Датчик контроля перемещения инструмента
TOOL MOVEMENT MONITORING SENSOR

Изобретение относится к области геофизических исследований скважин и предназначено для контроля положения инструмента буровой установки посредством измерения перемещения талиевого каната в полиспастную систему буровой установки с барабанов лебедки.
Важнейшим резервом в реализации задачи контроля перемещения инструмента является развитие и внедрение в практику геологоразведочных работ прогрессивного направления промысловой геофизики – геолого-технологических исследований (ГТИ) в процессе бурения. ГТИ в процессе бурения в отличие от традиционных методов геофизических исследований скважин проводятся непосредственно в процессе бурения скважины, без простоя буровой бригады и бурового оборудования. Геофизические исследования скважин способны решать комплекс геологических и технологических задач, направленных на оперативное выделение в разрезе бурящейся скважины характеристик, экспрессного опробования и изучения выделенных объектов, обеспечения безаварийной проводки скважин и оптимизацию режима бурения с целью достижения оптимальных технико-экономических показателей процесса бурения.
Датчик контроля перемещения инструмента (ДКПИ) геолого-технологических исследований представляет собой микроконтроллерный измерительный комплекс, который обрабатывает сигналы от датчика оборотов вала буровой лебедки и вычисляет положение талевого блока, рабочего инструмента бурового станка вдоль ствола скважины. ДКПИ предназначен для использования в наземных системах сбора данных геолого-технологических исследований.
Известны устройства для определения глубины скважины, принцип действия которых основан на измерении углового перемещения вала буровой лебедки. При этом в конструкцию устройства (SU №1550119, Е21В47/04, 1990 г.) входят магниточувствительные элементы, расположенные по окружности и постоянный магнит, размещенный на рабочем диске. Рабочий диск связан с валом лебедки кинематической передачей, включающей несколько валов, шкивов, червячную и ременную передачи.
Недостатком такой конструкции является сложность монтажа датчика, требующего проведение операций сборки - разборки узла соединения вала и системы воздушного тормоза.
Известен датчик оборотов вала лебедки (RU 57819, кл. Е21В47/04, 2006г), включающий магнитный модулятор, магниточувствительный элемент и блок электроники. Магнитный модулятор (блок магнитов) выполнен в виде двух полудисков, по периметру которых равномерно расположены постоянные магниты. В качестве магниточувствительного элемента (головки) использован, магниторезистивный элемент, выход которого подключен к сети CAN через блок обработки и согласования, включающий источник питания датчика, аппаратный CAN драйвер с элементами защиты от перенапряжений, микроконтроллер и световые индикаторы. Блок магнитов установлен на торце вала буровой лебедки, а магниточувствительная головка закреплена на защитном кожухе буровой лебедки с помощью скобы, позволяющей регулировать его положение относительно блока магнитов. Блок обработки и согласования размещен в герметичном металлическом корпусе и установлен на скобе, закрепленной на защитном кожухе буровой.
Недостатком известного устройства является необходимость использования для его установки на торце вала болтовых соединений, что требует доработки вала лебедки. Основным ограничением в применении блока магнитов является то, что, как правило, вал лебедки полый и используется для подключения пневматического или гидравлического вертлюжка приводящего в действие тормозную систему лебедки. Таким образом, он занят. Второй конец вала лебедки, как правило, используется для установки тахогенератора и относится к оборудованию буровой установки для управления бурильщиком системами буровой установки. Таким образом, установка блока магнитов на валу лебедки буровой установки практически невозможна. Датчик контроля перемещения инструмента, в составе которого используется известный блок магнитов может применяться с ограниченным парком буровых установок, имеющих свободный торец вала и требующий его доработки, что недопустимо для подъемно транспортных машин стоящих на учете в Ростехнадзоре.
Проблемой изобретения является усовершенствование конструкции датчика контроля перемещения инструмента, обеспечивающего возможность его установки на валу буровой лебедки для широкого парка буровых установок.
Техническим результатом изобретения является упрощение монтажа магнитного модулятора на валу лебедки буровой установки.
Согласно изобретению
Поставленная проблема и указанный технический результат достигаются тем, что датчик контроля перемещения инструмента включает блок магнитов, выполненный в виде двух полуколец, по внешнему периметру которого равномерно расположены постоянные магниты и магниточувствительную головку, связанную кабелем с блоком электроники.  блок магнитов выполнен в виде браслета из полимерного материала, два полукольца которого с одной стороны подвижно связаны между собой соединительным элементом, а на открытых концах браслета расположена застежка для их фиксации. По внутреннему периметру браслета расположен дискретный упругий уплотнитель и проставка из полимерного материала, на внутреннем периметре которого также расположен дискретный уплотнитель. На плате магниточувствительной головки последовательно установлены три соленоида, при этом для согласования соленоидов с постоянными магнитами блока магнитов, продольные оси крайних солиноидов ориентированы к продольной оси центрального соленоида под углом 10°.
Соединительный элемент двух полуколец браслета может быть выполнен в виде оси.
В качестве полимерного материала браслета и проставки выбран поликапроамид (капролон).
Проставка содержит два полукольца, по краям внешнего периметра которых образованы буртики, охватывающие браслет с его внутренней стороны.
Датчик содержит набор проставок для возможности установки на разные по размеру диаметры вала лебедок.
Дискретный упругий уплотнитель браслета и проставок выполнен из губчатой резины, размер каждого дискретного элемента уплотнителя по высоте по длине от 2 до 5 мм.
Застежка выполнена в виде пружины из немагнитной нержавеющей стали, а на краях браслета расположены зацепы для застежки.
Блок магнитов содержит 12 постоянных магнитов.
Магниточувствительная головка дополнительно содержит контрольный соленоид и светодиодные индикаторы.
Выполнение блока магнитов в виде браслета из полимерного материала в качестве которого выбран поликапроамид (капролон) обеспечивает за счет удачно подобранного материала соблюдать высокие физико – механические характеристики, необходимые для работы в жестких условиях работы на буровых установках с широким диапазоном температур. Кроме того полимерные материалы выдерживают механические нагрузки, повышая тем самым эксплуатационные характеристики датчика.
Выполнение браслета неразрывным, но с возможностью перемещения вокруг оси соединительного элемента облегчает установку его на вал буровой лебедки в доступном месте в промежутке между двумя барабанами. При этом наличие застежки на свободных концах браслета позволяют надежно закреплять браслет на валу лебедки без демонтажа оборудования, что значительно облегчает монтаж датчика на буровой установке.
Для надежной фиксации браслета с блоком магнитов, для исключения проскальзывания браслета на вращающемся валу лебедки, в обязательном порядке необходим уплотнительный элемент. Однако проблема заключается в том, что при сплошном уплотнительном элементе застегнуть браслет практически невозможно (Преодоление усилия сжатия). Выполнение уплотнения дискретным, состоящим из отдельных элементов, значительно облегчило процесс фиксации браслета на валу лебедки без дополнительных приспособлений с соблюдением необходимой плотности установки и надежности фиксации. Материал дискретного уплотнителя – губчатая резина и размер дискретных элементов подобраны опытным путем.
Наличие набора проставок из полимерного материала – поликапроамида (капролона), с возможностью их расположения с внутренней стороны браслета, обеспечивает возможность для перехода на другой диаметр вала, тем самым расширяя линейку бурового оборудования на которой возможно устанавливать датчик без демонтажа и дополнительного переоборудования буровых лебедок.
Установка на плате магниточувствительной головки последовательно соединенных соленоидов, у которых продольные оси крайних соленоидов расположены по углом 10° к продольной оси центрального соленоида, обеспечивают точность измерения импульсов. При рассогласовании углов и диаметра расположения магнитов неизбежна ошибка в счете импульсов и, соответственно, происходит ошибка расчета измеряемой глубины.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен датчик контроля перемещения инструмента, установленный на валу буровой лебедки; на фиг. 2 – монтажная схема установки датчика на валу лебедки; на фиг. 3 - блок магнитов с проставками для перехода на другой диаметр вала; на фиг. 4 – застежка для фиксации блока магнитов на валу лебедки; на фиг. 5 – установка солиноидов на плате магниточувствительной головки.
Датчик контроля перемещения инструмента содержит блок магнитов, выполненный в виде браслета 1 из поликапроамида (капролона), по периметру которого равномерно закреплены 12 постоянных магнитов 3. Браслет 1 пристегивается застежкой 4 на валу 2 лебедки. Магниточувствительная головка 5, связана кабелем 6 с блоком электроники 7 и кабелем 8 с блоком электропитания (на фиг. не показано). Для установки магниточувствительной головки 5 на расстоянии от 1 до 5 мм от блока магнитов ее закрепляют на кронштейне 9, который прикрепляют, например, к кожуху 10 барабана буровой лебедки талиевого каната. Блок электроники 7 закрепляется в любом удобном месте за пределами лебедки. На плате 11 магниточувствительной головки 5 последовательно установлены три соленоида 12, продольные оси крайних солиноидов 11 ориентированы к продольной оси центрального солиноида 11 под углом 10° и согласованы между постоянными магнитами 3 блока магнитов.
Браслет 1 блока магнитов состоит из двух полуколец которые с одной стороны подвижно связаны между собой соединительным элементом в виде оси 13, а на открытых концах браслета 1 расположена застежка 4 для их фиксации, в виде пружины из немагнитной нержавеющей стали. На свободных концах браслета 1 закреплены зацепы 14, для фиксации застежки 4. По внутреннему периметру браслета 1 установлена проставка 15, состоящая из двух полуколец, выполненных из поликапроамида (капролона). По внутреннему периметру браслета 1 и проставки 15 расположен дискретный упругий уплотнитель 16 из губчатой резины. Размер упругого уплотнителя 16 по высоте и длине от 2 до 5 мм. Датчик содержит набор проставок 15 для возможности установки на разные по размеру диаметры вала лебедок.
На плате 11 магниточувствительной головки 5 дополнительно установлен контрольный соленоид 17 и светодиодные индикаторы 18.
Принцип работы датчика контроля перемещения инструментиа основан на преобразовании угла поворота барабана буровой лебедки в пропорциональное количество импульсов с последующим пересчетом их в линейное перемещение талевого блока (бурильной трубы, квадрата и т.п.).
Блок электроники 7 преобразует две последовательности импульсов от соленоидов 11 в счетные импульсы и фиксирует направление вращения вала 2. В общем случае, количество импульсов на полный оборот вала 2 указывается как один из параметров в программных средствах настройки датчика контроля перемещения инструмента. Блок электроники 7 преобразует число импульсов в величину линейного перемещения талевого каната.
Перед началом работы датчика необходимо настраивать на количество импульсов за один оборот. Для этого в приемном устройстве, которое унифицировано для работы с различным количеством импульсов на оборот, в программном окне нужно указать количество импульсов на оборот, а именно, 36, так как количество магнитов 12, а соленоидов 11 три. Соответственно 12х3=36. Контрольный соленоид 17 не участвует в процессе подсчета импульсов, а является контрольным для идентификации правильности сигналов с рабочих соленоидов. На свободном месте вала 2 лебедки, поворот которого нужно измерять, например, между кожухами лебедки, укрепляют браслет 1 с магнитами 3, равномерно расположенными по окружности. За счет дискретного уплотнителя 16 из губчатой резины, стягивание свободных концов браслета 1 упрощается, осуществляется натягивание концов и фиксация их застежкой 4. При этом фиксация браслета 1 на валу 2 плотная, без перекосов и проскальзывания. При вращении магниты 3 проходят перед магниточувствительной головкой 5, которая вырабатывает счетные импульсы. В магнитной головке 5 установлены три соленоида 11. Поэтому при одном обороте вала 2 головка 5 вырабатывает втрое больше счетных импульсов, чем количество закрепленных магнитов 3 и определяет направление вращения вала 2.
Браслет 1 с магнитами 3 устанавливают на валы 2 лебедки диаметром 230 мм. Для установки на валы 2 меньшего диаметра применяются проставки 15, входящие в комплект датчика и устанавливаемые между валом 2 и браслетом 1. Возможна  также установка браслета 1 на валы 2 диаметром менее 190 мм, для этого используют набор проставок 15 под заказ, в связи с многообразием конструкций лебедок. Кронштейн 9 с магниточувствительной головкой 5 устанавливают на кожухе 10 барабана буровой лебедки. Расстояние между блоком магнитов  и магниточувствительной головкой 5 при этом должно составлять 1-5 мм.
Работоспособность датчика в первом приближении оценивается срабатыванием светодиодов 11 при прохождении магнитов 3 через оси размещенных в магниточувствительной головке 5 соленоидов 11. Далее в процессе калибровки в программах верхнего уровня оценивается правильность показаний частоты вращения вала 2 лебедки с показаниями тахогенератора буровой установки. В конечном итоге в программе верхнего уровня в зависимости от диаметра талиевого каната, способа заполнения барабанов лебедки и коэффициента полиспастной системы буровой установки рассчитывается глубина или положение инструмента относительно нулевой отметки бурения скважины.
Заявленный датчик контроля перемещения инструмента имеет следующие преимущества перед аналогами:
1. Блок магнитов датчика представляет собой браслет с застежкой, его установка на вал не требует демонтажа элементов конструкции лебедки при монтаже.
2. Датчик может использоваться на лебедках с различным диаметром вала, для чего в комплекте монтажных частей предусмотрены проставки на различные диаметры валов из нормального ряда размеров валов.
3. Упрощение монтажа магниточувствительной головки и ее настройки перед началом работы.
Таким образом, разработанная конструкция отличается простотой монтажа датчика на буровых установках.