ВИБРОУСТОЙЧИВЫЕ ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЗЕНИТНОГО И ВИЗИРНОГО УГЛОВ Российский патент 2002 года по МПК E21B47/02 

Изобретение относится к промысловой геофизике и технологии управления траекторией бурения скважин и может быть использовано в датчиках инклинометрической аппаратуры и в процессе роторного и турбинного бурений.

Известен преобразователь зенитного угла в перемещения, состоящий из заполненного жидкостно сообщающегося кольцевого сосуда и спиральной цилиндрической трубки, соединенной с упомянутым кольцевым уровнем (авт. св. СССР 933967, Е 21 В 47/02 5.05.80 г. )
Известен датчик зенитного и визирного углов, преобразующий их в перемещения, выполненный в виде заполненных несмешивающимися жидкостями трех сообщающихся спиральных трубок, которые соединены между собой верхними и нижними кольцами, причем верхние концы трубок, в которых размещены электроды, выполнены прямолинейными и размещены по отложению друг к другу под углом 120^o (авт. св. СССР 1425311, Е 21 В 47/02, 4.02.87 г. ). Этот чувствительный элемент также основан на измерении уровней жидкостей в сообщающихся сосудах и обладает указанными выше недостатками.

В качестве прототипа принят преобразователь зенитного угла, содержащий корпус, рамку с эксцентричным грузом, в которой размещен чувствительный элемент, состоящий из кольцевого уровня с перегородкой, спиральной трубки, сообщающейся с кольцевым уровнем, и электродами, установленными в кольцевом уровне с двух сторон от перегородки (авт. св. СССР 933967, Е 21 В 47/02, 05.05.80 г. ).

Недостатки такого преобразователя состоят в следующем: 1) низкая точность съема информации по перемещениям уровня жидкости в кольцевой трубке; 2) c уменьшением поперечных размеров датчика, т. е. уменьшением диаметра кольцевой трубки уменьшаются величины измеряемых перемещений уровня жидкости, что понижает точность измерений; 3) чувствительный элемент в виде сообщающихся сосудов, установленный в эксцентричной рамке, не может работать во вращающейся бурильной колонне.

Технический результат, который может быть получен от использования изобретения, заключаетcя в упрощении съема информации и возможности применения хорошо разработанных в авиационных акселерометрах компенсационных электронных схем, что облегчает изготовление датчиков углов, а также в значительном уменьшении поперечного сечения при сохранении высоких виброустойчивости, точности и применимости за счет этого в скважинах малого диаметра и в процессе роторного бурения.

Технический результат достигается за счет того, что чувствительные элементы выполнены в виде упругой мембраны и установлены на концах трубки, наполненной тяжелой жидкостью, угловые величины преобразуются в усилия, применяется замкнутый успокоительный контур жидкости, диаметр прибора мал и преобразователь обладает динамической осью симметрии.

Устройство преобразователя
На фиг. 1 показана принципиальная кинематическая схема.

Измерительная часть трубки - 1, остальная часть трубки К уложена в корпус 2 произвольно. На фиг. 1 показаны также упругие мембраны М, стержень В с ферромагнитным сердечником или катушкой с обмоткой.

Конструкция преобразователя
На фиг. 2 показаны измерительная трубка 1, успокоительный замкнутый контур К, упругие мембраны М. Съемные устройства на обоих мембранах идентичны. На фиг. 2 показана нижняя мембрана. На стержне мембраны М закреплена катушка 4 с двумя обмотками в зазоре магнита 5, показаны также выводы обмоток 6, тонкая жесткая перегородка 2 и корпус 3. Трубка 1 и контур К заполнены жидкостью. На фиг. 2 показана часть контура К. Для преобразования зенитного угла измерительная трубка направляется по оси скважины для преобразования визирного угла ортогонально оси скважин.

Преобразователь работает следующим образом (см. фиг. 1,2).

По закону Торичелли на мембрану М оказывает давление столб жидкости высотой h. Пусть L длина всех трубок, тогда часть жидкости в трубке длиной (L - h) представляет замкнутый контур, понижающий частоту собственных колебаний преобразователя (и не влияющий на его показания), что придает высокую виброустойчивость датчика. Пусть ось симметрии F - F направлена по оси скважины, интенсивность давления на мембрану равна
q = ρhCosθ, (1)
где θ - угол наклона оси симметрии F, F с истинной вертикалью, т. е. зенитный угол; ρ - объемная масса жидкости. Мембрана от нагрузки q получит прогиб в центре

где a - толщина; r - радиус; F - модуль упругости мембраны. Усилие Р на стержне В для /f/<<1, что выполняется в компенсационном методе измерений, можно выразить линейной формулой
P = kπr²q = kπr²ρhCosθ, (3)
где k - эмпирический коэффициент. Формула (3) позволяет по измеренному Р вычислить значение угла θ.

Частота собственных колебаний преобразователя равна

где q - ускорение силы тяжести; L равно сумме длин всех трубок.

Конструкция позволяет существенно уменьшить диаметр преобразователя за счет увеличения его длины, сохраняя при этом высокую виброустойчивость и точность прибора.

Преобразователь зенитного угла (фиг. 2) может работать и во вращающейся буровой колонне. В этом случае центробежные силы вызовут дополнительные давления на мембрану, но уменьшая диаметр преобразователя их можно уменьшить до приемлемых величин. Кроме того, эти погрешности систематические и могут быть скорректированы.

Преобразование визирного угла. Пусть ось Z прямоугольной системы координат направлена по оси симметрии скважины. Положение ее определяется углами Эйлера θ,ψ,ϕ. Пусть ось измерительной трубки преобразователя, выполненного в любом варианте направлена по оси X. В этом случае
q = ρh Cosϕ Sinθ (4)
и аналогично формуле (3) -
P = kπr²q = kπr²ρh Cosϕ Sinθ (5)
Из (3) определяется θ, из (5) - угол ϕ. Таким образом два преобразователя примененные одновременно представляют датчик зенитного и визирного углов.

Диаметры трубок выбираются из заданной интенсивности демпфирования колебаний с учетом вязкости наполняемой жидкости.

Термокомпенсация
Влияние температурных расширений устраняется за счет того, что измеряется разность сигналов с нижней и верхней мембран. Поэтому сигналы от температурного расширения с обеих мембран одного знака уничтожаются, а полезные сигналы разных знаков удваиваются.

Источники информации
1. Справочник. Прочность, устойчивость, колебания. -М. : Машиностроение, 1968, т. 1, cтр. 614, (98).

Изобретение относится к промысловой геофизике и может быть использовано в датчиках инклинометрической аппаратуры и в процессах роторного и турбинного бурений. Виброустойчивый гидравлический преобразователь зенитного угла содержит корпус, в котором размещены чувствительные элементы, выполненные в виде упругих мембран, установленных на концах трубки, наполненной жидкостью. Трубка включает успокоительный контур жидкости. Повышена точность измерений и вибропрочность датчика. 2 ил.

Виброустойчивый гидравлический преобразователь зенитного и визирного углов, содержащий корпус, в котором размещены чувствительный элемент и трубка, наполненная жидкостью, отличающийся тем, что чувствительные элементы выполнены в виде упругих мембран и установлены на концах трубки с успокоительным контуром жидкости.