Автореферат выпускной работы магистра на тему:
«Исследование и усовершенствование ориентирующих систем с шариковым сигнализирующим элементом».
Введение.
Ориентаторы и способы ориентирование применяемые в кернометрии, можно разделить на предназначенные для прямого, косвенного и комбинированного ориентирования.
Первые служат для определения пространственного положения нанесенной на керн метки относительно направления на магнитный или географический полюс, а также любого направления, положение которого по отношению к направлению на полюс известно.
Вторая группа устройств служит для определения углового положения метки относительно апсидальной плоскости в наклонных скважинах. Для определения положения метки и структурных элементов в пространстве дополнительно нужны данные инклинометрии.
Третья группа включает устройства, которые имеют датчики апсидальной плоскости, азимута и угла наклона скважины.
Магнитный компас в качестве ориентирующего устройства может быть встроенным в керноскоп или быть автономным, опускаемым к керноскопу в момент ориентирования через колонну труб.
Актуальность.
Актуальность данной темы в последнее время находится на низком уровне из-за недостаточного финансирования всей геологоразведочной отрасли.
Ориентаторы с шариковым сигнализирующим элементом разрабатывались и применяются уже давно, однако всегда есть возможность улучшить характеристики прибора. При разработке нового устройства следует стремиться к увеличению точности ориентирования особенно при положении скважины близкому к вертикальному, снижению затрат на изготовление и обслуживание, а также к надежности прибора.
Цели и задачи, решаемые в магистерской работе.
Основной задачей магистерской работы является определение чувствительности шарикового сигнализирующего элемента в зависимости от диаметра шарика, формы и качества обработки желоба, угла наклона подвижной части стенда к горизонтали, и вида рабочей среды системы шарик-желоб.
В процессе выполнения магистерской работы предусматривается изготовление трех экспериментальных чашек с желобами разной формы и качества обработки, а также экспериментального стенда.
После проведения опытов и обработки результатов будут предложены рекомендации по проектированию ориентирующих систем с шариковым сигнализирующим элементом.
Упрощенная схема экспериментального стенда показана в анимированном виде:
На схеме показана:
Красным - подвижная шкала;
Зеленым - деревянное основание;
Синим - подвижная часть стенда;
Коричневым - экспериментальная чашка;
Серым - шарик.
Обзор существующих систем шариковых ориентаторов.
Сигнализатор электрический (СЭ-73) Давликамова Ш.У. состоит из двух основных узлов: несъемного включаемого в буровой снаряд и съемного, спускаемого в бурильную колонну на период ориентирования на изолированном проводе»
Несъёмный узел состоит из нижнего переходника I, который соединен патрубком 2 с верхним переходником 3 (рис,1). В гнездо нижнего переходника I вставлен хвостовик 4. Закрепление хвостовика осуществляется круглой гайкой 5. Датчик ориентатора состоит из металлической коробки 6, внутри которой расположена контактная колодка 7, по которой свободно может перекатываться шарик 8. Б тело контактной колодки впотай заделан контакт 9 который выполнен совместно о контактной втулкой 10. При этом контактная втулка 10 и контакт 9 изолированы от металлической коробки.
Для устранения попадания промывочной жидкости внутрь датчика в верхней и нижней частях последнего установлены резиновые уплотнители II, Кольцевую камеру, где расположен шарик» в некоторых случаях заполняют веретенным маслом.
Съемный узел ориентатора (контактный стержень) состоит из металлического стержня 12, соединенного в верхней частью с изолированным проводом 13. Боковая поверхность металлического стержня закрыта изоляционной трубкой 14. В момент ориентации контактный стержень находится в центральном отверстии верхнего переходника, а низший, неизолированный конец соприкасается с контактной втулкой 10.
Рисунок 1.- Сигнализатор электрический (СЭ-73) Давликамова Ш.У.
Ориентатор устанавливают в верхней части отклоняющего устройства, и отвертывают патрубок 2 с переходником 3, Поворачивая датчик ориентатора в ту или иную сторону, в гнездо нижнего переходника можно установить контакт 9 в любом положении относительно линии действия отклоняющего устройства, (направления искривления), а затем зафиксировать это положение круглой гайкой 5. После этого патрубок 2 вместе с переходником 3 навинчивают на переходник I, и отклоняющий снаряд вместе с ориентатором на бурильной колонне спускают в скважину. Компоновку подвешивают над забоем, и в бурильную колонну спускают контактный стержень. Свободный конец провода присоединяют к источнику тока соединяют через электролампу или измерительный прибор. Второй вывод источника тока соединяют через отрезок провода с колонной бурильных труб.
Процесс ориентирования сводится к медленному поворачиванию компоновки. В связи с тем, что шарик будет постоянно находится со стороны лежачей стенки наклонной скважины, он будет касаться внутренней поверхности коробки датчика. Когда при повертывании ориентатора контакт подойдет к шарику произойдет замыкание электрической цепи, что вызовет включение электролампы или отклонение стрелки измерительного прибора.
Техническая характеристика электрического ориентатора
Диаметр……………………& hellip;………………………& hellip;………………73
Длинна, мм………………………& hellip;………………………& hellip;………..486
Масса, кг………………………& hellip;………………………& hellip;…………..10
Точность ориентирования, градусы………………………& hellip;………+\-3
Область применения по зенитным углам, градусы………………...5-45
Область применения по глубинам скважин, м……………………...0-1500
Источник питания электрической цепи……………... Осветительная сеть напряжением 24-36В или батарея элементов
Длина контактного стержня, мм ………………………… ……….........500
Наружный диаметр контактного стержня, мм………… …………...…..20
Прибор 3.Г.Муромцевой и П.Ю. Гречяного
Прибор для производства ориентированных операций в скважине предложенный 3.Г.Муромцевой и П.Ю. Гречяным обеспечивает точную ориентированную установку отклоняющих клиньев с сокращением затрат времени на эти операции, благодаря тому, что первоначальная установка клина производится но в скважине, а на поверхности земли. При спуске же клика в скважину его положение контролируется с помощью чувствительного элемента, выполненного в виде тора, с перекатывающимся внутри него шариком, передающего показания на поверхность.
Особенностью прибора (см. рис. 2)является и то, что он позволяет измерять азимутальные искривления скважин, для чего к нему добавлены съемные кольца с визирными трубками и сумматор, при этом абсидальный угол отсчитывается непосредственно по последнему.
Шарик I чувствительного элемента постоянно контактирует с бронзовой втулкой 2 и изолированной втулкой 3, имеющей в одном месте выход контактного стержня 4, Замыкание контактного стержня через шарик на бронзовую втулку или на массу прибора сигнализирует на поверхность о правильном положений клина в скважине. Оперативный ток от батареи карманного фонаря, пройдя чувствительный элемент, возвращается и фиксируется показаниями миллиамперметра.
Перемещение шарика в кольцевом, пространстве происходит за счет наклонного положения оси прибора.
Рисунок 2.-Прибор для производства ориентированных операций в скважине
На наружной поверхности кожуха 5 прибора нанесена круглая шкала (от 0 до 360° с интервалом через 5°), по которой производится установка скоса клина. В верхней части прибора в кожух ввинчена пробка с контактной свечой 6 для присоединения провода с помощью контактного стержня с пружинными контактами. Свеча имеет электрический контакт с контактным стержнем.
Чувствительный элемент крепится к корпусу прибора с помощью винта 7 л тарельчатой пружины 8.
Положение контактного штифта вынесено на наружную часть корпуса в виде - нулевой линии 9. Снизу в кожух ввинчена пробка 10 с демпфером 11, накидной гайкой 12 и установочной втулкой 13.
На нижнем торце пробки нанесена насечка с шагом 5°. Такая же насечка нанесена на торце установочной втулки. Эта детали служат для установки скоса клина против соответственного деления шкалы прибора. Демпфер служит для уравновешивания давлений внутри прибора и в скважине, для предотвращения проникновения внутрь прибора буровой жидкости. Прибор присоединяют к буровой колонне с помощью переходников 14 и 15.
Трехпозиционный ориентатор СT-IM
Показан на рис.3. Сконструирован в Днепропетровской группе ИМРа . Состоит из датчика
сигналов I, контактного стержня 2, соединяемого с поверхностным указателем и лебедкой
с помощью одноканального токопровода 3 (например, провод с хлорвиниловой изоляцией
марки ПРС или ПНР-0,5). Система питания от осветительной сети буровой напряжением
12 - 36В.
Датчик сигналов (рис. 62 ) представляет собой металлический цилиндр 2, заполненный трансформаторным маслом и закрытий крышкой I. В цилиндре помещен конусный диск 3,
изготовленный из. изоляционного материала, имеющий радиальный контакт 4 и контактные
секторы 5 и 6, которые с корпусом могут замыкаться шариком 7. К центральному контакту 10, соединенному с наружным игольчатым выводом II, радиальный контакт 4 подключен
непосредственно, а контактные секторы 5 и 6 - через диоды 8 и 9.
Рисунки 3 и 4.- Ориентатор СТ-1М и датчик сигналов ориентатора СТ-1М
Указатель положения датчика сигналов представляет собой двухстрельчатый прибор, смонтированный на базе двух миллиамперметров. Миллиамперметры включают в электрическую цепь через диоды 9 и 10. При ориентировании на поверхности радиальный контакт устанавливают под определенный углом к плоскости действия отклонителя.
После спуска отклонителя в скважину и подключения системы к сети тока через клеммы I контактный штырь на кабеле спускают внутрь бурильных труб до замыкания с нагруженным контактом датчика. В момент замыкания стрелка одного из миллиамперметров отклонится. При положении, указанном на рис. 62 , шарик 6 замыкает контактный сектор 5 с корпусом датчика 2. Ток войдет через одинаково ориентированные диоды 8 и 9 вызовет отклонение стрелки миллиамперметра П. При повороте датчика по часовой стрелке шарик замкнет контактный сектор 4 с корпусом 2 и тогда ток пойдет через диоды 7 и 10, вызвав отклонение стрелки лишь миллиамперметра 12. И, наконец, при замыкании радиального контакта 3 с корпусом 2 ток идет через диоды 9 и 10, вызывая отклонение стрелок обоих миллиамперметров и тем самым указывая на то, что отклонитель в скважине занял заданное положение.
Техническая характеристика сигнализатора
Минимальный диаметр скважины, мм . …………………75
Предельный зенитный угол скважины, градус………..… 3-80
Испытанная глубина применения, м . ……………………. 1400
Наружный диаметр датчика, мм ………………………… ….50
Извлекаемый забойный датчик И3 Д – 18.
Разработан для ориентация отклонителей в скважинах 76 и 59 мм. В нем сохраняется изложенный принцип работы прибора-датчика СТ-1М, но диаметр сокращен до 18мм.
В наружный корпус I датчика (рис 5 ) помещен тонкостенный изолированный стакан 2 (верхний) из диэлектрического материала изолирующей диск-крышка 5 и изолирующий стакан 6 (нижний). На боковых поверхностях нижнего стакана смонтированы металлические контакты: узкий центральный 9 и широкие боковые 10 и 7. Контакты 10 и 7 через противоположно ориентированные диоды 3 и 4, а центральный контакт 9 прямо соединены с изолированным проводом на которой датчик опускается внутрь бурильной колонны соединяется с поверхностным пультом сигнализатора СТ-1 М. Внутри нижнего стакана б расположен металлический шарик 8, диаметр которого лишь на 3мм меньше внутреннего диаметра стакана. Такое конструктивное решение дозволяет использовать шарик в датчике 18мм, аналогичный шарику в датчике СТ-1М 0 57мм. Шарик перекатывается по нижнему отшлифованному контактному диску 11, который опирается непосредственно на корпус I. В нижней части датчик имеет фиксатор-ловитель для его посадки на ориентирующий переходник, расположенный в нижней части колонны бурильных труб над отклонителем.
Методика ориентирования отклонителя в скважине при использовании этого датчика аналогична методике применения трехпозиционного сигнализатора СТ-1М.
Рисунок 5.- Кинематическая схема извлекаемого забойного датчика ИЗД-18
Регулирование точности ориентации
Точность ориентации — статистическая характеристика возможной погрешности единичного определения параметров пространственного положения керна в скважине до отрыва его от забоя. Она регулируется по-разному в ориентаторах различных типов.
Кольцевой шариковый отвес. Точность регистрации шариком положения апсидальной плоскости зависит от соотношения скатывающей составляющей силы тяжести Т (см. рис. 3.5.) и сил сопротивления покоя. Скатывающая сила Т тем больше, чем больше наклон желоба (чем больше зенитный угол скважины). Силы сопротивления, состоящие из силы трения качения, статического напряжения сдвига, динамического сопротивления движению шарика, в принципе могут быть определены для некоторых заданных идеализированных условий. Это, в свою очередь, требует учета радиусов шарика и окружности желоба.
Если не учитывать случайные динамические воздействия, то шарик устанавливается в равновесии при равенстве момента скатывающей силы сумме моментов сил сопротивления.
Имеются расчетные формулы, позволяющие учесть, вязкость среды, шероховатость желоба, контактное давление шарика на желоб, а также формулы для расчета необходимого диаметра шарика с учетом всех перечисленных факторов. Формулы эти справедливы и позволяют понять структуру, взаимоотношение и роль отдельных факторов, определяющих точность ориентации. Однако, было бы неправильным рассматривать эти формулы как элемент и метод технологического анализа и проектирования. Формулы содержат множество коэффициентов, которые не всегда возможно определить. Отклонение шарика результат совокупного влияния огромного множества факторов, одни из которых неизвестны (наличие вибраций акустической частоты, формируемых потоком промывочной жидкости), другие трудноопределимы (действие реагента, добавленного в промывочный раствор) или носят случайный характер. Но каждый из факторов может иметь сколь угодно большое влияние на точность ориентации. В технологическом отношении неверно представлять процесс детерминированным. Системный анализ предлагает иной подход.
В качестве регулируемого ключевого параметра ключевой детали выберем диаметр шарика, так как через него, в конечном счете, реализуют свои свойства механические, реологические и физические факторы. В качестве ключевых условий, определяющих итоговое действие множества факторов, возьмем шероховатость желоба и состав среды. Причем выделим крайние значения, применимые на практике для диаметра шарика (6 мм и 12 мм), шероховатости желоба (токарная чистовая обработка и шлифование поверхности) и среды (воздух, вода, глинистый раствор). Указанные предельные параметры ключевых характеристик отражают практически значимые пределы изменения условий и практически реальные характеристики точности.
Результаты нескольких тысяч лабораторных опытов представлены на графике (рис. 6), которые позволяют оценить пределы точности ориентации S для различных условий при различных углах наклона скважины n.
Рис. 6. Графики зависимости погрешности регистратора апсидального направления от угла наклона оси желоба регистратора для различных условий: 1 — водная среда; 2 — глинистый раствор; 3 — воздух; 4 — шарик диаметром 5 мм; 5 — шарик 6 мм.
Погрешность определения положения апсидальной плоскости скважины инклинометром 6£ является следствием инструментальной ошибки последнего и положения, которое он занимает относительно оси ствола в точке измерения. Допускаемая погрешность измерения азимута апсидальной плоскости скважины существующими инклинометрами равна ±5° при зенитных углах 5° и более.
По мере уменьшения зенитных углов 0 точность определения положения апсидальной плоскости снижается обратно пропорционально их синусу.
Инструментальная погрешность инклинометра определяется величиной застоя магнитной стрелки или дрейфа гироскопа, рассмотренных ранее. Во избежание несоосности инклинометра и скважины рекомендуется измерение кривизны производить при подъеме прибора.
Застой чувствительного элемента, выполненного в виде свободно катающегося в желобе шарика, маятника (рамки), ось вращения которого совпадает с геометрической осью прибора.
Сумма внешних моментов определяется силой трения шарика в желобе. Сила трения качения шарика в желобе зависит от профиля последнего. На практике применяются три типа профилей: прямоугольный, треугольный и полукруглый).
Прямоугольный профиль желоба является частным случаем треугольного. При наклоне прибора (скважины), имеющего прямоугольный или треугольный профиль желоби, возникают силы трения, являющиеся следствием двух составляющих q1 q2 веса шарика.
Различным в указанных профилях является характер изменения силы трения качении шарика в желобе при наклоне последнего.
Выводы
Анализируя характер изменения силы трения, можно сделать вывод, что прямоугольный профиль желоба по сравнению с треугольным более рационален. Причиной является го, что сила трения качения с уменьшением зенитного угла стремится к нулю, что весьма существенно влияет на точность ориентации.
Наибольшего внимания заслуживает профиль круглой формы. В этом случае сила веса шарика при любом зенитном угле направлена нормально к образующей желоба, а, следовательно, сила трения является минимальной, не зависящей от зенитного угла прибора.
Cписок использованных источников
Юшков А.С. Кернометрия. – М.: Недра, 1989. – 224с.
Курсове та дипломне проектування бурових робіт: Навчальний посібник. О.І. Калініченко, О.С.Юшков, Л.М. Івашев та інші.: Под ред.. О.І.Калініченко. – Донецьк: Донату, 1998. – 153с.
Ошкордин О.В., Мецгер А.А. Технология и технические средства бурения с отбором ориентированного керна: Учебное пособие. – Свердловск: СГИ, 1987. – 88с.
Кодзаев Ю.В., Устройства для отбора ориентированного керна: Журнал «Известия ВУЗов»; Раздел «Геология и разведка».- Москва: ВИНИТИ, 1982-38с.
Шитихин В.В. Технические средства для направленного бурения скважин малого диаметра: Учебное пособие. – Ленинград: Недра, 1978. – 112с.
Кодзаев Ю.В., Способы и технические средства ориентирования отклонителей в скважинах: Журнал «Известия ВУЗов»; Раздел «Геология и разведка».- Москва: ВИНИТИ, 1981-208с.