Контрольно-измерительная аппаратура для контроля технологических параметров бурения

Условия эксплуатации контрольно-измерительной аппаратуры в бурении резко отличаются от условий эксплуатации её в любой другой отрасли. К таким условиям следует отнести сильную вибрацию, динамические нагрузки, разброс температуры окружающего воздуха, его влажности, давления, колебаний напряжения питания и частоты электрического тока. Особые условия эксплуатации приборов связаны с обслуживанием и надзором на аппаратурой. Как правило, такое обслуживание не всегда своевременно и квалифицированно. Именно поэтому эксплуатациионные требования к буровой контроль-измерительной аппаратуре предполагают наличие таких качеств, как высокая надежность, простота устройства и эксплуатации, невысокая стоимость.

Панель управления станком СгЫепьеп СБЮ

Рис.7.5. Панель управления станком СгЫепьеп СБЮ: 1 - пусковая панель с ключом зажигания; 2 - датчик усилия поддержки; 3 - датчик усилия подачи;

4 - манометр бурового насоса; 5 - манометр главного гидронасоса; 6 - манометр вспомогательного насоса; 7 - расходомер; 8 - датчик скорости вращения - цифровой тахометр; 9 - кнопка блокировки автоматического управления

Аппаратура для

контроля параметров процесса бурения. Для эффективного бурения, а именно, соблюдения условий рациональной отработки бурового инструмента и достижения высокой механической скорости бурения следует контролировать ряд параметров, таких как значение осевой нагрузки на инструмент, частоты вращения бурильной колонны, параметров режима промывки или продувки скважины, крутящего момента, затрат мощности на бурение. На

современных станках основные индикаторы, обеспечивающие управление процессом бурения, выведены на пульт управления (рис. 7.5).

Измерители веса снаряда и осевой нагрузки. Аппаратура для измерения осевой нагрузки на буровых установках применяется в обязательном порядке и является чаще всего элементом механизма подачи бурового станка.

Задание осевой нагрузки на инструмент всегда начинается с взвешивания бурильного снаряда в условиях его нахождения в скважине (с вращением снаряда, промывкой и перемещением со скоростью равной скорости механического бурения). Затем все снаряда (7 или учитывается при задании осевой нагрузки, или компенсируется гидравлической системой станка.

Осевая нагрузка Рос на буровой инструмент при учете веса снаряда (7 определяется по зависимости

Рос- О ± Р >

где Р - дополнительное усилие, прикладываемое к верху бурового снаряда (когда вес снаряда меньше осевой нагрузки, то со знаком «+», когда вес снаряда больше осевой нагрузки, то со заком «-»).

В процессе бурения поддержание осевой нагрузки на одном уровне или её изменение (регулирование) производится путем корректировки параметра Р (рис.7.6).

Пример. Вес колонны 0 и заданная технологическими параметрами осевая нагрузка на буровой инструмент Рж определяют величину и направление прилагаемого со стороны гидросистемы бурового станка усилия Р. Например, если заданная Рос= 20 000 Н, а вес снаряда 0= 10 000 Н, то гидросистемой станка следует создать усилие нагружения бурильной колонны />= 10 000 Н. Такая ситуация возникает при бурении относительно неглубоких скважин (рис. 7.6, а).

При бурении глубоких скважин, когда вес бурильной колонны превышает требуемую для успешного бурения осевую нагрузку, бурение осуществляется с разгрузкой, т.е. усилие со стороны гидросистемы станка Р направляется вверх, колонна разгружается (рис. 7.6, б). Например, если по мере углубления скважины вес колонны 0 повысился до 25 000 Н, то при Рос =20 000 Н, усилие разгрузки колонны Р = (0 - Рж) будет равно 5000 Н.

В современных буровых станках, оснащенных, как правило, гидравлической системой подачи регулирование осевой нагрузки выполняется в соответствии со схемой, представленной на рис.7.6, а,б.

По показаниям приборов можно определять давление в элементах гидросистемы станка и рассчитывать возможные значения усилий, обеспечивающие перемещение станка и создание осевых нагрузок на колонну.

Схемы создания гидросистемой станка усилий нагружения (а) и разгрузки (б) бурильной колонны

Рис. 7.6. Схемы создания гидросистемой станка усилий нагружения (а) и разгрузки (б) бурильной колонны: 1 - ведущая бурильная труб; 2 -гидроцилиндры; 3 - штоки; 4 - порни; 5 -штуцера с датчиками усилий подачи МКН

Значение усилий подачи вверх и вниз в гидросистеме станка может определяться по формуле общего вида:

Р = 0'*Р,

где ()г - давление в полости гидроцилиндра 2, Па;

F - площадь поршня 4 гидроцилиндра 2 со стороны верхней или нижней полостей, м2.

Учитывая, что площади верхней и нижней поверхностей поршней 4 различны, определяются значения перепада давления, обеспечивающие равенство усилий подачи и подъема, т.е. момент, при котором поршни 4 и штоки 3 остаются неподвижными. Разность в площадях верхней и нижней поверхностей поршней 4 возникает в результате того, что часть верхней поверхности занята штоком 3 гидроцилиндра 2.

Таким образом, если диаметр штока 3 равен с/ш, а диаметр поршня 4 - /)п, то усилие в верхней полости гидроцилиндра 2 Рв при давлении Qv будет равно

Р_ =

_

В нижней полости гидроцилиндра 2 при таком же давлении масла усилие будет иным:

Р =-^Р2

Таким образом, разность усилий (Рн - Рв) равна

Учитывая, что у станков с гидравлическим механизмом подачи шпиндельного типа имеются два гидроцилиндра при расчете усилий Рн, Рв, (.Рн - Рв), то полученные значения нужно умножать на два.

При управлении станком для бурения с разгрузкой для создания усилия, направленного вверх, достаточно уравновесить давление в верхней и нижней полостях гидроцилиндров 2 или создавать более высокое давление в нижних полостях гидроцилиндра 2 (рис. 7.6, а).

При бурении с дополнительной нагрузкой, для создания усилия направленного вниз, избыточное давление следует создавать в верхних полостях гидроцилиндров 2 (рис. 7.6, б).

В гидравлической системе станка для измерения давления масла в гидросистеме устанавливаются соответствующие датчики 5, показывающие давление в верхних и нижних полостях гидроцилиндров бурового станка. Датчики, связанные с гидравлической системой станка, преобразуют давление масла в силу и далее в зависимости от конструкции датчика: в прогиб мембраны, ход подпружиненного поршня, деформацию трубки Бурдона, изменение ферромагнитных свойств материала и др., что позволяет с помощью числовых индикаторов различного типа снимать показания давлений, усилий и др.

Кроме указанной системы датчиков измерение осевой нагрузки может осуществляться по натяжению неподвижного конца талевой системы. Среди

подобных приборов наиболее распространен ГИВ-6, который фиксирует усилие натяжения неподвижного конца талевого каната Р с записью показаний на бумажной круговой (суточной) диаграмме и с фиксацией усилия на числовом указателе стрелочного типа (рис. 7.7). Корпус 1 прибора устанавливают на канате 2, таким образом, что с помощью оттяжных боковых роликов 3 и среднего ролика 4 образуется изгиб талевого каната 2. При натяжении каната 2, возрастающим усилием Р, что связано с подъемом груза на талевом блоке системы, возникает усилие Л, которое перемещает канат 2 в месте излома на расстояние Д / и одновременно средний ролик 4 и поплавок с мембраной 5. В результате в камере с жидкостью 6 повышается давление и жидкость по трубопроводу 7 передает давление к индикаторам на приборной панели 8. На панели приборов 8 имеется два индикатора - числовой стрелочный и индикатор с устройством записи усилия в виде механического чернильного пера.

По диаграмме, на которой фиксируются значения нагрузки устройством записи усилия за весь период работы в течение суток, можно определить перечень выполненных на буровой работ и их длительность, например, время бурения, выполнения спуско-подъемных операций или длительность непроизводительного времени.

Другой вариант измерения усилия в неподвижном конце талевой системы состоит в использовании магнитоупругого измерителя нагрузки МКН-1, в котором усилие в талевом канате преобразуется не в гидравлический сигнал, как в ГИВ-6, а в электрический, фиксируемый регистрирующим прибором. В этом случае, по аналогии с прибором ГИВ-6, перемещение среднего ролика 4 (рис. 7.7) преобразуется не в гидравлический сигнал, а в электрический через датчик прибора МКН-1.

Для станков с гидравлической системой подачи используется измеритель нагрузки МКН-2, в котором давление масла в гидравлической системе преобразуется в электрический сигнал. В этом случае датчики МКН-2 подключаются к верхним и нижним полостям гидроцилиндров механизма подачи станка (см. рис.7.6).

Измерители давления широко используют в системе приборов бурового агрегата для измерения давления масла в гидросистеме бурового станка и давления промывочной жидкости или воздуха в системе промывки или продувки скважины. В качестве таких измерителей используют различного вида манометры.

Измерители расхода промывочной жидкости необходимы для контроля процесса циркуляции промывочной жидкости. Датчики расхода промывочной жидкости должны отвечать ряду достаточно сложных условий, так как параметры промывочных жидкостей достаточно разнообразны и изменчивы, промывочная жидкость содержит значительное число абразивных частиц и может быть химически активной. При прокачивании промывочной жидкости в широких пределах могут изменяться как расход, так и давление, наблюдаться резкие колебания расхода и давления, гидравлические удары.

Схема прибора ГИВ-6

Рис. 7.7 . Схема прибора ГИВ-6: 1 - корпус; 2 -талевый канат; 3 - оттяжные боковые ролики; 4 - средний ролик; 5 - мембрана с поплавком; 6 - камера с жидкостью;

7 - трубопровод; 8 -указатели нагрузки -числовой со стрелкой и с записью суточной диаграммы

В бурении используются расходомеры различного принципа действия: электромагнитные, тахометрические, ультразвуковые и др.

Электромагнитные расходомеры ЭМР (ЭМР-1, ЭМР-2, ЭМР-3, ЭМР-4), предназначенные для измерения расхода воды и глинистого раствора, обеспечивают непрерывный визуальный контроль и постоянную точность измерения расхода жидкости при широком изменении её физико-механических свойств: вязкости, плотности, температуры, давления.

Действие расходомера основано на преобразовании в электромагнитном датчике расхода жидкости в электрическое напряжение, что позволяет при изменении этого параметра фиксировать и фактический расход очистного агента.

Наиболее распространен расходомер ЭМР-3, который может применяться в условиях, когда в промывочной жидкости содержатся маслянистые жидкости, что практически неизбежно при бурении. Расходомер способен измерять расход жидкости в пределах 0-300 л/мин, при давлении до 10 МПа и температуре до +40 С.

В бурении также широко применяется расходомер РПЛ-1 с поворотной лопастью, который относится к расходомерам обтекания. Под действием потока жидкости лопасть датчика отклоняется на соответствующий угол, приоткрывая отверстие для прохода жидкости, что и служит мерой расхода жидкости. Противодействующей напору потока жидкости является упругость подвески лопасти, которая выполняет роль сердечника индуктивного преобразователя. С поворотом лопасти изменяется рабочая площадь индуктивного датчика, что ведет к изменению выходного сигнала через изменение напряжения тока, который, поступая в электроизмерительный прибор, дает показания по шкале, проградуированной в л/мин. Возможности расходомера охватывают широкий спектр параметров жидкости, таких же как и для расходомера ЭМР-3, но давление жидкости ограничено параметром 6,3 МПа, но плотность жидкости может составлять от 0,9 до 1,3 гр/см3.

Регулятор расхода буровой жидкости, применяемый на станках типа Эттес или Сг^етеп, включается в нагнетательную линию бурового насоса (рис. 7.8). Расходомер состоит из электронного блока и фитинга со встроенным лопастным колесом. Лопастное колесо вращается под действием промывочной жидкости, а частота вращения лопастного колеса пропорциональна расходу жидкости.

Настройка элемента коммутации осуществляется с помощью трех

Расходомер, установленный в линию нагнетания насоса ТЛЮО бурового агрегата Сг^ешеп СБ10

Рис.7.8. Расходомер, установленный в линию нагнетания насоса ТЛЮО бурового агрегата Сг^ешеп СБ10

переключателей, расположенных под дисплеем. Дополнительно настройка может осуществляться через внешний регулятор.

Электрическое соединение происходит через разъем, а показания расхода выведены на главный пульт буровой установки (рис.7.5).

Устройство функционирует в трех рабочих режимах. При работе в нормальный режиме осуществляется отображение измеренного расхода и программных порогов переключения.

Из нормального режима можно перейти в режимы калибровки и моделирования. Режим калибровки обеспечивает доступ к программированию всех параметров (единица расхода, калибрование в режиме обучения, мощность, фильтрация, гистограмма и др.).

В режиме моделирования осуществляется ввод теоретического значения расхода для тестирования конфигурации, программируемой в режиме калибрования.

Измерители и ограничители крутящего момента. Ваттметры

Крутящий момент является важным параметром процесса бурения. Контроль крутящего момента на шпинделе (роторе) бурового станка дает возможность контролировать загрузку бурового инструмента в наиболее опасном верхнем сечении; судить о загрузке привода бурового станка и о состоянии скважины (зашламование, вывалы), резких искривлениях ствола, степени износа инструмента, например, заклинивании шарошек долота. Ограничение предельных значений крутящего момента позволяет избежать целый ряд осложнений и аварий в процессе бурения.

Крутящий момент Мкр в системе привода

бурового станка может определяться через

произведение силы F на плечо г: Мкр = F- г.

Имея в кинематике передачи крутящего

момента Мк р элемент радиусом г (вал,

шестерня), можно, измеряя силу на этом

элементе F , измерять и контролировать

крутящий момент (рис. 7.9). Как следует из Рис'г 9'Схсма преобразования

. . „ „ . крутящего момента в силу

схемы, момент МкР1 = F Г, где сила г = Ыsin

а. Таким образом, измеряя силу F динамометром Д, можно в итоге определить КРУТЯЩИЙ МОМеНТ Мкр] и Мкр2.

В датчиках ДМ для измерения крутящего момента используется эффект изменения магнитных характеристик материала вала механизма под действием крутящего момента.

При использовании асинхронного привода и жесткой кинематической цепи крутящий момент может быть определен косвенно по величине потребляемой электродвигателем активной мощности в соответствии с формулой

(7.1)

п

N = ЗІ/Ісощ), (7.2)

где N- активная мощность, кВт;

п - частота вращения двигателя, мин ,

U - напряжение, Вт;

I - сила тока, А.

Из данных формул следует, что по параметрам электрического тока, проходящего через обмотку асинхронного двигателя, можно определить активную мощность и рассчитать крутящий момент.

Для измерения крутящего момента на шпинделе бурового станка требуются датчики напряжения и силы тока, включенные в одну из фаз электродвигателя. Данный принцип измерения крутящего момента на шпинделе станка и усилия на крюке установки используется в приборе ОМ-40. Прибор ОМ-40 имеет диапазон измерения крутящего момента на шпинделе станка 0-2,5 кН м и диапазон измерения усилия на крюке талевой системы при оснастке 2><3 0-250 кН; при оснастке 1x2 0-125 кН и оснастке 0х 1 0-62,5 кН.

При использовании для привода буровых станков электродвигателей постоянного тока крутящий момент на их валу определяется по току возбуждения и току в якорной цепи электродвигателя (датчик момента ДМ аппаратуры КУРС-613).

Самопишущий ваттметр Н-348 широко применяется для измерения и непрерывной записи на ленте активной или реактивной мощности в сетях трехфазного переменного тока частотой 50 Гц.

Активная мощность N, потребляемая трехфазным электродвигателем от сети, определяется по формуле (7.2). Подключенный к фазе двигателя ваттметр измеряет мощность данной фазы. Шкала ваттметра градуируется в единицах крутящего момента, который пропорционален отношению полезной мощности на валу приводного электродвигателя и частоты вращения (см. формулу 7.1). Показания записываются на диаграммной ленте, скорость движения которой может быть задана в пределах 20, 60,180, 600,1800 и 5400 мм/ч.

На рис. 7.10. приведена лента с записью процессов бурения скважины.

“Т

А

- зЛт

г

/

1—т!

г- "

1

_

[

2

.---

и

г

? VI

?Т-

у?

V

У

V

IV

в

III

кет^Н! X !

, ____ЛХ

ГОСТ 7*2в-т5

Рис. 7.10. Лента записи затрат мощности с указанием затрат времени на проведение операций: I - подъем снаряда из скважины (9 мин); II - инклинометрия (спуск и подъем инклинометра из-за невозможности дальнейшего спуска - 11 мин); III - проработка ствола с целью подготовки скважины для инклинометрии (о - спуск снаряда - 9 мин, б - проработка ствола -40 мин, в - подъем снаряда - 7 мин);

IV - инклинометрия; V - с снаряда - 9 мин.;

VI - проработка ствола скважины - 1 ч 20 мин;

VII- подъем снаряда - 7 мин.

а

у

$

. II - I

По измеряемой мощности на валу электродвигателя определяется мощность и крутящий момент на шпинделе станка, что позволяет получить информацию о состоянии породоразрушающего инструмента, ситуации на забое скважины, работе бурильной колонны, затратах времени на выполнение операций. Кроме непосредственной информации по затратам мощности, по диаграмме можно составить баланс рабочего времени, а при известном углублении за рейс можно рассчитать усредненную механическую и рейсовую скорости бурения.

Например, зная, что интервал углубления между перскреплениями шпинделя станка равен ходу шпинделя (0,4 м для станка ЗИФ-650), можно определить механическую скорость, зафиксировав время бурения этого интервала по ленте.

Диаграмма позволяет расшифровать причины некоторых аварий, определить уровень вибрации и другие параметры.

Измерители скорости бурения применяются для оценки эффективности процесса бурения. В качестве измерителей скорости бурения применяются приборы типа ПСП и ПСБ. Данные приборы определяют скорость бурения по скорости подачи бурового инструмента, при этом первый используется на буровых агрегатах с подачей бурового инструмента лебедкой, а второй - на станках с гидравлической подачей типа ЗИФ и СКБ.

Индикатор частоты вращения гидродвигателей современных буровых станков с автономным питанием DITAK 9 или DITAK 7, применяемые в средне-и высокоскоростных устройствах.

Данный индикатор частоты вращения идеален для использования в магнитных датчиках или других биполярных сенсорах, работающих при частоте более 30 Гц. Блок характеризуется возможностью выбора временного диапазона, коэффициента скорости и числа десятичных знаков, с помощью двух клавиш на лицевой панели. В блок входит 5-разрядный ЖК-дисплей с цифрами высотой 11,7 мм, работающий либо в позитивном (темные цифры на светлом фоне), либо в негативном (красные или желтые / зеленые цифры на темном фоне) отображении. Питание индикатора напряжением 3,0 В обеспечивается от литиевых аккумуляторов, которые позволяют бесперебойно работать в течение 7 лет. Модели с подсветкой работают от внешнего источника питания постоянного тока с напряжением 9-28 В. Корпус блока изготовлен из легкого, высокопрочного пластика, имеет смотровое стекло. При правильной установке герметичная лицевая панель отвечает техническим требованиям для функционирования во влажных и запыленных условиях.

Современные буровые агрегаты оснащаются дизельным приводом с системами контроля и управления Например, система Messenger отслеживает такие параметры двигателя как обороты двигателя, давление масла, температуру охлаждения, давление наддува, нагрузка двигателя, расход топлива, давление топлива, температуру топлива , температуру воздуха на входе , уровень топлива, температуру масла, уровень охлаждающей жидкости, напряжение аккумулятора, исходное положение дроссельной заслонки, дифференциальное давление масляного фильтра, уровень масла двигателя, необходимые обороты двигателя, давление и температуру охлаждения выходного холодильника, загрязнение правого и левого входного отверстия, давление воздухоприемника, давление охлаждающей жидкости, температуру выхлопных газов в патрубке и др.

Аппаратура контроля параметров режима бурения типа КУРС (КУРС-411, КУРС-613, КУРС-713) предназначена для комплектования буровых установок серии УКБ.

Аппаратура КУРС в сочетании с регистратором позволяет повысить производительность буровых работ. Достигается это за счет эксплуатационных качеств аппаратуры, обеспечивающих поиск оптимальных параметров режима бурения, предупреждение аварий и осложнений в скважине. Эта аппаратура состоит из ряда систем, каждая из которых предназначается для измерения одного из перечисленных параметров:

  • - измерения осевой нагрузки на буровой инструмент и усилия на крюке;
  • - измерения скорости бурения;
  • - измерения давления и расхода промывочной жидкости;
  • - измерения частоты вращения бурильной колонны;
  • - измерения крутящего момента;
  • - предупредительная сигнализация;
  • - блоки питания.

Аппаратура КУРС-411 позволяет вести визуальный контроль ряда перечисленных параметров и обеспечивает световую и звуковую сигнализацию при аварийном снижении расхода промывочной жидкости.

Аппаратура КУРС-613 и КУРС-713 полностью выполняет функции КУРС-411 и, кроме того, позволяет вести визуальный контроль частоты вращения и крутящего момента предельно допустимых величин. В аппаратуре может быть подключен шестиканальный универсальный регистратор режимов бурения РУМБІ. Он предназначен для оснащения буровых установок УБК-7 и У КБ-8 при использовании соответственно КУРС-613 и КУРС-713, а также буровых установок со станками ЗИФ-1200МР. При совместном применении аппаратуры КУРС м РУМБІ используют сигналы датчиков аппаратуры; в другом варианте регистратор РУМБІ поставляется с комплектом соответствующих датчиков.

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ     След >