Инклинометр

 

1. ИНКЛИНОМЕТР, содержащий корпус, в котором размещен измерительный блок, связанный с подпружиненным арретиром, имеющим опорный элемент , соединенный через кинематическую связь с фиксирующим узлом, который соединен с коммутатором и штоком электромагнита, отличающийс я тем, что, с цельй повышения надежности и обеспечения возможности измерений в сверхглубоких скважинах, фиксирующий узел выполнен в виде ролика с блокируннцими элементами, а кинематическая связь выполнена в виде двух стержней с насаженными на них упорами, причем стержни жестко закреплены на опорном элементе, установленном с возможностью взаимодействия со штоком. 2. Инклинометр по п. 1, о т л иО ) чающийся тем, что коммутатор выполнен на магнитоуправляемых контактах .

СО03 СОВЕТСКИХ

РЕСПУБЛИК

0% (И) g g Е 21 В 47/022

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3442086/22-03 (22) 21.05.82 (46) 15.07;84. Бюл. Н 26 (72) А.Г.Малюга, И.Б.Шнейдман, А.С.Клюшки и В.Н.Болдырев (71) Специальное конструкторское бюро электрофотографических aimapaтов (53) 622.242(088.8) (56) 1. Зельцман П.А. Конструирование аппаратуры для геофизических ис следований скважин. М., "Недра", 1968, с. 168-175.

2..Авторское свидетельство СССР

В 682640, кл. Е 21 В 47/022, 1974 (прототип). (54) (57) 1. ИНКЛИНОМЕТР, содержащий корпус, в котором размещен измерительный блок, связанный с подпружнненным арретиром, имеющим опорный элемент,.соединенный через кинематическую связь с фиксирующим узлом, кото- рый соединен с коммутатором и штоком электромагнита, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения надежности и обеспечения возможности измерений в сверхглубоких скважинах, фиксирующий узел выполнен в виде ролика с блокирующими элементами, а кинематическия связь выполнена в виде двух стержней с насаженными на них упорами, причем стержни жестко закреплены на опорном элементе, установленном с возможностью взаимодействия со штоком. В

2. Инклинометр по п. 1, о т л ич а ю шийся тем, что коммутатор выполнен на магнитоуправляемых контактах.

1 11029

Изобретение 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 технической сущности к предлагаемому является инклиноиетр, содержащий корпус, в которои размещен измерительный блок, связанный с подпружиненным арретиром, ! именицим опорный элемент, соединенный через кинематическую связь с фиксирунхции узлом, который соединен с коммутатором и штоком электромагнита 23.

Однако известный инклинометр не обладает достаточной надежностью при эксплуатации в сверхглубоких скважи- 20 нах с особыми условиями (забойной температурой 250 С и выше, гидростатическим давлением 150 МПа и более, ;малым конечным диаметрои ствола).

Это объясняется тем, что из-за наличия значительных. сил трения, возникаккцих при взаимодействии опорной части арретира с выступами ролика (или иначе кулачка), с увеличением температуры окружающей среды резко . 30 возрастает вероятность появление отказов, связанных с потерей арретирующей способности вследствие заклинивания пары арретир-кулачок, либо вследствие выхода из строя обмотки электромагнита нри попытках устранить 35 заклинивание путем подачи управляющих импульсов повышенного напряжения.

Для уменьшения указанных сил трения между арретиром и кулачком иногда . устанавливают вспомогательный ролик

40 на подвижной несущей оси. Однако такое решение не является оптимальным, так как приводит к увеличению вероятности самопроизвольного разарретирования измерительной системы при воз4S действии ударных нагрузок, имеющих место при спуске-подъеме и транспортировании инклинометра.

Кроме того, конструкция известного инклинометра ограничивает его функ- >0 циональные возможности по той причине, что он ииеет небольшой, осуществляемый с помощью электромагнита цикл переключений. Увеличение числа позиций связано с необходимостью увели- 55 чения либо максимального, либо минимального радиус-вектора профиля ку- лачка. В первом случае это приводит

14 2 к увеличению поперечного габарита корпуса, 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 датчиков при комплексировании .инклинометра с другиими видами скважинной аппаратуры.

Цель изобретения — повышение надежности работы и обеспечение воэможности измерений в сверхглубоких скваXHHBX

Поставленная цель достигается тем, что в инклиноиетре, содержащем кор-, пус, в которои размещен измерительный блок, связанный с подпружиненным арретиром, имеющим опорный элемент, соединенный через кинематическую связь с фиксирующим узлом, который соединен с коммутатором и штоком электромагнита, фиксирующий узел. выполнен в виде ролика с блокирующими элементами, а кинематическая связь выполнена в виде двух стержней с насаженными на них упорами, причем сгере1ни жестко закреплены на опорном элементе, установленном с возможностью взаимодействия со штоком.

Кроме того, коммутатор выполнен на магнитоуправляемых контактах.

На фиг. 1 изображен один из вариантов исполнения инклинометра, разрез", на фиг. 2 — разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 — разрез Б-Б на фиг..2; на фиг. 4 — разрез В-В на фиг. 1.

Инклинометр содержит корпус 1, внутри которого размещен измерительный блок 2, включающий, по меньшей мере, датчик зенитного угла и датчик азимута (на чертеже не показаны).

Измерительный блок 2 имеет воэможность взаимодействия с подпружиненным с 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 имеет вид периферийно закрепленных одними концами на планке 6 двух стержней 7 и 8 с упорами 9 и 10. Другие концы

3 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- 1 кирующие 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 проти30 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,.консольно закрепленной на основании 11.Дискретное вращение ролика 12- обеспечивается с помощью приводного храпового механизма,размещенного между роли ком 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 21 пружиной 22, закрепленной на рычаге 18. Основание 19 имеет сложную форму и снабжено лыской на которой закреплена пружина 23, взаимо- 50 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 выс914 4 тупе основания 26.Храповое колесо 21

r кинематически связано с роликом 12 для, передачи ему дискретного вращательного движения. При этом для уменьшения мертвого хода арретира э, 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 21

I и снабжена поводком 31. Обе полумуфты связаны между собой упругим элементом, выполненным в виде спиральной пружины 32. Причем, пружина 32 установлена таким образом и обладает такой жесткостью, что при вращении ведущей полумуфты 29 (по часовой стрелке 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). При этом шток 33 для улучшения компактности конструкции размещен по оси симметрии корпуса 1, для чего несущая ось 17 ролика 12 и вал 30 выполиены полыми. Причем, нижняя часть штока 33 установлена в центральном отверстии основания 19 с возможнос-тью контактирования с планкой 6 арретира 5 и снабжена пальцем 34, имеющим возможность взаимодействия с рычагрм 18. Для обеспечения свободного осевого перемещения штока 33 рычаг 18 может иметь специальное отверстие (как это показано на фиг.1) или более сложную конфигурацию. Ки нематическая связь между штоком 33 и якорем электромагнита выполнена.в виде подпружиненного с помощью пружины 35 толкателя 36, несущего совместно со штоком 33 ротор 37, снабженный преобразователем его возвратно-поступательного перемещения в шаговое вращательное и установленный с возмож:. костью взаимодействия с системой .кон" тактов. При этом, для улучшения комS 1102 пактности конструкции преобразователь перемещения ротора 37 выполнен за одно с приводным храповым механизмом ролика 12, для чего ролик 12 снабжен, средством передачи вращательного дви- 5 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 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 воз35 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 усложня 4 ет 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 указан50 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 4 и 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 и роликом 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 немагнитного материала, например, лату.— ни и соосно состыкованного с обеих сторон со штоком 33 и токателем 36.

Для предотвращения самопроизвольного поворота 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 4853 (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 Hs открытых контактов, либо должна включать в себя стойкие к скважинному давлению герконы специальной конструкции. Для повышения быстродействия ннклииометра путем ограничения числа регистрируемых параметров блокируюl щие элементы ролика 12 могут быть выполнены с воэможностью перемещения в радиальных направлениях, например, 11029

7 в виде винтов или пальцев. Причем в зависимости, от конструктивных воз- . можностей, определяемых прежде всего габаритами ролика 12, подвижные блокирующие элементы могут быть выполне5 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\ .Ь раэующего с барабаном винтовую пару ° и 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 2 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. 5 ном расстоянии друг от друга стаканы 55 и 56 выполнены охватываюпдми 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 которой в качестве индикаторного элемента может быть использована одна из.обмоток датчи45 ков.

При подаче управляющего импульса напряжения на обмотку электромагнита. якорь последнего, сжимая пружину 35, перемещает толкатель 36 в направлении 0 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 дном стакана 56 и поверхностью верхней части основания 11. Обеспечение упо14 8 мянутого 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 вниз арретир 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 на некоторый 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 свое крайнее 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 действием разжимающейся 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 позиции и равный углу поворота ролика 12 °

Причем пазы 15 и 16 ролика 12 также занимают новую позицию, сместившись вправо (при виде -сверху на фиг. 1) от плоскости перемещения упоров 9

1102.914

9 и 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 Т8 и собачка 20 нод действием пружин 23 22 занимают исходное положение. При этом ротор 37 входит в пазы стопорного диска 46, соответствуквцие 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- 15 вения с планкой б при вхождении упоров 9 и 10 в контакт с блокируницими 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 0,10,5 мм), который имел место между нижними .сторонами блокирующих элементов 13 и 14 и верхними сторонами упоров 9 и 10.

При подаче на обмотку электромагнита второго управляющего импульса напряжения процесс перемещения большин- З0 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- З5 зывать относительно последних на угол поворота, зависящий от шероховатостей контактирующих поверхностей и от жесткости пружины 32. При вхождении нижнего конца штока 33 в сопри- 40 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. н 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.

Прн подаче на обмотку электромагнита третьего управляющего импульса напряжения 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 устанавливают в плоскости перемещения упоров 9 и 10, в результате чего после обесточивания обмотки электромагнита упоры 9 и 10, пройдя вверх через пазы 15 и 16 ролика 12, обеспечивают перемещение арретира 5 в исходное верхнее положение под действием пружин 3 и 4. В процессе перемещения арретира 5 его планка 6 находится в неразрывном контакте с нижним концом штока 33. Ротор 37, завершивший таким образом поворот на 180, входит в пазы атопорного диска 46,соответствующие его исходной позиции и с помощью магнитов 39 и 40 замыка-. ет герконы 48 и 51 исходной индикаторной электрической цепи. В этой позиции датчики измерительной системы 2, освобождаясь от воздействия арретнра 5, приобретают способность самоориентации и измерения азимутального и зенитного углов скважины. В случае использования инклинометра в условиях, исключакицих возможность измерения азимута, датчик последнего может быть временно выключен из рабо1 ты. Для этого блокирующие элементы ролика 12 должны быть выпонены например, в виде винтов. Варьируя перестановокй, либо утоплением в теле ролика 12 упомянутых винтов, можно добиться осуществления разарретирования измерительной системы 2, в позиции при замыкании герконов 50 и 53 и арретирования системы 2 замыканием геРконов 48 и 51.

Такое выполнение инклинометра позволяет повысить его быстродействие за счет возможности исключения из числа регистрируемых параметров такого параметра, который не является необходимым для определенных условий эксплуатации (азимута — при работе инклинометра в обсадной колонне, в стальных бурильных трубах, на железорудных месторождениях и апсидального угла при работе инклинометра в открытом стволе скважины, при отсутствии магнитных аномалий).

В связи с обеспечением возможности непосредственного воздействия на

ll 11029 арретир 5 штока 33 и подключением к последнему вспомогательных кинематических цепей параллельно, а не последовательно, как это имеет место в известных инклинометрах, режим работы звеньев предложенного инклинометра в целом становится легче за

14 12 счет исключений источников больших сил трения. Кроме того, расширяются функциональные возможности инклинометра н обеспечивается возможность более рационального его использования в зависимости от условий эксплуатации.

2

Ю2

1102914

37

Э

ВНИИБИ Закаэ 4919/21 ТиРаж 56 Подписное

Филиал ШШ "йатемт", r.Ужгород, ул.Проектная, 4