Устройство для измерения длины колонны труб

(19) 01) 21 В 45 Г; 11 ЦУзРсВ 13Ъ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ инениябйовский,ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИ 4 ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛ(71) Специальное конструкторское бюро средств автоматизации Ивано-Франковского производственного объед "Геофизприбор"(56) Авторское свидетельство СССР В 883364, кл, Е 21 В 44/00, 1979.Авторское свидетельство СССР В 56805, кл.Е 21 В 19/00, 1971. (54) Устройство для измерения длины КОЛОННЫ ТРУБ(57) Изобретение предназначено для контроля процессов бурения скважин и позволяет с высокой точностью измерять длину колонны труб. Устр-во содержит измерительный барабан (Б) 1, соединенный канатом 2 с подвешенным на несущем канате 4 талевым блоком 3Канат 4 намотан на Б 5 буровой лебедки. Между Б 1 и 5 установлен компенсирующий узел. Он выполнен в видедифференциальной зубчатой передачис .водилом 6, на котором закрепленвспомогательный Б 7 На нем закрейлен канат 8 с грузом 9. При этом Б 1через магнитную муфту 10 соединен смногоотсчетным сельсинным преобразо"вателем (П) 11. При нагружении блока 3 трубами сигнал с выхода П 14 веса через компаратор 13 включает муфту 10. Обеспечивается жесткая связьБ 1 с П 11. Последний суммирует перемещения блока 3. Соединенный с П 11индикатор 12 регистрирует длину колонны, опущенной в скважину, Кинематическая связь Б 1 и 5 обеспечивает привод вращения Б 1 без колебанийпоследнего, уменьшает зону перемещения груза. 4 ил.128011Изобретение относится к приборамконтроля процессов бурения скважины,а именно к измерителям перемещенийбурового инструмента и длины колонны труб, 5Целью изобретения является повышение точности измерения длины колонны труб,На фиг.1 приведена схема устройства; на фиг.2 - кинематическая схе- Ома привода измерительного барабанаи планы его скоростей; на фиг.Э -изображение кинематическай схемы суказанием направлений вращения передаточных звеньев и направления действия сил; на фиг.4 - два вариантаграфиков скоростей точки водила и углов поворота водила вспомогательногобарабана, от которьх зависит величинавертикального перемещения натяжного 20груза,Устройство содержит (фиг.1) измерительный барабан 1, соединенный канатом 2 с талевым блоком Э, подвешенным на несущем канате 4, намотанном25в несколько слоев на барабан 5 буровой лебедки. Измерительный барабан 1и барабан 5 буровой лебедки кинематически соединены также посредствомкомпенсирующего узла в виде дифферен-З 0циальной зубчатой передачи, на водиле б которой выполнен вспомогательный барабан 7, связанный канатом 8с грузом 9. Барабан 1 через магнитнуюмуфту 10 соединен с многоотсчетным 35сельсинным преобразователем 11,подключенным на вход индикатора 12,Через компаратор 13 выход преобразователя веса подключен к обмотке магнитной муфты. 40Для уяснения принципа действия механизма привода измерительного барабана 1 рассмотрим кинематическую схему механизма и два варианта планаскоростей (фиг.2 - 4). 45Передаточное отношение дифференциальной зубчатой передачи определяем, исходя иэ двух условий. Первоеусловие. Измерительный барабан 1 соединен с барабаном 5 леоедки натянутым канатом 2 и канатом 4, проходящФм через талевую систему с числомнесущих нитей, равным и. Поэтому скорости Ч и Ч точек а и Г, лежащихна асях канатов 4 и 2, при их сходе 55с соответствующих барабанов связаныотношением-ч= и (1) б 2Второе условие, Тачки а и Г принадлежат (условно) также барабанамсстоянсоответсгвующих им осей вращения и связаны зубчатой передачей с передаточным отношениемПоэтому скорости Ч и ЧсвязаныО.также отношением(3)ГВ последнем выражении количествонесущих нитей талевой системы и принимаем неизменным,Постоянным является также радиуст , ввиду того, что намотку каната2 на барабан 1 выполняем в один слой.Радиус намотки несущего каната 4 набарабан 5 - переменная величина, иизменяется в зависимости от количества каната 4, уложенного на барабан5 в пределах от К с, до Ко, (приотрехслойной намотке каната 4 на барабан 5).Следовательно, в соответствии сизменением К должно изменяться ипередаточное отношение передачиотх до 3. (фиг 3)В предлагаемом устройстве изменение передаточного отношения обеспечивается автоматически за счетприменения дифференциальной зубчатойпередачи с зубчатыми колесами К ,ЕЕ и водилам 6, на котором закрепленвспомогательный барабан 7, связанныйс натяжным грузом 9 канатом 8Предположим, что талевый блок Энаходится в самом нижнем положении.Тогда на барабане 5 уложено всего несколько витков каната 4 и он навивается на барабан 5 по наименьшемурадиусу Ка - Кс,Если для подъема блока Э барабан5 привести во вращение с постояннойугловой скоростью ц 1 (план скоростей5на фиг.2 б), то скорость точки а сначала будет равна Ч = Ксд , ао 4 о 5 фзатем по мере увеличения на барабане5 количества каната 4, будет возрастать До Чо= К4.1 э3При натянутых канатах 4 и 2 скорость Ч точкитакже будет изменять ся от 12801 Ч = -до ЧЧа Чае1 о п и(5) В последнем случае в начале подъема блока 3 модуль скорости Чс от определенного значения уменьшается, а 45 затем возрастает. При переходе через точку ЧС 1 = 0 изменяется направление скорости Чна противоположное,что вызывает изменение направления вращения вспомогательного барабана 7. 50На фиг,4 а показаны характер изменения скорости Ч,1 (кривая 1) и угла Ч, поворота водила (кривая 2) в зависимости от высоты подъема талевого блока Н, для варианта 1 плана скоростей при послойной укладке каната 4 на барабан 5. При переходе на последующий слой К , Ч , Ч и Ч изО.ф о фменяются скачком,Скорости Ч и Ч при постояннойугловой скорости и) не изменяются,Скорость Чс точки е, принадлежащейзубчатому колесу Е и сателлиту Е 10пропорциональная скорости Чи отношению расстояний до точек е и 2 отоси вращения барабана а,.Скорость Ч, оси сателлита определяется по плану путем соединения концов векторов скорости ЧЕ и скоростиЧ соответствующими прямыми.Из сопоставления планов скоростейвариантов 1 и 2 можно сделать выводы,что скорость Ч,1 оси сателлита, эакрепленной на водиле 6, эа время цикла подъема талевого блока 3, в зависимости от выбранной при расчете передаточного отношения передачи вели 1чины радиуса К , при одном и том жезначении угловой скорости барабаналебедки, изменяется по величине и может изменять направление.1В варианте 1 при расчете передаточного отношения х величина К равОна Ка .оВ этом случае скорость Ч оси водила равна нулю при минимальном радиусе намотки и возрастает с увеличением К , не изменяя направления(фиг,4 а, кривая 1),В варианте 2 в формулу расчетапринято значение 16На Фиг.4 б, те же зависимости дляварианта 2. Кривая 3 здесь повторяеткривую 2 из графика 4 а для сопоставления величин, Из сопоставления данных графиков можно сделать выводы,что в варианте 2,угол поворота водила ч и, соответственно, высота подьема груэа 9 меньше, чем в вариантеЗдесь груз 9 сначала поднимается, азатем опускается в исходное положение при подъеме блока 3 в верхнее положение.Поэтому вариант 2 более пред"почтителен,так как позволяет уменьшить объем пространства для расположения натяжного груза 9,На основании данных выводов вели (н)чину передаточного отношенияприусловно неподвижном водиле 7 определяем по ранее полученной формуле 3 путемподстановки в нее значения К,р =(6)2 о 2Прн рассмотрении фиг,2 и 3 видно, что подвижное водило 6 является компенсирующим элементом:дифференциальной зубчатой передачи, обеспечивающим автоматическое изменение передаточного отношения при изменениях радиуса намотки несущего каната.Стабильность натяжения каната 2 обеспечивается за счет постоянства усилия, создаваемого грузом 9. На фиг,3 сплошными стрелками указано направление вращения звеньев механизма при подъеме блока 3, прерывистыми стрелками - направления действия сил в механизме, Направление действия сил в механизме не изменяетсяи при изменении направления вращения барабана 5Например, для буровой установки5000 ДГУ количество рабочих слоевканата на барабане лебедки - 4,Расчетные радиусы К,намотки соответственно равны, мм : К, = 418,7;К = 446,4; К = 474,1; К = 501,8;К,р 460.Количество ветвей каната и = 12.Количество витков каната на барабане в одном слое 41,5,Если принять условие, при которомодин оборот измерительного барабана1 будет соответствовать 1 м перемещения талевого блока, то его радиусн) 159 15 12Ввиду того что в нормальных условиях отсутствует возможность непосредственного соединения нала барабана лебедки с входным валом дифференциальной зубчатой передачи, общее передаточное отношение можно разбить на две ступени:1 = 3(н 17 215Если принять передаточное отношение передачи 2 д и 2 , 7. равное 3, то передаточное отношение передачи 2 1 2 2 з при неподвижном 2 1 составит около 1,37.Длина каната 4, уложенного слоями на барабане 5 при количестве витков И 5 = 41,5,в каждом слое, будет соответственно равна, м: 1105; 115;125, 1 и 129, 2 (в сумме 479, 8 м) .При заполнении двух первых слоев каната на барабане 5 буровой лебедки блок 3 поднимается иэ нижнего положения на высоту1.я + 1,гд 110 5 + 115 З 0Н Я 718,79 ми 12а измерительный барабан 1, связанный с блоком З,выполнит следующее число оборотов (из расчета 1 оборот на З 5 1 м перемещения блока 3 при расчетном радиусе г= 0,15915 м и однослойной укладке каната 2). Если бы водило было зафиксировано, то измерительный барабан совершил бы 40В к + Ива 41 5 + 41 5 И = т = -- д --- = 20 оборотов,(н 1где 1 = 4,15 - передаточное отношение передачи при зафиксированном водиле 7.Однако натянутый канат 2 не позволяет выполнить барабану 1 более18,79 оборотов (18,79 м) и запас хода, равный разнице 20 - 18, 791,21 оборота идет на поворот водила 6 в обратном направлении н подъемагруза 9 при повороте вспомогательного барабана 7.Для компенсации разницы чисел оборотов водило б и вспомогательный барабан 7 выполнят где 1 = 1,37 - передаточное отношение передачи 2 22 и звена 7 при не 3подвижном 2При заполнении третьего и четвертого слоев эа И.И = 415+415 = = 83 оборотов, на барабан 5 будет намотано уже 254,3 м каната, а блок25433 поднимается еще на - = 2 1 2 м12Прн этом, барабан 1 выполнит дополнительно 21,2 оборота.При неподвижном водиле барабан 1 совершил бы также 20 оборотов, так как количество витков при намотке третьего и четвертого слоев такое же, как и при намотке двух первых слоев.Дополнительные 1, 2 оборота (20 + + 1,2 = 21,2) барабан 1 выполнит за счет поворота водила 6 под действием груза 9 (фиг. 2 - 4).Таким образом, если при намотке первых двух витков при помощи водила количество оборотов барабана 1 уменьшается, то при намотке третьего и четвертого слоев количество оборотов барабана 2 увеличивается (20 - 1,2) + + (20 + 121) = 40 оборотов измерительного барабана, что соответствует общей высоте подъема талевого блока 3 на 40 м,Если принять диаметр вспомогательного барабана 7 равным 0,2 м, то максимальный ход груза 9 будет равенЬ = 3 с 1, И,3,14 0,2 088 =- 0,553 м.Таким образом, при передаточном отношении, определенном из условия неподвижности водила при среднем радиусе намотки каната на барабан лебедки, высота подъема натяжного груза будет минимальной.Устройство работает следующим образом,При вращении барабана 5 лебедки поднимается (опускается) талевый блок 3, который через канат 2 вращает измерительный барабан 1. Натяжение каната 2 обеспечивается массой груза 9, а практическая неподвижность груза 9 при вращении измерительного барабана обеспечивается за7 12801 счет дифференциальной зубчатой передачи, связанной с барабаном 5При подъеме первой трубы предварительно измеряют длину ее рулеткой и устанавливают это показание сельсинным преобразователем 11 на индикаторе 12, Приняв это показание эа начало, спускают трубу в скважину. При перемещении талевого блока под нагрузкой одной трубы, масса которой недоста точна для срабатывания компаратора 13 индикатор длины колонны не иэФменяет показаний. При нагружении талевого блока двумя и более трубами, величина выходного сигнала преобра зователя веса 14 такова, что компаратор 13 включает электромагнитную муфту 10 и за счет этого обеспечивает жесткую связь измерительного барабана с многоотсчетным сельсинным 20 преобразователем 11, сельсинный преобразователь 11 суммирует с ранее установленным значением величину перемещения талевого блока, а индикатор 12 показывает длину колонны,опугз щенной в. скважину, При перемещении талевого блока вверх преобразователь вычитает величину перемещения талевого блока. Кинематическая связь измерительного барабана 1 с бараба 16 8ном 5 буровой лебедки обеспечивает привод вращения измерительного барабана беэ колебаний последнего, умень-.шает зону перемещения груза. Формула изобретенияУстройство для измерения длины колонны труб, содержащее кинематически соединенные между собой барабан буровой лебедки и измерительный барабан с магнитной муфтой, преобразователь веса, индикатор и груз, о т л и ч аю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения, устройство снабжено многоотсчетным сельсинным преобразователем, компаратором и компенсирующим узлом, установленным между барабаном буровой лебедки и измерительным барабаном, при этом компенсирующий узел выполнен в виде вспомогательного барабана и дифференциальной зубчатой передачи с водилом, на котором жестко закреплен вспомогательный барабан, а на последнем закреплен канат с грузом, причем выход преобразователя веса через компаратор соединен с магнитной муфтой, а выход многоотсчетного сельсинного преобразователя подключен к индикато- Руеектор С,Шекмар аказ Одписное итета СССР ударст изобре ткрытии шская наб., д сква 1 роизводственно-полиграфическое предприятие, г.Ужгор роектная,31/29 ВНИИПИ но дела13035,аж 58 енного ений и