Модулятор звуковой вибрации
Изобретение относится к области автоматического контроля технологических параметров при турбинном бурении и м.б. применено для измерения расхода бурового раствора. Цель - повышение точности измерения расхода бурового раствора с любого места бурильной колонны путем амплитудно-импульсной модуляции частоты в спектре звуковой вибрации, источником которой является турбобур. Устройство содержит корпус 1, резонансную камеру 2, выполненную в виде пустотелого цилиндра с отверстием 3 на торце, заслонку 4, ротор 5, и статор 6, выполненные в виде ободов с направляющими элементами (лопатками) для потока бурового раствора. При подаче бурового раствора турбобур начинает генерировать спектр звуковых колебаний, при этом ротор 5 вращается с резонансной камерой 2 и заслонка 4 перекрывает отверстие 3. Формируется волновая пауза в полигармоническом спектре звуковых колебаний турбобура, которые воспринимаются акустическим приемником в виде последовательности импульсов, частота которых пропорциональна расходу бурового раствора. 2 ил.
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК (si)s Е 21 В 47/12
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ
ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ
ПРИ ГКНТ СССР
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
< - И03ИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4494125/03 (22) 17.10.88 (46) 07.07.91. Бюл. М 25 (71) Тюменский индустриальный институт им. Ленинского комсомола (72) Ю.А.Савиных, О.А.Столяров и В.И.МосКОВКИН (53) 622.24,08 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР
М 1406358, кл. E 21 В 47/12, 1986. (54) МОДУЛЯТОР ЗВУКОВОЙ ВИБРАЦИИ (57) Изобретение относится к области автоматического контроля технологических параметров при турбинном бурении и м,б. применено для измерения расхода бурового раствора. Цель — повышение точности измерения расхода бурового раствора с любого места бурильной колонны путем амплитудно-импульсной модуляции частоты в, Ы, „1661391 А1 спектре звуковой вибрации, источником которой является турбобур. Устройство содержит корпус 1, резонансную камеру 2, выполненную в виде пустотелого цилиндра, с отверстием 3 на торце, заслонку 4, ротор
5, и статор 6, выполненные в виде ободов с направляющими элементами (лопатками) для потока бурового раствора. При подаче бурового раствора турбобур начинает генерировать спектр звуковых колебаний, при этом ротор 5 вращается с резонансной камерой 2 и заслонка 4 перекрывает отверстие 3. Формируется волновая пауза в полигармоническом спектре звуковых колебаний турбобура, которые воспринимаются акустическим приемником в виде последовательности импульсов, частота которых пропорциональна расходу бурового раствора. 2 ил.
1661391
Изобретение относится к автоматическому контролю технологических параметров при турбинном бурении и может быть применено для измерения расхода бурового раствора с любого места бурильной ко- 5 лонны.
Целью изобретения является повышение точности измерения расхода бурового раствора с любого места бурильной колон, ны за счет амплитудно-импульсной модуля- 10 ции частоты в спектре звуковой вибрации, источником которой является турбобур.
На фиг.1 и 2 представлен предлагаемый модулятор.
Модулятор содержит корпус 1, резонан- 15 сную камеру 2, выполненную в виде пустотелого цилиндра, с отверстием 3 на торце,, заслонку 4, ротор 5 и статор 6, установленный между корпусом 1 и резонансной камерой 2,,на которой установлен ротор 5; 20 между статором 6 и заслонкой 4, которая установлена на корпусе 1 с возможностью перекрытия отверстия 3 на торце резонансной камеры 2, которая выполнена с цилиндрическим горлом 7, установленным внутри 25 резонансной камеры 2 под отверстием 3, ротор 5 и статор 6 выполнены в виде ободов с направляющими элементами (лопатками)
8 для потока бурового раствора.
Модулятор работает следующим обра- 30 зом.
При турбинном способе бурения устройство устанавливают над турбобуром, при подаче бурового раствора турбобур начинает генерировать спектр звуковых колеба- 35 ний, при этом начинает вращаться ротор 5 с резонансной камерой 2 и формируется волновая пауза в полигармоническом спектре звуковых колебаний турбобура путем периодического перекрытия отверстия 3 заслон- 40 кой 4.
Звуковые колебания воспринимаются акустическим приемником в виде последовательности импульсов, частота которых пропорциональна числу оборотов резонан- 45 сной камеры 2, подавая сигнал через анализатор импульсов на регистрирующий прибор, определяют расход бурового раствора по формуле
П 2
r= 1,5 Q/fo.
Q = fat/1,5 = 133
50 Принимают верхнюю границу для добротности резонатора 0 = 10. Потеря энергии колебаний резонатора определяется по формуле
Q= — F.и, 1 с где Q — расход бурового раствора.
c —; 55
F — площадь поперечного сечения пото2ж
Wn = ЧЧк = 0,6Ю/к, 0 ка и — число оборотов ротора.
Il р и м е р. Размеры устройства: внутренний диаметр корпуса 165 мм, внешний диаметр резонансной камеры 115 мм, внутренний диаметр резонансной камеры 105 мм, высота резонансной камеоы 350 мм, площадь отверстия F = 27 см, высота горла
h = 60 мм, объем резонансной камеры 3029 см, собственная частота резонансной камеры
921 Гц, число оборотов турбобура ЗТСШ-195 при расходе буровой жидкости 25 л/с составляет 590 об/мин, число лопаток на роторной турбине равно 24.
По формуле где и — число оборотов вала турбобура;
z — число лопаток роторной турбины;
f — частота информационного сигнала, определяют частоту информационного сигнала, генерируемую турбобуром, равной
236 Гц. Принимают частоту поглощения, близкую к третьей гармонике, равной
944 Гц. Оценку доли энергии поглощаемой резонатором из полной энергии определяют по формуле где И4 — потери энергии колебаний резонатора;
Wo — полная энергия колебаний на резонансной частоте, Акустический резонатор в первом приближении может быть описан как гармонический осциллятор с резонансной частотой
fo и добротностью Q. Время периода осциллятора т при внешнем воздействии определяется по формуле
Задавая время открытия отверстия резонансной камеры t из условия t«t, принимают t =0,2 с. Максимальная добротность резонатора равна где М/к — максимальная энергия резонатора, W4 = 2 п гиа fo, (2) 1661391 где m =p Fh — эквивалентная масса резонатора; р — плотность жидкости; а — амплитуда колебаний.
Если резонатор возбуждается внешним 5 акустическим полем, у которого гармоника резонансной частоты имеет амплитуду а1, то а> и а связаны соотношением
10 (3) М/и = 1,2 pFh (e>Qfo л) . (4) Эта энергия поглощается из объема
V жидкости 20 (5) V =S С
fo о
25 где S = — площадь поперечного сече4 ния колонны;
С вЂ” скорость звука в буровом растворе, С = 1500 м/с;
fo — частота резонатора;
d — диаметр.
Полная энергия колебаний на резонансной частоте в этом объеме определяется по формуле
Wp = 2p V(x a Из (5) и (6) определяют долю энергии, поглощаемую резонатором, из полной энергии, находящейся в объеме 40 к=N4=2,4 Fha f-, (7) xcF С Подставляя расчетные данные в формулу получают, что к = 0,76. Таким образом, 45 Из (1) — (3) получают, что из внешнего поля резонатор за один период может диссимировать энергии 15 акустический резонатор на резонансной частоте поглощает 76% энергии из объема звукового потока. Ширина резонансной кривой hf>, т,е, между точками, в которых амплитуда равна 0,7 от резонансной, определяется на основании соотношения Af = fo/О, Для расчетного примера A f = 921/10 = =92 Гц. Выделение полезного сигнала на устье скважины осуществляется многоканальным анализатором амплитуды импульсов АИ-1024. Таким образом, предлагаемый модулятор позволяет определить расход бурового раствора в любом месте бурильной колонны, кроме того, с учетом давления на выпаде насоса и глубины бурения можно производить выбор оптимального режима бурения и отработку долот. Формула изобретения Модулятор звуковой вибрации, содержащий корпус, установленную в нем с возможностью вращения вокруг своей продольной оси резонансную камеру, выполненную в виде пустотелого цилиндра, с отверстием на торце, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения расхода бурового раствора при турбинном бурении, он снабжен заслонкой, ротором и статором, установленным между корпусом и резонансной камерой, на которой установлен ротор между статором и заслонкой, которая установлена на корпусе с возможностью перекрытия отверстия на торце резонансной камеры, которая выполнена с цилиндрическим горлом. установленным внутри резонансной камеры над отверстием в торце, ротор и статор выполнены в виде ободов с направляющими элементами для потока бурового раствора. 1661391 Составитель В.Салащенко Редактор И,Шулла Техред М.Моргентал Корректор О.Кравцова Заказ 2106 Тираж 372 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5 Производственно-издателвский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 1 01
