Модулятор звуковой вибрации Советский патент 1991 года по МПК E21B47/12 

Изобретение относится к автоматическому контролю технологических параметров при турбинном бурении и может быть применено для измерения расхода бурового раствора с любого места бурильной колонны.

Целью изобретения является повышение точности измерения расхода бурового раствора с любого места бурильной колонны за счет амплитудно-импульсной модуляции частоты в спектре звуковой вибрации, источником которой является турбобур.

На фиг.1 и 2 представлен предлагаемый модулятор.

Модулятор содержит корпус 1, резонансную камеру 2, выполненную в виде пустотелого цилиндра, с отверстием 3 на торце, заслонку 4, ротор 5 и статор 6, установленный между корпусом 1 и резонансной камерой 2, на которой установлен ротор 5 между статором 6 и заслонкой 4, которая установлена на корпусе 1 с возможностью перекрытия отверстия 3 на торце резонансной камеры 2, которая выполнена с цилиндрическим горлом 7, установленным внутри резонансной камеры 2 под отверстием 3, ротор 5 и статор 6 выполнены в виде ободов с направляющими элементами (лопатками) 8 для потока бурового раствора.

Модулятор работает следующим образом.

При турбинном способе бурения устройство устанавливают над турбобуром, при подаче бурового раствора турбобур начинает генерировать спектр звуковых колебаний, при этом начинает вращаться ротор 5 с резонансной камерой 2 и формируется волновая пауза в полигармоническом спектре звуковых колебаний турбобура путем периодического перекрытия отверстия 3 заслонкой 4.

Звуковые колебания воспринимаются акустическим приемником в виде последовательности импульсов, частота которых пропорциональна числу оборотов резонансной камеры 2, подавая сигнал через анализатор импульсов на регистрирующий прибор, определяют расход бурового раствора по формуле

-п, с

где Q - расход бурового раствора.

с - коэффициент пропорциональности;

F - площадь поперечного сечения потока.

п - число оборотов ротора.

Пример. Размеры устройства: внутренний диаметр корпуса 165 мм внешний

диаметр резонансной камеры 115 мм, внутренний диаметр резонансной камеры 105мм, высота резонансной камеры 350 мм, площадь отверстия F 27 см , высота горла

мм, объем резонансной камеры 3029 см3, собственная частота резонансной камеры 921 Гц, число оборотов турбобура ЗТСШ-195 при расходе буровой жидкости 25 л/с составляет 590 об/мин, число лопаток на роторной турбине равно 24. По формуле

15

f

п z 60

где п - число оборотов вала турбобура;

т. - число лопаток роторной турбины;

f - частота информационного сигнала, определяют частоту информационного сигнала, генерируемую турбобуром, равной 236 Гц. Принимают частоту поглощения, близкую к третьей гармонике, равной 944 Гц. Оценку доли энергии поглощаемой резонатором из полной энергии определяют по формуле

к-УЬ

Wo

где Wn - потери энергии колебаний резонатора;

Wo - полная энергия колебаний на резонансной частоте.

Акустический резонатор в первом приближении может быть описан как гармонический осциллятор с резонансной частотой fo и добротностью Q. Время периода осциллятора г при внешнем воздействии определяется по формуле

г 1,5Q/fo.

Задавая время открытия отверстия резонансной камеры t из условия T«t, принимают t 0,2 с. Максимальная добротность резонатора равна

Q fot/1,5 133.

Принимают верхнюю границу для добротности резонатора 0 10. Потеря энергии колебаний резонатора определяется по формуле

Wn

2л: О

WK 0,6WK

(1)

где WK - максимальная энергия резонатора, WK 2aJtma2fo2,(2)

где m р Fh - эквивалентная масса резонатора;

р - плотность жидкости;

а - амплитуда колебаний.

Если резонатор возбуждается внешним акустическим полем, у которого гармоника резонансной частоты имеет амплитуду ai, то ai и а связаны соотношением

акустический резонатор на резонансной частоте поглощает 76% энергии из объема звукового потока.

Ширина резонансной кривой Afi, т.е. между точками, в которых амплитуда равна 0,7 от резонансной, определяется на основании соотношения

Af fo/Q.

Изобретение относится к области автоматического контроля технологических параметров при турбинном бурении и м.б. применено для измерения расхода бурового раствора. Цель - повышение точности измерения расхода бурового раствора с любого места бурильной колонны путем амплитудно-импульсной модуляции частоты в спектре звуковой вибрации, источником которой является турбобур. Устройство содержит корпус 1, резонансную камеру 2, выполненную в виде пустотелого цилиндра с отверстием 3 на торце, заслонку 4, ротор 5, и статор 6, выполненные в виде ободов с направляющими элементами (лопатками) для потока бурового раствора. При подаче бурового раствора турбобур начинает генерировать спектр звуковых колебаний, при этом ротор 5 вращается с резонансной камерой 2 и заслонка 4 перекрывает отверстие 3. Формируется волновая пауза в полигармоническом спектре звуковых колебаний турбобура, которые воспринимаются акустическим приемником в виде последовательности импульсов, частота которых пропорциональна расходу бурового раствора. 2 ил.

(3)

Из (1НЗ) получают, что из внешнего поля резонатор за один период может дисси- мировать энергии

Wn 1,2 /oFh (aiQfo л)2. (4)

Эта энергия поглощается из объема V жидкости

V

-s-c- ,

TO

(5)

где S

ясг2

- площадь поперечного сечения колонны;

С - скорость звука в буровом растворе, С 1500м/с;

fo - частота резонатора;

d - диаметр.

Полная энергия колебаний на резонансной частоте в этом объеме определяется по формуле

Wo 1р V(r aifo)2 р 2- ;. С ai2fo . (6)

Из (5) и (6) определяют долю энергии, поглощаемую резонатором, из полной энергии, находящейся в объеме

К . W0

F h Q2 f0

(7)

TttfC

Подставляя расчетные данные в формуполучают, что к - 0,76. Таким образом,

10

Для расчетного примера Af 921/10 92 Гц. Выделение полезного сигнала на устье скважины осуществляется многоканальным анализатором амплитуды импульс.овАИ-1024.

Таким образом, предлагаемый модулятор позволяет определить расход бурового раствора в любом месте бурильной колонны, кроме того, с учетом давления на выпаде

насоса и глубины бурения можно производить выбор оптимального режима бурения и отработку долот

25

Формула изобретения

Модулятор звуковой вибрации, содержащий корпус, установленную в нем с возможностью вращения вокруг своей продольной оси резонансную камеру, выполненную в виде пустотелого цилиндра, с отверстием на торце, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения расхода бурового раствора при турбинном бурении, он снабжен заслонкой,

ротором и статором, установленным между корпусом и резонансной камерой, на которой установлен ротор между статором и заслонкой, которая установлена на корпусе с возможностью перекрытия отверстия на

торце резонансной камеры, которая выполнена с цилиндрическим горлом, установленным внутри резонансной камеры над отверстием в торце, ротор и статор выполнены в виде ободов с направляющими элементами для потока бурового раствора.

Фиг, 2

8