УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВИБРАЦИИ СКВАЖИННОГО ИНСТРУМЕНТА Российский патент 2024 года по МПК E21B44/00 G01H3/10 

Изобретение относится к области нефтяной промышленности, в частности к технике измерения продольных колебаний. распространяющихся по бурильной колонне при вертикальном сейсмическом профилировании при проведении геофизических работ.

Известно устройство для регистрации вибрации бурильной колонны в процессе бурения скважины (см. RU 2106490 С1, 10.03.1998), содержащее основание, жестко связанное с вертлюгом, цилиндрический корпус, в котором размещены усилитель электрических сигналов и по крайней мере три датчика вибрации. Датчики расположены по радиусу под углом друг к другу α=360°/n (№ 3,4,5…), где n - количество датчиков, соединенных между собой параллельно и связанных с основанием посредством виброгасящих прокладок. Усилитель электрических сигналов выполнен в виде согласующего трансформатора, первичная обмотка которого через фильтр нижних частот подключена к датчикам вибрации. Вторичная обмотка трансформатора подключена через герметичный разъем к регистрирующему устройству. При этом внутренняя поверхность корпуса и датчики покрыты звукопоглощающими оболочками. Свободный объем в корпусе заполнен герметизирующим материалом. В том устройстве благодаря применению поменьше мере трех датчиков вибрации и фильтрации их выходных полезных сигналов, обеспечивается повышение помехоустойчивости, глубины исследований, а также расширение рабочего температурного диапазона в области отрицательных температур, технологических и эксплуатационных возможностей.

Недостатком этого устройства является невысокая эксплуатационная надежность его электронных компонентов в условиях высоких динамических нагрузок.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является принятое автором за прототип устройство, реализующее метод измерения вибрации скважинного инструмента при бурении скважин на нефть и газ (см. стр. 33-36, К.А. Башмур. Э.А. Петровский, В.В. Богачев. Автоматизация в промышленности, №10, 2019). В этом устройстве, содержащем установленный в компоновке бурильной колонны гидромеханический датчик вибрации. содержащий корпус, стакан, ствол, регулировочную втулку и уплотняющие кольца, при отрыве долота от забоя возникает вибрационная сила, которая воздействует на ствол датчика и перемещает его по направляющим шлицам в корпусе в промежуточное или крайнее положение при максимальной амплитуде колебаний. В силу этого происходит пересечение или совпадение отверстий в датчике, через которые часть потока бурового раствора, протекающего в полости бурильной колонны, пересекает полость. образованную корпусом и стаканом. Вследствие этого изменяется расход бурового раствора через основной ствол бурильной колонны, что регистрируется забойными датчиками. В итоге расход бурового расхода через отверстие является функцией амплитуды вибрации.

Недостатком этого гидромеханического датчика вибрации можно считать невысокую точность из-за зависимости числа Рейнольдса от вида течения потока.

Техническим результатом данного устройства является повышение чувствительности измерения вибрации.

Технический результат достигается тем, что устройство для измерения вибрации скважинного инструмента включает установленный в компоновке бурильной колонны гидромеханический датчик вибрации, содержащий корпус, стакан, ствол, регулировочную втулку и уплотняющие кольца, оно дополнительно снабжено плоской металлической пластинкой, воспринимающей механическое воздействие ствола гидромеханического датчика, сверхвысокочастотный генератор электромагнитных колебаний, вентиль, тройник, приемо-передающую антенну, блок питания постоянного напряжения, амплитудный детектор и измеритель амплитуды информационного сигнала, причем выход блока питания подключен к входу по питанию сверхвысокочастотного генератора, выход которого соединен с входом вентиля, подключенного выходом к первому плечу тройника, второе плечо тройника соединено с приемо-передающей антенной, выполненной с возможностью передачи электромагнитного сигнала на плоскую металлическую пластинку и приема от нее отраженного сигнала, а третье плечо тройника подключено к входу амплитудного детектора, выход которого соединен с входом измерителя амплитуды информационного сигнала.

Сущность заявляемого изобретения, характеризуемого совокупностью указанных выше признаков, состоит в том, что на основе использования характеристик стоячей волны, возникающей при зондировании поверхности металлической плоской пластинки электромагнитными волнами, воспринимающей механическое воздействие ствола гидромеханического датчика, и обработки информационного сигнала в амплитудном детекторе, можно обеспечить измерение вибрации скважинного инструмента.

Наличие в заявляемом устройстве совокупности перечисленных существующих признаков, позволяет решить задачу измерения вибрации скважинного инструмента посредством использования характеристик стоячей волны, возникающей при зондировании поверхности металлической плоской пластинки электромагнитными волнами, воспринимающей механическое воздействие ствола гидромеханического датчика, и обработки информационного сигнала в амплитудном детекторе с желаемым техническим результатом, т.е. повышением чувствительности измерения вибрации.

На чертеже представлена функциональная схема предлагаемого устройства.

Устройства содержит гидромеханический датчик вибрации 1, плоскую металлическую пластинку 2, сверхвысокочастотный (СВЧ) генератор электромагнитных колебаний 3, блок питания постоянного напряжения 4, вентиль 5, тройник 6, приемо-передающую антенну 7, амплитудный детектор 8, выполненный в виде детектора СВЧ с повышенной чувствительностью (см. патент RU 2457588 Cl, 27.07.2012) и измеритель амплитуды информационного сигнала 9.

Работа данного устройства основывается на использовании волнового эффекта электромагнитных волн, возникающего при их воздействии на металлическую плоскую пластинку 2, выполненную в виде гибкого круглого мембранного преобразователя, воспринимающую механическое воздействие ствола гидромеханического датчика l и работает следующим образом. Выходным постоянным напряжением блока питания постоянного напряжения 4, запускают генератор электромагнитных колебаний 3. Далее колебания генератора с его выхода, посредством вентиля 5, направляют на первое плечо тройника 6. Благодаря тройнику одна часть колебания поступают на его первое плечо, а вторая - на его третье плечо. Колебания, поступившие на второе плечо тройника, приемо-передающей антенной 7 направляют на поверхность плоской металлической пластинки 2. Отраженный от поверхности пластинки электромагнитный сигнал вкупе с падающим на поверхность пластинки сигналом, по принципу интерференции, образуют эффект стоячей волны между антенной и поверхностью пластинки, которую, согласно данному устройству, можно улавливать с третьего плеча тройника. Как известно, амплитуда стоячей волны длиной волны λ в точках λ/4, 3λ/4 и т.д. имеет пучности (максимумы), а в точках λ/2, λ и т.д. - узлы (минимумы). В соответствии с этим в данном техническом решении, расстояние между ровной поверхностью плоской металлической пластинки (отсутствие воздействия механического ствола гидромеханического датчика), и раскрывом приемо-передающей антенны выбирают так, чтобы оно соответствовало несколько полуволнам, например, 10. Другими словами, для отсчета амплитуды стоячей волны принимают ее картину с точкой какого-нибудь узла. Согласно работе предлагаемого устройства, механическое воздействие механического ствола гидромеханического датчика на плоскую металлическую пластинку. сопряжено с её прогибом поверхности с противопоставленной стороны. В силу этого, если до прогиба поверхности пластинки амплитуда стоячей волны будет равна нулю, то после прогиба она возрастет из- за того, что расстояние между раскрывом антенны и поверхностью пластинки уменьшится (перемещение картины стоячей волны до λ/4). В результате изменение прогиба поверхности пластинки в пределах от нуля до λ/4, даст возможность по амплитуде стоячей волны однозначно вычислить изменение прогиба, т.е. величину вибрации в данном случае.

Из теории мембранных преобразователей известно, что мембрана под действием механической нагрузки получает прогиб и может работать как на изгиб, так и на растяжение. При этом наибольшее напряжение возникает в центре мембраны, которое можно определить выражением:

Е - модуль упругости, f - прогиб мембраны, R - рабочий радиус круглой мембраны, ν - коэффициент Пуассона. Приведенная формула показывает, что выбор параметров материалов, входящих в эту формулу, целесообразно произвести с учетом предела прочности с выбранных материалов для изготовления мембраны. С другой стороны, так как мембрана должна работать в области упругих деформаций, то при расчете следует использовать предел упругости σ_пр, который для стали, бронзы, титана равен σ_пр = 35 кг/мм². Однако с целью обеспечения гарантированного режима работы мембраны в области упругих деформации принимают σ_уп._раб.=30 кг/мм². Тогда выше приведенная формула примет вид:

Отсюда можно заключить, что заведомо известной величины вибрации и конструктивной возможности, выбором соответствующего материла можно изготовить чувствительный элемент, преобразующий измеряющую вибрацию в полном объеме. При этом для достижения максимальной чувствительности об изменении вибрации, подающую на мембрану волну целесообразно направить в её центр, т.е. использовать приемо-передающую антенну высокой направленностью.

В предлагаемом устройстве информационный сигнал, в виде стоячей волны, с третьего плеча тройника далее поступает на вход амплитудного детектора СВЧ 8, который по принципу действия может обеспечить линейность | детектирования амплитуды стоячей волны от точки λ= 0 до точки λ/4 со значительным повышением чувствительности измеряемого параметра. Другими словами, этот детектор при малых изменениях вибрации даст возможность фиксировать указанные изменения вибрации. Далее продетектированный сигнал с выхода детектора (диода) поступает на вход измерителя амплитуды информационного сигнала 9. Здесь измеряется амплитуда его входного сигнала и тем самим обеспечивается информация о вибрации.

Таким образом, в предлагаемом техническом решении на основе использования характеристик стоячей волны, возникающей при зондировании поверхности металлической плоской пластинки электромагнитными волнами, воспринимающей механическое воздействие ствола гидромеханического датчика, и обработки информационного сигнала в чувствительном амплитудном детекторе, можно достичь повышения чувствительности измерения вибрации скважинного инструмента.

Предлагаемое устройство помимо решения задачи измерения вибрации, успешно может быть использовано, например, для контроля уровня жидкости в аккумулирующих емкостях, баках и резервуарах с управлением процессом перекачки.

Изобретение относится к области нефтяной промышленности, в частности к технике измерения продольных колебаний, распространяющихся по бурильной колонне при вертикальном сейсмическом профилировании при проведении геофизических работ. Техническим результатом является повышение чувствительности измерения вибрации. Заявлено устройство для измерения вибрации скважинного инструмента, включающее установленный в компоновке бурильной колонны гидромеханический датчик вибрации, содержащий корпус, стакан, ствол, регулировочную втулку и уплотняющие кольца. При этом устройство дополнительно снабжено плоской металлической пластинкой, воспринимающей механическое воздействие ствола гидромеханического датчика, сверхвысокочастотным генератором электромагнитных колебаний, вентилем, тройником, приемо-передающей антенной, блоком питания постоянного напряжения, амплитудным детектором и измерителем амплитуды информационного сигнала. Причем выход блока питания подключен к входу по питанию сверхвысокочастотного генератора, выход которого соединен с входом вентиля, подключенного выходом к первому плечу тройника. Второе плечо тройника соединено с приемопередающей антенной, выполненной с возможностью передачи электромагнитного сигнала на плоскую металлическую пластинку и приема от нее отраженного сигнала. Третье плечо тройника подключено к входу амплитудного детектора, выход которого соединен с входом измерителя амплитуды информационного сигнала. 1 ил.

Устройство для измерения вибрации скважинного инструмента, включающее установленный в компоновке бурильной колонны гидромеханический датчик вибрации, содержащий корпус, стакан, ствол, регулировочную втулку и уплотняющие кольца, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено плоской металлической пластинкой, воспринимающей механическое воздействие ствола гидромеханического датчика, сверхвысокочастотным генератором электромагнитных колебаний, вентилем, тройником, приемо-передающей антенной, блоком питания постоянного напряжения, амплитудным детектором и измерителем амплитуды информационного сигнала, причем выход блока питания подключен к входу по питанию сверхвысокочастотного генератора, выход которого соединен с входом вентиля, подключенного выходом к первому плечу тройника, второе плечо тройника соединено с приемо-передающей антенной, выполненной с возможностью передачи электромагнитного сигнала на плоскую металлическую пластинку и приема от нее отраженного сигнала, а третье плечо тройника подключено к входу амплитудного детектора, выход которого соединен с входом измерителя амплитуды информационного сигнала.