Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Для решения многих гидрогеологических и инженерно-геологиче — ских задач необходимы детальные сведения о фильтрационных свой­ствах горных пород, проницаемых и водоносных пластах. Большими возможностями для получения данных сведений обладает метод расхо — дометрии, основой которого является измерение потока воды, цирку­лирующей по стволу скважины. Для решения ряда других гидрогеоло­гических задач необходимо проводить наблюдения за уровнем жидко­сти в скважинах.

Для решения вопроса снабжения подземными водами необходимы сведения по уровню (статическому и динамическому) воды и дебитускважин при откачках.

Сое	^мех		е	п	Краткая расшифровка фрагмента
1						«Увеличение» иМС1 вызвано повы­шением +Р,„„ и изгибом буровой колонны
						Встречены породы с более высо­кой буримостью
	1					Встречен, например, пропласток угля
1						Затупление коронки
1 г						Трещиноватые породы Подклинка керна Проскальзывание дисков фрик­циона
«						Уменьшение 0, зашламование за­боя (возможен прижог коронки)
	1					Момент аварии с бурильными тру­бами (скручивание)
и						Остановка в подаче инструмента, («шпиндель вверх»), промывка с вращением

Скважинные уровнемеры в геологоразведочной практике предназна­чены для измерения уровня жидкости (главным образом воды) в сква­жинах при бурении, гидрогеологических исследованиях, откачках и для наблюдения за изменением уровня в скважинах в течение длительного времени, измерения уровня в емкостях (в частности, в зумпфе).

По принципу действия уровнемеры бывают:

✓ механические (поплавковые);

✓ гидростатические (действие столба жидкости на заглубленный манометрический преобразователь);

■/ пьезоэлектрические (работающие по принципу измерения дав­ления воздуха, вдуваемого под слой жидкости);

■/ акустические (время прохождения ультразвуковых волн до зер­кала воды или в слое воды);

✓ электрические (емкостные, электрического сопротивления);

•/ гидродинамические, радиоактивные, фотоэлектрические, объем­ные, тепловые, весовые и др.

В зависимости от характера показаний уровнемеры подразделяют на фиксирующие значения уровня непрерывно, дискретно с измене­нием уровня на заданную глубину и фиксирующие максимальное и минимальное значения уровня.

В зависимости от целей наблюдения за уровнем уровнемеры делят на уровнемеры разовых и периодических замеров (измеряющие уро­вень через заданное время) непрерывного наблюдения.

По виду предоставляемой информации бывают уровнемеры инди­кации (звуковые, световые, электрические сигналы), с измерительны­ми приборами и с графической записью — самописцы; более слож­ные комплексы включают измерительные показывающие приборы и регистраторы.

В зависимости от расстояния передачи информации уровнемеры под­разделяют на уровнемеры местного и дистанционного измерения, в зави­симости от вида чувствительного элемента — на поплавковые, с электри­ческим чувствительным элементом, упругим чувствительным элементом.

В зависимости от способа измерения бывают уровнемеры: непо­средственно измеряющие уровень, т. е. следящие за изменением по­ложения зеркала жидкости (контактные и бесконтактные), и уровне­меры, косвенно измеряющие уровень.

Из уровнемеров косвенного слежения за уровнем воды наиболее простыми по конструкции являются уровнемеры, включающие мано­метрического типа преобразователь давления столба жидкости, уста­новленный на фиксированной глубине и при необходимости (напри­мер, при больших понижениях при откачках) приспускаемый также на фиксированную глубину.

В связи с тем что удельный вес и температура жидкости в сква­жине стабильны, изменение давления столба жидкости над датчиком без особой погрешности отражает колебания уровня. Для более точ­ных измерений предусмотрены параллельные наблюдения за баромет­рическим давлением.

В практике сооружения геологоразведочных скважин и проведе­нии гидрогеологических исследований наиболее распространены кон­тактные уровнемеры, непосредственно измеряющие уровень. В качест­ве чувствительного элемента используют «хлопушки», поплавки, элект­родные группы. Соприкосновение чувствительного элемента с зеркалом воды может быть периодическим или постоянным, что определяется технологией работ. В качестве линии связи используют ленты, шнуры, тросики, электрические провода, которые часто одновременно выпол­няют роль и мерительного инструмента.

Колебания уровня воды преобразуются в перемещение гибкого звена, что используется для работы перописца, отсчетного цифрового устройства, перфоратора ленты и др. механизмов регистрации уровня.

Точность измерения уровня воды контактными уровнемерами при использовании механической линии связи с поверхностными вторичны­ми преобразователями зависит от многих факторов: кривизны и шеро­ховатости стенок скважины и обсадных труб, трения в подшипниках на­правляющего ролика, трения проволоки (тросика) о стенки скважины.

На рис. 14.39, а представлена общая схема многих электрических скважинных уровнемеров, используемых при разовых замерах в слу­чае нахождения зеркала жидкости в закрепленной части скважины.

/ 2

а

I

Рис. 14.39. Схема уровнемера: а — с электронным реле; б — с гальванической парой

)

Уровнемер включает рулетку с изолированным измерительным проводом 4, на конце которого закреплен электрод (контактная груп­па) 3. В рулетку вмонтированы электронное реле 1 с источником пи­тания и микроамперметр 2 на 50—100 цА в качестве индикатора.

Одним из проводников является обсадная труба 5. При контакте элект­рода с водой замыкается электрическая цепь, что вызывает срабаты­вание электронного реле и подачу сигнала на микроамперметр; отсчет берется по измерительному проводу.

На рис. 14.39, б представлена электрическая схема уровнемера с гальванической парой, во многом повторяющая первую схему. Уров­немер предназначен для измерения уровня воды в закрепленных сква­жинах, включает рулетку с измерительным изолированным проводом 4 в изоляторе 6 с грузиком 8 и микроамперметр 2 на 50—100 цА. Оголенный конец провода обернут цинковой пластинкой 7. При сопри­косновении электрода с водой образуется гальваническая пара Тх — Бе; момент соприкосновения четко фиксируется по микроамперметру. Отсчет берут при подъеме — при размыкании электрической цепи. Диапазон измерений —до 100 м; предел допускаемой основной по­грешности ±0,5 см.

Уровнемер УНВ-ТПУ предназначен для наблюдения за понижени­ем столба жидкости при проведении гидрогеологических исследова­ний экспресс-методом путем налива воды в скважину (рис. 14.40). Он включает скважинный датчик и наземный пульт-индикатор. Дат­чик с пультом соединены двухжильным кабелем 4. Датчик представляет собой колонну, собранную из пятиметровых трубок 3 диаметром 20 мм из неферромагнитного материала (латунные, медные, титановые, из не­ржавеющей неферромагнитной стали), на наружной поверхности кото­рых через 25 см в стаканчиках из неферромагнитного материала за­креплены герметизированные контакты (герконы-ГК) с резисторами, а внутри помещен поплавок 1 с пластинкой постоянного магнита 2. Одним из проводников является сама трубка датчика, и при свинчи­вании трубок производят соединение этих проводников. Отрезки вто­рого проводника при сборке датчика соединяют с помощью штекер­ных разъемов и далее — с одной из жил кабеля. Вторую жилу кабеля и соединяют с корпусом датчика. Принцип работы уровнемера заклю­чается в следующем. При прохождении пластинки магнита около гер — кона под воздействием магнитного поля контакт замыкается и элект­роизмерительный прибор ИП дает отсчет в соответствии с величиной сопротивления резистора Л1.

С помощью уровнемера можно замерять понижения до 5, 10, 15 м и более, приспуская датчик на 5 м после каждого понижения уровня на длину колонны трубок (5 м).

Спуск датчика производят на тросике или кабеле до налива воды в скважину. В момент срабатывания нижнего геркона ГК20 (питание включено) фиксируют статический уровень, на кабеле у устья сква­жины делают метку, датчик приподнимают и через каждые 5 м де­лают метку. Высота приподъема определяется высотой столба воды (повышением уровня при наливе), например при высоте столба 10 м делают один приподъем на 5 м.

При включенном питании уровнемера производят налив воды в скважину. При повышении уровня свыше 5 м (если датчик при-

Рис. 14.40. Схема уровнемера УНВ-ТПУ: а — принципиальная электрическая схема;

6 — схема датчика

поднят на 5 м) через каждые 25 см срабатывают герконы (ГК20-ГК1, R2Q — RI), что фиксируется отклонением стрелки прибора до отсче­тов 20; 19; … 1. При достижении столба воды в 10 м срабатывает гер­кон ГКНО нулевого отсчета, стрелка прибора отклоняется на полную шкалу. При продолжении налива поплавок поднимается выше нуле­вого геркона, что фиксируется возвращением стрелки прибора в на­чало шкалы.

Налив воды прекращается, уровень падает, и в момент срабатыва­ния нулевого геркона включается секундомер. Через 25 см понижения уровня срабатывает первый геркон, отмечается время падения уровня на 25 см и т. д., пока не сработает двадцатый геркон, что соответствует падению уровня на 5 м. Затем датчик приспускают на 5 м (до метки на кабеле), и уже следующее срабатывание геркона ГК1 будет соответ­ствовать понижению 5,25 м, геркона ГК2 — 5,5 ми т. д.

Эффективность применения уровнемера УНВ-ТПУ особенно ве­лика при низких статических уровнях.

Схема компоновки скважинных уровнемеров для длительных наблю­дений за колебаниями уровня путем непосредственного измерения по­казана на рис. 14.41.

т

г

т

а б в г

Рис. 14.41. Схемы компоновок скважинных контактных уровнемеров

Наиболее простой и распространенной является компоновка по схеме а (см. рис. 14.41) с использованием поплавка 3 с постоянным контактом с зеркалом воды и гибкой связи 2 с поверхностным отсчет — ным 1 (измерительным, регистрирующим) устройством: контактный уров­немер со следящей системой КУРС-2, комплекс КПВ-4 ВСЕГИНГЕО.

В схемах б, в иг (см. рис. 14.41) использованы электродные груп­пы 3 с одним, двумя или тремя электродами, расположенными по вертикали, и скваженным регистрирующим узлом 4. При этом элект­родная группа у одних уровнемеров расположена постоянно у зеркала воды и отслеживает колебания уровня в заданное время, у других — приподнята (вплоть до устья скважины) и в заданное время спуска­ется для взятия замера через блочек 5 (уровнемер скважинный ре­гистрирующий УСР ВСЕГИНГЕО).

Скважинный прибор с механизмом перемещения может быть ста­ционарно закрепленным у устья скважины (регистратор уровня цифро­печатающий РУЦ-2 ВСЕГИНГЕО и регистратор уровня воды в сква­жине РУВС-1 НПО «Узбекгидрогеология») или для перемещения элект­родной группы сам перемещается по натянутому в скважине тросику (ГГП-20 СКВ НПО «Геотехника»). Техническая характеристика при­веденных уровнемеров представлена в табл. 14.7.

Скважинные расходомеры по принципу действия (некоторые из них применяются как дебитомеры) подразделяются:

У на расходомеры, основанные на принципе постоянного перепа­да давления;

V скоростные тепловые расходомеры;

V тахометрические, у которых чувствительным элементом являет­ся крыльчатка (турбинка, вертушка).

Наибольшее распространение получили тахометрические расходо­меры (табл. 14.8). Расходомер состоит из скважинного датчика и на­земного измерительного блока. В общем случае скважинный датчик включает полый корпус с окнами для прохода жидкости. Рабочим элементом датчика является расположенная на оси аксиальная тур-

Параметры	КУРС-2	ГГП-20	РУЦ-2	РУВС-1	УСР
Максимальная глубина началь­
ного уровня, м	100	100	60	100	0-50
Амплитуда колебаний уровня, м	±20	±10	±10	±10	0-3
Погрешность измерения, см	1	±0,2	±1	±1	±3
Диаметр электродной группы, мм	12
Диаметр поплавка, мм			70
Источник питания, В	220
Число замеров без замены источ­
ника питания	120			360	2500
Периодичность замеров, ч	12		1; 12	12	12
Размеры прибора (диаметр, дли­
на), мм	74; 2300		73; 1300	73; 1150
Масса прибора, кг	10,2		6		28,4

Таблица 14.8. Технические характеристики скважинных расходомеров Параметры ДАУ-3 ТСР-34/70Э ТСР-70Ф РСМ-40 Порог чувствительности, л/с 0,005 0,005 0,02-0,05 Пределы измерения, л/с: в воде 0,015-15 глинистом растворе 0,05-15 Погрешность измерения, % ±6 ±5 5 5 Размеры датчика 73; 1100 34; 1000 70; 2000 40; 1100 (диаметр, длина), мм 70;1000 Промывочная жидкость Вода, Вода Вода, глинистый глинистый раствор раствор Источник питания, В 18 36; 220 Масса комплекта, кг 6 5 10 6,8

бинка; ось закреплена в подпятниках. Под действием потока жидкости турбинка вращается со скоростью, пропорциональной расходу потока.

Скважинные датчики расходомеров включают изолированные то­коподводящие провода с контактами (электроды, геркон, обмотка ин­дуктивного датчика, источник света и фотоэлемент), монтируемыми в корпусе датчика, и бесконтактный прерыватель тока, монтируемый на оси турбинки. Прерыватель тока работает по одному из вариантов: герметизированный контакт (геркон) — пластинка постоянного магни­та; индуктивный датчик — пластинка из ферромагнитного материала; токоподводящие электроды, диаметрально расположенные относительно оси турбинки,— изолированный, проходящий через ось контакт (шты­рек); источник света и фотоэлемент — затемненные полосы на прозрач­ных лопастях турбинки, перекрывающие луч света при ее вращении.

При каждом обороте турбинки в схему на наземный пульт по ка­белю подается импульс напряжения, который фиксируется электри­ческим счетчиком МЭС-54. По секундомеру с использованием показа­ний счетчика (числа импульсов) определяют частоту импульсов и с по­
мощью тарировочных графиков — расход жидкости. При автономной работе датчика число оборотов турбинки фиксируется, например, в виде черточек на фотобумаге, равномерное движение которой обеспечива­ется часовым механизмом.

Скважинные датчики устанавливаются с центрирующими фонаря­ми или без них. При больших диаметрах скважины датчики оборудо­ваны пакерами; в этом случае расход потока по стволу скважины оп — ределют с учетом коэффициента, определяемого экспериментально.

Расширение диапазона измерения производится за счет сменных турбинок с различным шагом, за счет перекрытия канала и пропуска той или иной части жидкости через датчик. Спускают датчик в сква­жину на проволоке или кабеле.

С помощью скважинного расходомера может быть определено и направление потока по стволу; в этом случае сравнивают частоту им­пульсов при спуске и подъеме датчика с одинаковой скоростью: часто­та импульсов будет больше при встречном потоке. Некоторые расхо­домеры позволяют определять направление осевого потока по стволу скважины непосредственно при измерении расхода.

Аппаратура для замера дебита при откачках воды из скважин

Расходомеры (дебитомеры) переменного уровня основаны на изме­рении высоты уровня жидкости в сосуде, в который непрерывно по­ступает безнапорная жидкость и вытекает через отверстие (щель) в дне или боковой стенке — щелевые расходомеры (см. рис. 14.22, д).

Данные расходомеры могут быть применены в качестве дебито- меров при откачках воды из водозаборных скважин любым способом. Достоинства дебитомера — простота и несложность наладки, возмож­ность измерения расходов жидкостей с переменной плотностью, ис­пользования серийно выпускаемых измерителей уровня, служащих ме­рой расхода, и вторичных приборов.

сА[у.

При определенной конфигурации щели (см. рис. 14.22, д) можно добиться линейной зависимости уровня жидкости от расхода:

(14.35)

где с~ постоянный коэффициент, определяемый конкретной конфи­гурацией расходомера.

Рис. 14.42. Датчик дебитомера ТД-ТПУ: а — схема датчика; б —индуктивный преобразователь

Недостатки дебитомера — большая инерционность, низкая точность, обмерзание щели, емкости и уровнемера в зимнее время.

Тахометрический дебитомер ТД-ТПУ предназначен для измерения и регистрации дебита скважин при откачках насосами с выдачей не­прерывного потока жидкости. Дебитомер включает датчик с индуктив­ным преобразователем (рис. 14.42), измерительный пульт и самописец.

Датчик работает по принципу тахометрического расходомера с тан­генциальной турбинкой со снятием противодавления на лопатки с по­мощью обводного канала. Жидкость, проходя через датчик, вращает ротор 1 с лопатками 3 с частотой, пропорциональной расходу потока О. На лопатках из неферромагнитного материала закреплены пластинки 4 из ферромагнитного материала. Индуктивный преобразователь 2 собран по дифференциально-трансформаторной схеме. Импульсные сигналы датчика подаются на формирующее устройство. Сформированные пря­моугольные импульсы одинаковой амплитуды и различной длительности, определяемой скоростью вращения ротора (т. е. и дебитом), подаются на вход частотомера, формирующего импульсы одинаковой амплитуды и длительности. При этом средний ток, протекающий через измеритель­ный прибор, пропорционален частоте входных импульсов, т. е. дебиту.

Датчик дебитомера врезается в выкидную линию на поверхности в горизонтальном положении.

Техническая характеристика дебитомера ТД-ТПУ

Тип

Пределы измерения, М3/ч Погрешность измерений, % Источник питания Масса аппаратуры, кг

Тахометрический, показывающе-регистрирующий

0- 25, 0-50 ±5

(220 ± 44)В, (50 ±1) Гц 14

Комплексная аппаратура КПВ-4, разработанная во ВСЕГИНГЕО, пред­назначена для автоматического измерения уровня воды в наблюдатель­ных скважинах и расхода воды на изливе при проведении откачек.

Для измерения уровня воды в скважинах используют поплавково­резисторный преобразователь. Расход на изливе измеряется с помощью расходомера переменного уровня; уровень воды в расходомерной ем­кости определяется также с использованием поплавково-резисторного преобразователя. Запись параметров производится с помощью урав­новешенного самопишущего моста КСМ-4.

Техническая характеристика КПВ-4

0-10 5-100 12 2 2,5 48-144 3000 220 В, 50 Гц

Диапазон измерения уровня, м Диапазон измерения расхода, м3/ч Количество наблюдательных скважин, шт.

Предел основной погрешности измерения уровня, см Предел основной погрешности измерения расхода воды, м3/ч Частота опроса скважин, с Дистанционность измерений, м Источник питания

Комплексная аппаратура СДУ-ТПУ (скважинный дебитомер-уров — немер) предназначена для измерения и регистрации дебита и уровня воды в одиночных гидрогеологических скважинах и скважинах на воду при откачках погружными насосами с электроприводом или эрлифтной установкой, измерения и регистрации уровня воды в центральной (возмущающей) скважине и уровней в наблюдательных скважинах (до девяти) при проведении гидрогеологических исследо­ваний.

Аппаратура СДУ-ТПУ включает скважинные датчики дебита и уров­ня, наземный измерительный блок и одноканальный самописец. Сква­жинные датчики с поверхностным измерительным блоком соединя­ются каротажным кабелем.

Опрос датчиков производится автоматически через заданное время с записью в аналоговой форме на ленту одноканального самописца. На пульте размещены три показывающих прибора, фиксирующие дебит и уровень в возмущающей скважине и уровень —в опрашиваемой в данный момент наблюдательной скважине.

В аппаратуре принят датчик дебита тахометрического типа (рис. 14.43) с магнитным прерывателем тока и манометрический датчик уровня. Датчик дебита монтируют в водоподъемных трубах, датчик уровня ус­танавливают под зеркало воды на фиксированной глубине.

Основой датчика дебита является ось 2 (см. рис. 14.43, а) с крыль­чаткой в трубе 1, которая вращается под воздействием потока жид­кости (). На оси смонтирована пластинка постоянного магнита 3. При каждом обороте крыльчатки под воздействием поля магнита замы­каются контакты герметизированного контакта (геркона) 4 и в изме­рительную схему поступает импульс напряжения. Частота следования импульсов пропорциональна расходу <2.

Чувствительным элементом датчика уровня является сильфон с пре­образователем перемещения в электрический сигнал (см. рис. 14.43, б). Путем измерения гидростатического давления столба жидкости про­изводят слежение за уровнем. С помощью сильфонного преобразова­теля 5 разность давлений преобразуется в ход ферромагнитного сердеч­ника 6 и далее с помощью индуктивного преобразователя 7— в элект­рический сигнал (индуктивность Ь является плечом мостовой изме­рительной схемы).

На рис. 14.44 показаны две схемы скважинных компоновок дат­чиков. При откачке насосами 5 типа ЭЦВ (выдача плавного потока) датчик дебита 1 монтируют в водоподъемных трубах 3 у устья сква­жины (см. рис. 14.44, а). При эрлифтной откачке (выдача пульсиру­ющего потока) датчик дебита устанавливают на входе водоподъемных труб ниже смесителя 6 на 5—10 м (см. рис. 14.44,б).

Датчик уровня 2 при любом виде откачки может быть спущен при­крепленным к водоподъемным трубам отдельно в зазор между водо­подъемными и воздушными 4 трубами или в контейнере 7; при любом варианте монтажа датчик уровня должен находиться ниже максимально возможного понижения на 0,5—1,0 м. Датчики уровня в наблюдатель-

Рис. 14.44. Схемы скважинных компоновок датчиков: а — при откачке центробежным насосом; б — при откачке эрлифтной установкой

Рис. 14.43. Схемы датчиков дебита (а) и уровня (б)

ных скважинах опускают на тросике также на фиксированную глубину ниже максимально возможного понижения на 0,5—1 м.

Дополнительная оснастка (подвеска, пакеры) позволяют использо­вать комплекс при эрлифтной откачке без применения водоподъемных труб в закрепленных скважинах трубами диаметром 89, 108, 127, 146 мм.

Опрос параметров (дебит, уровень в центральной скважине, уров­ни в наблюдательных скважинах) осуществляют последовательно ав­томатически через заданное время; запись одного параметра произво­дят в течение 8 с. Опрос уровней в наблюдательных скважинах может быть сделан оператором в любое время.

Техническая характеристика СДУ-ТПУ

Характер откачки воды

Тип датчика дебита Тип датчика уровня Характер измерения параметров Характер записи параметров Цикл опроса и порядок записи

Пульсирующий (эрлифтной установкой) и плавные потоки (насосами типа ЭЦВ)

Т ахометрический Манометрический Непрерывный В аналоговой форме Дебит, уровень в возмущающей скважине, уровни в наблюдательных скважинах

дебита

уровня

Время записи одного параметра, с Время между циклами опроса параметров, мин Диапазон измерения дебита, л/с Диапазон измерения уровня, м Погрешность измерения параметров, % Канал связи Размеры датчика дебита (диаметр, длина), мм Размеры датчика уровня (диаметр, длина), мм Источник питания Напряжение питания датчиков, В:	4, 8, 16, 32 5, 15, 30, 60 0-20 0-10 ±5 Проводной 89; 965 27; 730 (220 ±44) В, 50 Гц 6 36

Неразрушающий контроль бурового оборудования и инструмента

Успешное выполнение буровых работ неразрывно связано с эффективностью и надежностью геологоразведочной техники и ин­струмента, в том числе и бурильных колонн. Надежность буриль­ных колонн с ростом глубин скважин и форсирования режимов бурения резко снижается. Стремление к безаварийной работе приводит к недоиспользованию возможностей бурового оборудова­ния и породоразру-шающего инструмента. В связи с этим боль­шое значение приобретает применение методов неразрушающего контроля бурильных колонн непосредственно при бурении сква­жин.

Основными методами неразрушающего контроля в общепромыш­ленной практике являются ультразвуковой, магнито-порошковый, ка­пиллярный, вихретоковый, радиационный, акустико-эмиссионный, магнитоферрометрический, визуальный.

Для контроля за состоянием бурового оборудования и инстру­мента используют три наиболее распространенных метода неразру­шающего контроля: ультразвуковой, магнито-порошковый и капил­лярный.

При бурении скважин в эксплуатационных условиях применя­ют следующие виды контроля (эксплуатационный контроль в отличие от входного, или контроля нового оборудования и инст­румента):

✓ обнаружение усталостных трещин в высаженных концах сталь­ных бурильных труб и грузоподъемного оборудования;

У контроль толщины стенок бурильных и колонковых труб;

■/ обнаружение износа труб;

✓ контроль износа по наружному диаметру замков и муфт; контроль толщины стенки у опорного торца внутренней резь-

бы УБТ.

Аппаратура для контроля технического состояния буровых труб и породоразрушающего инструмента

В геологоразведочной практике в настоящее время для контроля за состоянием бурильных труб применяют ультразвуковой дефекто­скоп ДБТ, толщиномер Т1, «Кварц-15», детектор износа ДИТ.

Дефектоскоп бурильных труб (ФБТ) предназначен для обнаружения усталостных трещин на высаженных концах бурильных труб геолого­разведочного сортамента без разборки резьбовых соединений в полевых условиях во время СПО и на стеллажах. Дефектоскоп обнаруживает трещины глубиной 0,5 мм и более, развивающиеся как с внешней, так и с внутренней поверхности трубы. Дефектоскоп можно использовать для контроля бурового оборудования и инструмента, механизмов.

В основу работы ДБТ положен импульсный эхо-метод ультразву­ковой дефектоскопии. Пьезодатчик генерирует короткий ультразвуко­вой сигнал (импульс), который через слой контактной жидкости (воды) вводится в изделие. Импульс отражается от торцевой части труб и де­фектов, расположенных в ее высаженной части. Отраженные импуль­сы принимаются тем же пьезодатчиком, который после излучения пьезоимпульса работает в режиме приема. Сигнал от противоположной поверхности (дна) изделия приходит позднее, чем сигнал от дефектов, что дает возможность обнаружить последние. Конструктивное выпол­нение пьезодатчиков дефектоскопа ДБТ обеспечивает распростране­ние импульсов под острым углом к наружной поверхности контроли­руемого объекта, что позволяет производить дефектоскопию высажен­ных концов бурильных труб без разборки резьбовых соединений. Схема распространения ультразвуковых импульсов показана на рис. 14.45, а схема соединения узлов ДБТ — на рис. 14.45, б.

Дефектоскоп ДБТ состоит из ультразвукового дефектоскопа ДУК66П (показывающего прибора) 7, блока датчика 2, генераторно-усилитель­ной приставки (ПГУ) 3, водяного насоса 4 и блока питания 5.

В блоке датчика (рис. 14.46, а) имеется призма 7, с помощью которой его строго определенным образом устанавливает оператор на контролируемой трубе. В призме с гарантированным зазором от по­верхности трубы закреплен пьезодатчик 2 (типа ИЦ-ЗБ). Пьезодатчик окружен резиновым уплотнением, образующим вместе с поверхностью трубы замкнутую камеру, в которую от насоса подают воду, обеспе-

Рис. 14.45. Схема распространения ультразвуковых импульсов (а); схема соединений узлов ДБТ (б)

* <@ґ

Xі 12 4

Рис. 14.46. Блок датчика ДБТ (а), расположение импульсов на экране дефектоскопа (6)

чивая акустический контакт пьезодатчика с материалом контролиру­емой трубы. Расход воды регулируют краном 3, установленным на датчике. В блоке датчика смонтированы две сигнальные лампы 4, одна из которых (зеленая) позволяет контролировать качество акус­тического контакта и правильность установки относительно торца трубы, другая (красная) — загорается при появлении дефекта. К блоку датчика подведены электрический кабель, радиокабель от генератор­но-усилительной приставки и шланг от насоса.

При правильной установке блок датчика на контролируемой трубе на экране дефектоскопа ДУК66П появляются два импульса (см. рис. 14.46, б) — зондирующий 1 и донный 2, а при наличии тре­щины между этими импульсами появляется третий — от дефекта 3.

При появлении донного импульса блок ПГУ вырабатывает сиг­нал, управляющий цепью включения зеленой лампы блока датчика. С появлением импульсов от дефекта блок ПГУ автоматически вклю­чает красную лампу. Таким образом обеспечивается возможность конт­роля бурильных труб без непрерывного наблюдения по экрану дефек­тоскопа ДУК66П. Это позволяет затрачивать на дефектоскопию одно­го высаженного конца трубы не более 1,5 мин.

Техническая характеристика дефектоскопа ДБТ

Минимальная глубина обнаружения трещин, мм Не менее 0,5

Источник питания:

насоса (220 ±44) В, 50 Гц

показывающего прибора 36 В, 50 Гц

TOC o "1-5" h z Рабочая частота, мГц 5

Расход воды для контроля колонны труб 1000 м, л 300

Время самопрогрева, мин Не более 5

Рабочая температура окружающего воздуха, °С от -10 до +40

Масса прибора, кг 35

В комплект ДБТ входят датчик, вторичный прибор ДУК66П (или ДУК-66ПМ, или УД-11ПУ), приставка генераторно-усилительная ПГУ, насос НЭБ-1/20, имитатор трещин (образец трубы с искусственным дефектом в высаженной части), вентиль, блок питания, комплект ЗИП.

Аппаратура Т-1, предназначенная для измерения толщины стенок стальных бурильных труб геологоразведочного сортамента в полевых условиях без нарушения их целостности, позволяет отбраковывать бурильные трубы, непригодные для дальнейшей эксплуатации, кроме того, по сравнению с шаблоном исключает преждевременную отбра­ковку труб, которые еще можно использовать. При помощи толщи-

!————-

Показывающий прибор

К

Рис. 14.47. Толщиномер Т-1: а — схема измерения; б— блок-схема толщиномера

Г^^-1 } ІІ2^^41—1

б

а

номера Т-1 можно определять износ труб не только по наружному, но и внутреннему диаметру.

В основу аппаратуры положен электрический метод измерения толщины. Метод заключается в измерении электрического сопротив­ления участка трубы с помощью четырех электродов (рис. 14.47), вмонтированных в портативный датчик.

К наружной поверхности трубы прикладывают две пары электродов. Через одну пару (токовую 1—4) пропускают постоянный ток, а с по­мощью другой (потенциальной 2—3) определяют величину падения напряжения на измеряемом участке трубы. Величина падения напря­жения зависит от толщины стенки.

Напряжение, снимаемое с потенциальных электродов датчика Д инвертируется вибропреобразователем и поступает на измерительный усилитель ИУ, с выхода которого подается на вход показывающего прибора. Показывающий прибор имеет компенсационную схему из­мерения.

В шкальном механизме смонтирована регулируемая уставка мини­мально допустимого значения толщины стенки. Контактная группа уставки устанавливается в любую точку в пределах шкалы. Если тол­щина стенки измеряемой трубы окажется ниже значения уставки, то на передней панели прибора загорается сигнальная лампа. Прибор калибруется по эталону трубы (калибру), входящему в комплект по­ставки.

От 1 до 6 +0,3 36 В, 50 Гц От -30 до +50

Техническая характеристика толщиномера Т-1

Пределы толщины измеряемых стенок, мм Погрешность прибора, мм Источник питания Температура окружающей среды, °С

Ультразвуковой толщиномер «Кварц-15» предназначен для измере­ния толщины стенок бурильных труб, подвергающихся в процессе бурения износу как по наружному, так и по внутреннему диаметру. Прибором можно производить измерение толщины стенки изделий из материалов с затуханием ультразвуковых колебаний на частоте от 2,5 МГц до 0,43 дБ/см, скорость распространения ультразвуковых ко­лебаний в которых находится в пределах 4300 (латунь) — 6400 (алюми-
ний) м/с при температуре поверхности исследуемых изделий от -50 до +600 °С. Прибор применяют в полевых, цеховых и лабораторных условиях (в том числе во взрывоопасных помещениях и наружных ус­тановках).

Техническая характеристика толщиномера «Кварц-15»

Диапазон измерения, мм

Основная погрешность (в мм) в диапазоне

толщин, мм:

1-10

10-300

Дополнительная погрешность (мм) при изменении температуры окружающей среды от +(20 ±5) °С на каждые 10 °С в диапазоне (-30 + +50) °С: для толщин 1—10 мм для толщин 10—300 мм

1-300

0,2

+(0,01-0,1)

±0,1 ±(0,005—0,05)Л (А — измеряемая толщина)

В состав толщиномера входят прибор «Кварц-15», преобразовате­ли, контрольные образцы, блок питания, блок зарядного устройства, комплект ЗИП, комплект кабелей, жилет.

Детектор износа бурильных труб (ДИТ) предназначен для контроля износа бурильных труб в процессе спуско-подъемных операций и по­дачи сигналов в случае уменьшения наружного поперечного размера бурильной трубы на величину, превышающую 3 % от номинального значения диаметра. Отбраковку труб (при подаче сигнала) осуществля­ют при подтверждении предельного износа толщиномером «Кварц-15». Применение индикатора ДИТ совместно с толщиномером «Кварц-15» (или Т-1) дает возможность значительно увеличить производительность контроля бурильных труб.

В основу работы детектора положен токовихревой метод контро­ля, сущность которого заключается в следующем. Контролируемую трубу помещают внутри катушки-датчика. По обмотке катушки про­пускают переменный ток, создающий внутри нее переменное магнит­ное поле, которое индуктирует внутри (в толще) трубы вихревые токи. Магнитное поле вихревых токов в свою очередь образует свое поле, направленное навстречу основному, в результате чего напряженность поля ослабевает. Таким образом, при взаимодействии первичного поля и поля вихревых токов изменяются электромагнитные параметры ка­тушки.

С другой стороны, электромагнитные параметры катушки зависят от геометрических размеров бурильной трубы, являющейся сердечни­ком датчика. Включив катушку датчика в мост переменного тока и измеряя ее активное и реактивное сопротивления, можно судить о па­раметрах трубы, в частности, о ее геометрических размерах. Датчик индикатора износа бурильных труб монтируют в механизме трубораз — ворота РТ-1200.

Диапазон регулировки порога сигнализации от наружного поперечного размера трубы, % Отклонение показаний прибора в эксплу­атационных условиях от верхнего значения шкалы показывающего прибора, %

Источник питания Потребляемая мощность, В • А Влажность окружающего воздуха при температуре +35 °С, %

Габариты, мм:

Не более ±5

(36/22017,2/44) В, 50 ±1 Гц Не более 15

До 95

215 x 350x 380 225; 470

вторичного прибора

датчика (диаметр, высота)

Аппаратура ЭХО-1 для ультразвукового контроля алмазных коронок пред­назначена для отбраковки алмазных коронок, имеющих дефекты соедине­ния матрицы с корпусом в виде непроваров, трещин, раковин, размеры которых превышают допустимые. В состав комплекта аппаратуры вхо­дят серийный дефектоскоп УДМ-1 (или УДМ-ЗМ) и полуавтоматичес­кое устройство для ультразвукового прозвучивания алмазных коронок.

Техническая характеристика аппаратуры ЭХО-1

5 46, 59, 76, 93 до 100 250 х 400 х 230 18

Рабочая частота, мГц Диаметры контролируемых коронок, мм Производительность, шт./ч Габаритные размеры устройства, мм Масса, кг

Передвижная дефектоскопическая станция ПДС предназначена для комплексного неразрушающего контроля элементов колонны буриль­ных труб геологоразведочного сортамента, колонковых и утяжеленных труб, грузоподъемного оборудования в полевых условиях. На рис. 14.48 показана блок-схема ПДС.

Станция позволяет обнаруживать наличие и оценивать глубину усталостных трещин в высаженных концах стальных бурильных труб с конической резьбой, измерять толщину стенки бурильных и колон­ковых труб, выявлять износ стальных бурильных труб диаметром 50 мм непосредственно в процессе СПО, контролировать наружный диаметр муфт и замков к трубам диаметром 42, 50 и 63,5 мм, измерять тол­щину стенки у упорного торца внутренней резьбы УБТ диаметром 73 и 89 мм, обнаруживать трещины в корпусе наголовников диаметром 83 мм к полуавтоматическим элеваторам.

В состав оборудования ПДС входят дефектоскоп ДБТ (с насосом), детектор износа труб ДИТ, толщиномер «Кварц-15», переговорное ус­тройство СПУ-7 (для ведения переговоров между двумя операторами, когда приборная стойка не вынесена из автомашины), шаблоны для замера износа труб, контрольные образцы с искусственными дефек­тами (на отрезанной части трубы в зоне резьбы и высаженной части; на наголовнике в корпусе).

Работу с аппаратурой ПДС во время контроля колонны бурильных труб осуществляют два оператора: один датчиком ДБТ контролирует

пп

от

дит

ПГУ

220 В, 50 Гц

БП

«Кварц-15»

	Рис. 14.49. Схема распространения ультразвуковых импульсов в теле трубы и отражение на экране прибора зонди­рующего (ЗИ), донного (ДИ) и импульса дефекта (ИД); / — труба; 2— ультразвуковой датчик; ? — экран прибора
н
д
Рис. 14.48. Блок-схема ПДС: БП — блок питания; ПГУ — приставка гене­раторно-усилительная; Д —датчик; Н — насос НЭБ-1/20; ПП — показывающий прибор

высаженные концы бурильных труб; в случае срабатывания сигнализа­ции прибора ДИТ с помощью толщиномера «Кварц-15» определяет тол­щину стенок бурильных труб, а также контролирует с помощью шабло­на износ муфт и замков; второй, находясь у пульта в салоне автомаши­ны, следит за показаниями приборов ДБТ и ДИТ и по переговорному устройству СПУ-7 руководит действиями первого оператора при нали­чии трещин или износа бурильных труб.

Сигнализация срабатывает в момент прохождения через датчик муфто-замкового соединения или в момент прохождения через датчик бурильной трубы, наружный поперечный размер которой ниже зна­чения установленного порога сигнализации прибора. Во втором случае подъем (спуск) приостанавливается, затем снаряд опускается (подни­мается) таким образом, чтобы изношенный участок находился на уровне 300—400 мм от верхнего торца датчика. После этого определяют ми­нимальную толщину стенки толщиномером «Кварц-15». При толщине стенки трубы в пределах 3 мм эти трубы переводят на бурение сква­жин глубиной не более 500 м; при толщине стенок труб менее 2 мм трубы выбраковывают и не используют по прямому назначению.

После прохождения и контроля труб прибором ДИТ колонну под­нимают (опускают) и останавливают в месте соединения труб на вы­соте 1,5 м от устья скважины. Производят контроль труб на опреде­ление скрытых трещин в зоне высаженной части и зоне резьбы с по­мощью прибора ДБТ.

Перед контролем поверхность трубы тщательно очищают от грязи и ржавчины на расстояние не менее 400 мм от торца. Датчик помещают на трубу на расстоянии примерно 200 мм от сбега резьбы или края муф­ты (замка). Включают насос, на экране показывающего прибора появ­ляется импульс от дна (торца) трубы — донный импульс ДИ (рис. 14.49).

Датчик обводят вокруг трубы таким образом, чтобы постоянно на экране присутствовал донный импульс. При появлении на экране одного или нескольких импульсов левее донного устанавливают, являются ли
они результатом наличия дефекта или вызва­ны случайными помехами. Для этого датчик смещают вдоль оси трубы в оба направления на расстояние примерно ±50 мм. Если при этом импульсы не исчезают и перемещаются по экрану прибора без изменения расстояния между собой и донным импульсом, это сви­детельствует об обнаружении дефекта.

Рис. 14.50. Шаблон для контроля износа муфт и замков

При протяженности дефекта более 10 мм по длине окружности поверхности трубы производят оценку его параметров (глубины и дли­ны) по определенной методике.

При дефектоскопическом контроле выявляют дефекты, располо­женные в резьбовой части бурильных труб. Отбраковывают все не — прозвучиваемые трубы и трубы, имеющие дефекты глубиной 0,5 мм и длиной, соответствующей дуге 30—45°.

Для контроля износа муфт и замков используют шаблоны с про­ходным 5, и непроходным £2 порогами (рис. 14.50).

Если шаблон упирается порогом в муфту или замок, то они при­годны к работе; если же шаблон входит до конца, минуя порог, муфту или замок отбраковывают.

Передвижная лаборатория ПКДЛ предназначена для дефектоско­пического контроля оборудования и инструмента непосредственно в полевых условиях.

С помощью лаборатории контролируют высаженную и резьбовую части стальных и легкосплавных труб, ниппельную часть УБТ и пере­водников, шарошечные расширители, узлы и детали грузоподъемного оборудования — элеваторы, крюки, талевые блоки, отдельные детали вертлюгов, крон-блоков, буровых насосов.

Лаборатория позволяет осуществлять комплексный контроль с при­менением трех методов: ультразвукового, магнитно-порошкового и вих­ревых токов. Передвижная дефектоскопическая лаборатория оборудо­вана в салоне микроавтобуса УАЗ-452В и может выполнять комплекс дефектоскопических работ с помощью выносных датчиков на расстоя­нии 40—45 м от автомобиля.

Дополнительные возможности использования БКИА

Идея использования аппаратуры по другому назначению вытекает из принципиальной структурной схемы датчика.

В абсолютном числе датчики общепромышленной и специальной аппаратуры включают, как говорилось выше, первичный преобразо­ватель, выходной величиной которого является перемещение (линей­ное /, угловое ф), сила Р или давление р.

В связи с этим при изменении входного параметра х возможно изменение схемы (конструкции) первичного преобразователя с целью получения на. его выходе параметра (равного или пропорционального ему) основной аппаратуры. Замена первичного преобразователя по­

требует перетарировки, настройки аппаратуры и смены шкалы пока­зывающего прибора.

Несколько примеров дополнительных вариантов использования аппаратуры.

1. Расходомер промывочной жидкости с поворотной лопастью РПЛ-1. Отклонение лопасти датчика может быть произведено какой — либо силой Р (ф = Р) или перемещающимся на длину / (1=х) стерж­нем. Следовательно, использование аппаратуры РПЛ-1 для измерения другого параметра (не расхода жидкости) потребует разработки пер­вичного преобразователя параметра в перемещение / или силу Е Напри­мер, для измерения крутящего момента потребуется его преобразование в силу (Л/кр->г-> Р) и далее — в ход (перемещение) подпружиненного элемента, который и будет действовать (перемещать) на лопасть.

РПЛ-1 может быть использован в качестве индикатора усилия на крюке талевой системы, если — вмонтировать подпружиненный элемент в неподвижный конец каната и его ход, пропорциональный усилию на крюке, преобразовать в перемещение лопасти; для измерения тем­пературы и частоты оборотов. В первом случае перемещение лопасти может быть связано с ходом свободного конца биметаллической-плас­тинки, во втором — с перемещением каретки центробежного датчика.

2. Аппаратура МКН-1 с датчиком растяжения ДР может быть ис­пользована для измерения тягового усилия трактора при перевозке буровых вышек, измерения крутящего момента, в качестве весов для больших грузов.

3. Магнитоупругий измеритель давления МИД можно использо­вать по тому же назначению, что и аппаратуру МКН-1.

4. Скважинные тахометрические расходомеры с магнитным пре­рывателем тока могут быть использованы для измерения частоты обо­ротов бурового вала, скорости подъема крюка; при медленном враще­нии (низкой скорости следования импульсов) — как счетчики.

Разработка буровой контрольно-измерительной аппаратуры в силу специфически сложных условий процесса шла нелегким путем. Про­блема осложнялась отсутствием службы КИП на местах и трудностя­ми внедрения. При внедрении аппаратуры использовали принцип «на­вешивания» в полевых условиях.

Развитие буровой техники, инструмента и технологии потребовало развития аппаратурного направления. Усилия разработчиков были на­правлены на разработку аппаратуры с использованием поверхностных точек съема сигнала, с постановкой поверхностных датчиков. Была со­здана аппаратура для контроля одиночных параметров; и здесь первая комплексная аппаратура типа ПКМ, ИРБ. В дальнейшем продолжа­лась доводка созданной аппаратуры и создавалась новая: ЭМР-2, МКН, ОМ40, ИСП, ИСБ. Началась работа по созданию автоматических регу­ляторов, потребовались источники информации — датчики, что явилось дополнительным стимулом развития БКИА. Происходит совершенст­вование и отрабатывание аппаратуры для контроля одиночных пара­метров, создаются комплексы КУРС, РУМБ. В аппаратуре использу­ется современная элементная база, разрабатываются методики опти­мизации процесса бурения с использованием БКИА.

Таков был первый этап в разработке и внедрении БКИА. Была подготовлена база для реализации известных требований практики:

автоматизация контроля параметров и автоматический выбор оптимальных параметров процесса бурения;

•/ получение дополнительной геологической информации в про­цессе бурения;

распознавание нештатных ситуаций в процессе бурения (обрыв бурильных труб, износ. ПРИ и др.);

•/ накопление и сохранение информации в форме, не требующей больших дополнительных затрат времени и средств на ее предвари­тельную обработку. .

В данном случае ■—это аппаратура, близкая по своим функциональ­ным возможностям к автоматическим Системам. Получить подобную информацию от классических буровых регуляторов типа АРП не удается. Частая неудовлетворительная работа регуляторов, определяемая жестким алгоритмом, предопределяет разработку гибких систем. Этому способствуют примеры компьютеризации технологических процессов в Других отраслях.

Таким образом, развитие БКИА может успешно идти параллельно с компьютеризацией бурового процесса. Кроме того, отдельные авто­матические измерительные системы могут стирать грань между изме­рительными и компьютерными системами автоматического управления.

Недостаток информационной базы (поверхностных датчиков) тре­бует внедрения ЭВМ, которые позволят работать и принимать реше­ния на основе обработанных данных за прошедший промежуток вре­мени с накоплением информации; усредненная накопленная инфор­мация фильтрует помехи, более достоверна. Развитие элементной базы делает возможным вернуться к разработке скважинной аппаратуры с передачей сигналов На поверхность в процессе бурения.

Параллельно с вышеотмеченными задачами дальнейшее развитие БКИА для контроля режима работы породоразрушающего инструмента требует решения ряда других вопросов: поиск новых алгоритмов работы БКИА (включающих несколько косвенных параметров для определения действи­тельного значения забойного параметра), разработка схемных решений первичных преобразователей параметр — перемещение (сила, давление) и типовых датчиков, унификация электрических узлов аппаратуры.

Важнейшими проблемами являются определение смены горных по­род, встреча пластов полезного ископаемого, определение нештатных ситуаций в скважине, приводящих к аварийной обстановке, например, предприжогового состояния алмазной коронки и т. д. Для решения подобных проблем нужна информация по многим параметрам, обра­ботка ее по заданной программе (алгоритму). Здесь уже закономерен переход на микропроцессорную технику. Требуется разработка алго­ритмов ведения процесса бурения в оптимальном режиме и контроля отклонения от этого оптимального режима.

Комментарии запрещены.