Инклинометр

1 11029Изобретение относится к геофизическим скважинным приборам для измерения углов и азимутов искривления. скважин,Известны инклинометры, предназначенные для исследования сверхглубоких нефтяных и газовых скважин с особыми условиями 1 3.Найболее близким по техническойсущности к предлагаемому являетсяинклиноиетр, содержащий корпус, вкоторои размещен измерительный блок,связанный с подпружиненным арретиром,имеющим опорный элемент, соединенныйчерез кинематическую связь с фиксирующим узлом, который соединен с коммутатором и штоком электромагнита 23.Однако известный инклинометр необладает достаточной надежностью приэксплуатации в сверхглубоких скважи- .20ф нах с особыми условиями (забойнойтемпературой 250 С и выше, гидростатическим давлением 150 МПа и более,;малым конечным диаметрои ствола).Это объясняется тем, что из-за наличия значительных сил трения, возникакицих при взаимодействии опорнойчасти арретира с выступами ролика(или иначе кулачка), с увеличениемтемпературы окружающей среды резко30возрастает вероятность появление отказов, связанных с потерей арретирующей способности вследствие заклинивания пары арретир-кулачок, либовследствие выхода из строя обмоткиэлектромагнита нри попытках устранить 35заклинивание путем подачи управляющихимпульсов повышенного напряжения.Для уменьшения указанных сил трениямежду арретиром и кулачком иногда .устанавливают вспомогательный ролик40на подвижной несущей оси. Однако такое решение не является оптимальным,так как приводит к увеличению вероятности самопроизвольного разарретирования измерительной системы при воз 45действии ударных нагрузок, имеющихместо при спуске-подъеме и транспортировании инклинометра,Кроме того, конструкция известногоинклинометра ограничивает его функциональные возможности по той причине, что он ииеет небольшой, осуществляемый с помощью электромагнита циклпереключений. Увеличение числа позиций связано с необходимостью увеличения либо максимального, либо минимального радиус-вектора профиля ку-лачка. В первом случае это приводит 14 2к увеличению поперечного габаритакорпуса, а во втором - к недопустимому уменьшению хода арретира, в. результате чего инклиноиетр в малогабаритном варианте исполнения не может решать многофункциональные промыслово-геофизические задачи, например, путеи использования в измерительной системе многообмоточных датчиков, либо подключения к контактной системе дополнительных датчиковпри комплексировании .инклинометра сдругиими видами скважинной аппаратуры.Цель изобретения - повышение надежности работы и обеспечение воэможности измерений в сверхглубоких скважинах,Поставленная цель достигается тем,что в инклиноиетре, содержащем кор-,пус, в которои размещен измерительныйблок, связанный с подпружиненным арретиром, имеющим опорный элемент,соединенный через кинематическуюсвязь с Фиксирующим узлом, которыйсоединен с коммутатором и штокомэлектромагнита, фиксирующий узел. выполнен в виде ролика с блокирующимиэлементами, а кинематическая связьвыполнена в виде двух стержней с насаженными на них упорами, причем стера 1 ни жестко закреплены на опорном элементе, установленном с возможностьювзаимодействия со штоком.Кроме того, коммутатор выполнен намагнитоуправляемых контактах.На фиг. 1 изображен один из вариантов исполнения инклинометра, разрез",на фиг. 2 - разрез А-А на фиг, 1; нафиг. 3 - разрез Б-Б на Фиг. 2; нафиг. 4 - разрез В-В на фиг. 1.Инклинометр содержит корпус 1,внутри которого размещен измерительный блок 2, включающий, по меньшеймере, датчик зенитного угла и датчиказимута (на чертеае не показаны),Измерительный блок 2 имеет воэможность взаимодействия с подпружиненнымс помощью пружин 3 и 4 арретиром 5;который служит для осуществления фиксации чувствительных элементов датчиков при измерении азимутальных и зенитных углов скважин. Арретир 5 снабжен основной и дополнительной опорными частями, первая из которых выполнена в виде планки 6, а вторая имеетвид периферийно закрепленных однимиконцами на планке 6 двух стержней 7и 8 с упорами 9 и 10. Другие концыЭ 1102 стержней 7 и 8 установлены для предотвращения последних от изгиба в направляющих отверстиях, предусмотренных в основании 11, жестко соединеннбм с корпусом 1. Упоры 9 и 10 разнесены относительно друг друга вдоль стержней 7 и 8 с возможностью взаимодействия с роликом 12, имекщим форму катушки, щеки которой несут диаметрально противоположно расположенные бло кирукщие элементы .13 и 14, В данном случае блокирукщие элементы 13 и 14 имеют форму колец, жестко соединенных с роликом 12, и имеют разрыв (фиг.4), образующий ответные пазы 15 и 16 под упоры 9 и 10, Блокирующие элементы в зависимости от реализуемых инклино.метром функций могут иметь различную форму и конструкцию и предназначены для удержания арретира 5 в крайнем нижнем рабочем положении посредством одновременного взаимодействия через стержни 7 и 8 с упорами 9 и 10. Количество стержней и упоров выбрано из условия необходимости устранения перекосов и заклиниваний арретира 5 и для данного инклинометра является оптимальным. При этом указанная фор-, ма выполнения ролика 12, несмотря на наличие двух диаметрально проти 30 воположно установленных упоров 9 и 10, позволяют сохранить неизменным максимально возможный цикл переключений, который был бы достигнут при использовании одного упора. Ролик 12 с возможностью дискретного вращения установлен на несущей оси 17, консоль- но закрепленной на основании 11.Дискретное вращение ролика 12 обеспечивается с помощью приводного храпового механизма,размещенного между роликом 12 и арретиром 5, Приводной храповый механизм включает в себя Г-образный рычаг 18, установленный с возможностью вращения на основании 19 и несущий на одном конце собачку 20, 45 введенную в замыкание с храповым колесом 2 1 пружиной 22, закрепленной на рычаге 18. Основание 19 имеет сложную форму и снабжено лыской на которой закреплена пружина 23, взаимо действукщая с рычагом 18 и вводящая другой конец последнего.в контакт с ограничительным винтом 24, установленным в хвостовике основания 19. Для устранения вращения храпового .55 колеса 21 при обратном ходе собачки 20 оно снабжено пружинным фиксатором 25, жестко закрепленным на выс 914 4 тупе основания 26.Храповое колесо 21 екинематически связано с роликом 12 для, передачи ему дискретного вращательного движения, При этом для уменьшения мертвого хода арретира 1, образуемого за счет обеспечения необходимости выхода упоров 9 и 10 (при перемещении вниз на фиг. 1).из ответных пазов ролика 12, кинематическая связь между последним и храповым колесом 21 выполнена в виде муфты упругого сцепления. Ведомая полумуфта 27 этой муфты выполнена с роликом 12 как одно целое и снабжено поводком 28. Ведущая полумуфта 29 посредством вала 30, установленного в. центральном отверстии основания 26, жестко связана с храповым колесом 21и снабжена поводком 31. Обе полумуфты связаны между собой упругим элементом, выполненным в виде спиральнойпружины 32. Причем, пружина 32 установлена таким образом и обладаеттакой жесткостью, что при вращенииведущей полумуфты 29 (по часовойстрелке при виде сверху на фиг. 1)и устранении факторов, мешакщих вращению ролика 12, всегда обеспечивается контактирование между собой поводков 28 и 31. Для приведения в действие приводного храпового механизма он посредством штока 33 кинематически связан с якорем электромагнита (на чертеже не показаны). Приэтом шток 33 для улучшения компактности конструкции размещен по осисимметрии корпуса 1, для чего несущая ось 17 ролика 12 и вал 30 выполиены полыми, Причем, нижняя частьштока 33 установлена в центральномотверстии основания 19 с возможнос- .тью контактирования с планкой 6 арретира 5 и снабжена пальцем 34,имеющим возможность взаимодействияс рычагрм 18. Для обеспечения свободного осевого перемещения штока 33рычаг 18 может иметь специальноеотверстие (как это показано нафиг.1) или более сложную конфигурацию. Кинематическая связь между штоком 33 иякорем электромагнита выполнена.ввиде подпружиненного с помощью пружины 35 толкателя. 36, несущего совместно со штоком 33 ротор 37, снабженныйпреобразователем его возвратно-поступательного перемещения в шаговое вращательное и установленный с возмож:.костью взаимодействия с системой кон"тактов. При этом, для улучшения ком1102 пактности конструкции преобразователь перемещения ротора 37 выполнен за одно с приводным храповым механизмом ролика 12, для чего ролик 12 снабжен , средством передачи вращательного дви жения ротору 37. Это средство может быть различным по конструкции. Так, в случае жесткого соединения встык между собой штока 33 и толкателя 36 и. размещения на одном из них ротора 37 на шарикоподшипниках оно может быть выполнено в виде последовательно сое-. . диненных между собой трехзвенного зубчатого механизма и поводковой муфты. При этом первое звено зубчатого ме ханизма, например, цилиндрическое плоское зубчатое колесо должно быть установлено на фланце 38 ролика 12, третье звено (также цилиндрическое плоское зубчатое колесо) должно быть жестко соединено с ведущей полумуфтой упомянутой муфты, а второе (промежуточное) звено должно быть выполнено в виде меньшего по наружному диаметру и большего по высоте цилинд- д 5 рического зубчатого колеса с осью вращения, установленной на верхней части основания 11 параллельно оси симметрии корпуса 1. Причем ведомая полумуфта упомянутой муфты должна быть жестко соединена с нижним торцом ротора 37 и иметь возможность возвратно;поступательного перемещения совместно с последним относительно ведущей полумуфты, которая с воз 35 можностью вращения должна быть закреплена на верхней части основания 11. Такое выполененне средства передачи вращательного движения от ролика 12 к ротору 37 хотя и несколько усложняет конструкцию, однако может быть единственно приемлемым в случае необходимости получения максимального количества коммутируемых позиций, а также в случае циклического воздействия. на инклинометр больших динамических нагрузок, например, при прохождении в скважине над долотом в процессе разбуривания горных пород. Однако для прочих условий предпочтительным является выполнение указан 50 ного средства в виде магнитной системы из постоянных магнитов, сгруппированных на встречных поверхностях ролика 12 и ротора 37. При этом магнитная система включает в себя два закрепленных на роторе 37 постоянных магнита 39 и 40, оси намагничивания которых параллельны его образующим 914 би направлены встРечно с возможностью взаимодействия, по крайней мере, с одним установленным на фланце 38 постоянным магнитом 41, ось намагничивания которого перпендикулярна осям намагничивания магнитов 39 и 40, а их разноименные полюса направлены встречно друг другу. При.этом основание 11 должно быть выполнено из немагнитного материала, например,латуни. Причем, для уменьшения углов рассогласования между ротором 37 ироликом 12, являющихся следствием возрастания при повышенных температурах момента трогания и мертвого хода ротора 37, последний с помощью опор 42 и 43 установлен на кернах 44 и 45 внутри барабана, выполненного из не- магнитного материала, например, лату. - ни и соосно состыкованного с обеих сторон со штоком 33 и токателем 36.Для предотвращения самопроизвольногоповорота в крайнем верхнем положении ротор 37 снабжен узлом стопорения, выполненным в виде стопорного диска 46, жестко присоединенного к корпусу 1, и признаматического звена, выполненного как одно целое с ротором 37, имеющим по этой причине возможность фиксации в пазах (фиг. 3), предусмотренных в теле стопорного диска 46. При этом барабан в зоне стопорения ротора 37 имеет окна (фиг. 2), перегородки 47 между которыми при помощи имеющихся в стопорном диске ответных прорезей образуют одноподвижную кинематическую.поступательную пару. Это позволяет предотвратить вращение барабана и обеспе- чить Фиксацию ротора 37. Для упрощения конструкции в случае ее работы в некомпенсированном охранном кожухе контактная система может быть выполнена в виде блока герконов 48- 53 (фиг. 2). При работе конструкции в компенсированном охранном кожухе (что имеет очень важное значение для уменьшения поперечного габарита скважииного прибора) контактная система должна быть. выполнена иэ открытых контактов, либо должна вклю-. чать в себя стойкие к скважинному давлению герконы специальной конструкции. Для повьвения быстродействия инклииометра путем ограничения числа регистрируемых параметров блокирующие элементы ролика 12 могут быть выполнены с воэможностью перемещения в радиальных направлениях, например,110297в виде винтов или пальцев. Причем в зависимости, от конструктивных возможностей, определяемых прежде всего габаритами ролика 12, подвижные блокирующие элементы могут быть выполне 5 ны с возможностью их извлечения и перестановки, либо с возможностью утопления и фиксации в теле ролика 12. Для упрощения процесса регулировки . осевого зазора ротора 37 керн 44 установлен на торце толкателя 36, об г раэующего с барабаном винтовую паруи снабженного винтовым фиксатором 54. При этом для упрощения конструкции , керн 44 может быть выполнен как одно целое с толкателем 36. Для упрощения процесса установки ротора,37 внутрь барабана .последний может быть выполнен в виде двух вставленных один в другой и жестко соединенных между собой стаканов 55 и 56, Причем для повышения эффективности работы магнитной системы путем обеспечения возможности взаимодействия магни-. тов 40 и 39 с магнитом 41 на минималь ъ 5 ном расстоянии друг от друга стаканы 55 и 56 выполнены охватывающими верхнюю часть основания 11 и магнит 41, Кроме того, для достижения этого стакан 56.должен быть выполнен как одно целое с штоком 33, например сварным, При этом для упрощения конструкции керн 45 может быть установлен на торце штока 33 и выполнен с ним как одно целое.Инклинометр работает следующим образом.Примем за исходное то состояние инклинометра, которое изображено на чертеже. В этом состоянии измерительная система 2 разарретирована, а гер 40 коны 48 и 51 с помощью магнитов 39 и 40 замыкают индикаторную электрическую цепь, в которойв качестве индикаторного элемента может быть использована одна из обмоток датчи 45 ков.При подаче управляющего импульса напряжения на обмотку электромагнита якорь последнего, сжимая пружину 35, перемещает толкатель 36 в направлении 50 указанном на чертеже стрелкой. При этом барабан, скользя своими перегородками 47 в прорезях стопорного диска 46, совместйо с ротором 37 перемещается вниз до сохранения минимально возможного зазора между дномстакана 56 и поверхностью верхнейчасти основания 11. Обеспечение упо 14 8мянутого зазора необходимо для устранения ударных нагрузок и повреждений в связи с этим тонкостенных элементов деталей. В начальный период осевого перемещения ротор 37 выходит из пазов стопорного диска 46 и приобретает возможность совершения вращательного движения. При этом герконы 48 и 51, с которыми взаимодействовали магниты 39 и 40, размыкаются, предохраняя таким образом. датчики измерительной системы 2 от перенапряжения. Шток 33, перемещаясь совместно с толкателем 36 и барабаном с ротором 37, своим нижним концом, воздействуя на планку 6, перемещает внизарретир 5, сжимая пружины 3 и 4. Перемещаемые совместно с арретиром 5 стержни 7 и 8 вводят упоры 9 и 10 в пазы 15 и 16 ролика 12. После этого палец 34 входит в контакт с плечом рычага 18, выводя его из соприкосновения ограничительным винтом 24 и поворачивая нанекоторый угол вокруг собственной оси, При этом собачка 20 начинает вращать храповое колесо 21 совместно с ведущей полумуфтой 29. Ведущая полумуфта 29 вращается одна без ведомой муфты 27 до тех пор, пока упоры .9 и 10, перемещаясь в своекрайнее нижнее положение, не выйдут из пазов 15 и 16 ролика 12. При этом пружина 32 сжимается, а поводок 31, выйдя из соприкосновения с поводком 28, перемещается совместно с ведущей полумуфтой 29. После выхода упоров 9 и 10 из пазов 15 и 16 собачка прекращает угловое перемещение храпового колеса 2 1 вследствие достижения,например, якорем электромагнита свое-.го стопа. При этом завершается процесс арретирования датчиков измерительной системы. Вследствие освобождения ролика 12 от ранее удерживающих его упоров 9 и 10 он совместно с ведомой полумуфтой 27 под действиемразжимающейся пружины 32 начинает совершать ускоренное вращательное движение до тех пор, пока поводок 28 не войдет в соприкосновение с по - водком 31. При этом магнит 41, взаимодействуя с магнитами 39 и 40, осуществляет поворот ротора 37 на угол,соответствующий его новой позициии равный углу поворота ролика 12Причем пазы 15 и 16 ролика 12 такжезанимают новую позицию, сместившисьвправо (при виде .сверху на фиг. 1)от плоскости перемещения упоров 91102914 9и 10, проходящей через оси стержней 7 и 8, После обесточивания обмотки электромагнита толкатель 36, барабан с ротором 37 и шток 33 под действием пружины 35, а также ры-, чаг 18 и собачка 20 нод действием пружин 23 22 занимают исходное положение. При этом ротор 37 входит в пазы стопорного диска 46, соответствущцие его новой позиции, и замыкает прй этом с помощью магнитов 39 и 40 герконы 49 и 52 следующей элект-, рической цепи, например, датчика зенитного угла. Причем, шток 33, перемещаясь вверх, выходит из соприкосно вения с планкой б при вхождении упоров 9 и 10 в контакт с блокирунзцнми элементами 13 и 14 ролика 12, в результате чего арретйр 5 остается в крайнем нижнем рабочем положении, незначительно переместившись вверх на величину его мертвого хода, соответствующего зазору (примерно 0,1- 0,5 мм), который имел место между нижними сторонами блокирующих элементов 13 и 14 и верхними сторонами упоров 9 и 1 О. При подаче на обмотку электромагнита второго управляющего импульса напряжения процесс перемещения большин- З 0 ства элементов конструкции не изменяется за исключением того, что ро.лик 12, находящийся посредством блокирующих элементов 13 и 14 в контакте с упорами 9 н 10, может проскаль- З 5 зывать относительно последних на угол поворота, зависящий от шероховатостей контактирующих поверхностей и от жесткости пружины 32. При вхождении нижнего конца штока 33 в сопри косновение с планкой 6 и во время выбирания мертвого хода арретира 5 ролик 12, освободившись от взаимодействия с упорами 9 и 10, занимает новую позицию, которую благодаря 45 взаимодействию магнитов 39. и 40 с магнитом 4 1 практически одновременно занимает и ротор 37. При этом пазы 15 и 16 ролика 12 не достигают плоскости перемещения упоров 9 и 10, 50 в результате чего после обесточивания обмотки электромагнита ротор 37 входит в пазы стопорного диска 46, соответствующие новой его позиции и с помощью постоянных. магнитов 39 55 и 40 замыкает геркоиы 50 и 53 следующей электрической цепи, например, датчика азимута. 10Прн подаче наобмотку электромагнита третьего управляющего импульсанапряжения процесс перемещения элементов конструкции идентичный тому,который происходил при втором управляющем импульсе, Однако в этом случае пазы 15 и 16 ролика 12 и магниты 39 и 40 ротора 37 устанавливаютв плоскости перемещения упоров 9и 10, в результате чего после обесточивания обмотки электромагнитаупоры 9 и 10, пройдя вверх черезпазы 15 и 16 ролика 12, обеспечиваютперемещение арретира 5 в исходноеверхнее положение под действием пружин 3 и 4. В процессе перемещенияарретира 5 его планка 6 находитсяв неразрывном контакте с нижним концом штока 33. Ротор 37, завершившийтаким образом поворот на 180, входит в пазы атопорного диска 46,соответствующие его исходной позициии с помощью магнитов 39 и 40 замыка-.ет герконы 48 и 51 исходной индикаторной электрической цепи. В этойпозиции датчики измерительной системы 2, освобождаясь от воздействияарретнра 5, приобретают способностьсамоориентации и измерения азимутального и зенитного углов скважины. Вслучае использования инклинометра вусловиях, исключакщих возможность из- .мерения азимута, датчик последнегоможет быть временно выключен из работы. Для этого блокирующие элементыролика 12 должны быть выпонены например, в виде винтов. Варьируя перестановокй, либо утоплением в теле ролика 12 упомянутых винтов, можно добиться осуществления разарретированияизмерительной системы 2, в позициипри замыкании герконов 50 и 53 и арретирования системы 2 замыканиемгеРконов 48 и 51,Такое выполнение инклинометра позволяет повысить его быстродействиеза счет возможности исключения изчисла регистрируемых параметров такого параметра, который не являетсянеобходимым для определенных условийэксплуатации (азимута - при работеинклинометра в обсадной колонне, встальных бурильных трубах, на железо-рудных месторождениях и апсидальногоугла при работе инклинометра в открытом стволе скважины, при отсутствиимагнитных аномалий).В связи с обеспечением возможности непосредственного воздействия на11 11029 арретир 5 штока 33 и подключением к последнему вспомогательных кинематических цепей параллельно, а не последовательно, как это имеет место в известных инклинометрах, режим ра боты звеньев предложенного инклинометра в целом становится легче за 14 12счет исключений источников большихсил трения. Кроме того, расширяютсяфункциональные возможности инклинометра н обеспечивается возможностьболее рационального его использованияв зависимости от условий эксплуатации.11029147В919/21 Тираж 565 Подписное ал ППП патент", г.Уагород, ул,Проектная, 4