Лекция 5. БУРОВЫЕ МАНОМЕТРЫ

Контроль давления промывочной жидкости играет существенную роль в управлении процессом бурения. По давлению на установленном в нагнетательной линии бурового насоса манометре можно сделать важные выводы как относительно состояния скважины, так и относительно работы самого насоса.

Манометр в нагнетательной линии насоса показывает суммарные потери давления в циркуляционной системе. Потери давления (в направлении движения жидкости) состоят из следующих составляющих: 1 – перепадов давления на стояке и в нагнетательном шланге; 2 и 3 – внутри бурильных труб и их соединений; 4 – внутри УБТ (или колонковой трубы); 5 – на насадках долота; 6 и 7 – между УБТ (или колонковой трубой) и стенками скважины или обсадными трубами; 8 и 9 между бурильными трубами и их соединениями и стенками скважины; 10 и 11 между бурильными трубами и их соединениями и обсадными трубами. Большинство этих потерь (кроме потерь в соединениях бурильных труб и насадках долота) можно теоретически определить по формуле Дарси-Вейсбаха

, (5.1)

где – потери давления в канале номер (номер канала указан в приведенном перечне), – коэффициент гидравлических сопротивлений, который зависит от режима движения жидкости – ламинарный, турбулентный, переходный (оценивается по критерию Рейнольдса), – плотность жидкости, – длина канала, – скорость жидкости в канале, – наружный и внутренний диаметры кольцевого канала. Если канал круглый, то . Как известно , (5.2)

где – расход промывочной жидкости (подача насоса), а – площадь поперечного сечения канала. Из формулы (5.1) следует, что потери давления пропорциональны длине канала (глубине скважины) и плотности жидкости.

Рассмотрим формулу (5.1) для канала круглого сечения (например, внутри бурильных труб). В этом случае площадь канала (номер 2 согласно приведенному перечню) равна

, (5.3)

Подставив (5.2) и (5.3) в (5.1), получим (5.4)

Из этой формулы видно, что потери давления пропорциональны квадрату расхода жидкости и обратно пропорциональны пятой степени диаметра канала. Так, если диаметр канала бурильных труб уменьшить вдвое, то потери давления возрастут в 32 раза. Формула свидетельствует о высокой чувствительности показаний манометра к размеру канала, по которому протекает жидкость. Вследствие этого по давлению можно обнаружить появление сужений стенок скважины в результате их выпучивания или образования шламовых пробок и своевременно принять меры против прихвата.

По давлению можно оценить правильность подбора бурильных труб, их соединений и УБТ. Если выбор будет неверным, то давление окажется чрезмерно высоким

При герметизации устья скважины, вызванной наличием угрозы выброса, установленный здесь манометр позволяет правильно оценить пластовое давление и принять соответствующие меры. , (5.5)

где – показания манометра, а – глубина скважины.

Существует много разновидностей конструкций манометров. Простейшим по конструкции является жидкостный манометр

Рис. 5.1. Жидкостный манометр

Из рисунка видно, что этот манометр состоит из стеклянной U – образной трубки и шкалы. Трубка заполнена жидкостью, например, ртутью. Если оба колена открыты, то на жидкость с обеих сторон действует давление атмосферы, и мениск располагается у нулевой отметки шкалы. Если же, как показано на рисунке, левое колено соединить с источником давления , а правое оставить открытым, то жидкость, опустившись в левом колене и поднявшись в правом, покажет на шкале значение действующего давления.

Подобный манометр имеет очень малый диапазон измерения – порядка нескольких сотых МПа. В связи с этим он не применяется на буровых работах непосредственно, хотя и может применяться в комплекте с другими приборами (см., например, рис. 8.1)

Показания прибора на рисунке фактически дают значение не самого давления , а разность давления и атмосферного давления , называемую избыточным (сверх атмосферного) давлением . (5.6)

Все манометры независимо от конструкции измеряют избыточное давление.

Если левое колено связать с источником большего давления , а правое – с источником меньшего давления то жидкостный манометр будет измерять их разность

. (5.7)

Такой манометр называется дифференциальным манометром. Наконец, если левое колено оставить открытым (под действием ), а правое связать с вакуумом, где имеется некоторое давление ниже атмосферного, то тогда манометр покажет величину этого вакуума, а именно , (5.8)

Такой манометр называется вакуометром. Таким образом жидкостный манометр способен выполнять роль собственно манометра (измерителя избыточного давления), дифференциального манометра (сокращенно дифманометра), и вакуометра..

На рис. 2.7 изображен манометр с серповидной трубчатой манометрической пружиной (трубкой Бурдона), являющийся одной из разновидностей более широкой группы пружинных манометров. Манометры с трубкой Бурдона – это наиболее широко распространенные манометры. Они могут быть изготовлены практически на любые диапазоны давлений от нескольких сотых МПа до десятков МПа. Диапазон измерения зависит от материала трубки (латунь – для низких давлений, сталь – для высоких) и толщины ее стенки. Классы точности рабочих манометров могут равняться 1.5 и 2.5 %, классы точности образцовых манометров – 0.25 и 0.4 %. Класс точности манометра в основном зависит от тщательности изготовления его деталей. Ввиду массового изготовления эти манометры имеют весьма невысокую стоимость.

Рис. 5.2. Устройства для защиты манометра

1 – манометр; 2 – демпфер; 3 – мембрана; 4 – буровой раствор; 5 –масло; 6 – вентиль; -давление

Манометры с трубкой Бурдона широко применяются на буровых работах. Однако без дополнительных приспособлений срок их службы здесь очень низок – несколько недель. Причина – влияние факторов внешней среды и качества жидкости. В частности, подача жидкости буровыми насосами (поршневого и плунжерного типа) отличается неравномерностью, вызывающей резкие колебания стрелки, с последующим выходом из строя механических передающих элементов. Сама промывочная жидкость представляет собой коллоидный раствор, который схватывается внутри измерительной трубки. Положение усугубляет наличие в этом растворе абразивных частиц шлама.

В связи с вышеуказанным давление на манометр подается через разделитель и демпфер (рис 5.2). Разделительсостоит из корпуса с двумя штуцерами. Корпус разделяется на два отсека установленной в нем мембраной. Отсек, расположенный с одной стороны мембраны через соответствующий штуцер связан с буровым раствором; отсек с другой стороны заполнен чистым маслом (или другой однородной жидкостью) и связан с манометром. Таким образом давление бурового раствора передается на манометр через прогибающуюся мембрану и однородную чистую жидкость, что устраняет возможность зашламования внутренней полости трубки Бурдона.

Демпфер (гаситель пульсаций) представляет собой ниппель с очень малым внутренним диаметром (порядка 1 мм или меньше). Ниппель устанавливают между разделителем и манометром. При пульсациях промывочной жидкости из-за высокого сопротивления канала демпфера волне пика давления требуется время для дохождения до манометра. За это время при высокой частоте пульсаций пик давления успевает смениться спадом, и в итоге пульсации не действуют на манометр, и он измеряет среднее (между пиками и спадами) давление.

Сочетание разделителя и демпфера многократно продлевает срок службы манометра. Этот срок продлевается еще больше за счет вентиля, установленного между нагнетательной линией и разделителем. Обычно вентиль закрыт и открывается только при необходимости измерить давление.

Отрицательная сторона указанных дополнительных устройств заключается в том, что они осложняют работу с прибором и увеличивают его погрешность ( из-за механического сопротивления мембраны или плунжера, и гидравлического сопротивления демпфера). Суммарная стоимость разделителя, демпфера и вентиля многократно превышает стоимость самого манометра.

Рис. 5.3. Электроконтактный манометр

1 – корпус; 2 – штуцер; 3 – шкала; 4 – стрелка; 5 – уставка; 6 – контакты; 7 – звонок; 8 – источник электрического напряжения.

При контроле технологических процессов, нередки ситуации, когда давление должно ограничиваться некоторым пределом (например, по условиям прочности емкости). Задача оператора – принять своевременные меры для недопущения превышения предельных давлений. Для извещения об опасной ситуации звуковым сигналом служит электроконтактный манометр. Уставка 5 вручную устанавливается на “опасное” деление шкалы. Как стрелка, так и уставка снабжены контактами 6, соединенными с клеммами источника напряжения 8. Когда давление доходит до предельного значения, положения стрелки и уставки совпадают, и их контакты соприкасаются. Это вызывает замыкание цепи звонка 7, который дает сигнал об опасности.

Положение уставки рассчитывается следующим образом. Допустим, наблюдалось (или проводилось специально) некоторое число опытов, при которых вследствие высоких давлений нарушалась герметичность превентора. Обозначим эти аварийные давления

. Определяются среднее давление и среднее квадратическое отклонение от него (показатель “кучности” распределения частных значений относительно среднего ) , (5.9)

где – аварийное значение давления при случае номер ( ).

(5.10)

При выборе значения уставки необходимо гарантировать, чтобы оно не оказалось слишком высоким, т. е. чтобы прорыв превентора не произошел раньше, чем стрелка достигнет уставки и раздастся звонок. Если, например, уставка будет установлена на , то это значит, что одна половина фактических аварийных значений , больше, чем , а вторая меньше. Говоря языком теории вероятности, имеется 50 % вероятности, что авария с превентором произойдет до того, как стрелка достигла уставки. Теоретически невозможно добиться чтобы такая вероятность равнялась нулю, но зато можно снизить ее до любого желаемого допустимого значения (10%, 5%, 1% или еще меньше). Значение допустимой вероятности появления какого-либо события – в нашем случае прорыва превентора раньше звонка – называется уровнем значимости . Уровню значимости соответствует некоторое минимальное значение аварийного давления

, (5.11)

где – отклонение от среднего значения в меньшую сторону, соответствующее выбранному уровню значимости , (5.12)

где – так называемый критерий Стьюдента, определяемый по таблицам в справочниках по математической статистике. Для его нахождения необходимо знать число опытов , по которым определялись и , а также принятый уровень значимости.

Найденное по формуле (5.11) значение минимально-допустимого давления не учитывает факта наличия у манометра, измеряющего это давление погрешности , определяемой по формуле (3.20), с учетом формул (3.21) и (3.22). И хотя эта погрешность имеет знак , для гарантирования безаварийности следует рассматривать только случай, когда она направлена в сторону занижения фактического давления. Окончательно значение уставки должно быть равно . (5.13)

Манометры с серповидной трубчатой манометрической пружиной (трубкой Бурдона) входят в конструктивную разновидность пружинных манометров, к которой принадлежат также манометры с многовитковой трубчатой манометрической пружиной или геликсом(рис. 5.4). При подаче через штуцер 7 в геликс 1 (спиральная трубка с запаянным концом) давления , спираль геликса разворачивается и ее конец за рычаг 5 вращает ось по ходу часов (если смотреть со стороны подшипника 6). Стрелка 3 прибора дает отсчет давления. При уменьшении давления пружинные свойства трубки возвращают стрелку назад, пока равновесие давления и упругих сил не будет восстановлено вновь.

Рис. 5.4. Геликсный манометр

1 – геликс; 2 – ось; 3 – стрелка; 4 – циферблат ; 5 – рычаг; 6 – подшипник; 7 – штуцер

По сравнению с манометрами с трубкой Бурдона геликсные манометры сложнее по конструкции, имеют большие габариты и более высокую стоимость. Их преимущество в том, что в сравнимых условиях и при том же давлении конец геликса описывает значительно больший угол поворота. Так, угол поворота геликса, состоящего из 2.5 витков, в 5 раз больше угла поворота трубки Бурдона, имеющей всего 0.5 витка. Следовательно, отсутствует надобность в повышающем редукторе в виде зубчатого сектора и стрелки. Это позволяет создать на конце стрелки значительный крутящий момент. Последнее является причиной, того, что геликсные манометры часто используются в самописцах, т. к. хорошо преодолевают силу трения пера прижатого к бумаге.

Особый и относительно редко встречающийся тип манометра – это пружинно-поршневой манометр(рис 5.5).При подаче жидкости под давлением в неподвижный плунжер 1 цилиндр 2 движется влево, преодолевая возрастающее сопротивление пружины 4. Наступает момент, когда сопротивление пружины станет равным силе давления , т. е.

Рис. 5.5. Пружинно-поршневой манометр.

1 – поршень (плунжер); 2 – цилиндр; 3 – зубчатая рейка; 4 – пружина; 5 – шестерня

, (5.14)

где – жесткость пружины, – укорочение (деформация) ее длины при сжатии, – площадь поперечного сечения по внутреннему диаметру цилиндра. В этот момент цилиндр остановится и движимая рейкой 3 и шестерней 5 стрелка покажет значение давления . Если это давление уменьшится и станет равным , то правая часть равенства (5.14) станет меньше левой и пружина начнет толкать цилиндр вправо. При этом пружина начнет удлиняться и ее деформация сокращаться. Наступит новое равновесие, соответствующее меньшей деформации и меньшему давлению. Стрелка покажет на шкале давление < .

Описанное представляет собой идеальный случай, когда сила трения между плунжером и цилиндром отсутствует. Как известно, сила трения всегда направлена в сторону, противоположную движению и движущей силе. Рассмотрим, каковы будут показания пружинно-поршневого манометра, когда одно и то же давление , фиксируемое по точному образцовому манометру устанавливается двумя способами: а) Путем повышения давления (например, от нуля до значения ,); б) Путем снижения давления (от верхнего предела измерения до этого же значения ). Отметим, что положение стрелки пружинно-поршневого манометра на шкале, зависит, по сути дела, не от давления, а от деформации пружины , на величину которой перемещается рейка .

Если сила трения равна , то в случае “а” уравнение (5.14) имеет вид

, откуда , (5.15)

где деформация, когда значение получено путем повышения давления.

В случае “б” , и , (5.16)

где деформация, когда значение получено путем снижения давления. Очевидно, что > , и соответствующие показания пружинно-поршневого манометра > , причем > p и < p. Разность (5.17)

называется гистерезисом. Инструментальная погрешность, вызванная силами трения, равна половине гистерезиса. Гистерезис свойственен большинству измерительных приборов.

Главное значение пружинно-поршневого манометра состоит в том , что этот манометр используется в качестве датчика к измерителям веса и осевой нагрузки для геологоразведочных буровых станков (типа ЗИФ и других). В условиях работы на буровой этот манометр оказался более надежным, чем общетехнический манометр с трубкой Бурдона вследствие большей прочности деталей. Он имеет класс точности порядка 2.5.

Недостаток такого прибора – существенно (примерно в 10 раз) более высокая стоимость. Кроме того, при его использовании предъявляются повышенные требования к чистоте рабочей жидкости (обычно веретенного масла). Как правило, ради экономии в станки заливают “отработку”– масло, уже использованное при работе дизеля. Это недопустимо, т.к. имеющиеся в отработанном масле частицы металла повышают силы трения в плунжерной паре и соответствующую ошибку многократно.

Рис. 5.6. Магнитоупругий манометр.

1 – корпус; 2 – рабочий магнитоупругий чувствительный элемент; 3 – тонкостенный металлический стакан; 4 – обмотки; 5 – жидкость; 6 – выпрямитель; 7 – компенсационный магнитоупругий чувствительный элемент; – измеряемое давление; – обмотка возбуждения, – измерительная обмотка; – напряжение питания; – напряжение на обмотке возбуждения рабочего элемента; – напряжение на обмотке возбуждения компенсационного элемента; – измеряемое напряжение переменного тока; – измеряемое напряжение постоянного тока; – напряжение на измерительной обмотке рабочего элемента; – напряжение на измерительной обмотке компенсационного элемента; – направление тока на обмотках возбуждения; – то же на измерительных обмотках;

Магнитоупругий манометр(рис 5.6) основан на магнитоупругом чувствительном элементе 2. Этот элемент представляет собой цилиндр, изготовленный из железоалюминиевого сплава Ю-12. Элемент служит магнитным сердечником для обмоток. Намотанные на данный цилиндр обмотка возбуждения и измерительная обмотка представляют собой первичную и вторичную обмотки трансформатора Напряжение на измерительной обмотке зависит от воспринимаемого ею магнитного потока, создаваемого обмоткой возбуждения и сконцентрированного в сердечнике. Магнитный поток тем выше, чем меньше магнитное сопротивление сердечника-чувствительного элемента.

Верхний штуцер корпуса соединен с источником давления (нагнетательной линией); нижний – не соединен ни с чем. При отсутствии в нагнетательной линии давления верхний и нижний чувствительные элементы находятся в одинаковом положении. Источник питания подает на обмотку возбуждения напряжение . Ввиду одинакового числа витков на обмотках возбуждения рабочего и компенсационного элементов и последовательного их подключения, напряжение делится на этих обмотках на две равные части: и . На вторичных измерительных обмотках, где число витков также одинаково, индуцируются напряжения и , тоже равные друг другу. Однако измерительные обмотки – в отличие от обмоток возбуждения– подключены не последовательно, а встречно (в противофазе), в результате чего результирующее напряжение измерительной обмотки

= – , (5.18)

и т. к. = , то = 0. Ситуация меняется при подаче давления .

Магнитоупругие свойства чувствительного элемента состоят в том, что сопротивление прохождению через него магнитного потока изменяется в зависимости от деформации, которой этот элемент подвергается. В результате давления дно тонкостенного стакана 3 прогибается и воздействует на рабочий чувствительный элемент 2. Последний оказывается зажат между упругим стаканом и перегородкой корпуса. Чем больше давление, тем с большей силой сжимается элемент 2 , тем выше его деформация сжатия и тем больше изменяется (например, увеличивается) его сопротивление магнитному потоку. В результате значение с ростом давления все более отличается от , а результирующее напряжение все более отклоняется от нуля (растет) и это демонстрирует отклонение стрелки . Таков принцип действия магнитоупругого манометра.

Магнитоупругий манометр создан специально для буровых работ и, в частности, для контроля давления промывочной жидкости. Его главное преимущество – высокая надежность. Она обусловлена тем, что чувствительный элемент неподвижен и его долговечность не обусловлена усталостными напряжениями и циклопрочностью, как это имеет место у пружинных и пружинно-поршневых манометров (любая пружина может выполнить только определенное число циклов растяжения-сжатия, после чего разрушается от усталостных напряжений). На магнитоупругий чувствительный элемент не оказывают воздействия вибрации насоса и пульсации жидкости.

Главный недостаток – сложность конструкции и вытекающая из этого высокая стоимость. Последняя связана еще и с малым объемом выпуска (только для буровых работ)

Ниже будут рассмотрены измерители веса бурового инструмента и осевой нагрузки, сконструированные на основе магнитоупругого чувствительного элемента.

Рекомендуемая литература: 4. с. 51-59.

Контрольные вопросы

1. Что показывают манометры, установленные на буровом насосе и на превенторе?

2. Как устроен жидкостный манометр и что он может измерять?

3. Как устроена система защиты буровых манометров от внешней среды?

4. Для чего служат уставки, и как они работают на электроконтактном манометре?

5. Как устроен геликсный манометр и в чем его преимущества ?

6. Как устроен и где применяется пружинно-поршневой манометр?

7. Как устроен и где применяется магнитоупругий манометр?