Устройство для измерения вибрации скважинного инструмента
APPARATUS FOR MEASURING VIBRATION OF A DOWNHOLE TOOL

Изобретение относится к нефтяной промышленности, в частности к технике измерения продольных колебаний распространяющихся по бурильной колонне при вертикальном сейсмическом профилировании при проведении геофизических работ.
Известно устройство для регистрации вибрации бурильной колонны в процессе бурения скважины (см. RU 2106490 C1, 10.03. 1998), содержащее основание, жестко связанное с вертлюгом, цилиндрический корпус, в котором размещены усилитель электрических сигналов и по крайней мере три датчика вибрации. Датчики расположены по радиусу под углом друг к другу α=360°/n (N=3,4,5…), где n - количество датчиков, соединенных между собой параллельно и связанных с основанием посредством виброгасящих прокладок. Усилитель электрических сигналов выполнен в виде согласующего трансформатора, первичная обмотка которого через фильтр нижних частот подключена к датчикам вибрации. Вторичная обмотка трансформатора подключена через герметичный разъем к регистрирующему устройству. При этом внутренняя поверхность корпуса и датчики покрыты звукопоглощающими оболочками. Свободный объем в корпусе заполнен герметизирующим материалов. В том устройстве благодаря применению поменьше мере трех датчиков вибрации и фильтрации их выходных полезных сигналов, обеспечивается повышение помехоустойчивости, глубины исследований, а также расширение рабочего температурного диапазона в области отрицательных температур, технологических и эксплуатационных возможностей.
Недостатком этого устройства является невысокая эксплуатационная надежность его электронных компонентов в условиях высоких динамических нагрузок.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является принятое автором за прототип устройство, реализующее метод измерения вибрации скважинного инструмента при бурении скважин на нефть и газ (см. стр. 33-36, К.А. Башмур, Э.А. Петровский, В.В. Богачев. Автоматизация в промышленности, №10, 2019). В этом устройстве, содержащем установленный в компоновке бурильной колонны гидромеханический датчик вибрации, содержащий корпус, стакан, ствол, регулировочную втулку и уплотняющие кольца, при отрыве долота от забоя возникает вибрационная сила, которая воздействует на ствол датчика и перемещает его по направляющим шлицам в корпусе в промежуточное или крайнее положение при максимальной амплитуде колебаний. В силу этого происходит пересечение или совпадение отверстий в датчике, через которые часть потока бурового раствора, протекающего в полости бурильной колонны, пересекает полость, образованную корпусом и стаканом. Вследствие этого изменяется расход бурового раствора через основной ствол бурильной колонны, что регистрируется забойными датчиками. В итоге расход бурового расхода через отверстие является функцией амплитуды вибрации.
Недостатком этого гидромеханического датчика вибрации можно считать невысокую точность из-за зависимости числа Рейнольдса от вида течения потока.
Техническим результатом данного устройства является повышение точности измерения вибрации.
Технический результат достигается тем, что устройство для измерения вибрации скважинного инструмента, включающее установленный в компоновке бурильной колонны гидромеханический датчик вибрации, содержащий корпус, стакан, ствол, регулировочную втулку и уплотняющие кольца, дополнительно снабжено магнитоупругим преобразователем индуктивного типа, выполненным в виде сердечника с катушкой из ферримагнитного материала, и воспринимающим механическое воздействие ствола гидромеханического датчика через магнитопровод, а также измерителем индуктивности, осушествлящим получение информации о величине вибрации при ее возникновении.
Сущность заявляемого изобретения, характеризуемого совокупностью указанных выше признаков, состоит в том, что определение индуктивности катушки, намотанной на сердечнике из ферромагнитного материала, дает возможность измерить величину вибрации скважинного инструмента.
Наличие в заявляемом способе совокупности перечисленных существующих признаков, позволяет решить задачу измерения вибрации скважинного инструмента на основе определения индуктивности катушки, намотанной на сердечнике из ферромагнитного материала, с желаемым техническим результатом, т.е. повышением точности измерения.
На чертеже представлена функциональная схема предлагаемого устройства.
Устройства содержит гидромеханический датчик вибрации 1, сердечник с катушкой 2 и измеритель индуктивности 3.
Устройство работает следующим образом. Работа предлагаемого устройства основывается на использовании магнитоупругого эффекта ферромагнитных материалов под влиянием механических деформаций. При этом в качестве деформирующего воздействия применяется ствол гидромеханического датчика вибрации.
вибр
вибр
При отрыве долота от забоя вибрационная сила F воздействует на ствол гидромеханического датчика вибрации 1, который в свою очередь оказывает механическое воздействие на магнитопровод сердечника 2 (противоположенная сторона ствола соприкасается с магнитопроводом при отсутствии силы F). Сердечник, выполненный из ферромагнитных тел, изменяет магнитную проницаемость μ в зависимости от возникающих в них механических напряжений σ, связанных с действием на ферромагнитные тела механических сил Р (растягивающих, сжимающих, изгибающих, скручивающих).
м
м
Из теории магнитоупругих преобразователей известно, что изменение магнитной проницаемости ферромагниного сердечника вызывает изменение магнитного сопротивления сердечника R. Изменение же R ведет к изменению индуктивности катушки L, находящейся на сердечнике. Следовательно, в данном случае имеем следующую цепь преобразований:
вибр
Отсюда видно, что по изменению индуктивности катушки можно судить об изменении вибрационной силы F.
В общем виде значение индуктивности катушки L можно выразить как
2
L=NμS/I,
где N - число витков провода в катушке, S - площадь сечения сердечника, I - длина средней линии сердечника. Из приведенной формулы вытекает, что при постоянных значениях параметров N, S и I по изменению индуктивности катушки можно судить об изменении магнитной проницаемости, обусловленной деформацией магнитопровода. Другими словами измерение индуктивности даст возможность вычислить величину вибрации скважинного инструмента. Из выше приведенной аналитической зависимости (формулы) также видно, что изменениями площади сечения сердечника, числа витков провода и длины средней линии сердечника, можно обеспечить оптимальную величину индуктивности с точки зрения чувствительности преобразования и удобства обработки информационного сигнала.
м
Согласно предлагаемому техническому решению, для минимизации риска нарушения работоспособности устройства в условиях высоких динамических нагрузок, измеритель индуктивности 3, можно быть удален от бурильной колонны на некоторое расстояние и подключаться к катушке с помощью соединительного кабеля. При этом в качестве измерителя может быть использована, например, симметричная мостовая схема для измерения индуктивности. Как известно, в этом случае измеряемая индуктивность будет сравниваться со стандартной индуктивностью. Кроме того при использовании мостовой схемы можно скорректировать температурную погрешность (изменение магнитного сопротивления сердечника R) вызванную колебанием температуры в процессе бурения. При этом корректирующий элемент (индуктивность) должен находиться в тех же температурных условиях, что измеряемый.
Таким образом, в предлагаемом техническом решении вычисление индуктивности катушки, намотанной на ферромагнитном сердечнике, благодаря механическому воздействию ствола гидромеханического датчика вибрации на магнитопровод сердечника, дает возможность обеспечить повышение точности измерения.
Индуктивный магнитоупругий преобразователь предлагаемого устройства, успешно может быть применен и для решения других задач, например, для измерения больших давлений, так как он непосредственно воспринимает давление и не нуждается в дополнительных преобразователях.