Спосіб вимірювання ваги на гаку та пристрій для його реалізації

Винахід відноситься до нафтової і газової промисловості, а саме до засобів контролю параметрів буріння нафтових і газових свердловин. Відомий спосіб контролю ваги на гаку по величині сили, створеної прогином примусово зігнутої линви, де чутливим елементом є рідина [Исакович Р.Я. Технологические измерения и приборы. М., Недра, 1979, с. 248249]. Пристрій, що реалізує цей спосіб, складається з перетворювача сили розтягу нерухомого кінця талевої линви в пропорційний тиск рідини, манометра та показуючого пристрою [Демихов В.И., Леонов А.И. Контрольно-измерительные приборы при бурении скважин. М., Недра, 1980, с. 124-126]. Недоліком цього способу вимірювання ваги на гаку та пристрою, що його реалізує, є низька точність вимірювання внаслідок нелінійності характеристики. Пристрій на бурових використовується тільки як індикатор ваги. Відомий також спосіб контролю ваги на гаку по величині прогину примусово зігнутої линви, де зміну стріли прогину сприймає спеціальний сталевий елемент, що працює на згин або розтяг [Куликовский Л.Ф., Ушмаев В.И. Информационно-измерительные системы для управления процессом бурения. М., Недра. 1972, с. 45-48]. Пристрій, що реалізує цей спосіб, складається із пружного елемента, що сприймає натяг нерухомого кінця талевої линви і перетворює його в пропорційне переміщення та перетворювача цього переміщення в електричний частотний сигнал [Куликовский Л.Ф., Ушмаев В.И. Информационно-измерительные системы для управления процессом бурения. М., Недра, 1972, с. 45-50]. Недоліком даного способу та пристрою, що його реалізує, є також низька точність вимірювання, зумовлена нелінійністю шкали. Найближчим до пропонованого способу вимірювання ваги на гаку є спосіб вимірювання натягу нерухомого кінця талевої линви по величині зусилля на важілі механізму його кріплення, яке сприймається пружним елементом у вигляді сталевої пластини, що працює на розтяг [Система наземного контроля процесса бурения нефтяных и газовых скважин (СКУБ). Техническое описание и инструкция по эксплуатации. ИваноФранковский приборостроительный завод, 1991]. Недоліком даного способу є те, що при передачі зусилля линви на важіль механізму кріплення нерухомого кінця виникає велике сухе тертя в елементах, які його сприймають, що вносить значну похибку у вимірювання. Найближчим до пропонованого пристрою є пристрій для вимірювання ваги на гаку, що містить в собі блок відтворення Інформації, а також тензометричний давач, що сприймає зусилля важіля механізму кріплення нерухомого кінця талевої линви, і блок перетворення зусилля в нормалізований електричний сигнал [Система наземного контроля процесса бурения нефтяных и газовых скважин (СКУБ). Техническое описание и инструкция по эксплуатации. Ивано-Франковский приборостроительный завод, 1991]. Пристрій має малу надійність і низьку точність вимірювання, тому що тензометричні давачі мало чутливі, мають малу завадостійкість, низьку стабільність і порівняно малу довговічність (приблизно 100 тисяч циклів). В основу винаходу поставлене завдання створити спосіб вимірювання ваги на гаку і пристрій для його реалізації, в якому відпадає необхідність в спеціальному пружному елементі, що перетворює натяг нерухомого кінця талевої линви в деформацію, і дозволяє забезпечити більшу надійність, лінійність шкали, завдяки цьому підвищити точність вимірювання з цифровим представленням результату і спростити монтаж пристрою на буровій. Поставлене завдання вирішується тим, що в способі вимірювання ваги на гаку, що базується на визначенні величини натягу нерухомого кінця талевої линви, згідно з винаходом, як пружний чутливий елемент використовують талеву линву, визначають її величину розтягу через кут повороту нерухомого шківа кронблока, для чого перед спуском бурильного Інструменту, при відсутності ваги на гаку, фіксують умовний нуль кута повороту, компонують низ бурильної колони з наперед визначеним значенням ваги, фіксують її на шкалі, змінюють вагу і по відповідному їй значенню на шкалі судять про її величину. Поставлене завдання вирішується також тим, що пристрій для вимірювання ваги на гаку, що містить в собі блок відтворення інформації, згідно з винаходом, додатково містить давач кута повороту, блок обробки інформації, що складається з двох нуль-органів, формувача трифазної опорної напруги, перемикача вибору фази, генератора стабільної частоти, першого тригера, подільника частоти із змінним коефіцієнтом ділення, одновібратора, першого елемента І, елемента часової затримки, першого лічильника Імпульсів та елемента пам'яті і блок регульованої часової затримки, причому вихід генератора стабільної частоти з'єднаний з входом подільника частоти із змінним коефіцієнтом ділення, з першим входом другого елемента і блока регульованої часової затримки і входом формувача трифазної опорної напруги, виходи кожної фази якого підключені до першого, другого і третього входів перемикача вибору фази і давача кута повороту, вихід якого через перший нуль-орган з'єднаний з першим входом першого тригера, а другий вхід першого тригера з'єднаний з виходом елемента порівняння і першим входом другого тригера блока регульованої часової затримки, вихід перемикача вибору фази через другий нуль-орган підключений до першого входу третього елемента (блока регульованої часової затримки, вихід подільника частоти із змінним коефіцієнтом ділення з'єднаний з першим входом першого елемента 1, вихід якого підключений до входу першого лічильника Імпульсів, а вихід цього лічильника з'єднаний з входом елемента пам'яті, перший вихід першого тригера через одновібратор підключений до входу "Установлення "0" другого лічильника імпульсів блока регульованої часової затримки, входу "Запис" елемента пам'яті і до входу елемента часової затримки, вихід якого з'єднаний з входом "Установлення "0" першого лічильника Імпульсів, другий вихід першого тригера підключений до другого входу першого елемента І, а вихід елемента пам'яті з'єднаний з блоком відтворення інформації. Поставлене завдання вирішується також тим, що блок регульованої часової затримки, що містить в собі другий лічильник Імпульсів, елемент порівняння і цифровий задатчик, причому вихід другого лічильника Імпульсів з'єднаний з першим входом елемента порівняння, а другий його вхід підключений до цифрового задатчика, згідно з винаходом, додатково містить другий і третій елемент І, другий тригер і дешифратор нуля, причому вихід другого елемента і з'єднаний з входом другого лічильника імпульсів, вихід якого через дешифратор нуля підключений до другого входу третього елемента І, а вихід цього елемента з'єднаний з другим входом другого тригера, вихід якого підключений до другого входу другого елемента І. Використання талевої линви як пружного чутливого елемента дає можливість визначити вагу на гаку через кут повороту нерухомого шківа кронблока, використовуючи пружний розтяг нерухомого кінця талевої линви, що забезпечує більшу надійність і точність вимірювання, а також лінійність шкали пристрою. Крім того, масштабування шкали перед кожним спуском нового долота дає можливість врахувати зміну пружності линви по мірі її спрацьовування і підвищити точність вимірювання. Кут повороту нерухомого шківа кронблока вимірюється давачем кута повороту в режимі фазорегулятора, трифазна обмотка якого живиться від цифрового формувача трифазної опорної напруги, а її частота задається генератором стабільної частоти. Зсув по фазі е.р.с. однофазної обмотки давача кута повороту по відношенню до опорної напруги вимірюється першим лічильником. Завдяки тому, що лічильник заповнюється Імпульсами від того ж генератора стабільної частоти через подільник частоти із змінним коефіцієнтом ділення, то точність вимірювання фази і кута повороту нерухомого шківа не залежить від нестабільності частоти генератора, а змінний коефіцієнт ділення дозволяє встановити довільний масштаб і представити результат вимірювання в абсолютних одиницях. Все це спрощує монтаж пристрою і підвищує його точність. Використання блока регульованої часової затримки, початок якої фіксується нуль-органом; що контролює початок додатнього півперіоду опорної напруги, і встановлюється в початковий стан нуль-органом. е.р.с. однофазної обмотки, дозволяє встановити нуль кута повороту шківа кронблока в довільному положенні давача кута повороту (сельсина) і використати повне зміщення фази - 360°. Це теж забезпечує точність вимірювання по всій шкалі. Елемент пам'яті перед блоком відтворення інформації забезпечує стійке відтворення Інформації при роботі пристрою, що покращує її сприймання оператором та дозволяє зняти інформацію з пристрою технічними засобами вищого рівня. На кресленні приведена схема пристрою вимірювання ваги на гаку, що реалізує пропонований спосіб, де зображені: 1 - давач кута повороту; 2 - блок обробки інформації; 3 - перший нуль-орган; 4 - формувач трифазної опорної напруги; 5 - перемикач вибору фази; 6 - другий нуль-орган; 7 - генератор стабільної частоти; 8 - перший тригер; 9 - подільник частоти Із змінним коефіцієнтом ділення; 10 - одновІбратор; 11 перший елемент І; 12 - елемент часової затримки; 13 - перший лічильник Імпульсів; 14 - елемент пам'яті; 15 блок відтворення Інформації; 16 - блок регульованої часової затримки; 17 - другий елемент І; 18 - другий тригер; 19 - третій елемент І; 20 - другий лічильник імпульсів; 21 - дешифратор нуля; 22 - елемент порівняння; 23 - цифровий за датчик. При реалізації способу використовують величину натягу нерухомого кінця талевої линви, що служить пружним чутливим елементом, розтяг якої визначають через кут повороту нерухомого шківа кронблока. Перед спуском бурильного інструменту у свердловину, при ненавантаженому гаку талевого блока, фіксують положення нерухомого шківа кронблока, приймають це положення за умовний нуль кута повороту шківа. Після цього компонують низ бурильної колони з визначеним наперед значенням ваги (наприклад, 10-15 тонн), фіксують це значення на шкал) і масштабують шкалу у відповідності до цієї ваги. Далі навантажують гак, додаючи до відомої ваги інші довільні значення, змінюючи її, і по одержаних показах на шкалі визначають сумарну її величину. При визначенні ваги на гаку через кут повороту нерухомого шківа кронблока, з'єднаного з талевою линвою сухим тертям, використовують видовження талевої линви, яке згідно з законом Гука прямопропорційно її натягу де DI – видовження нерухомого кінця талевої линви; s - величина напруження в линві; Е - модуль пружності линви; h - довжина талевої линви від місця її защемлення до центра нерухомого шківа кронблока. Напруження в линві де Gk - лага на гаку талевої линви; n - число шківів талевого блока; F - площа поперечного перерізу талевої линви. Кут повороту нерухомого шківа талевого блока внаслідок видовження линви від ваги на гаку буде де R - радіус шківа. Пристрій для вимірювання ваги на гаку містить в собі давач кута повороту 1, блок обробки Інформації 2, що складається з першого нуль-органа 3, формувача трифазної опорної напруги 4, перемикача вибору фази 5, другого нуль-органа 6, генератора стабільної частоти 7, першого тригера 8, подільника частоти із змінним коефіцієнтом ділення 9, одновібратора 10, першого елемента I 11, елемента часової затримки 12, першого лічильника імпульсів 13 та елемента пам'яті 14, блок відтворення інформації 15 і блок регульованої часової затримки 16, що складається з другого елемента I 17, другого тригера 18, третього елемента I 19, другого лічильника Імпульсів 20, дешифратора нуля 21, елемента порівняння 22, цифрового задатчика 23. Вихід давача кута повороту 1 з'єднаний з першим нуль-органом 3, вихід якого підключений до першого входу першого тригера 8. Вихід генератора стабільної частоти 7 з'єднаний з входом подільника частоти із змінним коефіцієнтом ділення 9, входом формувача трифазної опорної напруги 4 і першим входом другого елемента I 17. Виходи кожної фази формувача трифазної опорної напруги 4 підключені до першого, другого і третього входів давача кута повороту 1 і перемикача вибору фази 5, вихід якого з'єднаний з другим нуль органом 6. Вихід другого нуль-органа 6 підключений до першого входу третього елемента I 19, Вихід подільника частоти із змінним коефіцієнтом ділення 9 з'єднаний з першим входом першого елемента I 11, другий вхід якого підключений до другого виходу першого тригера 8. Вихід першого елемента I 11 підключений до входу першого лічильника Імпульсів 13, а вихід його з'єднаний з входом елемента пам'яті 14. Перший вихід першого тригера 8 через одновібратор 10 підключений до входу "Установлення "0" другого лічильника Імпульсів 20, входу елемента часової затримки 12 і входу "Запис" елемента пам'яті 14, вихід якого з'єднаний з блоком відтворення Інформації 15, а вихід елемента часової затримки 12 під'єднаний до входу "Установлення "0" першого лічильника імпульсів 13. Вихід третього елемента І 19 з'єднаний з другим входом другого тригера 18, вихід якого підключений до другого входу другого елемента І 17, а вихід цього елемента з'єднаний з входом другого лічильника Імпульсів 20. Вихід лічильника імпульсів 20 з'єднаний з першим входом елемента порівняння 22 і входом дешифратора нуля 21, вихід якого підключений до другого входу третього елемента І 19. Цифровий задатчик 23 з'єднаний з другим входом елемента порівняння 22, вихід якого підключений до другого входу першого тригера 81 до першого входу другого тригера 18. Пристрій працює таким чином. Перед спуском бурильного інструменту в свердловину, коли вага на гаку талевого блока відсутня, покази блока відтворення інформації 15 виставляються на нуль. Це здійснюється з допомогою перемикача вибору фази 5 та блока регульованої часової затримки 16 і заключається в наступному. При ненавантаженому гаку давач кута повороту 1, який контролює кут повороту нерухомого шківа кронблока, може зайняти довільне положення, що зумовить відповідний показ блока відтворення Інформації 15. Причиною цьому є довільне встановлення давача 1 при його монтажі на кронблоку, а також періодичне перетягування талевої линви. Отже, показ блока відтворення Інформації 15, що Індикує величину зсуву фази е.р.с. однофазної обмотки давача 1 відносно вибраної фази опорної напруги, може бути довільним. Перемикачем вибору фази 5 слід вибрати таку Із трьох фаз опорної напруги, яка забезпечить найменше значення числа на блоку відтворення інформації 15. Це число набирають на цифровому задатчику 23.1 якщо покази блока 15 не стали рівні нулеві, то добиваються їх, підбираючи числові значення задатчиком 23. Рівність цих показів нулю свідчить про співпадання тривалості регульованої часової затримки і часового зсуву е.р.с. однофазної обмотки давача 1 відносно вибраної фази опорної напруги. Цикл вимірювання ваги відбувається так. У вихідному положенні лічильники 13 і 20 знаходяться в нульовому стані, вихідний сигнал тригера 18 відповідає логічному "0" і блокує проходження імпульсів на вхід лічильника 20. При переході вибраної фази опорної напруги з від'ємного півперіоду на додатній вихідний сигнал нуль-органа 6 через елемент І 19 перекине тригер 18 в стан логічної "1" і дозволить проходження Імпульсів на вхід лічильника 20, де вони накопичуються і подаються для порівняння елементом 22. Коли інформація в лічильнику 20 стане рівна або більша числа цифрового задатчика 23, то вихідний сигнал елемента порівняння 22 перекине тригер 18 в стан логічного "0" і заблокує проходження Імпульсів від генератора стабільної частоти 7 на вхід цього лічильника. Одночасно сигнал елемента 22 перекине тригер 8 в стан логічної "1" і імпульси від генератора 7 через відкритий елемент І 11 поступають на лічильник 13 і накопичуються в ньому до моменту переходу е.р.с. однофазної обмотки давача 1 з від'ємного значення в додатній. Тоді спрацьовує перший нуль-орган 3, вихідний сигнал якого перекине тригер 8 в початкове положення, який запише інформацію з лічильника 13 в елемент пам'яті 14 і установить в нуль лічильники 13 і 20. Далі цикл вимірювання повторюється. Період повторення дорівнює двом періодам напруги живлення давача кута повороту 1. Навантаживши гак низом бурильної колони з наперед визначеною вагою не менше 10-15 тонн, піднімають її над роторним столом. Під дією цієї ваги нерухомий шків кронблока повернеться на певний кут, е.р.с. однофазної обмотки давача кута повороту 1, змінить своє положення відносно вибраної фази опорної напруги і на блоку відтворення Інформації 15 виникне показання, яке може відрізнятись від ваги підвішеного низу. Змінюючи коефіцієнт ділення подільника частоти 9, добиваються відповідності показань відомій вазі в абсолютних одиницях. Далі пристрій працює автоматично.