Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Приборы для контроля веса бурового инструмента достаточно подробно описаны в работе [93] и другой литературе [46, 91]. Следует отметить, что конструкция этих датчиков за последние 25 лет принципиально не изменилась. Изменению подвергнуты лишь схемы преобразования сигналов в связи с успехами в мик­роэлектронике. Поэтому для описания методов измерения веса бурового инструмента воспользуемся работой А. М. Мелик-Шах­назарова и А. С. Гробштейна [93].

Измерение веса бурового инструмента и контроль осевой на­грузки на долото с помощью наземных приборов можно произ­водить следующими методами:

— по натяжению неподвижного конца талевого каната;

— непосредственными измерениями на буровом крюке или вертлюге;

— измерением усилий, передаваемых кронблоком на подкрон- блочные балки.

В геологоразведочных буровых установках, оснащенных гид­равлической системой подачи, измерение веса инструмента и на­грузки на долото осуществляется датчиками, контролирующими давление в гидросистеме подачи.

Измерение веса бурового инструмента по натяжению неподвижного кониа талевого каната

Данный метод, получивший широкое распространение, отлича­ется от других простотой монтажа силоизмерительного датчика. Измерители веса бурового инструмента, работающие на этом принципе, по способу монтажа датчика можно разделить на две группы. К первой группе относятся измерители, в которых дат­чики монтируются непосредственно на канате; в измерителях второй группы датчики устанавливаются в специальном устрой­стве, предназначенном для крепления каната.

Измерители с датчиками, монтируемыми непосредственно на канате

Большинство таких измерителей работает на принципе изме­рения горизонтальной составляющей натяжения неподвижно­го конца талевого каната, предварительно преломленного на упругом элементе, что позволяет производить монтаж датчи-

Рис. 9.16. Принцип действия датчика веса, мон­тируемого непосредственно на непод­вижном конце талевого каната

ков без рассечки каната. Принципиальная схема датчика по­казана на рис. 9.16.

(9.6)

Талевый канат проходит через крайние ролики А, С и пре-‘ ломляется в среднем ролике В на угол ак. Под действием веса бурового инструмента канат растягивается усилиями Т„. Гори­зонтальная составляющая растягивающих усилий Рк, действую­щая на средний ролик, определяется как

РК = 2ТН яп ак.

Поскольку угол ак мал, то можно принять

Тогда

(9.7)

С помощью гидравлического электрического или электроме­ханического преобразователя П, связанного со средним роли­ком, сила /’к преобразуется в пропорциональные величины дав­ления или электрического напряжения Ил, которые измеряются вторичными приборами.

Малая величина силы Рк, не превышающая 10—15% усилий, растягивающих канат, способствует уменьшению габаритных размеров и веса преобразователей.

Преимуществом измерения горизонтальной составляющей на­тяжения неподвижного конца талевого каната является также бес­перебойность работы буровой установки при монтаже и демон­таже датчиков.

Указанному способу измерения присущи следующие сущест­венные недостатки:

— показания датчиков зависят от диаметра и жесткости ка­ната. Поскольку профиль витого каната изменяется вдоль его длины, величина прогиба каната в датчике, установленном на буровой, может отличаться от прогиба, существовавшего во вре­мя тарировки. Вследствие этого ошибка в измерениях может достигать 10—15%;

— перемещение подвижного среднего ролика под действием измеряемой силы изменяет угол ак, следовательно, вызывает не­линейность шкалы измерителя;

— при растяжении каната происходит его смещение относи­тельно опорных роликов. Возникающие при этом в роликах силы трения являются причиной гистерезиса в показаниях измерите­лей (например, величина гистерезиса в гидравлическом датчике, называемом трансформатором давления, достигает 2,5%).

Измерение натяжения неподвижного конца каната может про­изводиться также датчиком, размещенным между рамным брусом и канатом. В этом случае одна сторона датчика прикрепляется к рамному брусу, а другая служит для присоединения неподвижно­го конца. Недостатками такой конструкции являются усложнение монтажа и демонтажа датчика и увеличение его габаритов, по­скольку датчик полностью воспринимает растягивающие усилия на неподвижном конце. В настоящее время подобные конструк­ции используются лишь в буровых станках ЗИФ для колонкового геологоразведочного бурения (динамометры ДПУ механического типа и ДНР с магнитоупругим датчиком).

Измерители с датчиками, устанавливаемыми в специальном устройстве, предназначенном для крепления каната

Устройство для крепления неподвижного конца каната со встро­енным датчиком показано на рис. 9.17. Барабан 1, жестко свя­занный с рычагом 3, насажден на подшипник и может повора-

Рис. 9.17. Устройство для

крепления неподвиж­ного конца каната со встроенным датчиком

чиваться относительно оси 2. Конец каната наматывается тремя витками на барабан и закрепляется на рычаге. Под действием веса инструмента канат натягивается, барабан поворачивается и рычаг давит на датчик 5, закрепленный на опоре 4.

Такая установка датчика по сравнению с монтажом непосред­ственно на канате более правильная, так как канат не деформи­руется, на показания датчика не влияет диаметр каната, умень­шается гистерезис и отсутствует погрешность, связанная с нели­нейностью шкалы. Однако в данном случае необходимо учиты­вать трение в подшипнике барабана, которое увеличивает порог чувствительности датчика к изменению натяжения каната.

Уравнение моментов сил, действующих на барабан, при уве­личении нагрузки

71, • а	¥ ‘ V ■* тр ‘	Ы’Ь = о,
(9.8)

где

Т„ — натяжение неподвижного конца каната; г, а — соответственно диаметры подшипника и бара­бана по линии касания его с канатом;

N — усилие, передаваемое рычагом на датчик;

Ь — расстояние между осью датчика и вертикальной осью барабана;

Ртр — сила трения в подшипнике барабана,

‘б>

(2г. ‘./о

здесь (?6 — нагрузка подшипника барабана;

Уд — коэффициент трения покоя подшипника бара­

бана.

Изменяя расстояние Ь, можно изменять усилие ТУ, передавае­мое на датчик, и, следовательно, регулировать чувствительность измерителя.

Приведенная сила трения, определяющая порог чувствитель­ности датчика к изменениям нагрузки на крюке,

Лр = Л • ~ ‘ 06 ‘ п = Л ‘ ~{ТИ ~ АОп, (9.9)

а а

где п — число рабочих струн талевой системы.

Усилия, передаваемые рычагом, могут измеряться гидравли­ческими, электромеханическими и электрическими датчиками.

Для применяемых гидравлических и электромеханических дат­чиков предельная измеряемая нагрузка не превышает 5 Т(49 кН), что значительно меньше предельных значений Ти, поэтому зна­чением N можно пренебречь.

Тогда

Лр-/б—7’н’й = /б—бч.» (9-10)

а а

где (2кр — нагрузка на крюке.

Коэффициент трения покоя подшипника барабана равен при­мерно 0,01, отношение — для применяемых конструкций барабана

а

составляет 0,5+0,75. Подставляя эти значения в формулу, получим, что уже при нагрузке на крюке, равной 100 Т (980 кН), величина порога чувствительности составляет примерно 0,5 Т(4,9 кН).

Для уменьшения силы трения, а следовательно, и порога чув­ствительности при измерении усилий, передаваемых рычагом, целесообразно использовать электрические датчики (например, тензометрический или магнитоупругий), которые, имея мень­шие габариты, позволяют измерять значительно большие уси­лия. Поэтому, уменьшив соотношение размеров Ь/а в барабане, можно увеличить усилие N и, следовательно, снизить влияние трения в подшипнике.

Непосредственные измерения веса бурового инструмента на буровом крюке или вертлюге

Рис. 9.18. Буровой крюк КТ-130БРД с датчиком веса

Данный метод является наиболее точным, поскольку полностью исключает влияние трения в талевой системе. Контроль можно осу­ществлять с помощью датчика, подвешенного между крюком и верт­люгом [93]. В этом случае кон­струкция датчика вместе с эле­ментами крепления получается громоздкой, увеличивается дли­на наземного бурового оборудо­вания, что может затруднить ра­боту бурильщика.

Наиболее целесообразным решением является установка датчика непосредственно на крюке или вертлюге. При этом обеспечивается лучшая защи­та датчиков от ударов, конст­рукция получается герметич­ной и компактной.

Размещение датчиков на вра­щающемся переводнике, связы­вающем вертлюг с квадратом [93], требует применения кон­тактных токосъемов, что снижа­ет надежность устройства.

Для того чтобы избежать при­менения ненадежных токосъем­ных устройств, датчики должны быть связаны только с неподвиж­ными деталями. Данному усло­вию удовлетворяет размещение датчиков под нижней опорой подшипника [93].

На рис. 9.18 показан разрез специального крюка КТ — 130БРД с датчиком веса, раз­работанного АзНИЭТИ совме­стно с СКБ завода «Бакинский рабочий» и изготовленного на том же заводе. Ствол крюка
длиннее обычного на 25 мм, а толщина наставки корпуса умень­шена на 5 мм. Благодаря этому между нижней обоймой подшип­ника 6 и наставкой корпуса 7 имеется зазор высотой 30 мм, где размешен датчик 1. Измеряемая нагрузка передается на датчик 1 через стол 8, шпильку 2, шайбу 3, пружину 4, стакан 5 и под­шипник 6.

Аналогичным образом можно осуществить установку дат­чика в вертлюге. Преимуществом такого измерения является надежная связь со вторичным прибором кабелем, размещен­ным на буровом шланге. Однако в этом случае исключается возможность контроля веса бурового инструмента при спус- ко-подъемных операциях.

Измеритель в крюке более универсален, так как помимо про­цесса бурения позволяет контролировать спуско-подъемные опе­рации и ловильные работы. К недостаткам измерителя в крюке по сравнению с измерителем в вертлюге можно отнести быстрое изнашивание кабеля, происходящее при высоких скоростях подъ­ема, а также необходимость в специальном кабелеуборочном уст­ройстве для постоянного натяжения кабеля.

Измерение веса бурового инструмента по усилиям, передаваемым кронблоком на подкронблочные балки

Общий вид кронблока показан на рис. 9.19. На ось кронблока действуют усилия в рабочих струнах талевой системы и натяже­ния неподвижного и ходового концов каната:

0КРОН = Тп + тх + пТр, (9.11)

где (?кро„ — суммарная нагрузка, действующая на ось крон­блока;

Тх — натяжение ходового конца.

Поскольку суммарное натяжение неподвижного и ходового концов каната составляет небольшую часть от всей нагрузки (16,7% для оснастки 5×6 и 14,3% для оснастки 6×7) и изменяется всего лишь на 0,5—0,7% при изменении направления движения инструмента, то контроль веса бурового инструмента данным методом позволяет в значительной степени исключить погреш­ности, связанные с потерями в талевой системе.

Рассмотрим возможные места размещения датчиков для измере­ния усилий, передаваемых кронблоком на подкронблочные балки.

Рис. 9.19. Устройство кронблока УКБА-6-250

В зависимости от направления движения инструмента изменя­ются усилия в рабочих ветвях, на неподвижном и ходовом концах каната, и равнодействующая всех усилий перемещается вдоль оси кронблока. Силоизмерительные датчики должны быть расположе­ны таким образом, чтобы перемещение точки приложения равно­действующей не сказывалось на результатах измерения.

Преимуществами контроля веса бурового инструмента на кронб- локе по сравнению с другими методами контроля являются:

— более высокая точность измерения по сравнению с контро­лем на неподвижном конце каната;

— надежная связь датчиков со вторичными приборами, по­скольку не требуется гибкая связь, что необходимо при установ­ке датчика на крюке;

— возможность использования силоизмерительных датчиков, серийно выпускаемых промышленностью;

— относительная простота смены датчиков, которую можно производить непосредственно на буровой.

Некоторым недостатком измерителя веса на кронблоке являет­ся то, что натяжения неподвижного и ходового концов каната вклю­чаются в общую нагрузку, действующую на датчики. При переос­настке талевой системы натяжения изменяется и чувствительность измерителя. Так, для кронблока КБНД7-300 с изменением оснаст­ки талевой системы с5*6на6><7 суммарное натяжение неподвиж­ного и ходового концов при том же весе инструмента уменьшается на 16,7%, а общая нагрузка на датчик — на 2,8%.

Для того чтобы избежать погрешности, необходимо преду­смотреть фиксированное изменение чувствительности вторич­ного прибора при переоснастке системы.

Кроме того, к недостаткам измерителя на кронблоке можно отнести необходимость в дополнительном монтаже датчиков при установке кронблока, а также возможную погрешность при не­точной установке датчиков.

Указанные недостатки не являются существенными и не пре­пятствуют использованию измерителя на кронблоке для контро­ля веса бурового инструмента.

Комментарии запрещены.