АППАРАТ И СПОСОБ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВНУТРЕННИХ ПРОФИЛЕЙ ПОЛЫХ УСТРОЙСТВ
DEVICE AND METHOD FOR DETERMINING INTERNAL PROFILES OF HOLLOW DEVICES

Ссылки на родственные заявки
Настоящая заявка притязает на приоритет заявки US 13/411333, зарегистрированной 2 марта 2012 г. и целиком включенной в настоящую заявку посредством ссылки.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится в целом к аппарату/прибору для применения в скважинных операциях, где используются винтовые силовые устройства.
Уровень техники
Для добычи углеводородов (нефти и газа) бурят скважины путем вращения бурового долота, прикрепленного к концу бурильной колонны. Большое число буровых операций в настоящее время составляет бурение наклонных и горизонтальных скважин для добычи углеводородов. В современных буровых системах, применяемых для бурения таких скважин, обычно используется бурильная колонна, содержащая расположенное на забое буровое долото, которое вращается двигателем (обычно именуемым забойным или буровым). Типичный забойный двигатель включает силовую секцию, содержащую ротор, имеющий наружную поверхность с винтовыми зубьями и размещенный внутри статора, имеющего совместимую внутреннюю поверхность с винтовыми зубьями. В подобной силовой секции между поверхностями с винтовыми зубьями ротора и статора образуются перемещающиеся полости. Такие двигатели обычно называют винтовыми двигателями или двигателями Муано (Moineau). Кроме того, винтовые силовые секции используются в некоторых насосах, применяемых в нефтяной промышленности.
Статор обычно включает металлический корпус, содержащий внутри обкладку из эластомерного материала, имеющую спиральный, или винтовой, профиль. Объемный коэффициент полезного действия (КПД) забойного двигателя в значительной степени зависит от уплотнения, образуемого между винтовыми зубьями ротора и статора во время вращения ротора внутри статора, то есть от пригонки винтовых зубьев ротора и статора. Поскольку винтовые зубья ротора расположены снаружи, их размеры можно точно определить, проведя прецизионные измерения посредством различных измерительных приборов. Прецизионные же измерения профилей винтовых зубьев статора, расположенных на его внутренней поверхности, обычно не выполняются. Сравнительно небольшие отклонения профилей статора от требуемых или проектируемых размеров могут привести к (I) снижению КПД забойного двигателя, например из-за избыточного, по сравнению с оптимальной величиной, зазора между винтовыми зубьями ротора и статора, и (II) сокращению срока службы этого двигателя из-за избыточно тесного контакта (более жестких допусков) между винтовыми зубьями ротора и статора. Существующие приборы для неразрушающих измерений внутреннего профиля какого-либо устройства представляют собой двухточечные измерительные приборы, которые измеряют внутренний диаметр статора, но не все поперечное сечение внутреннего профиля последнего.
В настоящем изобретении предлагаются аппарат и способы для измерения внутренних профилей устройств, таких как статоры забойных двигателей и винтовых насосов, и трубчатых элементов.
Раскрытие изобретения
Одним объектом настоящего изобретения является аппарат для определения внутреннего профиля полого конструктивного элемента, которое в одном варианте осуществления изобретения включает корпус, имеющий первую ось, измерительное средство в корпусе, выполненное с возможностью испускания светового луча вдоль второй оси, причем первая ось смещена относительно второй оси, вращающееся отклоняющее средство, выполненное с возможностью наведения испускаемого светового луча на внутреннюю поверхность полого конструктивного элемента, приводное средство, выполненное с возможностью вращения измерительного средства вокруг первой оси, и процессор для определения внутреннего профиля полого конструктивного элемента с помощью светового луча, отраженного от этого профиля.
Другим объектом настоящего изобретения является способ определения профиля внутренней поверхности устройства (измеряемого устройства), имеющего центральную ось, который включает направление светового луча вдоль оси светового луча, смещенной относительно центральной оси, на отклоняющее средство, расположенное на оси светового луча и вращаемое вокруг центральной оси; отражение светового луча от отклоняющего средства на внутреннюю поверхность измеряемого устройства; прием светового луча, отраженного от внутренней поверхности измеряемого устройства; и определение по отраженному световому лучу расстояния между внутренней поверхностью измеряемого устройства и точкой отсчета.
Для лучшего понимания настоящего изобретения ниже приведено подробное описание, в котором широко представлены примеры конкретных отличительных признаков устройства и способа, предлагаемых в изобретении. Имеются, конечно, и другие отличительные признаки устройства и способа, предлагаемых в изобретении, составляющие предмет изобретения, определяемый приложенной формулой изобретения.
Краткое описание чертежей
Для наилучшего понимания настоящего изобретения ниже приведено его подробное описание со ссылками на приложенные чертежи, на которых схожим элементам в большинстве случаев присвоены схожие численные ссылочные обозначения и на которых показано:
фиг. 1А и 1Б (известный уровень техники) - вид в продольном и поперечном разрезах статора, представленного в качестве примера и имеющего внутреннюю поверхность с винтовыми зубьями, профиль которой может быть определен с помощью аппарата и способов, предлагаемых в настоящем изобретении,
фиг. 2 - изометрическое изображение прибора, который может быть использован для определения профиля или размеров внутренней поверхности устройства, показанного на фиг. 1А и 1Б,
фиг. 3 - вид в разрезе устройства, показанного на фиг. 2, вместе с блоком управления и компьютерным средством для определения внутреннего профиля устройства согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения,
фиг. 4 - соотношение различных расстояний, относящихся к вращающемуся световому лучу, проходящему от отклоняющего средства, показанного на фиг. 3, до внутреннего профиля статора, представленного в качестве примера на фиг. 1А и 1Б,
фиг. 5 - схематическое изображение испускаемого и отраженного световых лучей, соосно распространяющихся в устройстве согласно варианту осуществления настоящего изобретения, показанному на фиг. 3,
фиг. 6 - линейная и вращательная зависимости вращающегося испускаемого светового луча и светового луча, отраженного от внутренней поверхности статора, показанного на фиг. 3.
Подробное описание вариантов осуществления изобретения
На фиг. 1А и 1Б, иллюстрирующих известный уровень техники, показан вид в продольном и поперечном разрезах типичного статора 100 винтового устройства, такого как забойный двигатель или насос. Статор 100 включает металлический корпус 110, имеющий внутреннюю поверхность 112 с некоторым количеством винтовых зубьев 114. Внутренняя поверхность 112 может быть металлической или содержать слой эластомерного материала. Поперечный разрез статора 100 по линии В-В показан в виде элемента 120 на фиг. 1Б.
На фиг. 2 представлено изометрическое изображение контрольно-измерительного прибора 200, выполненного с возможностью измерения размеров внутренних профилей полого устройства (также именуемого ниже "измеряемым устройством"), такого как статор забойного двигателя или винтового насоса, трубы и т.д. Прибор 200 включает корпус 202, выполненный с возможностью вращения и простирающийся вдоль центральной оси 210 прибора 200. Корпус 202 содержит секцию 220 датчика (также именуемую "измерительным средством") и секцию 250 отклоняющего средства. Секция 220 датчика включает оптический датчик 222, который направляет испускаемый световой луч вдоль оси 251, смещенной относительно центральной оси 210 на расстояние "а". Секция 250 включает отклоняющее средство 252, выполненное с возможностью вращения вокруг одной из точек на оси 251. Таким образом, центр отклоняющего средства и испускаемый световой луч смещены относительно центральной оси 210 прибора 200 на расстояние "а". Прибор 200 также включает хомут 230а, расположенный в непосредственной близости к одному из концов секции 220 датчика, и хомут 230b, расположенный в непосредственной близости к одному из концов секции 250 отклоняющего средства. При размещении прибора 200 внутри профилированного конструктивного элемента или устройства, такого как статор 100, показанный на фиг. 1А, хомуты 230а и 230b могут быть использованы для позиционирования прибора 200 в измеряемом устройстве с целью его фиксации внутри статора 100 таким образом, чтобы центральная ось 210 прибора 200 совпадала с осью статора. В различных вариантах осуществления настоящего изобретения отклоняющее средство 252 вращается вокруг одной из точек на оси 251 испускаемого светового луча, а корпус 202 может вращаться между хомутами 230а и 230b вокруг центральной оси 210. Таким образом, вращение корпуса 202 приводит к вращению как секции 220 датчика, так и секции 250 отклоняющего средства вокруг центральной оси 210. Отклоняющее средство 252 и секция датчика могут вращаться независимо друг от друга и с разными угловыми скоростями.
На фиг. 3 представлен вид в продольном разрезе прибора 200, показанного на фиг. 2, вместе с блоком 370 управления работой датчика 222 и отклоняющего средства 252. Прибор 200 включает привод 350, например двигатель, вращающий с заданной угловой скоростью корпус 202 между хомутами 230а и 230b вокруг центральной оси 210 прибора. Секция 250 отклоняющего средства включает привод 340 отклоняющего средства, выполненный с возможностью вращения с заданной угловой скоростью отклоняющего средства 252 вокруг фиксированной точки 360 на оси 254 датчика. В процессе работы датчик 222 направляет световой луч 312 на отклоняющее средство 252 вдоль оси 251 светового луча. Световой луч 312 отражается отклоняющим средством 252 и направляется вовнутрь конструктивного элемента, в котором прибор 200 зафиксировано посредством хомутов 230а и 230b. Смещение между центральной осью 210 прибора 200 и осью 251 светового луча обозначено через "а". В одном варианте осуществления настоящего изобретения датчик 222 может представлять собой конфокальный хроматический датчик. Такие датчики известны специалистам в данной области, и поэтому их подробное описание здесь не приводится. Для достижения целей настоящего изобретения можно использовать любой существующий конфокальный хроматический датчик. В одном варианте осуществления настоящего изобретения блок 370 управления включает контроллер, или регулирующее средство, 372 датчика/двигателя и компьютер или процессор 374 для управления работой контроллера 372. Для определения внутреннего профиля конструктивного элемента, такого как статор с внутренними винтовыми зубьями, прибор 200 размещают внутри статора и фиксируют его там посредством хомутов 230а и 230b. Контроллер 372, управляемый компьютером 274, вынуждает датчик 222 направить световой луч 312 на отклоняющее средство 252, тогда как отклоняющее средство 252 вращается вокруг оси 251 светового луча, а корпус 202 вращается вокруг центральной оси 210. В ряде вариантов осуществления настоящего изобретения контроллер 372 независимым образом регулирует угловые скорости приводов 340 и 350 в соответствии с командами компьютера 374. Световой луч 314, отраженный от внутренней поверхности статора, принимается датчиком 222. Ось 254 отраженного светового луча 314 совпадает с осью 251 испускаемого светового луча.
На фиг. 4 схематически представлено геометрическое соотношение между вращениями отклоняющего средства и прибора 200, испускаемым и отраженным световыми лучами и смещением отклоняющего средства 250 (фиг. 2). Линия 400 очерчивает внутренний профиль статора 100. Точка Р1 обозначает местоположение отклоняющего средства, а расстояние "а" представляет собой смещение, или "эксцентричность", между центральной осью 210 и датчиком или осью 251 испускаемого светового луча и осью 254 отраженного светового луча, как описано применительно к фиг. 2. Расстояние "b" представляет собой начальный измерительный предел оптического луча, как более подробно описано ниже применительно к фиг. 5. "Р2" обозначает местоположение центра отклоняющего средства, находящееся на расстоянии "а" (смещение) от Р1. Отклоняющее средство вращается вокруг Р2, и вместе с тем прибор 200 и отклоняющее средство вращаются вокруг Р1. Расстояние "с" представляет собой фактическое известное измеренное расстояние. β представляет собой известный угол поворота системы, а γ - известный угол поворота отклоняющего средства, как показано на фиг. 5. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения у составляет 45 градусов.
На фиг. 5 схематически изображен путь светового луча 510 от датчика 222 до внутренней поверхности статора 110. Световой луч 510 проходит от датчика 222 расстояние XI и попадает на отклоняющее средство 252. Световой луч отклоняется отклоняющим средством 252, проходит расстояние Х2 плюс расстояние "с" и попадает на внутреннюю поверхность 112 статора в точке РЗ. В точке Р3 свет отражается обратно к отклоняющему средству 252 и поступает к контроллеру 372 датчика/двигателя (фиг. 3) для анализа принятого сигнала. Как показано на фиг. 4 и 5, "а" представляет собой смещение, "b" - начальное измеренное расстояние, равное сумме X1 и Х2 (b=X1+Х2), (3 - угол между вертикалью и нулевым вектором отклоняющего средства, а γ - угол между нулевым вектором отклоняющего средства и точкой Р3. Расстояние "d" неизвестно и должно быть определено данной системой.
Для определения внутреннего профиля какого-либо устройства внутри последнего фиксируют прибор 200. Отклоняющее средство и узел датчика вращаются вокруг своих соответствующих осей. Световой луч проходит от датчика, такого как конфокальный хроматический датчик, к вращающемуся отклоняющему средству, такому как зеркало, расположенному с известным смещением от оси узла датчика. Световой луч отражается от отклоняющего средства и попадает на внутреннюю поверхность измеряемого устройства. Компьютер обрабатывает световые лучи, отраженные от внутренней поверхности измеряемого устройства, и определяет расстояние от центра отклоняющего средства или какой-либо другой подходящей точки до внутренней поверхности измеряемого устройства. Поскольку отклоняющее средство вращается вокруг своей собственной оси, а также вокруг оси измерительного прибора/средства, световой луч сканирует весь внутренний профиль измеряемого устройства, а сигналы, полученные в результате отражения от этого внутреннего профиля, обрабатываются комбинацией контроллера и компьютера для определения всего внутреннего профиля измеряемого устройства. Этот профиль может быть получен в двух- и трехмерном виде. Для получения профиля из другой точки внутри измеряемого устройства перемещают прибор 200 в соответствующее положение, фиксируют его внутри измеряемого устройства и повторяют описанный выше процесс.
Как показано на фиг. 2-5, прибор 200 включает следующие элементы: измерительное средство с совпадающими осями оптических путей испускаемого и отраженного световых лучей, вращающееся отклоняющее средство, направляющее испускаемый световой луч на внутреннюю поверхность измеряемого устройства, а луч, отраженный от этой внутренней поверхности - к измерительному средству, привод для вращения отклоняющего средства, привод для вращения измерительного средства и отклоняющего средства вокруг центральной оси прибора 200, контроллер для управления световым лучом и вращениями отклоняющего средства и измерительного средства и компьютер или процессор для анализа сигналов отраженного светового луча с целью определения внутреннего профиля измеряемого устройства. В приборе 200 используются оптические пути с совпадающими осями для испускаемого и отраженного световых лучей, а компьютер определяет внутренний профиль измеряемого устройства из геометрических соотношений световых лучей, отклоняющего средства и внутреннего профиля измеряемого устройства.
В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения измерительное средство может иметь ограниченный предел измерения.
Эксцентричность ("а") имеет следствием сдвиг предела измерения светового луча в сторону ближайшей точки внутреннего профиля измеряемого устройства. Отклоняющее средство отклоняет испускаемый луч света в сторону внутреннего профиля и отклоняет отраженный луч света в сторону измерительного средства. Сочетание вращения отклоняющего и измерительного средств со смещением от центральной оси дает следующие результаты: (а) уменьшается угол между световым лучом и внутренним профилем с крутыми углами наклона боковых поверхностей винтовых зубьев или с обратной конусностью, что увеличивает количество и точность данных измерений, (б) совмещенное вращение измерительного и отклоняющего средств может сократить время, требуемое для измерения, и (в) обеспечивается возможность выполнения многоточечных измерений на поверхности посредством разных световых лучей и под разными углами к поверхности с целью повышения стабильности измерений и, следовательно, качества получаемых данных измерений. Такую измерительную систему можно адаптировать к разным внутренним профилям без ущерба для продолжительности измерений и качества и точности данных измерений.
Как упоминалось выше применительно к фиг. 2 и 3, центральная ось корпуса (вмещающего измерительное средство, отклоняющее средство и приводы) и центральная ось измеряемого устройства совпадают, когда этот корпус фиксируется внутри измеряемого устройства для проведения измерений. В альтернативном варианте прибор 200 может быть выполнено с возможностью поступательного движения внутри измеряемого устройства и одновременного вращения вокруг центральной оси. В таком конструктивном исполнении поступательное движение обеспечивает измерение линейного профиля, тогда как вращательное движение обеспечивает измерение кругового профиля. Следовательно, при одновременном осуществлении поступательного и вращательного движений прибор 200 может обеспечить получение трехмерного профиля внутренней поверхности измеряемого устройства.
Таким образом, в различных вариантах осуществления настоящего изобретения прибор 200 представляет собой переносную аппаратуру или систему для измерения поперечного сечения полого устройства, такого как статор. В одном варианте осуществления прибор 200 включает измерительное средство, содержащее датчик, такой как конфокальный хроматический датчик.
Отраженный световой луч из измерительного средства распространяется соосно со световым лучом, испускаемым датчиком. Этот эффект используется для отклонения светового луча (испускаемого и отраженного) отклоняющим средством в сторону внутренней поверхности измеряемого устройства. Для получения большого количества непосредственно отраженного света в системе 200 используются: (1) датчик и отклоняющее средство, расположенные эксцентрично относительно центральной оси измеряемого устройства, причем оси испускаемого и отраженного световых лучей совпадают друг с другом, (2) привод для вращения отклоняющего средства перед датчиком и (3) вращательная система, обеспечивающая вращение отклоняющего средства по окружности внутри измеряемого устройства. Результатом этого является совмещенное вращение отклоняющего средства и измерительной системы 200. Такая система обеспечивает точный угол измерения между испускаемым световым лучом датчика и внутренней поверхностью статора. Данная система измеряет рабочие профили внутри измеряемого устройства, например профили винтовых зубьев статора, и обеспечивает достижимость каждой точки этих профилей, то есть определение всего внутреннего профиля в целом.
На фиг. 6 представлены линейная и вращательная зависимости вращающихся испускаемого и отраженного световых лучей, используемых в приборе 200, показанном на фиг. 3. Определить расстояние "d" из зависимостей, показанных на фиг. 6, можно следующим способом. Как упоминалось выше, эксцентричность "а" имеет известное фиксированное значение. Кроме того, известным и фиксированным является значение начального предела измерения "b". Измеренное значение "с" представляет собой известное фактическое измеренное значение, β - фиксировано и известно, γ - известный угол поворота отклоняющего средства. Результирующий вектор "d" можно вычислить описанным ниже образом.
Следующие выражения дают x- и y-компоненты эксцентричности "а":
x
а=sin β*а
y
а=cos β*а
Выражения для x- и y-компонент начального предела измерения "b":
x
b=sin(β+γ)*b
y
b=cos(β+γ)*b
Выражения для x- и y-компонент измеренного значения "с":
x
с=sin(β+γ)*с
y
с=cos(β+γ)*с
Результирующие компоненты "d" (например, координаты Р3) можно вычислить следующим образом:
x
x
x
x
d=а±b±с
y
y
y
y
d=а±b±С
x
y
x
y
x
y
x
y
Пример вычисления расстояния "d": если а=6 мм, b=13 мм, с=12 мм, β=30°, γ=290°, а/а=3 мм/5,19 мм, b/b=8,35 мм/9,96 мм, с/с=-7,71 мм /9,19 мм, то d/d=13,06 мм/25,06 мм.
Хотя приведенное выше описание посвящено конкретным вариантам осуществления настоящего изобретения, представленным в качестве примера, специалистам в данной области будет ясно, что в этих вариантах осуществления возможны различные модификации. Подразумевается, что приведенное выше описание охватывает все модификации, реализуемые в пределах объема и сущности настоящего изобретения и указанные в приложенной формуле изобретения.