Лабораторная установка для определения нагрузки, действующей на буровое долото



Лабораторная установка для определения нагрузки, действующей на буровое долото
Лабораторная установка для определения нагрузки, действующей на буровое долото
Лабораторная установка для определения нагрузки, действующей на буровое долото
Лабораторная установка для определения нагрузки, действующей на буровое долото
Лабораторная установка для определения нагрузки, действующей на буровое долото
Лабораторная установка для определения нагрузки, действующей на буровое долото
Лабораторная установка для определения нагрузки, действующей на буровое долото
Лабораторная установка для определения нагрузки, действующей на буровое долото

 


Владельцы патента RU 2566646:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тюменский государственный нефтегазовый университет" (ТюмГНГУ) (RU)

Изобретение относится к буровой технике и предназначено для измерения параметров силового воздействия на буровое долото режуще-скалывающего действия в процессе разрушения им породы. Лабораторная установка для определения нагрузки, действующей на буровое долото, содержит измерительную балку, жестко закрепленную на базовой плите, с установленным на ней долотом. На измерительной балке смонтированы тензометрические датчики, образующие шесть тензометрических мостов для измерения осевой нагрузки Rza на измерительную балку вдоль ее оси, Mza - момента, скручивающего измерительную балку относительно ее оси, Mxa, Mxb - моментов соответственно в поперечных сечениях измерительной балки, отстоящих друг от друга на расстоянии a, изгибающих измерительную балку в плоскости, проходящей через ее ось, и ось декартовой системы координат, Mya, Myb - моментов соответственно в поперечных сечениях измерительной балки, изгибающих измерительную балку в плоскости, проходящей через ее ось, и ось декартовой системы координат. Техническим результатом изобретения является повышение точности измерений. 8 ил.

 

Изобретение относится к буровой технике и предназначено для измерения параметров силового воздействия на буровое долото режуще-скалывающего действия в процессе разрушения им породы.

В лаборатории механики долота ВНИИБТ были разработаны методика и комплекс устройств и средств измерения для экспериментального определения нагрузок, воспринимаемых каждой шарошкой (секцией) во время их работы на забое [Комм Э.Л., Перлов Г.Ф., Мокшин А.С. Исследование нагруженности секций шарошечного долота / Э.Л. Комм, Г.Ф. Перлов, А.С. Мокшин // Тр. ВНИИБТ. - 1976. - №36. - С. 27-36]. Авторы полагали, что плоскость действия главного вектора системы сил, действующих на шарошку со стороны породы, проходит через ось цапфы и совпадает с плоскостью, в которой действует главный момент, то есть система сил имеет равнодействующую. Таким образом, задача упрощается и сводится к нахождению трех составляющих главного вектора и абсолютного значения главного момента. Сделанные авторами при разработке этой методики существенные допущения уменьшают достоверность определяемого силового воздействия на шарошку. Необходимо отметить, что вектор профиля износа, наблюдаемого по окружностям подшипников шарошек, имеет значительный угол раствора, доходящий до 90°. Это может быть объяснено несовпадением плоскости действия главного вектора с плоскостью действия главного момента системы сил, действующих на шарошку со стороны разрушаемой породы, и изменением силового воздействия на шарошку ("игра сил") в процессе ее работы на забое.

Известно автономное забойное устройство [RU 2131974 C1, МПК6 E21B 45, опубл. 1999] для измерения силовых параметров в колонне бурильных труб, в том числе и над долотом, таких как осевая нагрузка, поперечные силы и крутящий момент. Для этого устройство содержит встроенный в колонну бурильных труб упругий элемент, на внутренней поверхности стенки которого расположены датчики измерения деформаций.

Недостатком известного устройства является неполная информация о системе сил, действующих на долото. Определяя осевую нагрузку, поперечные силы и крутящий момент, действующие на долото, авторы изобретения тоже предполагали, что система сил, действующих на долото со стороны разрушаемой породы, может быть приведена к равнодействующей и крутящему моменту.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип [RU 2190199 C1, МПК7 G01L 1/04, G01L 1/22, опубл. 27.09.2002], является датчик вектора силы, содержащий корпус, помещенный в него цилиндрический упругий элемент диаметром d с размещенными на нем тензорезисторными мостами для измерения осевой и поперечных составляющих вектора силы. Упругий элемент содержит силоопорную и силовоспринимающую части. Два тензорезисторных моста измерения осевой составляющей вектора силы размещены в поперечном сечении упругого элемента со смещением относительно друг друга на 90°. Два тензорезисторных моста измерения поперечной составляющей вектора размещены в этом же сечении также со смещением на угол 90° относительно друг друга. Кроме того, с целью повышения точности измерения осевой составляющей вектора силы и определения точки его приложения, тензорезисторный датчик вектора силы снабжен двумя дополнительными тензорезисторными мостами измерения поперечной составляющей вектора силы, размещенными в дополнительном сечении на расстоянии (0,8-0,9)d от мостов первого сечения в направлении силоопорной поверхности и имеющими топологию наклейки аналогичных тензомостов в первом сечении.

Недостатком известного датчика является измерение только вектора силы и определение точки ее приложения (эксцентриситета) относительно оси датчика, т.е. неполная информация о системе сил, действующих на датчик.

Задачей заявляемого изобретения является разработка лабораторной установки, обеспечивающей высокоточное и надежное определение нагруженности долота с учетом того, что данная пространственная система сил может быть приведена к эквивалентной системе, состоящей из одной силы, приложенной к какой-либо точке долота (центр приведения), и равной главному вектору данной системы сил, и одной пары, момент которой равен главному моменту этих сил относительно выбранного центра приведения.

При осуществлении изобретения поставленная задача решается за счет достижения технического результата, который заключается в повышении достоверности измерений, измерения не только осевой нагрузки и крутящего момента, но и - поперечных сил, а также изгибающих моментов, действующих на долото, т.е. изобретение дает возможность определения относительно выбранного центра приведения главного вектора и главного момента пространственной системы сил, действующих на долото в процессе бурения с обращенным забоем.

Указанный технический результата достигается тем, что лабораторная установка для определения нагрузки, действующей на буровое долото, способная работать при бурении с обращенным забоем, характеризуется тем, что содержит измерительную балку, жестко закрепленную на базовой плите, с установленным на ней долотом, при этом на измерительной балке смонтированы тензометрические датчики, образующие шесть тензометрических мостов для измерения осевой нагрузки Rza на измерительную балку вдоль ее оси, Mza - момента, скручивающего измерительную балку относительно ее оси, Mxa, Mxb - моментов, соответственно, в поперечных сечениях измерительной балки, отстоящих друг от друга на расстоянии а, изгибающих измерительную балку в плоскости, проходящей через ее ось, и ось декартовой системы координат, Mya, Myb - моментов, соответственно, в поперечных сечениях измерительной балки, изгибающих измерительную балку в плоскости, проходящей через ее ось, и ось декартовой системы координат, причем схемы размещения и соединения тензодатчиков выполнены таким образом, что каждый из перечисленных параметров измеряется независимо от других воздействий: тензодатчики для измерения Mza монтируют на теле измерительной балки в ее поперечном сечении, находящемся посредине между сечениями A и B, причем ряд датчиков развернут относительно образующих на угол 45° в направлении против хода часовой стрелки, а ряд датчиков развернут относительно своих образующих на угол 45° в направлении по ходу часовой стрелки; тензодатчики для измерения Rza монтируют на теле измерительной балки в ее поперечном сечении на образующих, расположенных друг от друга со смещением на 90°, причем ряд датчиков установлен вдоль образующих, а ряд датчиков развернут относительно своих образующих на угол 90°; тензодатчики для измерения Mya монтируют на теле измерительной балки в ее поперечном сечении A на образующих, расположенных друг от друга со смещением на 180°, причем два датчика 20 и 21 установлены вдоль образующих, а два датчика 22 и 23 развернуты относительно своих образующих на угол 90°; два тензодатчика моста для измерения Mxa монтируют на теле измерительной балки в ее поперечном сечении A на образующих F и J, расположенных друг от друга со смещением на 180°, два датчика установлены вдоль образующих, соответственно F и J, а два датчика развернуты относительно своих образующих на угол 90°; тензодатчики тензометрического моста для измерения Myb монтируют на теле измерительной балки в ее поперечном сечении B на образующих D и H, расположенных друг от друга со смещением на 180°, причем два датчика установлены вдоль образующих, а два датчика развернуты относительно своих образующих на угол 90°; тензодатчики тензометрического моста для измерения Mxb монтируют на теле измерительной балки в ее поперечном сечении на образующих F и J, расположенных друг от друга со смещением на 180°, причем два датчика установлены вдоль образующих, соответственно F и J, а два датчика развернуты относительно своих образующих на угол 90°.

Именно заявляемое расположение тензометрических датчиков на измерительной балке и схемы расположения датчиков обеспечивают возможность измерения, высокоточное и надежное определение нагруженности долота.

На фиг. 1 представлена схематично лабораторная установка, на фиг. 2 - схемы размещения тензодатчиков, на фиг. 3 - 8 представлены схемы тензометрических мостов для измерения, соответственно, Mza, Rza, Mya, Mxa, Myb и Mxb.

Основу лабораторной установки, способной работать при бурении с обращенным забоем (фиг. 1), составляет измерительная балка 1, жестко закрепленная на базовой плите 2, с установленным на ней долотом 3. На измерительной балке монтируют тензометрические датчики, образующие шесть тензометрических мостов (фиг. 3 - 8) для измерения осевой нагрузки Rza на измерительную балку вдоль оси ОО, Mza - момента, скручивающего измерительную балку относительно оси ОО, Mxa, Mxb - моментов (соответственно в поперечных сечениях измерительной балки A и B, отстоящих друг от друга на расстоянии а), изгибающих измерительную балку в плоскости, проходящей через ее ось ОО, и ось Ya декартовой системы координат XaYaZa, Mya, Myb - моментов (соответственно в поперечных сечениях измерительной балки A и B), изгибающих измерительную балку в плоскости, проходящей через ее ось ОО, и ось Xa декартовой системы координат XaYaZa.

Схемы размещения и соединения тензодатчиков (фиг. 2) выполнены таким образом, что каждый из перечисленных параметров измеряется независимо от других воздействий.

Тензодатчики 4-11 для измерения Mza монтируют на теле измерительной балки 1 в ее поперечном сечении C, находящемся посредине между сечениями A и B, на образующих D, E, F, G, H, I, J, K, расположенных друг от друга со смещением на 45°, причем датчики 4, 5, 8 и 9 развернуты относительно образующих, соответственно D, Н, F и J, на угол 45° в направлении против хода часовой стрелки, а датчики 6, 7, 10 и 11 развернуты относительно своих образующих на угол 45° в направлении по ходу часовой стрелки. Схема тензометрического моста для измерения Mza представлена на фиг. 3, где 10v - опорное напряжение 10 вольт.

Тензодатчики 12-19 для измерения Rza монтируют на теле измерительной балки 1 в ее поперечном сечении B на образующих E, G, I, K, расположенных друг от друга со смещением на 90°, причем датчики 12, 13, 16 и 17 установлены вдоль образующих, соответственно Ε, I, G и K, а датчики 14, 15, 18 и 19 развернуты относительно своих образующих на угол 90°. Схема тензометрического моста для измерения Rza представлена на фиг. 4.

Тензодатчики 20-23 для измерения Mya монтируют на теле измерительной балки 1 в ее поперечном сечении A на образующих D и Н, расположенных друг от друга со смещением на 180°, причем датчики 20 и 21 установлены вдоль образующих, соответственно D и Н, а датчики 22 и 23 развернуты относительно своих образующих на угол 90°. Схема тензометрического моста для измерения Mya представлена на фиг. 5.

Тензодатчики 24-27 для измерения Mxa монтируют на теле измерительной балки 1 в ее поперечном сечении A на образующих F и J, расположенных друг от друга со смещением на 180°, причем датчики 24 и 25 установлены вдоль образующих, соответственно F и J, а датчики 26 и 27 развернуты относительно своих образующих на угол 90°. Схема тензометрического моста для измерения Mxa представлена на фиг. 6.

Тензодатчики 28-31 для измерения Myb монтируют на теле измерительной балки 1 в ее поперечном сечении B на образующих D и H, расположенных друг от друга со смещением на 180°, причем датчики 28 и 29 установлены вдоль образующих, соответственно D и H, а датчики 30 и 31 развернуты относительно своих образующих на угол 90°. Схема тензометрического моста для измерения Myb представлена на фиг. 7.

Тензодатчики 32-35 для измерения Mxb монтируют на теле измерительной балки 1 в ее поперечном сечении B на образующих F и J, расположенных друг от друга со смещением на 180°, причем датчики 32 и 33 установлены вдоль образующих, соответственно F и J, а датчики 34 и 35 развернуты относительно своих образующих на угол 90°. Схема тензометрического моста для измерения Mxb представлена на фиг. 8.

Пространственную систему сил, действующих на долото 3 в процессе бурения с обращенным забоем, определяют относительно выбранного центра приведения точки C (фиг. 1) на оси долота 3 (измерительной балки 1), отстоящей от плоскости A на расстоянии lc, в два раза превышающем расстояние а между плоскостями A и B (фиг. 1), в виде главного вектора и главного момента в проекциях на оси координат декартовой системы XcYcZc:

В формулах (1)…(6) единицы измерения следующие:

Rza - H; Mza, Mya, Mxa, Myb, Mxb, Mzc - H*м; a, lc - м.

Таким образом, выражения (1)…(6) определяют главный вектор и главный момент системы сил, действующих на долото 3 со стороны разрушаемой породы, относительно точки C, выбранной за центр приведения.

Эксперименты по определению нагруженности долота выполнялись на буровом стенде ЗИФ-1200 на различных режимах при разбуривании известняка. В процессе разбуривания известняка долото было углублено в забой не менее чем на 30 мм, что обеспечивало полное формирование скважины, а следовательно, и нормальную работу периферийного и затылочного венцов долота. Вращающийся забой находился над долотом, что обеспечивало очистку забоя без дополнительного воздействия (промывки, продувки). Кроме измеряемых с помощью тензометрических мостов параметров усилий и моментов стенд позволяет определить нагрузку на долото, крутящий момент, частоту вращения забоя, а также - механическую скорость бурения. Эксперименты проводились на следующих режимах: частота вращения забоя - 67 об/мин; нагрузка на долото - 40000 Н. В ходе проведения и обработки результатов эксперимента в один из фиксированных моментов времени были получены следующие значения величин:

Mza=3800 Н*м;

Mya=285 Н*м;

Mxa=276 Н*м;

Myb=356 Н*м;

Mxb=242 Н*м;

Rza=37600 Η.

Конструктивно размеры равны a=0,1 м, b=0,2 м. Тогда по формулам (1)…(6) получается:

;

;

Rzc=Rza=37600 H;

;

;

Mzc=Mza=3800 H*м.

Лабораторная установка для определения нагрузки, действующей на буровое долото, способная работать при бурении с обращенным забоем, характеризуется тем, что содержит измерительную балку, жестко закрепленную на базовой плите, с установленным на ней долотом, при этом на измерительной балке смонтированы тензометрические датчики, образующие шесть тензометрических мостов для измерения осевой нагрузки Rza на измерительную балку вдоль ее оси, Mza - момента, скручивающего измерительную балку относительно ее оси, Mxa, Mxb - моментов соответственно в поперечных сечениях измерительной балки, отстоящих друг от друга на расстоянии а, изгибающих измерительную балку в плоскости, проходящей через ее ось, и ось декартовой системы координат, Mya, Myb - моментов соответственно в поперечных сечениях измерительной балки, изгибающих измерительную балку в плоскости, проходящей через ее ось, и ось декартовой системы координат, причем схемы размещения и соединения тензодатчиков выполнены таким образом, что каждый из перечисленных параметров измеряется независимо от других воздействий: тензодатчики для измерения Mza монтируют на теле измерительной балки в ее поперечном сечении, находящемся посредине между сечениями A и B, причем ряд датчиков развернут относительно образующих на угол 45° в направлении против хода часовой стрелки, а ряд датчиков развернут относительно своих образующих на угол 45° в направлении по ходу часовой стрелки; тензодатчики для измерения Rza монтируют на теле измерительной балки в ее поперечном сечении на образующих, расположенных друг от друга со смещением на 90°, причем ряд датчиков установлен вдоль образующих, а ряд датчиков развернут относительно своих образующих на угол 90°; тензодатчики для измерения Mya монтируют на теле измерительной балки в ее поперечном сечении A на образующих, расположенных друг от друга со смещением на 180°, причем два датчика установлены вдоль образующих, а два датчика развернуты относительно своих образующих на угол 90°; два тензодатчика моста для измерения Mxa монтируют на теле измерительной балки в ее поперечном сечении A на образующих F и J, расположенных друг от друга со смещением на 180°, два датчика установлены вдоль образующих, соответственно F и J, а два датчика развернуты относительно своих образующих на угол 90°; тензодатчики тензометрического моста для измерения Myb монтируют на теле измерительной балки в ее поперечном сечении B на образующих D и Н, расположенных друг от друга со смещением на 180°, причем два датчика установлены вдоль образующих, а два датчика развернуты относительно своих образующих на угол 90°; тензодатчики тензометрического моста для измерения Mxb монтируют на теле измерительной балки в ее поперечном сечении на образующих F и J, расположенных друг от друга со смещением на 180°, причем два датчика установлены вдоль образующих, соответственно F и J, а два датчика развернуты относительно своих образующих на угол 90°.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способам опознавания воздействий на подъемно-транспортную машину. Осуществляя контроль эксплуатации транспортного средства, обнаруживают перегрузки при столкновении транспортного средства.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в регулируемых электроприводах общепромышленных механизмов и транспортных средств. Технический результат - расширение функциональных возможностей, повышение надежности и точности работы.
Изобретение относится к испытательной технике, в частности к испытаниям, связанным с дозированием энергии при импульсном брикетировании металлической стружки. Сущность: объему пластически деформируемой стружки предварительно к моменту брикетирующего удара придают жесткое боковое ограничение, обеспечивающее числовое равенство безразмерных величин - истинной относительной деформации по высоте получаемого брикета и степени его пористости α.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к средствам объективного контроля индивидуальных физических данных спортсмена, и может быть использовано в самых различных видах спорта.

Система измерения частоты вращения ротора газотурбинного двигателя относится к системам измерения частоты вращения ротора авиационных и наземных газотурбинных двигателей, имеющих циркуляционную систему смазки подшипниковых опор.

Изобретение относится к кабельной технике, а именно: к способам контроля электрических кабелей на соответствие техническим требованиям, отражающим эксплуатационные параметры.

Изобретение относится к конвейеростроению, а именно к стендам для исследования параметров улавливания оборвавшейся ленты наклонного конвейера с желобчатыми опорными роликоопорами на грузонесущей ветви конвейерной ленты при использовании подвесных канатных ловителей, которые отличаются от других типов ловителей простотой конструкции и надежностью срабатывания при обрыве конвейерной ленты.

Изобретение относится к устройству измерения показателей силового взаимодействия между тележкой и кузовом, применяемому при испытаниях железнодорожных подвижных транспортных средств.

Изобретение относится к индикаторам нагрузки и касается индикации жесткой посадки самолета и воздействующих на самолет буксировочных усилий, превышающих допустимые.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в гидромашиностроении при разработке оборудования нефтедобывающей промышленности, в частности многоступенчатых погружных центробежных насосов.

Изобретение относится к датчикам силы. Датчик силы содержит корпус, который выполнен в виде короба, основание которого с внешней стороны снабжено крестообразным хомутом для закрепления корпуса в держателе штатива, а к противоположной стороне хомута закреплено основание, посредством которого датчик силы устанавливается на лабораторном столе, корпус снабжен съемной крышкой, один торец которой выполнен с П-образным окном для выхода порта.

Изобретение относится к весовой технике, в частности к датчикам силы, для точного измерения небольших усилий в широком диапазоне. Силочувствительный элемент содержит упругое кольцо с тензорезисторами, два жестких кольца меньшего и большего диаметров, радиальные рычаги по своим концам снабжены верхними и нижними балками равной толщины и длины, выполненными в виде трапеций с криволинейными основаниями.

Изобретение относится к весовой технике, в частности к тензорезисторным датчикам силы, предназначенным для точного измерения сил, в том числе в агрессивных средах.

Изобретение относится к весовой технике, в частности к упругим элементам датчиков силы, предназначенных для точного измерения силы небольшой величины в широком диапазоне.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для постоянного измерения усилий в различных резьбовых соединениях строительных элементов и конструкций.

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к системам измерения усилий в стержнях, тягах и других протяженных элементах конструкций, и может быть использовано в любой отрасли народного хозяйства, и, в частности, в ракетной технике.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройству многокомпонентных тензометрических динамометров с внутренним каналом, и может быть использовано в различных областях техники (например, в робототехнике, экспериментальной гидро- и аэродинамике).

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к системам измерения усилий в стержнях, тягах и других протяженных элементах конструкций, нагруженных осевой силой.

Изобретение может быть использовано для измерения малых давлений с повышенной чувствительностью и точностью. Тензорезисторный преобразователь силы содержит упругий элемент, выполненный за одно целое с опорном кольцом.

Изобретение относится к горному делу, в частности к приборам измерения проявления горного давления, а именно к датчикам для измерения натяжения анкера. .

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к тензометрическим средствам измерения. Технический результат: расширение динамического диапазона преобразования напряженно-деформированных состояний сенсорной консоли вследствие воздействия на ее поверхность скоростного напора (динамического давления) газовых или жидкостных потоков. Сущность: тензорезистивный преобразователь содержит сенсорную консоль, работающую на изгиб, выполненную из упругой подложки тонкопленочного эластичного полимера, двух фольговых тензорезисторов, планарно расположенных на противоположных сторонах подложки, продольные оси которых параллельны между собой, или четырех фольговых тензорезисторов, планарно и попарно расположенных на противоположных сторонах подложки, продольные оси которых симметричны относительно ее продольной оси и параллельны между собой. Тензорезисторы включены в смежные плечи полу- или полномостовую схему измерительного моста. Сенсорная консоль ориентирована ортогонально вектору приложенной силы. В преобразователь введены кольцевой сегмент с кривизной поверхности, соответствующей максимально возможному упругому изгибу сенсорной консоли, хонейкомб, и флюгерный элемент. Кольцевой сегмент выполнен с проницаемой поверхностью. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.
Наверх