подключенным на вход индикатора 12,Через компаратор 13 выход преобразователя веса подключен к обмотке магнитной муфты. 40

Для уяснения принципа действия механизма привода измерительного барабана 1 рассмотрим кинематическую схему механизма и два варианта плана скоростей (фиг.2 — 4). 45

Передаточное отношение дифференциальной зубчатой передачи определяем, исходя иэ двух условий. Первое условие. Измерительный барабан 1 соединен с барабаном 5 леоедки натяну- 50 тым канатом 2 и канатом 4, проходящФм через талевую систему с числом несущих нитей, равным и. Поэтому скорости V u V точек а и f лежащих на асях канатов 4 и 2, при их сходе 55 с соответствующих барабанов связаны отношением

- = n (1)

Vg б 2

Второе условие ° Тачки а и Г принадлежат (условно) также барабанам

5 и 1, на расстояниях R и У от соответсгвующих им осей вращения и связаны зубчатой передачей с передаточным отношением

Поэтому скорости V u V связаны

О. также отношением

V R

-Ь=-Вi

Ч г (2) Приравняв эти отношения, получим

R п=-

У откуда

i =--и-

Rà (3)

В последнем выражении количество несущих нитей талевой системы п принимаем неизменным, Постоянным является также радиус

Y, ввиду того, что намотку каната

2 на барабан 1 выполняем в один слой.

Радиус намотки несущего каната 4 на барабан 5 — переменная величина, и изменяется в зависимости от количества каната 4, уложенного на барабан

5 в пределах от R с, до R (при о трехслойной намотке каната 4 на барабан 5).

Следовательно, в соответствии с изменением К должно изменяться и передаточное отношение передачи от

i до i (фиг.3).

В предлагаемом устройстве изменение передаточного отношения обеспечивается автоматически за счет применения дифференциальной зубчатой передачи с зубчатыми колесами К,Z

Z и водилам 6, на котором закреплен вспомогательный барабан 7, связанный с натяжным грузом 9 канатом 8 °

Предположим, что талевый блок 3 находится в самом нижнем положении.

Тогда на барабане 5 уложено всего несколько витков каната 4 и он навивается на барабан 5 по наименьшему

pap ycy R = Rà

Если для подъема блока 3 барабан

5 привести во вращение с постоянной угловой скоростью и1 (план скоростей

5 на фиг.2 б), то скорость точки а сначала будет равна V = R cd a ао <о Ь ° затем по мере увеличения на барабане

5 количества каната 4, будет возрасVcc> = К . cc1s

При натянутых канатах 4 и 2 скорость V точки f также будет изменять ся от

12801 Ч = — до V

V Чае

1о п п (4)

R .Ьл .Я

+ Rn а а (5) В последнем случае в начале подъема блока 3 модуль скорости Ч,1 от определенного значения уменьшается, а 45 затем возрастает. При переходе через точку Ч,1 = 0 изменяется направление скорости Ч,1 на противоположное,что вызывает изменение направления вращения вспомогательного барабана 7. gp

На фиг.4 а показаны характер изменения скорости Ч.1 (кривая 1) и угла Ч, поворота водила (кривая 2) в зависимости от высоты подъема талевого блока Н, для варианта 1 плана ско-у ростей при послойной укладке каната

4 на барабан 5. При переходе на последующий слой R, V, V, и Ч изО. о меняются скачком.

Скорости V и V при постоянной угловой скорости и) не изменяются, Скорость V точки е, принадлежащей зубчатому колесу Z и сателлиту Z 10

1 пропорциональная скорости V и отношению расстояний до точек е и f от оси вращения барабана ц,.

Скорость V, оси сателлита опреде 1 ляется по плану путем соединения кон- 15 цов векторов скорости Vp и скорости

V соответствующими прямыми.

Из сопоставления планов скоростей вариантов 1 и 2 можно сделать выводы, что скорость Ч,1 оси сателлита, эа- 20 крепленной на водиле 6, эа время цикла подъема талевого блока 3, в зависимости от выбранной при расчете передаточного отношения передачи вели1 чины радиуса R, при одном и том же

) значении угловой скорости барабана лебедки, изменяется по величине и может изменять направление.

В варианте 1 при расчете передаточного отношения i величина R рав0 на В(° о

В этом случае скорость Ч,1 оси водила равна нулю при минимальном радиусе намотки и возрастает с увеличением R, не изменяя направления (фиг,4 а, кривая 1), В варианте 2 в формулу расчета i принято значение

16

На фиг.4 б, те же зависимости для варианта 2. Кривая 3 здесь повторяет кривую 2 из графика 4 а для сопоставления величин. Из сопоставления данных графиков можно сделать выводы, что в варианте 2,угол поворота водила ч и, соответственно, высота подьема груэа 9 меньше, чем в варианте

Здесь груз 9 сначала поднимается, а затем опускается в исходное положение при подъеме блока 3 в верхне положение.Поэтому вариант 2 более пред" почтителен,так как позволяет уменьшить объем пространства для расположения натяжного груза 9, На основании данных выводов вели° (Н) чину передаточного отношения i npu условно неподвижном водиле 7 определя ем по ранее полученной формуле 3 путем подстановки в нее значения К,р =

= R = R а (формула 5), т.е. среднее значение радиуса намотки, тогда (6)

2 ао "2

Прн рассмотрении фиг.2 и 3 видно, что подвижное водило 6 является компенсирующим элементом:дифференциальной зубчатой передачи, обеспечивающим автоматическое изменение передаточного отношения при изменениях радиуса намотки несущего каната.

Стабильность натяжения каната 2 обеспечивается за счет постоянства усилия, создаваемого грузом 9. На фиг.3 сплошными стрелками указано направление вращения звеньев механизма при подъеме блока 3, прерывистыми стрелками — направления действия сил в механизме. Направление действия сил в механизме не изменяется и при изменении направления вращения барабана 5 °

Например, для буровой установки

5000 ДГУ количество рабочих слоев каната на барабане лебедки — 4.

Расчетные радиусы R „ намотки соответственно равны, мм . R, = 418,7;

К = 446,4; Е = 474,1; R = 501,8;

R ð 460.

Количество ветвей каната и = 12.

Количество витков каната на барабане в одном слое 41,5.

Если принять условие, при котором один оборот измерительного барабана

1 будет соответствовать 1 м перемещения талевого блока, то его радиус оборота, 5 128011 будет равен r = Z< =- 159,15 мм, тогда

И вЂ” Х7

F.,7 1

6 0,88

1 21

1,37

Ввиду того> что в нормальных условиях отсутствует возможность непосредственного соединения нала барабана лебедки с входным валом дифференциальной зубчатой передачи, общее передаточное отношение можно разбить на две ступени:

1 = i j

° (н1 1 2

Если принять передаточное отношение передачи Ед и Z» 1„равное 3, то передаточное отношение передачи

Z,, Z, Z при неподвижном Е i составит около 1,37.

Длина каната 4, уложенного слоями на барабане 5 при количестве витков

N = 41,5 .в каждом слое, будет соответственно равна, м: 110,5; 115;

125, 1 и 129, 2 (в сумме 479, 8 м) .

При заполнении двух первых слоев каната на барабане 5 буровой лебедки блок 3 поднимается иэ нижнего положения на высоту

1.я> + L g 110 5 + 115

Н дк1 „7 Х

18,79 м и 12 а измерительный барабан 1, связанный с блоком З,выполнит следующее число оборотов (из расчета 1 оборот на 35

1 м перемещения блока 3 при расчетном радиусе r = 0,15915 м и однослойной укладке каната 2). Если бы водило было зафиксировано, то измерительный барабан совершил бы 40

N>7+ Ияд 41 5+ 41 5

N = ---т„----- = — — — — — - - = 20

ií 4 15 оборотов, (н1

rAe i = 4,15 — передаточное отноше- 45 ние пере,цачи при зафиксированном водиле 7.

Однако натянутый канат 2 не позволяет выполнить барабану 1 более

18,79 оборотов (18,79 м) и запас хода, равный разнице 20 — 18, 79

1,21 оборота идет на поворот водила 6 в обратном направлении н подъема груза 9 при повороте вспомогательного барабана 7.

Для компенсации разницы чисел оборотов водило 6 и вспомогательный барабан 7 выполнят где i = 1,37 †передаточное отношение передачи Z,, Z

Z и звена 7 при не3 подвижном 2

При заполнении третьего и четвертого слоев эа N<.> > N = 41,5+41,5 =

= 83 оборотов, на барабан 5 будет намотано уже 254,3 м каната, а блок

254L3

3 поднимается еще на --- - = 2 1 2 м

12

Прн этом, барабан 1 выполнит дополнительно 21,2 оборота.

При неподвижном водиле барабан 1 совершил бы также ?О оборотов, так как количество витков при намотке третьего и четвертого слоев такое же, как и при намотке двух первых слоев.

Дополнительные 1, 2 оборота (20 +

+ 1,2 = 21 2) барабан 1 выполнит за счет поворота водила 6 под действием груза 9 (фиг. 2 — 4).

Таким образом, если при намотке первых двух витков при помощи водила количество оборотов барабана 1 уменьшается, то при намотке третьего и четвертого слоев количество оборотов барабана 2 увеличивается (20 — 1,2) +

+ (20 + 1>21) = 40 оборотов измерительного барабана, что соответствует общей высоте подъема талевого блока

3 на 40 м.

Если принять диаметр вспомогательного барабана 7 равным 0,2 м, то максимальный ход груза 9 будет равен

h = 11 d, N —.- 3,14 0,2 0,88 = — 0,553 м.

Таким образом, при передаточном отношении, определенном из условия неподвижности водила при среднем радиусе намотки каната на барабан лебедки, высота подъема натяжного груза будет минимальной.

Устройство работает следующим о6разом, При вращении барабана 5 лебедки поднимается (опускается) талевый блок 3, который через канат 2 вращает измерительный барабан 1. Натяжение каната 2 обеспечивается массой груза 9, а практическая неподвижность груза 9 при вращении измерительного барабана обеспечивается за

7 12801 счет дифференциальной зубчатой передачи, связанной с барабаном 5. При подъеме первой трубы предварительно измеряют длину ее рулеткой и устанавливают это показание сельсинным преобразователем 11 на индикаторе 12, Приняв это показание эа начало, спускают трубу в скважину. При перемещении талевого блока под нагрузкой одной трубы, масса которой недоста- 10 точна для срабатывания компаратора

13 индикатор длины колонны не иэt меняет показаний. При нагружении талевого блока двумя и более трубами, величина выходного сигнала преобра- 15 зователя веса 14 такова, что компаратор 13 включает электромагнитную муфту 10 и за счет этого обеспечивает жесткую связь измерительного барабана с многоотсчетным сельсинным 20 преобразователем 11, сельсинный преобразователь 11 суммирует с ранее установленным значением величину перемещения талевого блока, а индикатор 12 показывает длину колонны,опу-,25 щенной в. скважину, При перемещении талевого блока вверх преобразователь вычитает величину перемещения талевого блока. Кинематическая связь измерительного барабана 1 с бараба- 30

16 8 ном 5 буровой лебедки обеспечивает привод вращения измерительного барабана беэ колебаний последнего, умень-шает зону перемещения груза.

Формула изобретения

Устройство для измерения длины колонны труб, содержащее кинематически соединенные между собой барабан буровой лебедки и измерительный барабан с магнитной муфтой, преобразователь веса, индикатор и груз, о т л и ч аю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения, устройство снабжено многоотсчетным сельсинным преобразователем, компаратором и компенсирующим узлом, установленным между барабаном буровой лебедки и измерительным барабаном, при этом компенсирующий узел выполнен в виде вспомогательного барабана и дифференциальной зубчатой передачи с водилом, на котором жестко закреплен вспомогательный барабан, а на последнем закреплен канат с грузом, причем выход преобразователя веса через компаратор соединен с магнитной муфтой, а выход многоотсчетного сельсинного преобразователя подключен к индикатору °

1280116

Корректор С,Шекмар

Редактор Ю. Середа

Заказ 7031/29 Тираж 548

ВНИИПИ Государственного комитета СССР но делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб,, д,4/5

II o p II H c H o e

Производственно-полиграфическое предприятие, r.Óæãîðîä, ул.Проектная,4 ф

Уу

Фиг. Ф

Составитель В.Шилов

Техред И.Попович