УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДЕФОРМАЦИИ СТЕНОК СКВАЖИН
DEVICE FOR DEFINITION OF DEFORMATION OF WELLBORES WALLS

Техническое решение относится к горному делу и может быть использовано для определения поперечной деформации стенок скважин, взаимного смещения геоблоков и динамико-кинематических характеристик волн маятникового типа.
Известен деформометр по авт. св. СССР №1344901, Е21С 39/00, опубл. в БИ №38, 1987 г, включающий распорный узел, содержащий шарнирно соединенные рычаги, измерительный узел в виде реостатного датчика с измерительной цепью и установочное приспособление, выполненное в виде винта с продольным пазом, привода вращения винта, гайки, установленной на винте с фиксацией от вращения и прикрепленной к распорному узлу, проводника, размещенного в пазу винта, и пары электроконтактов, закрепленных на гайке на расстоянии друг от друга, кратном шагу винта, и включенных параллельно в измерительную цепь реостатного датчика.
Этот прибор имеет сложную конструкцию, что обуславливает его низкую надежность.
Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является устройство для определения деформаций стенок скважин по патенту РФ №2191899, Е21С 39/00, опубл. в БИ №30, 2002 г., содержащее центральный стержень, установленные на нем соосно упругие элементы и элемент передачи деформаций, преобразователь линейных перемещений и подключенный к нему блок индикации, размещенный в горной выработке. Центральный стержень снабжен головным элементом, на котором одним концом закреплены дополнительные центрирующие пружины и упругие распорные элементы, а элемент передачи деформаций выполнен в виде плоских пружин, расположенных диаметрально противоположно, одни концы которых также закреплены на головном элементе, и параболической пружины, установленной соосно с центральным стержнем с возможностью свободного перемещения вдоль него, концы которой жестко соединены с другими концами плоских пружин.
По мере деформирования скважины смещение ее стенок передается через упругие элементы и плоские пружины на параболическую пружину, которая, прогибаясь, воздействует на элемент передачи деформаций. Жесткое закрепление одного конца плоской пружины с параболической пружиной и жесткое крепление второго конца плоской пружины с головным элементом уменьшает точность измерений из-за возможных изгибных деформаций элементов пружин в местах их жесткого крепления, что, в конечном счете, обуславливает низкую надежность работы устройства.
Затруднен демонтаж устройства из скважины вследствие возможного попадания упругих распорных элементов в трещины и последующей поломки элементов устройства, что, в конечном счете, также обуславливает низкую надежность работы устройства.
Техническая задача, решаемая предлагаемым устройством, заключается в повышении надежности его работы за счет:
- упрощения конструкции устройства;
- повышения точности измерения деформаций стенок скважин путем устранения деформаций элементов устройства, передающих деформацию стенок скважин на датчик линейных перемещений;
- устранения радиальных и осевых зазоров распорного узла, возникающих при изготовлении и сборке устройства;
- обеспечения надежного контакта устройства со стенкой скважины даже при значительных отклонениях диаметра скважины от номинального.
Задача решается тем, что в устройстве для определения деформации стенок скважин, содержащем корпус, распорный узел и измерительный блок с датчиком перемещений, расположенные в корпусе последовательно, и контроллер, соединенный с измерительным блоком электрокабелем, согласно техническому решению распорный узел состоит из шарнирно соединенных между собой измерительного и распорного рычагов, стянутых между собой пружиной, при этом свободный конец распорного рычага соединен с корпусом шарнирно, а свободный конец измерительного рычага соединен с корпусом шарнирно с возможностью ограниченного осевого перемещения в двух продольных боковых пазах корпуса и постоянно взаимодействует с наконечником датчика перемещений измерительного блока.
Указанные соединения измерительного и распорного рычагов между собой, свободных концов распорного и измерительного рычагов с корпусом позволяют устройству сочетать функции распора и передачи величины деформации стенок скважины. Такое решение упрощает конструкцию и повышает точность измерений по сравнению с прототипом вследствие увеличения жесткости измерительного рычага, а следовательно, уменьшения упругих деформаций элементов устройства, передающих деформацию.
Треугольное (в плоскости передачи деформации) шарнирное соединение между собой измерительного и распорного рычагов, стянутых между собой пружиной, когда свободный конец распорного рычага соединен с корпусом шарнирно, а свободный конец измерительного рычага соединен с корпусом шарнирно с возможностью ограниченного осевого перемещения в двух продольных боковых пазах корпуса устройства и постоянно взаимодействует с наконечником датчика перемещений измерительного блока:
- исключает зазоры (радиальные и осевые), возникающие при изготовлении и сборке устройства;
- обеспечивает надежный контакт распорного узла со стенкой скважины даже при значительных отклонениях диаметра скважины от номинального.
Последовательное расположение в корпусе устройства распорного узла и измерительного блока:
- обеспечивает расположение датчиков перемещений разных конструкций в прочном и герметичном корпусе, что повышает надежность работы устройства и расширяет область его использования;
- максимально упрощает конструкцию распорного узла, что, в конечном счете, повышает надежность работы устройства.
Целесообразно измерительный и распорный рычаги распорного узла выполнить сменными. Это расширяет область использования устройства - его можно использовать в скважинах различного диаметра с сохранением неизменными основных узлов устройства. Это упрощает конструкцию, что, в конечном счете, повышает надежность работы устройства.
Целесообразно ось шарнирного соединения измерительного и распорного рычагов распорного узла снабдить сменным роликом, что позволяет:
- также использовать устройство в скважинах различного диаметра с сохранением неизменными основных узлов устройства. Это расширяет область использования и упрощает конструкцию, что, в конечном счете, повышает надежность работы устройства;
- заменить при деформации стенок скважины трение скольжения распорного и измерительного рычагов по стенке скважины на трение качения. Это повышает точность измерений, что, в конечном счете, повышает надежность работы устройства.
Целесообразно при этом для расширения области использования устройства, например, в районах с большим диапазоном изменения температуры окружающей среды, измерительный блок разместить в термостатированном корпусе.
Сущность технического решения поясняется примером конкретного исполнения и чертежами, на которых показаны:
фиг.1 - конструкция устройства для определения деформации стенок скважин, размещенного в скважине (продольный разрез);
фиг.2 - вид А на фиг.1 с частичными разрезами;
фиг.3 - сечение Б-Б на фиг.1;
фиг.4 - сечение Б-Б на фиг.1 при размещении устройства в трещине, образованной между геоблоками, для измерения взаимного смещения геоблоков или динамико-кинематических характеристик волн маятникового типа.
Устройство для определения деформации стенок скважин (далее - устройство) состоит из корпуса 1 (фиг.1), в котором расположены последовательно измерительный блок 2 (фиг.2) и распорный узел 3. Распорный узел 3 состоит из распорного рычага 4, соединенного шарнирно с измерительным рычагом 5 посредством оси 6, стянутых между собой пружиной 7. Свободный конец распорного рычага 4 соединен с корпусом 1 шарнирно посредством оси 8, а свободный конец измерительного рычага 5 соединен с корпусом 1 шарнирно посредством оси 9 с возможностью ограниченного осевого перемещения в двух продольных боковых пазах 10 корпуса 1. Измерительный блок 2 состоит из корпуса 11, в котором расположен датчик 12 перемещений с подвижным наконечником 13, который постоянно взаимодействует с осью 9 измерительного рычага 5. Корпус 11 закреплен к корпусу 1 хомутами 14. Измерительный блок 2 соединен с контроллером 15 электрокабелем 16. Ось 6 снабжена сменным роликом 17 (фиг.3, 4). Корпус 1 снабжен приливом 18 с резьбовым отверстием для крепления досылочной штанги.
Измерительный 5 и распорный 4 рычаги и ролик 17 выполнены сменными для установки в скважинах или трещинах с различными размерами.
Предварительно по заданному диаметру скважины или размеру трещины подбираются длины измерительного 5 и распорного 4 рычагов и диаметр сменного ролика 17 распорного узла 3 таким образом, чтобы ось 9 занимала среднее положение в продольных боковых пазах 10 корпуса 1 при измерении знакопеременных деформаций для номинального диаметра скважины или номинального размера трещины в поперечном сечении. Для измерения знакопостоянной деформации по заданному диаметру скважины или размеру трещины подбираются длины измерительного 5 и распорного 4 рычагов и диаметр сменного ролика 17 распорного узла 3 таким образом, чтобы ось 9 занимала одно из крайних положений в продольных боковых пазах 10 корпуса 1.
Предварительной деформацией пружины 7 задается необходимое усилие распора о стенки скважины.
Устройство подготовлено к монтажу в скважину.
Для эксплуатации устройства в районах с большим диапазоном изменения температуры окружающей среды датчик 12 перемещений можно установить в термостатированном корпусе 11.
Устройство работает следующим образом.
Для монтажа в скважину устройство соединяется с досылочной штангой, которая закрепляется к приливу 18 корпуса 1 через резьбовое отверстие. При достижении расчетного расстояния от устья скважины или поверхности трещины досылочная штанга отсоединяется. Измерительный блок 2 соединяется электрокабелем 16 с контроллером 15, расположенным за пределами скважины или трещины.
При размещении устройства в скважине непосредственное измерение поперечной деформации заключается в том, что при деформации стенок скважины измеряется величина изменения расстояния между опорной поверхностью корпуса 1 и опорной поверхностью сменного ролика 17. При этом распорный рычаг 4 совершает некоторое угловое движение относительно оси 8, сменный ролик 17 скользит по поверхности скважины или трещины, измерительный рычаг 5 совершает некоторое угловое движение относительно осей 6 и 9, а свободный конец измерительного рычага 5 совместно с осью 9 совершает поступательное движение в пределах продольных боковых пазов 10 корпуса 1, перемещая подвижный наконечник 13 датчика 12 перемещений. Величина перемещений регистрируется датчиком 12 перемещений и передается на контроллер 15 по электрокабелю 16.
При размещении устройства в трещине между геоблоками непосредственное измерение заключается в том, что при изменении размеров трещины измеряется величина изменения расстояния между опорной поверхностью корпуса 1 и опорной поверхностью сменного ролика 17. Само измерение осуществляется так же, как измерение поперечных деформаций.
При определении динамико-кинетических характеристик волн маятникового типа устройство размещается в трещины между геоблоками при достаточном расстоянии между блоками или размещается в заранее пробуренную скважину при малых значениях расстояния между геоблоками. Само измерение осуществляется так же, как измерение поперечных деформаций.
По пропорциональной зависимости между смещением стенок скважины или трещины и поступательным перемещением оси 9 измерительного рычага 5 определяется величина деформации стенок скважины или трещины.