акустический датчик для контроля частоты вращения вала турбобура

Формула изобретения

Акустический датчик для контроля частоты вращения вала турбобура, включающий корпус с расположенным внутри него валом и узел соединения вала датчика с валом турбобура, отличающийся тем, что он снабжен расположенной в корпусе разрезной втулкой с поперечными щелями, расположенными на диаметрально противоположных образующих, статорными сегментами, роторными сегментами с верхними и нижними отражательными полукольцами, соединительным стержнем, разделительной и упорной втулками и гидросиреной, выполненной в виде роторного и статорного дисков, расположенных между узлом соединения и нижним статорным сегментом, а вал датчика выполнен с пазами вдоль образующей и продольным отверстием, в которое вставлен соединительный стержень, причем на одной стороне разрезной втулки в поперечных щелях последовательно размещены статорные сегменты, а на другой стороне втулки в поперечных щелях размещены отражательные полукольца роторных сегментов, которые установлены в пазах вала датчика и расположены в шахматном порядке по отношению к статорным сегментам, при этом верхние и нижние статорные сегменты выполнены в виде подшипников, а разделительная и упорная втулки последовательно установлены соответственно между нижним отражательным полукольцом нижнего роторного сегмента и статорным диском гидросирены и между роторным диском гидросирены и узлом соединения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области технической акустики и может быть использовано для получения забойной информации в процессе турбинного бурения наклонно-направленных скважин.

Известны устройства для контроля частоты вращения вала турбобура в процессе бурения, например, гидротурботахометры / 1 /.

Недостатком данного устройства является низкая надежность работы гидротурботахометра и низкая достоверность информации.

Наиболее близким по технической сущность к предполагаемому изобретению относится датчик, содержащий корпус, расположенный внутри вал и узел соединения с валом турбобура / 2 /.

Недостаток данной конструкции заключается в малом отношении сигнал/шум.

Задачей изобретения является увеличение отношения сигнал/шум за счет уменьшения уровня помехи путем многократного изменения распространения звуковой волны, приводящей к многократному отражению звуковой энергии, в ту часть канала, которая находится перед изгибом.

Решение задачи достигается тем, что корпус снабжен втулкой с поперечными щелями, расположенными на диаметрально противоположных образующих, на одной стороне втулки в поперечных щелях расположены статорные сегменты и на другой стороне втулки в поперечных щелях размещены отражательные полукольца, а на валу датчика встроены роторные сегменты, расположенные в шахматном порядке по отношению к статорным сегментам, причем верхние и нижние статорные сегменты выполнены в виде подшипников, между узлом соединения и нижним статорным сегментом расположена гидросирена, выполненная в виде роторного и статорного дисков.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявленное устройство снабжено статорными роторными сегментами для изменения направления движения звуковой энергии.

Таким образом, предлагаемое изобретение соответствует критерию "новизна".

Сравнение заявленного решения с другими техническими решениями показывает, что датчик для контроля числа оборотов вала турбобура известен / 2 /.

Однако введение новых элементов, в частности, набор статорных и роторных сегментов, позволяет увеличить затухание звука за счет многократного отражения волны перед изгибом в момент перекрывания звукопровода роторными сегментами.

Такое расположение сегментов уменьшает уровень помехи, а следовательно, увеличивает отношение сигнал/помеха.

Таким образом, предлагаемое изобретение соответствует критерию "изобретательский уровень".

Предложенное решение может быть неоднократно использовано на любых буровых установках до полного износа механической части при турбинном бурении нефтяных и газовых скважин.

Таким образом, предлагаемое изобретение соответствует критерию "промышленная применимость".

На фиг. 1 изображен продольный разрез датчика при закрытом звукопроводе; на фиг. 2 продольный разрез датчика при открытом звукопроводе; 3 показаны фрагменты расположения статорных и роторных сегментов относительно друг друга при вращении вала турбобура; на фиг. 4- приведена осциллограмма шума, последовательность бегущих волн и волновых пауз, сформированные в процессе вращения роторных сегментов относительно статорных.

Акустический датчик для контроля чистоты вращения вала турбобура содержит: 1 нижний соединительный переводник; 2 упорную втулку; 3 - разделительную втулку; 4 нижнее отражательное полукольцо первого роторного сегмента; 5 первый роторный сегмент; 6 верхнее отражательное полукольцо первого роторного сегмента; 7 нижнее отражательное полукольцо второго роторного сегмента; 8 второй роторный сегмент; 9 верхнее отражательное полукольцо второго роторного сегмента; 10 нижнее отражательное полукольцо третьего роторного сегмента; 11 третий роторный сегмент; 12 верхнее отражательное полукольцо третьего роторного сегмента; 13 соединительный стержень; 14 -верхний соединительный переводник; 15 вал датчика; 16 - верхний подшипник /четвертый статорный сегмент /; 17 втулку с поперечными щелями, расположенным на диаметрально противоположных образующих; 18 третий статорный сегмент; 19 корпус датчика; 20 второй статорный сегмент; 21 - нижний подшипник / первый статорный сегмент /; 22 статарный диск гидросирены; 23 роторный диск гидросирены / диск вращается от потока промывочном жидкости /; 24 соединительный узел / состоит из шлицевой полумуфты и квадратного стержня, перемещающегося внутри вала датчика/.

Статический режим. Акустические датчик для контроля частоты вращения вала турбобура размещается над третьей секцией шпиндельного турбобура 3ТСШ1-195 / или 3ТСШ-195 ТЛ /.

Сборка датчика.

Первая операция. На торец корпуса датчика 19 наворачивают верхний соединительный переводник 14 / см. фиг. 1 /.

Вторая операция. В пазы вала датчика 15, выполненные вдоль образующей, последовательно вставляют первый роторный сегмент 5, второй роторный сегмент 8 и третий роторный сегмент 11, затем для закрепления сегментов в пазах в отверстие вала вставляют соединительный стержень 13.

Третья операция. В широкие пазы, расположенные вдоль образующей разрезной втулки 17, последовательно вставляют верхний подшипник 16, третий статорный сегмент 18, второй статорный сегмент 20, затем в отверстие подшипника 16 вставляют верхний торец вала датчика 15 (с собранными элементами по второй операции), а на нижний торец вала 15 надевают нижний подшипник 21 и в узкие пазы, расположенные на диаметрально противоположной образующей разрезной втулки 17, вставляют верхнее отражательное полукольцо третьего роторного сегмента 12, нижнее отражательное полукольцо третьего роторного сегмента 10, верхнее полукольцо второго роторного сегмента 9, нижнее отражательное полукольцо второго роторного сегмента 7, верхнее отражательное полукольцо первого роторного сегмента 6 и нижнее отражательное полукольцо первого роторного сегмента 4.

Четвертая операция. Конструкцию с элементами, собранными по третьей операции, вставляют в корпус датчика 19, собранную по первой операции.

Пятая операция. В конструкцию, собранную по четвертой операции, последовательно вставляют втулку 3, статорный диск 22 гидросирены,роторный диск 23 гидросирены, упорную втулку 2 и наворачивают нижний соединительный переводник 1.

Шестая операция. На буровой на торец вала третьей секции / не показано / надевают на шлицы полумуфты соединительного узла 24.

Седьмая операция. Устанавливают над корпусом третьей секции турбобура / не показан/ собранную конструкцию датчика таким образом, чтобы квадратный стержень соединительного узла 24 попал в квадратное отверстие нижнего торца вала датчика 15, затем наворачивают нижний соединительный переводник 1 на торец корпуса турбобура. Датчик готов для работы.

Физические явления, лежащие в основе изобретения.

Роторный диск гидродинамической сирены вращается от потока промывочной жидкости с постоянной скоростью. Частота колебаний, излучаемая сиреной, определяется по формуле / 3 /



где

m число отверстий;

n число оборотов роторного диска сирены в минуту;

k номер гармоники.

Расчетные данные.

Число отверстий, m 6.

Число оборотов роторного диска, n 1000 об/мин.

Число гармоник, k 1,2,6.

Результаты расчета.

f1 100 Гц, f2= 200 Гц, f3 300 Гц, f4 400 Гц, f5= 500 Гц, f6 600 Гц.

Работа акустического датчика для контроля частоты вращения вала турбобура основана на явлении затухания звуковой энергии, вследствие изменения направления канала / изгиба /. Изгиб канала вызывает отражение части звуковое энергии в ту часть канала, которая находится перед изгибом. При изгибе канала на 90^o коэффициент прохождения Т / отношение амплитуды прошедшей волны к амплитуде падающей волны / расчитывается по формуле / 4 /



а коэффициент отражения R составляет



Затухание на изломе канала Du находят из выражения



где

k 2 hf/c

f частота звука;

h высота канала;

с скорость звука.

Многократное изменение направления канала для прохождения звуковой волны увеличивает затухание звуковой энергии, а следовательно, увеличивает отношение сигнал/шум и повышает точность измерения.

Конструктивно это достигается размещением в канале звукопровода на заданном расстоянии, например, четырьмя статорными и тремя роторными сегментами.

Динамический режим. При включении буровых насосов промывочная жидкость по бурильной колонне / не показано / поступает на турбинные лопатки турбобура / не показано / по каналу: между статорными 16, 18, 20, 21 и роторными 11,8, 5 сегментами / закрытый канал для звука, см. фиг. 1 и фиг. 3 /, затем через отверстия статарного 22 и роторного 23 дисков гидросирены или напрямую / открытый канал для звука, см. фиг. 2 и фиг. 3,б /в случае совпадения статорных 16,18,20 21 и роторных сегментов 11,8 и 5.

Вращение роторного диска 23 гидросирены от потока промывочной жидкости / роторные диск гидросирены свободно вращается в зазоре между статорным диском 22 и упорной втулкой 2, см. фиг. 1 и фиг. 2 /, относительно статорного диска 22 начинает генерировать шум / см. фиг 4.а /.

В момент открытого канала / см. фиг. 2 /, генерируемые звуковые волны от гидросирены проходят по звукопроводу в виде бегущих волн с интервалом времени T_БВ / см. фиг. 4,б /.

В момент закрытого канала (см. фиг. 1 ) звукопровода звуковые волны от гидросирены распространяются до первого препятствия первого роторного сегмента 5, затем волна изменяет направление на 90^o до второго препятствия разрезной втулки 17, снова волна изменяет направление на 90^o до третьего препятствия второго статарного сегмента 20, снова волна изменяет направление на 90^o до третьего препятствия второго статорного сегмента 20, снова волна изменяет направление на 90^o до четвертого препятствия-разрезной втулки 17, снова звуковая волна изменяет направление на 90,198> до пятого препятствия второго роторного сегмента 9 и так далее до выхода в канал бурильной колонны.

В результате многократного изменения направления звуковой волны в звукопроводе формируется информация в виде волновой паузы с длительностью T_ВП / см. фиг. 4,б /.

Периодическое перекрывание звукопровода вращающимися роторными сегментами приводит к формированию последовательности бегущих воин T_БВ и волновых пауз T_ВП, число которых, например, волновых пауз Т_ВП пропорционально числу оборотов вала турбобура / см. фиг. 4,б /.

На поверхности акустическим приемником / не показан / воспринимается информационный сигнал в виде последовательности бегущих волн и волновых пауз, преобразуется электронными блоками и поступает на вход регистратора, шкала которого проградуирована в об/мин / не показан /.

Предложенная конструкция датчика для контроля частоты вращения вала турбобура при его реализации позволит по сравнению с известными техническими решениями увеличить механическую скорость и проходку на долото за счет поддержания заданного значения осевой нагрузки на долото по геологе-технологическому наряду.