Лекция 9. ИЗМЕРИТЕЛИ МОЩНОСТИ И КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА НА БУРОВОМ ВАЛУ

Интенсивность процесса бурения тем выше, чем больше мощность, подаваемая на породоразрушающий инструмент (ПРИ). Существуют различные методы расчета забойной мощности., но все они сводятся к тому, что она представляет собой функцию вида

, (9.1)

где С – осевая нагрузка, n – частота вращения, – коэффициент, зависящий от свойств разбуриваемой породы, а также от диаметра и конструктивных особенностей породоразрушающего инструмента. Однако при использовании поверхностных приборов (ваттметров) забойную мощность трудно рассматривать изолировано. Общая мощность, затрачиваемая на вращательное бурение и регистрируемая прибором равна

, (9.2)

где первое слагаемое после знака равенства – забойная мощность, второе – мощность, расходуемая на холостое вращение бурильной колонны, третье – так называемая “дополнительная ” мощность – на трение сжатой части бурильной колонны о стенку скважины. Для различных способов бурения составляющие этой формулы описываются различными выражениями. Так, для высокоскоростного бурения алмазными коронками имеем (значения всех величин приведены в системе СИ. Исключение составляет частота вращения, задаваемая в об/мин):

, (9.3)

, (9.4)

, (9.5)

где – коэффициент трения резцов о породу, – наружный диаметр ПРИ, – внутренний диаметр, – зазор между бурильной колонной и стенкой скважины, – наружный диаметр бурильной колонны, – ее длина, – масса 1 м бурильной колонны, – коэффициент, зависящий от типа соединений, – коэффициент смазывающих свойств жидкости, – коэффициент, учитывающий сложность разреза. Коэффициенты могут принимать следующие значения: равен 1 для труб ниппельного соединения и 1.3 для труб замкового соединения; равен 0.6 при использовании антивибрационных смазок, 1 при промывке водой, 1.1 при промывке буровым раствором; принимается равным 0.75 в обсадной колонне и от 1 до 3 – в открытом стволе в зависимости от сложности разреза скважины. Коэффициент находиться в пределах от 0.25 дл 0.3 в зависимости от абразивности разрушаемой породы.

Для бурения шарошечными долотами

, (9.6)

, (9.7)

. (9.8)

В этих формулах – плотность промывочной жидкости; – длина и наружный диаметр УБТ; – коэффициент увеличения массы бурильных труб за счет соединений (от 1.02 до 1.1, – тем меньше, чем больше диаметр труб); – коэффициент, учитывающий угол наклона скважины к горизонту (для углов от 90 до 70 , он меняется от 0.0002 до 0.0005)

Если вращатель буровой установки имеет индивидуальный электропривод, то в цепь питания электродвигателя включается обычный общетехнический ваттметр. Во время бурения ваттметризмеряет мощность, потребляемую электродвигателем

, (9.9)

где – КПД передачи энергии от электросети к бурильной колонне. Для оценки мощности, расходуемой на холостое вращение колонны, инструмент отрывают от забоя и в этом случае

, (9.10)

где – мощность электродвигателя при холостом вращении бурильной колонны.

При возобновлении процесса бурения суммарную мощность, расходуемую на разрушение забоя и трение нижней части колонны о стенки скважины находят как

. (9.11)

Иными словами ваттметр позволяет следить за процессами, проходящими на забое и вблизи его (мощность на холостое вращение – при условии, что бурильные трубы вращаются в неосложненной чистой скважине – есть величина постоянная для данного интервала глубин). Выделить из суммы ее компоненты по показаниям ваттметра трудно.

Если мощность характеризует затраты энергии, то силовые взаимодействия характеризуются крутящим моментом, который находится как

, (9.12)

где в знаменателе стоит угловая частота вращения

. (9.13)

Таким образом . (9.14)

Эта формула при известной частоте вращения позволяет по показаниям ваттметра определить значения моментов, соответствующие , и их разности.

Забойная составляющая момента имеет важное значение при управлении процессом бурения. Она равна: , (9.15)

где – сила сопротивления резца с номером вращению, – расстояние этого резца от оси вращения ПРИ, а – общее число одновременно работающих резцов долота или коронки. При этом , (9.16)

где – осевая нагрузка на -тый резец, – напряжение разрушения породы при боковом воздействии вращающегося резца, – то же при его внедрении, – трение резца о породу, – коэффициент, зависящий от формы резца.

Формула объясняет известный эффект уменьшения крутящего момента с повышением крепости породы. Дело в том, что в скальных породах примерно соответствует напряжению сжатия, а – напряжению скалывания. Известно, что первое много больше второго и эта разница возрастает с крепостью пород. При переходе в более крепкие породы возрастает и соответственно уменьшается внедрение и площадь бокового сопротивления резцу. В то же время возрастает много меньше и может даже не возрастать вовсе в связи с повышением хрупкости. Поэтому необходимая для скалывания породы сила , а значит и момент многократно уменьшается.

Из вышеприведенного также следует, что по изменению крутящего момента (зависящего от – формула (9.15)) можно устанавливать факт смены буримых пород.

Если разрушающие породу резцы затупляются, то их внедрение и значит и стремятся к нулю, что служит сигналом для подъема инструмента.

Контроль крутящего момента является эффективным средством борьбы с авариями, вызванными обрывами бурильных труб. Обрывы происходят при возникновении критических моментов, превышающих предел прочности материала бурильных труб (из-за заклинок долота на забое и т. п. причин). В других случаях бурильная колонна длительное время работала в условиях моментов, превышающих предел усталости.

При слишком высоких нагрузках, либо слишком продолжительной работе шарошечного долота на забое нередко разрушаются подшипники его опор, что становится

Рис. 9.1 Моментомер, работающий от натяжения приводной цепи ротора

1 – ведущая звездочка; 2 – ведомая звездочка; 3 – цепь в натянутом состоянии (под нагрузкой); 4 – цепь при работе вхолостую; 5 – следящий ролик; 6 – рычаг; 7 – рессорная пружина; 8 – толкатель; 9 – зубчатый сектор; 10 – шестерня; 11 – шкала

заметно по резким скачкам крутящего момента от максимума (заклинка подшипников) до минимума (когда опора внезапно временно освобождается от заклинки).

Применяется несколько разновидностей измерителей крутящего момента на буровом валу. По принципу действия все они делятся на два типа: – Приборы, чувствительными элементами которых служат звенья трансмиссии, испытывающие от передаваемого момента механические деформации.

– Приборы, фактически измеряющие мощность электропривода, но при этом учитывающие имеющуюся частоту вращения (согласно выражению (9.14)).

Чисто механический моментомер,работающий от деформации звеньев трансмиссии, приведен на рис. 9.1. Вал звездочки 2 приводит во вращение ротор буровой установки. Звездочка 2 получает вращение от звездочки 1 через цепь 3 (звездочки вращаются по часовой стрелке). Цепь служит чувствительным элементом прибора. В постоянном контакте с цепью находится следящий ролик 5, закрепленный на конце рычага 6. Чем больше момент на роторе, тем сильнее натянута цепь и более высокое положение занимает ролик, вызывая поворот рычага 6. С рычагом связан толкатель 8 , который упирается в рессору 7. Прогибаясь, рессора через верхний толкатель поворачивает верхний рычаг и закрепленный на нем зубчатый сектор 9, который через шестерню 10 двигает стрелку по шкале 11 слева направо.

Если момент на буровом валу и на роторе уменьшается, цепь начинает провисать сильнее, что дает возможность рессоре 7 распрямиться (по-прежнему обеспечивая контакт ролика и цепи). Через верхний толкатель (тягу) 8 рессора поворачивает стрелку по шкале в обратном направлении.

Данный измеритель крутящего момента (его марка ИКМ) , получил определенное распространение при бурении на нефть и газ. Преимущество этого механического прибора в надежности и простоте устройства. Недостаток – низкая точность, вызванная

Рис. 9.2. Магнитоупругий моментомер (сверху – сечение; снизу – вид сбоку)

1 – вал, передающий вращение на ротор (вращатель); 2 – обмотка возбуждения (полюса электромагнитов); 3 – измерительная обмотка; 4 – железный сердечник; 5 – магнитные силовые линии; 6 – усилитель и выпрямитель; – северный и южный полюса электромагнитов; – ЭДС

тяжелыми условиями работы ролика в контакте с цепью. Для взятия отсчета бурильщик должен приблизиться к месту установки прибора, отойдя от своего поста. В усовершенствованных вариантах ИКМ этот недостаток устраняется введением сельсинной передачи (рис. 11.2), когда зубчатый сектор вращает стрелку не непосредственно, а через сельсин-датчик и сельсин-приемник.

Магнитоупругий моментомер (рис. 9.2) также принадлежит к первому типу. Его чувствительным элементом является трансмиссионный вал 1, из специальной стали.

На вал надет кольцевой датчик, включающий обмотки возбуждения 2 и измерительные обмотки 3. Обмотки возбуждения образуют несколько (на рисунке восемь) пар полюсов электромагнитов – в виде радиально направленных катушек с железными сердечниками 4. Сердечники контактируют с поверхностью вала, который, как и сами сердечники, является магнитопроводом. Электромагниты последовательно соединены друг с другом и источником переменного напряжения. Измерительные обмотки также состоят из последовательно соединенных катушек 3. Они расположены между полюсами обмоток возбуждения и ориентированы вдоль вала.

Если вал не передает момента (вращается вхолостую), то (как это видно на нижнем рисунке), создаваемые полюсами электромагнитов магнитные силовые линии 5, проходя по материалу вала и касаясь измерительной обмотки, не возбуждают в последней ЭДС, поскольку направлены вдоль витков катушки.

Если вал передает момент, то он деформируется. Деформации вызывают искривление направления магнитных силовых линий, которые перестают быть параллельными виткам катушки 3 и начинают пересекать эти витки, вызывая появление в них ЭДС. Последняя тем больше, чем больше угол между силовыми линиями и витками катушки. Угол же зависит от деформации вала, т. е. от передаваемого момента. Индуцируемая в измерительных обмотках ЭДС после усиления и выпрямления в блоке 6 поступает на показывающий прибор.

Рис. 9.3. Измеритель и автоматический ограничитель крутящего момента типа ОМ

I – система измерения; II – система сигнализации; III – система ограничения; 1 – электродвигатель вращателя; 2 – трансформатор напряжения; 3 – квадратичный фазовый детектор (измеритель мощности); 4 – делитель (набор резисторов); 5 – показывающий прибор; 6 – компенсатор холостого хода; 7 – элемент сравнения; 8 – усилитель; 9 – реле; 10 – сигнальная лампа; 11 – нормально разомкнутый контакт; 12 – уставки сигнализации; 13 – уставки ограничения; 14 – нормально замкнутый контакт; 15 – диод; 16 – трансформатор тока; – сигнал силы тока; – сигнал напряжения; – сигнал мощности; – сигнал момента; – момент сигнализации; – момент ограничения

Магнитоупругие моментомеры используются применительно как к роторным, так и к шпиндельным вращателям. Их преимущество перед прибором ИКМ в большей точности и в наличии электрического сигнала. Главный недостаток – узкий, диапазон измерения. Прибор имеет высокую стоимость (вследствие необходимости изготовления трансмиссионного вала из специальной стали с магнитоупругими свойствами).

Измеритель и автоматический ограничитель крутящего момента типа ОМ (рис. 9.3) представляет собой по сути моментомер второго типа. Подобно электрическому ваттметру он подключается к линии питания электродвигателя 1 вращателя. Сигнал электрической мощности , (9.17)

где – угол сдвига фаз между напряжением и силой тока. В это выражение входят как расходуемая двигателем сила тока, так и напряжение питания. Для снятия сигнала (напряжения), пропорционального силе тока, в одну из питающих двигатель фаз включен трансформатор тока. Эта же фаза и нулевой провод дают сигнал напряжения. Трансформаторы 2 обеспечивают соизмеримость сигналов напряжения и тока .

В квадратичном фазовом детекторе согласно формуле (9.17) образуется сигнал мощности , т. е. напряжение, пропорциональное электрической мощности, потребляемой электродвигателем. Это напряжение постоянного тока, причем положительный вывод заземлен, а отрицательный используется для дальнейших преобразований.

Отрицательный выход квадратичного фазового детектора подключается к делителю 4. Делитель представляет собой набор резисторов, номиналы которых соответствуют значениям частот вращателя. Включая необходимую частоту вращения бурового инструмента, бурильщик устанавливает рычаг переключения делителя на тот резистор, номинал которого соответствует этой частоте. Пройдя резистор, сигнал мощности уменьшается в раз. В итоге после делителя сигнал мощности согласно формуле (9.14) превращается в сигнал момента .

В системе измерения I сигнал момента подается на показывающий прибор 5. Часть потребляемой мощности электродвигатель вращателя расходует на себя, причем эта мощность холостого хода с точки зрения управления процессом бурения интереса не представляет. Поэтому система измерения имеет компенсатор холостого хода 6. Запустив электродвигатель, но не включая сцепление ротора, бурильщик рукояткой компенсатора загоняет отклонившуюся стрелку снова на нуль, так что в дальнейшем прибор будет показывать уже только “чистый” момент на буровом валу.

В системе сигнализации II характеризующее момент напряжение подается на элемент сравнения 7. Другой вход элемента сравнения с помощью переключателя соединен с одной из уставок 12. Напряжение уставки соответствует величине момента, при которой возникает опасность аварии. Поскольку для разных условий (например, для разных диаметров бурильных труб) опасными могут быть разные моменты, прибор имеет не одну, а несколько уставок. Если, как упоминалось выше, сигнал фактически имеющего место момента кодируется напряжением отрицательной фазы (со знаком минус), то сигнал уставки (опасного момента) , кодируется напряжением со знаком плюс. На элементе сравнения 7 оба напряжения складываются с учетом знака:

(9.18)

С выхода элемента сравнения сигнал разности подается на диод 15, который повернут таким образом, что пропускает только напряжение отрицательной фазы. Поэтому, если момент не достигает опасного значения, то отрицательное напряжение сигнала момента по абсолютной величине меньше положительного напряжения уставки. В итоге имеет знак плюс и пройти через диод не может. Если же момент возрастая, превосходит по абсолютной величине момент сигнализации , то знак станет отрицательным и это напряжение будет пропущено диодом.

Миновав диод усиливается на усилителе 8 и попадает на реле 9, катушка которого притянет якорь. Последний замкнет нормально разомкнутый контакт 11 цепи питания сигнальной лампы 10. Лампа загорится предупреждая об опасности аварии.

Система ограничения опасного момента III в принципе работает так же, как система сигнализации. Однако уставки ограничения выбираются таким образом, чтобы они превышали уставки сигнализации ( ). Таким образом, если по какой-то причине срабатывание сигнальной лампы окажется проигнорированным, и при этом момент будет продолжать возрастать и достигнет величины уставки ограничения, то реле системы ограничения, возбудившись, разомкнет нормально замкнутые контакты 14 во всех трех фазах питания электродвигателя. Вращение бурового инструмента остановится и опасность скручивания бурильных труб будет устранена.

Уставки сигнализации и ограничения выбираются по условиям прочности наиболее слабых элементов бурильной колонны с учетом ее диаметра, материала и степени износа. Каждому значению уставки ограничения должно отвечать свое значение уставки сигнализации, рассчитанное с применением более высокого запаса прочности.

Описанный моментомер под маркой ОМ-40 получил широкое распространение на буровых работах, несмотря на невысокую точность. Его главное преимущество – система автоматического ограничения, которая позволила предотвратить большое число обрывов бурильных колонн, и тем самым сэкономить значительные средства на ликвидацию аварий. При этом стоимость самого прибора невысока. Недостатком прибора ОМ является, тот факт, что его применение возможно только при наличии электрического привода вращателя.

Рекомендуемая литература: 3. с. 250-253; 4. с. 95-100

Контрольные вопросы

1. Из каких составляющих складываются мощность и момент на вращателе?

2. Как устроен и работает механический измеритель момента?

3. Как устроен и работает магнитоупругий измеритель момента?

4. Как устроен и работает электрический измеритель и ограничитель момента?