Силоизмерительный датчик реактивного момента на столе ротора буровой установки

Полезная модель относится к буровой технике, а именно к буровым установкам, на которых в процессе бурения необходимо измерять крутящий момент на роторе и используется в буровых установках с цепным и карданным приводом ротора и при турбинном бурении.
Процесс бурения нефтяных и газовых скважин характеризуется рядом особенностей – реализация огромных мощностей привода, обусловленных значительным сопротивлением резанию пород буровым инструментом и совокупность осложнений при бурении. Возросшие мощности буровых установок, скорости проходки скважин, переход к наклонно-направленному типу скважин предопределил и необходимость использования более сложных датчиков и систем контроля процесса бурения.
В процессе бурения скважины при роторном бурении, возникает необходимость контролировать вращательный момент буровой колонны. В противном случае, это может привести к аварийным ситуациям (слом инструмента, износ вооружения долота и т. п.). Крутящий момент можно определить по изменению упругих свойств вала, углу его закручивания, тангенциальным напряжениям на поверхности, по изменению силы активного тока электродвигателя.
Известен узел бурового стенда (RU 2021461, кл. Е21В3/04, 194 г.), содержащий вращатель, соединенный с ним карданный вал, взаимодействующий посредством конической передачи с роторным столом и упругий измерительный элемент с тензометрическим мостом измерения крутящего момента. Измерительный элемент выполнен из съемного хомута, установленного на карданном валу и размещенных диаметрально противоположно ребер жесткости, связанных между собой перемычками и закрепленных одним концом на карданном валу. На свободных концах ребер установлены технометрические консольные балочки, взаимодействующие с хомутом посредством точечных упоров.
Недостатком известного устройства является сложность при определении реактивного момента на столе ротора буровой установки из-за необходимости корректировки измерений с учетом влияний остаточной деформации карданного вала, возникающих вибраций при бурении, а так же необходимость учета свойства металла карданного вала, что не просто из-за широкого диапазона температур окружающего воздуха (±50 °С) на буровых установках.
Проблемой полезной модели является устранение указанных недостатков.
Техническим результатом полезной модели является упрощение процесса измерения реактивного момента на столе ротора буровой установки.
Поставленная проблема и технический результат достигаются тем, что силоизмерительный датчик реактивного момента на столе ротора буровой установки включает силоизмеритель, связанный посредством передачи со столом ротора. Согласно полезной модели он содержит соединенные между собой двухстороннюю проушину для жесткого крепления датчика к основанию буровой установки, тензометрический датчик силы с блоком электроники, талреп с воротком для натяжения цепи привода и двухстороннюю проушину для жесткого крепления к столу ротора буровой установки.
Жесткое крепление проушин к основанию буровой установки и к столу ротора выполнено сваркой.
При креплении двухсторонних проушин к основанию буровой установки и к столу ротора габаритные размеры ширины проушин выполнены равными 60+1 мм.
При его установке на стол ротора плечо, образованное между продольной осью силоизмерительного датчика и осью вращения ротора соответствует формуле:
,
где  – максимальный момент на роторе (определяется по данным буровой установки), тс·м;
F= 5 тс – максимальная нагрузка на силоизмерительном датчике.
Силоизмерительный датчик выполнен во взрывозащищенном  исполнении, вид взрывозащиты - «Искробезопасная электрическая цепь ia».
Наличие двухсторонних проушин для жесткого крепления датчика к основанию буровой установки и к столу ротора обеспечивают работу датчика на растяжение при крутящем моменте ротора.
Тензометрический датчик силы связан с блоком электроники, для перевода аналогового сигнала в цифровой и обеспечивает питание тензопреобразователя.
Наличие талрепа с воротком создает необходимое первоначальное натяжение цепи и натяжение цепи на измерительном участке с целью обеспечения работы силоизмерителя в зоне линейности номинальной статической характеристики.
Жесткое крепление проушин к столу ротора буровой установки позволяет исключить изменения длины измерительного участка, что влияет на получение достоверных результатов при измерении реактивного момента на столе ротора.
Соблюдение габаритных размеров двухсторонних проушин, при их креплении к основанию буровой установки и к столу ротора равным 60+1 мм обеспечивает настроечное первоначальное натяжение цепи на измерительном участке во время бурения из-за возникающих вибраций.
Выдерживание размера плеча, образованного между продольной осью силоизмерительного датчика и осью вращения ротора необходимо для обеспечения номинальной статической характеристики во всем диапазоне измерений.
Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен силоизмерительный датчик реактивного момента на столе ротора буровой установки, вид спереди; на фиг. 2 датчик, вид сбоку; на фиг. 3 схема монтажа датчика на буровой установке.
Силоизмерительный датчик реактивного момента на столе ротора буровой установки выполнен во взрывозащищенном исполнении, вид взрывозащиты - «Искробезопасная электрическая цепь ia» и включает соединенные между собой двухстороннюю проушину 1 для соединения (приваривания) ее к основанию 2 буровой установки, тензометрический датчик 3 силы на растяжение с блоком 4 электроники, талреп 5 с воротком 6 для натяжения цепи 7 привода и двухстороннюю проушину 8 для соединения (приваривания) ее к столу 9 ротора буровой установки.
Силоизмерительный датчик реактивного момента на столе ротора буровой установки работает следующим образом.
Силоизмерительный датчик является полностью искробезопасным и взрывозащищенным изделием и не содержат искроопасных цепей. Искробезопасность внутренних цепей достигается соблюдением искробезопасных зазоров и путей утечки между токопроводящими элементами. Электрическая схема датчика не содержит элементов, способных накопить энергию, достаточную для воспламенения взрывоопасных смесей.
Перед установкой силоизмерительного датчика на месте эксплуатации необходимо установить цепь 7 на нужную длину, закрепив крайнее звено съемным пальцем 10, при этом установить талреп 5 в среднее положение (расстояние между осями пальцев приблизительно 590 мм), для возможности регулировки. Длина цепи 7 выбирается, исходя из соображений удобства установки, эксплуатации и обслуживания датчика персоналом буровой.
При установке и эксплуатации силоизмерительного датчика нужно следить за тем, чтобы параметры эксплуатации тензометрического датчика 3 силы соответствовали и находились в диапазонах указанных ниже значений:
Диапазон измерений силы, кН (тс)
0,5–50
Пределы допускаемой основной
приведенной погрешности измерения силы, %
±1,0
Пределы допускаемой дополнительной
относительной погрешности измерения силы,
обусловленной отклонением температуры
окружающей среды на каждые 10ºС от
нормальных условий, %
±0,5
Напряжение питания постоянного тока, В
от 10 до 15
Ток потребления, мА, не более
20
Потребляемая мощность, Вт, не более
0,3
Диапазон рабочих температур окружающей среды, <sup>о</sup>С
–50 … +50
Время наработки на отказ, ч
8000
Тип выходного сигнала1-wire
цифровой
Габаритные размеры,
длина×ширина× высота, мм
не более 650×115×180
Масса, кг
не более 15
Режим работы
постоянный
Срок эксплуатации
5 лет
Приваривают двухсторонние проушины 1 к основанию 2 (к полу) буровой установки или неподвижной опоре (выдерживающей нагрузку до 5 тс), а двухстороннюю проушину 8 к столу 9 ротора. При выборе места установки двухсторонних проушин 1 и 8 необходимо выдержать размер между их сторонам равный 60+1 мм, а также плечо L, которое определяется по формуле:
,
где  – максимальный момент на роторе (определяется по данным буровой установки), тс·м;
F=5 тс – максимальная нагрузка на датчике силы.
Перед установкой датчика силы необходимо проверить положение ротора. Корпус ротора должен плотно касаться бокового упора 11 со стороны установки силоизмерительного датчика.
С противоположной стороны от силоизмерительного датчика, между ротором и боковым упором должен быть зазор около 1 см. Зазор необходим для корректного измерения момента на роторе. Если зазора нет, то боковой упор 11 будет принимать на себя часть нагрузки, и показания силоизмерительного датчика будут существенно занижаться. Величина зазора в процессе бурения может изменяться, но ротор не должен касаться бокового упора 11.
Устанавливают силоизмерительный датчик на приваренные проушины 1 и 8. Вращая талреп 5 руками, создают небольшое предварительное усилие растяжения для того, чтобы выбрать зазоры в соединениях. При необходимости можно использовать вороток 6. Усилие на конце воротка 6 должно быть не более 0,5 кг. После предварительного натяжения цепи 7, устанавливают вороток 6 в отверстия пальцев 10 для предотвращения самопроизвольное вращение талрепа 5 во время бурения из-за вибраций.
При эксплуатации силоизмерительный датчик должен подвергаться систематическому (ежесменному) осмотру, при котором необходимо проверить затяжку резьбовых соединений, а также повреждения защитного рукава 12 кабеля.
Силоизмерительный датчик с помощью тензометрического датчика 3 силы измеряет реактивный момент роторного стола 9 относительно станины. При установке силоизмерительного датчика, тензометрический датчик 3 должен быть предварительно нагружен при нулевом крутящем моменте. При увеличении крутящего момента на роторе будет возрастать усилие растяжения на цепи 7 и, следовательно, усилие растяжения на силоизмерительном датчике.
Сигнал, с выхода тензометрического датчика 3, пропорциональный измеряемой силе, поступает на вход блока 4 электроники, который осуществляет преобразование аналогового сигнала в цифровой и обеспечивает питание тензопреобразователя.
Силоизмерительный датчик прост в изготовлении и надежен при эксплуатации с одновременной высокой точностью определения реактивного момента на столе ротора буровой установки.
В настоящее время силоизмерительный датчик испытан в полевых условиях и готовится его серийное производства для нефтегазодобывающей промышленности.