§ 5. Устройства дистанционного контроля глубинных параметров бурения с электрическим каналом связи

Датчик осевой нагрузки на долото представляет собой упругий элемент, изготовленный в виде трубы небольшой длины, монтируемой в колонне бурильных труб непосредственно над электро­буром. При этом датчик будет воспринимать нагрузку на долото, за исключением веса электробура.

Устройство двух вариантов датчика показано на рис. 10.8. Отли­чие между ними заключается в том, что у одного измеритель переме­щения установлен снаружи упругого элемента (рис. 10.8,а), а у дру­гого—внутри него по оси (рис. 10.8,6).

Датчик осевой нагрузки первого типа имеет чувствительный эле­мент 2 с присоединительными резьбами на концах и с утонченной средней частью (выточкой), к торцевым поверхностям которой кре­нятся кронштейны 5 со смонтированными индуктивными преобразо­вателями перемещений 4 и / на концах. Для компенсации погреш­ности от температурных деформаций кронштейны изготовляют из того же материала, что и упругий элемент. Упругая деформация чувствительного элемента приводит к изменению зазора магнитной цепи преобразователя. Для исключения влияния изгибающих усилий на измерение осевой нагрузки устанавливают три пары индукцион­ных катушек, отстоящих друг от друга на 120°. В этом случае при деформации изгиба суммарный зазор между тремя парами катушек не изменяется. Стакан 6, уплотненный резиновыми кольцами 3, пре­дусмотрен для предохранения преобразователя от повреждения. Вну­тренняя полость между стаканом и упругим элементом заполнена трансформаторным маслом. Компенсация внешнего давления осу­ществляется с помощью лубрикатора 8. Соединительные провода от преобразователей выведены через каналы 7 и через уплотняющие вводы подключены к контейнеру с телеметрической аппаратурой Кабель 9 электробура проходит в центральном канале упругого эле­мента. Наружный диаметр корпуса датчика равен 185 мм, длина 900 мм, максимальная допустимая нагрузка 150 кН.

У датчика осевой нагрузки второго типа (рис. 10.8,б) чувствитель­ный элемент 4 длиной около 1 м имеет внутренние присоединительные резьбы на концах. Измеритель деформации представляет собой индук­тивный преобразователь, у которого магнитопровод 3 с обмотками жестко закреплен на кронштейне 2, а сердечник—на штоке 5 Кронштейн 2 неподвижно закреплен на опорном кольце 1, а положение штока 5 может регулироваться при настройке датчика, после чего он закрепляется жестко на кольце 6.

Кронштейн, шток и детали крепления преобразователя изготовле­ны из того же материала, что и чувствительный элемент. Этим дости­гается компенсация температурной деформации Кабель располагается в трубе эксцентрично, а лубрикатор 7—по центру. Наружный диа­метр датчика равен 185 мм, длина—около 1 м.

Турботахометр. Схема дистанционного турботахометра, предназначенного для измерения частоты вращения выходного вала турбобура с электрическим каналом связи, состоящим из колонны труб и окружающей породы, приведена на рис. 10.9.

В качестве глубинного измерительного устройства 1 применен тахогенератор магнитоэлектрической системы, приводимый во вра­щение от вала турбобура. При вращении ротора тахогенератора в обмотках его статора возбуждается переменная эдс, частота которой пропорциональна частоте вращения вала в единицу времени. Зажимы обмотки статора соединены с электрически изолированными частями колонны бурильных труб L и I специальным изолятором — раздели­телем 2. Это дает возможность использовать в качестве активной части устройства ввода сигнала нижнюю часть бурового инструмента длиной l, практически равной длине турбобура. Разность потенциа­лов между колонной труб 3 на устье скважины и заземлителем 9 подается на приемную аппаратуру, содержащую фильтр низких ча­стот 4, усилитель 5, частотомер 6, регистрирующий 7 и показываю­щий 5 приборы, Частота тока, измеряемая частотомером, пропорцио­нальна частоте вращения турбобура.

Шкала вторичного показывающего прибора градуируется в единицах частоты вращения.

Инклинометр типа ИИ-3 (рис. 10.10). Предназначен для измерения кривизны скважин. Прибор состоит из глубинного измери­тельного устройства и наземной аппаратуры. Измерительные им­пульсы с забоя скважины передаются по силовому кабелю электро­бура. В инклинометре применены времяимпульсные системы телеиз­мерения и частотное разделение измерительного и силового каналов.

Глубинный прибор встраивают в отрезок бурильной трубы длиной 3,5 м, изготовленный из немагнитной стали. На оба ее конца на­винчивают трубы-удлинители из немагнитного материала. Трубу с ин­клинометром устанавливают между электробуром и колонной бу­рильных труб. Три датчика выдают во вторичный прибор сигналы,. соответствующие значениям кривизны скважины (датчик угла кри­визны ДК), азимута скважины (датчик азимута ДА) и угла направ­ления отклонителя (датчик отклонителя ДО).

Все датчики выполнены контактными. Каждый из них имеет нулевой контакт К.Н, измерительный контакт КИ, укрепленный на стрелке чувствительного элемента, и вращающийся — опрашиваю­щий контакт КВ. Контакты KB приводятся во вращение одним син­хронным двигателем СД, частота вращения вала которого 2 об/мин. Кривизну скважины определяют по углу между касательной к тра­ектории скважины и вертикалью, азимут—по углу между горизон­тальной проекцией касательной к траектории и направлением зем­ного магнитного меридиана, угол направления отклонителя — по углу между плоскостью, в которой расположен отклонитель, и вертикаль­ной плоскостью, проходящей через ось скважины.

В качестве чувствительных элементов датчиков применены: в ДА — магнитная стрелка, в ДК — маятник-отвес, в ДО—ось с экс­центричным грузом.

Вращаясь, контакты KB поочередно замыкают контакты К.Н и КИ. При замыкании первого контакта начинается измерение, при замыкании второго — измерение прекращается. Продолжительность импульса пропорциональна углу поворота КИ относительно кон­такта КН, а следовательно, и значению измеряемых параметров.

Переключателем П датчики поочередно подключаются к цепи реле Р и управляют его включением и отключением. При замыкании контактов КН и KB любого из подключенных датчиков реле вклю­чается и самоблокируется до момента замыкания контактов КИ и KB того же датчика. При включении реле Р его нормально открытый контакт включает высокочастотный генератор Г, измерительный сиг­нал посылается на поверхность. Соответственно трем измеряемым параметрам генератор выдает три фиксированных частоты (в кГц):

f₁=45, f₂=35, f₃=25. Переключение частот осуществляется пере­ключателем П синхронно с переключением датчиков. Продолжитель­ность всего цикла составляет 7,5 мин, а измерения каждого пара­метра — 2,5 мин.

С учетом, что механическая скорость бурения сравнительно низ­ка, такая периодичность измерения вполне достаточна для того, чтобы получить необходимое число точек вдоль траектории скважи­ны. Цепи сигнала ГИУ и НИУ подключены к токйподводу присоеди­нительными филырами Ф1 и Ф2. Питание устройства инклинометра осуществляется от токового насыщающего трансформатора. Измери­тельные сигналы, поступающие в наземные измерительные устройст­ва, усиливаются в трехканальном усилителе У и вызывают сраба­тывание реле PI, P2 и РЗ в соответствии с частотой сигнала. При­емное реле управляет включением электромагнитных муфт сцепления ЭМ1, ЭМ2 и ЭМЗ указывающих приборов. При включении муф­ты стрелка прибора отклоняется на угол, соответствующий продол­жительности измерительного импульса, а следовательно, и значению измеряемого параметра.

В инклинометре ИИ-За (рис. 10.11) электромагнитное реле фор­мирования измерительных импульсов в глубинном снаряде заменено гиратронным реле, а измерительные датчики включаются с поверх­ности по «вызову».

В глубинном снаряде применены те же датчики, высокочастотный генератор (на лампе Л1), присоединительный фильтр и токовый трансформатор, что и в инклинометре ИИ-3. Переключение датчиков я фиксированных частот генератора путем изменения емкости в контуре задающего каскада осуществляется реле-искателем И, вклю­ченным в анодную цепь тиратрона Л3. Это реле реагирует на сигна­лы вызова частоты 10 кГц, посылаемые с поверхности от генератора вызова ГВ. Пройдя присоединительные фильтры Ф2 и Ф1, первичную обмотку трансформатора Т и полосовой фильтр ФЗ, вызывной сиг­нал поступает на сетку тиратрона Л3, вследствие чего зажигается и срабатывается реле-искателя. При отсутствии сигнала вызова ти­ратрон гаснет. Анодная цепь его питается переменным напряжением.

Чтобы переключить контакты реле с одного положения на дру­гое посылается сигнал вызова в течение некоторого промежутка вре­мени формирование измерительных сигналов осуществляется воз­действием датчика на режим генерации высокочастотного тока. При замыкании контактов КН и KB одного из подключенных датчиков ДК. ДО или ДА на сетку тиратрона Л2 подается положительное напряжение, тиратрон зажигается и включает цепь анодного напря­жения генератора. При замыкании контактов KB и КИ он шунти­руется—выключается анодное питание генератора. Применение ти­ратрона для управления работой генератора позволяет значительно уменьшить токи через контакты датчика, вследствие чего на работе схемы практически не сказывается переходное сопротивление кон­тактов.

Для питания анодных цепей генератора применен однополупериодный выпрямитель В. В датчике азимута предусмотрено арретирование магнитной стрелки в момент измерения при помощи меха­низма с кулачком, вращаемым двигателем СД. Переданный на по­верхность измерительный сигнал поступает на вход трехканального усилителя У, каждый канал которого является двухкаскадным резо­нансным усилителем с электронным реле на выходе.

В соответствии с частотой сигнала срабатывает одно из трех ре­ле (РА, РО или РК), которое включает электромагнитные муфты ЭМ указывающих приборов (приборы те же, что и в инклинометре ИИ-3).

Генератор вызывного сигнала состоит из задающего генератора Г и двухтактного каскада мощности. Инклинометр управляется кноп­ками А, О и К, которые включают реле РА1, РК1 и РВ1. Конструк­тивное оформление глубинного снаряда и наземной аппаратуры инклинометров ИИ-3 и ИИ-За аналогично.