Датчик для контроля числа оборотов вала турбобура

 

Изобретение относится к технической акустике и может быть использовано для получения забойной информации в процессе турбинного бурения наклонно направленных скважинах. Сущность изобретения: неподвижная перегородка и вращающийся диск выполнены в виде плоских сегментов, причем вращающийся сегмент соединен с торцом вала турбобура стержнем, на конце которого размещена соединительная полумуфта, и который расположен от неподвижного сегмента на расстоянии, равном H = 0,785·d²_o/d, где H-расстояние между неподвижным и вращающимся сегментами; d_o - диаметр проходного канала вала шпинделя турбобура; d - внутренний диаметр переводника верхней секции турбобура. 4 ил.

Изобретение относится к технической акустике и может быть использовано для получения забойной информации в процессе турбинного бурения наклонно направленных скважин.

Известны устройства для передачи технологической информации о параметрах режима бурения, например гидротурботахометры [1] Недостатком данного устройства является низкая надежность работы гидротурботахометра и низкая достоверность информации.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство для непрерывного контроля оборотов вала турбобура, содержащее неподвижный элемент и взаимодействующий с валом турбобура вращающийся элемент, расположенный с возможностью перекрытия потока жидкости в бурильной колонне [2] Недостатком данного устройства является низкая достоверность информации.

Цель изобретения обеспечение возможности измерения числа оборотов вала турбобура на заданной частоте волновыми паузами за счет формирования стоячей волны путем периодического перекрывания канала звукопровода, увеличивающей отношение сигнал/шум и повышающей точность измерения.

Указанная цель достигается за счет того, что неподвижная перегородка и вращающийся диск выполнены в виде плоских сегментов, причем вращающийся сегмент соединен с торцом вала турбобура стержнем, на конце которого размещена соединительная полумуфта, и расположен от неподвижного сегмента на расстоянии H (1) где Н расстояние между неподвижным и вращающимся сегментами; d_o диаметр проходного канала вала шпинделя турбобура; d внутренний диаметр переводчика верхней секции турбобура.

Из теории акустики известно, что бегущая волна в звукопроводе, встречая на своем пути плоское однородное препятствие, например стену, отражается и в результате встречного движения волн образуется стоячая волна, описываемая выражением a=2Acos xsin t (2) где а смещение частиц среды относительно положения покоя; А амплитуда смещения; λ- длина волны; х координата;
t время;
Т период.

Из анализа выражения (2) вытекает, что в точках, в которых cos x обращается в нуль, смещение а тождественно равно нулю. Это имеет место при х равном нечетному числу λ/4.

Данное явление образования стоячей волны можно использовать для передачи технологической информации в процессе бурения скважины. Для этого необходимо в звукопроводе, т.е. бурильной колонне, заполненной жидкостью от источника звука, т. е. турбинных лопаток, установить вращающийся экран на расстоянии λ/4, например, в виде вращающегося и неподвижного сегментов, при этом соединить вращающийся сегмент с торцом вала турбобура.

Чтобы не создавать дополнительное гидравлическое сопротивление, не превышающее определенной величины, необходимо вращающийся и неподвижный сегменты расположить на заданном расстоянии друг от друга, причем площадь для прохода жидкости между сегментом выбирается равной площади проходного канала вала шпинделя турбобура. Тогда вращение вала турбобура, приводя во вращение вращающийся сегмент, будет периодически перекрывать звуковой канал, создавая тем самым последовательность волновых пауз, на частоте образования стоячей волны.

В результате образования на заданной частоте стоячей волны, которая в отличие от бегущей волны не передает энергии, увеличивается отношение сигнал/шум, и повышается точность измерения.

П р и м е р.

Информационная частота f 500 Гц.

Расстояние от вращающегося сегмента до турбинки х 0,75 м.

Диаметр проходного вала шпинделя турбобура d_o 55 мм.

Внутренний диаметр переводника верхней секции турбобура d 140 мм.

Расстояние между неподвижным и вращающимся сегментами Н 2 см.

На фиг.1 изображен продольный разрез датчика при закрытом звукопроводе; на фиг.2 продольный разрез датчика при открытом звукопроводе; на фиг.3 фрагменты расположения неподвижного и вращающегося сегментов относительно друг друга при вращении вала турбобура; на фиг.4 спектрограмма и осциллограммы.

Датчик для контроля числа оборотов вала турбобура (фиг.1) содержит корпус 1, вращающийся сегмент 2, неподвижный сегмент 3, стержень 4, соединительную полумуфту 5.

В статическом режиме датчик для контроля числа оборотов вала турбобура размещается над третьей секцией шпиндельного турбобура типа 3ТСШ1-195 (3ТСШ-195 ТЛ). Сборка датчика производится следующим образом. В соединительную полумуфту 5 наворачивается на резьбе стержень 4 с вращающимся сегментом 2, предварительно жестко соединив его сваркой. Внутрь корпуса 1 вставляется неподвижный сегмент и по дуге сегмента производят сварку. На торец вала в шлицы вставляют соединительную полумуфту 5 и наворачивают на переводник верхней секции турбобура корпус 1 в сборе с неподвижным сегментом 3.

В динамическом режиме при включении буровых насосов промывочная жидкость по бурильной колонне поступает в турбобур между неподвижным сегментом 3 и вращающимся сегментом 2. Роторные и статорные турбинки при вращении начинают генерировать в бурильную колонну, т.е. канал звукопровода, спектр шума (фиг. 4,а).

На каждый оборот вала турбобура вращающийся сегмент 2 относительно неподвижного сегмента 3 занимает следующее положение. Первое положение, когда канал звукопровода закрыт вращающимся сегментом 2 (фиг.1 и 3,а), второе положение, когда канал звукопровода открыт вращающимся сегментом 2 (фиг.2 и 3, б).

В момент закрытия канала звукопровода между вращающимся 2 и неподвижным 3 сегментами, являющимися плоским однородным препятствием, и турбинками, служащими источником звука, образуется стоячая волна на частоте 500 Гц, которая присутствует в спектре шума (фиг.4,а). В это время в канале звукопровода формируется информационный сигнал в виде волновой паузы длительностью Т_вц (фиг.4,б).

В момент открытия канала звукопровода создается бегущая волна длительностью Т_бв.

Периодическое перекрывание вращающимся сегментом, жестко связанным с валом турбобура, канала звукопровода приводит к формированию последовательности волновых пауз, число которых пропорционально числу оборотов вала турбобура.

На поверхности акустическим приемником воспринимается спектр звуковой вибрации и через соответствующие электронные преобразователи информационная частота f 500 Гц преобразуется в последовательность прямоугольных импульсов (фиг. 4,в), далее поступают на вход аналогового прибора, шкала которого проградуирована в об/мин.

Предложенная конструкция датчика для контроля частоты вращения вала турбобура при ее реализации позволит по сравнению с известными техническими решениями увеличить механическую скорость и проходку на долото за счет поддержания заданного значения осевой нагрузки по геолого-технологическому наряду.

Формула изобретения

ДАТЧИК ДЛЯ КОНТРОЛЯ ЧИСЛА ОБОРОТОВ ВАЛА ТУРБОБУРА, включающий неподвижный элемент и взаимодействующий с валом турбобура вращающийся элемент, расположенные с возможностью периодического перекрытия потока жидкости в бурильной колонне, отличающийся тем, что он содержит цилиндрический корпус и стержень с соединительной полумуфтой, а неподвижный и вращающийся элементы выполнены в виде плоских сегментов, причем неподвижный элемент жестко закреплен в цилиндрическом корпусе, а вращающийся элемент размещен на стержне, соединенном с торцом вала турбобура посредством соединительной полумуфты, и расположен от неподвижного элемента на расстоянии, равном

где H расстояние между неподвижным и вращающимся элементами;
d_о диаметр проходного канала вала шпинделя турбобура;
d внутренний диаметр переводника верхней секции турбобура.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4