УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЧИСЛА ОБОРОТОВ ВАЛА ЗАБОЙНОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2006 года по МПК E21B45/00 

Изобретение относится к области бурения, в частности к устройствам для измерения частоты вращения вала забойного двигателя или турбобура, и может быть использовано при проводке горизонтальных и наклонно направленных скважин для получения оперативной информации в процессе бурения.

При использовании проводного и беспроводного канала связи в качестве датчиков частоты вращения вала турбобура широко применяются конструкции электромашинных генераторов переменного тока (Молчанов А.А. Измерение геофизических и технологических параметров в процессе бурения скважин. - М.: Недра, 1983. - С.62-64). Статор с обмотками закрепляется неподвижно, а ротор с постоянными полюсными магнитами соединяется с валом турбобура. Частота вращения долота определяется как N=nf/30, где f - частота вырабатываемого генератором тока; n - число пар полюсов.

Недостаток таких датчиков - механическое сочленение вала генератора с валом турбобура, а также относительная сложность конструкции генератора, что снижает надежность датчика при работе в условиях сильных вибраций.

Известны датчики частоты вращения с бесконтактной связью элемента вращения с чувствительным элементом, например датчик оборотов вала турбобура (авт. св. СССР №197314, Бюл. №12, 1967 г.), содержащий ферромагнитный сердечник с измерительной катушкой и немагнитный стакан с ферромагнитными якорями, причем ферромагнитный сердечник с измерительной катушкой заформован внутри монолитного эластичного стержня, а с целью подгонки к верхнему переводнику он снабжен подвижным контейнером, входящим в патрубок опоры. Недостатком этого датчика является низкая технологичность, обусловленная необходимостью ручной подгонки подвижного контейнера к длине верхнего переводника.

Известен также датчик частоты вращения вала турбобура по авт. св. СССР №1420140 от 10.11.86, содержащий полый цилиндрический корпус, внутри которого размещен контейнер с электронной аппаратурой, стержень, соединенный с валом турбобура. Датчик имеет чехол из изоляционного материала, постоянный магнит, эксцентрично установленный на стержне, катушку индуктивности с ферромагнитным сердечником, подключенную к электронной аппаратуре. Один из полюсов постоянного магнита размещен внутри стержня, расположенного внутри соединенного с корпусом чехла из изоляционного материала, в стенке которого размещена катушка индуктивности, причем катушка индуктивности и стержень расположены параллельно оси датчика. При каждом обороте вала турбобура формируется импульс напряжения.

В перечисленных выше конструкциях датчиков по авт. св. СССР №197314 и №1420140 чувствительный элемент расположен в неподвижной части конструкции приборов. Эти датчики имеют достаточно сложную конструкцию, которую при необходимости размещения большого количества датчиков весьма проблематично установить вблизи долота.

Наиболее близким по технической сущности является устройство для контроля оборотов вала турбобура, в котором чувствительный элемент находится на элементе конструкции, жестко закрепленном на валу турбобура (авт. св. СССР №560973 от 29.10.1974). Устройство содержит чувствительный элемент и систему привода и съема колебаний, снабжено магнитным стаканом, жестко закрепленным на валу турбобура, а чувствительный элемент выполнен в виде волчка с магнитным основанием, установленным на дне магнитного стакана, причем ось волчка размещена в обойме эллипсообразной формы, в зазоре системы привода и съема колебаний.

В этом устройстве чувствительный элемент имеет достаточно сложную конструкцию, которую также проблематично установить вблизи долота.

Предлагаемое изобретение решает задачу упрощения конструкции чувствительного элемента и уменьшения размеров устройства и позволяет разместить его в непосредственной близости от долота.

Сущность предлагаемого изобретения состоит в использовании в качестве чувствительного элемента в устройстве для измерения числа оборотов вала забойного двигателя дифференциального феррозонда.

В технике известно применение феррозондов для измерения слабых постоянных и медленно меняющихся (с частотой не более 100 Гц) магнитных полей для измерения углов между осями объекта и вектором магнитной индукции, для обнаружения ферромагнитных объектов, для измерения магнитной восприимчивости и магнитного момента слабомагнитных веществ (Левшина Е.С., Новицкий П.В. Электрические измерения физических величин: (Измерительные преобразователи). Учебное пособие для ВУЗов. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1983. - С.209-211). Однако в качестве чувствительного элемента в устройствах для измерения числа оборотов вращающихся элементов дифференциальные зонды не применялись.

При вращении дифференциального феррозонда синхронно с двигателем происходит совпадение одной из компонент вектора направленности естественного магнитного поля Земли и оси чувствительности феррозонда, которые могут быть зарегистрированы в измерительной катушке феррозонда в виде изменения амплитуды выходной э.д.с.

В предлагаемом устройстве для измерения числа оборотов вала забойного двигателя, содержащем чувствительный элемент, размещенный в корпусе, механически связанном с валом забойного двигателя, и электронную схему, чувствительный элемент выполнен в виде дифференциального феррозонда, установленного так, чтобы ось чувствительности феррозонда была перпендикулярна оси вращения вала забойного двигателя, а выходы измерительной обмотки феррозонда подключены к электронной схеме, осуществляющей выделение максимумов амплитуды выходной э.д.с. дифференциального феррозонда и преобразование временного периода между ними в число оборотов.

Электронная схема содержит избирательный усилитель, выпрямительный блок, нуль-орган, согласующий блок и микропроцессор, при этом выходы измерительной обмотки феррозонда соединены с входом избирательного усилителя, выход усилителя связан с входом выпрямительного блока, а выход последнего через нуль-орган связан с микропроцессором, осуществляющим преобразование периода следования максимумов амплитуды выходной э.д.с. дифференциального феррозонда в число оборотов, а также управляющим работой согласующего блока и питанием дифференциального феррозонда, для чего вход согласующего блока связан с микропроцессором, а выходы питающей обмотки дифференциального феррозонда соединены с согласующим блоком.

Дифференциальный феррозонд и электронная схема расположены в модуле, установленном между забойным двигателем и долотом.

Такое решение позволяет получить простое по конструкции и компактное устройство, позволяющее производить измерения числа оборотов вала забойного двигателя с достаточной точностью и устанавливать его вблизи долота.

На фиг.1 показана блок-схема устройства для измерения числа оборотов вала забойного двигателя, на фиг.2 - схема расположения дифференциального феррозонда в корпусе предлагаемого устройства.

Предлагаемое устройство содержит дифференциальный феррозонд, состоящий из двух параллельно расположенных ферритовых стержней 1, питающей обмотки 2, соединенной с согласующим блоком 3, и измерительной обмотки 4, выходы которой соединены с входом избирательного усилителя 5. Выход усилителя связан с входом выпрямительного блока 6, а выход последнего через нуль-орган 7 связан с микропроцессором 8. Микропроцессор также управляет работой согласующего блока 3, для чего вход согласующего блока связан с микропроцессором. Дифференциальный феррозонд установлен в корпусе отдельного модуля (фиг.2) так, чтобы ось чувствительности 9 дифференциального феррозонда (проходящая через максимальные значения диаграммы направленности, показанной на фиг.2) была перпендикулярна оси вращения 10 вала 11 забойного двигателя 12. Для обеспечения механической связи корпус 13 модуля навинчен навал забойного двигателя. Модуль расположен над долотом 14.

Устройство работает следующим образом.

На питающую обмотку 2 дифференциального феррозонда через согласующий блок 3 подается переменное напряжение определенной частоты, например (2-3 кГц), которое формируется с помощью микропроцессора 8. При вращении дифференциального феррозонда, которое происходит синхронно с вращением вала 11 забойного двигателя 12, в измерительной обмотке 4 создается э.д.с. с частотой питающего напряжения, амплитуда которой меняется в зависимости от ориентации феррозонда в магнитном поле Земли. Таким образом, происходит амплитудная модуляция выходной э.д.с. магнитным полем Земли. При вращении феррозонда дважды за один оборот двигателя происходит совпадение одной из компонент вектора направленности естественного магнитного поля Земли и оси чувствительности феррозонда, которые регистрируются на измерительной катушке феррозонда максимальными значениями амплитуды выходной э.д.с.

Затем амплитудно-модулированная выходная э.д.с. с выхода измерительной обмотки 4 подается на избирательный усилитель 5, выделяющий вторую гармонику поступающего сигнала, детектируется выпрямительным блоком 6 и поступает на вход нуль-органа 7. С выхода нуль-органа информация в виде прямоугольных импульсов, время следования которых соответствует временному периоду следования максимальных амплитуд э.д.с., поступает на микропроцессор 8, где производится подсчет длительности периода времени между прямоугольными импульсами и преобразование его в количество оборотов вала забойного двигателя или турбобура.

Изобретение относится к области бурения, в частности к устройствам для измерения частоты вращения вала турбобура или объемного двигателя, и может быть использовано при проводке горизонтальных и наклонно направленных скважин для получения оперативной информации в процессе бурения. Техническим результатом является упрощение конструкции чувствительного элемента и уменьшение размеров устройства. Для этого устройство содержит чувствительный элемент, размещенный в корпусе, механически связанном с валом забойного двигателя, и электронную схему. При этом чувствительный элемент выполнен в виде дифференциального феррозонда, установленного так, чтобы ось чувствительности феррозонда была перпендикулярна оси вращения вала забойного двигателя, а выходы измерительной обмотки феррозонда подключены к электронной схеме, осуществляющей выделение максимумов амплитуды выходной эдс дифференциального феррозонда и преобразование временного периода между ними в число оборотов. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для измерения числа оборотов вала забойного двигателя, содержащее чувствительный элемент, размещенный в корпусе, механически связанном с валом забойного двигателя, и электронную схему, отличающееся тем, что чувствительный элемент выполнен в виде дифференциального феррозонда, установленного так, чтобы ось чувствительности феррозонда была перпендикулярна оси вращения вала забойного двигателя, а выходы измерительной обмотки феррозонда подключены к электронной схеме, осуществляющей выделение максимумов амплитуды выходной э.д.с. дифференциального феррозонда и преобразование временного периода между ними в число оборотов.2. Устройство для измерения числа оборотов вала забойного двигателя по п.1, отличающееся тем, что электронная схема содержит избирательный усилитель, выпрямительный блок, нуль-орган, согласующий блок и микропроцессор, при этом выходы измерительной обмотки дифференциального феррозонда соединены с входом избирательного усилителя, выход усилителя связан с входом выпрямительного блока, а выход последнего через нуль-орган связан с микропроцессором, осуществляющим преобразование периода следования максимумов амплитуды выходной э.д.с. дифференциального феррозонда в число оборотов и также управляющим работой согласующего блока и питанием дифференциального феррозонда, для чего вход согласующего блока связан с микропроцессором, а выходы питающей обмотки дифференциального феррозонда соединены с согласующим блоком.3. Устройство для измерения числа оборотов вала забойного двигателя по п.1, отличающееся тем, что дифференциальный феррозонд и электронная схема расположены в модуле, установленном между забойным двигателем и долотом.