Способ бесконтактного измерения температуры забоя скважины в процессе бурения

Изобретение относится к горному делу, а именно к буровой технике, и предназначено для исследования оптимальных параметров режима бурения по критерию нагрева зоны контакта инструмента с породой. Техническим результатом изобретения является установление оптимальных параметров режима бурения по температуре зоны контакта инструмента с породой на стенде. Для этого образец породы вращают при неподвижном инструменте. ИК-излучение направляют к приемнику с помощью световода, который размещают в продольном пазу инструмента и соединяют с приемником ИК-излучений. Затем его преобразуют в аналоговый сигнал, усиливают и подают на регистрирующее устройство. Кроме того, из внутренней полости инструмента подают холодную воду в продольный канал, для уменьшения помех от дополнительного ИК-излучения нагретых стенок световода путем его охлаждения. При этом рабочий торец световода изолируют от полости канала с водой герметизатором. 2 ил.

 

Изобретение относится к горному делу, а именно к буровой технике, применяемой при проходке скважин различного целевого назначения, и предназначено для исследования оптимальных параметров режима бурения по критерию нагрева зоны контакта инструмента с забоем скважины.

Известны способ и устройство для измерения температуры шлифования, содержащее шлифовальный круг с каналами, выполненными в нем под углом к образующей круга, и приемник ИК-излучений, расположенный на продолжении осей каналов [1]. Способ заключается в измерении неподвижным приемником ИК-излучений нагретой зоной резания, перевод в эквивалентный электрический сигнал и подачу его на регистрирующее устройство.

Недостатком известного способа является незащищенность системы от помех. Приемник ИК-излучений из-за вращения шлифовального круга в качестве помехи регистрирует посторонние ИК-излучения, что снижает достоверность измерения и сужает область применения.

Наиболее близким к предлагаемому способу измерения температуры контакта фрикционного элемента термомеханической коронки по технической сущности является способ бесконтактного измерения температуры абразивной обработки, включающий измерение инфракрасных излучений приемником, направленным на участок зоны контакта абразивного инструмента с деталью и установленным в продольном пазу в абразивном инструменте, усиление, преобразование в высокочастотный сигнал и его излучение, а высокочастотный сигнал, излучаемый передающей антенной, воспринимают, усиливают и регистрируют приемным элементом [2]. Бесконтактный способ измерения осуществляется следующим способом. Перед началом работы контрольно-передающий элемент монтируют в продольном пазу абразивного инструмента по всей длине образующей зоны контакта инструмента с обрабатываемой деталью. В процессе обработки при вращении абразивного круга в момент совпадения продольного паза с контрольно-передающим элементом с зоной резания на высокочувствительные слои фотоэлементов воздействуют инфракрасные волны нагретой поверхности зоны контакта абразивного круга с деталью. Преобразованный фотоэлементами ИК-излучение в электрический аналоговый сигнал поступает с фотоэлементов на вход усилителя-согласователя. Усиленный сигнал преобразуется модулятором в высокочастотный спектр и пересылается передающей антенной на приемную антенну. Питание контрольно-передающего элемента осуществляется при помощи автономного источника питания, вмонтированного в абразивный инструмент.

Приемная антенна и приемник принимают высокочастотный сигнал величины температуры и передают его на демодулятор, который детектирует, выделяя при этом низкочастотную часть спектра, которая подается на вход усилителя, где усиливается по напряжению. Усиленный сигнал величины температуры преобразовывается в цифровой вид в аналого-цифровом преобразователе, затем фиксируется и обрабатывается прибором регистрации и контроля.

Достоинством способа измерения является повышение достоверности за счет устранения источника помех и расширение области измерения.

Недостатком известного способа измерения является многооперационность и потребность в большом количестве различных приборов. Кроме того, очень затруднено применение данного способа при измерении температуры контакта породоразрушающего инструмента с породой при бурении.

Задача изобретения - бесконтактное измерение температуры контакта кольцевого породоразрушающего инструмента с забоем скважины с целью исследования процесса разрушения и установления оптимальных параметров режима бурения. Данная задача решается на основе положения о том, что температура зоны контакта двух трущихся тел не зависит от того, которое из них вращается, а которое неподвижно.

Это достигается предлагаемым бесконтактным способом измерения температуры зоны контакта породоразрушающего инструмента с породой, включающим передачу ИК-излучения от этой зоны контакта, преобразование его в электрический аналоговый сигнал приемником инфракрасных излучений, аналого-цифровое преобразование и регистрацию. При этом вращают образец породы при неподвижном инструменте, а световод монтируют в продольном пазу инструмента и соединяют с приемником ИК-излучений. Кроме того, при измерении температур в диапазоне 100-300°С из внутренней полости инструмента подают холодную воду в продольный канал, для уменьшения помех от дополнительного ИК-излучения нагретых стенок световода путем его охлаждения, при этом светоприемный торец световода изолируют герметизатором или исключением посадкой зазора между световодом и стенками канала от поступления воды.

Для осуществления предлагаемого способа измерения используется устройство, включающее: установленный на валу бурового станка кернодержатель с образцом породы в виде керна, термофрикционную коронку, световод, размещенный в продольном канале коронки с выходом на торец фрикционного элемента коронки, колонковую трубу с патрубком для подвода воды, защитный кожух от брызга и водосборник со сливом воды.

Продольный канал в корпусе коронки выполнен сообщающимся с внутренней и наружной полостями инструмента. Благодаря последнему обстоятельству холодная вода, поступающая в колонковую трубу и внутреннюю полость коронки, омывает световод и не дает ему нагреться свыше 90-100°С. Поэтому стенки световода не дают дополнительное ИК-излучение, служащее помехой основному сигналу. Полость канала с водой изолируется от забоя герметизатором. Вышеперечисленные отличия предлагаемого способа от аналогов говорят о том, что наше предложение обладает новизной и изобретательным уровнем.

Предлагаемый способ имеет следующие преимущества:

- обеспечивают возможность измерения температуры с повышенной достоверностью без радиопередающих устройств;

- измерение температуры может проводиться в недоступных местах, а приемное устройство может находиться на удобном для работы месте на необходимом удалении до 5-10 м.

Сущность предлагаемого способа поясняется чертежами применительно к бурению термофрикционной коронкой с охлаждением коронки и выносом буровой мелочи водой. На фиг.1 показано устройство для измерения контактной температуры предлагаемым способом, включающее узел крепления образца породы на ведущий вал бурового станка коронки, узел неподвижной установки коронки, подачи и отвода промывочной жидкости; на фиг.2 - термофрикционная коронка со световодом.

Бесконтактный способ измерения температуры термофрикционного бурения осуществляется с помощью устройства, состоящего из двух узлов. Установленный на валу 1 бурового станка первый узел в своем составе содержит: образец породы 2 в виде керна, наружную обойму 3 с хвостовиком 4 и установочные болты 5 для центрирования керна по оси вала.

Второй узел включает: термофрикционную коронку 6, световод 7, установленный в продольном канале с выходом на торец фрикционного элемента коронки, водозащитную трубу 8, колонковую трубу 9 с патрубком 10 для подвода воды, защитный кожух 11 от брызг воды и водосборник 12 со сливом воды 13. Водосборник и колонковая труба крепятся к раме 14, фиг.1. Коронка 6 имеет фрикционный элемент 15, резцы 16, продольный паз 17, который сообщается с внутренней и наружной полостями коронки, фиг.2. Световод 7 имеет герметизатор 18, защищающий торец световода и забой от попадания воды. При герметизации световода посадкой по его наружному диаметру наибольший диаметр продольного канала больше, а наименьший - равен наружному диаметру световода.

Бесконтактный способ измерения температуры забоя под торцом фрикционного элемента коронки проводится следующим образом.

Перед началом работ по измерению температуры монтируют устройство для измерения в соответствии с фиг.1, а в продольный канал коронки, выходящий на торец фрикционного элемента, устанавливают световод и герметизируют его от попадания воды на забой. Световод последовательно соединяется с приемником ИК-излучений и регистрирующим прибором.

В процессе бурения осевое усилие и вращение от ведущей трубы 1 станка передаются образцу породы 2, зацементированному в обойме 3 с хвостовиком 4. Образец породы центрируется в обойме установочными болтами 5 и частично удерживается ими от ее проворачивания. Коронка 6 со световодом 7 соединяется с колонковой трубой 9. Вода для охлаждения коронки подается на забой от насоса станка через патрубок 10 и колонковую трубу. Затем вода, выходя наружу через промывочные каналы коронки и отразившись от забоя, отбрасывается центробежной силой к стенкам обоймы образца породы. Кожух 11, служащий для направления потока воды вниз и защиты от брызг воды, устанавливается на водосборник 12, откуда вода через водослив 13 отводится наружу. Часть воды из внутренней полости коронки через боковое отверстие попадает в продольный канал в корпусе коронки и омывает световод, охлаждая его.

Под действием осевого усилия и скорости вращения образца породы в зоне контакта фрикционного элемента с породой развивается температура вплоть до подплавления породы в зависимости от параметров режима бурения. При этом инфракрасное излучение нагретой зоны забоя скважины передается по световоду приемнику ИК-излучений, представляющему собой преобразователь инфракрасного излучения в эквивалентный электрический сигнал и усилитель этого сигнала, затем усиленный электрический сигнал подается на регистрирующее устройство.

В качестве конкретного примера рассмотрим реализацию способа бесконтактного способа измерения температуры под торцом термофрикционной коронки при экспериментальном бурении станком СКБ-4. Коронка работает следующим образом. При ее вращении под действием осевого усилия резцы внедряются в породу на глубину t, равную величине их опережения фрикционных элементов, и снимают слой породы толщиной на величину этого опережения t. При этом фрикционные элементы входят в контакт с породой и начинают трением нагревать забой. Особенностью работы коронки в начальный период бурения является ступенчатый характер ее углубки. Как известно, у обычных твердосплавных коронок все резцы при бурении описывают траекторию в виде плавной винтовой линии. В нашем случае коронка садится на протяженные по окружности фрикционные элементы и вращается без углубки, снимая стружку как рубанок. Однако при этом образуется уступ, длина которого по мере вращения коронки уменьшается, благодаря этому набегающая часть фрикционных элементов зависает над забоем, а удельное давление на уступ все увеличивается. И, наконец, когда давление на уступ превысит его прочность, последний раздавится, и резец снова углубится на величину своего выхода над плоскостью торца коронки. Таким образом, в начальный период бурения постоянно с забоем контактирует только сбегающая сторона торца фрикционных элементов, что вызывает ее опережающий износ. Чем больше этот износ, тем ниже и короче уступ. Благодаря этому, если буримые породы абразивны, фрикционные элементы притрутся к забою и полностью войдут в контакт с забоем, следуя наклонной траектории резцов. Расчеты показывают, что угол наклона траектории резцов при скоростях до 10 м/час составляет порядка α≈16′, что позволяет предположить, что полный контакт по длине фрикционных элементов сравнительно быстро устанавливается за счет упругих свойств самой породы и опережающего износа сбегающей части фрикционных элементов.

Из приведенной кинематики работы коронки и распределения нагрузки видно, что температура набегающей и сбегающей частей фрикционного элемента коронки различны, причем оптимальная температура должна устанавливаться на сбегающей части фрикционных элементов. В связи с этим сквозной канал диаметром 3 мм проводится через сбегающую часть фрикционного элемента. Для подачи воды, охлаждающей световод, канал выше матрицы расширяется до 4-4,5 мм. Световод представляет собой кварцевое оптическое волокно в защитном кабеле и передает через оптическое соединение ИК-излучение переобразователю ИК-излучения в электрический сигнал типа «Диполь-Опто-1200», совмещенному с усилителем электрического тока. Усиленный сигнал величины температуры преобразовывается в цифровой вид в аналого-цифровом преобразователе типа L-791. Окончательная обработка сигнала проводится персональным компьютером с соответствующим программным обеспечением.

Источники информации

1. А.с. СССР №1222517, кл. В24В 49/00. Устройство для измерения температуры шлифования. // В.М.Давыдов. - Опубл. в БИ №13, 1986.

2. А.с. России №2151686. Бесконтактный способ измерения температуры абразивной обработки. //Ю.С.Степанов, Б.И.Афонасьев, А.И.Тиняков, Г.П.Жилин, А.В.Судьенко. - Опубл. в БИПМ №18 (II ч), 2000.

Бесконтактный способ измерения температуры контакта породоразрушающего инструмента с забоем скважины при экспериментальном бурении, включающий прием, преобразование ИК-излучения зоны контакта инструмента с породой в аналоговый электрический сигнал, его усиление и регистрацию устройством, состоящим из приемника ИК-излучений, аналого-цифрового преобразователя и прибора регистрации, отличающийся тем, что ИК-излучение от зоны контакта инструмента с породой передают приемнику с помощью световода, который монтируют в продольном цилиндрическом канале инструмента, а образец породы вращают при неподвижном инструменте, при этом в продольный канал инструмента из его внутренней полости для охлаждения световода подают холодную воду, а призабойную зону распространения ИК-излучения изолируют от полости канала с водой.