Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Успех в сооружении скважин во многом определяется проведением процесса бурения на оптимальных режимах работы породоразрушаю­щего инструмента. За критерий оптимальности часто принимается такой технико-экономический показатель, как механическая скорость буре­ния, зависящая от сочетания технологических параметров процесса (от режима работы ПРИ): осевой нагрузки, режима промывки (продув­ки), частоты оборотов, крутящего момента, частоты и энергии ударов.

Измерители веса снаряда и осевой нагрузки

Аппаратуру для измерения осевой нагрузки на буровых установках применяют чаще, чем какую-либо другую БКИА. Это вызвано ее большим значением в задании рациональной осевой нагрузки и пре­дотвращении аварий с буровым валом и ПРИ. Применение измерите­лей и индикаторов осевой нагрузки диктуется, кроме того, и услови­ями поддержания если не максимально возможной, то оптимальной механической скорости бурения. В настоящее время при тенденции к уменьшению диаметров скважин и увеличению их глубин важно весь­ма точно задавать осевую нагрузку на ПРИ.

Точки съема сигнала для измерителей веса снаряда и осевой нагрузки. В практике бурения геологоразведочных скважин применяют поверх­ностную аппаратуру для измерения осевой нагрузки на ПРИ и поверх­ностные устройства подачи инструмента, которая осуществляется со шпинделя или с лебедки. При специальных исследованиях используют забойные измерители осевой нагрузки (разрабатываются специально).

Задание осевой нагрузки начинается со взвешивания бурового сна­ряда в условиях скважины (с вращением бурового снаряда, промыв­кой и опусканием со скоростью, примерно равной механической ско­рости бурения). Затем вес снаряда (?сн или учитывается при задании осевой нагрузки, или компенсируется.

Осевую нагрузку на породоразрушающий инструмент при учете веса бурового снаряда Ссн и подаче инструмента со шпинделя рассчи­тывают по формуле

Ск=Ссн + Рв, (14.11)

где Ръ — дополнительное усилие, прикладываемое к верху бурового снаряда.

При бурении восстающих скважин <7СН имеет отрицательный знак:

0Х = -0СН + РВ. (14.12)

При подаче инструмента с лебедки осевую нагрузку определяют как

(14.13)

где б*,, —усилие на крюке в процессе бурения.

Компенсация веса снаряда применяется у геологоразведочных стан­ков с гидравлической подачей типа СКБ (подача со шпинделя); снаряд удерживается на весу «подпором» масла в нижних полостях гидроци­линдров подачи. В этом случае Сос = Рв.

В процессе бурения поддержание осевой нагрузки на одном уров­не или ее изменение (регулирование) производится путем стабилиза­ции параметра Рв (или Окг) или его соответствующего изменения тем или иным способом.

Наиболее распространенными в настоящее время являются измери­тели веса снаряда и осевой нагрузки, связанные с гидравлической сис­темой подачи станка и неподвижным концом каната талевой системы. Ниже указаны места установки измерителей веса снаряда и осевой нагрузки по точке съема сигнала (ТСС) в общей группе измерителей.

Точки съема сигнала для измерителей веса снаряда и осевой нагрузки

При подаче с лебедки При гидравлической подаче со шпинделя

SHAPE \* MERGEFORMAT

Гидравлическая система Траверса вращателя Шпиндель, патроны Буровой инструмент

Лебедка

Талевая система Буровая вышка Буровой инструмент

Датчики, связанные с неподвижным концом каната талевой системы, преобразуют растягивающее усилие в канате в пропорциональную силу растяжения или сжатия, давление, перемещение упругого элемента, кру­тящий момент. Для измерителей характерна погрешность, вносимая самой талевой системой: погрешность тем выше, чем меньше вес снаряда, т. е. и глубина скважины. С целью исключения погрешностей, вносимых талевой системой, встраивают датчики в опорную пяту крюка талевого блока, несмотря на такое неудобство, как подвижная проводная связь.

На рис. 14.13 показаны варианты схем преобразования усилия в не­подвижном конце талевого каната: в одном случае используется непо­средственно усилие, действующее на датчик (схемы а, г, д), в другом — усилие разлагается с помощью параллелограмма сил и используется горизонтальная составляющая (см. рис. 14.13,5, в). Усилие преобразу­ется в перемещение (см. рис. 14.13, а, в) — пружинный указывающий динамометр ДПУ, датчик веса рессорный ДВР; давление (см. рис. 14.13, б, в, г); силу сжатия (см. рис. 14.13, д, е) — сжатие магнитоупругого эле­мента (измеритель нагрузки МКН-1: датчики ДНР и ДНС).

Датчики, связанные с гидравлической системой станка, преобра­зуют давление масла в силу и далее в прогиб мембраны, ход подпру­жиненного поршня, деформацию трубки Бурдона, изменение магнит­
ных свойств ферромагнитных материалов и др. Для измерителей ха­рактерна случайная и неизвестная погрешности, вносимые трением поршней о цилиндры, перетоком масла из нижних полостей гидро­цилиндров подачи в верхние и, наоборот, загрязнением масла.

Гидравлический индикатор веса ГИВ-6 предназначен только для индикации и регистрации усилия в неподвижном конце каната тале­вой системы (т. е. и усилия на крюке) при бурении скважин. По виду записи данного усилия, зная технологический процесс, судят о про­изведенных операциях во времени.

В практике бурения скважин применяют несколько разновидно­стей индикаторов (ГИВ, ГИВД, ГИВГ), однако наиболее распростра­нен ГИВ-6. В зависимости от диаметра применяемого талевого каната и необходимого предела измерения ГИВ-6 выпускают трех модифи­каций, имеющих различную комплектацию (табл. 14.2).

Таблица 14.2. Модификации гидравлических индикаторов веса Комплект ГИВ-6-1 ГИВ-6-2 ГИВ-6-3 Трансформатор давления + + + Основной указатель + + + Верньерный указатель + Нет Нет Щит + + + Регистратор + + Нет Пресс-бачок + + +

Рис. 14.14. Полный комплект индикатора ГИВ-6: / — трансформатор давления; 2 —основной указатель; 3 — верньерный указатель; 4 — регистратор; 5 — пресс-бачок; 6 — вентиль; 7 — щит

На рис. 14.14 показан полный комплект индикатора, принципиаль­ная схема работы которого изображена на рис. 14.15. На неподвижном конце талевого каната трансформатор давления монтируется так, что канат оказывается преломленным между крайними роликами обоймы и средним опорным роликом, опирающимся на мембрану.

Рис. 14.15. Принципиаль­ная схема работы индика­тора

Под действием нагрузки на крюк непод­вижный конец каната испытывает растягиваю­щее усилие Р. Благодаря преломлению каната под углом а возникает сила Я, действующая на мембрану:

Я = 2Рйп а,

(14.14)

С другой стороны,

(14.15)

где р — давление жидкости в мессдозе, кгс/см2; Е— опорная поверхность мембраны, см2.

Приравнивая выражения (14.14) и (14.15), находим

2/>5Іпа

Р =

(14.16)

Таким образом, давление жидкости находится в прямой зависимо­сти от натяжения неподвижного конца талевого каната. Ввиду малого значения угла а сила К составляет только 10—15 % от усилия Р в ка­нате. Из выражения (14.16) усилие Р в неподвижном конце талевого каната составляет

о РР

2 віп а’ 2 тР

(14.17)

Нагрузка на крюк <2К

Л

(14.18)

где т — число роликов талевого блока; т| — КПД талевой системы.

Подставив из выражения (14.17) значение Р в формулу (14.18), получим

Q*P = jn^- (14.19)

т| sin а

При определенной конструкции мессдозы и талевой системы, имею­щей данный КПД, можно написать:

<2;Р=0>, (14.20)

где коэффициент пропорциональности

С = mF т) sin а ’

т. е. о нагрузке на крюке можно судить по отсчетам значений р на ма­нометре.

Выражением (14.17) не учтены жесткость каната и силы трения, которые при больших диаметрах каната приводят к нелинейной зави­симости между р и Р. Кроме того, практическая нелинейность харак­теристики определяется изменением угла преломления каната а при изменении силы Р за счет упругих деформаций мембраны.

Для пользования индикатором веса необходима тарировочная кри­вая, выражающая зависимость между показаниями прибора и величи­ной натяжения преломленного каната.

При выпуске с завода трансформаторы давления градуируются на канатах определенного диаметра. Значения верхних пределов измере­ния устанавливают путем регулирования угла преломления каната при помощи прокладок, устанавливаемых под обоймы боковых и средних роликов. Нижние пределы измерения во всех случаях устанавливаются при положении стрелки основного указателя на 10-м делении. Натя­жение каната при этом соответствует весу талевого блока и крюка.

Запись усилия на крюке ведется непрерывно на бумажном диске, приводимом во вращение часовым механизмом со скоростью 1 об/сут.

Бумажный диск имеет 100 концентрических окружностей с оциф­ровкой каждой 10-й окружности и 24 радиальные дуги, соответствующие часам в сутках (рис. 14.16). Часовые отрезки, в свою очередь, разделены на 4 части, каждая из которых составляет отрезок времени в 15 мин.

За начало отсчета принимается 10-я окружность (на основном ука­зателе 10-е деление), что позволяет учесть вес талевой системы, а так­же обнаружить течь в гидравлической системе по падению давления ниже 10-й окружности (деления).

Если линия записи проходит параллельно одной из окружностей, это значит, что за данный отрезок времени усилие на крюке не изме­нилось. И если в это время велось бурение, то оно велось с постоян­ной осевой нагрузкой.

В процессе бурения осевую нагрузку изменяет бурильщик в связи со сменой горных пород, или она может иметь небольшие колебания из-за неточности в регулировании подачи инструмента. Изменение

осевой нагрузки происходит и в том случае, если меняются буримые породы, а скорость подачи инструмента остается прежней. Последнее обстоятельство, например, облегчает определение момента встречи угольного пласта по резким (до 40 %) увеличениям показаний приборов.

Спуск инструмента на диаграмме отражается рядом пиков, увели­чивающихся по высоте и располагающихся примерно параллельно ра­диальным дугам. Количество пиков соответствует количеству опущен­ных свечей, а высота каждого пика — весу опущенного инструмента. Расстояние между точками начала и конца пика соответствует време­ни спуска свечи.

Графическое изображение подъема бурового инструмента на диа­грамме имеет вид, обратный спуску, т. е. соответствует ряду пиков, уменьшающихся по высоте.

Если запись будет вестись по 10-й окружности диаграммы, это свидетельствует о том, что нагрузки на крюке нет: снаряд поднят (идет, например, смена долота) или поставлен на подкладную вилку (ремонт насоса, простой), идет бурение с осевой нагрузкой, равной весу снаряда, и т. п.

На рис. 14.16 приведена суточная диаграмма записи работы (уси­лия на крюке) буровой установки.

Магнитоупругий компенсационный измеритель нагрузки МКН-1 пред­назначен для оснащения буровых станков с талевой системой по схе­ме с неподвижным концом каната, в который встраивается датчик усилий, определяющий усилие на крюке при взвешивании бурового снаряда, бурении, производстве СПО и других «грузовых» операциях (извлечение обсадных колонн, ликвидация прихватов натяжкой с по­мощью лебедки и т. п.).

Таким образом, измеритель МКН-1 предназначен для визуального контроля веса снаряда; визуального контроля и регистрации осевой на­грузки в процессе бурения; визуального контроля и регистрации уси­лия на крюке при спуско-подъемных операциях и аварийных работах.

Измеритель МКН-1 состоит из датчика нагрузки ДН (растяже­ния — ДНР или сжатия — ДНС; таково внешнее восприятие работы датчиков, чувствительный же элемент того и другого датчика восприни­мает усилие сжатия); показывающего и регистрирующего прибора ПРП; комплекта кабелей; устройства для монтажа датчика ДНС и перепус­ка каната УМН (поставляют по заявке заказчика).

Основой измерительных каналов МКН-1 является автокомпенса­тор переменного тока. Принцип действия датчика нагрузки основан на использовании магнитоупругого эффекта. Он состоит из двух элект­ромагнитных преобразователей (см. рис. 14.9, а), включающих обмот­ки возбуждения и ]¥в1, измерительные обмотки и ¥и2 со своими магнитопроводами. Нижний (по схеме) преобразователь обра­зует чувствительную секцию датчика, а верхний — компенсационную.

Обмотки возбуждения преобразователей 1¥в1 и соединены по­следовательно и питаются переменным током напряжением 36 В; изме­рительные обмотки И/, и Щ,2 соединены последовательно и встречно. При отсутствии усилия Р индуктивные сопротивления и напряжения возбуждения преобразователей одинаковы — 18 В. При этом напряже­ния, наводимые в измерительных обмотках, будут также равны между собой, и выходное напряжение датчика {/д в силу последовательного и встречного соединения измерительных обмоток будет равно нулю. Под действием усилия Р изменение магнитной проницаемости мате­риала чувствительного элемента приводит к изменению индуктивного сопротивления преобразователя. При этом напряжение возбуждения перераспределяется, и напряжения, наводимые на измерительных об­мотках, станут не равны между собой. На выходе датчика появится электрический сигнал, определяемый разностью этих напряжений ~ид.

На рис. 14.17 показана структурная схема измерителя МКН-1. Датчик нагрузки ДН воспринимает усилие, пропорциональное нагрузке на крюке Скр талевой системы (принята двухструнная талевая система) и преобразует его в электрическое напряжение (/,. Это напряжение по­дается на вход вторичного показывающего и регистрирующего при­бора ПРП1, который преобразует поданное напряжение в отклонение стрелок показывающих и регистрирующих устройств.

Прибор ПРП1 имеет два измерительных канала (и соответствен­но две шкалы со стрелками): «Вес» снаряда и «Нагрузку» на забой.

1:10,И

Ч,3* 2

о, шд

ДН

«вГ

“в

ОУ„

Редв

РДв

“н

а„г

оу„ РУ„

РД„

Редн

і ~36В л— о£

К„

Г
иос„ дг/
НУ
К,

. •

“в

к.

Тжв

Рис. 14.17. Структурная схема измерителя МКН-1

Канал «Нагрузка» используют также для измерения усилия на крюке при СПО и любых других грузовых операциях; в этом случае сигнал датчика уменьшается в 10 раз и инвертируется (он должен быть в про — тивофазе с сигналом обратной связи 1/ж„).

Переключатель 1П имеет три положения: / — «Вес», 2— «Нагруз­ка», 3 — «На крюке, ТхШ». Принцип работы измерительных кана­лов — это принцип работы автокомпенсатора переменного тока.

Рассмотрим работу узлов аппаратуры при различных положениях переключателя П1.

Положение 1 — «Вес». При этом положении переключателя произ­водят взвешивание снаряда. Работает канал (подсистема) взвешива­ния снаряда; при этом реверсивный двигатель РДН, питание статор­ной обмотки возбуждения компенсатора Кн, делитель напряжения (1 : 10, И) отключены. При взвешивании снаряда сигнал датчика [/д подается на вход канала «Вес», стрелка отклоняется на угол а", про­порциональный весу снаряда.

Положение 2— «Нагрузка». При переключении переключателя с пер­вого положения во второе отключается реверсивный двигатель РДВ, за счет сил трения ротор компенсатора К„ останется повернутым на угол а", пропорциональный весу снаряда; питание статорной обмотки возбуждения компенсатора Ке остается включенным, следовательно, сигнал обратной связи ижю пропорциональный углу а", т. е. и весу снаряда, подается на сумматор, происходит так называемое запоми­нание веса снаряда.

На сумматор подается и сигнал датчика £/,. Сигналы £/д и £/осв по абсолютной величине равны, но противоположны по фазе, поэто­му сумма их равна нулю: 1/а — 1/жв = 0. И если в момент переключе­ния стрелка шкалы «Нагрузка» находилась не на нуле, т. е. а" ф 0, то А[/= ижн, так как включено питание статорной обмотки возбуждения компенсатора КИ, и поскольку включен реверсивный двигатель РДН, канал (подсистема) «Нагрузка» сработает на сведение А11 к нулю,

т. е. если стрелка находилась не на нуле, то после взвешивания снаряда и перевода переключателя в положение 2 стрелка придет к нулю.

При задании осевой нагрузки усилие на крюке, следовательно, и в неподвижном конце каната снижается, уменьшается сигнал дат­чика 1/я, подсистема отработает сигнал обратной связи ижи, пропор­циональный углу поворота стрелки а" (пропорциональный отсчету осевой нагрузки):

Щ + ижн — ижв = 0, или икн = ижв — (/’,

где 1/осн пропорционально Сск, ижв пропорционально (7СН, Щ пропор­ционально (7кр в процессе бурения. Таким образом, измеритель МКН-1 автоматически решает известное из технологии бурения уравнение:

Положение 3 — «На крюке, ТхЮ». В этом случае включены в рабо­ту только звенья канала измерения осевой нагрузки, причем сигнал датчика ий вначале поступает на делитель напряжения (1 : 10), ин­вертируется (И), а затем уже на сумматор. В момент компенсации 6ГОСН-0,ШД = 0. Измеритель регистрирует уменьшенное в 10 раз уси­лие на крюке. Так решен вопрос об увеличении диапазона измерения канала «Нагрузка» и использовании его и для регистрации осевой нагрузки, и для регистрации больших усилий на крюке при СПО и других грузовых операциях.

Расшифровка диаграмм дает возможность составить и проанали­зировать баланс рабочего времени. Диск имеет часовой привод и де­лает один оборот за 24 ч, т. е. на диске записывается работа бурового агрегата за сутки.

Техническая характеристика измерителя МКН-1

Верхние пределы измерения

20 30 30/15 40 60 150/75 100 150 300/150 ±2,5

(для ЗИФ-ЗОО, ЗИФ-650,ЗИФ-1200), кН:

осевая нагрузка вес снаряда

усилие на крюке (при «грузовых» операциях)

Основная погрешность измерения, %

Дополнительная погрешность измерения, %:

±1,5 2,5 380 В (220 В), 50 Гц не более 40

на каждые 10 °С изменения температуры от ко­лебания напряжения питания на каждые 10% от номинального значения, %

Источник питания

Потребляемая мощность, В • А

Технические данные датчика: пределы преобразования, Тс выходное напряжение, соответствующее верхнему пределу преобразования, В основная допустимая погрешность, % источник питания потребляемый ток, гпА

0-3,75 2 1,5 36 В, (50 ±0,5) Гц не более 38

Магнитоупругий измеритель нагрузки МКН-2, предназначенный для оснащения станков с гидравлической подачей ЗИФ-650М и ЗИФ-1200МР, выпускают в двух вариантах. Первый вариант измерителя включает два спаренных датчика давления ДДС, подключаемые к нижним и верх­ним полостям гидроцилиндров подачи, и показывающе-регистрирую — щий пульт ПРП2 (применяется на станке ЗИФ-650М). Измеритель по второму варианту дополнительно включает датчик нагрузки ДН (ДНР или ДНС), встраиваемый в неподвижный конец каната талевой сис­темы (применяется на станках ЗИФ-650М и ЗИФ-1200МР). Основ­ным назначением МКН-2 является измерение и регистрация осевой нагрузки, а для второго варианта МКН-2, кроме того, измерение и регистрация усилия на крюке при СПО и других «грузовых» опе­рациях.

Структурная схема МКН-2 (рис. 14.18) во многом повторяет структурную схему МКН-1, имеет также канал измерения веса снаряда и канал измерения и регистрации осевой нагрузки, кото­рый используют также во втором варианте измерителя для измере­ния и регистрации усилия на крюке при СПО и других грузовых операциях.

Измерители давления и расхода промывочной жидкости

Правильное назначение и контроль за расходом и давлением про­мывочной жидкости в процессе бурения являются важными фактора­ми успешного бурения скважин. Одновременное наблюдение за по­казаниями расходомера и измерителя давления позволяет получать важную информацию о процессе бурения и работе насоса.

Рис. 14.18. Структурная схема МКН-2: положения переключателя: / — «вес», 2 —«вверх», 3 — «вниз», 4—«на крюке»

Различают давление атмосферное или барометрическое р6, избы­точное рк, абсолютное рл и разрежение рр. Связь между ними опре­делена формулами: р = ра-р6, ра = р6 + Р, РР = Р6~ Л,-

Измерители давления подразделяют:

•/ по роду измеряемой величины: барометры (рь), манометры (р), вакуумметры (рр), мановакуумметры (р и рр), дифференциальные ма­нометры (Ар);

✓ по принципу действия: жидкостные, пружинные, поршневые, электрические, радиоактивные и др.

Манометры для измерения давления газов и жидкости конструктив­но не отличаются. Класс точности рабочих трубчатых манометров 1,5, 2,5 и 4. Контрольные манометры (с двумя стрелками) изготовляют классом 0,5 и 1,0, образцовые — 0,2 и 0,35.

В бурении скважин наиболее часто применяют пружинные и элект­рические (с магнитоупругим преобразователем) манометры.

Чувствительными элементами пружинных манометров являются серповидная трубчатая пружина (трубка Бурдона), многовитковая труб­чатая пружина (геликс) и плоская мембрана (сильфон).

Рис. 14.19. Схема трубчатого манометра

На рис. 14.19 показан манометр с сер­повидной трубчатой пружиной. Пружина изготовлена из фосфористой бронзы или латуни, а для давлений свыше 20 МПа — из стали. Величина раскручивания труб­чатой пружины доходит до 10°.

Общий принцип действия пружинных манометров состоит в том, что под дейст­вием измеряемого давления чувствитель­ный элемент / деформируется и посред­ством передаточно-множительного меха­низма (4, 5, 6) деформация преобразу­ется в круговое движение стрелки 3 вдоль шкалы 2.

Класс точности рабочих трубчатых манометров 1,5; 2,5 и 4. Контрольные манометры (с двумя стрелками) изготов­ляют классом 0,5 и 1,0; образцовые — 0,2 и 0,35. Для измерения давления и разре­жения и одновременно для сигнализации служат электроконтактные трубчатые манометры (ЭКМ). Класс точности ЭКМ — 2,5.

Магнитоупругий измеритель давления предназначен для непрерыв­ного визуального контроля давления промывочной жидкости. Изме­ритель включает датчик и пульт. Магнитоупругий датчик давления (рис. 14.20) с помощью тройника 11 устанавливают в напорную ма­гистраль бурового насоса и закрепляют гайкой 10. Работает датчик при подключении через штепсельный разъем 7 по схеме магнитоуп-

ругого датчика усилий: Р= рБ, где р — давление в напорной магистрали; 5 — площадь дна сильфона 1 и 5, прижатого к торцу чувствительного (магнитоупру­гого) элемента 2, который является из­мерительным, элемент 3 — компенса­ционным. Катушки 8 (измерительная) и 4 (компенсационная) размещены внут­ри магнитопроводов 6 и 9 и соедине­ны между собой по дифференциально­трансформаторной схеме.

Рис. 14.20. Магнитоупругий датчик давления

Магнитоупругие измерители давле­ния выпускают в двух модификациях — МИД-1 и МИД-1а. Различие в модифи­кациях измерителей заключается в ис­точнике питания.

Принципиальная электрическая схема измерителя МИД-1 показана на рис. 14.21. Электрический сигнал от датчика Д подается через выпрямите­ли Д1 — Д4 на измерительный при­бор ИП М325. Схема измерителя МИД-1 включает феррорезонансный стабилизатор напряжения, в измери­теле МИД-1а стабилизатора напряжения нет. С помощью резистора КЗ производят регулирование амплитуды выходного сигнала. Рези­стор Я 5 используют для компенсации начального фона измери­тельной схемы «установка нуля», которая производится до включе­ния насоса.

Техническая характеристика	МИД
Характеристика источника питания:	МИД-1	МИД-1а
напряжение, В	380 ± 76	36 ±7
частота, Гц		50
Потребляемая мощность, В • А	6	1
Пределы измерения, мПа	0-5	0-10
Допустимая основная погрешность, % Дополнительная погрешность измерения, %: от изменения температуры окружающего	+ 4
воздуха на каждые 10 °С		±1,5
от колебания напряжения питания	±1,5	±4,0
Допустимая гидравлическая перегрузка датчика, %		100
Классификация способов и средств	измерения

расхода жидкости

В геологоразведочной практике для измерения расходов жидкостей применяют расходомеры, работающие с напорной и безнапорной, элект­ропроводной и неэлектропроводной, с чистой и загрязненной, инерт­ной и агрессивной жидкостями.

При сооружении скважин требуется измерять мгновенный расход при промывке скважины в процессе бурения, откачке воды из скважи­ны и количество жидкости, расходуемой за определенный промежуток времени или потребной, например, для заполнения скважины при там­понировании, цементировании, доливе при подъеме инструмента и т. д.- счетчики количества (объемные и скоростные).

В бурении скважин и технике используют расходомеры различ­ного принципа работы: электромагнитные, обтекания, переменного перепада давления, тахометрические, шариковые, ультразвуковые и др.

Счетчики количества определяют расход жидкости в весовых еди­ницах за определенный промежуток времени, расходомеры — в объем­ных единицах, отнесенных к единице времени (м3/ч, л/с, л/мин). В за­висимости от способа измерения счетчики количества подразделяют на объемные (расход определяют с помощью объемных устройств: мер­ных баков, поршневых устройств, счетчиков с овальными шестерня­ми) и скоростные (расход определяют по скорости потока).

Электромагнитные (индукционные) расходомеры основаны на из­мерении ЭДС, индуктируемой в потоке электропроводной жидкости, пересекающей при своем движении магнитное поле (рис. 14.22, а). Преобразователь расхода (датчик) состоит из трубопровода, вмонтиро­ванных в него в диаметрально противоположных точках двух электро­дов и электромагнитной системы. Трубопровод изготовляют из нефер­ромагнитной нержавеющей стали и изнутри футеруют электроизоля­ционным материалом. Индуктируемую ЭДС определяют измерением разности потенциалов двух электродов, введенных в жидкость. Она про-

Е=0

а

щ та А

*0 чГ

Рис. 14.22. Схемы датчиков расхода жидкости: о — электромагнитный датчик; б—датчики расходомеров обтекания; в — датчики турбинных расхо­домеров; г —датчики расходомеров переменного перепада давления; д —датчик расходомера перемен­ного уровня

порциональна скорости движения жидкости, т. е. при постоянстве се — чения трубопровода характеризует расход:

Е=В1и = В1(<2/Б), (14.21)

где./Г—разность потенциалов; В — магнитная индукция; / — расстоя­ние между электродами; и — средняя скорость движения жидкости; 0 — объемный расход жидкости; 5 — сечение трубопровода.

При круглом сечении трубопровода и 1= с! имеем

(?= (пс!2Е)/4В = кЕ, (14.22)

где ё — диаметр трубопровода; к — коэффициент пропорциональности.

где коэффициенты к, и к 2 соответственно учитывают неравномер­ность магнитного поля и шунтирующее действие металлической тру­бы, соприкасающейся с футеровкой.

Расходомеры обтекания нашли большое применение в технике. У расходомеров обтекания введенное в поток тело (поплавок, диск, крыло, поршень, шар и т. п.) воспринимает динамическое давление обтекающего его потока и перемещается в зависимости от величины расхода. Помещенное в поток тело является первичным преобразова­телем расхода в линейное или угловое перемещение. Величина пере­мещения является мерой расхода. Противодействующей силой потоку является вес тела, усилие упругой подвески или усилие пружины.

По степени свободы тела расходомеры обтекания подразделяют на две группы: у одних обтекаемое тело свободно и перемещается вдоль оси датчика на величину, пропорциональную расходу; у других обте­каемое тело закреплено на оси, и мерой расхода является угол поворота.

Расходомеры первой группы делят на расходомеры постоянного перепада давления (ротаметры, поплавковые, поршневые) и расходо­меры с изменяющимся перепадом давления (поплавково-пружинные).

К расходомерам второй группы относят расходомеры с поворотной лопастью.

На рис. 14.22, б приведены схемы основных типов датчиков рас­ходомеров обтекания: ротаметр, поплавковый датчик, поршневой дат­чик, поплавково-пружинный датчик с горизонтальным перемещением поплавка, датчик с поворотной лопастью.

Ротаметр включает коническую трубку и поплавок, устанавлива­ется в вертикальном положении; высота подъема поплавка является мерой расхода. Поплавковый датчик также устанавливают в верти­кальном положении. В поршневом датчике преобразователем расхода является поршень, вертикально перемещающийся во втулке с боко­выми окнами. В поплавковых и поршневых датчиках ход поплавка и поршня передается для дальнейшего преобразования скрепленному с ними штоку. У всех рассмотренных датчиков при изменении рас­хода жидкости изменяется площадь проходного отверстия, поэтому перепад давления остается практически постоянным.

В поплавково-пружинных датчиках с изменяющимся перепадом давления с горизонтальным перемещением поплавка, нагруженного пружиной, площадь проходного отверстия не изменяется. Перепад дав­ления у таких датчиков возрастает с увеличением расхода.

В БКИА применяют ротаметрические, поплавковые датчики и датчики с поворотной лопастью. Для измерения расходов жидкостей и газов под небольшим давлением существуют ротаметры с конической стеклянной трубкой, в которой под действием потока поднимается поплавок. Высота подъема поплавка отмечается по шкале и тем са­мым фиксируется расход жидкости или газа.

Струя протекающей через ротаметр среды заставляет поплавок под­ниматься до тех пор, пока эффективный вес его (7П (т. е. вес поплавка в измеряемой среде с учетом действия архимедовой силы) не будет уравновешен разностью давлений (р=р,-р2, где р, и р2 — соответст­венно давление снизу и сверху поплавка).

В условиях равновесия системы между внутренней стенкой трубки ротаметра и поплавком образуется кольцевой зазор, создающий ме­стное сопротивление для прохождения жидкости при неподвижно установившемся по высоте поплавке.

Перепад давления Ар для ротаметров является постоянным (Ар = С, Д где Л’ — миделево сечение, т. е. максимальное сечение поплавка, перпен­дикулярное оси ротаметра), если поплавок не касается стенок трубки и не зависит от величины расхода.

Таким образом, изменение расхода не влияет на величину пере­пада давления, а лишь определяет положение поплавка по вертикали и приводит к изменению площади кольцевого зазора. В идеальном случае расход жидкости должен был бы зависеть только от площади проходного сечения Я. Практически не весь напор Ар расходуется на увеличение скорости в суженном отверстии, а часть его тратится на тре­ние о стенки кольцевого сечения, образование завихрений до и после поплавка.

Недостатком ротаметров является необходимость внесения попра­вок в его показания при изменении удельного веса или вязкости среды.

Для измерения расходов жидкостей под большим давлением ис­пользуют металлические конические трубки и более сложную кон­струкцию датчика, обусловленную, в частности, необходимостью пре­образования и передачи показаний.

Рис. 14.23. Датчик поплавкового типа

Основными частями датчика поплавкового типа являются попла­вок 1 и конусная трубка 2 (рис. 14.23). Жидкость, проходя через дат­чик, приподнимает поплавок на высоту Я, пропорциональную рас­ходу 0. Движение поплавка с помощью ферромагнитного штока 3, индуктивной катушки 4, надетой на трубку 5 из неферромагнитного материала, и измеритель­ной схемы преобразуется в электрический сиг­

нал £/д, который пропорционален величине

вхождения сердечника в катушку Н, т. е. и рас­ходу 0.

Расходомеры с поворотной лопастью вклю­чают трубопровод и помещенную в нем лопасть, посаженную на ось. Мерой расхода является угол поворота лопасти а; противодействующей силой является вес лопасти, упругие силы под­вески или реакция пружины.

Угол поворота лопасти для измерения рас­ходов жидкостей выбирают до 70°. При боль­ших углах поворота резко снижается чувстви­
тельность датчика. Связь между расходом 0 и углом поворота лопасти с грузовым уравновешиванием определяют по формуле

0= К1ё а/сое а, (14.24)

где К — коэффициент, зависящий от конструкции и геометрии датчи­ка, веса лопасти и плотности жидкости.

Расходомеры переменного перепада давления предназначены для из­мерения перепада давления, создаваемого в зависимости от расхода жидкости с помощью сужающего устройства, трубного сопротивле­ния, напорного устройства или напорного усилителя.

Зависимость между перепадом давления Ар и расходом 0 опреде­ляется выражением

О = кРу[Ару, (14.25)

где /’—сечение диафрагмы; у —удельный вес жидкости; & —коэффи­циент, зависящий от параметров датчика и жидкости.

Для измерения перепада давления используют дифференциаль­ный манометр (дифманометр), проградуированный в единицах расхо­да (см. рис. 14.22, г). Общие недостатки расходомеров данного типа — квадратичная зависимость между расходом и перепадом сильно сужа­ет диапазон измерения расходомера; неравномерность деления шкалы (как следствие квадратичной зависимости); затруднительность их при­менения при измерении малых и пульсирующих потоков; ограничен­ная точность.

Расходомеры переменного перепада давления в силу своей исклю­чительной простоты изготовления находят применение для измерения больших расходов промывочной жидкости и когда не требуется вы­сокая точность измерения.

В тахометрических расходомерах в качестве преобразователя рас­хода чаще всего выступают турбинки (см. рис. 14.22, в), ротор, шарик, мерные вращающиеся элементы (камеры) и т. п., скорость вращения которых определяется скоростью потока или его объемным расходом. В зависимости от конструкции преобразователя тахометрические рас­ходомеры подразделяют на турбинные, шариковые и камерные. Тахо­метрические расходомеры, кроме основного преобразователя, вклю­чают преобразователь частоты вращения вала, шарика в частоту вра­щения импульсов, чаще всего электрических. Таким образом, частота импульсов является функцией расхода. Для измерения количества под­ключается счетчик импульсов.

Турбинные расходомеры бывают двух разновидностей: с танген­циальной (ось турбинки перпендикулярна направлению потока) и ак­сиальной (ось турбинки совпадает с направлением потока) турбинка — ми. Турбинные расходомеры широко используют в технике для изме­рения количества жидкости.

Из тахометрических расходомеров наибольшее распространение в практике сооружения скважин получили турбинные при проведе­нии исследований в скважине (определение перетоков) и при опре­

делении дебита скважин при откачке воды. Шариковые расходомеры промывочной жидкости в силу неудовлетворительной их работы с за­грязненной жидкостью не нашли применения.

Расходомеры переменного уровня, основанные на измерении высоты уровня жидкости в сосуде, в который непрерывно поступает жидкость и вытекает через отверстие в дне или боковой стенке, в основном применяют для измерения расхода жидкости, вытекающей из трубо­проводов в сосуды, работающие без давления.

Основными узлами расходомера являются емкость с профилирован­ным отверстием в дне или боковой стенке и измеритель уровня. При оп­ределенной конфигурации щели в боковой стенке можно добиться линейной зависимости уровня жидкости от расхода (см. рис. 14.22, д):

х = ~т=, (14.26)

у! у

где с — постоянный коэффициент, определяемый конкретной конфи­гурацией расходомера.

Классификация расходомеров по месту съема сигнала

Исходя из конкретных условий бурения геологоразведочных сква­жин (поршневые насосы, наиболее распространенная прямая схема промывки) и анализа формулы производительности поршневого насоса

0=1яШл, (14.27)

где т — число цилиндров; к — число ходов поршня в единицу време­ни; / — ход поршня; 5=5’п, где З1,, —площадь поршня; г| — коэффи­

циент заполнения цилиндров; для поршневых насосов двойного дей­ствия А: —число двойных ходов поршня.

*У= 2^п — ‘З’ш,

где 5„, — площадь сечения штока.

Схема установки датчиков расхода промывочной жидкости, пред­ставленная ниже, указывает места съема сигнала, соответствующих пер­вичных исходных параметров, функционально связанных с расходом.

Исходные параметры Частота оборотов вала двигателя, число двой­ных ходов поршня, длина хода поршня Расход жидкости, подаваемой в скважину, рас­ход жидкости на слив, импульсы давления Расход жидкости из скважины Объем жидкости, уровень

Места постановки датчиков

расхода

Буровой насос

Нагнетательная линия

Скважина

Зумпф

При нормальных условиях работы насоса мерой его производи­тельности служат частота оборотов вала привода, число ходов порш­ней, длина хода поршней, частота импульсов давления. Считая про­
изводительность насоса постоянной, можно, измеряя расход жидко­сти на слив, судить о расходе жидкости, подаваемой в скважину. Объем и уровень зумпфа служат мерой расхода подаваемой в скважи­ну жидкости в случае, если нет круговой циркуляции. Контролиро­вать расход жидкости, подаваемой в скважину, можно по расходу жид­кости, выходящей из скважины, если отсутствует поглощение или известна его интенсивность.

Основным местом постановки датчиков современных расходоме­ров является нагнетательная линия. В этом случае устраняются мно­гие помехи и факторы, вносящие погрешность в измерения.

Основные расходомеры (по принципу работы), применяемые в гео­логоразведочной практике:

электромагнитные, расходомеры обтекания с перемещающимся вдоль оси датчика телом обтекания (расходомеры постоянного пере­пада давления — ротаметры, поплавковые);

У с телом обтекания, закрепленным на оси;

У тахометрические турбинные (с тангенциальной или аксиальной турбинкой);

переменного перепада давления;

•/ переменного уровня.

Электромагнитные расходомеры ЭМР (ЭМР-2, ЭМР-3, ЭМР-4), предназначенные для измерения расхода воды и глинистого раствора, обеспечивают непрерывный визуальный контроль и постоянную точ­ность измерения расхода жидкости при широком изменении ее физи­ко-механических свойств: вязкости, плотности, температуры, давления.

Технические характеристики расходомеров приведены в табл. 14.3.

Электромагнитный расходомер ЭМР-2 предназначен для измере­ния расхода не содержащей масляных примесей промывочной жид­кости. Электромагнитный расходомер ЭМР-3 — для измерения расхода различных, в том числе и маслосодержащих, промывочных жидкостей. В отличие от расходомера ЭМР-2 расходомер ЭМР-3 имеет систему очистки электродов от маслосодержащих пленок. Электрическая очист­ка электродов производится при работе расходомера автоматически комбинированным воздействием постоянного тока (до 7 мкА) при по­даче на электроды малых отрицательных относительно корпуса датчи­ка электрических потенциалов и периодической подаче на электроды импульсов повышенного напряжения (120 В). Интервал времени очист­ки может быть установлен в пределах 6—8 с, а интервал между очист­ками — от 6 с до 2,5 мин.

Расходомер промывочной жидкости с поворотной лопастью РПЛ-1 относится к расходомерам обтекания. Расходомер включает датчик и пульт. Датчик монтируется в горизонтальном положении в разрыв нагнетательной линии (рис. 14.24) со штепсельным разъемом 7 и включает трубопровод 7 и лопасть 2, закрепленную на упругой под­веске 3, и индуктивный преобразователь (5—магнитопровод, 6— ка­тушки), расположенный с внешней стороны корпуса 4 напротив ло­пасти. Трубопровод и корпус датчика выполнены из нержавеющей

Параметры		Расходомеры
ЭМР-2	ЭМР-3	РПЛ-1	РС-ТПУ
Параметры промывочной жидкости:
диапазон измерения, л/мин	0-150	0-150	0-150	0-150
	0-300	0-300	0-300	0-300
плотность, г/см3 давление, мПа	0-10	0-10	0,9-1,3 0-6,3	1-1,3 0—10
температура, °С	0— +40	0— +40	0— +40	0— +40
Параметры источника питания:
напряжение, В	380 + 76	380 ±76	380 + 76	220 ±44
частота тока, Гц	50+1	50 ± 1	50+1	50 ± 1
Потребляемая мощность, В • А	40	50	40	40
Предел основной приведенной погреш­
ности, %	±4	±4	±4	±4
Дополнительная погрешность, %: при изменении напряжения питания
на каждые 10 %	+2	±2	±2	—
при изменении температуры окружаю­
щей среды на каждые 10 °С от 20 °С	±2	±2	±2	—
при изменении плотности жидкости
на каждые 0,1 г/см3	—	—	±1	—
Масса, кг:
пульта	15	8	12	8
датчика	12	8	11	12

1 2 1 6 2 Рис. 14.24. Схема датчика расходомера РПЛ-1

неферромагнитной стали, лопасть — из нержавеющей ферромагнит­ной стали.

Под действием потока жидкости лопасть отклоняется на соответ­ствующий угол а, являющийся мерой расхода жидкости. Противодей­ствующей силой является вес лопасти и упругие силы подвески. Лопасть выполняет роль сердечника индуктивного преобразователя; взаимодействует с преобразователем через неферромагнитную стен­ку а. С поворотом лопасти изменяется рабочая площадь индуктив­ного датчика, что, в свою очередь, ведет к изменению выходного сиг­нала ид.

Выпрямленный сигнал датчика подается на электроизмеритель­ный прибор, проградуированный в л/мин расхода. В схему измери­теля введен переключатель с рядом резисторов, которые включаются последовательно с измерительным прибором. Чем больше плотность жидкости, тем на больший угол отклоняется лопасть, больше разба­ланс схемы, т. е. и показания прибора при неизменном расходе жид­кости. Следовательно, с увеличением плотности жидкости в цепь вво­дят резистор с большим сопротивлением.

Техническая характеристика расходомера РПЛ-1 приведена в табл. 14.3.

Расходомер-сигнализатор промывочной жидкости РС-ТПУ пред­назначен для измерения расхода воды и глинистого раствора и пода­чи сигналов (световой и звуковой) при снижении расхода до аварий­ного значения. К расходомеру может быть подключен самописец.

Расходомер РС-ТПУ поплавковый постоянного перепада давле­ния, включает индуктивный датчик (рис. 14.25), измерительный пульт, самописец и сирену (звонок). Электрическая часть датчика собрана по трансформаторной мостовой схеме.

Рис. 14.25. Блок-схема расходомера РС-ТПУ: Д —датчик; П1 — переключатель плотности жидкости; У —усилитель; В — выпрямитель; П2 — пере­ключатель диапазонов; ИП — измерительный прибор; Per — регистратор; П — переключатель сигналь­ных расходов; ЭР — электронное реле; Р — электромеханическое реле; СП — сигнальные приборы (звуковой и световой сигналы)

Переключатель П1 с рядом резисторов устанавливают в положе­ние, соответствующее плотности жидкости (шкала переключателя имеет оцифровку: 1; 1,05; 1,1; 1,2; 1,3 г/см3).

Усиленный сигнал датчика подается на регистратор Per и через делитель напряжения (переключатель ПЗ) на электронное ЭР и элект­ромеханическое Р реле. При снижении расхода до значения уставки и ниже срабатывает реле и включаются световой и звуковой сигналы.

Измерение частоты оборотов породоразрушающего инструмента

В бурении геологоразведочных скважин передача крутящего мо­мента породоразрушающему инструменту осуществляется главным об­разом посредством бурового вала, получающего вращение с поверхно —

ста от бурового станка. При применении забойных машин 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.

Буровые станки, оснащенные трехфазными электродвигателями переменного тока и имеющие ступенчатые коробки перемены пере­дач (КПП), имеют фиксированные значения частоты оборотов вра­щателя.

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. В буровой контрольно-измерительной аппаратуре применяют механические (центробежные) и главным образом элек­трические датчики, а также индукционные тахометры, тахогенера — торы.

На рис. 14.26 показаны некоторые схемы датчиков-тахометров, применяемых в буровой аппаратуре (а, б) и регулируемом приводе, приведены примеры бесконтактных импульсных электрических дат­чиков, применяемых в буровых тахометрах (в, г).

а бег Рис. 14.26. Схемы датчиков буровых тахометров: а— датчик оборотов ДО аппаратуры ПКМ, ИРБ; б — тахогенератор постоянного тока; в —датчик с катушкой индуктивности и пластинкой постоянного магнита; г —датчик с герконом и пластинкой постоянного магнита

Тахометры широко применяют для измерения линейных скоро­стей (при предварительном преобразовании линейного перемещения в угловое), например скорости спуска и подъема инструмента, меха­нической скорости бурения (измеритель скорости бурения ИСБ).

Контроль частоты ударов гидроударных машин с энергией удара не менее 10 кН • м при бурении геологоразведочных скважин глуби­ной до 1000 м осуществляют с помощью измерителя частоты ИЧ, который включает датчик пульсаций давления и пульт. Датчик уста­навливают в напорной магистрали промывочной жидкости. Работа аппаратуры основана на использовании магнитоупругого эффекта, за­ключающегося в изменении магнитных свойств материала чувстви­тельного элемента датчика при воздействии давления (усилия) про­мывочной жидкости.

10-80 не более 1+4 10 (380 ±76) В, (50 ±1) Гц

Техническая характеристика ИЧ

Диапазон измерения частоты ударов, Гц Основная погрешность, %

Рабочее давление датчика, МПа Источник питания

Измерители и ограничители крутящего момента

Контроль крутящего момента на шпинделе (роторе) бурового станка дает возможность контролировать загрузку бурового инструмента в на­иболее опасном верхнем сечении, судить о загрузке привода, бурового станка, состоянии скважины, резких искривлениях ствола, смене пород, степени износа породоразрушающего инструмента. Знание крутящего момента на шпинделе и применение ограничителей крутящего момен­та позволяет избежать ряд осложнений и аварий в процессе бурения.

Съем сигнала, пропорционального крутящему моменту, может быть осуществлен со звеньев в цепи силовой передачи (валов, шестерен, муфт, цепных передач, бурового инструмента) исходя из потребляе­мой приводом (в частности, электродвигателем) мощности или мощ­ности на его валу.

Крутящий момент определяют произведением силы на плечо: М= /*>. Имея в кинематике передачи крутящего момента М элемент радиусом г (вал, шестерня), можно при постоянстве г, измеряя силу /% контро­лировать крутящий момент (рис. 14.27). При этом сила F в общем случае может быть разложена на тангенциальную и осевую состав­ляющие; в свою очередь, тангенциальная составляющая при передаче крутящего момента цепными передачами с помощью оттяжных роли­ков может быть разложена на две составляющие. Все эти варианты используют в буровых измерителях крутящего момента.

Эффект изменения свойств материала вала (магнитных характери­стик) под действием приложенного крутящего момента используется в датчиках ДМ конструкции СКВ НПО «Геотехника» (см. рис. 14.9, в).

При использовании асинхронного привода и жесткой кинемати­ческой цепи крутящий момент определяют косвенным путем по ве-

Рис. 14.27. Схемы преобразования крутящего момента в силу: а —датчик крутящего момента, встраиваемый в шлицевой вал; 5—схема работы измерителя момента ротора (ИМР); в —схема работы датчика аппаратуры ГП с применением косозубой пары шестерен; Д —датчик силы

личине потребляемой электродвигателем активной мощности в соот­ветствии с формулой

М = (14.28)

Л^акт = 3IIIсо§ ср, (14.29)

где М— крутящий момент, кН • м; 7Уакт — активная мощность, кВт; п — частота оборотов в мин.

Для измерения крутящего момента на шпинделе, считая электро­двигатель симметричной нагрузкой, необходимы датчик и напряжения и тока, включенные в одну из фаз электродвигателя. При этом необ­ходимо учитывать конкретные частоты вращения шпинделя и затраты мощности для приведения в действие силовой кинематики самого стан­ка (затраты мощности на холостое вращение). Данный принцип изме­рения возможен 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 использован в аппаратуре ОМ-40.

При использовании для привода буровых станков электродвигате­лей постоянного тока крутящий момент на их валу определяют по току возбуждения и току в якорной цепи (датчик момента ДМ аппа­ратуры КУРС-613).

Измеритель и автоматический ограничитель крутящего момента ОМ-40

Аппаратура ОМ-40 предназначена для оснащения станков ЗИФ-650М и ЗИФ-1200 с приводом от асинхронного электродвигателя и имею­щих ступенчатую коробку перемены передач, может быть исполь­зована и на других буровых станках с асинхронным электродвига­телем.

Поставка ОМ-40 для конкретного типа станка может осуществлять­ся в одном из двух вариантов: первый вариант — входят приборный

пульт, трансформатор тока типа ТКЛ-0,5Т 75а/5а кл. 0,5, гидравли­ческая панель защиты с комплектом гидравлических рукавов; вто­рой — входят те же узлы, кроме панели гидравлической защиты.

Аппаратура ОМ-40 обеспечивает при бурении измерение крутяще­го момента на шпинделе, световую предупредительную (мигающую) сигнализацию при перегрузке (первая ступень защиты) и автомати­ческое ограничение крутящего момента (вторая ступень защиты) путем приподъема снаряда — для первого варианта прибора и отключением электродвигателя станка — для второго варианта. При подъеме ОМ-40 обеспечивает измерение усилия на крюке, световую сигнализацию при перегрузке талевой системы (первая ступень защиты), автоматическое ограничение усилия (вторая ступень защиты).

Формула (14.28) относительно крутящего момента на шпинделе М (кгс • м) и усилия на крюке Скр (Тс) следующая:

М=Кі(Ккт/п), Скр = КііК^/п),	(14.30) (14.31)

где ЛГщст — активная мощность в Вт; п — частота вращения по паспорту бурового станка, установленная для бурения (частота вращения шпин­деля) или для подъема инструмента, об/мин; Кх и К2 — коэффициен­ты пропорциональности.

На рис. 14.28, а изображена блок-схема первого варианта прибора (с гидравлической панелью защиты), на рис. 28, б — структурная схема ОМ-40 второго варианта прибора (без гидравлической панели защиты).

Схему прибора по выполняемым функциям можно разделить на отдельные блоки: измерительный, сигнализации перегрузки, автома­тического ограничения, питания, гидравлической защиты, исполни­тельный механизм прибора для случая воздействия прибора на подъем шпинделя бурового станка.

Измерительный блок предназначен для преобразования измеряе­мых величин фазного напряжения и фазного тока электродвигателя в напряжение постоянного тока, пропорциональное величине крутя­щего момента на шпинделе бурового станка.

В измерительный блок входят:

V внешний измерительный трансформатор тока ТТ, служащий для преобразования значения тока, протекающего в одной из фаз статора асинхронного электродвигателя;

квадратичный фазочувствительный детектор КФД, предназна­ченный для получения сигнала постоянного тока, пропорционального активной мощности, потребляемой электродвигателем станка из сети;

У устройство компенсации потерь мощности холостого хода РНХ> электродвигателя и потерь в редукторе бурового станка и переключа­тель частоты оборотов шпинделя П1, служащие для получения сиг­нала, пропорционального крутящему моменту на шпинделе бурового станка;

V измерительный показывающий прибор ИП.

______ ПУсг2_ +[Ґ Установка! >’ г-« ИГГ “У™ 1

5380В 1 > 1 ’ 2РЗ 41 1

Измерительный блок

№ “220В Панель гидрозащиты

1+17+77+7/ Блок | {_ и 2 иг_ сш-нализации] "гїустГ

Перезагрузка Рис. 14.28. Автоматический ограничитель крутящего момента (ЭМ-40: а — блок-схема (ЭМ-40 (первый вариант); б — структурная схема ОМ-40 (второй вариант) с эле­ментами управления двигателем бурового станка; ТН — трансформатор напряжения; ТТ — транс­форматор тока; КФД — квадратичный фазовый детектор; Д—датчик; СК — гласующий каскад; ДН,, ДН2 —делители напряжения; PH** — регулятор напряжения холостого хода; ИП — изме­рительный прибор; У —усилитель; ПУст1, ПУ^ — переключатели уставок; 1Р, 2Р — электромаг­нитные реле; ЭР — электронное реле; СЛ — сигнальная лампа; Пер — переключатель мигающего света лампы СЛ; ЭПер — электронная часть переключателя; ^ — регулируемое напряжение ком­пенсации сигнала датчика при холостом вращении шпинделя (установка нуля); 11а — выходное напряжение датчика, пропорциональное крутящему моменту на шпинделе при бурении Мшп или усилию на крюке при СПО; МП —магнитный пускатель; БД —буровой двигатель; БС —буровой станок; £/лв — напряжение питания электродвигателя бурового станка; £/мп — напряжение питания обмотки пускателя; Л/дв, пав — крутящий момент и частота оборотов вала БД; Л/шп, лшп — крутя­щий момент и частота оборотов шпинделя БС

Трансформатор напряжения ТН включен на то же фазное напря­жение (фаза — нуль звезды статора электродвигателя станка) перемен­ного тока, что и измерительный трансформатор тока ТТ. Выходной сигнал детектора иа, пропорциональный значению активной мощно­сти, подается на базу транзистора согласующего каскада СК.

Так как при одном и том же значении момента увеличение час­тоты вращения шпинделя бурового станка ведет к увеличению по­требляемой электродвигателем активной мощности, то возрастает и напряжение на входе СК. Для сохранения неизменным диапазона из­мерения, при изменении частоты вращения шпинделя, переключа­тель П1 переводят в соответствующее положение (на пульте переклю­чатель П1 имеет шкалу частот вращения шпинделя; для ЗИФ-650М, например, это 87, 118, 188, 254, 340, 460, 576, 800 об/мин), и сигнал делится таким образом, что при одном и том же значении крутящего момента на любой скорости вращения на измерительный прибор по­дается одно и то же напряжение.

Входной сигнал, соответствующий моменту холостого вращения шпинделя бурового станка, компенсируется напряжением Ц

Для оценки нагрузки на крюке талевой системы, в процессе подъе­ма бурового инструмента, переключатель П2 переводят из положения «250 кг-м» в положение «25 (12,5 Тс)» (в других исполнениях при­бора «кг • см» — «Тс»), Верхний предел измерения прибора ИП стано­вится при этом равным 25 Тс при четырехструнной талевой оснастке или 12,5 Тс —при двухструнной оснастке.

Блок сигнализации перегрузки осуществляет сравнение сигнала, поступающего от измерительного блока с сигналом уставки (задаваемым переключателем ПЗ — «перегрузка»). При превышении сигналом вели­чины, заданной уставкой, включается световая мигающая сигнализа­ция. Это происходит как при перегрузке по моменту во время про­цесса бурения, так и перегрузке системы во время подъема бурового снаряда. При положении величины момента ниже значения уставки схема возвращается в исходное положение.

Схема сигнализации перегрузки работает и при подъеме бурового снаряда. При переводе переключателя ПЗ в положение «25 (12,5) Тс» значения уставок сигнализации изменяются в соответствии с измене­нием предела измерения показывающего прибора ИП. Блок автомати­ческого ограничения момента осуществляет сравнение сигнала, по­ступающего от измерительного блока, с сигналом уставки (задаваемым переключателем П4 — «ограничение»). Величина уставки измеряется включением соответствующего делителя напряжения. При превышении сигналом величины, заданной уставкой, включается световая сигнали­зация и отключается электродвигатель бурового станка (или поднима­ется шпиндель станка вместе с буровым инструментом — при воздей­ствии прибора ОМ-40 через панель гидравлической защиты на гидрав­лику бурового станка).

Это происходит при срабатывании реле 2Р: замыкаются контакты 2Р1, 2Р2 и 2Р4 (первый вариант ОМ-40), контакт 2РЗ — размыкается.

Контактом 2Р2 реле 2Р удерживается в сработавшем состоянии. Контакт 2РЗ разрывает цепь катушки магнитного пускателя ПМ элект­родвигателя бурового станка, и электродвигатель отключается.

Контакт 2Р4 включает соленоид панели гидравлической защиты (второй вариант прибора), и золотник панели переключает гидроси­стему бурового станка на подъем шпинделя вместе с буровым инстру­ментом.

Контакт 2Р1 включает лампу СЛ. Возврат схемы автоматического ограничения момента в исходное положение осуществляется при нажа­тии на кнопку Кн — «съем» (размыкание цепи питания реле 2Р). Возврат схемы в исходное положение возможен только после сниже­ния крутящего момента до нормального уровня.

При переводе переключателя П2 «момент — вес» в положение «25 (12,5) Тс» срабатывание схемы ограничения происходит при дости­жении стрелкой ИП деления 200, что соответствует нагрузке порядка 5 Тс на струну оснастки талевой системы и не зависит от положения переключателя П4.

Автоматическое ограничение по нагрузке на талевую систему вве­дено для предотвращения аварийной нагрузки на буровую вышку и предотвращения обрыва каната. При положении переключателя П2 «250 кг • м» и переводе переключателя П4 — «ограничение» в положе­ние «откл.» работа схемы ограничения крутящего момента блоки­руется.

Панель гидравлической зашиты состоит из:

•/ золотника с электромагнитным приводом переменного тока;

V основания с системой каналов и выходными отверстиями (для подсоединения гидравлических рукавов);

V предохранительного клапана, настроенного на давление 4,5 МПа.

После срабатывания реле 2Р (контакт 2Р4) схемы ограничения

момента сердечник соленоида подтягивается и перемещает команд­ный золотник панели. Масло от маслонасоса поступает в нижнюю полость цилиндров, и шпиндель поднимается в верхнее положение. После возврата схемы ограничения момента кнопкой «съем» солено­ид обесточивается, и золотники возвращаются в исходное положение.

5 9 6 Рис. 14.29. Лицевая панель ОМ-40

Прибор оформлен в виде двух узлов: пульта прибора (рис. 14.29) и гидравли­ческой панели защиты (для первого вари­анта прибора).

На лицевой панели прибора располо­жены показывающий прибор /; переклю­чатель 2 момент-нагрузка — «250 кг • м — 25 (12,5) Т»; переключатель 3 — скорость вращения шпинделя станка — «об/мин»; ручка 4— «установка нуля»; переключатель 5 уставок сигнализации — «перегрузка»; пере­ключатель 6 уставок автоматического ог­раничения — «ограничение»; кнопка воз­
врата 7 автоматики в исходное положение — «съем»; лампа-индикатор включения прибора 8 световое табло 9 о работе автоматики. На пра­вой боковой стенке корпуса прибора расположены два предохраните­ля и выключатель прибора, на нижней стенке — два разъема для под­ключения кабелей питания и панели защиты прибора, а также шпилька для защитного заземления корпуса. Прибор крепят на стене буровой, панель защиты — на станине бурового станка и с помощью гидравли­ческих рукавов ее подсоединяют к гидросистеме бурового станка.

В процессе бурения скважины на величину крутящего момента оказывает влияние частота оборотов бурового снаряда, глубина сква­жины, диаметр бурильных труб, тип и диаметр породоразрушающего инструмента, физико-механические свойства разбуриваемых пород, осевая нагрузка на породоразрушающий инструмент, расход очистного агента, техническое состояние скважины (количество шлама на забое, устойчивость стенок, искривление).

При установившемся процессе бурения и неизменных геолого-тех — нических условиях крутящий момент изменяется незначительно, в пре­делах (5—7) кг • м. Резкое изменение величины крутящего момента при неизменных параметрах технологического режима свидетельству­ет об изменении условий бурения скважины.

Резкое увеличение крутящего момента может указывать на обвал стенок скважины или прижог алмазного породоразрушающего инстру­мента, постепенное увеличение при одновременном уменьшении ско­рости углубки — на зашламование забоя скважины или на затупление инструмента, кратковременное при одновременном снижении механи­ческой скорости проходки — на самозаклинивание керна, резкое умень­шение — на обрыв бурового снаряда, плавное уменьшение с увели­чением скорости углубки — на уменьшение твердости разбуриваемой породы.

Снижение механической скорости бурения и уменьшение крутя­щего момента может свидетельствовать о зависании бурового снаряда на керне. С помощью прибора можно контролировать надежность за­клинивания и срыва керна. При срыве керна наблюдается резкое уве­личение крутящего момента до 100—150 кг • м и вслед за этим резкое его уменьшение.

При бурении на уголь прибор можно использовать для контроля встречи угольного пласта. В этом случае величина крутящего момен­та, как правило, уменьшается, так как уголь имеет меньшую твер­дость по сравнению с перемежающимися породами. При подъеме бу­рового инструмента прибор показывает нагрузку на крюке.

Техническая характеристика ОМ-40

0-2,5 0-250

Диапазон измерения крутящего момента на шпинделе, кН ■ м

Диапазон измерения усилия на крюке талевой системы при оснастке, кН:

2×3

1×2 0-125

0x1 0-62,5

Уставки сигнализации «перегрузка», кН • м:

при бурении 0,25; 0,50; 0,75; 1,00;

1,25; 1,50

подъеме снаряда 2,5; 5,0; 7,5; 10,0;

12,5; 15,0

TOC o "1-5" h z 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

изменении температуры окружающей среды

от значения 20 °С на каждые 10 °С ±2

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

Масса пульта, кг 15

Комментарии запрещены.