УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ НАРАБОТКИ И ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ ЗАБОЙНОГО ДВИГАТЕЛЯ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2009 года по МПК E21B45/00 

Изобретения относятся к средствам контроля параметров процесса бурения скважин, а точнее к устройствам регистрации таких параметров, как частота вращения ротора, наработка и температура забойных двигателей (ЗД), в том числе винтовых забойных двигателей и турбобуров для вертикального, наклонно-направленного и горизонтального бурения скважин. Также они могут применяться в других процессах и механизмах, где необходимо отслеживать вращение объекта или такое вращение является характеристикой времени работы (наработки) объекта.

В настоящее время существуют различные системы контроля и измерения режимов бурения, в частности системы для подсчета времени наработки ЗД.

Известны наземные системы контроля режимов бурения скважин, где расчет времени наработки ЗД ведется по перепаду давления подающей жидкости (авт. св. СССР №1273515, кл. Е21В 44/00, опубл. 1986 г.). Недостатком таких известных систем является то, что они громоздкие и производят расчет времени работы (наработки) ЗД косвенным методом. При этом они не измеряют такие необходимые параметры, как забойная температура и частота вращения ротора при использовании ЗД.

Также известно устройство для измерения числа оборотов вала забойного двигателя по патенту РФ №2285120, кл. Е21В 45/00, опубл. 2006 г. В данном случае мы имеем дело с неавтономным известным устройством измерения частоты вращения вала. Для реализации его работы нужно протягивать кабель питания, что значительно усложняет конструкцию. Кроме этого в процессе регистрации частоты вращения вала при измерении вращения участвует вектор естественного магнитного поля Земли, что подразумевает определенную ориентацию устройства относительно Земли. При бурении же магнитных и некоторых других пород они могут оказывать влияние на вектор направленности магнитного поля Земли, а значит - привести к искажениям результатов.

Известен автономный забойный регистратор силовых параметров забойных двигателей, состоящий из установленного в буровой колонне корпуса, выполненного в виде переводника с содержанием контейнера электронного блока и элемента питания, многоканального элемента силовых параметров. Электронный блок содержит многоканальный усилитель, многоканальный аналого-цифровой преобразователь (АЦП), процессор и оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) (Патент РФ №2131973, кл. Е21В 44/00, опубл. 1999 г.). Недостатком этого устройства является недостаточная информативность, т.к. ОЗУ регистрирует только осевую нагрузку на долото.

Наиболее близким к предлагаемым вариантам технического решения по назначению и совокупности признаков является устройство для регистрации забойных параметров (Патент РФ №2296218, кл. Е21В 44/00, опубл. 2007 г.), содержащее корпус и установленный в нем электронный модуль, выполненный из элемента питания и из электронного блока, снабженного микропроцессором, в котором программируется управляющая программа, измерительным элементом - акселерометром плоскостей Х и Y, энергонезависимой микросхемой памяти, таймером календарного времени, датчиком температуры, портом ввода-вывода информации на компьютер с помощью интерфейса связи. Выход микропроцессора соединен с первым входом энергонезависимой микросхемы памяти. На первый вход микропроцессора подключен акселерометр плоскостей Х и Y, на второй вход - таймер календарного времени, а третий вход подключен к выходу датчика температуры, вход которого связан с элементом питания. Вход-выход порта ввода-вывода данных подключен к микропроцессору, вход порта ввода-вывода подключен к блоку питания. Причем вход таймера календарного времени, четвертый вход микроконтроллера и вход акселерометра подключены ко второму входу энергонезависимой микросхемы памяти.

Существенным недостатком указанного известного устройства является то, что частота вращения ротора двигателя рассчитывается косвенным методом, а именно по ускорению и силе вибрации, в результате чего не обеспечивается высокая точность и достоверность установления таких параметров как наработка и частота вращения забойного двигателя. Акселерометр плоскостей Х и Y - это прибор, который измеряет ускорение, и, следовательно, частоту вращения в этом случае можно определить лишь путем математической обработки с потерей точности. Добавим к этому, что любая вибрация (например, при транспортировании, при хранении, при монтаже устройства в ротор забойного двигателя и др.), создаваемая механической системой (механизмом), также является ускорением, которое воспринимает акселерометр плоскостей Х и Y, что приведет к еще большей потере точности установления частоты вращения, а в некоторых случаях, при определенном положении плоскостей Х и Y относительно вектора силы тяжести и высоком уровне вибрации, к недостоверности полученных результатов.

Кроме того, при использовании в известном устройстве для определения частоты вращения двигателя показателя ускорения большое влияние на измерение этого интегрированного ускорения будет оказывать положение осей акселерометра относительно направления силы тяжести Земли (g), и в некоторых случаях при определенном положении осей Х и Y акселерометра по отношению к указанному вектору силы тяжести можно неверно рассчитать скорость вращения, так как при совпадении одной из осей акселерометра с вектором силы тяжести составляющая проекции ускорения по этой оси будет отсутствовать. Все эти факторы снижают точность и достоверность установления забойных параметров.

Технический результат, достигаемый при осуществлении заявляемых вариантов изобретения, заключается в повышении точности и достоверности измерения наработки и частоты вращения забойного двигателя за счет исключения влияния на процесс измерения силы тяжести Земли, за счет расширения диапазона чувствительности измерительного элемента и за счет исключения влияния на измеряемые параметры «паразитных» вращений двигателя при транспортировке, сборке, хранении.

Дополнительным техническим результатом является создание малогабаритного и надежного в работе устройства с технологическим запасом по габаритным размерам.

Указанный технический результат достигается предлагаемым устройством для регистрации наработки и частоты вращения забойного двигателя, включающим корпус и электронный модуль, состоящий из элемента питания и из электронного блока, выполненного на плате и включающего следующие электронные компоненты: узел, в котором программируется управляющая программа, со встроенными датчиком температуры и таймером календарного времени, измерительный элемент, энергонезависимую микросхему памяти и порт ввода-вывода данных, вход-выход которого подключен к узлу, в котором программируется управляющая программа, при этом указанные электронные компоненты соединены друг с другом посредством системы связей «вход-выход», по первому варианту новым является то, что в качестве измерительного элемента электронный блок содержит, по меньшей мере, два гироскопа, причем ориентирование осей чувствительности, по меньшей мере, двух из них отличается друг от друга, устройство дополнительно содержит установленный коаксиально внутри корпуса полый пенал, выполненный разрезанным на две части, причем направление разреза выполнено под острым углом от более 0° до менее 90° к продольной оси пенала, при этом электронный блок установлен внутри упомянутого пенала по существу вдоль разреза с отклонением от продольной оси пенала, в качестве узла, в котором программируется управляющая программа, электронный блок содержит микроконтроллер, в котором программируется управляющая программа, со встроенными аналого-цифровым преобразователем АЦП, датчиком температуры и таймером календарного времени, а также электронный блок дополнительно содержит преобразователь напряжения измерительного элемента и, по меньшей мере, два буферных усилительных элемента, причем упомянутая система связи «вход-выход» указанных электронных компонентов электронного блока выполнена следующим образом: на входы микроконтроллера подключены выходы энергонезависимой микросхемы памяти и буферных усилительных элементов, а два входа каждого буферного усилительного элемента соединены соответственно с выходом одного гироскопа и с выходом преобразователя напряжения гироскопа, вход которого подключен к выходу микроконтроллера, а напряжение питания с выхода элемента питания подано на входы энергонезависимой микросхемы памяти, преобразователя напряжения гироскопа и микроконтроллера, при этом с выхода преобразователя напряжения преобразованное напряжение подано на входы гироскопов и буферных усилительных элементов; а по второму варианту новым является то, что электронные компоненты электронного блока размещены, по меньшей мере, на двух платах, а в качестве измерительного элемента блок содержит, по меньшей мере, два гироскопа, каждый из которых установлен на отдельной из указанных плат, также устройство дополнительно содержит установленный коаксиально внутри корпуса полый пенал, выполненный разрезанным, по меньшей мере, на три части, при этом направление разреза выполнено под острым углом от более 0° до менее 90° к продольной оси пенала, причем указанные платы электронного блока установлены внутри упомянутого пенала, по существу, вдоль разрезов с отклонением от продольной оси пенала, в качестве узла, в котором программируется управляющая программа, электронный блок содержит микроконтроллер, в котором программируется управляющая программа, со встроенными аналого-цифровым преобразователем АЦП, датчиком температуры и таймером календарного времени, а также электронный блок дополнительно содержит преобразователь напряжения измерительного элемента и, по меньшей мере, два буферных усилительных элемента, причем упомянутая система связи «вход-выход» указанных электронных компонентов электронного блока выполнена следующим образом: на входы микроконтроллера подключены выходы энергонезависимой микросхемы памяти и буферных усилительных элементов, а входы последних соединены соответственно с выходами измерительных элементов - гироскопов и с выходом преобразователя напряжения гироскопа, вход которого подключен к выходу микроконтроллера, а напряжение питания с выхода элемента питания подано на входы энергонезависимой микросхемы памяти, преобразователя напряжения гироскопа и микроконтроллера, при этом с выхода преобразователя напряжения преобразованное напряжение подано на входы гироскопов и буферных усилительных элементов.

По обоим вариантам:

- по меньшей мере, одна часть пенала изнутри снабжена опорной ступенью, на которой фиксируется электронный блок;

- на внутренней поверхности корпуса выполнены выступы, а на внешней поверхности пенала - пазики, входящие в зацепление с упомянутыми выступами для предотвращения проворачивания пенала относительно корпуса;

- количество буферных усилительных элементов в электронном блоке соответствует количеству измерительных элементов - гироскопов.

По первому варианту, в качестве гироскопов электронный блок содержит разнотипные гироскопы.

По второму варианту:

- направление разрезов пенала выполнено под равными или отличающимися друг от друга углами к продольной оси пенала;

- направление разрезов пенала выполнено под равными углами к продольной оси пенала при установке на платы в электронном блоке разнотипных гироскопов;

- направление разрезов пенала выполнено под отличающимися друг от друга углами к продольной оси пенала при установке на платы в электронном блоке однотипных гироскопов.

Единый технический результат достигается за счет следующего. Благодаря тому, что предлагаемое устройство содержит пенал, выполненный разъемным из двух или, по меньшей мере, из трех частей, которые получены путем наклонного разрезания пенала к его осевому (продольному) направлению под острым углом (при выполнении одного разреза получается две части, при двух разрезах - три части и т.д. Причем разрез должен быть под углом, отличающимся от 0° и отличающимся от 90°, т.е. можно трактовать, что он выполнен всегда с одной стороны под острым углом к продольной оси, а смежный с ним угол между линией разреза и продольной осью пенала будет всегда тупой), обеспечивается возможность разместить вдоль разрезов и зафиксировать электронный блок, а значит - плату (по первому варианту) или платы (по второму варианту), на которых размещаются электронные компоненты, накрененным к осевому направлению как пенала, так и корпуса (т.к. пенал размещен коаксиально внутри корпуса). То есть оси чувствительности гироскопов будут расположены под углом к оси устройства, а значит - под углом к валу (ротору) забойного двигателя. Само устройство для регистрации наработки и частоты вращения обычно устанавливается в забойный двигатель таким образом, что его ось (ось корпуса) и ось вращения двигателя совпадают.

Если ось чувствительности гироскопа (гироскопов) будет совпадать с продольной осью устройства (а значит, и с осью вала двигателя), то тогда чувствительность всего устройства будет равна чувствительности гироскопа (гироскопов). При этом верхний диапазон измерения ограничивается верхним диапазоном измерения угловой скорости самого гироскопа. Например, если максимальная угловая скорость гироскопа ω_{max гир}=360°/с, то верхний предел измерения всего устройства будет равен ω_{max устр}=ω_{max гир}=360°/с=60 об/мин. Увеличить верхний диапазон измерения можно, располагая ось чувствительности гироскопа под углом к оси вращения корпуса (двигателя), что выразится в формуле:

, если ось чувствительности гироскопа направлена вдоль платы электронного блока;

, если ось чувствительности гироскопа направлена перпендикулярно плате электронного блока,

где ω_устр - угловая скорость, замеряемая устройством;

ω_гир - угловая скорость, замеряемая гироскопом;

α - угол между продольной осью устройства и платой, на которой установлен гироскоп (на плате смонтирован весь электронный блок, а значит, на ней находится и гироскоп).

Изменяя углы установки электронного блока с гироскопом, можно изменять предел измерения предлагаемым устройством максимальной угловой скорости (максимальных оборотов двигателя). При меньшем пределе измерений увеличивается чувствительность устройства и возрастает точность на низких частотах вращения (порядка единиц оборотов в минуту), при большем пределе измерений точность устройства сдвигается в область более высоких частот вращения. Таким образом, изменением угла установки платы электронного блока в разрезной пенал (а значит, изменением угла наклона оси чувствительности гироскопа относительно продольной оси корпуса) можно сдвигать нижний и верхний пределы чувствительности предлагаемого устройства, что расширяет его технологические возможности.

Расширить диапазон измеряемых частот можно, совместив в одном устройстве два (или, по меньшей мере, два) гироскопа и установив их так, чтобы оси их чувствительности находились под разными углами к оси вращения вала двигателя (к продольной оси корпуса устройства). Причем возможны два варианта размещения двух или нескольких гироскопов в предлагаемом устройстве.

1 вариант. Оба гироскопа устанавливаются на одной плате электронного блока и ориентация задается установкой платы в пенале под углом к оси корпуса (по направлению разреза пенала). Одновременно с этим гироскопы на плате устанавливаются так, чтобы направление (ориентирование) их осей чувствительности было различным, например, ориентирование оси одного было вдоль платы, а другого - перпендикулярно, или ориентирование осей обоих гироскопов было под разными углами к плоскости платы и т.п.Это достигается монтажом или применением разнотипных гироскопов.

2 вариант. Электронный блок, содержащий, по меньшей мере, два гироскопа, смонтирован, по меньшей мере, на двух платах. Каждый гироскоп установлен на отдельной плате, и при этом указанные платы размещаются вдоль разрезов пенала. Если разрезы пенала выполнены под разными углами, то и направление осей чувствительности гироскопов после установки плат в этих разрезах также будет различно. Можно разрезы пенала выполнять и под одинаковыми углами, но в этом случае необходимо использовать или разнотипные гироскопы, или у однотипных гироскопов путем монтажа на плате несколько менять ориентирование оси чувствительности (например, путем ее поворота или наклона).

А как указывалось выше, благодаря варьированию углов отклонения направления осей гироскопов от направления продольной оси корпуса, можно изменять диапазон измерения предлагаемым устройством максимальной угловой скорости (максимальных оборотов двигателя). Это достигается обоими вариантами устройства.

Применение в предлагаемом устройстве в качестве измерительного элемента - гироскопов позволяет исключить из процесса измерения влияние силы тяжести и магнитного поля Земли. То есть расположение данного устройства в пространстве может быть произвольным, но при этом полностью исключается вариант совпадения направления оси чувствительности измерительного элемента с направлением силы тяжести Земли, а значит, забойные параметры, связанные с вращением и определяемые с его помощью, будут характеризоваться высокой точностью.

Выполнение электронного блока в виде охарактеризованной блок-схемы также обеспечивает повышение точности и достоверности измерения параметров наработки и частоты вращения двигателя благодаря следующему.

Установка в электронном блоке в качестве измерительного элемента гироскопов позволяет напрямую измерять частоту вращения двигателя, в то время как акселерометр в известном блоке измеряет этот показатель косвенным методом по вектору силы тяжести и силе вибрации. В этом случае акселерометр воспринимает не только полезную, но и другую вибрацию, не связанную с вращением, например, при транспортировании, хранении, монтаже устройства в ротор забойного двигателя, что может значительно повлиять на точность и качество измерения. А в предлагаемом устройстве будет исключено указанное побочное влияние на измеряемые показатели, что повышает их достоверность.

Наличие преобразователя напряжения гироскопа позволяет запитывать гироскоп более высоким напряжением, получая больший размах напряжения на выходе гироскопа, тем самым повышая чувствительность всего устройства.

Количество буферных усилительных элементов в электронном блоке соответствует количеству измерительных элементов - гироскопов. Дополнительный буферный усилительный элемент обеспечивает масштабирование высокого выходного напряжения от гироскопа в напряжение, которое можно подавать на вход АЦП микроконтроллера.

Введение в электронный блок предлагаемого электронного модуля микроконтроллера, который представляет собой микросхему со встроенными АЦП, датчиком температуры и таймером календарного времени, обеспечивает сбор данных с гироскопов, их преобразование, синхронизирует время с программным обеспечением, управляет режимом записи данных в энергонезависимую память и связь с портом для передачи данных на компьютер.

Для удобства фиксации электронного блока в месте разреза пенала, по меньшей мере, одна часть пенала изнутри снабжена опорной ступенью.

Выполнение на внутренней поверхности корпуса выступов, а на внешней поверхности пенала - пазиков обеспечивает предотвращение проворачивания пенала относительно корпуса за счет их зацепления друг с другом.

Заявляемая группа изобретений иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 изображены составные части предлагаемого устройства и устройство в сборе; на фиг.2 - общий вид пенала, разрезанного на две части, с электронным блоком, смонтированным на одной плате с двумя гироскопами (к варианту 1 устройства); на фиг.3 - общий вид пенала, разрезанного (под разными углами) на три части, с электронным блоком, смонтированным на двух платах, на каждой из которых установлено по гироскопу (к варианту 2 устройства); на фиг.4 - общий вид пенала, разрезанного (под одинаковыми углами) на три части, с электронным блоком, смонтированным на двух платах, на каждой из которых установлено по гироскопу (к варианту 2 устройства); на фиг.5 - принципиальная схема предлагаемого электронного модуля, электронные блоки которого содержат два гироскопа (к обоим вариантам устройства).

Предлагаемое устройство для регистрации наработки и частоты вращения забойного двигателя по обоим вариантам включает корпус 1, пенал 2 и электронный модуль, состоящий из электронного блока 3 и элемента питания 4. Пенал 2 по первому варианту выполнен из двух частей 5 и 6 (фиг.2) которые образованы путем разрезания тела пенала под острым углом α к продольной оси 7 пенала 2. Электронный блок 3 (точнее плата, на которой смонтирован электронный блок) установлен внутри указанного пенала 2 вдоль разреза, т.е. фактически с отклонением от его продольной оси. Соединительным элементом частей пенала является корпус. Однако для исключения размыкания частей 5 и 6 пенал 2 может быть снабжен соединительным узлом, например кольцом. Крышка 8 и кольца 9 (фиг.1) являются разделительными элементами и в последующих конструкциях их может и не быть. Пенал 2 с электронным блоком 3 и элементом питания 4 установлен коаксиально внутри корпуса 1. С одного торца корпуса 1 по резьбе заворачивается крышка, которая фиксирует пенал в корпусе от продольного перемещения, и гайка. На внутренней поверхности корпуса 1 могут быть выполнены выступы, а на внешней поверхности пенала 2 - пазики (на чертеже не показаны), входящие в зацепление с упомянутыми выступами для предотвращения проворачивания пенала относительно корпуса.

На фиг.3 и 4 показан пенал, разрезанный на три части 5, 6 и 10 (по второму варианту). Вдоль разрезов, выполненных или под разными углами α и β к продольной оси пенала (фиг.3), или под одинаковыми углами α к продольной оси пенала (фиг.4), установлены по одной плате 11 и 12 электронного блока 3 (т.е. наклон этих плат относительно продольной оси 7 пенала 2 будет различным на фиг.3 благодаря различным углам разрезов пенала 2, а значит и ориентация осей 15 и 16 чувствительности даже однотипных гироскопов 13 и 14 у этих двух плат будет отличаться друг от друга и отличаться от направления продольной оси пенала или корпуса; а при одинаковых углах разрезов пенала 2 (фиг.4) наклон плат 11 и 12 будет одинаковым, но ориентация осей 15 и 16 чувствительности гироскопов 13 и 14 у этих двух плат будет отличаться друг от друга благодаря использованию разнотипных гироскопов или благодаря изменению при монтаже направления оси одного из однотипных гироскопов). Но во всех случаях ориентация (направление) осей 15 и 16 чувствительности гироскопов будет отличаться друг от друга и одновременно отличаться и от направления продольной оси пенала и корпуса устройства.

Электронный модуль по обоим вариантам состоит из элемента питания 4 и электронного блока 3.

По первому варианту все электронные компоненты и оба гироскопа 13 и 14 располагаются на одной плате 17.

По второму варианту электронный блок 3 выполнен на нескольких платах (по меньшей мере, на двух 11 и 12), на которых располагаются электронные компоненты этого блока 3 и по одному гироскопу 13 и 14 на каждой плате 11 и 12 соответственно.

Электронный блок 3 (фиг.5) содержит микроконтроллер 18 со встроенными АЦП, датчиком температуры и таймером календарного времени, в упомянутом микроконтроллере 18 «прошита» управляющая программа, преобразователь 19 напряжения гироскопа, буферные усилительные элементы 20 и 21, энергонезависимую микросхему 22 памяти и порт 23 ввода-вывода данных, вход-выход которого подключен к микроконтроллеру 18. Все указанные электронные компоненты электронного блока 3 соединены друг с другом посредством системы связей «вход-выход», а именно: выходы буферных усилительных элементов 20 и 21 соединены с входами микроконтроллера 18, а входы буферных усилительных элементов - с выходами гироскопов 13 и 14 соответственно, вторые входы - с выходом преобразователя 19 напряжения гироскопа. Выход преобразователя 19 напряжения гироскопа связан также с входами гироскопов 13 и 14. Элемент питания 4 соединен с входами энергонезависимой микросхемы 22 памяти, преобразователя 19 напряжения гироскопа и микроконтроллера 18.

Предлагаемое устройство по обоим вариантам работает следующим образом.

Устройство посредством заглушки и стопорных резиновых колец устанавливается и закрепляется в отверстии ротора винтового забойного двигателя. Двигатель опускают в скважину. При запуске его в работу вал двигателя начинает вращаться. При этом происходит синхронное вращение корпуса 1 устройства с ротором двигателя. Микроконтроллер 18 по заданному алгоритму управляющей программы обрабатывает сигнал с гироскопов 13 и 14 через буферные усилительные элементы 20 и 21, производит регистрацию в энергонезависимой микросхеме 22 памяти данных о частоте вращения вала двигателя, данных датчика температуры и даты с временем записи от таймера календарного времени. Периодичность запроса и обработка сигнала программируется перед компоновкой предлагаемого устройства на валу двигателя.

При остановке работы двигателя предлагаемое устройство переходит в спящий режим. После отработки двигателя его поднимают из скважины и отправляют на ремонт, где во время разборки извлекают заявляемое устройство, снимают с его корпуса торцевую крышку и соединяют электронный модуль через порт 23 ввода-вывода с компьютером (указанный порт необходим для подключения электронного модуля через интерфейс связи к персональному компьютеру), осуществляют считывание данных регистрации и дальнейшую обработку данных, а также обнуляют энергонезависимую микросхему 22 памяти. Полученные данные о наработке, частоте вращения и температуре используют для анализа работы забойного двигателя в реальных условиях бурения.

Программное обеспечение, устанавливаемое на компьютер, реализовано таким образом, что в подсчете наработки и формировании отчета учитываются только те вращения, которые непосредственно связаны с работой двигателя, остальные вращения отфильтровываются. Одновременно с этим на получаемых графиках можно отследить частоту вращения, температуру, напряжение источника питания и наработку за любой период времени.

В качестве однотипных гироскопов можно установить, например, гироскопы марки ADXRS300ABG с ориентацией оси перпендикулярно плате.

В качестве разнотипных гироскопов можно установить, например, гироскопы марки ADXRS300ABG с ориентацией оси перпендикулярно плате и марки ENC-03J с ориентацией оси параллельно плате.

В качестве элемента питания используется литиевая батарея напряжением 3,6В.

Предлагаемые варианты устройств были испытаны в промысловых условиях при бурении скважин. В качестве объекта исследования был выбран гидравлический винтовой забойный двигатель марки ДРУ2-172 и ДРУ-195, посредством которого производилось бурение скважины. Данные, полученные в ходе испытаний, показали высокую точность устройства для определения частоты вращения забойного двигателя в процессе работы и определения общей наработки двигателя за все время промысловых испытаний. Кроме этого ресурс устройства по данным на момент подачи заявки составил более 300 часов в рабочем режиме и около 8 месяцев в «спящем» режиме без замены элемента питания. Также проводилась проверка на стенде гидроиспытаний на территории фирмы-изготовителя винтовых забойных двигателей методом ступенчатого нагружения и показала соответствие таких характеристик, как частота вращения и время вращения двигателя, регистрируемых стендом, с полученными данными предлагаемого устройства.

Исходя из вышеизложенного, предлагаемые варианты устройства могут с высокой степенью точности напрямую регистрировать такие параметры забойных двигателей, как частота вращения, температура и наработка, исключая воздействие таких факторов, как магнитное поле Земли и ускорение свободного падения (сила тяжести), а также различные «паразитные» вибрации. Также указанные конструктивные особенности позволяют сдвигать нижний и верхний пределы чувствительности предлагаемого устройства, что расширяет его технологические возможности.

Устройство автономно, компактно и может устанавливаться и в других механизмах, где необходимо замерять время вращения и отслеживать само вращение.

Изобретения относятся к средствам контроля параметров процесса бурения скважин. Техническим результатом является повышение точности и достоверности измерения наработки и частоты вращения забойного двигателя. Устройство включает корпус и электронный модуль, состоящий из элемента питания и из электронного блока, выполненного на плате и включающего следующие электронные компоненты: узел, в котором программируется управляющая программа, со встроенными датчиком температуры и таймером календарного времени, измерительный элемент, энергонезависимую микросхему памяти и порт ввода-вывода данных, вход-выход которого подключен к узлу, в котором программируется управляющая программа. При этом указанные электронные компоненты соединены друг с другом посредством системы связей «вход-выход». В качестве измерительного элемента электронный блок содержит, по меньшей мере, два гироскопа, размещенные на одной плате, причем ориентирование осей чувствительности, по меньшей мере, двух из них отличается друг от друга, устройство дополнительно содержит установленный коаксиально внутри корпуса полый пенал, выполненный разрезанным на две части, причем направление разреза выполнено под острым углом от более 0° до менее 90° к продольной оси пенала. При этом электронный блок установлен внутри упомянутого пенала по существу вдоль разреза с отклонением от продольной оси пенала, в качестве узла, в котором программируется управляющая программа, электронный блок содержит микроконтроллер, в котором программируется управляющая программа, со встроенными аналого-цифровым преобразователем АЦП, датчиком температуры и таймером календарного времени, а также электронный блок дополнительно содержит преобразователь напряжения измерительного элемента и, по меньшей мере, два буферных усилительных элемента. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Устройство для регистрации наработки и частоты вращения забойного двигателя, включающее корпус и электронный модуль, состоящий из элемента питания и из электронного блока, выполненного на плате и включающего следующие электронные компоненты: узел, в котором программируется управляющая программа, со встроенными датчиком температуры и таймером календарного времени, измерительный элемент, энергонезависимую микросхему памяти и порт ввода-вывода данных, вход-выход которого подключен к узлу, в котором программируется управляющая программа, при этом указанные электронные компоненты соединены друг с другом посредством системы связей «вход-выход», отличающееся тем, что в качестве измерительного элемента электронный блок содержит, по меньшей мере, два гироскопа, размещенных на одной плате, причем ориентирование осей чувствительности, по меньшей мере, двух из них отличается друг от друга, устройство дополнительно содержит установленный коаксиально внутри корпуса полый пенал, выполненный разрезанным на две части, причем направление разреза выполнено под острым углом от более 0° до менее 90° к продольной оси пенала, при этом электронный блок установлен внутри упомянутого пенала, по существу, вдоль разреза с отклонением от продольной оси пенала, в качестве узла, в котором программируется управляющая программа, электронный блок содержит микроконтроллер, в котором программируется управляющая программа, со встроенными аналого-цифровым преобразователем (АЦП), датчиком температуры и таймером календарного времени, а также электронный блок дополнительно содержит преобразователь напряжения измерительного элемента и, по меньшей мере, два буферных усилительных элемента, причем упомянутая система связи «вход-выход» указанных электронных компонентов электронного блока выполнена следующим образом: на входы микроконтроллера подключены выходы энергонезависимой микросхемы памяти и буферных усилительных элементов, а два входа каждого буферного усилительного элемента соединены соответственно с выходом одного гироскопа и с выходом преобразователя напряжения гироскопа, вход которого подключен к выходу микроконтроллера, а напряжение питания с выхода элемента питания подано на входы энергонезависимой микросхемы памяти, преобразователя напряжения гироскопа и микроконтроллера, при этом с выхода преобразователя напряжения преобразованное напряжение подано на входы гироскопов и буферных усилительных элементов.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве гироскопов электронный блок содержит разнотипные гироскопы.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что количество буферных усилительных элементов в электронном блоке соответствует количеству измерительных элементов - гироскопов.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что, по меньшей мере, одна часть пенала изнутри снабжена опорной ступенью, на которой фиксируется электронный модуль.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что на внутренней поверхности корпуса выполнены выступы, а на внешней поверхности пенала - пазики, входящие в зацепление с упомянутыми выступами для предотвращения проворачивания пенала относительно корпуса.

6. Устройство для регистрации наработки и частоты вращения забойного двигателя, включающее корпус и электронный модуль, состоящий из элемента питания и из электронного блока, выполненного на плате и включающего следующие электронные компоненты: узел, в котором программируется управляющая программа, со встроенными датчиком температуры и таймером календарного времени, измерительный элемент, энергонезависимую микросхему памяти и порт ввода-вывода данных, вход-выход которого подключен к узлу, в котором программируется управляющая программа, при этом указанные электронные компоненты соединены друг с другом посредством системы связей «вход-выход», отличающееся тем, что электронные компоненты электронного блока размещены, по меньшей мере, на двух платах, а в качестве измерительного элемента блок содержит, по меньшей мере, два гироскопа, каждый из которых установлен на отдельной из указанных плат, также устройство дополнительно содержит установленный коаксиально внутри корпуса полый пенал, выполненный разрезанным, по меньшей мере, на три части, при этом направление разреза выполнено под острым углом от более 0° до менее 90° к продольной оси пенала, причем указанные платы электронного блока установлены внутри упомянутого пенала по существу вдоль разрезов с отклонением от продольной оси пенала, в качестве узла, в котором программируется управляющая программа, электронный блок содержит микроконтроллер, в котором программируется управляющая программа, со встроенными аналого-цифровым преобразователем (АЦП), датчиком температуры и таймером календарного времени, а также электронный блок дополнительно содержит преобразователь напряжения измерительного элемента и, по меньшей мере, два буферных усилительных элемента, причем упомянутая система связи «вход-выход» указанных электронных компонентов электронного блока выполнена следующим образом: на входы микроконтроллера подключены выходы энергонезависимой микросхемы памяти и буферных усилительных элементов, а входы последних соединены соответственно с выходами измерительных элементов - гироскопов и с выходом преобразователя напряжения гироскопа, вход которого подключен к выходу микроконтроллера, а напряжение питания с выхода элемента питания подано на входы энергонезависимой микросхемы памяти, преобразователя напряжения гироскопа и микроконтроллера, при этом с выхода преобразователя напряжения преобразованное напряжение подано на входы гироскопов и буферных усилительных элементов.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что количество буферных усилительных элементов в электронном блоке соответствует количеству измерительных элементов - гироскопов.

8. Устройство по п.6, отличающееся тем, что, по меньшей мере, одна часть пенала изнутри снабжена опорной ступенью, на которой фиксируется электронный модуль.

9. Устройство по п.6, отличающееся тем, что на внутренней поверхности корпуса выполнены выступы, а на внешней поверхности пенала - пазики, входящие в зацепление с упомянутыми выступами для предотвращения проворачивания пенала относительно корпуса.

10. Устройство по п.6, отличающееся тем, что направление разрезов пенала выполнено под равными или отличающимися друг от друга углами к продольной оси пенала.

11. Устройство по п.6, отличающееся тем, что направление разрезов пенала выполнено под равными углами к продольной оси пенала при установке на платы в электронном блоке разнотипных гироскопов.

12. Устройство по п.6, отличающееся тем, что направление разрезов пенала выполнено под отличающимися друг от друга углами к продольной оси пенала при установке на платы в электронном блоке однотипных гироскопов.