устройство для бесконтактного измерения температуры забоя скважины в процессе бурения

Формула изобретения

1. Устройство для бесконтактного измерения температуры контакта породоразрушающего инструмента с забоем скважины, включающее приемник-усилитель инфракрасных излучений и прибор регистрации, отличающееся тем, что оно снабжено оптоволоконным световодом, последовательно соединенным с приемником-усилителем и прибором регистрации и размещенным в продольном канале инструмента с выходом на зону контакта фрикционного элемента коронки с породой, при этом инструмент установлен неподвижно, а образец породы с возможностью вращения.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в корпусе инструмента цилиндрический канал выполнен сообщающимся с внутренней и наружной полостями инструмента, при этом зона распространения ИК-излучения загерметизирована от полости канала с водой.

Описание изобретения к патенту

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.

Известно 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]. При вращении шлифовального круга, когда ось канала совпадет с оптической осью приемника, ИК-излучение нагретой зоны резания, попадет на приемник ИК-излучения, где он преобразуется в аналоговый электрический сигнал и подается от него на регистрирующее устройство.

Недостатком известного устройства 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 его применения.

Наиболее близким аналогом предлагаемого устройства является устройство для измерения температуры абразивной обработки, которое содержит приемник инфракрасных излучений, направленный на участок зоны контакта абразивного инструмента с деталью, автономный источник питания, усилитель-согласователь, модулятор и передающую антенну [2]. Устройство также снабжено последовательно соединенными приемной антенной, приемником, демодулятором и фильтром, выделяющим полезную составляющую сигнала, причем приемник инфракрасных излучений соединен со входом усилителя-преобразователя, выход фильтра через аналого-цифровой преобразователь соединен с прибором регистрации. Особенностью устройства является то, что приемник инфракрасных излучений, автономный источник питания, усилитель-согласователь, модулятор и передающая антенна вмонтированы в продольном валу абразивного инструмента.

Достоинством устройства является то, что оно обеспечивает повышение достоверности за счет устранения источника помех и расширение области измерения. Однако недостатком известного устройства является потребность в большом количестве различных приборов. Кроме того, очень затруднено применение данного устройства при измерении температуры контакта породоразрушающего инструмента с породой при бурении в стесненных условиях кольцевого забоя скважины.

Задача изобретения - бесконтактное измерение температуры контакта 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 устройством для бесконтактного способа измерения температуры зоны контакта термофрикционного инструмента с породой, включающим световод для передачи ИК-излучения зоны контакта инструмента с породой, приемник-усилитель для приема ИК-излучения, его преобразования в электрический аналоговый сигнал и усиления, прибор регистрации с аналого-цифровым преобразователем. Кроме того, устройство включает: установленный на валу бурового станка кернодержатель с образцом породы в виде керна, термофрикционный инструмент, световод, размещенный в продольном канале этого инструмента с выходом на торец фрикционного элемента инструмента, колонковую трубу с патрубком для подвода воды, защитный кожух от брызг и водосборник со сливом воды.

В предлагаемом устройстве в отличие от аналогов инструмент установлен неподвижно, а порода (деталь) - с возможностью вращения, кроме того, устройство содержит кернодержатель с резьбовым хвостовиком для соединения с ведущей трубой бурового станка и световод, размещенный в продольном канале корпуса инструмента, причем продольный канал выполнен, сообщающимся с внутренней и наружной полостями инструмента. При этом призабойная часть канала со световодом герметизируется, чтоб вода не попала на забой. Благодаря этим обстоятельствам 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, особенно при измерении температур порядка 200-300°С. Вышеперечисленные отличия от аналогов говорят о том, что наше предложение обладает новизной и изобретательным уровнем.

Предлагаемое устройство для бесконтактного измерения температуры забоя скважины имеет следующие преимущества:

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

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

Сущность предлагаемого устройства поясняется чертежами применительно к бурению термофрикционным инструментом и с его охлаждением и выносом буровой мелочи водой. На фиг.1 показано устройство для бесконтактного измерения температуры предлагаемым способом, включающее узел крепления образца породы на ведущий вал бурового станка, узел неподвижной установки инструмента, подачи и отвода промывочной жидкости; на фиг.2 - термофрикционный инструмент со световодом.

Устройство состоит из двух узлов. Первый узел, установленный на ведущей трубе 1 бурового станка, 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: термофрикционный инструмент 6, световод 7, установленный в продольном канале с выходом на торец фрикционного элемента инструмента, 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. Инструмент 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.

Устройство для измерения температуры забоя под торцом фрикционного элемента коронки работает 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 электронным блоком, аналого-цифровым преобразователем и компьютером.

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. Инструмент 6 со световодом 7 соединяется с колонковой трубой 9. Вода для охлаждения инструмента подается в забой от насоса станка через патрубок 10 и колонковую трубу. Затем вода, выходя наружу через промывочные каналы инструмента 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 холодной воды из внутренней полости коронки через боковое отверстие попадает в продольный канал в корпусе инструмента 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 электронному блоку, 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 работу устройства для бесконтактного измерения температуры под торцом термофрикционного инструмента при экспериментальном бурении станком СКБ-4. Инструмент работает следующим образом. При его 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 обычного твердосплавного инструмента все резцы при бурении описывают траекторию в виде плавной винтовой линии. В нашем случае инструмент 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 инструмента 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 инструмента. 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 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 инструмента и распределения нагрузки видно, что температура набегающей и сбегающей частей фрикционного элемента инструмента 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 преобразователю ИК-излучения в электрический сигнал типа «Ди-поль-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 №2151687. Устройство для 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.