Лекция 7. ИЗМЕРИТЕЛИ ОСЕВОЙ НАГРУЗКИ И ВЕСА БУРОВОГО ИНСТРУМЕНТА

Для контроля веса бурового инструмента и осевой нагрузки при роторном бурении до

настоящего времени широко применяется прибор типа ГИВ. Этот разработанный еще в довоенное время прибор представлен на рис. 7.1. Датчик 2 прибора (“трансформатор давления”) включен в мертвый конец 1 талевой оснастки, таким образом, что канат проходит через ролики 3. Верхний и нижний ролики жестко соединены с корпусом датчика, в то время, как средний укреплен на конце штока 4. Противоположный конец штока через регулировочную шайбу упирается в мембрану 5.

Пространство датчика, расположенное справа от мембраны, а также трубопровод 6 заполнены рабочей жидкостью. Из рисунков 7.1 и 6.1 видно, что чем больше натяжение каната талевой оснастки ( и, в частности, его мертвого конца), тем больше сила , образующаяся вследствие отклонения среднего ролика от общего направления каната. Это отклонение вызвано выбором длины штока 4 и толщины регулировочной шайбы. Через шток сила действует на мембрану и создает в жидкости давление , пропорциональное натяжению каната и, в конечном итоге, весу на крюке (или усилию разгрузки (формула (6.1). Давление по трубкам 6 передается на показывающий прибор 7 и самописец 8

Рис. 7.1. Измеритель осевой нагрузки и веса бурового инструмента типа ГИВ

1 – мертвый конец талевой оснастки; 2 – трансформатор давления; 3 – ролик; 4 – шток; 5 – мембрана; 6 – трубопровод; 7 – показывающий прибор; 8 – самописец; 9 – перо; 10 – диаграмма; 11 – кран; 12 – насос; 13 – бачок для рабочей жидкости; – давление жидкости

которые по существу являются манометрами. В качестве рабочей жидкости летом применяют глицерин, зимой – спирт. Заполнение системы жидкостью производится с помощью ручного насоса 12, которым при закрытом кране 11 слева, и открытом – справа засасывают жидкость из бачка 13 и затем, изменив положение кранов на противоположное, нагнетают ее в систему. Работа датчика характеризуется уравнением

, (7.1)

откуда . (7.2)

В этих выражениях, кроме величин, упомянутых ранее, – угол отклонения каната от его первоначального направления при переходе с верхнего на средний ролик (рис 6.1); – число подвижных струн талевой оснастки, – площадь мембраны, – КПД талевой оснастки (формула(6.8). В равенстве (7.1) левая часть представляет собой силу , определяемую, через натяжение каната и угол , а в правой – сила противодействия, создаваемая давлением жидкости. Т. к из всех величин, участвующих в формуле (7.2) переменными являются только и , то эту формулу можно написать как

, (7.3)

Постоянный коэффициент (7.4)

Формула показывает, что при том же весе на крюке давление за мембраной растет, если увеличить угол , что делается подбором толщины шайбы, в которую упирается шток 4.

Выше упоминалось, что шкала показывающего прибора разбита на 100 “процентных” делений. Верхний предел давления в системе равен 1 МПа и, следовательно, цена одного деления равна 10 Па. В переводе в единицы силы, цена деления равна

, (7.5).

где – наибольшее усилие на крюке, за которое принимают грузоподъемность буровых установок данного класса (согласно нормали). Процентная шкала позволяет, изменяя регулировочными шайбами угол , использовать прибор ГИВ на буровых установках разного класса с разными

Определим необходимый угол , требуемый для буровой установки данного класса. Если в формулу (7.3) вместо подставить , а вместо – максимальное давление 10 Па, то можно найти соответствующее значение коэффициента

. (7.6)

Далее, приравняв формулы (7.4) и (7.6), определяем

. (7.7)

Прибор ГИВ относительно прост по устройству, надежен в работе и недорог. При соблюдении определенных условий он имеет приемлемую (хотя и невысокую) точностъ.

Недостатки прибора ГИВ вытекают из того факта, что рабочая жидкость находится в нем в замкнутом пространстве. Чтобы передавать давление, эта жидкость должна сама находиться под некоторым начальным давлением. В противном случае в рабочей жидкости возникнут пузыри воздуха, и связанные с этим очень большие ошибки. Для исключения этого явления система тщательно прокачивается насосом 12 для удаления воздуха, после чего в ней создается начальное давление в 0.1 МПа (причем стрелка сдвигается с нуля на десятое деление). Считается, что это давление соответствует весу талевого блока и крюка, что является приблизительной оценкой и одной из составляющих погрешности прибора.

Во вторых, находящаяся под давлением жидкость подвержена температурным воздействиям. Она расширяется при росте температуры и сжимается при ее уменьшении, что сопровождается соответствующими увеличениями и снижениями давления при неизменной нагрузке на крюке. Так возникает большая температурная погрешность. Для ее снижения приходится несколько раз в сутки корректировать начальное давление в системе. Так, если утром начальное давление было ровно 0.1 МПа (стрелка стояла, как это и положено, на 10-м делении процентной шкалы), то днем при возросшей температуре, она может оказаться на 13-м делении. Стрелку следует вернуть на место, перепуская часть жидкости в бачок, с

Рис. 7.2 Магнитоупругий датчик прибора МКН для бурения с подачей с лебедки

1 – мертвый конец талевой оснастки; 2 – серьга; 3 – ось; 4 – корпус; 5 – рабочий чувствительный элемент; 6 – обмотки; 7 – подпятник; 8 – втулка; 9 – компенсационный чувствительный элемент.

помощью кранов 11. Но ночью из-за похолодания стрелка может опуститься ниже заданного уровня, и тогда ее следует вернуть на этот уровень с помощью насоса.

Для бурения с гидравлической подачей, кроме уже упоминавшегося пружинно-поршневого манометра, используется также и магнитоупругий манометр (рис. 5.6). Оба его чувствительных элемента связаны при этом с гидроцилиндрами подачи. Например верхний чувствительный элемент (позиция 2 на рис. 5.6) может быть связан с верхней полостью гидроцилиндра, а нижний (позиция 7) – с нижней. Тогда при бурении с догрузкой верхний чувствительный элемент является рабочим (в него подается масло под давлением), а нижний – компенсационным (в нем давление масла отсутствует). При бурении с разгрузкой функции чувствительных элементов обратные.

В таком приборе коэффициент шкал может учитываться электрически. При повороте рукоятки переключателя (рис 6.2) в положение “догрузка”, из цепи измерительного напряжения автоматически (с помощью блокировки) выводится резистор, что увеличивает это напряжение в раз. Таким образом достигается равенство угловых длин делений, что, позволяет обходиться одной и той же шкалой, как при разгрузке, так и при догрузке.

Название измерителя осевой нагрузки, использующего магнитоупругий датчик – магнитоупругий компенсационный измеритель нагрузки – сокращенно – МКН

Прибор МКН может использоваться также и для бурения с подачей с лебедки. Для этого он оснащается специальным датчиком (рис. 7.2). Отличие этого магнитоупругого датчика от изображенного на рис. 5.6 только в способе подачи усилия на рабочий элемент. Здесь при натяжении мертвого конца 1 рабочий элемент 5 сжимается между подпятником

Рис. 7.3. Схема работы пульта прибора МКН

– датчик; – элемент сравнения; – усилитель; – переключатель; – компенсаторы осевой нагрузки и веса ; – реверсивные электродвигатели в системах измерения осевой нагрузки и веса; – указатели осевой нагрузки и веса; – контакты; – регистратор; – напряжения противоположного знака, вырабатываемые датчиком и компенсатором веса; – разность напряжений

Рис 7.4. Индукционный потенциометр

1 – статор; 2 – ротор; 3 – полюса обмотки статора; 4 – вал ротора; 5 – обмотка ротора; 6 – силовые магнитные линии, создаваемые полюсами 3; 7 – источник переменного напряжения (входное напряжение); 8 – выходное напряжение.

7 (который вместе с верхней серьгой и корпусом 4 стремится из-за натяжения каната двигаться вверх) и втулкой 8, которая вместе с нижней серьгой и большой осью 3 оттягиваются вниз силой реакции. Чем больше усилие на крюке, тем сильнее натянут канат 1, и больше деформация чувствительного элемента 5. Как и у магнитоупругого манометра, на чувствительном и компенсационном элементах на рис 7.2 намотаны обмотки (возбуждения и измерительные), которые реагируют на деформацию так же, как на рис 5.6.

Пульт прибора МКН (рис. 7.3) включает компенсаторы веса и нагрузки, представляющие собой индукционные потенциометры(рис. 7.4). При постоянном напряжении на входе 7 статора, напряжение на выходе 8 ротора зависит от его положения.

Если ротор поставлен в вертикальное положение, то магнитные силовые линии 6, полюсов 3 пересекают обмотки ротора под прямым углом. В этом случае обмотки статора и ротора образуют обычный трансформатор и напряжение на выходе 8 максимально.

Если ротор стоит горизонтально, то силовые линии 6 скользят вдоль витков не пересекая их. ЭДС в обмотках ротора не возбуждается и напряжение на выходе равно нулю.

Если же с помощью вала 4 поворачивать ротор из горизонтального положения в вертикальное, напряжение на выходе будет расти от нуля до максимума.

Вернемся теперь к работе пульта прибора МКН (рис. 7.3). Когда, бурильщик производит взвешивание, он ставит переключатель в соответствующее положение. При этом контакты оказываются разомкнутыми, а – замкнутыми. После того, как взвешивание выполнено, измерительные обмотки датчика начинают вырабатывать соответствующее напряжение , которое через элемент сравнения и усилитель попадает на обмотки реверсивного (вращающегося как “вправо” так и “влево”) двигателя . Двигатель начинает медленно поворачивать свой вал.

На левом конце вала расположен индукционный потенциометр , ротор которого от нулевого положения, в котором он был вначале, начинает отклоняться на все больший угол и вырабатывать все большее напряжение , знак которого противоположен знаку напряжения датчика . По схеме видно, что как напряжение датчика, так и напряжение потенциометра попадают на элемент сравнения и там складываются с учетом различия знаков. Поэтому с элемента сравнения выходит теперь уже не напряжение датчика (как в первый момент) а разность

. (7.8)

Разность усиливается и подается на , продолжающий вращать вал и ротор потенциометра. При этом продолжает расти по абсолютной величине, а напряжение разности (при постоянном ) – падать. Наступает момент, когда два противоположные по знаку напряжения сравниваются по абсолютной величине. Тогда их разность становится равной нулю, напряжение на реверсивном двигателе пропадает и он останавливается. В этот момент находящаяся на левом конце вала реверсивного двигателя стрелка указателя веса дает на своей шкале отсчет веса бурового инструмента.

После того, как взвешивание завершено, бурильщик ставит породоразрушающий инструмент на забой и создает необходимую осевую нагрузку. Натяжение каната (формула (6.1) со знаком минус) уменьшается на величину осевой нагрузки и соответственно уменьшается напряжение датчика. Перед установкой бурового инструмента на забой бурильщик ставит переключатель в положение “нагрузка”. При этом размыкается контакт (подающий напряжение на ), а три остальные контакта оказываются замкнутыми. Реверсивный двигатель веса остается зафиксированном в его последнем положении. Компенсатор веса , (закрепленный на валу двигателя) также фиксируется и продолжает вырабатывать напряжение соответствующее весу. Напряжение датчика и напряжение компенсатора веса встречаются на элементе сравнения, который вырабатывает напряжение соответствующее осевой нагрузке

, (7.9)

где – напряжение компенсатора веса. Напряжение усиливается и через замкнутый контакт приходит на реверсивный двигатель нагрузки , который начинает вращаться и заставляет компенсатор нагрузки вырабатывать напряжение, знак которого противоположен знаку . Появляется напряжение разности

(7.10),

которое, как и в случае измерения веса, уменьшается. Когда напряжение компенсатора нагрузки станет равным по абсолютной величине , напряжение на реверсивном двигателе нагрузки исчезнет, двигатель остановится, а стрелка указателя нагрузки даст на шкале отсчет нагрузки. То же покажет на бумажном диске и перо самописца . Если осевая нагрузка будет изменена бурильщиком, то равновесие снова нарушится, реверсивный двигатель нагрузки придет во вращение (вправо или влево, смотря по отклонению новой нагрузки от прежнего положения) и будет вращаться до нового равновесия. Стрелка покажет новую нагрузку, а перо прочертит диаграмму в новое положение.

Компенсационный принцип измерения делает конструкцию прибора существенно сложнее и дороже (два чувствительных элемента в датчике: рабочий и компенсационный, гашение сигнала датчика сигналом компенсатора). Преимущество компенсационного принципа измерения – в сведении к минимуму погрешностей, вызванных факторами внешней среды. Дело в том, что эти факторы, (как например снижение, либо повышение напряжения питания, либо его частоты) в примерно равной мере влияют как на показания рабочего элемента, так и компенсационного. Так, формулу (5.18) работы магнитоупругого манометра (могущего также являться и датчиком осевой нагрузки прибора МКН) введем значение погрешности , связанной с отклонениями внешних условий от их нормальных значений (7.11)

но поскольку рабочий и компенсационный элементы выполнены совершенно одинаково, погрешности в обоих скобках будут также одинаковыми по знаку и значению. Поэтому при раскрытии скобок эти погрешности взаимно уничтожатся.

На пульте прибора (рис. 7.5 – “внешний вид”) видны две шкалы: шкала веса 4 и шкала осевой нагрузки 3 – каждая со своей стрелкой. Диапазон измерения шкалы веса в несколько (3 – 5 и более) раз шире диапазона измерения нагрузки. Шкала нагрузки имеет гораздо большую чувствительность (формула (2.2), т. к. полный угол отклонения стрелки по этой шкале примерно в три раза больше (270 против 90 по шкале веса), а диапазон измерения – уже. (Так, если, например, диапазон измерения нагрузок в 4 раза уже, то с учетом сказанного, чувствительность шкалы нагрузок в 12 раз выше). Стрелка осевой нагрузки может быть снята с целью замены устанавливаемого под стрелкой бумажного диаграммного круга, на котором перо 6 вычерчивает диаграмму 7. На пульте 1 имеется тумблер включения электропитания 5, переключатель 2 “нагрузка-вес” (обозначенный буквой на рис 7.3) и переключатель 8 “на крюке-на забое” .

О работе переключателя нагрузка-вес 2 выше уже говорилось. Принцип действия переключателя 8 заключается в том, что кроме режима “на забое”, т.е при бурении, когда измеряются вес или осевая нагрузка, предусмотрен еще режим “на крюке ”, т. е. при спуско-подъемных операциях. В этом режиме во время подъема регистрируются так называемые “затяжки”, когда из-за сужения ствола скважины в результате выпучивания пород (глины, соли), а также из-за образования желобов, либо из-за сальникообразования, на крюке возникают усилия, превышающие вес инструмента (при данном числе еще неподнятых свечей). Зафиксировав места сужений (в том числе и на диаграмме), прибор позволяет принять меры по предупреждению прихватов в местах затяжек. При спуске местам “затяжек ” отвечают места “посадок”, когда прибор регистрирует снижение веса против нормального значения.

При шпиндельной подаче на пульте еще имеется переключатель “шпиндель вверх–шпиндель вниз”, (соответственно при бурении с разгрузкой и догрузкой).

Рис. 7.5. Внешний вид пульта прибора МКН

1 – корпус; 2 – переключатель “осевая нагрузка-вес”; 3 – шкала нагрузки; 4 – шкала веса 5 – тумблер питания; 6 – перо; 7 – диаграмма; 8 – переключатель “на крюке-на забое”

Круговая диаграмма выполняется на бумажном круге с разметками времени и нагрузки (либо веса). Круг устанавливают на циферблат прибора МКН). По истечении суток диаграмму заменяют новой. При своем функционировании за сутки бумажный круг совершает один оборот по часовой стрелке. Заполненное специальными чернилами перо 6 (рис 7.5) оставляет на бумаге свой след, показывающий изменение нагрузки во времени.

На разметке круга (рис. 7.6) имеется 24 часовых сектора, каждый из которых аналогичными радиальными линиями разбит еще на 4 части – по 15 мин. (минутные секторы на рисунке не показаны). Разметка нагрузки либо веса представляет собой 100 концентрических “процентных”окружностей (на рисунке показана каждая десятая от 0 до 90). Значение нагрузки либо веса на крюке можно узнать в любой момент времени.

В ряде организаций круговые диаграммы прилагаются к суточному рапорту буровой бригады. По диаграмме можно распознать операции, входящие в рейс бурения и их длительность, а также оценить рейсовую углубку, глубину скважины, механическую и рейсовую скорости бурения и баланс рабочего времени.

Бурение выражается в виде неровной части дуги окружности, расположенной между нулевой окружностью, и окружностью максимальных нагрузок. Устанавливаются как продолжительность интервалов бурения, так и значения осевых нагрузок

Один из интервалов бурения на диаграмме продолжался с 12 ч 30 мин до 15 ч 00 мин. В 15-00 осевая нагрузка равнялась 70% от максимального значения. Если, например, верхний предел шкалы нагрузки равняется 60 КН, то в 15-00 она была 42 КН.

Спуск бурового инструмента выражается в виде ряда радиально направленных дуг с возрастающей по ходу времени длиной. Число дуг равно числу свечей. Каждая дуга характеризует нагрузку на крюке с момента снятия веса колонны с ротора в начале спуска очередной свечи до конца ее спуска и повторного подвешивания бурового инструмента к ротору. Интервал между дугами есть время “обработки свечи”. По длине дуги определяют вес колонны и глубину скважины.

Так, один из спусков на рис 7.6 начался примерно в 6-20 и завершился в 7-30. В этот момент вес бурового инструмента был наибольшим и составлял 78 % от верхнего предела шкалы веса. Если этот предел равнялся, например, 200 кН, то вес инструмента был 156 кН.

Далее, зная вес 1м бурильных труб, можно вычислить глубину скважины. Это значение можно проверить по числу свечей и их известной длине.

Подъем бурового инструмента выглядит аналогично спуску, но с убыванием длины радиальных дуг с течением времени.

Наращивание бурового инструмента выражается единственной радиальной дугой, секущей линию осевой нагрузки при бурении. На диаграмме это имеет место в 22-20. При роторном бурении наращивание проводят, когда вертлюг приблизится к ротору, т. е . после того, как интервал углубки составит длину ведущей бурильной трубы (6 –16.5 м).

При бурении с шпиндельной подачей можно видеть процессперехвата, который напоминает наращивание, но происходит чаще – через каждый ход шпинделя (0.4 – 0.6 м).

По известной длине ведущей трубы (или по ходу шпинделя) можно, подсчитав по диаграмме число наращиваний (или перехватов) оценить рейсовую углубку . Так-как при этом известно время чистого бурения за рейс , то легко рассчитывается механическая скорость бурения ,а с учетом времени СПО ( ) – и рейсовую скорость

Рис. 7.6 – круговая диаграмма записи прибора МКН

Так, в ходе рейса бурения, продолжавшегося с 19 ч до 3 ч утра ( = 8 ч) имело место одно наращивание– в 22-20. Следовательно, в ходе этого рейса углубка составила примерно двойную длину ведущей трубы. Если эта длина составляет 6 м, то = 12 м .

Механическая скорость равна = 1.5 м/ч. Спуск длился с 17-40 до 19 ч (1.33 ч), подъем – с 3 до 4-30 (1.5 ч). Отсюда = 2.83 ч, и, значит = 1.11 м/ч

При шпиндельном бурении оценка углубки по числу ходов шпинделя точнее, – ввиду большого числа перехватов

Смена бурового инструмента, ремонт оборудования, или простой представляют собой четкую дугу минимальной окружности. Пример от 4-25 до 6-20

Определив время всех операций и просуммировав однородные операции, такие как бурение, СПО, простои и ремонты, определяют баланс рабочего времени за смену в часах (в сумме составляющих 24 ч) или в процентах.

Рекомендуемая литература: 4. с. 73-86.

Контрольные вопросы

1. Как устроен и работает прибор ГИВ?

2. Как устроен и работает датчик прибора МКН для шпиндельной подачи?

3. Как устроен и работает датчик прибора МКН для подачи с лебедки?

4. Как устроен и работает пульт прибора МКН?

5. Что такое круговая диаграмма и как она расшифровывается?