Результаты замера частотной характеристики вибрации турбобура

 

Частота f, Гц	63	125	250	500	1000	2000	4000	8000
Вибрации L, дБ	117	117	114	118	119	121	98	84
Скорость v, мм/с	35,4	35,4	25,1	39,7	44,6	55,9	3,97	0,79

 

 

б)

Е

t

τи

Е

f

в)

f

Е

t

Е

τи

a)

Е

f

Е

τи

t

В итоге суммарный звук, создаваемый зубьями шарошек долота и лопатками турбины, имеет АЧХ, представленную на рис. 2. К АЧХ турбинных лопаток (см. рис. 2, а) суммируется АЧХ долота. Рис. 2,б соответствует случаю нового долота, рис. 2, в – долота изношенного, например на 50%, рис. 2, г – долота изношенного, например, более 90%.

Прирост энергии ∆Е соответствует амплитуде колебаний долота. Таким образом, из-за неравномерного износа зубьев шарошек долота наблюдается нестабильное изменение амплитуд по частотам в спектре.

В связи с изменением частоты вращения долота при переходе с одной твердости горной породы на другую при одинаковой нагрузке, согласно геолого-технологическому наряду, изменяется и время контакта зуба шарошки долота, следовательно, меняется и частотный спектр. Если использовать несущую на какой-либо фиксированной частоте, то это приведет к искажению информации, что подтверждает проблему получения устойчивого и надежного канала связи.

а)

Е

f

f

б)

Е

∆Е

в)

Е

∆Е

f

г)

Е

∆Е

f

Линией передачи звука может служить корпус бурильной колонны и промывочная жидкость. Скорость звука в металлическом корпусе (5000-6000 м/с) выше скорости звука в жидкости (1500 м/с). По корпусу распространяются продольные, поперечные, крутильные и т.п. виды волн, по жидкости – только продольные, то есть для жидкости нет необходимости выделения определенного вида волн. Из-за наличия стальных замков, соединяющих легкосплавные бурильные трубы, возникает рассеяние и частичное отражение звука, что приводит к искажению информационного сигнала по трубам. Сравнение звуковых характеристик линий передачи сигнала показывает возможность передачи информации по промывочной жидкости. Тогда приемником звука на поверхности может служить, например, гидрофон.

Известно, что при распространении звука всегда существует затухание и рассеяние его в пространстве. Поэтому необходимо установить, на каких частотах происходит наименьшее затухание. Колебания, генерируемые турбобуром, имеют сложную форму, спектр частот от инфра- до ультразвука. Коэффициент пространственного затухания β в Нп/м звуковых колебаний в жидкости определяется по формуле [4]:

 

                                            (1)

 

где f – частота колебания звука, Гц (0..1000 Гц); η - коэффициент вязкости среды, с (10^-2 Пз); ρ – коэффициент плотности среды, кг/м³ (1100 кг/м³); с – скорость звука в среде, м/с (1500 м/с).

Зависимость пространственного коэффициента затухания от частоты представлена на рис. 3, где коэффициент β меньше в области низких частот. Например, в диапазоне 200-400Гц.

 

 

 

Выбор частот связан с затуханием. Поэтому проведено сравнение изменения затухания колебаний в дБ [4]:

G (x)= β 20 lg (e) x, дБ                                            (2)

 

на расстоянии от источника звука до 1000 м от него при частотах 200, 400 и 600 Гц, графически представленное на рис. 4.

 

 

 

 

Колебания в области низких частот затухают незначительно, например, при 200 Гц затухание на расстоянии 1000 м составляет 24,6·10^-6 дБ, при 400 Гц – 98,4·10^-6 дБ, 600 Гц – 221,5·10^-6 дБ (см.рис.4).

Таким образом, для передачи звукового сигнала на расстояния 2…3 тыс. м рекомендуется использовать низкочастотные колебания звука, генерируемого турбобуром в диапазоне 200-400 Гц.

Для разработки звукового канала связи с высокой степенью помехоустойчивости рассмотрим особенности электромагнитного канала связи в радиотехнике как наиболее отработанного в теоретическом плане.

Известен способ амплитудной модуляции электромагнитных колебаний в однополосной радиосвязи, где мощность сигнала увеличивается [5].

Представлен сигнал высокой частоты неизменной амплитуды, называемый колебаниями несущей частоты (рис. 5, а), при модуляции несущей низкочастотным колебанием наблюдаются колебания трех частот: несущей, верхней боковой и нижней боковой (см. рис. 5, б, в). При этом средняя мощность промодулированного сигнала определится по формуле [5]:

 

Р_ср=Р₀(1+ m ² /2),                                                      (3)

 

где Р₀ – мощность сигнала; m – коэффициент модуляции.

Следовательно, промодулированный сигнал больше по мощности и приращение этой мощности приходится на боковые частоты. Однако при передаче сигналов сложной формы мощность боковых частот значительно уменьшается.

Если удалить несущую частоту, амплитуду колебаний боковых частот можно увеличить вдвое (см. рис. 5, г), а подавив одну из боковых частот, – увеличим амплитуду колебаний другой боковой частоты еще в два раза (см.рис. 5, д). При этом мощность сигнала увеличится в 4 раза.

 

а) m=0

б)

в)

г)

д)

I

t

I0

I

f

f1

I

I0

t

Imax

Imin

I

f

f1

f1+F

f1-F

I

I0

t

Imax=2I0

I

f

f1

f1+F

f1-F

I

I0

t

Imax

I

f

f1

f1+F

f1-F

I

I0

t

Imax

I

f

f1

f1+F

f1-F

 

 

По аналогии с электромагнитным каналом связи рассматривается звуковой канал связи по жидкости. Для разработки звукового канала связи предложена идея амплитудной модуляции, используемой в однополосной радиосвязи для увеличения амплитуды низкочастотного сигнала – глубинной информации.^*

 

 

1. Булатов А. И., Аветисов А. Г. Справочник инженера по бурению. В 2-х томах. Том 1.— М.: Недра, 1985.             — 414 с.

2. Грачев Ю.В., Варламов В.Н. Автоматический контроль в скважинах при бурении и эксплуатации. – М.: Недра, 1968.-250 с.

3. Савиных Ю.А. Акустический канал связи для измерения и регулирования режимных параметров турбинного бурения. – М.: ОАО «ВНИИОЭНГ»; - Тюмень: ИД «Слово», 2004. – 96 с.

4. Акустика в задачах. Учеб. Руко-во.: Для вузов /А.Н. Бархатов, Н.В. Горская, А.А. Горюнов и др.; Под.ред.        С.Н. Гурбатова и О.В. Руденко. – М.: Наука. Физмалит, 1996. – 336 с.

5. Бунимович С.Г., Яйленко Л.П. Техника любительской однополосной радиосвязи. – М.: Издательство ДОСААФ, 1970.

 

Сведения об авторах

Савиных Ю.А., к.т.н., академик РАЕН, доцент, кафедра «Электроэнергетика», Тюменский государственный нефтегазовый университет, г. Тюмень, тел.: [phone]

Хмара Г.А., ассистент, кафедра «Электроэнергетика», Тюменский государственный нефтегазовый университет; тел. [phone]

Savinykh Yu. А., Candidate of Technical Sciences, academician of Russian Academy of Natural Sciences, associate professor, Department «Electroenergetica», Tyumen State Oil and Gas University, Tyumen, phone [phone].

Khmara G.A., postgraduate student of Department, «Electroenergetica», Tyumen State Oil and Gas University; tel. [phone]

 

 

 

    (10) Тема 2006-4-39 КП. Критерии подобия при моделировании процессов транспортировки частиц шлама.

     Акбулатов Т.О., Левинсон Л.М., Салихов Р.Г., Хабибуллин И.А. Критерии подобия при моделировании процессов транспортировки частиц шлама в горизонтальных участках ствола скважины / / Известия высших учебных заведений. Нефть и газ. 2006, № 4, С. 39 – 44.

 

УДК 622.243.2.1