УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ БУРЕНИЯ
DEVICE FOR MEASURING DRILLING PARAMETERS

Область техники
Изобретение относится к области строительства и предназначено для использования при проведении инженерно-геологических изысканий с целью расчленения грунтовой толщи в процессе вращательного бурения и определения механических свойств грунтов в полевых условиях.
Уровень техники
Аналогом данного предполагаемого изобретения является УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОМПЛЕКСНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ГРУНТОВ (патент RU 2333314 С1, заявка 2006142747/03 от 12.04.2006, МПК E02D 1/00, опубликовано 09.10.2008) [Л1], содержащее корпус с конусным наконечником и продольными лопастями, датчик порового давления, установленный в герметичной полости корпуса, и преобразователь осевого усилия и крутящего момента, выполненный в виде двух струнных преобразователей, струны которых связаны с встроенным в корпус упругим элементом, а их электромагнитные головки посредством кабеля соединены с регистратором преобразователя, отличающееся тем, что струны преобразователей расположены в пересекающихся плоскостях, наклонных к продольной оси устройства под углами α и - α, а точки их закрепления в верхнем и нижнем горизонтальных сечениях упругого элемента симметричны относительно центров сечений упругого элемента.
Данное устройство имеет существенный недостаток: невысокую точность измерений крутящего момента, связанную с наличием сопутствующих изгибных деформаций в процессе измерения крутящего момента вследствие неравномерного натяжения струн, которые связаны с встроенным в корпус упругим элементом, от жесткости которого зависит чувствительность показаний. Кроме того, известно, что для струнных датчиков способ закрепления струны оказывает влияние на измеряемую частоту колебаний. Существенным недостатком является также использование кабеля для передачи сигналов на поверхность грунта. Кроме того, в данном техническом решении не контролируется глубина погружения устройства для комплексного зондирования.
5
Другим аналогом заявляемого технического решения является УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОМПЛЕКСНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ГРУНТОВ (патент на изобретение RU №2025559 С1, заявка 93037021/33 от 20.07.1993, МПК E02D 1/00, опубликовано 30.12.1994) [Л2], содержащее корпус с коническим наконечником и продольными лопастями, датчик порового давления, установленный в герметичной полости корпуса, преобразователь осевого усилия и крутящего момента выполнен в виде двух струн, связанных с встроенным в корпус упругим элементом и расположенных в плоскости, наклоненной к продольной оси устройства, параллельно друг другу и симметрично относительно проекции этой оси на указанную плоскость, при этом струны посредством кабеля соединены с регистратором преобразователя, например частотомером типа ПЦП.
Недостаток данного устройства - невысокая точность измерения осевого усилия и крутящего момента и наличие кабеля между датчиками и регистратором преобразователя.
Наиболее близким аналогом (прототипом) заявляемого технического решения является УСТАНОВКА ДЛЯ БУРОВОГО ЗОНДИРОВАНИЯ (патент на изобретение RU 2541977 С2, заявка 2012132298/03 от 27.07.2012, МПК E02D 1/02, опубликовано 20.02.2015) [Л3], включающая установку для бурового зондирования, содержащая транспортное средство, на платформе которого размещены мачта с вращателем, гидравлическая система, обеспечивающая работу бурильно-кранового оборудования, измерительное устройство, устройство осевого нагружения и лазерный дальномер.
Недостатком данного изобретения является то, что в измерительном устройстве существует взаимовлияние датчика силы и датчика момента. Вторым существенным недостатком данного изобретения является использование дополнительно устройства осевого нагружения, что усложняет процесс испытаний. Использование лазерного дальномера в зимний период снижает точность измерений вследствие накопления снега на поверхности отражателя. Дополнительным недостатком является также то, что при вращении измерительного устройства радиосигналы передаются с различной интенсивностью в зависимости от положения антенны и приемного устройства, что приводит к погрешностям при измерении скорости вращения путем анализа радиосигналов.
Сущность технического решения
Цель изобретения - расширение функциональных возможностей и повышение точности измерений.
Цель достигается тем, что установка для бурения скважин, содержащая транспортное средство, на платформе которого размещены мачта с вращателем, гидравлическая система, обеспечивающая работу бурильно-кранового оборудования, и устройство для измерения параметров бурения, один конец которого соединен с валом вращателя, другой - с хвостовиком буровой колонны, введены датчик силы двунаправленного действия, датчик для измерения скорости вращения и датчик наклона.
Измерение глубины погружения буровой колонны и линейной скорости выполняется потенциометрическим дальномером, показания дальномера по интерфейсу RS 485 передаются и записываются в базе данных компьютера.
Устройство для измерения параметров бурения содержит датчик силы «двунаправленного действия» для измерения усилий сжатия и растяжения, датчик для измерения крутящего момента, датчик для измерения скорости вращения, датчик наклона.
Датчики силы, момента, угла наклона и скорости вращения подключены к платам АЦП, запитанным от встроенного аккумулятора. Платы АЦП по интерфейсу RS-485 подключены к беспроводному модему RS-485/ZigBee. Антенна модема выведена на верхнюю часть устройства. Со стороны управляющей ЭВМ находится модем для беспроводной связи ZigBee, подключаемый через порт USB. Для обмена данными между платами АЦП и ЭВМ используется протокол ModBus RTU. К ЭВМ подключен блок, электронно-преобразующий с интерфейсом RS-485 для дальномера, располагающегося на мачте буровой установки. Процесс регистрации и визуализации параметров бурения осуществляется программой АСИС 4.
Перечень фигур, чертежей и иных материалов
На фиг. 1 изображена установка для бурения скважин, включающая устройство для измерения параметров бурения.
На фиг. 2 изображена конструкция устройства для измерения параметров бурения с тремя узлами.
На фиг. 3 изображена конструкция узла датчика силы.
На фиг. 4 изображена конструкция узла датчика момента.
На фиг. 5 изображена конструкция узла электроники.
На фиг. 6 изображены данные измерений при бурении скважины.
На фиг. 7 изображен комплект опытного образца для измерения параметров бурения.
Пример реализации технического решения
На фиг. 1 установка для бурового зондирования содержит транспортное средство 1, мачту 2, вращатель 3, буровую колонну 4, бурильное долото 5, дальномер 6, устройство для измерения параметров бурения 7, компьютер 8.
На фиг. 2 показано устройство для измерения параметров бурения (далее по тексту «устройство»), которое содержит корпус 9, нижний 11 и верхний 10 и хвостовики, узел датчика силы 12, узел датчика момента 13, узел электроники 14, источник питания 15. Узел датчика силы предназначен для передачи только продольной силы на датчик силы, а крутящего момента на корпус. Узел датчика момента предназначен для передачи только крутящего момент на датчик момента, а продольной силы на корпус 9.
На фиг. 3 дополнительно показана конструкция узла датчика силы, на котором изображены нижний хвостовик 11, соединенный с валом 16 при помощи винтов 17. К валу 18 при помощи винтов 19 присоединен датчик силы 20 и запрессован подшипник 21, фиксируемый гайкой 22. На внешней стороне корпуса подшипника 21, втулке 23 и вале 16 введены уплотнительные кольца 24. Данная конструкция узла датчика силы позволяет измерять как растягивающие буровую колонну усилия, так и сжимающие.
На фиг. 4 дополнительно показана конструкция узла датчика момента, на котором изображены хвостовик 10, который при помощи винтов 25 соединен с валом 26, на котором винтами 27 закреплены шпонки 28 и втулка 29. На втулке 29 закреплен датчик момента 30. Корпус подшипника 31 соединен со свободной стороной датчика момента 30. В кольцевые пазы вставлены уплотнительные кольца 32. Данная конструкция узла датчика момента позволяет измерять крутящий момент при вращении буровой колонны в обоих направлениях.
На фиг. 5 дополнительно показан узел электроники, на котором изображены четыре резьбовые штанги 33, на которых при помощи гаек закреплены четыре диска 34 с платами АЦП 35 и аккумуляторная батарея 36. Кольцевая антенна модема закреплена на хвостовике 10.
Устройство для измерения параметров бурения работает следующим образом.
Устройство верхним хвостовиком 10 (фиг. 2) соединяется с вращателем 3 бурового станка (фиг. 1), а нижний хвостовик 11 (фиг. 2) устройства соединяется с буровой колонной 4 (фиг. 1). На мачте 2 (фиг. 1) закрепляется дальномер 6, и тросик дальномера фиксируется на корпусе вращателя 3. При помощи кнопки на верхнем торце устройства включается источник питания и сигналы с датчиков (силы, момента, вращения, перемещения, наклона) начинают поступать в цифровом виде по беспроводной связи в компьютер.
Далее буровой мастер приводит в действие вращатель, и начинается процесс бурения скважины. Крутящий момент и осевая сила, от буровой установки, одновременно передаются на верхний хвостовик 10 устройства. Крутящий момент измеряется датчиком момента (фиг. 4, поз. 30), а осевая сила измеряется двунаправленным датчиком силы (фиг. 3, поз. 20). При этом на датчик момента передается только крутящий момент (Т), а на датчик силы только осевая сила (N). Скорость вращения устройства измеряется датчиком скорости вращения, размещенным в узле электроники. Перемещение буровой колонны измеряется дальномером 6 (фиг. 1). Наклон буровой колонны измеряется датчиком наклона, размещенным в узле электроники. Этот же датчик может использоваться для контроля угла наклона мачты бурового станка. Крутящий момент и осевая сила от нижнего хвостовика 11 (фиг. 2) устройства передается на буровую колонну, разбуривающую грунт.
Испытания грунтов с использованием устройства для измерения параметров бурения проводятся следующим образом:
1. В точке исследования свойств грунтов устанавливают транспортное средство 1 (фиг. 1), производят подъем мачты 2, на которой расположен вращатель 3, верхний хвостовик 10 устройства для измерения параметров бурения 7 соединяется с вращателем бурового станка, а нижний хвостовик 11 соединяется с буровой колонной. Дальномер 6 закрепляется на мачте бурового станка, а его тросик соединяется с корпусом вращателя 3. Затем включаются компьютер 8, автономные источники питания дальномера 6 и устройства для измерения параметров бурения 7, после чего начинают процесс бурения скважины. Сигналы с датчиков устройства для бурового зондирования и дальномера поступают в компьютер и отображаются в физических величинах на экране компьютера.
2. В процессе бурения в базу данных компьютера заносятся: время погружения бурового инструмента, показания датчика силы, показания датчика момента и скорости вращения, вертикальное перемещение буровой колонны и ее угол наклона.
3. Используя данные измерений, строят профили измеряемых параметров бурения (фиг. 6).
Промышленная применимость
Устройство для измерения параметров бурения промышленно реализуемо (фиг. 7), обладает более широкими функциональными возможностями, повышенной точностью измерений.
Источники информации
1. Патент RU 2333314 С1, заявка 2006142747/03 от 12.04.2006, МПК E02D 1/00, опубликовано 09.10.2008. Устройство для комплексного зондирования грунтов.
5
2. Патент на изобретение RU №2025559 С1, заявка 93037021/33 от 20.07.1993, МПК E02D 1/00, опубликовано 30.12.1994. Устройство для комплексного зондирования грунтов.
3. Патент RU 2541977 С2, заявка 2012132298/03 от 27.07.2012, МПК E02D 1/02, опубликовано 20.02.2015. Установка для бурового зондирования.