Автономное забойное устройство для измерения силовых параметров

 

Изобретение относится к буровой технике и предназначено для измерения силовых параметров в колонне бурильных труб,в том числе и над долотом. Изобретением решается задача упрощения конструкции устройства, повышения точности измерений, возможность измерения не только осевой нагрузки, но и поперечных сил и крутящего момента, а также упрощение включения устройства на забое при запуске бурового насоса. Для этого устройство содержит встроенный в колонну бурильных труб упругий элемент с расположенными на нем датчиками измерения деформаций, защитный стакан, установленный герметично со стороны внутритрубного давления, и контейнер с электронным блоком и компенсатор давления, состоящий из двух полостей, разделенных диафрагмой. Одна из полостей сообщена с затрубным пространством, а другая каналом - с полостью датчиков, расположенной между внутренней поверхностью стенки упругого элемента и наружной поверхностью защитного стакана. На внутренней поверхности стенки упругого элемента расположены датчики измерения деформаций. Полость датчиков и сообщенная с ней каналом полость компенсатора давления заполнены инертной по отношению к датчикам измерения деформаций жидкостью. Устройство также снабжено устройством запуска работы электронного блока. 1 з.-п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к буровой технике и касается устройств для измерения силовых параметров в колонне бурильных труб, в том числе и над долотом.

Известно устройство для измерения осевой нагрузки с индуктивными измерителями упругой деформации /1/, расположенными снаружи упругого элемента. Для защиты индуктивных измерителей от механических повреждений снаружи устанавливается защитный стакан. Полость между стаканом и упругим элементом заполнена маслом, на которое передается давление промывочной жидкости из внутритрубного пространства через лубрикатор, состоящий из цилиндра, поршня и пружины. Стакан уплотняется на упругом элементе при помощи резиновых колец. При работе этого устройства упругий элемент, деформация которого измеряется, находится под давлением промывочной жидкости внутри труб с одной стороны и давлением масла, которое равно давлению промывочной жидкости внутри буровых труб плюс давление, создаваемое пружиной лубрикатора, т.е. упругий элемент нагружен некоторым внешним избыточным давлением лубрикатора.

Известно, что давление промывочной жидкости внутри бурильных труб может по разным причинам существенно пульсировать. При этом пульсация давления масла в полости снаружи упругого элемента не будет совпадать с пульсацией давления промывочной жидкости внутри бурильных труб за счет инерционности подпружиненного лубрикатора, в результате чего будут возникать пульсации деформации упругого элемента, которые будут восприниматься измерителями, что внесет существенные погрешности в результат измерения.

От указанных недостатков свободно наиболее близкое по конструкции забойное устройство для измерения осевой нагрузки колонны бурильных труб /2/. Это устройство содержит встроенный в колонну бурильных труб упругий элемент, на суженной части которого с наружной стороны расположены датчики измерения деформаций, защитный стакан, контейнер с электронным блоком, дополнительный защитный стакан, упругий элемент, выполненный в форме цилиндра ступенчатой формы из того же материала, что и основной упругий элемент, при этом дополнительный защитный стакан установлен герметично со стороны внутритрубного давления, а защитные стаканы совместно с суженной частью основного упругого элемента образуют две концентрические воздухозаполненные полости, в утолщенной части основного упругого элемента выполнено отверстие, куда до упора вставлен дополнительный упругий элемент, образующая поверхность большего диаметра которого уплотнена, а на образующей поверхности меньшего диаметра расположены дополнительные датчики измерения деформации, причем торец дополнительного упругого элемента меньшего диаметра сообщен с воздухозаполненной полостью, где расположены датчики измерения деформации основного упругого элемента, а торец большего диаметра сообщен с затрубным пространством, при этом отношение площадей большего и меньшего сечений дополнительного упругого элемента равно отношению площадей сечений основного упругого элемента в утолщенной и суженной частях.

При такой конструкции повышается точность измерений путем исключения влияния внутритрубного и затрубного давлений, вызывающих деформацию растяжения упругого элемента, а также осуществляется компенсация влияния гидростатического давления, вызывающего деформацию сжатия.

Однако при этом конструкция значительно усложняется, а электрическое суммирование сигналов датчиков измерения деформаций на основном и дополнительных упругих элементах приводит к дополнительным погрешностям.

Предлагаемым изобретением решается задача упрощения конструкции автономного забойного устройства, повышения точности измерений, возможность измерения не только осевой нагрузки, но и поперечных сил и крутящего момента, а также упрощение включения устройства на забое по запуску бурового насоса. Для достижения этого технического результата автономное забойное устройство для измерения силовых параметров, содержащее встроенный в колонну бурильных труб упругий элемент с расположенными на нем датчиками измерения деформаций, защитный стакан, установленный герметично со стороны внутритрубного давления, и контейнер с электронным блоком, снабжено компенсатором давления, состоящим из двух полостей, разделенных диафрагмой, при этом одна из полостей сообщена с затрубным пространством, а другая каналом - с полостью датчиков, расположенной между внутренней поверхностью стенки упругого элемента и наружной поверхностью защитного стакана, при этом на внутренней поверхности стенки упругого элемента расположены датчики измерения деформаций, а сама полость и сообщенная с ней каналом полость компенсатора давления заполнены инертной по отношению к датчикам измерения деформаций жидкостью, кроме того, оно снабжено устройством запуска работы электронного блока, состоящим из местного гидравлического сопротивления, дифференциального датчика давления с двумя полостями, диафрагмой и электрическим выходом и каналами, при этом гидравлическое сопротивление установлено внутри бурильной трубы, и одна полость дифференциального датчика давления сообщена каналом с внутритрубным пространством перед гидравлическим сопротивлением, а другая каналом сообщена с полостью датчиков, а электрический выход дифференциального датчика давления подключен к электронному блоку.

Отличительными признаками предлагаемого автономного забойного устройства измерения силовых параметров от указанного выше известного, являющегося наиболее близким к нему, является наличие компенсатора давления с двумя полостями, разделенными диафрагмой, при этом одна из полостей сообщена с затрубным пространством, а другая сообщена каналом с полостью датчиков, расположенной между внутренней поверхностью стенки упругого элемента и наружной поверхностью защитного стакана, при этом на внутренней поверхности упругого элемента расположены датчики измерения деформаций, а сама полость и сообщенная с ней каналом полость компенсатора давления заполнена инертной по отношению к датчикам измерения деформаций жидкостью, а также наличие устройства запуска работы электронного блока, состоящего из местного гидравлического сопротивления, дифференциального датчика давления с двумя полостями, диафрагмой и электронным выходом и каналами, при этом гидравлическое сопротивление установлено внутри бурильной трубы и одна полость дифференциального датчика давления сообщена каналом с внутритрубным пространством перед гидравлическим сопротивлением, а другая каналом сообщена с полостью датчиков, а электрический выход дифференциального датчика давления подключен к электрическому блоку. Благодаря наличию компенсатора давления и расположению датчиков измерения деформаций на внутренней поверхности стенки упругого элемента, заполнению полости датчиков инертной по отношению к датчикам измерения деформаций жидкостью и сообщению одной полости компенсатора давления с затрубным пространством, а другой - каналом с полостью датчиков исключается влияние внутритрубного и затрубного давлений, вызывающих деформацию упругого элемента, т.к. давление внутри и снаружи упругого элемента одинаково, а также благодаря наличию устройства запуска работы электронного блока. Автономное забойное устройство включается в работу при запуске бурового насоса и создании циркуляции промывочной жидкости, при которой появляется перепад давления на гидравлическом сопротивлении устройства запуска, на которое реагирует дифференциальный датчик давления устройства запуска, вырабатывая соответствующий электрический сигнал, запускающий в работу электронный блок.

На основании всего вышеизложенного можно сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения критериям изобретения "новизна" и "изобретательский уровень".

Предложенное автономное забойное устройство для измерения силовых параметров иллюстрируется принципиальной схемой, изображенной на чертеже.

Автономное забойное устройство для измерения силовых параметров содержит: колонну бурильных труб 1, упругий элемент 2 с расположенными на внутренней поверхности его стенки датчиками измерения деформаций 3, защитный стакан 4, установленный со стороны внутритрубного давления герметично с помощью уплотнительных элементов 5, 6, 7, герметичный контейнер 8 с электронным блоком, установленным внутри контейнера на осевых О и радиальных Р амортизаторах. Устройство снабжено компенсатором давления 9, состоящим из двух полостей А и Б, разделенных диафрагмой Д. Полость А сообщена с затрубным пространством, а полость Б сообщена каналом 10 с полостью датчиков 11, которая вместе с полостью Б заполнена инертной по отношению к датчикам 3 жидкостью. Кроме того, оно снабжено устройством запуска работы электронного блока, состоящего из местного гидравлического сопротивления 12, установленного внутри бурильной трубы, дифференциального датчика давления 13 с диафрагмой 14 и полостями В и Г. При этом полость В сообщена каналами 15 с внутритрубным пространством перед гидравлическим сопротивлением 12, а полость Г каналами 16 - с полостью датчиков 11, а электрический выход дифференциального датчика давления с помощью проводов 17 подключен электронному блоку. Дифференциальный датчик давления 13 вырабатывает электрический сигнал в случае, если давление в полости В выше, чем давление в полости Г.

Работа автономного забойного устройства для измерения силовых параметров осуществляется следующим образом. При спуске устройства в составе колонны бурильных труб 1 в скважину, заполненную промывочной жидкостью, давление последней воздействует на наружные стенки упругого элемента 2, а также через полость А компенсатора давления 9 на диафрагму Д, поднимая давление инертной жидкости в полости Д до уровня давления промывочной жидкости в затрубном пространстве. Это давление передается через канал 10 в герметичную полость 11 датчиков 3, заполненную инертной жидкостью. Таким образом, упругий элемент 2 находится под равным наружным и внутренним давлениями, что исключает его деформацию растяжения, которая могла бы фиксироваться датчиками измерения деформаций 3, внося существенные погрешности в измерения. Герметичность полости датчиков 11 обеспечивается защитным стаканом 4 и уплотнительными элементами 5, 6, 7. В процессе спуска буровой колонны в скважину и до создания циркуляции промывочной жидкости давление жидкости в полости Г датчика 13 равно давлению в затрубном пространстве жидкости, так как эта полость сообщена с полостью датчиков, а давление в полости В меньше за счет того, что жидкость в эту полость поступает через местное сопротивление 12, а при завершении спуска буровой колонны в скважину давление выравнивается до давления в затрубном пространстве. В обоих случаях датчик 13 не вырабатывает электрический сигнал. После запуска бурового насоса промывочная жидкость начинает двигаться по внутритрубному пространству и проходит через внутренний канал защитного стакана 4. При этом местное гидравлическое сопротивление 12 создает перепад давления между затрубным и внутритрубным, перед гидравлическим сопротивлением, давлениями. Внутритрубное давление промывочной жидкости через канал 15 передается в полость В дифференциального датчика давления. В полости Г этого датчика, соединенного каналом 16 с полостью датчиков 11, давление инертной жидкости равно затрубному. За счет высокого давления в полости В, чем в полости Г, дифференциальный датчик вырабатывает электрический сигнал, который по проводам 17 передается электронному блоку, запуская его работу.

Источники информации 1. Грачев Ю. В., Варламов В.П. Автоматический контроль в скважинах при бурении и эксплуатации. Издательство "Недра", 1968, с. 106-110.

2. А.С. СССР N 1170129, E 21 B 45/00, Бюл. N 28, 30.07.85 (прототип).

Формула изобретения

1. Автономное забойное устройство для измерения силовых параметров, содержащее встроенный в колонну бурильных труб упругий элемент с расположенными на нем датчиками измерения деформации, защитный стакан, установленный герметично со стороны внутритрубного давления, и контейнер с электронным блоком, отличающееся тем, что устройство снабжено устройством запуска электронного блока и компенсатором давления, состоящим из двух полостей, разделенных диафрагмой, при этом одна из полостей сообщена с затрубным пространством, а другая каналом - с полостью датчиков, расположенной между внутренней поверхностью стенки упругого элемента и наружной поверхностью защитного стакана, при этом на внутренней поверхности стенки упругого элемента расположены датчики измерений деформаций, а сама полость и сообщенная с ней каналом полость компенсатора давления заполнены инертной по отношению к датчикам измерения деформаций жидкостью.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что устройство запуска работы электронного блока состоит из местного гидравлического сопротивления, дифференциального датчика давления с двумя полостями, диафрагмой и электрическим выходом и каналами, при этом гидравлическое сопротивление установлено внутри бурильной трубы и одна полость дифференциального датчика давления сообщена каналом с внутритрубным пространством перед гидравлическим сопротивлением, а другая каналом сообщена с полостью датчиков, а электрический выход дифференциального датчика давления подключен к электронному блоку.

РИСУНКИ

Рисунок 1