Лекция 11. ИЗМЕРИТЕЛИ МЕХАНИЧЕСКОЙ СКОРОСТИ БУРЕНИЯ

Спомощью механической скорости бурильщик оценивает успешность применяемого режима бурения. Режим бурения должен обеспечивать максимально возможную механическую скорость (скважина должна заканчиваться в возможно более сжатые сроки). По механической скорости, особенно при наличии записывающего устройства, можно контролировать также и темп затупления долота с целью его снижения путем, например (как это отмечалось выше) уменьшения частоты вращения и увеличения осевой нагрузки

По механической скорости можно регистрировать границы интервалов пород различной буримости, так как при переходе например из мягких пород в крепкие механическая скорость скачком (а не плавно, как при затуплении долота) уменьшается и в дальнейшем поддерживается на новом более низком уровне. Обратное явление происходит при переходе в более мягкие породы. Диаграмма записи изменений механической скорости бурения во времени дает возможность проверить и скорректировать данные различных видов каротажа и, таким образом такая диаграмма сама представляет собой как бы разновидность каротажа (так наз. “механический каротаж”).

В ряде случаев продуктивный горизонт характеризуется особым, только ему присущим интервалом значений механических скоростей, что позволяет принять своевременные меры по надлежащему вскрытию этого горизонта. В частности, скорости бурения по угольному пласту обычно многократно превышают скорости бурения по вмещающим породам, что позволяет четко установить момент вскрытия. После этого буровой инструмент поднимают и одинарную колонковую трубу заменяют на двойную (т. к по рыхлым углям трудно без специальных средств получить кондиционный выход керна).

По скорости бурения можно оценить правильность выбора ПРИ, применительно к породам данного типа ( например заменить твердосплавное бурение на алмазное)

Существующие автоматические регуляторы процесса бурения, как правило включают датчик механической скорости (см лекцию 15).

Рис. 11.1. Буровой спидометр для станков с шпиндельной подачей

1 – направляющая шпинделя; 2 – зубчатая рейка; 3 – шестерня; 4 – гибкий вал; 5 – муфта одностороннего вращения; 6 – повышающий редуктор; 7 – тахогенератор; 8 – усилитель и выпрямитель; – напряжение датчика; – скорость бурения

На рис. 11.1 изображен измеритель скорости бурения (буровой спидометр) для станков с шпиндельной подачей. При бурении буровой инструмент, шпиндель и направляющая шпинделя 1 опускаются со скоростью . При этом выполненная на направляющей зубчатая рейка 2 вращает шестерню 3 и связанный с ней гибкий вал 4. Последний через муфту 5 приводит в действие повышающий редуктор 6, выходной вал которого связан с тахометром (например, изображенным на рис. 10.1). Скорость вращения ротора тахогенератора, а значит и угол отклонения стрелки показывающего прибора, пропорциональны скорости бурения.

Прибор имеет две особенности. Первая особенность связана с низкой частотой вращения шестерни 3. Так, по породам наиболее высоких категорий буримости (XI и XII) скорость бурения очень низка – порядка 0.5 м/ч и меньше. При этом, частота вращения шестерни

, (11.1)

где – диаметр шестерни. Коэффициент 60 учитывает, что скорость бурения измеряют в м/ч, частоту же вращения – в оборотах в мин Исходя из конструктивных соображений, минимальный диаметр шестерни составляет порядка 30 мм (0.03 м). При скорости 0.5 м/ч получаем = 0.09 об/мин. Такая частота ниже порога чувствительности стандартных тахогенераторов. Поэтому редуктор 6, повышает частоту вращения в 50 – 100 раз.

Вторая особенность обусловлена тем фактом, что при своей работе шпиндель и его направляющая могут перемещаться не только снизу вверх, но и сверху вниз. Последнее имеет место при холостом подъеме шпинделя во время перехвата. Скорость холостого подъема велика (несколько десятков м/ч), что ввиду наличия повышающего редуктора может привести к появлению чрезмерных усилий на гибком валу 4 и его обрыву. Поэтому в передачу на редуктор включена муфта одностороннего вращения (рис. 11.1 снизу). Ведущая полумуфта 2 снабжена пружинными пластинами и закреплена на гибком валу 4. Ведомая полумуфта имеет кулачки 3 При бурении (опускании направляющей) ведущая полумуфта вращается по часовой стрелке и пружинами (стремящимися распрямиться) упирается в основания кулачков 3, заставляя вращаться и ведомую полумуфту. При перехвате, ведущая полумуфта вращается против часовой стрелки и пружины, попадая на кулачки, сгибаясь, скользят по ним. Ведущая полумуфта и редуктор не вращаются.

Рис. 11.2. Буровой спидометр усредняющего типа

1 – канат; 2 – кронблочный шкив; 3 – вал; 4 – электромагнит; 5 – муфта; 6 – сельсин-датчик; 7 – сельсин-приемник; 8 – ротор сельсина; 9 – статор сельсина; 10 – нормально разомкнутый контакт; 11 – нормально замкнутый контакт; 12 – реле времени (синхронный электродвигатель с кулачком); 13 – шкала показывающего прибора; 14 – кабель

Рис. 11.3 Внешний вид измерителя скорости (обозначения те же, что и для рис 11.2)

Спидометр на рис. 11.2 и 11.3 применяется на установках глубокого бурения. В процессе углубки канат 1 разматывается с барабана лебедки. Скорость движения каната пропорциональна скорости бурения. Канат вращает кронблочный шкив, вал 3 которого связан с ведущей полумуфтой муфты 5. Эта муфта замыкается электромагнитом 4 и размыкается пружинами (не показаны), когда электромагнит обесточен. Ведомая полумуфта муфты 5 связана с ротором 8 сельсина-датчика 6.

В линии питания электромагнита 4 имеется нормально замкнутый контакт 11, который периодически (например один раз в минуту) размыкается с помощью реле времени 12 (левого) при прохождении его кулачка над контактом. При размыкании ротор сельсина-датчика с помощью спиральной пружины (на рисунке не показана) возвращается в исходное положение, где предусмотрен ограничитель. Таким образом возвращение ротора сельсина 6 в исходное положение имеет место один раз в минуту (если не задан другой период). Угол поворота ротора сельсина за минуту и характеризует скорость бурения: при большей скорости бурения угол будет больше, при меньшей – меньше.

Сельсин-датчик 6 с помощью кабеля связан с сельсином-приемником 7, расположенным в на пульте бурильщика. Ротор сельсина приемника имеет на своей оси стрелку, дающую отсчет скорости бурения по шкале 13.

Сельсин-датчик и сельсин-приемник представляют собой две одинаковые электрические машины, имеющие обмотки статора 9 и ротора 8. Обычно в данной схеме электрическая связь между двумя сельсинами отсутствует. Она возникает только на короткое время в момент замыкания контакта 10. Тогда происходит следующее. Если обмотки роторов у обоих сельсинов повернуты (относительно своих статоров) на одинаковый угол, то тогда в них индуцируются одинаковые ЭДС. При этом концы обмоток имеют одинаковые потенциалы, уравновешивающие друг друга.

Если же положение обмоток разное, то возникает разность потенциалов тем большая, чем больше угол между роторами сельсинов. Ротор сельсина-датчика обычно жестко связан с валом кронблока. Ротор же сельсина приемника свободен. При возникновении вызванной различием положения роторов разности потенциалов, между роторами начинает протекать ток. У сельсина-приемника магнитные поля токов статора и ротора, взаимодействуя, заставляют ротор поворачиваться до тех пор, пока он не встанет в положение ротора сельсина датчика. В этом положении он останавливается, т. к. разность потенциалов становится равной нулю и ток прекращается. Свойство роторов сельсинов занимать относительно своих статоров одинаковое положение называется свойством согласования.

Спидометр в целом функционирует следующим образом: Допустим, что поворачиваемый от вала кронблока через электромагнитную муфту ротор сельсина датчика приближается к своему крайнему положению, соответствующему концу периода (минуты), отсчитываемого реле времени. На насколько долей секунды раньше момента отключения электромагнитной муфты 5, правое реле времени 12 замкнет нормально разомкнутый контакт 10, связывающий электрически статоры двух сельсинов. В результате произойдет согласование сельсинов, и стрелка даст по шкале 13 отсчет скорости бурения. Как только кулачок реле времени сойдет с контакта 10, контакт опять разомкнется и специальная система затормозит ротор сельсина-приемника в положении, соответствующем моменту размыкания контакта. Стрелка замрет на показываемом делении .

Сразу после размыкания контакта 10, правое реле времени разомкнет контакт 13, муфта 5 обесточится и разомкнется, и спиральная пружина вернет ротор сельсина датчика в исходное нулевое положение. Однако, после прохождения кулачка контакт 13 и муфта 5 замкнутся опять, и ротор сельсина-датчика снова начнет набирать угол. Все это время стрелка будет показывать скорость, которая имела место в момент согласования, но когда пройдет минута и момент согласования сельсинов наступит вновь (благодаря замыканию контакта 10), стрелка скорректирует показание скорости. Если за последующую минуту углубка окажется больше, чем за предыдущую, стрелка займет по шкале более высокое положение, если меньше – более низкое положение, если углубка за последующую минуту будет той же, что и за предшествующую, то положение стрелки не изменится.

Отличие данного спидометра состоит в том, что если спидометр на рис. 11.1 показывает мгновенную скорость бурения

, (11.2)

т. е. производную углубки по времени, то спидометр на рис. 11. 2 дает среднюю скорость

, (11.3)

где – углубка за заданный период времени (например, равный 1 мин). Усредненная на заданном постоянном периоде времени скорость бурения пропорциональна углубке за этот период (или, что то же самое) углу поворота ротора сельсина-датчика.

Вследствие многочисленных возмущающих факторов (непостоянство свойств породы, неустойчивость бурового вала и т. п.) мгновенная скорость бурения часто бывает подвержена значительным колебаниям В этих условиях средняя скорость бывает более стабильна, и поэтому вести наблюдение за измерителем средней скорости более удобно.

С другой стороны контроль скорости из непрерывного превращается в периодический, и могут быть упущены какие-либо существенные ее изменения. Поэтому временной интервал усреднения желательно иметь небольшим (0.4 – 2 мин – тем больше, чем однороднее породы). Интервал усреднения может регулироваться наличием нескольких передач от синхронного двигателя до кулачкового диска реле.

Рекомендуемая литература: 4. с. 86-94

Контрольные вопросы

1. Какие преимущества дает возможность контролировать скорости бурения?

2. Как устроен и работает измеритель мгновенной скорости бурения ?

3. Как устроен и работает измеритель средней скорости бурения?