Способ установки датчика напряжений в скважину

 

Использование: в горном деле для установки датчика в скважинах и трубах. Сущность изобретения: при установке датчика осуществляют совместную засыпку эжектора с клеем и датчика в скважину на необходимую глубину. Клей выдавливают при перемещении датчика относительно штока эжектора в зазор между датчиком и стенкой скважины. Клей подают дозированно. Количество клея в дозе равно объему зазора между датчиком и стенкой скважины при перемещении на единицу длины. Происходит центрирование датчика,4 ил.

союз советских

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (si)s E 21 С 39/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

К ПАТЕНТУ (21) 4633454/03 (22) 09.01.89 (46) 30.11.92. Бюл. МФ 44 (71) Норильский горно-металлургический комбинат им. А.П. Завенягина(72) С.С. Шаталов и Ф.П. Семенов (73) Норильский горно-металлургический комбинат им. А.П. Завенягина (56) Грицко Г.И. и Кулаков Г.И, Измерение напряжений в горных породах фотоупругими датчиками. Новосибирск. Наука, 1978, стр. 113-118.

Авторское свидетельство СССР

М 866189, кл. Е 21 С 39/00, 1980, Изобретение относится к горному делу и может найти. применение для установки устройств в скважинах и трубах. Может быть использовано при измерении напряжений в горных породах фотоупругими датчиками.

Известен способ установки датчика напряжений, в котором раздельно засылают в скважину деревянную пробку и датчик с клеем. Центрирование датчика осуществляют при помощи установочной штанги, а подачу клея в зазор производят прижатием датчика к деревянной пробке.

Недостатком способа является низкая точность установки датчика. При этом под точностью установки датчика понимается степень соответствия реальной установки датчика к теоретической, принятой при пе-. реводе показаний датчика в напряжения.

Укаэанный недостаток обусловлен тем, что подача клея 8 зазор между датчиком и стен Ж 1779279 АЗ (54) СПОСОБ УСТАНОВКИ ДАТЧИКА НАПРЯЖЕНИЙ В СКВАЖИНУ (57) Использование: в горном деле для установки датчика в скважинах и трубах. Сущность изобретения: при установке датчика осуществляют совместную засыпку эжектора с клеем и датчика в скважину на необходимую глубину. Клей выдавливают при перемещении датчика относительно штока зжектора в зазор между датчиком и стенкой скважины. Клей подают дозированно. Количество клея в дозе равно обьему зазора между датчиком и стенкой скважины при перемещении на единицу длины. Происходит центрирование датчика,4 ил. кой скважины осуществляется за счет потока клея в зазоре. При этом из-за низкой точности центрирования датчика образуется неравномерный поток клея из-эа разного сопротивления узкой и широкой части зазора. Со стороны широкой части зазора из-за низкого сопротивления проходит избыточное количество клея, затекающее на измерительную поверхность датчика. Со стороны зауженной части зазора клей не может проникнуть в зазор иэ-за высокого сопротивления и образуются непроклеенные участка на контакте датчика со стенкой скважины. При затекании клея на рабочую поверхность датчика невозможно снять с него показания, а при образовании непроклеенных участков искажается работа датчика.

Кроме того, недостатком способа является высокая трудоемкость, которая обус1779279 ловлена необходимостью раздельной доставки деревянной пробки и датчика с клеем, сложностью монтажа бумажного стаканчика с клеем на датчике.

Известен способ установки датчика напряжений, в котором осуществляют совместную засылку датчика и эжектора с клеем в скважину, центрирование с помощью центрирующей штанги, выдавливание клея через отверстия в днище эжектора и подачу его в зазор между датчиком и стенкой скважины посредством смещения датчика относительно штока эжектора, спертого на забой скважины. .

В этом способе снижается трудоемкость установки, т.к, отпадает необходимость монтажа конструкции, Однако выдавливание клея через отверстия в днище эжектора не гарантирует полного заполнения зазора клеем, т.к. подача клея .осуществляется также за счет потока клея.

Известен способ установки датчика напряжений, в котором осуществляют совместную засылку эжектора с клеем и датчика на необходимую глубину, подачу клея через отверстия в стенке эжектора в зазор между датчиком и стенкой скважины, посредством. смещения датчика относительно штока эжектора и центрирование.

В этом способе решена задача произвольного вытекания клея, однако недостатком способа остается низкая точность установки датчика. Укаэанный недостаток обусловлен тем, что,несмотря на равенство объемов эжектора и зазора между датчиком и стенкой скважины, подача клея осуществляется также за счет потока клея в зазоре, При этом также происходит затекание клея на рабочую поверхность датчика, образование непроклеенных участков. Кроме того, способ не устраняет влияния больших каверн на показания датчика.

Целью изобретения является повышение точности установки датчика, Указанная цель достигается тем, что в способе установки датчика напряжений в скважину, включающем совместную засылку эжектора с клеем и датчика на необходимую глубину, подачу клея в зазор между датчиком и стенкой скважины путем выдавливания клея при перемещении датчика относительно штока эжектора и центрирование, согласно изобретению, подачу клея осуществляют дозированно, при этом количество клея в дозе равно объему зазора между датчиком и стенкой скважины при перемещении на единицу длины.

При таком размере дозы подача клея в зазор будет осуществляться не за счет потока клея в зазоре, а за счет вползания датчи10

Эти пустоты вызывают определенные изме15 нения в оптической картине датчика, что служит сигналом о пригодности установки

40 ка в образующееся при выдавливании из эжектора кольцо клея, При этом уже выдавленный клей в зазоре не оказывает сопротивление дальнейшему выдавливанию клея из эжектора. Облегчение выдавливания вязкого клея из эжектора позволяет уменьшить величину зазора между датчиком и стенкой скважины и, тем самым, уменьшить влияние слоя клея на показания датчика. Кроме того, такая подача клея в зазор при наличии в скважине больших каверн, приводит к образованию непроклеенных участков на контакте датчика со стенкой скважины (пустот). датчика. При избыточном количестве выдавленного из эжектора клея (как это имеет место в прототипе), при перемещении датчика на единицу длины, происходит заполнение каверн клеем. В этом случае непроклеенного участка между датчиком и стенкой скважины не будет и также не будет сигнала о наличии каверны.

Согласно теории метода измерения напряжений фотоупругими датчиками, необходимо учитывать упругие свойства горных пород, окружающих датчик. Неучет этих свойств может привести к тому, что датчик покажет не напряжения, действующие в массиве, а его деформацию или какую-то неопределенную величину между деформациями и напряжениями. При заполнении больших каверн клеем свойства массива, окружающего датчик, изменяются, а поскольку форма и размеры каверны неизвестны, то и учесть свойства массива при обработке результатов показаний .датчика не предоставляется возможным, Наличие контроля за установкой датчика путем анализа искажения показаний датчика повышает точность установки датчика.

Дозированная подача клея, когда количество клея в дозе равно объему зазора между датчиком и стенкой скважины при перемещении на единицу длины, позволяет центрировать датчик путем выдавливания клея. Центрирование датчика в скважине осуществляется следующим образом.

До тех пар, пока отверстия в стенке эжектора не перекрыты слоем клея, силы, смещающие датчик, не появляются. Если в некоторый момент времени датчик смещен относительно центра скважины, то при равномерном выдавливании клея по периметру эжектора со стороны зауженной части зазора между датчиком и стенкой скважины, отверстия в стенке эжектора будут перекрыты выдавленным объемом клея. При этом на

1779279

15 д

q-- 0 —, b

27 Е I f

Ь!

P бЯО I„Ro

bз б4

«1,36 кг/с выходе отверстий появляются силы, выводящие эжектор с датчиком к центру скважины. Такое центрирование происходит только в случае, когда количество клея в дозе равно обьему зазора между датчиком и стенкой скважины при перемещении на единицу длины. При избытке выдавленного клея на единицу длины смещения датчика, открытия отверстий в расширенной части зазора не происходит и в этом случае равнодействующая сил, стремящихся вернуть датчик к центру скважины, будет равна нулю и не будет происходить смещения датчика к центру скважины.

Для доказательства центрирования датчика в скважине путем выдавливания клея проведем расчет баланса сил, действующих на датчик для конкретного примера осуществления способа. Силы, отклоняющие датчик от центра скважины (центробежныее):

P — эа счет изгибной жесткости става досылочных штанг, возникающей при отклонении точки упора штока эжектора от центра забоя скважины, Н; ц — составляющая приложенной к штоку эжектора силы при выдавливании клея, действующая перпендикулярно оси скважины.

Рц — сила, выводящая датчик к центру скважины (центростремительная).

Оценку величины силы P проведем по формулам для стержня, закрепленного шарнирно с точкой приложения силы в месте расположения датчика фиг,2, Выражение для величины Р имеет вид: где Š— модуль Юта материала стержня (досылочных штанг), н/м ;

I — момент инерции досылочных штанг, 4.

f — максимальный прогиб упругой линии, т.к. датчик расположен вблизи точки максимального прогиба, а допустимая величина отклонения штока эжектора не превышает 1,5 мм, то принимаем 1,5 мм;

Ь вЂ” длина става штанг от датчика до забоя скважины (9 м);

1 — общая длина става штанг (15 м).

Выражение для I имеет вид; где 0 — наружный диаметр досылочной штанги,.м; б — внутренний диаметр досылочной штанги, м.

27 7 10 3,75 10 0,15

9 153 (1 — — ) 15

° Ц9, 10 13 н

1,1972 10

Величину с1 рассчитываем по правилу параллелограмма (фиг.3) где 0 — сила, прилагаемая к досылочной штанге для выдавливания клея (гн);

20 Ь вЂ” расстояние от датчика до забоя, м; д — максимальное отклонение штока эжектора от центра скважины

q =Q — =2 =22 10 Н д 0001 — 4

b 9

Центростремительную силу определим на основе решения гидродинамической задачи о вытекании жидкости в зазор между плоским диском и плоскостью (фиг.4), уподобив ее вытеканию клея из эжектора при перекрытии отверстия со стороны зауженной части зазора между датчиком и стенкой скважины. Давление клея в зазоре опреде35 лим по формуле.

40 где r — радиус координата плоского диска;

R< — радиус диска (вычислен исходя иэ площади между отверстиями в стенке эжектора) 10 мм;

0 — расход жидкости (клея) через отверстие радиусом rp (равен радиусу отверстия в стенке эжектора);

Ь - величина зазора (принята равной величине зазора между датчиком и стенкой

50 скважины 1,5 мм);

p — динамическая вязкость жидкости.

Величину 0 определим из решения гидродинамической задачи о вытекании жидкости через круглое отверстие в тонкой стенке

Ао Формуле: а= *, д =2 0.6 75 10 (6,5 10 )

1779279 где и* — коэффициент расхода жидкости через отверстие в тонкой стенке, ro — радиус отверстия в стенке зжектора;

F — сила, приложенная к штоку эжектора; р- радиус эжектора.

P — In

6 3 10 з 136 1 10

1 5з 1о г7 7,5 1о

= ;Я8 . 1(У4 н/мг

Полученная величина много больше величины давления клея в эжекторе (= 1,5 10 н/м ), следовательно naI=

Xg дением давления клея в зауженной части зазора между датчиком и стенкой скважины при приложении к штоку усилия 2 н можно пренебречь.

Величину центростремительной силы вычислим по формуле

Рц-Лго — = 10 10 1.5 10 =4.7 Н

F г. — 6, . 4

7Г Щ

Расчеты показали, что величина центростремительной силы на несколько порядков превышает величину центробежных сил, При этом оценка центробежных сил проводилась со стороны максимальных значений, а центростремительной — со стороны минимальных значений. Центрирование датчика путем выдавливания клея можно считать доказанным.

На фиг.1 показано устройство для осуществления способа; на фиг.2-4- схемы для иллюстрации расчетов.

Устройство содержит эжектор 1, заполненный клеем 2. состоящий из корпуса 3, штока 4 с поршнем 5, штуцера 6 с отверстиями 7, датчик 8, состоящий из металлической обоймы 9 и фотоупругого Элемента 10, досылочную штангу 11. Скважина обозначена поз.12.

Способ осуществляется следующим образом. Датчик 8 с эжектором 1, заполненным клеемся с помощью досылочных штанг

11 засылают в скважину 12, При упоре штока 4 эжектора 1 в забой скважины 12 дальнейшее перемещение датчика по скважине

12 осуществляют с одновременным смещением его относительно штока 4. Такое перемещение датчика 8 сопровождается выдавливанием клея 2 из эжектора 1 через отверстия 7 в штуцере 6 с одновременной его подачей в зазор между датчиком 8 и стенкой скважины 12. При выдавливании объема клея 2 из эжектора 1 на единицу длины перемещения датчика 8, равного объему зазора, образованного при этом пере5 мещения, происходит центрирование датчика в скважине 12 за счет сил сопротивления выдавливанию клея 2 и подача его в зазор между датчиком 8 и стенкой скважины

12. Такое центрирование датчика 8 в сква10 жине 12 и подача клея 2 в зазор между датчиком 8 и стенкой скважины 12 повышает точность установки датчика, Конкретный пример осуществления способа.

15 Из выработки, расположенной на глубине 990 м, пробурена вертикально восстающая скважина 12 глубиной 15 м и диаметром

56 мм. Требуется измерить изменение напряжений при подходе очистных работ в

20 рудном массиве в окрестности скважины 12 на глубине 6 м. Имеется фотоупругий датчик

8, металлическая обойма 9 которого имеет внешний диаметр 54,5 мм. Для осуществления выдавливания клея 2 из эжектора 1 в

25 количестве равном объему зазора, образованному на единицу длины перемещения датчика, выбирают эжектор 1 в зависимости от диаметра скважины 12, внутренний диаметр которого определен из соотношения:

30 D = D скв - О дат=56 — 54,5 13 MM г г г где Осев — диаметр скважины;

Одат — диаметр эжектора.

Наращивать шток 4 эжектора 1 досылочными штангами (на чертеже не показа35 ны) до длины Ь - 15-6 - 9 м, заполняют эжектор 1 клеем 2 и сочленяют его с датчиком 8. Для установки датчика 8 в качестве клея 2 используют цементно-песчаную смесь (бетон) из цемента марки 500 — 600 и

40 песка с размером зерен до 1 мм в соотношении 1:1. Необходимую вязкость цементного раствора определяют путем испытания приготовленных растворов различного водоцементного соотношения на усилие его

45 выдавливания из эжектора 1. Величину усилия, прикладываемого к штоку 4 эжектора 1 при выдавливании клея 2 устанавливают опытным путем в пределах 10 — 20 кг. С помощью досылочных штанг 11 засылают дат50 чик 8 на глубину 6 м.и приложением усилия

10-20 кг выдавливают клей 2 из эжектора 1, При использовании в качестве клея 2 цементного раствора, через 30-40 мин после его выдавливания извлекают досылочные штан55 ги11 из скважины 12. Для проверки возможности снятия показаний с датчика 8 в искривленной скважине, датчик 8 освещают головным светильником. Если свет от головного светильника отражается с большей половины поверхности датчика 8, то уста1779279 новка считается пригодной для измерения напряжений. Если свет не отражается с поверхности датчика 8, то производят повторную установку датчика на меньшую глубину.

По окончании наблюдений производят из- 5 влечение датчика 8 из скважины следующим образом: досылочные штанги сочленяют посредством резьбы с обоймой 9 датчика 8, которые в свою очередь, соединяют с гидравлическим прибором типа ДГА (на черте- 10 же не показан) и с его помощью извлекают устройство из скважины 12. Производят разборку эжектора 1 и зачистку его от остатков клея 2, таким образом производят подготовку для повторной установки 15 устройства. Скважина, после извлечения устройства пригодна для проведения в ней ультразвуковых измерений, установки деформометров,глубинных реперов.

Формула изобретения

Способ установки датЧика напряжений в скважину, включающий совместную засыпку эжектора с клеем и датчика на необходимую глубину, подачу клея в зазор между датчиком и стенкой скважины путем выдавливания клея при перемещении датчика относительно штока эжектора и центрирование, отличающийся тем, что, с целью повышения точности установки датчика, подачу клея осуществляют дозированно, при этом количество клея в дозе равно объему зазора между датчиком и стенкой скважины при перемещении не единицу длины.

1779279

Составитель С.Шаталов

Техред М.Моргентал Корректор В,Муска

Редактор

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 4205 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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