Устройство для измерения длины колонны труб Советский патент 1986 года по МПК E21B45/00 

1128

Изобретение относится к приборам контроля процессов бурения скважины, а именно к измерителям перемещений бурового инструмента и длины колонны труб,

Целью изобретения является повышение точности измерения длины колонны труб.

На фиг.1 приведена схема устройства; на фиг,2 - кинематическая схе- ма привода измерительного барабана и планы его скоростей;,на фиг.З - изображение кинематической схемы с указанием направлений вращения пере- даточных звеньев и направления дей- ствия сил; на фиг.4 - два варианта графиков скоростей точки водила и углов поворота водила вспомогательного барабана, от которых зависит величина вертикального перемещения натяжного груза.

Устройство содержит (фиг.1) изме рительный барабан 1, соединенный канатом 2 с талевым блоком 3, подвешенным на несущем канате 4, намотанном в несколько слоев на барабан 5 буровой лебедки. Измерительный барабан 1 и барабан 5 буровой лебедки кинематически соединены также посредством компенсирующего узла в виде дифференциальной зубчатой передачи, на води- ле 6 которой выполнен вспомогательный барабан 7, связанный канатом 8 с грузом 9, Барабан 1 через магнитную муфту 10 соединен с многоотсчетным сельсинньЫ преобразователем 11,подключенным на вход индикатора 12.Через компаратор 13 выход преобразователя веса подключен к обмотке магнитной муфты.

Для уяснения принципа действия механизма привода измерительного барабана 1 рассмотрим кинематическую схему механизма и два варианта плана скоростей (фиг.2 -4).

Передаточное отношение дифференциальной зубчатой передачи определяем, исходя из двух условий. Первое условие. Измерительный барабан 1 соединен с барабаном 5 лебедки натяну- тым канатом 2 и канатом 4, проходя- через талевую систему с числом несущих нитей, равным п. Поэтому скорости Уд и Vf точек а и f, лежащих на осях канатов 4 и 2, при их сходе с соответствующих барабанов связаны отношением ,;

-

62

Второе условие. Точки а и f принадлежат (условно) также барабанам 5 и 1 , на .расстояниях от соответсгвующих им осей вращения и связаны зубчатой передачей с передаточным отношением i.,

Поэтому скорости V и V f, связаны

также отношением

Ya - 5йч V, - rj

(2)

Приравняв эти отношения,получим

Ra .

п - 1

откуда

п

.Ei

(3)

В последнем выражении количество несущих нитей талевой системы п принимаем неизмеиньм.

Постоянным является также радиус г, ввиду того, что намотку каната 2 на барабан 1 выполняем в один слой Радиус намотки несущего каната 4 на барабан 5 - переменная величина, и изменяется в зависимости от количества каната 4, уложенного на барабан 5 в пределах от R (при трехслойной намотке каната 4 на барабан 5) ,

Следовательно, в соответствии с изменением R должно изменяться и передаточное отношение передачи i от i, до ij (фиг.З) ,

В предлагаемом устройстве изменение передаточного отношения обеспечивается автоматически за счет применения дифференциальной зубчатой передачи с зубчатьми колесами Z.,Z., Z и водилом 6, на котором закреплен вспомогательный барабан 7, связанный с натяжным грузом 9 канатом 8.

Предположим, что талевый блок 3 находится в самом нижнем положении. Тогда на барабане 5 уложено всего несколько витков каната 4 и он навивается на барабан 5 по наименьшему радиусу R схо

Если для подъема блока 3 барабан 5 привести во вращение с постоянной угловой скоростью uJ (план скоростей на фиг,2 б), то скорость точки а сначала будет равна VQ lu) , а затем по мере увеличения на барабане 5 количества каната 4, будет возрастать до Va.j RQ.- 4.)g

31280

При натянутых канатах 4 и 2 скорость Vr точки f также будет изменять

ся от

Y

до

f

Yii

(4) 5

Скорости V, и Уд при постоянной угловой скорости Og не изменяются. Скорость V точки е, принадлежащей зубчатому колесу Z и сателлиту Z пропорциональная скорости V и отношению расстояний до точек е и f от оси вращения барабана Q,Скорость V, оси сателлита определяется по плану путем соединения концов векторов скорости Vg и скорости V соответствующими прямыми.

Из сопоставления планов скоростей вариантов 1 и 2 можно сделать выводы, что скорость Vj оси сателлита, за- крепленной на водиле 6, за время цикла подъема талевого блока 3, в зависимости от выбранной при расчете передаточного отношения передачи величины радиуса R, при одном и том же значении угловой скорости барабана лебедки, изменяется по величине и может изменять направление.

В варианте 1 при расчете переда

точного отношения i величина R равна RQ,

В этом случае скорость V оси водила равна нулю при минимальном радиусе намотки и возрастает с увеличением RQ, не изменяя направления (фиг,4 а, кривая 1),

В варианте 2 в формулу расчета i принято значение

,

..jj

(5)

В последнем случае в начале подъема блока 3 модуль скорости V от определенного значения уменьшается, а затем возрастает. При переходе через точку Vj.j О изменяется направление скорости противоположное,что вызывает изменение направления вращения вспомогательного барабана 7,

На фиг.4 а показаны характер изменения скорости Vj (кривая 1) и угла поворота водила (кривая 2) в зависимости от высоты подъема талевого блока Н, для варианта 1 плана скоростей при послойной укладке каната 4 на барабан 5. При переходе на последующий слой R , V , V,ft и V изменяются скачком.

164

На фиг.4 б, те же зависимости для варианта 2. Кривая 3 здесь повторяет кривую 2 из графика 4 а для сопоставления величин. Из сопоставления данных графиков можно сделать выводы, что в варианте 2 ,угол поворота водила Ч и, соответственно, высота подъема груза 9 меньше, чем в варианте 1. Здесь груз 9 сначала поднимается, а затем опускается в исходное положение при подъеме блока 3 .в верхне-; положение. Поэтому вариант 2 более предпочтителен, так как позволяет уменьшить объем пространства для расположения натяжного груза 9.

На основании данных выводов вели. /11 ) чину передаточного отношения i при

условно неподвижном водиле 7 определя ем по ранее полученной формуле 3 путем подстановки в нее значения Rg RQ (формула 5), т.е. среднее значение радиуса намотки, тогда

п

2 ао

EJ

.)

(6)

При рассмотрении фиг.2 и 3 видно, что подвижное водило 6 является компенсирующим элементом.дифференциальной зубчатой передачи, обеспечивающим автоматическое изменение передаточного отношения при изменениях радиуса намотки несущего каната.

Стабильность натяжения каната 2 обеспечивается за счет постоянства усилия, создаваемого грузом 9. На фиг.З сплошными стрелками указано направление вращения звеньев механизма при подъеме блока 3, прерывистыми стрелками - направления действия сил в механизме. Направление действия сил в механизме не изменяется и при изменении направления вращения барабана 5.

Например, для буровой установки 5000 ДГУ количество рабочих слоев каната на барабане лебедки - 4.

Расчетные радиусы намотки соответственно равны, мм : R, 418,7; RJ 446,4; Rg 474,1; R 501,8; 460.

Количество ветвей каната п 12.

Количество витков каната на барабане в одном слое 41,5.

Если принять условие, при котором один оборот измерительного барабана 1 будет соответствовать 1 м перемещения талевого блока, то его радиус

5128011

будет равен г Z,- - мм, тогда

. 159Л5 12 . , 1, - 460

Ввиду того, что в нормальных условиях отсутствует возможность нетга- средственного соединения вала барабана лебедки с входным валом дифференциальной зубчатой передачи, общее передаточное отношение можно разбить на две ступени:

,,i,

Если принять передаточное отношение передачи Z и Z, i, равное 3, то передаточное отношение передачи Z, Z-, Z при неподвижном Z i составит около 1,37.

Длина каната 4, 5 лoжeннoгo слоями на барабане 5 при количестве витков N g 41,5 .в каждом слое, будет соответственно равна, м: 110,5; 115; 125,1 и 129,2 (в сумме 479,8 м).

При заполнении двух первых слоев каната на барабане 3 буровой лебедки блок 3 поднимается из нижнего положения на высоту

Н llQ.Li-115 ,8,79

а измерительный барабан 1, связанный с блоком 3,выполнит следующее число оборотов (из расчета 1 оборот на 1 м перемещения блока 3 при расчетном радиусе Гл 0,15915 м и однослойной укладке каната 2), Если бы водило было зафиксировано, то измерительный барабан совершил бы

N

iljiS.i 41, i 4,15

20

оборотов,

(НГ

где 1 4,15 - передаточное отношение передачи при зафиксированном водиле 7,

Однако натянутый канат 2 не позволяет выполнить барабану 1 более 18,79 оборотов (18,79 м) и запас хода, равный разнице 20 - 18, 79 1,21 оборота идет на поворот водила 6 в обратном направлении и подъема груза 9 при повороте вспомогательно- го барабана 7,

Для компенсации разницы чисел оборотов водило 6 и вспомогательный барабан 7 выполнят

N, „ .jO,88 оборота,

nI J

fi.

где i 1,37 - передаточное отношение передачи Z,, 7. , Zj и звена 7 при неподвижном Zg.

При запо;гнении третьего и четвертого слоев за N. N 41,,5 83 оборотов, на барабан 5 будет намотано уже 254,3 м каната, а блок

254 3 3 поднимается еще на 21,2 м

При этом, барабан 1 выполнит дополнительно 21,2 оборота.

При неподвижном водиле барабан 1 совершил бы также 20 оборотов, так как количество витков при намотке третьего и четвертого слоев такое же, как и при намотке двух первых слоев.

Дополнительные 1, 2 оборота (20 1,2 21,2) барабан 1 выполнит за счет поворота в.одила 6 под действием груза 9 (фиг. 2-4),

Таким образом, если при намотке первых двух витков при помопщ водила количество оборотов барабана 1 уменьшается, то при намотке третьего и четвертого слоев количество оборотов барабана 2 увеличивается (20 - 1,2) + + (20 + 1,21) 40 оборотов измерительного барабана, что соответствует общей высоте подъема талевого блока 3 на 40 м.

Если принять диаметр вспомогательного барабана 7 равным 0,2 м, то максимальный ход груза 9 будет равен

3,14-0,20,88

.d.N, 0,553 м.

Таким образом, при передаточном отношении, определенном из условия неподвижности водила при среднем радиусе намотки каната на барабан лебедки, высота подъема натяжного груза будет минимальной.

Устройство работает следующим образом.

При вращении барабана 5 лебедки поднимается (опускается) талевый блок 3, который через канат 2 вращает измерительньй барабан 1. Натяжение каната 2 обеспечивается массой груза 9, а практическая неподвижность груза 9 при )ращении измерительного барабана обеспечивается за

712

счет дифференциальной зубчатой пере- дачи, связанной с барабаном 5. При подъеме первой трубы предварительно измеряют длину ее рулеткой и устанавливают это показание сельсинным преобразователем 11 на индикаторе 12 Приняв это показание за начало, спускают трубу в скважину. При перемещении талевого блока под нагрузкой одной трубы, масса которой недостаточна для срабатывания компаратора 13, индикатор длины колонны не изменяет показаний. При нагружении талевого блока двумя и более трубами, величина выходного сигнала преобразователя веса 14 такова, что компаратор 13 включает электромагнитную муфту 10 и за счет этого обеспечивает жесткую связь измерительного барабана с многоотсчетным сельсинным преобразователем 11, сельсинный преобразователь 11 суммирует с ранее установленным значением величину перемещения талевого блока, а индикатор 12 показывает длину колонны,опу щенной Б. скважину. При перемещении талевого блока вверх преобразовател вычитает величину перемещения талевого блока. Кинематическая связь измерительного барабана 1 с бараба

0

11

5

0

30

68

ном 5 буровой лебедки обеспечивает привод вращения измерительного барабана без колебаний последнего,уменьшает зону перемещения груза. Формула изобретения

Устройство для измерения длины колонны труб, содержащее кинематически соединенные между собой барабан буровой лебедки и измерительный барабан с магнитной муфтой, преобразователь веса, индикатор и груз, о т л и ч а- ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения, устройство снабжено многоотсчетным сельсинным преобразователем, компаратором и компенсирующим узлом, установленным между барабаном буровой лебедки и измерительным барабаном, при этом компенсирующий узел выполнен в виде вспомогательного барабана и дифференциальной зубчатой передачи с води- лом, на котором жестко закреплен вспомогательный барабан, а на последнем закреплен канат с грузом,причем выход преобразователя веса через ком- паратор соединен с магнитной муфтой, а выход многоотсчетного сельсинного преобразователя подключен к индикатору.

Изобретение предназначено для контроля процессов бурения скважин и позволяет с высокой точностью измерять длину колонны труб. Устр-во содержит измерительный барабан (Б) 1, соединенный канатом 2 с подвешенным на несущем канате 4 талевым блоком 3. Канат 4 намотан на Б 5 буровой лебедки. Между Б 1 и 5 установлен компенсирующий узел. Он выполнен в виде дифференциальной зубчатой передачи с водилом 6, на котором закреплен вспомогательный Б 7. .На нем закреплен канат 8 с грузом 9. При эТом Б 1 через магнитную муфту 10 соединен с многоотсчетным сельсинным преобразователем (П) 11. При нагружении блока 3 трубйми сигнал с выхода П 14 веса через компаратор 13 включает муф- fy 10. Обеспечивается жесткая связь Б 1 с П 11. Последний суммирует перемещения блока 3. Соединенный с П 11 индикатор 12 регистрирует длину колонны, опущенной в скважину. Кинематическая связь Б 1 и 5 обеспечивает привод вращения Б 1 без колебаний последнего, уменьшает зону перемещения груза. 4 ил. i (Л

Ir

а.

F

Va,

Вариант 1

Vtio O

°1

SapuMmt VarO fff

Риг.2

ifif& S if iS

а i

d

7

Редактор Ю,Середа

иг.

Составитель В.Шилов Техред И.Попович

Корректор С.Шекмар

Заказ 7031/29 Тираж 548Подписно€

ВН1ШПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб,, д.4/5

1Гроизводств1 Нно-полиграфическое пре.дгфиятие, г.Ужгород, ул .Проектная, 4