Патент на изобретение №2371573

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ НАРАБОТКИ И ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ ЗАБОЙНОГО ДВИГАТЕЛЯ И ЭЛЕКТРОННЫЙ МОДУЛЬ ДЛЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ

(57) Реферат:

Изобретения относятся к средствам контроля параметров процесса бурения скважин. Техническим результатом является повышение точности и достоверности измерения наработки и частоты вращения забойного двигателя. Устройство включает корпус и электронный модуль, состоящий из элемента питания и из электронного блока с измерительным элементом. В качестве измерительного элемента электронный блок содержит гироскоп, устройство дополнительно содержит установленный коаксиально внутри корпуса полый пенал, выполненный разрезанным на две части, при этом направление разреза выполнено под острым углом от более 0° до менее 90° к продольной оси пенала, электронный модуль установлен внутри упомянутого пенала по существу вдоль разреза с отклонением от продольной оси пенала. Электронный модуль состоит из элемента питания и электронного блока, включающего следующие электронные компоненты: узел, в котором программируется управляющая программа, со встроенными датчиком температуры и таймером календарного времени, измерительный элемент, энергонезависимую микросхему памяти и порт ввода-вывода данных, вход-выход которого подключен к узлу, в котором программируется управляющая программа, при этом указанные электронные компоненты соединены друг с другом посредством системы связей «вход-выход». В качестве измерительного элемента электронный блок содержит гироскоп, в качестве узла, в котором программируется управляющая программа, электронный блок содержит микроконтроллер, в котором программируется управляющая программа, со встроенными аналого-цифровым преобразователем АЦП, датчиком температуры и таймером календарного времени, а также электронный блок дополнительно содержит преобразователь напряжения измерительного элемента и буферный усилительный элемент. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретения относятся к средствам контроля параметров процесса бурения скважин, а точнее к устройствам регистрации таких параметров, как частота вращения ротора, наработка и температура забойных двигателей (ЗД), в том числе винтовых забойных двигателей и турбобуров для вертикального, наклонно направленного и горизонтального бурения скважин. Также они могут применяться в других процессах и механизмах, где необходимо отслеживать вращение объекта или такое вращение является характеристикой времени работы (наработки) объекта.

В настоящее время существуют различные системы контроля и измерения режимов бурения, в частности системы для подсчета времени наработки ЗД.

Известно устройство для измерения числа оборотов вала забойного двигателя по патенту РФ 2285120, кл. Е21В 45/00, опубл. в 2006 г. В данном случае мы имеем дело с неавтономным известным устройством измерения частоты вращения вала. Для реализации его работы нужно протягивать кабель питания, что значительно усложняет конструкцию. Кроме этого в процессе регистрации частоты вращения вала при измерении вращения участвует вектор естественного магнитного поля Земли, что подразумевает определенную ориентацию устройства относительно Земли. При бурении же магнитных и некоторых других пород они могут оказывать влияние на вектор направленности магнитного поля Земли, а значит – привести к искажениям результатов.

Известен автономный забойный регистратор силовых параметров забойных двигателей, состоящий из установленного в буровой колонне корпуса, выполненного в виде переводника с содержанием контейнера электронного блока и элемента питания, многоканального элемента силовых параметров. Электронный блок содержит многоканальный усилитель, многоканальный аналого-цифровой преобразователь (АЦП), процессор и оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) (Патент РФ 2131973, кл. Е21В 44/00, опубл. 1999 г.). Недостатком этого устройства является недостаточная информативность, т.к. ОЗУ регистрирует только осевую нагрузку на долото.

Наиболее близким к предлагаемому устройству по назначению и совокупности признаков является устройство для регистрации забойных параметров, содержащее корпус и электронный модуль, выполненный из электронного блока с измерительным элементом – акселерометром плоскостей Х и Y, и из элемента питания (Патент РФ 2296218, кл. Е21В 44/00, опубл. 2007 г.).

Существенным недостатком указанного известного устройства является то, что частота вращения ротора двигателя рассчитывается косвенным методом, а именно по ускорению и силе вибрации. В этом случае акселерометр воспринимает не только полезную, но и другую вибрацию, не связанную с вращением вала (ротора) двигателя, например, при транспортировании, при хранении, при монтаже устройства в ротор забойного двигателя и др., что вызывает погрешности измерения и может значительно повлиять на точность измерения.

Кроме того, при использовании в известном устройстве для определения частоты вращения двигателя показателя ускорения большое влияние на измерение этого интегрированного ускорения будет оказывать положение осей акселерометра относительно направления силы тяжести Земли (g), и в некоторых случаях при определенном положении осей Х и Y акселерометра по отношению к указанному вектору силы тяжести можно неверно рассчитать скорость вращения, так как при совпадении одной из осей акселерометра с вектором силы тяжести составляющая проекции ускорения по этой оси будет отсутствовать. Все эти факторы снижают точность и достоверность установления забойных параметров.

Все указанные выше устройства для регистрации забойных параметров в своей конструкции используют электронный модуль, обеспечивающий регистрацию информации, ее съем и обработку.

Наиболее близким к заявляемому электронному модулю для изготовления устройства для регистрации забойных параметров является электронный модуль, известный из Патента РФ 2296218, кл. Е21В 44/00, опубл. 2007 г. и состоящий из элемента питания и электронного блока, снабженного микропроцессором, в котором программируется управляющая программа, акселерометром плоскостей Х и Y, энергонезависимой микросхемой памяти, таймером календарного времени, датчиком температуры, портом ввода-вывода информации на компьютер с помощью интерфейса связи. Выход микропроцессора соединен с первым входом энергонезависимой микросхемы памяти. На первый вход микропроцессора подключен акселерометр плоскостей Х и Y, на второй вход – таймер календарного времени, а третий вход подключен к выходу датчика температуры, вход которого связан с элементом питания. Вход-выход порта ввода-вывода данных подключен к микропроцессору, вход порта ввода-вывода подключен к блоку питания. Причем вход таймера календарного времени, четвертый вход микроконтроллера и вход акселерометра подключены ко второму входу энергонезависимой микросхемы памяти.

Основным недостатком указанного известного электронного модуля является то, что при его использовании в устройстве не обеспечивается высокая точность и достоверность установления таких параметров как наработка и частота вращения забойного двигателя. Это объясняется тем, что для измерения частоты вращения забойного двигателя этим известным электронным модулем применяется косвенный метод измерения. Акселерометр плоскостей Х и Y – это прибор, который измеряет ускорение, и, следовательно, частоту вращения в этом случае можно определить лишь путем математической обработки с потерей точности. Добавим к этому, что любая вибрация, создаваемая механической системой (механизмом), также является ускорением, которое воспринимает акселерометр плоскостей Х и Y, что приведет к еще большей потере точности установления частоты вращения, а в некоторых случаях, при определенном положении плоскостей Х и Y относительно вектора силы тяжести и высоком уровне вибрации, – к недостоверности полученных результатов.

Единый технический результат, достигаемый при осуществлении заявляемой группы изобретений, заключается в повышении точности и достоверности измерения наработки и частоты вращения забойного двигателя за счет исключения влияния на процесс измерения силы тяжести Земли, за счет расширения диапазона чувствительности измерительного элемента и за счет исключения влияния на измеряемые параметры «паразитных» вращений двигателя при транспортировке, сборке, хранении.

Дополнительным техническим результатом является создание малогабаритного и надежного в работе устройства с технологическим запасом по габаритным размерам.

Указанный технический результат достигается предлагаемым устройством для регистрации наработки и частоты вращения забойного двигателя, включающим корпус и электронный модуль, состоящий из элемента питания и из электронного блока с измерительным элементом, при этом в качестве измерительного элемента электронный блок содержит гироскоп, устройство дополнительно содержит установленный коаксиально внутри корпуса полый пенал, выполненный разрезанным на две части, при этом направление разреза выполнено под острым углом от более 0° до менее 90° к продольной оси пенала, электронный модуль установлен внутри упомянутого пенала по существу вдоль разреза с отклонением от продольной оси пенала.

По меньшей мере, одна часть пенала изнутри снабжена опорной ступенью, на которой фиксируется электронный модуль.

На внутренней поверхности корпуса выполнены выступы, а на внешней поверхности пенала – пазики, входящие в зацепление с упомянутыми выступами для предотвращения проворачивания пенала относительно корпуса.

Единый технический результат также достигается электронным модулем устройства для регистрации наработки и частоты вращения забойного двигателя, состоящим из элемента питания и электронного блока, включающего следующие электронные компоненты: узел, в котором программируется управляющая программа, со встроенными датчиком температуры и таймером календарного времени, измерительный элемент, энергонезависимую микросхему памяти и порт ввода-вывода данных, вход-выход которого подключен к узлу, в котором программируется управляющая программа, при этом указанные электронные компоненты соединены друг с другом посредством системы связей «вход-выход», новым является то, что в качестве измерительного элемента электронный блок содержит гироскоп, в качестве узла, в котором программируется управляющая программа, электронный блок содержит микроконтроллер, в котором программируется управляющая программа, со встроенными аналого-цифровым преобразователем АЦП, датчиком температуры и таймером календарного времени, а также электронный блок дополнительно содержит преобразователь напряжения измерительного элемента и буферный усилительный элемент, причем упомянутая система связи «вход-выход» указанных электронных компонентов электронного блока выполнена следующим образом: на входы микроконтроллера подключены выходы энергонезависимой микросхемы памяти и буферного усилительного элемента, а два входа последнего соединены соответственно с выходом измерительного элемента – гироскопа и с выходом преобразователя напряжения гироскопа, вход которого подключен к выходу микроконтроллера, а напряжение питания с выхода элемента питания подано на входы энергонезависимой микросхемы памяти, преобразователя напряжения гироскопа и микроконтроллера.

Технический результат, обеспечиваемый заявляемой группой изобретений, достигается за счет следующего.

Благодаря тому, что предлагаемое устройство содержит пенал, выполненный разъемным из двух частей, которые получены путем наклонного разрезания пенала к его осевому (продольному) направлению под острым углом (причем разрез должен быть под углом, отличающимся от 0° и отличающимся от 90°, т.е. можно трактовать, что он выполнен всегда с одной стороны под острым углом к продольной оси, а смежный с ним угол между линией разреза и продольной осью пенала будет всегда тупым), обеспечивается возможность разместить и зафиксировать электронный модуль, а значит – плату, на которой выполнен электронный блок с измерительным элементом – гироскопом, накрененным к осевому направлению как пенала, так и корпуса (т.к. пенал размещен коаксиально внутри корпуса). То есть ось чувствительности гироскопа также будет расположена под углом к продольной оси корпуса устройства, а значит – под углом к валу (ротору) забойного двигателя. Само устройство для регистрации наработки и частоты вращения обычно устанавливается в забойный двигатель таким образом, что его ось (продольная ось корпуса) и ось вращения двигателя совпадают.

Если гироскоп расположить так, что его ось чувствительности будет совпадать со всеми этими осями, то тогда чувствительность всего устройства будет равна чувствительности гироскопа. При этом верхний диапазон измерения ограничивается верхним диапазоном измерения угловой скорости самого гироскопа. Например, если максимальная угловая скорость гироскопа _{max гир}=360°/с, то верхний предел измерения всего устройства будет равен _{max устр}=_{max гир}=360°/с=60 oб/мин. Увеличить верхний диапазон измерения можно располагая ось чувствительности гироскопа под углом к оси вращения корпуса (двигателя), что выразится в формуле:

если ось чувствительности гироскопа направлена вдоль платы электронного блока (параллельно плоскости платы);

если ось чувствительности гироскопа направлена перпендикулярно плате электронного блока (под углом к плоскости платы).

где _устр – угловая скорость, замеряемая устройством;

_гир – угловая скорость, замеряемая гироскопом;

– угол между осью устройства и платой, на которой установлен гироскоп (на плате смонтирован весь электронный блок, а значит, на ней находится и гироскоп).

Тогда, например, если верхний предел измерения гироскопа 360°/с, т.е. 60 об/мин, то при установке электронного блока в пенале под углом 11,5° (как предлагается авторами) верхний предел измеряемой угловой скорости будет

Изменяя углы установки электронного блока с гироскопом, можно изменять предел измерения предлагаемым устройством максимальной угловой скорости (максимальных оборотов двигателя). При меньшем пределе измерений увеличивается чувствительность устройства и возрастает точность на низких частотах вращения (порядка единиц оборотов в минуту), при большем пределе измерений точность устройства сдвигается в область более высоких частот вращения. Таким образом, изменением угла установки электронного модуля в разрезной пенал (а значит, изменением угла наклона электронного блока, в т.ч. изменением угла наклона оси чувствительности гироскопа, относительно продольной оси корпуса) можно сдвигать нижний и верхний пределы чувствительности предлагаемого устройства, что расширяет его технологические возможности.

Выполнение в предлагаемом устройстве электронного блока в виде указанной блок-схемы также обеспечивает повышение точности и достоверности измерения параметров наработки и частоты вращения двигателя благодаря следующему.

Установка в электронном блоке в качестве измерительного элемента гироскопа позволяет напрямую измерять частоту вращения двигателя, в то время как акселерометр в известном блоке измеряет этот показатель косвенным методом по вектору силы тяжести и силе вибрации. В этом случае акселерометр воспринимает не только полезную, но и другую вибрацию, не связанную с вращением, например, при транспортировании, хранении, монтаже устройства в ротор забойного двигателя, что может значительно повлиять на точность и качество измерения. А в предлагаемом устройстве будет исключено указанное побочное влияние на измеряемые показатели, что повышает их достоверность.

Наличие преобразователя напряжения гироскопа позволяет запитывать гироскоп более высоким напряжением, получая больший размах напряжения на выходе гироскопа, тем самым повышая чувствительность всего устройства.

Дополнительный буферный усилительный элемент обеспечивает масштабирование высокого выходного напряжения от гироскопа в напряжение, которое можно подавать на вход АЦП микроконтроллера.

Введение в электронный блок предлагаемого электронного модуля микроконтроллера, который представляет собой микросхему со встроенными АЦП, датчиком температуры и таймером календарного времени, обеспечивает сбор данных с гироскопа, их преобразование, синхронизирует время с программным обеспечением, управляет режимом записи данных в энергонезависимую память и связь с портом для передачи данных на компьютер.

Заявляемое изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 изображены составные части предлагаемого устройства и устройство в сборе; на фиг.2 – общий вид пенала, разрезанного на две части с одним электронным модулем; на фиг.3 – принципиальная схема электронного модуля.

Предлагаемое устройство для регистрации наработки и частоты вращения забойного двигателя включает корпус 1, пенал 2 и электронный модуль, состоящий из электронного блока 3 (размещен на плате) и элемента питания 4. Пенал 2 выполнен из двух частей 5 и 6, которые образованы путем разрезания тела пенала под острым углом к продольной оси 7 пенала 2. Электронный модуль с электронным блоком 3 установлен внутри указанного пенала 2 вдоль разреза, т.е. фактически с отклонением от его продольной оси. Для лучшей фиксации плата электронного блока может быть установлена на опорную ступень (на чертеже не показана), которой может быть снабжена часть пенала изнутри. Соединительным элементом частей пенала является корпус. Однако, для исключения размыкания частей 5 и 6 пенал 2 может быть снабжен соединительным узлом, например кольцом. Крышка 8 и кольца 9 являются разделительными элементами и в последующих конструкциях их может и не быть. Пенал 2 с электронным блоком 3 и элементом питания 4 установлен внутри корпуса 1 коаксиально. С одного торца корпуса 1 по резьбе заворачивается крышка, которая фиксирует пенал в корпусе от продольного перемещения, и гайка. Для исключения проворота пенала в корпусе на внутренней поверхности корпуса могут быть выполнены выступы, а на внешней поверхности пенала – пазики, входящие в зацепление с упомянутыми выступами.

Используемый для изготовления предлагаемого устройства заявляемый электронный модуль состоит из элемента питания 4 и электронного блока 3. Последний (фиг.3) содержит микроконтроллер 10 со встроенными АЦП, датчиком температуры и таймером календарного времени. В упомянутом микроконтроллере 10 «прошита» управляющая программа. Также электронный блок 3 содержит измерительный элемент – гироскоп 11, преобразователь 12 напряжения гироскопа, буферный усилительный элемент 13, энергонезависимую микросхему 14 памяти и порт 15 ввода-вывода данных, вход-выход которого подключен к микроконтроллеру 10. Все указанные электронные компоненты электронного блока 3 соединены друг с другом посредством системы связей «вход-выход», а именно: выход буферного усилительного элемента 13 соединен с входом микроконтроллера 10, а его первый вход – с выходом гироскопа 11, второй вход – с выходом преобразователя 12 напряжения гироскопа 11. Выход преобразователя 12 напряжения гироскопа связан также с входом гироскопа 11. Элемент питания 4 соединен с входами энергонезависимой микросхемы 14 памяти, преобразователя 12 напряжения гироскопа 11 и микроконтроллера 10. Предлагаемое устройство работает следующим образом. Устройство посредством заглушки и стопорных резиновых колец устанавливается и закрепляется в отверстии ротора винтового забойного двигателя. Двигатель спускают в скважину. При запуске его в работу вал двигателя начинает вращаться. При этом происходит синхронное вращение корпуса 1 устройства с ротором двигателя. Микроконтроллер 10 по заданному алгоритму управляющей программы обрабатывает сигнал с гироскопа 11 через буферный усилительный элемент 13, производит регистрацию в энергонезависимой микросхеме 14 памяти данных о частоте вращения вала двигателя, данных датчика температуры и даты с временем записи от таймера календарного времени. Периодичность запроса и обработка сигнала программируется перед компоновкой предлагаемого устройства на валу двигателя.

При остановке работы двигателя предлагаемое устройство переходит в спящий режим. После отработки двигателя его поднимают из скважины и отправляют на ремонт, где во время разборки извлекают заявляемое устройство, снимают с его корпуса торцевую крышку и соединяют электронный модуль через порт 15 ввода-вывода с компьютером (указанный порт необходим для подключения электронного модуля через интерфейс связи к персональному компьютеру), осуществляют считывание данных регистрации и дальнейшую обработку данных, а также обнуляют энергонезависимую микросхему 14 памяти. Полученные данные о наработке, частоте вращения и температуре используют для анализа работы забойного двигателя в реальных условиях бурения.

Программное обеспечение, устанавливаемое на компьютер, реализовано таким образом, что в подсчете наработки и формировании отчета учитываются только те вращения, которые непосредственно связаны с работой двигателя, остальные вращения отфильтровываются. Одновременно с этим на получаемых графиках можно отследить частоту вращения, температуру, напряжение источника питания и наработку за любой период времени.

Предлагаемое устройство было испытано в промысловых условиях при бурении скважин. В качестве объекта исследования был выбран гидравлический винтовой забойный двигатель марки ДРУ2-172 и ДРУ-195, посредством которого производилось бурение скважины. Предлагаемое устройство, используемое при этих испытаниях, характеризовалось следующими признаками:

– корпус выполнен металлическим;

– внутри него установлен цилиндрический пенал из текстолита, разрезанный под углом 11,5° к продольной оси пенала и составленный из двух частей;

– в пенале по месту разреза размещен электронный модуль, состоящий из электронного блока с измерительным элементом – механическим гироскопом марки ADXRS300ABG с ориентацией оси чувствительности перпендикулярно плате (в качестве измерительного элемента можно использовать также различные другие виды гироскопов, в том числе с разными ориентациями осей чувствительности), и элемента питания – литиевая батарея напряжением 3,6 В.

Данные, полученные в ходе испытаний, показали высокую точность предлагаемого устройства для определения частоты вращения забойного двигателя в процессе работы и определения общей наработки двигателя за все время промысловых испытаний. Кроме этого ресурс устройства по данным на момент подачи заявки составил более 400 часов в рабочем режиме и около 10 месяцев в «спящем» режиме без замены элемента питания. Также проводилась проверка на стенде гидроиспытаний на территории фирмы-изготовителя винтовых забойных двигателей методом ступенчатого нагружения и показала соответствие таких характеристик, как частота вращения и время вращения двигателя, регистрируемых стендом, с полученными данными предлагаемого устройства.

Предложенное устройство может с высокой степенью точности напрямую регистрировать такие параметры забойных двигателей, как частота вращения, температура и наработка, исключая воздействие таких факторов, как магнитное поле Земли и ускорение свободного падения (сила тяжести), а также различные «паразитные» вибрации.

Устройство автономно, компактно и может устанавливаться и в других механизмах, где необходимо замерять время вращения и отслеживать само вращение.

Кроме этого технологически с выпуском более миниатюрных элементов возможно уменьшение габаритов изделия, а также, при необходимости, добавление дополнительных чувствительных элементов (таких, например, как датчик давления и др.) и компоновка их в одном устройстве.

Формула изобретения

1. Устройство для регистрации наработки и частоты вращения забойного двигателя, включающее корпус и электронный модуль, состоящий из элемента питания и из электронного блока с измерительным элементом, отличающееся тем, что в качестве измерительного элемента электронный блок содержит гироскоп, устройство дополнительно содержит установленный коаксиально внутри корпуса полый пенал, выполненный разрезанным на две части, при этом направление разреза выполнено под острым углом от более 0° до менее 90° к продольной оси пенала, электронный модуль установлен внутри упомянутого пенала, по существу, вдоль разреза с отклонением от продольной оси пенала.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что, по меньшей мере, одна часть пенала изнутри снабжена опорной ступенью, на которой фиксируется электронный модуль.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что на внутренней поверхности корпуса выполнены выступы, а на внешней поверхности пенала – пазики, входящие в зацепление с упомянутыми выступами для предотвращения проворачивания пенала относительно корпуса.

4. Электронный модуль устройства для регистрации наработки и частоты вращения забойного двигателя, состоящий из элемента питания и электронного блока, включающего следующие электронные компоненты: узел, в котором программируется управляющая программа, со встроенными датчиком температуры и таймером календарного времени, измерительный элемент, энергонезависимую микросхему памяти и порт ввода-вывода данных, вход-выход которого подключен к узлу, в котором программируется управляющая программа, при этом указанные электронные компоненты соединены друг с другом посредством системы связей «вход-выход», отличающийся тем, что в качестве измерительного элемента электронный блок содержит гироскоп в качестве узла, в котором программируется управляющая программа, электронный блок содержит микроконтроллер, в котором программируется управляющая программа, со встроенными аналого-цифровым преобразователем АЦП, датчиком температуры и таймером календарного времени, а также электронный блок дополнительно содержит преобразователь напряжения измерительного элемента и буферный усилительный элемент, причем упомянутая система связи «вход-выход» указанных электронных компонентов электронного блока выполнена следующим образом: на входы микроконтроллера подключены выходы энергонезависимой микросхемы памяти и буферного усилительного элемента, а два входа последнего соединены соответственно с выходом измерительного элемента – гироскопа и с выходом преобразователя напряжения гироскопа, вход которого подключен к выходу микроконтроллера, а напряжение питания с выхода элемента питания подано на входы энергонезависимой микросхемы памяти, преобразователя напряжения гироскопа и микроконтроллера.

РИСУНКИ