УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ВИБРАЦИЙ БУРИЛЬНЫХ ТРУБ ПРИ БУРЕНИИ СКВАЖИН
DEVICE FOR MEASURING ENERGY CHARACTERISTICS OF DRILL PIPES VIBRATION DURING WELL DRILLING

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.
1
2
Оба волоконно-оптических интерферометра могут быть выполнены на одном светодиоде и двух фотодиодах, как показано на фиг.4. Выходные токи фотодиодов i и i (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.