Устройство для измерения энергетических характеристик вибраций бурильных труб при бурении скважин
Патент 2603111
Авторы
Правообладатели
Классы МПК
Устройство для измерения энергетических характеристик вибраций бурильных труб при бурении скважин
Иллюстрации
Изобретение относится к вибрационной технике и может быть использовано для измерения энергетических характеристик вибраций бурильных труб при бурении скважин в условиях вечной мерзлоты. Техническим результатом является повышение помехоустойчивости и обеспечение одинаковой чувствительности датчиков. Устройство содержит датчики вертикальных и горизонтальных составляющих вибраций бурильных труб, установленные на объекте и подключенные выходами к обрабатывающей и регистрирующей аппаратуре. Датчики вертикальных и горизонтальных составляющих вибраций выполнены на основе двух волоконно-оптических интерферометров Цендера-Маха, между предметной и опорной волоконными катушками которых расположены инерционные массы, подвижные соответственно вдоль вертикальной и горизонтальной осей, контактирующие с предметной и опорной катушками, механически связанные с исследуемым объектом, при этом обрабатывающая и регистрирующая аппаратура выполнена в виде компьютера. При этом предметные и опорные катушки интерферометров намотаны с натягом на боковые поверхности упругих цилиндров, соприкасающихся своими основаниями с основаниями соответствующих инерционных масс, выполненных также в виде цилиндров того же диаметра, что и упругие цилиндры, а волоконно-оптические интерферометры Цендера-Маха выполнены с одним источником когерентного излучения. 4 ил.
Реферат
Изобретение относится к виброизмерительной технике и может быть использовано для измерения энергетических характеристик вибраций бурильных труб при бурении скважин в условиях вечной мерзлоты.
Известно устройство того же назначения, содержащее датчики вертикальных и горизонтальных составляющих вибраций бурильных труб, установленных на объекте и подключенных выходами к обрабатывающей и регистрирующей аппаратуре (авт.св. СССР №909140, кл. Е21В 47/00, 1982).
Данное устройство принято за прототип.
Недостатком прототипа является отсутствие оптического сигнала на выходе датчиков составляющих вибраций. Это препятствует применению оптического кабеля для передачи сигнала с места измерения к обрабатывающей и регистрирующей аппаратуре.
Техническим результатом, получаемым от внедрения изобретения, является обеспечение возможности получения на выходах датчиков вибраций оптического выходного сигнала.
Данный технический результат достигается за счет того, что в известном устройстве, содержащем датчики вертикальных и горизонтальных составляющих вибраций бурильных труб, установленные на объекте и подключенные выходами к обрабатывающей и регистрирующей аппаратуре, датчики вертикальных и горизонтальных составляющих вибраций выполнены на основе двух волоконно-оптических интерферометров Цендера-Маха, между предметной и опорной волоконными катушками которых расположены инерционные массы, подвижные соответственно вдоль вертикальной и горизонтальной осей и контактирующие с предметной и опорной катушками, механически связанные с исследуемым объектом, при этом обрабатывающая и регистрирующая аппаратура выполнена в виде компьютера.
Предметные и опорные катушки интерферометров намотаны с натягом на боковые поверхности упругих цилиндров, соприкасающихся своими основаниями с основаниями соответствующих инерционных масс, выполненных также в виде цилиндров того же диаметра, что и упругие цилиндры.
Изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 представлена схема бурильной установки с датчиками вибраций; на фиг.2 - волоконные катушки с инерционными массами, смещающимися под действием вибрационного ускорения в вертикальном (слева) и горизонтальном направлениях; на фиг.3 - схема выполнения датчиков по второму пункту формулы; на фиг.4 - оптические схемы датчиков вертикальных (сверху) и горизонтальных составляющих вибраций.
Устройство для измерения энергетических характеристик вибраций бурильных труб 1 при бурении скважин 2 содержит датчики 3 и 4 вертикальных и горизонтальных составляющих (фиг.1).
Датчики 3 и 4 выполнены на основе двух волоконно-оптических интерферометров Цендера-Маха, между предметными и опорными катушками (5, 6 и 7, 8) которых расположены инерционные массы 9, 10 (фиг.2).
При этом инерционная масса 9 выполнена подвижной в вертикальной плоскости, а инерционная масса 10 - в горизонтальной плоскости (смещаются по направлению стрелок).
Разделение катушек 5, 7 и 6, 8 на предметные и опорные является в данном случае условным, поскольку их назначение в датчиках полностью совпадают.
Предпочтительным вариантом выполнения устройства является случай, когда предметные и опорные катушки интерферометров наматываются с натягом на боковые поверхности двух упругих цилиндров 11 и 12 (фиг.3). При этом инерционная масса (на фиг.3 обозначена под позицией 13) также выполняется в виде цилиндра того же диаметра, что и упругие цилиндры 11, 12.
Оптическая схема (фиг.4) выполнена в виде двух интерферометров Цендера-Маха. Каждый интерферометр включает в себя источник 14 когерентного света, выполненный например, в виде светодиодов, и фотоприемники 15, 16, выполненные, например, в виде фотодиодов, оптически согласованные через опорные 5, 7 и предметные 6, 8 волоконные катушки.
Инерционные массы обозначены под позициями 9, 10, также, как на фиг.2.
Оба волоконно-оптических интерферометра могут быть выполнены на одном светодиоде и двух фотодиодах, как показано на фиг.4. Выходные токи фотодиодов i1 и i2 (на фиг.4 токи фотоприемников 15, 16) подключены к обрабатывающей и регистрирующей аппаратуре, выполненной в виде компьютера (на чертежах не приведен).
При этом на выходах фотоприемников в случае необходимости могут быть установлены аналого-цифровые преобразователи (АЦП) и другая преобразующая аппаратура (на чертежах не показана).
Устройство работает следующим образом.
При бурении скважины 2 непрерывно (или в определенные моменты времени) измеряются параметры вибраций бурильных труб 1 и вычисляются с помощью компьютера энергетические характеристики вибраций бурильных труб (в частности, мощность и энергию вибраций).
Затем компьютер определяет по полученным значениям параметров вибраций значение мощности, расходуемой на вибрацию бурильной колонны, и оптимальный вариант нагрузки при бурении скважины.
На основании полученных данных определяется оптимальный вариант нагрузки на бурильный инструмент и оптимальная скорость проходки скважины.
Выходные сигналы датчиков вертикальных и горизонтальных составляющих получаются как у любых интерферометров в виде интерференционных пиков (гомодинный прием) или в случае применения дополнительных модуляторов частоты в виде доплеровских частот (гетеродинный прием).
Для связи оптических датчиков с выходными приборами (фотоприемниками 15, 16) служит оптический кабель. Это позволяет избавиться от необходимости применения кабеля из меди, запасы которой к настоящему времени истощаются.
Этим достигается поставленный технический результат.
Устройство для измерения энергетических характеристик вибраций бурильных труб при бурении скважин, содержащее датчики вертикальных и горизонтальных составляющих вибраций бурильных труб, установленные на объекте и подключенные выходами к обрабатывающей и регистрирующей аппаратуре, отличающееся тем, что датчики вертикальных и горизонтальных составляющих вибраций выполнены на основе двух волоконно-оптических интерферометров Цендера-Маха, между предметной и опорной волоконными катушками которых расположены инерционные массы, подвижные соответственно вдоль вертикальной и горизонтальной осей, контактирующие с предметной и опорной катушками, механически связанные с исследуемым объектом, при этом обрабатывающая и регистрирующая аппаратура выполнена в виде компьютера, при этом предметные и опорные катушки интерферометров намотаны с натягом на боковые поверхности упругих цилиндров, соприкасающихся своими основаниями с основаниями соответствующих инерционных масс, выполненных также в виде цилиндров того же диаметра, что и упругие цилиндры, а волоконно-оптические интерферометры Цендера-Маха выполнены с одним источником когерентного излучения.