Узел бурового стенда Советский патент 1993 года по МПК E21B10/00 

Изобретение относится к буровой технике, а именно к буровым стендам, на которых исследуются технические характеристики гидравлических двигателей и породоразрушающего бурового инструмента в процессе бурения.

Целью изобретения является повышение качества и точности измерения силовых параметров процесса нагружения за счет учета влияния эксцентричности нагрузки на показания датчика.

Указанная цель достигается тем, что в узле бурового стенда, содержащем нагрузочный блок, вращатель, долото, размещенное под вращателем, и блок, имитирующий забой скважины с установленным под ним комбинированным датчиком реактивного крутящего момента и осевой силы в виде упругого элемента с тензо,мостами, размеры упругого элемента и блока, имитирующего забой скважины, удовлетворяют соотношениям:

D(H+h) 0,4сГ( В1 +

ft

6300

-1)

| |д ..г

0,5 d(ft.+ 2.)- 1) д 0,5 d

,

где d - диаметр внутренней поверхности упругого элемента, см;

6- толщина стенки упругого элемента, см;

h - высота упругого элемента, см;

Н - высота блока, имитирующего забой скважины, см;

D - диаметр блока, имитирующего забой скважины, см.

На фиг. 1 изображен узел бурового стенда, общий вид; на фиг.2 -схема нагружения измерительного упругого элемента.

Узел бурового стенда включает нагрузочный блок 1, вращатель 2, долото или секцию долота 3, блок, имитирующий забой

00

о

00 Ю

ел ч

скважины 4, комбинированный датчик реактивного крутящего момента и осевой силы с упругим элементом 5, с установленными на нем тензомостами 6 и 7.

На схеме нагружения упругого элемента изображены вертикальная составляющая Р и горизонтальная Q результирующего вектора сил, действующих от долота на блок высотой Н и диаметром D. Расстояние от оси долота до точки приложения силы на поверхности забоя - . Блок породы действует на измерительный упругий элемент 5 с высотой рабочей части Н, внутренним диаметром D и толщиной стенки, на внутренней боковой поверхности которого наклеены измерительные тензомосты осевой силы 6 и реактивного момента 7. Через Z обозначено текущее расстояние от основания датчика до рассматриваемого поперечного сечения его,

Узел бурового стенда работает следующим образом. Нагрузка от нагрузочного блока и момент от вращателя передаются на долото или секцию долота, заставляя его, вращаясь, внедряться в блок, имитирующий . забой скважины. При вращении долота перемещается точка приложения результирующего осевого усилия Р, представляющего собой сумму сил, действующих на каждый зубок долота. Результирующая сила не проходит через ось долота, а имеет эксцентриситет е, поэтому она создает изгибающий момент, действующий на блок и упругий измерительный элемент (передается на рабочую часть измерительного элемента через крепежные болты и шпонку). Вследствие косого изгиба в упругом элементе возникают перерезывающие силы с суммарным модулем Q, вызывающие касательные напряжения. Эти напряжения достигают наибольшего значения в сечении, совпадающем с.нейтральной осью, где они для балок круглого сечения равны

при F яд(д +д)- площадь поперечного сечения цилиндра. Так как точка приложения силы Р перемещается, то меняется и положение нейтральной оси. Если в некоторый момент времени нейтральная плоскость пройдет через датчик тензомоста, он покажет суммарный сигнал, соответствующий касательному напряжению

Т - Ткр + Тизг

Md

где гкр ур - напряжение кручения.

0

Через Ip 32 t(d d4 обозначен

цолярный момент инерции поперечного се- чения, Здесь Ткр является полезным сигналом, а Гизг - помехой, искажающей показание, соответствующее действительному значению момента. Сила Q может возникнуть и в связи с отклонениями в горизонтальном направлении и колебаниями металлического забоя, ослаблениями соединений, наличием не нулевой результирующей горизонтальной силы сопротивления движению долота со стро.ны забоя.

Преобразователь момента должен об- 5 ладать малой чувствительностью к возникновению перерезывающих сил, создающих помехи при измерении моментов. В то же время он должен быть достаточно чувствительным, чтобы фиксировать малые деформации сдвига и сжатия, т.е. соответствовать заданной точности измерения Р и М. При измерении продольной нагрузки сжатия Р, преобразователь не должен давать искажений при наличии эксцентриситета е вследствие действия изгибающего момента.

Все. вышесказанное требует выполнения определенных соотношений между раз- мерами преобразователя и блока, имитирующего забой .скважины, чтобы получить качественные и точные значения измеряемых силовых параметров процесса нафужения при переменном во вре.мени эксцентричном положении точки приложения осевой силы на забое.

Далее устанавливаются соотношения размеров устройства, определяемые физической сущностью изобретения.

На соотношение д и d накладываются ограничения, связанные с современными возможностями измерений, с одной стороны, и требованием незначимости искажения сигнала, с другой стороны, т.е.

( - Mmln d Ткр Jmln - -оТ-- -

0

5

0

5

0

5

21С

(г - 4 Qmax - изг /max - -о-р- S: т

где г - чувствительность измерений по сдвиговым напряжениям, соответствует наименьшему электрическому сигналу, дифференцируемому измерительными устройствами.

. Современные средства регистрации электрического сигнала (например, цифровые вольтметры В7-28 и т.п.) имеют цену деления 10 мкв в, поэтому чувствительность измерений A lAnin должна быть не ниже цены деления A L/min в.

5 1,808959 6

Величина сигнала тензомоста крутяще-Так как прогибы балки малы, можно зато момента, имеющего четыре рабочих пле- менить tgPmaxL PmaxL тогда, учитывая, что

43. Ртах2 , а етах - D/2, где D - диаметр Ди.икД$ 5 блока породы, получим

где 0 - напряжение питания, К - тензочув-. р2

А .г maxr i

ствительность, Де-деформация тензодат- Umax ° g j DL

чика.р

При расположении датчиков для изме- 10с , ч -.,-. рения крутящего момента под углом 45° к из УСЛОВИЯ (гизг )шах т s направлению кручения они регистрируют .(tkp ах получим главные нормальные деформации:

dV2r 5 )

д((п,л).1|2..в.|| « J.J

Pj: ЗЕ г Р. 4PLx

где ,02 - главные нормальные напряже.J

Pj: ЗЕ г Р. 4PLx

Использование: буровые стенды для исследован ия технических характеристик гидравлических двигателей и породоразрушающего бурового инструмента в процессе бурения. Сущность; размеры упругого элемента 5 и блока 4, имитирующего забой скважины, определяются из выражения, приведенного в тексте описания и формуле. При измерении повышается точность за счет учитывания влияния эксцентричности, приложения нагрузки на показания датчика.2 ил. .

ния при кручении, причемЧтобы крутящий момент измерялся с а (Л - oi Гкр , у 2 G точностью до 10 кгм, максимальная измеря ..- „ емая нагрузка на долото с учетом динамики Е, v - модули Юнга и Пуассона, a G - должна быть р . 400р0 кгс м уль п

тпьслв га апа пр огозп етаГОСти ё- МО кгс/см3 .

(G - 800000 кгс/см/ для стали). 2

Для большинства стандартных тензо- 25Учитывая, что Г 0,8кгс/см ,Мтщ-Ю

датчиков К 2, поэтому -кгм. ртах 40000 кгс, получим:

А|| ..ткн 4/Ач/ч ,,(f-гмбхЮ-41/см3,

Д U U г И ( Д V )mln -Vfr , Ip

30 D L -4 4 При обычно используемом напряжений ,. 7,9x10 1/см

питания порядка 10 в получаем (0,8 р.

КГС/Рассчитаем наибольшую перерезываю- Упростим эти неравенства. Так как 1Р- щую силу Оглах.Для ,) этого систему „ 2(d+2d) -d , F -лд(й +д) то блок+датчик рассмотрим как балку, подверг- Q L нутую косому внецентренному сжатию. Из обозначив t 5/d и U -% получим гибающий момент в сечении, находящемся на расстоянии Z от основания датчика snf ----1- --- SI ,57x10 4 1/см3 M -p(f + (z}) 40(d3(1+2t)4-1J

f- прогиб на верхем конце, y(z) (f+еХ1 4 10 1/от4 Cospz) -прогиб в сечении с координатой z, I d4( 1+21)4 - 1 t(t-ИГ

P24f45X

с Р. Обратные величины:

Перерезывающаясила определяется /

КаК ,,м (dJ(1+2t),64x104CM3

Q (f+e)SinP2d4(1-t-2t)()0,42x104CM4° 50 W v

Отсюда Наибольшая сила О будет при Z L, где

L - высота датчика вместе с блоком, L - Н + fd(1 + 2t)4 - 1 0,64х104 см3

h-Drtj,, , jdt(t 4-1) 0,664 см. (f+e)slnpL 55 , V.

Из nepBQro соотношения получаем

Учитывая, что наибольший прогиб ра-Ъ/&400 еП-rosoLl о .St -s-+1--1)... (1)

вен cos в L а f+e cos в L .

о л DIИз второго, решая квадратное неравенUmax-Ртах Ртах вшах tgPmaxLCTBO, ПОЛУЧИМ