Преобразователь веса бурового инструмента и осевой нагрузки на долото Советский патент 1985 года по МПК E21B45/00 

1 Изобретение относится к устройст вам контроля за процессом багрения скважин. Известны устройства для раздельного измерения веса бурового инстру мента и осевой нагрузки на долото, выполненные по мостовым схемам, под ключенные к усилителю, в плечо мостов которых последовательно с датчи ками веса и осевой нагрузки и резис торами обратной связи включены первые рамки логометров ij . Однако такое включение существен но снижает точность измерения, так как при изменении температуры окружающей среды меняются величины сопр тивлений рамок логометров. Недостат ками этого устройства являются низкая точность преобразования, связан ная с влиянием изменения сопротивле ний рамок логометра, и низкая чувствительность. Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является преобразователь веса бурового инстр мента и осевой нагрузки на долото, содержащий датчики и резисторы, сое диненные между собой по мостовым сх мам и подключенные к усилителю, диа гонали питания мостовых схем соединены с неподвижными контактами первого переключателя, а его подвижный контакт соединен с источником питания , регистрирукщий логометр, одна из рамок которого включена между второй клеммой источника питания и общей вершиной измерительной диагонали мостов, причем параллельно ей включен резистор, а вторая рамка ре гистрирующего логометра включена между выходом усилителя и подвижным контактом второго переключателя, механически связанного с первым, логометр веса бурового инструмента и логометр осевой нагрузки на долот одни рамки которых включены в цепь обратной связи усилителя между неподвижными контактами второго переключателя и вершиной измерительной диагонали соответствующих мостовых цепей через компенса19{онные резисто ры. В известном устройстве вторые рамки логометров веса бурового инструмента и осевой нагрузки на доло то, зашунтированные дополнительными резисторами, включены в диагонали питания мостовых цепей Zj. 81 При изменении сопротивлений датчиков под действием усилия, действующего на них, изменяются токи, протекающие через датчики, вследствие чего нарушается равновесие моста. Напряжение, появившееся на измеритель- ной диагонали, подается на вход усилителя, KOTOpbtfi изменяет величину тока обратной связи, протекающего по компенсационным резисторам. Изменение тока обратной связи происходит до тех пор, пока мост вновь не будет уравновешен. Отношение токов, измеряемое логометрами, пропорционально изменению сопротивления датчиков. Недостатком известного преобразователя для раздельного измерения веса бурового инструмента и осевой нагрузки на долото является использование двух комплектов датчиков, которые Трудно подобрать идентичными. Вьфавнивание их базовых сопротивлений производится с помощью добавочных резисторов. Однако это приводит к разному приращению сопротивлений их при одинаковом нагружении датчиков, требует для их подключения шесть проводов линии связи. Применение магнитоэлектрических логойетров с гальванически разделенными рамками, у которых градуировка шкал индивидуальна и неравномерна, приводит к трудности расшифровки записи веса инструмента и осевой нагрузки. Магнитоэлектрические логометры с гальванически разделенными рамками промышленностью не выпускаются. Переделка серийных логометров представляет трудоемкую и дорогостоящую операцию. Например, стоимость разделения рамок и переградуировка серийных ма гнитоэлектрических логометров сравнима со стоимостью самих приборов. Кроме того, затрудняется преобразование выходной величины (отношения токов) в величину другого рода (например, в унифицированный пневмосигнал для подачи на показываюпр й или записывающий монометры) или передача в линию телемеханики, так как передача отйошения ТОК08, как известно, много сложнее, чем передача унифицированного сигнала тока или напряжения. Наличие двух градуировок: прямой - для записи веса колонны, и обращенной для записи осевой нагрузки приводит также к усложнению расшифровки документа регистрации. В связи с тем. что при измерении либо веса инструме та, либо осевой нагрузки в известной схеме всегда измерительная диагональ шунтируется резисторами, образующими измерит1вльную цепь либо осевой нЯгру ки, либо веса инструмента, то чувствительность устройства уменьшается примерно в два раза. Цель изобретения - повышение точности измерения и упрощение конструк ции преобразователя. Поставленная цель достигается тем что преобразователь веса бурового инструмента и осевой нагрузки на долото, содержащий датчики и резисторы соединенные между собой по мостовой схеме и подключенные к усилителю, одна из вершин диагонали питания мостовой схемы соединена с неподвижными контактами первого переключателя, подвижный контакт которого соединен с источником питания, регистрирующий прибор, подключенный одним концом к выходу усилит еля, а другим к подвижному контакту второго переключателя, механически связанного с первым, показывающие приборы веса бурового инструмента и осевой нагрузки на долото, одни концы которых подключены к неподвижньш контактам второго переключателя, а другие - че рез компенсационные резисторы к вершине измерительной диагонали, сна;бжен дополнительным переключателем и двумя узлами регулирования направления тока, первый из которых выполнен в виде двух параллельных ветвей, каждая из которых состоит из последовательно соединенных переменного подстроечного резистора и диода, а второй - в виде двух параллельных ветвей, каждая из которых состоит из последовательно соединенных посто янного резистора и диода, причем диоды каящого узла включены разнополярно, при этом узлы подключены одним концом к вершине измерительной диагонали, причем первый узел через компенсационные резистор ы, а второй непосредственно, а другим концом к датчикам, подвижный контакт третье го переключателя соединен с источником питания вьшолненным в виде стабилизированного источника тока, а неподвижные контакты подключены к другой вершине диагонали питания и связаны с соответствумцкми неподвкжньчи контактами первого переключателя, который механически связан с третьим. Кроме того, в качестве регистрирующего и показывающих приборов использованы измерители токов. На чертеже приведена измерительная схема предлагаемого преобразователя. Измерительная схема представлена мостовой цепью, направление тока в которой коммутируется двумя ключами трехплатного переключателя 1. Мостовая цепь образована постоянными резисторами 2-.9, а также резистивными датчиками 10, подсоединенными к прибору трехпроводной линией связи, каждый провод 11 которой имеет сопротивление. Диоды 12-15 и резисторы 6-9 включены в узлы регулирования направления тока. Узлы регулирования направления тока, включенный между верхним проводом 11 линии связи и резистором 4, состоит из переменного подстр.оечного резистора 6, включенного меящу проводом 11 и минусом диода 12 и из переменного подстроечного резистора 7, включенного между проводом 11 и плюсом диода 13. Плюс диода 12 и минус диода 13 подключены к резистору 4. Назначение указанного узла регулирования направления тока заключается в возможности приведения мостовой це пи к равновесию при раздельном измерении веса инструмента и осевой нагрузки на долото, причем равновесие моста можно добиться при любом значении веса инструмента с помощью резисторов 6 и 7. Постоянные резисторы 8 и 9, служаш;ие для компенсации сопротивлений резисторов 4 и 5 и номинальных сопротивлений переменных подстроечных резисторов 6 и 7, а таклс(е диоды 14 и 15 входят в состав конпенса1шонного узла регулирования направления тока, включенного между нижним проводом 1} линии связи и резистором 3. Он состоит из постоянного резистора 8, включенного между проводом 11 и ппюсом диода 14 и постоянного резистора 9, включенного ыеяяУ проводом 11 и минусом диода 15. Минус диода 14 и плюс диода 15 подключены к резистору 3. Включение узлов регулирования направления тока в мостовую схему позволяет использовать только один комплект датчиков и трехжильный кабель. Мостовая цепь подключен к усилителю 16, в цепь обратной связи которого включены постоянный резистор 17 и регистрирующий прибор 18 веса бурового инструмента и осевой нагрузки на долото, а через перекляяатель 1 для визуального наблюдения измерители веса буровой колонны 19 и осевой нагрузки на долото 20, а также компе сационные резисторы 4 и 5. В диагональ питания мостовой цепи включен стабилизированный источник 21 тока. С помощью переключателей 1 осуществляют изменение направления тока пита ,ния датчиков 10; направление трков питания мостовой цепи и тока обратно связи при измерении веса инструмента Q и осевой нагрузки Р показано на схеме стрелками. Преобразователь работает следуюдам образом. При изменении сопротивления датчи ков 10 под действием усилия, действующего на них (датчики, устанавливаемые под углами рамы кронблока, в смежных относительно диагонали питания плечах получают приращения разных знаков) , изменяются токи, протекающе через датчики, вследствие чего нарушается равновесие моста. Напряжение, появившееся на измерительной диагонали, подается на вход усилителя 16, который изменяет величину тока обратной IKQ(P), лротекающего по резисторам (4+5) или по резистору 5. Изменение тока обратной связи IKQ(P) происходит до тех пор, пока мост вновь будет уравновешен, т.е. пока не выполнится равенство IfQ(P) ijQXP) (при равенстве сопротивлений резисторов 2 и 3). Уравнение шкалы измерителей и регистратора токов при этом условии можно выразить формулой uR..,Q(P) ( & R,g - приращение сопротивлений датчиков 10 под действием усилия, действующего на них; (R +R) - расчетное, (составное) сопротивление компенсационного резистора при измерении веса колонны (его величина определяется, исходя из максимального веса колонны); R, - расчетное сопротивле- ние компенсационного резистора при измерении осевой нагрузки на долото (его величина определяется, исходя из максимальной осевой нагрузки на долото); I,Q(P) - ток, проходящий по верхней ветви моста. При равновесии моста I,Q(P)I-Q(P) const. При этом в формуле учитывается то, что измерительные резистивные датчики, включенные в плечи мостовой цепи, последовательно с компенсационными резисторами К.и R, получают положительные приращения, а измерительные резистивные датчики, включенные в смежные относительно диагонали питания плечи мостов, имеют равные, но отрицательные приращения сопротивлений (для мостов с тёнзосопротивлениями с чистым изгибом) о Так как измерительная схема исключает шунтирование измерительной диагонали за счет устранения параллельной мостовой цепи, то чувствительность преобразователя поньшиется приблизительно в два раза, а использование одних и тех же датчиков при раздельном измерении веса бурового инструмента и осевой нагрузки на долото повьшиет точность измерения и упрощает конструкцию и настройку преобразователя. При спуске инструмента переключатель 1 устанавливается в положение Q. При этом измеритель 19 тока показывает (ток IKQ увеличивается при спуске) , а регистратор 18 тока регистрирует процесс спуска инструмента. При этом токи I.Q и IKQjпротекающие по компенсационным резисторам 4 и 5, имеют противоположное направление. Регистрирующий прибор имеет две прямые градуировки: для записи веса инструмента и для записи осевой нагрузки на долото. Шкалы приборов от- : градуированы в тоннах. Перед началом бурения, когда долото не касается забоя, переключатель 1 переводится в положение Р - измерения осевой нагрузки, и с помощью изменения сопротивления подстроечного резистора 7 стрелка указателя 20 осевой нагрузки и перо регистратора 18 вьшодятся на нуль шкалы. После это го часть веса инструмента передается на забой, т.е. создается требуемая осевая нйгрузка. При этом в связи с изменением направления тока в ветвях мостовой цепи при уменьшении веса на крюке (для создания осевой нагрузки), т.е. при изменении знака приращения сопротивлений датчиков ток обратной связи усилителя IKP не изменяет направЛениеИ для вьфавнивания токов I.P и 1,Р .увеличивается. Направление токов и IKP, протекающих по компенсационному резистору 5, в этом случае совпадает. При этом измеритель 19 тока показывает, а регистратор 18 тока записывает значение осевой нагрузки. При подъеме инструмента переключатель 1 возвращается в цоложение измерения веса инструмента. Измеритель 19 тока показывает, а регистратор тока 18 регистрирует операцию подъема инструмента. . Технико-экономический эффект предлагаемого преобразователя достигается за счет устранения второй мостовой измерительной цепи, шунтирующей измерительную, диагональ, что повьшгает ч вс вительность примерно в два раза, и использования одног о комплекта датчиков вместо двух, что повышает точность и значительно упрощает изготовление и настройку силоизмерительных дреобразрвателей, устраняет дополнительно трехжильный кабель связи, длина разводки которого достигает 120 м, а также за счет замены магнитоэлектрических логометров с гальванически разделенными рамками на измерители ., что устраняет неравномерност;ь градуировки и трудность расшифровки документа регистрации и позволяет получить унифицированный сигнал.

1.ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ВЕСА БУРОВОГО ИНСТРУМЕНТА И ОСЕВОЙ НАГРУЗКИ НА ДОЛОТО, содержащий датчики и резисторы, соединенные между собой по мостовой схеме и подключенные к усилителю,одна из вершин диагонали питани$Г мостовой схемы соединена с неподвижными контактами первого переключателя, подвижный контакт которого соединен с источником питания, регистрирующий прибор, подключенный одним концом к выходу усилителя, а другим - к подвижному контакту второго переключателя, механически связанного с первым, показывающие приборы веса бурового инструмента и осевой нагрузки на долото,, одни концы которых подключены к неподвижным контактам второго переключателя , а другие - через компенсационные резисторы к вершине измерительной диагонали, отличающийся тем, что, с целью повьш1ения точности измерения и упрощения конструкции, преобразователь снабжен дополнительным переключателем и двумя узлами регулирования направления тока, первый иэ которых выполнен в виде двух параллельных ветвей, каждая из которых состоит из последовательно соединенных переменного подстроечного резистора и диода, а второй в виде двух параллельных ветвей, каждая из которых состоит из последовательно соединенных постоянного резистора и диода, причем диоды каждого узла включены разнополярно, при этом узлы подключены одним концом к вершине измерительной диагонали, причем первый узел через компенсационные резисторы, а второй непосредственно, (Л а другим концом - к датчикам, подвижный контакт третьего переключателя соединен с источником питания, выполненным в виде стабилизированного источника тока, а неподвижные контакты подключены к другой вершине диагонали питания и связаны с соответствующими неподвижными контактами первого переключателя , который механически связан с третьим эо 2. Преобразователь по п. 1, о т личающийся тем, что, с це00 лью повышения точности и упрощения конструкции, в качестве регистрирующего и показывающих приборов использованы измерители токов.

13