Акустический датчик частоты вращения вала турбобура Советский патент 1993 года по МПК E21B47/12 

Изобретение относится к технической акустике и может быть использовано для получения забойной информации в процессе бурения наклонно-направленных сква- жйн - нефтяных и газовых.. .

. Цель изобретения - повышение точности измерения за счет изменения отношений сигнал/помеха путем увеличения поглощения уровня помехи.

На фиг.1 изображен акустический датчик частоты вращения вала турбобура, продольный разрез; на фиг.2 - осциллограммы информационного сигнала.

Акустический датчик содержит переводник 1, роторную турбинку 2, конусную втулку 3, корпус датчика 4, первый акустический резонатор 5, кольцо 6, второй акустический резонатор 7, подшипник 8 (выполнен в виде радиальной опоры), верхний переводник 9, вал-модулятор 10, верхнее кольцо 11, звукопоглощающее отверстие 12 второго акусти- Чрского резонатора 7 с шириной щели 160° по окружности, продольный паз 13 с шириной по окружности, равной 10°, звукопоглощающее отверстие 14 первого резонатора 5 с шириной щели 160° по окружности, нижнее кольцо 15, вал турбобура 16.

Статический режим.

Акустический датчик частоты вращения вала турбобура размещается над третьей секцией шпиндельного турбобура типа ЗТСШ-195 (или ЗТСЩ-195 ТЛ). Сборка датчика: на торец вала трубобура 16 надевается роторная турбинка 2, конусная втулка 3 и вал-модулятор 10°. В корпус датчика 4 последовательно вставляется нижнее кольцо 15, внутренняя втулка первого акустического резонатора 5 со звукопоглощающим отверстием 14, кольцо 6, внутренняя втулка второго акустического резонатора 7 со звукопоглощающим отверстием 12, подшипник - радиальная опора 8. Собранные акустические резонаторы в корпусе датчика стягивают верхним переводником 9 и наворачивают на нижний переводник 1 турбобура.

00

8

g

Действие акустического резонатора с надлежащим затуханием, будучи возбужденной падающей на нее волной отбирает от звукового поля достаточно большую энергию, в области частот, примыкающих к собственной частоте резонатора.

Максимальное рассеяние звуковой энергии наблюдается на резонансной частоте, которая определяется по формуле

где с - скорость звука в трубопроводе;

V - объем резонансной камеры;

F - площадь звукопоглощающего отверстия;

h- длина горла.

Пример расчета: внутренний диаметр переводника, 165 мм; длина резонансной камеры, 295 мм; внутренний диаметр камеры, 105 мм; внутренний объем камеры, см3; длина горла, ,5 см; площадь отверстия, ,5 см ; резонансная частота поглощения, Гц.

Уровень поглощения .частоты Гц одной резонансной камеры согласно расчетной формуле

( CbV/2STp. f/fo-fo/f

)2L (2)

равен A дБ.

Расположение двух акустических резонаторов на расстоянии Я /4, т.е. одной .четверти длины волны поглощенной .частоты определяется по формуле.

Д1 8,69 М arch cos (k |,-L) +

г----Tp .

, Со V /2 Sip. . f. , f N -1

+ f/fp-fp/f 8ln I -Ј).

Исходные данные: частота поглощения Гц; объем резонатора ,75 x х м3; проводимость горла, ,066 м; площадь сечения трубопровода 5тр.7,85 х х 10 м ; волновое число ,2; расстояние между горлами резонаторов ,38 м; текущая координата Гц; число резонаторов М 2.

Уровень поглощения частоты Гц двумя резонаторами, расположенными на расстоянии А/4 м, равен .

Динамический режим. При включении буровых насосов промывочная жидкость по бурильной колонне поступает во внутреннюю полость вала-модулятора 10 и через коническую втулку 3. роторную турбинку 2 в

турбобур. Вращение вала турбины приводит во вращение вал-модулятор 10. На каждый оборот вала трубобура продольное сквозное отверстие 13 вала-модулятора 10

5 совмещается со звукопоглощающим отверстием 12 и 14 акустических резонаторов 7 и 5 и происходит поглощение энергии частоты Гц до 65 дБ, выполняя тем самым операцию амплитудно-импульсной модуляЮ ции.

На фиг.2,а приведена осциллограмма звуковой вибрации, а на фиг.2,6 - та же осциллограмма, но уже промодулирован- ная.

15 Периодическое перекрывание звукопоглощающих отверстий 12 и 14 вала-моду- лятором 10, который вращается на валу турбины, приводит к формированию волновых пауз со скважностью два (время откры20 тых и закрытых звукопоглощающих отверстий 12 и 14 - одинаковое, причем это выполняется при условии: ширина продольного паза вала-модулятора по окружности составляет 160°, а ширина звукопоглощаю25 щего горла резонансной камеры составляет 10°. Это связано с тем, чтобы звукопоглощающие горла 12 и 14 были полностью открыты в момент совмещения с продольным сквозным отверстием 13 вала-модулятора),

30 (см,фиг.2,6), пропорционально числу оборотов вала турбобура.

На поверхности акустическим приемником (не показано) воспринимается спектр звуковой вибрации и через соответ35 ствующие электронные преобразователи несущая частота, с последующим формированием прямоугольных импульсов (фиг.2,в) на вход аналогового прибора, шкала которого проградуирована в об/мин (не показа40 но),

Предлагаемая конструкция акустического датчика частоты вращения вала турбобура при его осуществлении позволяет увеличить механическую скорость и проход45 ку на долото за счет поддержания заданного значения осевой нагрузки по геолого-технологическому наряду.

Формула изобретения Акустический датчик частоты вращения

50 вала турбобура, содержащий корпус, в котором размещены жестко связанная с валом турбобура роторная турбинка, верхний и нижний переводники, резонансные камеры с звукопоглощающими отверстиями и вал55 модулятор с продольным сквозным пазом, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения за счет из- менения отношения сигнал/помеха путем увеличения поглощения уровня помехи, он снабжен конической втулкой и насаженным

на верхний конец вала-модулятора подшипником, выполненным в виде радиальной опоры, нижний конец вала-модулятора соединен через коническую втулку с наружным ободом роторной турбины при этом расстояние между звукопоглощающими отверстиями резонансных камер равно одной четверти длины волны частоты поглощения, ширина продольного паза вала-модулятора по окружности составляет ibU. а ширина звукопоглощающего отверстия резонансной камеры составляет 10°.

Фиг.1