УЗЕЛ БУРОВОГО СТЕНДА Российский патент 1994 года по МПК E21B3/04 

Изобретение относится к буровой технике, а именно к буровым стендам и промышленным буровым установкам, на которых в процессе бурения необходимо измерять крутящий момент на роторе.

Известны технические средства контроля процесса бурения скважин СКУБ-М1, применяемые на буровых установках эксплуатационного и глубокого разведочного бурения нефтяных и газовых скважин на суше [1]. В него входят первичные тензометрические преобразователи крутящего момента ДС-2. В них усилие, действующее на трубчатый гибкий элемент с наклеенными тензорезисторами, вызывает изменение их сопротивления, а следовательно, электрического сигнала. В чувствительный элемент ввинчены серьги, с помощью которых осуществляется монтаж датчика усилий и через которые передается измеряемое усилие. Крутящий момент на роторе определяется по усилию натяжения ведущей ветви цепи привода ротора с помощью приспособления, преобразующего усилие натяжения цепи в усилие сжатия первичного преобразователя.

Недостатком этого узла является низкая точность измерения, являющаяся следствием изменения натяжения цепи привода в процессе работы при переупаковке звеньев, изменении трения и т.п. По этой же причине необходимо часто проводить тарировку измерительных мостов, при которой проводится сборка-разборка узла. Все это снижает качество и точность измерений крутящего момента.

Наиболее близким техническим решением является узел бурового стенда, содержащий вращатель, соединенный с ним карданный вал, взаимодействующий посредством конической передачи с роторным столом и упругий измерительный элемент с тензометрическим мостом измерения крутящего момента [2]. Упругий элемент через переводники установлен последовательно с валом вращателя. Недостатком этого узла является то, что для размещения датчика необходимо разбирать узел вращателя бурового стенда и через переводники устанавливать моментомер. Кроме того, из-за последовательной схемы установки упругий элемент должен воспринимать полную осевую нагрузку и полный момент, поэтому он имеет большое поперечное сечение, что ограничивает возможности повышения чувствительности измерений.

Изобретение направлено на решение задачи, заключающейся в повышении точности измерения крутящего момента на роторе. Измерение должно осуществляться непосредственно на действующей установке без разборки узла бурового стенда для установки датчика момента.

Для решения задачи в узле бурового стенда упругий измерительный элемент выполнен из съемного хомута, установленного на карданном валу и размещенных диаметрально противоположно ребер жесткости, связанных между собой перемычками и закрепленных одним концом на карданном валу, при этом на свободных концах ребер установлены тензометрические консольные балочки, взаимодействующие с хомутом посредством точечных упоров, размеры ребер жесткости и тензометрических балочек удовлетворяют соотношениям ≅ 0.0063 ,, ≅ 0.00047 ;, - sin² ≅ 0.0039 ,, ≥ 0.00047 , . а расстояние Z - от свободного конца балочки до места размещения тензорезисторов моста измерений крутящего момента удовлетворяет соотношению:
l - 1 ≥ Z ≥ 0,0003l³d³/(l + L)h
На фиг.1 представлен общий вид узла бурового стенда; на фиг.2 - съемный упругий измерительный элемент на карданном валу; на фиг.3 - сечение А-А на фиг.2.

Узел бурового стенда включает вращатель 1, карданный вал 2, коническую передачу 3, роторный стол 4, съемный измерительный узел 5. Съемный измерительный узел 5 закреплен на карданном валу и включает диаметрально расположенные ребра жесткости 6, связывающие их перемычки 7, съемный хомут 8, тензометрическую балочку 9, конец которой упирается в точечные упоры 10. На балочке помещен тензометрический измерительный мост 11.

На чертеже обозначены диаметр карданного вала d, длина L, ширина Н и высота В ребра жесткости, длина l, ширина h и высота b балочки, а также расстояние Z от свободного конца балочки до места расположения тензометрического моста.

Узел бурового стенда работает следующим образом. Крутящий момент Мкр от вращателя передается с помощью карданного вала 2 через коническую передачу 3 на роторный стол 4, зажимающий колонну бурильных труб, которая передает вращение буровому инструменту.

Угол закручивания на единицу длины карданного вала θ = , , где G - модуль сдвига материала вала, I_p= - полярный момент инерции. Съемный хомут 8, жестко посаженный на валу на расстоянии (L + l) от жестко скрепленного с валом конца консольных ребер 6 поворачивается по отношению к этому кону на угол Δϕ= (l + L)θ , а точечные упоры на хомуте 8 перемещают консольные концы балочек 9 на величину дуги ΔX = Δϕ .

С целью предотвращения скручивания балочки 9, упоры расположены у конца балочки на уровне ее средней линии, причем один упор 10 неподвижный, а другой - подвижный для предотвращения вибрации балочки. Балочки 9 закреплены в ребре жесткости 6 так, чтобы их плоскость совпадала с диаметральной плоскостью вала 2, т.к. жесткость балочки гораздо меньше жесткости скрепленных между собой ребер, почти весь прогиб срабатывается на длине гибких балочек, они претерпевают значительную деформацию, линейно зависящую от прогиба, которую с большой степенью точности фиксирует тензометрический мост 11, наклеенный у основания балочки (балочек). Считая ΔХ полным прогибом консольной балочки получаем силу, действующую со стороны упоров хомута на консольный конец балочки P = , изгибное напряжение в сечении, где расположен измерительный тензомост σ = и величину сигнала моста, состоящего из 2-х рабочих и 2-х балансных датчиков ΔV = , где К - коэффициент чувствительности тензодатчиков, V - напряжение питания.

Исследуемые электрические сигналы с тензомоста 11 поступают на входы измерительных усилителей, а с их выходов - на вход медленно или быстро действующих регистраторов на АЦП ЭВМ.

Вследствие малой инерционности, достаточной гибкости балочек, их изгиб будет точно следовать за принудительным движением точечных упоров на хомуте, а следовательно, за закручиванием вала, т.е. сигнал тензомоста будет пропорционален и синхронен действующему в данный момент времени крутящему моменту:
ΔV =
Для обеспечения точности измерения крутящего момента на роторе при измерении его непосредственно на работающей установке, необходимо при выполнении конструкции устройства наложить ограничения на его размеры.

1. Из-за наличия изгибающей силы Р возникает дополнительный момент на валу M', искажающий показания датчиков крутящего момента М_кр.

Имеем
M′ = P = ΔX ,,
M_кр = GI_pθ = ΔX . . Отношение = · · .

Карданный вал выполнен из стали: Е = 2,0˙10⁶ кг/см², G = 0,8˙10⁶кг/см² Положим условие ≅ 0.01 Получим 0.0063 (1)
2. Так как балочка жестко закреплена на конце ребра жесткости и претерпевает изгибные деформации, необходимо предотвратить возможность возникновения на закрепленном конце изгибных напряжений, превышающих допустимые при наибольших значениях крутящего момента (напряжения эти наибольшие по длине балочки)
Имеем:
σ_max = ·hl (ΔX)_max= · (M_кр)_max
Крутящий момент на роторе существующих буровых стендов и установок не превышает 3000 кгм. Положим условие σ_max ≅[σ] для стали [σ] = 2700 кг/см² Получим ≅ 0.00047 . (2)
3. Ребра жесткости изменяют полярный момент инерции сечения вала, увеличивая ее на величину I = , где α =
Положим условие ≅ 0.01 , где I_p = Получим - sin ≅ 0.0039 , (3)
4. Система должна быть малоинерционна, чтобы деформация от собственных мембранных колебаний балочки была незначительна по сравнению с деформацией кручения.

Инерционность балочки характеризуется безразмерным отношением K = , где ρ- плотность материала балочки, g = 9,8 м/см² F = b h - площадь сечения ее, I = - осевой момент инерции сечения. Для стальной балочки ρ= 7,8˙10^-3 кг/см³
Положим стандартное условие К≅10^-4. Получим ≥ 0.00047 (4)
5. Для обеспечения достаточной чувствительности измерений необходимо поставить условие, чтобы при действии наименьшего, подлежащего измерению крутящего момента M_min сигнал был бы не меньше чувствительности системы измерений, характеризуемый стандартным напряжением питания V, коэффициентом теплочувствительности К и минимальным сигналом ΔV_min, определяющим задаваемую точность измерений.

Для моста с двумя рабочими и двумя балансными датчиками
ΔV = σ = · M_кр
При наложении вышеназванного условия получим
· (M_кр)_min≥ (ΔV)_min
Имеем стандартные данные: K = 2, V = 10-12 В, (M_кр)_min = 10 кгм, (Δ V)_min = 0,03 мВ, G = 0,8˙10⁶ кг/см². Получим:
≥ 0.0003
В то же время, т.к. датчики размещаются у основания балочки, для того, чтобы краевые эффекты не искажали показаний, необходимо наклеивать мост на расстоянии не меньше 1 см от основания:
Z≅ l - 1 Отсюда получим: l - 1≥ Z ≥ (5)
Пример расчета узла бурового стенда.

Зададимся диаметром карданного вала d = 15 см, длиной ребра жесткости L = 50 см, средней его шириной Н = 18 см, длиной балочки l = 5 см. Тогда, используя заявляемые соотношения, получим условие для выбора ширины h и толщины b балочки, толщины В ребра жесткости и расстояния Z от конца балочки до места размещения тензодатчиков
bh³ ≅3,2 см⁴ (1)
0,24 см ≅L ≅0,72 см (2)
В≅ 0,12 см (3)
2,4/h см≅ Z≅ 4,0 см (4)
Из последнего соотношения следует h≥ 0,58 см, что сужает интервал (2) выбора h. Для того, чтобы для любого h из выбранного интервала условие (1) выполнялось, необходимо выбирать b ≅ = 8.5 см . Аналогично, 4,0 см ≅Z≅ 4,0 см, т.е. Z = 4, см. Итак, 0,58≅ h≅ 0,72 см, b = 8,5 см, В≅ 0,12, Z = 4,0 см.

Таким образом, расчеты для конкретного примера подтверждают предложенные соотношения размеров узла бурового стенда.

Изобретение относится к буровой технике, в частности к буровым стендам и промышленным установкам, на которых в процессе бурения необходимо измерять крутящий момент на роторе. Узел бурового стенда включает вращатель, карданный вал 2, коническую передачу, роторный стол, упругий измерительный элемент. Новым в узле бурового стенда является выполнение упругого элемента из съемного хомута 8, установленного на карданном валу 2 и размещенных диаметрально противоположно ребер жесткости 6, связанных между собой перемычками 7. Ребра одним концом закреплены на карданном валу, а на их свободных концах установлены тензометрические консольные балочки 9. Балочки 9 взаимодействуют с хомутом посредством точечных упоров 10. На балочке размещен тензометрический измерительный мост 11. Размеры ребер жесткости 6 и тензометрических балочек 9 удовлетворяют приведенным соотношениям. 5 табл., 3 ил.

УЗЕЛ БУРОВОГО СТЕНДА, содержащий вращатель, соединенный с ним карданный вал, взаимодействующий посредством конической передачи с роторным столом и упругий измерительный элемент с тензометрическим мостом измерения крутящего момента, отличающийся тем, что измерительный элемент выполнен из съемного хомута, установленного на карданном валу и размещенных диаметрально противоположно ребер жесткости, связанных между собой перемычками и закрепленных одним концом на карданном валу, при этом на свободных концах ребер установлены технометрические консольные балочки, взаимодействующие с хомутом посредством точечных упоров, размеры ребер жесткости и тензометрических балочек удовлетворяют соотношениям
≅ 0,0063
≅ 0,00047
- sin² ≅ 0,0039
≥ 0,00047
а расстояние от свободного конца балочки до места размещения тензорезисторов моста измерения крутящего момента удовлетворяет соотношению
l-1 ≥ Z ≥ ,
где d - диаметр карданного вала, см;
L - длина ребра жесткости, см;
H - ширина ребра жесткости, см;
B - высота ребра жесткости, см;
l - длина балочки, см;
h - ширина балочки, см;
b - высота балочки, см.