[1]Полезная модель относится к области геофизических исследований скважин и предназначена для контроля положения инструмента буровой установки посредством измерения перемещения талевого каната в полиспастную систему буровой установки с барабанов лебедки.
[2]Важнейшим резервом в реализации задачи контроля перемещения инструмента является развитие и внедрение в практику геологоразведочных работ прогрессивного направления промысловой геофизики – геолого-технологических исследований, проводимого непосредственно в процессе бурения скважины, без простоя буровой бригады и бурового оборудования. Геофизические исследования скважин способны решать комплекс геологических и технологических задач, направленных на оперативное выделение в разрезе бурящейся скважины характеристик, экспрессного опробования и изучения выделенных объектов, обеспечения безаварийной проводки скважин и оптимизацию режима бурения с целью достижения оптимальных технико-экономических показателей процесса бурения.
[3]Датчик контроля перемещения инструмента геолого-технологических исследований представляет собой микроконтроллерный измерительный комплекс, который обрабатывает сигналы от датчика оборотов вала буровой лебедки и вычисляет положение талевого блока, рабочего инструмента бурового станка вдоль ствола скважины, и предназначен для использования в наземных системах сбора данных геолого-технологических исследований.
[4]Известен датчик угловой скорости и угловых перемещений (RU 120234, кл. G01P 3/36, 2012 г), содержащий источник электропитания, преобразователь напряжения, датчик оборотов, связанный с блоком электроники. Датчик оборотов включает корпус с герметичной крышкой, внутри которого по оси симметрии смонтирована ось с закрепленным на ней с возможностью вращения барабаном, выполненным в виде полого цилиндра со сплошным днищем. По периметру барабана на боковых стенках образованы зубья со 128 щелями между ними. Внутри корпуса смонтирован оптический сенсор, включающий светодиод и фотоприемник. Расчет модуляции светового потока от светодиода, проходящего через щели барабана и падающего на фотоприемник осуществляется, по заданному оператором в программе управления, алгоритма измерения. Выступающая из корпуса ось вращения барабана связана, например - механически, через шестеренчатую передачу, с объектом измерений, например - с вращающимся ротором двигателя турбобура бурового агрегата.
[5]Недостатком такой конструкции является сложность его эксплуатации, требующей многократного модулирования сигналов, как при подаче, так и при приеме сигналов считывания участвующих в работе датчика.
[6]Проблемой полезной модели является усовершенствование конструкции оптического датчика контроля перемещения инструмента.
[7]Техническим результатом полезной модели является повышение эксплуатационных характеристик датчика.
[8]Поставленная проблема и указанный технический результат достигаются тем, что оптический датчик контроля перемещения инструмента включает блок электроники, связанный с корпусом оптической головки, внутри которого смонтированы оптопара и на конце вала с возможностью вращения барабан, выполненный в виде полого цилиндра, с образованными по периметру периодически чередующимися между собой зубьями и щелями. Согласно полезной модели в корпусе оптической головки дополнительно смонтирована вторая оптопара, расположенная на печатной плате последовательно относительно первой оптопары. По периметру барабана образовано 25 зубьев и 25 чередующихся с ними щелей. Все щели равны между собой по ширине. Внешний конец вала снабжен посадочным местом для возможности установки на нем шкива.
[9]На посадочное место внешнего конца вала можно установить в зависимости от модификации контролируемого оборудования шкив под ремень или шкив под тросик.
[10]Вал оптической головки связан с валом контролируемого устройства с возможностью их синхронного вращения.
[11]Установка в оптической головке дополнительной оптопары позволяет удвоить количество рабочих импульсов, не прибегая к сложному модулированию сигналов при этом иметь на выходе два сигнала, характеризующие количество импульсов и направление вращения вала буровой лебедки. Импульсные сигналы в процессоре блока электроники оцифровываются и выдаются в программу верхнего уровня, как законченный материал для вычислений и регистрации.
[12]Зубья в количестве 25 штук и чередующиеся с ними 25 щелей позволяют получать сигнал в 50 импульсов. Указанное количество импульсов позволяет обеспечить точность измерения перемещения в диапазоне 1 см, что соответствует руководящим документам для геофизических исследований скважин. Возможное увеличение количества импульсов не требуется, так как приведет к усложнению и удорожанию электронной схемы, а уменьшение их количества снизит эксплуатационные характеристики датчика.
[13]Выполнение щелей равных по ширине обеспечивает равенство получаемых импульсов, влияющих на точность измерения.
[14]Выполнение внешнего конца вала с посадочным местом обеспечивает возможность установки на нем шкива под ремень или шкива под тросик, повышая тем самым эксплуатационные характеристики оборудования, позволяя использовать датчик на различных модификациях буровых лебедок.
[15]Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена оптическая головка датчика контроля перемещения инструмента, устанавливаемая в непосредственной близости с валом буровой лебедки, со шкивом под ремень; на фиг. 2 - разрез оптической головки; на фиг. 3 – увеличенный фрагмент оптической головки; на фиг. 4 – пример установки оптического датчика контроля перемещения инструмента, со шкивом под тросик.
[16]Оптическая головка датчика контроля перемещения инструмента включает блок электроники (на рисунке не показан), связанный через гермоввод 1 посредством кабеля, который установлен в корпусе 2. Внутри корпуса 2 на валу 3 с возможностью вращения установлен барабан 4, выполненный в виде полого цилиндра. По периметру барабана 4 образованы периодически чередующиеся между собой зубья 5 и щели 6 равные по ширине. Количество зубьев 5 и щелей 6 соответствует по 25 штук. В корпусе 2 оптической головки смонтированы на печатной плате 7 две оптопары: первая оптопара 8 и вторая оптопара 9. Оптопары 8 и 9 смонтированы последовательно друг за другом по периметру окружности. Внешний конец 10 вала 3 посадочным местом для возможности установки на нем шкива 11 под ремень или шкива 12 под тросик. Внешний конец 10 вала 3 оптической головки связан с валом контролируемого инструмента с возможностью их синхронного вращения.
[17]Датчик контроля перемещения инструмента устанавливают в непосредственной близости от вала лебедки со стороны установки тормозного вертлюжка. В разрыв вала лебедки и тормозного вертлюжка устанавливается шкив аналогичный шкиву 11 оптической головки. Шкив на валу лебедки и шкив 11 оптической головки связывают между собой ременной передачей.
[18]Могут быть использованы различные модификации привода: ременная передача (фиг. 1) или привод от тросика (фиг. 4). С помощью ременной передачи (или тросика), шкив датчика связан валом буровой лебедки. Тросик передает вращение непосредственно с участка вала буровой лебедки на шкив 12. Пазы под тросик должны быть равны диаметру вала лебёдки. Датчик монтируют в непосредственной близости от вала буровой лебедки на стойке (на фиг. не показано), входящей в комплект поставки датчика. Перед началом работы датчик настраивают на количество импульсов за один оборот. Для этого в приемном устройстве, которое унифицировано для работы с различным количеством импульсов на оборот, в программном окне указывают количество импульсов на оборот равное 50, так как количество щелей 6 барабана 4 составляет 25. Оптический датчик преобразует угол вращения вала 3 датчика в последовательность электрических импульсов. Количество оптических импульсов преобразуется в удвоенное количество электрических импульсов и используется для вычисления угла поворота вала 3, а начало импульсов от оптопары 8 или 9 – для определения направления вращения. Электронная часть датчика состоит из двух оптопар 8 и 9, последовательно смонтированных внутри корпуса 2. Счетный импульс формируется при открытии и закрытии оптопары 8 зубом 5 барабана 4. Сигнал количества импульсов обозначен Step (шаг). Таким образом, количество импульсов на один оборот равно удвоенному числу зубьев 5 (50 импульсов барабана 4 с 25зубьями).
[19]Принцип работы датчика контроля перемещения инструмента основан на преобразовании угла поворота барабана буровой лебедки в пропорциональное количество импульсов с последующим пересчетом их в линейное перемещение талевого блока (бурильной трубы, квадрата и т.п.).
[20]Плата электроники 7 преобразует две последовательности импульсов от оптопар 8 и 9 в счетные импульсы и определяет направление вращения вала 3 (10). В общем случае, количество импульсов на полный оборот вала 3 (10) указывается как один из параметров в программных средствах настройки датчика контроля перемещения инструмента. Блок электроники преобразует число импульсов в цифровой сигнал. В процессе калибровки в программах верхнего уровня оценивается правильность показаний частоты вращения вала 3 (10) лебедки с показаниями тахогенератора буровой установки. В конечном итоге в программе верхнего уровня в зависимости от диаметра талиевого каната, способа заполнения барабанов лебедки и коэффициента полиспастной системы буровой установки рассчитывают глубину или положение инструмента относительно нулевой отметки бурения скважины, с учетом приращения веса бурильной колонны.
[21]В настоящее время изготовлена опытная партия оптического датчика контроля перемещения инструмента и в течение 4 месяцев проведено успешное его испытание. Испытания датчика подтвердили повышенные эксплуатационные характеристики датчика, т.к. он позволяет за счет описанной выше конструкции определить направление вращения вала и величину линейного перемещения талевого каната.
