Регистратор для измерения параметров эксплуатации гидравлического забойного двигателя

Авторы патента:

Полезная модель относится к средствам контроля параметров процесса бурения скважин, а точнее к устройствам регистрации таких параметров, как частота вращения ротора, наработка и температура гидравлических забойных двигателей (ГЗД) для вертикального, наклонно-направленного и горизонтального бурения скважин. Также может применяться в других процессах и механизмах, где необходимо отслеживать воздействие вибрации на механизмы, имеющее характер, как единичных возмущений, так и регулярной вибрации с фиксацией длительности воздействия. Техническим результатом является повышение точности измерения режимов бурения, надежности работы оборудования, получение достоверных данных по измерению наработки, осуществление контроля температурного режима и частоты вращения забойного двигателя. Технический результат достигается за счет применения измерительного элемента с 3-х осевым акселерометром (менее энергозатратный, исключена зависимость положении осей Х и Y акселерометра по отношению к вектору силы тяжести), энергонезависимой микросхемы с увеличенным объемом памяти, упрощенного конструктивного исполнения. Устройство автономно, компактно и может устанавливаться и в других механизмах, где необходимо замерять интенсивность колебаний и отслеживать время воздействия колебаний. 2 ил.

В настоящее время существуют различные системы контроля и измерения режимов бурения, в частности системы для подсчета времени наработки забойных двигателей.

Известны наземные системы контроля режимов бурения скважин, где расчет времени наработки забойных двигателей ведется по перепаду давления подающей жидкости (патент SU 1273515, МПК E21B 44/00, опубл. 30.11.1986 г.). Недостатком таких известных систем является то, что они громоздкие и производят расчет времени работы (наработки) забойного двигателя косвенным методом. При этом они не измеряют такие необходимые параметры, как забойная температура и частота вращения ротора при использовании забойных двигателей.

Также известно устройство для измерения числа оборотов вала забойного двигателя (патент RU 2285120, МПК E21B 45/00, опубл. 10.10.2006 г.). В данном случае мы имеем дело с неавтономным известным устройством измерения частоты вращения вала. Для реализации его работы нужно протягивать кабель питания, что значительно усложняет конструкцию. Кроме этого, в процессе регистрации частоты вращения вала при измерении вращения участвует вектор естественного магнитного поля Земли, что подразумевает определенную ориентацию устройства относительно Земли. При бурении же магнитных и некоторых других пород они могут оказывать влияние на вектор направленности магнитного поля Земли, а значит - привести к искажениям результатов.

Известен автономный забойный регистратор силовых параметров (патент RU 2131973, МПК E21B 44/00, опубл. 20.06.1999 г.), состоящий из установленного в буровой колонне корпуса, выполненного в виде переводника с содержанием контейнера электронного блока и элемента питания, многоканального элемента силовых параметров. Электронный блок содержит многоканальный усилитель, многоканальный аналого-цифровой преобразователь (АЦП), процессор и оперативное запоминающее устройство (ОЗУ). Недостатком этого устройства является недостаточная информативность, т.к. ОЗУ регистрирует только осевую нагрузку на долото.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению по назначению и совокупности признаков является устройство для регистрации забойных параметров (патент RU 2296218, кл. E21B 44/00, опубл. 27.03.2007 г.), содержащее корпус и установленный в нем электронный модуль, выполненный из элемента питания и из электронного блока, снабженного микропроцессором, в котором программируется управляющая программа, измерительный элемент - акселерометр плоскостей Х и Y, микросхему энергонезависимой памяти, таймер календарного времени, датчик температуры, порт ввода-вывода информации на компьютер с помощью интерфейса связи. Выход микропроцессора соединен с первым входом микросхемы энергонезависимой памяти. На первый вход микропроцессора подключен измерительный элемент, содержащий акселерометр плоскостей X и Y, на второй вход - таймер календарного времени, а третий вход подключен к выходу датчика температуры, вход которого связан с элементом питания. Вход-выход порта ввода-вывода данных подключен к микропроцессору, вход порта ввода-вывода подключен к блоку питания. Причем вход таймера календарного времени, четвертый вход микроконтроллера и вход акселерометра подключены ко второму входу микросхемы энергонезависимой памяти.

Известным недостатком указанного устройства является следующее: зависимость объема памяти от интервала регистрации, что влияет на погрешность учета времени наработки; высокое потребление энергии - влияет на время эксплуатации; конструктивное исполнение - большое количество модулей; подключение регистратора к ПК осуществляется посредством специальных кабелей и блока программатора; при подключении спец. кабеля к регистратору необходимо соблюдать совмещение спец. меток.

Кроме этого, большое влияние на измерение регистрируемых параметров будет оказывать положение осей акселерометра относительно направления силы тяжести Земли (g), и в некоторых случаях при определенном положении осей Х и Y акселерометра по отношению к указанному вектору силы тяжести регистрации не будет, так как при совпадении одной из осей акселерометра с вектором силы тяжести составляющая проекции ускорения по этой оси будет отсутствовать.

Все эти факторы снижают точность и достоверность установления регистрируемых забойных параметров.

Задача настоящей полезной модели заключается в реализации точности измерений и стабильности снятия показаний забойных параметров, повышение надежности и удешевление изделия в целом.

Решение поставленной задачи достигается тем, что регистратор для измерения параметров эксплуатации гидравлического забойного двигателя, включающий корпус и установленный в нем электронный модуль, состоящий из элемента питания и из электронного блока, выполненного на плате и включающий микроконтроллер, в котором программируется управляющая программа, датчик температуры и таймер календарного времени, измерительный элемент содержит акселерометр, микросхему энергонезависимой памяти и порт ввода-вывода данных, вход-выход которого подключен к микроконтроллеру, при этом указанные электронные компоненты соединены друг с другом посредством системы связей «вход-выход» или «вход», или «выход», согласно полезной модели, измерительный элемент содержит 3-х осевой акселерометр, при этом датчик температуры и таймер календарного времени установлены в микроконтроллере, а для элемента питания установлен постоянный контроль напряжения.

Кроме того, в качестве микросхемы энергонезависимой памяти используется микросхема емкостью не менее 1 мегабит, что в свою очередь увеличивает объем памяти регистратора в 4 раза, тем самым сокращает в 4 раза интервал регистрации (увеличивается частота опроса), что позволяет уменьшить погрешность вычисления времени наработки.

Кроме того, таймер календарного времени может быть выполнен в виде таймера реального времени.

Кроме того, чувствительность 3-х осевого акселерометра увеличена с 10g до 16g.

Кроме того, применение 3-х осевого акселерометра позволяет снять ограничение по пространственной ориентации прибора. Данные регистрации фиксируются по 2-м из 3-х осей, причем по продольной оси - непосредственно считываемые из акселерометра, а по поперечным осям - автоматически выбирается МАХ значение амплитуды из двух оставшихся осей.

Кроме того, применение 3-х осевого акселерометра позволяет снизить энергопотребление, что повлияло на увеличении продолжительности работы прибора без смены элемента питания.

Кроме этого, регистратор подключается к ПК посредством стандартного кабеля USB с разъемом мини USB. Тем самым исключен дополнительный компонент-программатор (адаптер).

Кроме того, встроенный датчик температуры и таймер календарного времени позволили сократить количество припаиваемых элементов, что повлияло на надежность прибора.

В предлагаемой полезной модели, в отличие от прототипа, измерительный элемент содержит 3-х осевой акселерометр, который также воспринимает не только полезную, но и другую вибрацию, не связанную с вращением, например, при транспортировании, хранении, монтаже устройства в ротор забойного двигателя, но грамотное управление порогами срабатывания акселерометра и задействование функциональных возможностей по выявлению одиночных толчков позволяет минимизировать воздействие негативных факторов и достичь приемлемых результатов.

Применение измерительного элемента с 3-х осевым акселерометром (менее энергозатратного), энергонезависимой микросхемы с увеличенным объемом памяти, упрощенного конструктивного исполнения - позволяет повысить точность и достоверность измерения наработки и частоты вращения гидравлического забойного двигателя, упрощает работу оператора по подключению регистратора к ПК, а также исключить зависимость положении осей Х и Y акселерометра по отношению к вектору силы тяжести.

В предлагаемой полезной модели, в отличие от прототипа, выход 3-х осевого акселерометра цифровой, а не ШИМ-типа (широтно-импульсная модуляция), как на выходе 2-х осевого акселерометра. АЦП микроконтроллера используется для контроля за напряжением элемента питания и для измерения температуры.

В предлагаемой полезной модели, в отличие от прототипа, для элемента питания установлен постоянный контроль напряжения, что позволяет устройству останавливать процесс регистрации при снижении уровня напряжения батареи до заданного порога, для предотвращения ошибки записи.

Введение в электронный блок предлагаемого электронного модуля микроконтроллера, в котором программируется управляющая программа представляет собой микросхему со встроенным аналогово-цифровым преобразователем, датчиком температуры и таймером календарного времени (часами реального времени), обеспечивает сбор данных с акселерометра, регистрацию событий, регистрируемых измерительным элементом с 3-х осевым акселерометром, отфильтровывание второстепенных событий, отслеживает реальное время, управляет режимом записи данных в энергонезависимую память и связь с портом для передачи данных на компьютер.

На Фиг.1 представлена блок-схема предлагаемого регистратора для измерения параметров эксплуатации ГЗД.

На Фиг.2 представлен график работы предлагаемого регистратора для измерения параметров эксплуатации ГЗД.

Предлагаемый регистратор для измерения параметров эксплуатации гидравлического забойного двигателя состоит из корпуса и электронного модуля, состоящего из элемента питания 1 и электронного блока, выполненного на плате 2. Электронный блок, выполненный на плате 2, и элемент питания 1 установлены внутри цилиндрического пенала. С торцов пенал закрывается крышками.

Электронный блок содержит микроконтроллер 3 со встроенным, датчиком температуры 4 и таймером календарного времени 5 (часами реального времени), аналогово-цифровым преобразователем 6. В микроконтроллер 3 «прошита» управляющая программа. Далее электронный блок содержит микросхему энергонезависимой памяти 7, измерительный элемент с 3-х осевым акселерометром 8 и порт связи с ПК, вход-выход которого подключен к микроконтроллеру 3. Все указанные электронные компоненты электронного блока соединены друг с другом посредством системы связей «вход-выход», «вход», «выход». Элемент питания 1 соединен с входами питания микросхемы энергонезависимой памяти 7, измерительным элементом с 3-х осевым акселерометром 8 и микроконтроллером 3.

Предлагаемый регистратор для измерения параметров эксплуатации гидравлического забойного двигателя (устройство) работает следующим образом.

Устройство посредством пробки устанавливается и закрепляется в посадочном отверстии вала карданного гидравлического забойного двигателя. Двигатель опускают в скважину. При запуске его в работу вал карданный двигателя начинает вращаться, одновременно совершая колебания. При этом происходит синхронное вращение и колебания корпуса устройства с карданным валом двигателя. Микроконтроллер 3 по заданному алгоритму управляющей программы обрабатывает сигналы с акселерометра 8, расшифровывает события акселерометра, отфильтровывая полезную информацию и производит регистрацию в микросхеме энергонезависимой памяти 7 данных о частоте колебаний вала двигателя, данных датчика температуры и даты со временем записи от таймера календарного времени. Периодичность опроса и обработка сигналов акселерометра программируется перед компоновкой предлагаемого устройства. При остановке работы двигателя предлагаемое устройство переходит в спящий режим. После отработки двигателя его поднимают из скважины и отправляют на ремонт, где во время разборки извлекают заявляемое устройство, снимают с его корпуса торцевую крышку и соединяют электронный модуль через порт связи с ПК 9 ввода-вывода с компьютером (указанный порт необходим для подключения электронного модуля через интерфейс связи USB к персональному компьютеру), осуществляют считывание данных регистрации и дальнейшую обработку данных, а также обнуляют микросхему энергонезависимой памяти 7. Полученные данные о наработке, частоте колебаний и температуре используют для анализа работы забойного двигателя в реальных условиях бурения. По сведениям о частоте колебаний и данным о заходности двигателя производится расчет частоты вращения двигателя.

Программное обеспечение, устанавливаемое на компьютер, позволяет на получаемых графиках отследить частоту вращения, температуру, напряжение источника питания и наработку за любой период времени.

В качестве элемента питания используется литиевая батарея напряжением 3,6 В.

Предлагаемый вариант устройства был испытан в промысловых условиях при бурении скважин. В качестве объекта исследования был выбран гидравлический винтовой забойный двигатель марки ДГР-178, посредством которого производилось бурение скважины. Данные, полученные в ходе испытаний, показали хорошую точность устройства для определения частоты вращения забойного двигателя в процессе работы и определения общей наработки двигателя за все время промысловых испытаний. Кроме этого ресурс устройства по данным на момент подачи заявки составил более 1000 часов в рабочем режиме и около 9 месяцев в «спящем» режиме без замены элемента питания. Также проводилась проверка на стенде гидроиспытаний на территории фирмы-изготовителя гидравлических забойных двигателей методом ступенчатого нагружения и показала соответствие таких характеристик, как частота вращения и время работы двигателя, регистрируемых стендом, с полученными данными предлагаемого устройства.

Исходя из вышеизложенного, предлагаемый вариант устройства может с высокой степенью точности напрямую регистрировать такие параметры забойных двигателей, как частота колебаний ротора, температура и наработка, косвенно рассчитывается частота вращения ротора двигателя, отфильтровывая воздействие таких факторов, как ускорение свободного падения (сила тяжести), а также различные «паразитные» вибрации. Также конструктивные особенности позволяют сдвигать пределы чувствительности предлагаемого устройства, что расширяет его технологические возможности.

Устройство автономно, компактно и может устанавливаться и в других механизмах, где необходимо замерять интенсивность колебаний и отслеживать время воздействия колебаний.

Техническим результатом является повышение точности измерения режимов бурения, надежности работы оборудования, получение достоверных данных по измерению наработки, осуществление контроля температурного режима и частоты вращения забойного двигателя. Технический результат достигается за счет применения измерительного элемента с 3-х осевым акселерометром (менее энергозатратный, исключена зависимость положении осей Х и Y акселерометра по отношению к вектору силы тяжести), энергонезависимой микросхемы с увеличенным объемом памяти, упрощенного конструктивного исполнения.

1. Регистратор для измерения параметров эксплуатации гидравлического забойного двигателя, включающий корпус и электронный модуль, состоящий из элемента питания и электронного блока, выполненного на плате, и содержащий микроконтроллер, в котором программируется управляющая программа, датчик температуры, таймер календарного времени, измерительный элемент, микросхему энергонезависимой памяти, порт ввода-вывода данных, вход-выход которого подключен к микроконтроллеру, при этом указанные электронные компоненты соединены друг с другом посредством системы связей «вход-выход» или «вход», или «выход», отличающийся тем, что измерительный элемент содержит 3-осевой акселерометр с цифровым выходом, при этом датчик температуры и таймер календарного времени установлены в микроконтроллере, а для элемента питания установлен постоянный контроль напряжения.

2. Регистратор для измерения параметров эксплуатации гидравлического забойного двигателя по п.1, отличающийся тем, что в качестве микросхемы энергонезависимой памяти используется микросхема емкостью не менее 1 мегабит.

3. Регистратор для измерения параметров эксплуатации гидравлического забойного двигателя по п.1, отличающийся тем, что таймер календарного времени может быть выполнен в виде таймера реального времени.

4. Регистратор для измерения параметров эксплуатации гидравлического забойного двигателя по п.1, отличающийся тем, что чувствительность 3-осевого акселерометра увеличена с 10g до 16g.