Устройство для измерения статического напряжения сдвига бурового раствора

(51) 21 45/00 (2012.01) 21 3/00 (2012.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ час. Это обеспечивается тем, что традиционный измеритель СНС смонтирован на поворотном столе,который, благодаря наличию пускового реле, реле времени, двух концевых реле, а также выполненных на реле времени и поворотом столе кулачков,воздействующих на нормально-разомкнутые и нормально замкнутый контакты, последовательно устанавливает измеритель СНС в четырех позициях промывка водой, заполнение раствором, замер СНС 1, замер СНС-2 с выполнением соответствующих функций, при этом устройство оборудовано электрическим датчиком скручивания упругой нити,сигнал которого при выполнении замеров последовательно подается на аналого-цифровой преобразователь,отслеживающую максимум сигнала и переводящую его в единицы СНС микросхему, и на демонстрационное табло в конце замерного цикла раствор из прибора удаляется водой с помощью установленного в стакане клапана, который на подходе к позиции промывка открывается вследствие контакта с неподвижной наклонной плоскостью.(72) Билецкий Мариан Теодорович Сушко Сергей Михайлович Касенов Алмабек Касенович Бегун Анатолий Данилович(73) Республиканское государственное предприятие на праве хозяйственного ведения Казахский национальный технический университет им. К.И. Сатпаева Министерства образования и науки Республики Казахстан(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СТАТИЧЕСКОГО НАПРЯЖЕНИЯ СДВИГА БУРОВОГО РАСТВОРА(57) Изобретение относится к устройствам для измерения статического напряжения сдвига (СНС) бурового раствора в ходе бурения скважин. Оно позволяет автоматизировать процесс замеров СНС с получением результатов через заданный период времени - например, через каждый Изобретение относится к области бурения скважин, а именно к средствам измерения параметров буровых растворов и, в частности, к средствам измерения статического напряжения сдвига (СНС). Известны (Справочник бурового мастера, Т. 1. М. Инфра-Инженерия, 2006, с.374 - 378) устройства для измерения СНС по углу скручивания нити в момент разрушения структуры бурового раствора,соединяющего вращаемый стакан и подвешенный внутри стакана на эталонной нити цилиндр (прибор СНС-2, а также ВСН-3, ВСН-2 М и др.). Этот метод измерения СНС практикуется много десятилетий в виду его простоты и достаточной для практических целей точности. Недостаток этого метода состоит в том, что измерения СНС бурового раствора производятся вручную, а это в нормальных условиях бурения полагается делать хотя бы раз в 8 ч, а в осложненных условиях может потребоваться раз в 1 ч. К тому же, согласно общепринятой методике,каждое измерение состоит из двух составляющих замер СНС-1 и замер СНС-10, где цифра после СНС означает число минут нахождения испытуемого раствора в покое до момента включения вращения стакана. В ходе бурения результаты измерения СНС бурового раствора сигнализируют об изменениях геолого-технических условий и необходимости в связи с этим корректировки режима бурения. Ручные замеры статического напряжения сдвига бурового раствора (вместе с другими его параметрами) требуют существенных трудозатрат и выделения специальных единиц персонала. Технической задачей изобретения является автоматизация процесса измерения СНС бурового раствора. Технический результат состоит в том, что измерения статического напряжения сдвига проводятся без вмешательства человека периодически через заданный минимальноцелесообразный интервал времени,причем измерительный сигнал переводится в цифровую форму и - в соответствующих единицах измерения выводится на табло. Это достигается тем, что измеритель СНС,состоящий из вращаемого тихоходным электродвигателем стакана с подвешенным внутри его на эталонной упругой нити цилиндра, зазор между которыми заполнен испытуемым раствором,смонтирован на поворотном столе, способном занимать четыре позиции промывка, заполнение раствором, замер СНС 1, замер СНС 10 - с выполнением указанных функций причем стакан снабжен спускным клапаном, хвостовик которого в положении промывка взаимодействует с неподвижной наклонной плоскостью, а цилиндр оборудован датчиком скручивания нити, связанным в положении замеров с источником электропитания и последовательно расположенными аналогоцифровым преобразователем, микросхемой и демонстрационным табло. Управление всеми операциями, ведется с помощью реле времени,пускового самоблокирующегося реле, концевых 2 реле,нормально-замкнутых и нормальноразомкнутых контактов с воздействующими на них кулачками, выполненными на дисках реле времени и поворотного стола. Устройство также содержит водяной насос с емкостью и каналы подвода испытуемого раствора и воды. Изобретение поясняется схемами на фиг. 1, 2 и 3. На фиг.1 представлен вид сбоку механической части прибора, причем виддемонстрирует измеритель СНС в позиции замера, а вид- тот же прибор в позиции его промывки водой. Имеются следующие обозначения 1 - поворотный стол 2 - привод стола 3 - стакан 4 - цилиндр 5 - эталонная нить 6, 13 валы 7, 25 - подшипники 8 - клапан 9 - хвостовик клапана 10 - наклонная плоскость 11 горизонтальная поверхность, 12 - привод стакана 14, 20 - шкивы 15 - передача между шкивами 16 кольцевая канавка 17 - уплотнение 18 - реохорд, 19- канал подачи воды (стрелками показано ее движение) 23 - буровой раствор 24 - вода п напряжение питания и - измерительный сигнал. На фиг. 2 представлен вид сверху с электросхемой,причем- позиция промывки- позиция заполнения раствором-позиция замера СНС-1- позиция замера СНС-2 26 - канал подачи раствора 27 - якорь пускового реле 28 аналогоцифровой преобразователь 29 - микросхема 30 табло ИСНС - измеритель СНС (стакан с цилиндром), Д 1 - синхронный электродвигатель поворотного стола Д 2 - электродвигатель привода стакана РП - реле пусковое РВреле времени КР 1, КР 2, КРЗ - контакты нормально разомкнутые КЗ - контакт нормально-замкнутый КЛЗ-1, КЛЗ-2 КЛЗ-3 КЛЗ-4 - кулачки запуска вращения поворотного стола из положений , , ,КЛО-1,КЛО-2 КЛО-3 КЛО-4 - кулачки остановки вращения поворотного стола в положениях , , , КЛВН - кулачок пуска водяного насоса КЛРК-3,КЛРК-4 - кулачки включения концевых реле в положенияхиКС - расположенная на поворотном столе клемма подачи измерительного сигнала КП - расположенные там же клеммы напряжения питания КС-3, КС-4, КП-3, КП-4 ответные (по отношению к упомянутым подвижным клеммам) неподвижные клеммы для положенийи. На фиг. 3 представлена схема концевого реле 31 - корпус реле 32 - якорь 33 - контактная плата 34 - проводящие полосы 35 - кронштейн КР 4-3(4) нормально разомкнутый контакт подачи питания на концевые реле (цифры после дефиса указывают позицию, - имеются два концевых реле РК-3 и РК-4 для позицийи ). Устройство работает следующим образом кулачковый диск реле времени РВ (фиг.2) вращается синхронным электродвигателем с заданной постоянной скоростью (например, 1 оборот в 60 мин). На фиг. 2 показана ситуация, когда выполненный на поворотном столе кулачок КЛО-1 набегает на нормально замкнутый контакт КЗ. При размыкании кулачком этого контакта обесточится пусковое реле РП и разомкнтся контакт КР 2 подачи напряжения на двигатель стола Д 1 (также как и контакт самоблокировки пускового реле КРЗ). Поворотный стол 1 остановится, и при этом прибор ИСНС окажется под каналом 22 подачи воды, т. е. займет положение(промывка). Ранее, не доходя некоторого расстояния до этого положения,хвостовик 9 (фиг. 1) вступит при вращении стола в контакт с неподвижной наклонной плоскостью 10,которая заставит хвостовик и соответственно клапан 8 перемещаться вверх, так что в положении промывка хвостовик,пройдя наклонную плоскость окажется на горизонтальной поверхности 11 (видфиг. 1), причем клапан полностью откроется и находившийся в приборе буровой раствор стечет вниз, а его остатки будут смываться потоком воды, подаваемой из специальной емкости водяным насосом, поскольку одновременно с размыканием кулачком КЛО-1 контакта КЗ,сблокированный с кулачком КЛО-1 кулачок КЛВН замкнет нормально разомкнутый контакт линии питания водяного насоса (этот насос, как и контакт его включения, не показаны) и будет держать эту линию замкнутой все время, пока поворотный стол будет оставаться в положении . Спустя заданное время, следующий по ходу вращения диска реле времени кулачок КЛЗ-1 замкнет контакт КР 1 и подаст питание на реле РП, которое, возбудившись,возьмет себя на самоблокировку контактом КРЗ и,замкнув контакт КР 2, запустит (возобновит) вращение стола 1. Одновременно кулачок КЛВН сойдет с контакта запуска водяного насоса, который разомкнтся, и подача воды прекратится. При этом в начале вращения стола кулачок КЛО-1 сойдет с контакта КЗ который замкнется и восстановит возможность питания реле через линию самоблокировки после схода КЛЗ-1 с КР 1 (времени контакта КЛЗ-1 с КР 1 достаточно для схода КЛО-1 с КЗ, т. к. скорость вращения стола существенно превосходит скорость диска РВ). Необходимо также отметить, что после возобновления вращения стола и остановки подачи воды хвостовик 9 еще продолжает контактировать с горизонтальной поверхностью 11 в течение времени, достаточного для полного удаления из прибора воды, после чего горизонтальная поверхность обрывается, и под действием веса хвостовик 9 с клапаном 8 падают вниз до полного закрытия клапана (как демонстрирует видфиг. 1). Следующий по ходу вращения стола кулачок КЛО-2 дойдет до КЗ и остановит стол в положении(заполнение) непосредственно под каналом 26 (фиг. 2) подачи раствора из приемной емкости бурового насоса. В положенииприбор ИСНС находится время,гарантирующее полное заполнение буровым раствором зазора между стаканом 3 и цилиндром 4. Избыток раствора отводится с помощью кольцевой канавки 16. По истечении заданного времени к контакту КР 1 подходит кулачок КЛЗ-2 и поворотный стол из положениязаполнение начинает двигаться в сторону положения . (замер СНС-1). Это движение продолжается ровно одну минуту, по истечении которой кулачок КЛО-3 размыкает контакт КЗ и останавливает вращение стола, а сблокированный с КЛО-3 кулачок КЛРК-3 замыкает нормально разомкнутый контакт КР 4-3 и подает напряжение на концевое реле РК-3, причем якорь 32 (фиг. 3) возбужденного реле опускается вниз до упора платы 33 в горизонтальную поверхность. Поскольку при остановке в положениивнутренние (на диске поворотного стола 1) клеммы КП и КС встают строго напротив соответствующих наружных клемм КП-3 и КС-3,то контактная плата 33, опустившись, соединяет своими проводящими полосами 34 соответствующие внутренние и наружные клеммы. Соединение клемм обеспечивает подачу напряжения как на двигатель Д 2, так и на клеммы реохорда 18 (напряжение п - фиг. 1 вид ), а также связывает подвижный контакт 19 с входом аналогоцифрового преобразователя 28 (фиг.2). При подаче напряжения двигатель Д 2 начинает медленно (с частотой 0.2 об/мин) вращаться, причем через шкив 14 и ремень 15 вращение передается на шкив 20, вал 6 и стакан 3. Поскольку за 1 мин нахождения в состоянии покоя в растворе 23 начала формироваться структура геля, то первое время эта структура оказывается достаточно прочной, чтобы передавать вращение стакана 3 на цилиндр 4 и скручивать упругую эталонную нить 5. Связанный с цилиндром подвижный контакт 19 перемещается по реохорду все дальше от нулевой клеммы, создавая напряжение измерительного сигнала и, и передавая его на аналого-цифровой преобразователь 28. С увеличением угла скручивания упругой нити ее момент сопротивления возрастает,как и механическое напряжение в структуре бурового раствора, передающего вращение. При достижении определенного угла скручивания напряжение в структуре раствора достигает предельного значения и эта структура внезапно разрушается, причем из состояния геля (твердое тело) раствор переходит в состояние золя (жидкость) и теряет способность передавать вращение. Подвижный контакт возвращается в нулевое положение,а измерительный сигнал падает до нуля. Однако заложенная в микросхеме 29 программа отыскания максимума в ряду последовательных чисел сохраняет значение максимального сигнала,пересчитывает его в единицы механического напряжения - Па, и передает на табло 30. После истечения назначенного времени замера кулачок КЛЗ-3 возобновляет вращение поворотного стола и кулачок КЛРК-3 сходит с нормально разомкнутого контакта КР 4-3, отключая реле РК-3. Якорь реле поднимается, отсоединяя клеммы КС и КП внутренней проводки поворотного стола от соответствующих наружных клемм КС-3 и КП-3. Двигатель Д 2 останавливается. Ровно через 10 мин после начала вращения поворотного стола из положениякулачок КЛО-4 останавливает поворотный стол в положении . Осуществляется замер СНС-10,проводимый аналогично вышеописанному замеру СНС-1, с той разницей, что внутренние клеммы КС и КП соединяются теперь с наружными клеммами КС-4 и КП-4 с помощью концевого реле РК-4, запускаемого кулачком КЛРК 4, воздействующим на контакт КР 4-4. По окончании 3 заданного времени замера к контакту КР 1 подходит кулачок реле времени КЛЗ-4 и начинает вращение в сторону положенияпромывка. Рассматриваемый цикл измерения СНС завершен, начинается следующий цикл. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Устройство для измерения статического напряжения сдвига бурового раствора,содержащее приводимый электродвигателем стакан с подвешенным внутри его на эталонной упругой нити цилиндром, и испытуемый буровой раствор,заполняющий пространство между стаканом и цилиндром, отличающееся тем, что устройство смонтировано на приводимом синхронным электродвигателем поворотном столе, с помощью которого оно последовательно занимает позиции промывка, заполнение раствором и две позиции замера при этом стакан снабжен спускным клапаном, хвостовик которого при подходе к позиции промывка взаимодействует с неподвижной наклонной плоскостью, а цилиндр связан с датчиком скручивания нити, который, как и двигатель стакана, в позициях замера концевыми реле связывается с источником электропитания,причем сигнал датчика подается на расположенные последовательно аналого-цифровой преобразователь, фиксирующую максимум микросхему и демонстрационное табло а управление работой устройства осуществляется с помощью реле времени, пускового самоблокирующегося реле, двух концевых реле, а также взаимодействующих с выполненными на дисках реле времени и поворотного стола кулачками нормальноразомкнутых и нормально-замкнутого контактов кроме того имеется водяной насос с емкостью и каналы подвода раствора и промывочной воды.