Моментомер ротора буровой установки Советский патент 1983 года по МПК E21B45/00 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к измерению крутящего момента, развиваемого ротором буровой установки в процессе бурения, и может быть исполь зовано, например, в нефтедобывающей промышленности. Известно устройство для измерения крутящего момента, которое содержит две компрессионных ячейки нагрузки, устанавливаемых между ротором и надроторной рамой в вертикальных плоскостях, гидравлические линии связи, сумматор, вторичные приборы. Между ротором и подроторным основанием установлены в горизонтальной плоскости подшипники, на которые опирается ротор т. Недостаток известного устройства наличие дополнительной рамы, что делает в целом конструкцию громоздкой, кроме того, в зимних .условиях глинис тый раствор, а также вода, используемая в процессе спуско-подъемных one раций, попадая между ротором, подроторной рамой и основанием буровой установки замерзает, следовательно, практичес.ки полностью иск/иочается пе редача усилия от крутящего момента н компрессионные ячейки, т.е. работоспособность известного устройства из-за смерзания подроторной рамы и потерей ею подвижности чрезв(ычайно низкая при обледенении оборудования. Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является устройство для измерения крутящего момента полого вала, состоящее из торсиона, сочлененного через разъемное шлицевое со единение с концом полого вала, втулки, подшипников, звездочки, фланцев, зубчатых венцов и бесконтактных датчиков импульсов. Крутящий момент, воспринимаемый торсионом (штангой), поворачивает ко нец торсиона совместно с элементом привода и вызывает пропорциональное рассогласование между зубьями венцов по величине которого судят о крутящем моменте 2. Однако практические испытания тор сионного устройства вскрыли недостаточную надежность работы на буровой установке из-за его ограниченного за паса прочности. Привод ротора со зна чительным запасом мощности и бурильный инструмент с большим приведенным моментом инерции, работающих при бол ших моментах сопротивления, создают тяжелые условия работы для торсиона, Торсион совместно с полым валом ротора буровой установки подвергается значительным знакопеременным нагрузкам как в процессе бурения, так и а переходных режимах в момент пуска и остановки, В таких условиях торсионы, как измерительные элементы, быстро теряют свои упругие свойства, и развивающиеся микротрещины преждевременно выводят моментомер из строя. Кроме того, торсионный моментомер имеет большую жесткость, а следовательно, малые информативные углы закручивания, что затрудняет бесконтактный съем информации. Применить торсион с большей чувствительностью за счет увеличения его длины не представляется возможным из-за ограниченных размеров рабочих валов, которые как правило стараются выполнить как можно короче и компактнее о Кроме указанного при увеличении длины торсиона происходит потеря его устойчивости, что приводит к дополнительным изгибающим и растягивающим усилиямj резко ухудшающим его работоспособность. Таким образом, имеется принципиальная трудность изготовления торсиона необходимой чувствительности/ и запаса прочности из-за противоречивых требований. Недостатком устройства также является нетехнологичность изготовления торсиона большого поперечного и линейного размеров со сплошным рабочим телом. Неоднородность структуры материала , локальные нарушения в толще металла, сложность термообработки массивного торсиона значительно затрудня-. ют изготовлениеТорсиона, способного длительно и надежно работать при крутящих моментах более 3000 кГм. Сущест; вующие роторы практически невозможнй оснастить торсионаии, так как для этого г отребовался бы дорогостоящий демонтаж валов роторов и их переделка Целью изобретения является повы- ; ение чувствительности, надежности работы и уменьшение габаритов моментомера, Поставленная цель достигается тем, что моиентомер ротора -буровой установки, содержащий ведомый стакан, закрепленный на валу ротора, зубчатое колесо, ступица которого посредством подшипников связана с ведсжым стаканом, датчики импульсов, связанные через индуктивные преобразователи с блоком измерения, чувствительный элемент . снабжен тремя кольцами, одно из которых ведущее и жестко связано со ст пицей зубчатогр колеса, а другое ведомое установлено внутри ведущего кольца и жестко соединено с ведомым стаканом, при этом чувствительный элемент выполнен в виде упругих стер ней, расположенных вдоль оси вала ротора,-причем стержни с одной связаны с третьим кольцом, ас ДРУГОЙ - одна их часть соединена с ведомым кольцом, а другая - с ведущим. .На наружной поверхности ведомого стакана и внутренней поверхности сту пицы между подшипниками установленыс зазором относительно друг друга кулачки, которыми встроены амо тизаторы. На фиг . 1 показан моментомер ротора буровой установки, общий вид; на фиг. 2 - сечение А-А на-фиг. 1; на фиг. 3 - сечение Б-Б на фиг. t. i Моментомер ротора буровой установки содержит ведомый стакан 1, который насажен на вал 2 ротора 3 и закреплен посредством шпонки 4 и болта 5. На ведомом стакане 1 на подшипниках смонтировано зубчатое колесо 6. На внутренней поверхности ступицы 7 зубчатого колеса 6 и на н ружной поверхности ведомого стакана 1 , соответственно, расположены с зазором относительно друг друга кулачки 8 и 9, между которые смонтированы амортизаторы 10, выполненные например, из резины. На валу 2 рото ра 3 жестко закреплен датчик 11 импульсйв, а на торце ступицы 7 со стороны .ротора смонтирован датчик 12 импульсов. Датчики 11 и 12 и пульсов выполнены например, в виде стальных звездочек, которые через преобразователи 13 и Н соединены с блоком 15 измерения. Ступица 7 и ве домый стакан 1 посредством шлицов 1 ;и 17 соединены с ведущим и ведомым кольцами 1В и 19, которые посредство упругих стержней 2Q и 21, например, прямоугольного сечения, расположенных вдоль о(и вращения вала 2 и параллельно друг друга своими противо положными концами соединены с общим кольцом 22, Элементы 18-22 закрыты крышкой 23. В случае необходимости, когда, например, буровая установка оснащена индивидуальным приводом ротора, передача вращения на вал 2 ротора .3 ожет быть осуществлена карданом 2, оторый соединяется со ступицей 7 ерез крышку 23 посредством консолього вала 25. Моментомер ротора буровой установи работает следующим образом, В процессе работы буровой установки развиваемый крутящий момент на зубт чатом колесе 6 аналогично при карданном приводе момент на ступицу 7 передается карданом 2k через крышку 23 передается на его ступицу 7, которая, поворачиваясь в подшипниках, через торцовые шлицы 16 и 1.7 и ведущее 18, ведомое 19 и общее 22 коль кольца нагружает изгибащим моментом упругие стержни 20 и 21, которые передают момент через ведомый стакан 1 и шпоииу 4 на вал 2 ротора 3. Под действием изгибающего момента упругие стержни 20 и 2Гсинхронно изгибаются в пределах своей упругой деформации, в результате чего ступица 7, а следовательно, связанный с нею датчик 12 импульсов смещаются от носительно датчика 11 импульсов, аа крепленного на валу 2 ротора 3. В результате смещения датчиков 11 и 12 импульсов относительно друг друга пропорционально происходит и сдвиг фаз импульсов, индуцируемых в индуктивных преснбразрвателях ТЗ и 14, которые поступают в блок 15 измерения, где преобразуются в численное значение крутящего момента на роторе 3. В результате упругого изгиб стержней -20 и 21 их концы перемещаются как в плоскости вращения, так и вдоль оси вращения вала 2„ i Общее кольцо 22, соединяющее концы стержней 20 и 21, обеспечивает пере:дачу момента от ступицы 7 на вал 2 и в то же время обеспечивает беспрепят- . ственное (свободное) перемещение концов стержней 20 и 21, что исключает возникновение сил трения, влиящих на стабильность и точность работы. i Для обеспечения синхронного и Травного перемещения концов с-Г ержнёй 20 и 21 как в плоскости вращения вала, так и вдоль его оси, стержни 20 и 21 выполнены с идентичными упругими ха- . рактеристиками, что исключает появление дополнительных и нежелательных растягивающих и сжимающих усилий, ;обеспечивая работу стержней 20 и 21 на изгиб. 10 В настоящее время отсутствуют о меитомеры и в основном из-за неудачного выбора упругого элемента, по де формации которого судят о величине крутящего момента, оценку действующего момента осуществляют на глазок по интуиции, по загрузке буровдго двигателя. Отсутствие достоверной информации о моменте часто приводит к полом ке бурового инструмента, что составляет 30 от общего числа аварий. Кро ме того, из-за боязни передержки долота на забое (что чревато потерей его шарошек.долота как правило на не отрабатывают своего ресурса, что увеличивает на 10-20 расход долот на одну скважину Более того, это вызывает значительное увеличение утомительных и малопроизводительных спуско-подъемных операций, что при 0 больших глубинах увеличивает продолжительность бу{зения. Наличие иомен- томера позволит своевременно обкару живать предаварийные ситуации, связанные с осложнениями ствола скважины, предотвратить полрмки инструмента и полнее отрабатывать долота, и, следовательно, сократить число спуско-подъемных операций и энерго- ; затраты, связанные с ними. Экономический эффект от внедрения предлагаемого изобретения в составе автоматизированной системы бурения может быть получен .за счет оперативного определения полной отработки элементов долота и предупреждения их поломок, что дает экономию долот, снижает количество спуско-подъемных операций, увеличивает рейсовую скорость проходки.

.

Фш.г

t. MQMEHTOMEP РОТОРА БУРЕЙ ВОЙ УСТАНОВКИ, содержащий ведомый стакан, закрепленный на валу ротора, зубчатое колесо, ступица которого посредством подшипников связана с ведошм стаканом, датчики импульсов, связанные-через индуктивные преоб- разователи с блоком измерения чувстт . вительный элемент, от ли ч а rout и и с я тем что, с целью повышения чувствительности, уменьшения габаритов, он снабжен тремя кольцами, одно из которых вед)ацее и жестко связано со ступицей зубчатого колеса, а другое - ведомое установлено внутри ведущего кольца и жестко соединено с ведомым стаканом, при этом чувствительный элет«ент выполнен в виде упругих стержней, расположённых вдоль оси вала ротора, причем стержни с одной стороны связаны с третьим кольцом, а с другой - одна их часть соединена с ведомым кольцом, а другая - с ведущим. 2, Мс 1ёнтомер по п. 1, о т л и чающийся тем, что, с целью повьвиёния надежности его работы, на наружной поверхности ведомого стакана и внутренней поверхности ступицы между подшипниками установленыс зазором относительно один другого кулачки, между которыми встроены амортизаторы. к ч|