ДАТЧИК ДЛЯ КОНТРОЛЯ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ ВАЛА ТУРБОБУРА Российский патент 1995 года по МПК E21B45/00 

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

Известны устройства для передачи технологической информации о параметрах режима турбинного бурения, например гидротурботахометры [1] Недостатками устройства являются низкая надежность работы гидротурботахометра и низкая достоверность информации.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству относится устройство модуляции звуковой вибрации в бурильной колонне при турбинном бурении скважин, содержащее корпус датчика, резонатор, трубу-модулятор, узел для соединения трубы-модулятора с валом турбобура [2] Недостаток данной конструкции заключается в непостоянстве объема внутренней полости кольцевой камеры в результате оседания на дно камеры твердых частиц, находящихся в буровом растворе, в результате чего изменяется собственная частота резонатора.

Сущность предлагаемого изобретения состоит в повышении точности измерения датчика, достигаемом за счет поддержания постоянства объема внутренней полости камеры резонатора путем самоочищения ее от твердых частиц под действием собственного веса. Датчик снабжен центральной втулкой, расположенной соосно с корпусом, а резонатор выполнен в виде четвертьволнового отрезка трубы, один торец которой закрыт, а другой торец открыт и соединен с отверстием центральной втулки и расположен в кольцевом пространстве по винтовой линии между корпусом датчика и втулкой.

Боковое ответвление в трубопроводе, выполненное в виде отрезка трубы с закрытым концом, сочетания F и длиной l, равной 1/4 длины звуковой волны, относится к разновидности резонансных отражателей звука.

Звуковая волна, попадая в ответвление, отражается от закрытого конца назад в трубопровод, но же с противоположной фазой по отношению к падающей волне. Интерференция двух волн одной частоты, но противоположных по фазе, вызывает затухание колебательного процесса. Резонансная частота, при которой наблюдается максимальная эффективность четвертьволнового резонатора, определяется соотношением [3]
f (2n+1) (1) где n натуральный ряд чисел;
l длина отрезка трубы, м;
с скорость звука, м/с;
f частота звука, Гц.

Величина затухания рассчитывается по формуле [3]
ΔL=10lg1 + tg²kl (2) где m F₂/F₁ отношение площади сечения четвертьволнового резонатора к площади трубопровода;
k 2 π f/c волновое число, где f частота звука, Гц;
с скорость звука, м/с;
l длина отрезка трубы, м.

Это свойство четвертьволнового резонатора, т.е. поглощение из спектра звуковой вибрации энергии заданной частоты можно использовать для контроля числа оборотов вала турбобура.

На фиг. 1 изображен продольный разрез датчика; на фиг. 2 осциллограммы.

Датчик для контроля частоты вращения вала турбобура содержит 1 переводник (предназначен для крепления центральной втулки 3 в корпусе датчика 2 и для соединения с корпусом верхней секции турбобура (не показан); 2 корпус датчика; 3 центральную втулку; 4 четвертьволновой резонатор (резонатор выполнен в виде отрезка трубы и расположен в кольцевом пространстве по винтовой линии между корпусом датчика 2 и центральной втулкой 3); 5 отверстие (отверстие выполнено в центральной втулке для входа звуковой волны в полость четвертьволнового резонатора 4); 6 вал-модулятор (служит для периодического перекрывания отверстия 5 в центральной втулке 3 для формирования информационного сигнала в спектре звуковой вибрации в виде последовательности волновых пауз пропорционально числу оборотов вала турбобура); 7 продольный паз на валу-модуляторе 6 (предназначен для прохода звуковых волн от турбинных лопаток в полость бурильной колонны, для перекрывания входа волны в четвертьволновой резонатор и для прохода промывочной жидкости из полости бурильной колонны на турбинные лопатки (не показано) через вал-модулятор в полость кольцевого зазора между переводником 1 и соединительным узлом 8); 8 узел для соединения вала-модулятора 7 с валом турбобура (не показан).

Расчетные геометрические размеры датчика:
внешний диаметр корпуса датчика 201 мм (изготовляется из УБТ201);
внутренний диаметр корпуса датчика 165 мм
длина четвертьволнового резонатора 1,88 м
внутренний диаметр резонатора 42,5 мм
внешний диаметр резонатора 48,5 мм
внутренний диаметр центральной втулки 58 мм
внешний диаметр центральной втулки 68 мм
внутренний диаметр вала-модулятора 48 мм
внешний диаметр вала-модулятора 58 мм
высота резонатора 240 мм
количество витков резонатора 5.

Частота информационного сигнала (поглощения) выбрана из условия [4]
f (3) где n число оборотов вала турбобура, об/мин;
z число лопаток на роторной турбинке.

Согласно справочным данным [5] для турбобура ЗТСШ-195 при расходе жидкости 25 л/с скорость вращения вала составляет 590 об/мин (холостой ход турбобура), получаем основную частоту равную 236 Гц, генерируемую турбобуром забойным двигателем. Выбираем информационную частоту частоту поглощения, равную 200 Гц. Уровень поглощения звука для выбранных геометрических размеров четвертьволнового резонатора: длиной l 1,88 мм, информационной частоты f 200 Гц составляет (согласно расчетной формуле (2) 41,5 дБ.

Статический режим. Датчик для контроля частоты вращения вала турбобура размещается над третьей секцией шпиндельного турбобура типа ЗТСШ-195 (или ЗТСШ-195 ТЛ).

Сборка датчика. В резонатор 4 вставляется центральная втулка 3 и совмещается отверстие 5 центральной втулки 3 с открытым концом резонатора 4. Собранную конструкцию центральную втулку 3 с четвертьволновым резонатором 4 вставляют в корпус датчика 2 и наворачивают переводник 1.

В ЦБПО в турбинном цехе (перед отправкой на буровую) на торец вала турбобура (не показан) соединяют вал-модулятор 7 через соединительный узел 8 и наворачивают на корпус турбобура собранную конструкцию датчика. Датчик готов для работы.

Динамический режим. При включении буровых насосов промывочная жидкость по бурильной колонне (не показано) поступает во внутреннюю полость вала-модулятора 6, продольный паз 7 в турбобур (не показан).

Вращение вала турбины (не показано) приводит во вращение вал-модулятор 6. На каждый оборот вала турбобура продольный паз 7 вала-модулятора 6 совмещается с открытым концом 5 четвертьволнового резонатора 4, в результате чего происходит поглощение энергии частоты f 200 Гц на 41,5 дБ, выполняя тем самым операцию формирования информационного сигнала волновую паузу.

На фиг. 2,а приведена осциллограмма звуковой вибрации, а на фиг, 2,б та же осциллограмма, но уже с волновой паузой промодулированная по амплитуде.

Периодическое перекрывание открытого конца четвертьволнового резонатора валом-модулятором, который вращается на валу турбобура, приводит к формированию волновых пауз пропорционально числу оборотов турбины.

На поверхности акустическим приемником (не показано) воспринимает спектр звуковой вибрации и через соответствующие электронные преобразователи несущая частота преобразуется в последовательность прямоугольных импульсов (фиг. 2, в) с выходом на аналоговый прибор, шкала которого проградуирована в об/мин (не показано).

Предлагаемая конструкция датчика для контроля частоты вращения вала турбобура при его реализации позволит по сравнению с известным решением увеличить механическую скорость и проходку на долото за счет поддержания заданного значения осевой нагрузки по геологотехнологическому наряду.

Использование: бурение нефтяных и газовых скважин, в частности для получения информации о частоте вращения вала турбобура. Цель: повышение точности измерения за счет поддержания постоянства объема внутренней полости камеры резонатора путем самоочищения от твердых частиц под действием собственного веса. Сущность изобретения: датчик снабжен центральной втулкой, расположенной соосно с корпусом, а резонатор выполнен в виде четвертьволнового отрезка трубы. Один торец трубы закрыт, а другой торец открыт и соединен с отверстием центральной втулки. Расположен второй торец в кольцевом пространстве по винтовой линии между корпусом датчика и втулкой. 2 ил.

ДАТЧИК ДЛЯ КОНТРОЛЯ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ ВАЛА ТУРБОБУРА, содержащий корпус датчика, резонатор, вал-модулятор с продольным пазом, узел соединения вала-модулятора с валом турбобура, отличающийся тем, что он снабжен центральной втулкой, расположенной соосно с корпусом, а резонатор выполнен в виде четвертьволнового отрезка трубы, один торец которой закрыт, а другой открыт, соединен с отверстием центральной втулки и расположен в кольцевом пространстве по винтовой линии между корпусом датчика и втулкой.