Измерители частоты оборотов породоразрушающего инструмента

В бурении геологоразведочных скважин передача крутящего момента породоразрушающему инструменту осуществляется, главным образом, посредством бурового вала, получающего вращение с поверхности от бурового станка. При применении забойных машин (электробуров, турбобуров, винтовых двигателей) породоразрушающий инструмент жестко связан с выходным валом этих машин, и частота оборотов его равна частоте оборотов вала. В первом случае частота оборотов породоразрушающего инструмента может быть измерена с помощью поверхностной аппаратуры, датчики которой при жесткой кинематической цепи передачи крутящего момента от КПП до бурового вала могут быть встроены в любом месте этой цепи. Во втором случае требуется постановка глубинных датчиков и передача сигналов на поверхность. Знание частоты оборотов вала забойных машин дает возможность оптимизировать процесс бурения, поэтому применение тахометров (измерителей частоты оборотов) в качестве отдельных приборов в этом случае весьма желательно.

Чувствительный элемент (первичный преобразователь) датчика угловой скорости связан с вращающимся бурильным валом, шестерней и др. Угловая скорость с помощью датчиков может быть преобразована в силу, давление, расход, перемещение, угол, ЭДС и другие параметры, удобные для местного контроля или для передачи на расстояние.

По принципу действия датчики угловой скорости могут быть разделены на три основные группы: механические, гидравлические и электрические. Самые распространенные в технике измерения угловой скорости электрические датчики. В буровой контрольно-измерительной аппаратуре применяются механические (центробежные) и, главным образом, электрические датчики.

Электрические тахометры весьма разнообразны как по типу используемого преобразователя, так и по методу измерения и типу измерительной цепи.

С точки зрения точности измерений угловой скорости электрические тахометры можно разбить на две группы: тахометры, работающие по принципу амплитудной модуляции (тахометры с индукционными преобразователями), выходной величиной которых является ЭДС, и тахометры, работающие по принципу частотной модуляции (индуктивные, контактные, фотоэлектрические), выходной величиной которых является частота тока или напряжения. Тахометры второй группы характеризуются большей точностью, так как частота выходного тока или напряжения практически не зависит от колебаний напряжения источника питания, температуры и других факторов. С точки зрения используемых преобразователей и методов измерения электрические тахометры можно разбить на следующие группы: индукционные, электроимпульсные, фотоэлектрические, стробоскопические.

 

 

Измерители и ограничители крутящего момента

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; дает возможность судить о загрузке привода и бурового станка, судить о состоянии скважины (зашламование, вывалы), о резких искривлениях ствола, о смене пород, о степени износа породоразрушающего инструмента. Знание крутящего момента на шпинделе и применение ограничителей крутящего момента позволяет избежать ряд осложнений и аварий в процессе бурения.

Важно знание крутящего момента и на валу привода лебедки. Желательным является контроль и ограничение крутящего момента на вращателе труборазворота.

Эффект изменения свойств материала вала (магнитных характеристик) под действием приложенного крутящего момента используется в датчиках ДМ конструкции СКБ НПО “Геотехника” (рис. 3.26; см. также рис.2.28,в).

Чувствительным элементом датчика является вал 1, врезаемый в силовую кинематику бурового станка, изготавливаемый из специальной стали 38ХМЮА и являющийся частью магнитопровода. Под действием крутящего момента механические напряжения в вале деформируют магнитный поток Ф_В, при этом появляется составляющая магнитного потока Ф_И, наводящая в измерительных катушках W₂ ЭДС, пропорциональную передаваемому крутящему моменту.

Бесконтактный съем сигнала является главным достоинством датчиков типа ДМ. К недостаткам датчика относится зависимость коэффициента преобразования от частоты вращения вала, чувствительность к осевым усилиям, зависимость начального выходного сигнала (фона) от углового положения вала относительно электромагнитного преобразователя, жесткие ограничения по биению вала и необходимость врезаться в кинематику силовой передачи чувствительным отрезком вала.

	Рис.3.26. Схема датчика крутящего момента ДМ: 1- участок рабочего вала; 2- кольцевой многополюсный статор с последовательно соединенными катушками возбуждения W1; 3- совокупность П-образных магнитопроводов с включенными последовательно измерительными катушками W2

 

Для измерения крутящего момента на шпинделе, считая электродвигатель симметричной нагрузкой, требуются датчик напряжения и датчик тока, включенные в одну из фаз электродвигателя; необходимо учесть конкретные частоты вращения шпинделя и затраты мощности для приведения в действие силовой кинематики самого станка (затраты мощности на холостое вращение). Данный принцип измерения возможно использовать и для определения усилия на крюке при выполнении грузовых операций, введя другой масштабный коэффициент.

Описанный принцип измерения крутящего момента на шпинделе и усилия на крюке используется в аппаратуре ОМ40.

Техническая характеристика ОМ40

Диапазон измерения крутящего момента на шпинделе, кН × м 0-2,5

Диапазон измерения усилия на крюке (кН)

талевой системы при оснастке 2х3 0-250

1х2 0-125

0х1 0-62,5

Уставки сигнализации “перегрузка”, кН. м:

при бурении 0,25; 0,50; 0,75; 1,00; 1,25; 1,50

при подъеме снаряда 2,5; 5,0; 7,5; 10,0; 12,5; 15,0

Уставки автоматики "ограничение", кН.м 0,75; 1,00; 1,50; 2,00; 2,50

Пределы основной погрешности от верхних пределов

измерения по всем параметрам и уставкам, % ± 4

Дополнительная погрешность, %:

при изменении напряжения питания на каждые 10% ± 2

при изменении температуры окружающей среды

от значения 20⁰С на каждые 10⁰С ± 2

Источник питания (380 ±76)В, (50± 1) Гц

Масса пульта, кг 15

 

Измерители скорости бурения

Скорость подачи верха бурового инструмента и скорость подачи его низа, т.е. и механическая скорость бурения, в общем случае не одно и то же. Динамику процесса и характеристику инструмента, находящегося в скважине, учитывает формула А.И.Дряхлова:

(3.28)

где Vм - механическая скорость бурения;

V_В - скорость подачи верха бурового инструмента;

Lскв - глубина скважины (длина бурового инструмента);

ES - жесткость поперечного сечения бурового инструмента;

G_ОС - осевая нагрузка.

В большинстве практических случаев вполне приемлемым является знание механической скорости в установившемся режиме (dG_ОС / dt=0)- для глубоких скважин; для скважин малой глубины и при жестком снаряде значение Vм близко к Vв, что приемлемо для практических целей определения механической скорости бурения по скорости подачи верха бурового инструмента.

Измеритель скорости проходки ИСП реализует формулу А.И.Дряхлова (3.28). Измеритель предназначен для измерения механической скорости бурения при подаче инструмента с лебедки до глубины 1500 м станками различного типа с талевой системой ТС 1х2 или ТС 2х3 со встроенным измерителем нагрузки МКН-1.

 

Измеритель включает датчик скорости подачи верха бурового инструмента ДС и вторичный показывающий прибор.

Измеритель ИСП обеспечивает непрерывный контроль механической скорости при различных режимах бурения, в том числе и “на выбурку” с полностью заторможенной лебедкой.

Датчик скорости подачи состоит из приводного ролика, редуктора и асинхронного двигателя, работающего в генераторном режиме. Датчик своим роликом пристраивается к торцу барабана лебедки. Измерительная схема прибора построена по компенсационному принципу- рис. 3.30.

Вторичный прибор имеет два канала: “нагрузка на забой” и “скорость подачи”. Сигнал, пропорциональный нагрузке на забой, от датчика ДНР измерителя МКН-1 поступает на вход одной из компенсационных систем, усиливается нуль-усилителем НУ1 и приводит во вращение ротор реверсивного двигателя РД1, ось которого кинематически связана с осью компенсатора К1.

Рис.3.30. Структурная схема ИСП

Напряжение на выходе усилителя НУ1 пропорционально скорости изменения нагрузки на забой dG_ОС/dt. С выхода усилителя сигнал подается на делитель напряжения ДН, который умножает этот сигнал на величину, пропорциональную длине бурового инструмента и обратно пропорциональную жесткости его поперечного сечения ES. На пульте делитель напряжения имеет шкалу с оцифровкой глубины скважины (переключается бурильщиком в соответствии с глубиной скважины).

Напряжение с выхода делителя ДН суммируется с напряжением датчика скорости ДС и подается на вторую компенсационную систему с отсчетным устройством ОУ. Эта система измеряет суммарное напряжение, пропорциональное механической скорости бурения.

Техническая характеристика ИСП

Верхние пределы измерения, м/ч 0-5, 0-10

Основная погрешность, % ± 4

Источник питания (380 ± 76)В, 50 Гц

Потребляемая мощность, ВА 70

Температура окружающего воздуха, ^о С - 30 ÷ + 50

Измеритель ИСП разработан СКБ НПО "Геотехника".