Диссертация Г. С. Абрамова. Г. С. Абрамов телеизмерительные системы с электромагнитным каналом связи для точнонаправленного бурения нефтегазовых скважин западной сибири

• Название: Г. С. Абрамов телеизмерительные системы с электромагнитным каналом связи для точнонаправленного бурения нефтегазовых скважин западной сибири
• Анкор: Диссертация Г. С. Абрамова
• Дата: 28.08.2022
• Размер: 0.67 Mb.
• Имя файла: Диссертация Г. С. Абрамова.doc
• Тип: Диссертация; #654688
• страница: 8 из 14

3.3 Исследование и разработка устройств защиты скважинной аппаратуры от вибраций и ударов

Одной из важнейших проблем при конструировании забойных информационных систем является их защита от перегрузок, возникающих от вибраций и ударов при бурении.

Колонна бурильных труб представляет собой сложную пространственную систему с распределенными параметрами. Ее нельзя считать жестким стержнем, скорее в физическом смысле колонна является "гибкой нитью", так как отношение ее длины к диаметру может достигать 10⁶ и в зависимости от осевой нагрузки она может терять устойчивость, располагаться по спирали и т.п. В колонне бурильных труб внутри и снаружи циркулирует промывочная жидкость под воздействием неравномерного давления, развиваемого одним или двумя насосами.

Породоразрушающий инструмент (долото) контактирует с горными породами разной твердости, ударяясь зубьями о неровности ухабообразного забоя, причем зубья значительно срабатываются во времени, изменяя параметры вибраций. Все это вызывает достаточно сложные колебания и удары. Так, вибрации буровой вышки и пульсация насосов вызывают инфранизкочастотные колебания до 1.5 кГц, перекатывание шарошек по рейке забоя и биение вала гидравлического забойного двигателя - низкочастотные (до 10 Гц), средняя частота (до 300Гц) обуславливается ударами зубьев шарошек о забой при их перекатывании и, наконец, высокочастотные, вызванные квитацией и турбулентным движением промывочной жидкости (частотой до 3000 Гц).

Забойные телеизмерительные системы встраиваются в буровой инструмент, являясь частью бурового става. При широко применяемой в нашей стране технологии турбинного бурения они устанавливаются выше турбины и подвергаются механическим (сжатие, растяжение, кручение), вибрационным (продольные, поперечные, крутильные) и ударным нагрузкам.

Исследования, выполненные рядом авторов [26, 52, 56, 87, 93] показали, что уровень вибраций часто превышает 20-30 g в диапазоне частот от единиц герц до десятков и даже сотен герц (рис. 18, а,б). А если учесть, что скважинная аппаратура в процессе бурения длительное время работает при повышенных изменяющихся от глубины температурах до 100-120 С и более, а гидростатическое давление, определяемое плотностью применяемых буровых растворов и глубиной (длиной) скважины, достигает 80-100 МПа, при протекании мимо аппаратурного контейнера бурового раствора с содержанием твердых абразивных частиц (песка) до 10-15% можно смело констатировать, что требования при ее создании выше аналогичных по надежности, предъявляемых к аппаратуре специального назначения (таблица 11). Поэтому правильный выбор соответствующих материалов и надежных конструкторских решений во многом определяют работоспособность аппаратуры.

Таблица 11

Характеристики вибраций, действующих на аппаратуру, устанавливаемую на подвижных объектах.

Вид подвижного объекта	Характеристики вибраций и ударов	Время действия
Транспортные средства колесного типа	Частоты возбуждающих колебаний подвески: машины 2-10 Гц, кузова 8-15 Гц, ускорение 1 g; частоты возбуждения двигателя 20-60	Длительное
Транспортные средства гусе­ничного типа	Ударно возбуждаемые вибрации в диапазоне частот 400-700 Гц, амплитуда колебаний на низких частотах 0.25 мм	Длительное
Корабль	Частоты возбуждающих колебаний и ускорения: кормовая часть 2-35 Гц, 0.05-0.5 g	Длительное
Подводная лодка	Частоты возбуждающих колебаний и ускорения: кормовая часть 70 Гц, 0.125-0.25 g	Длительное
Самолет	Частоты возбуждения 3-500 Гц, амплитуда колебаний 3.8 мм на низких частотах. Акустические вибрации с частотой до 130 кГц на уровне 150 дб выше звукового порового уровня	Менее длительное
Вертолет	2 Гц – 0.5 g, 5 Гц – 0.4 g, 16 Гц – 0.8 g, 25 Гц — 1.25 g, 40 Гц – 2.0 g, 80 Гц – 4.0 g	Несколько часов
Управляемые снаряды	Частоты возбуждающих колебаний 30-500 Гц; ускорения 5-30 м/с2. На участке резонанса возможны ускорения до 40 д. Акустические вибрации с частотой до 10 кГц на уровне 130 дб выше звукового порогового уровня.	3-5 мин.
Скважинная аппаратура в процессе буре­ния	Частоты возбуждающих колебаний 0.1-30 Гц, ускорения 40-50 g, возможно – до 100 g. Акустические – до 1-2 кГц, 2-3 g. Удары – длительностью	Многократное не­прерывное воздей­ствие по 7-30 часов несколько лет под­ряд, чередующееся с транспортными пе­ревозками автомо­билем, самолетом, вертолетом

Анализ надежности элементов радиоэлектроники, выполненных в виде БИС (больших интегральных схем), схем гибридной технологии на тонких и толстых пленках показал, что, в основном, они выдерживают также перегрузки. Навесные элементы (резисторы, трансформаторы и др. навесные элементы) допускают работу при ускорениях менее 10-12 g.

Следует заметить, что время безотказной работы системы блока, обратно пропорционально вибрационной нагрузке, поэтому использование устройств виброзащиты является оправданным.

Широко применяемые в военной аппаратуре устройства виброзащиты различного типа, рассчитаные для подвески крупных аппаратурных блоков для определенных условий (уровня и частотного спектра вибраций) и диапазона температур от -50С до 60С не могут быть использованы, поэтому потребовались дополнительные исследования устройств виброзащиты.

Были исследованы амортизаторы различных типов и конструкций (табл. 12, 13)², те, которые по своим техническим параметрам подходили к условиям эксплуатации в процессе бурения скважин.

Таблица 12

Технические характеристики различных резино-металлических амортизаторов.

№ п/п	Тип амортизатора	Собственная частота, Гц	Коэффициент жесткости, Rz, кгс/мм	Коэффициент деформирования, 	Номинальная нагрузка, Кгс	Диапазон рабочих температур, С	Особенности и область применения
1.	Пластинчатые АП	15 – 20	0.29 - 9.2		0.45 - 15.75	45  80	С 25 Гц, до 0.5 мм
2.	Чашечные АЧ	15 - 20	0.29 – 9.20		0.45 – 15.65	45  80	Свыше 100 Гц
3.	Корабельные свар-ные со страховкой АКСС	10 - 15		0.2 – 0.25	10 – 120	5  70
4.	Скобочные АМ	20 - 30	3.6 - 24		18 –120
5.	Стерженьковые АН	11 - 13	4 - 31		6 – 50		С 15 Гц, до 5 мм
6.	Опорные АО	25 - 30					С 25 Гц, до 0.5 мм
7.	Рожковые АР	11 - 12	1-2		2-8		С 25 Гц, до 1 мм; при 50С – с 30 Гц
8.	Равночастотные де-мпфированные АД	8 - 10	0.12 – 1.9	0.06 – 0.5	0.3 – 15.3	60  70	С 12 Гц, при 0.5 – 1.5 мм
9.	С фрикционным демпфированием АФД	15 - 20	0.1 – 6.7	Зависит от частоты	0.3 – 20	60  150	С 30 Гц, до 10 м/с2
10.	Пространствен-ного нагружения АПН	10 - 20			0.5 – 15	 60  150	30 –200 Гц, до 15 м/с2
11.	Комбинированные ПП					50  70
12.	Пружинные				0.3 – 30

Таблица 13

Технические характеристики различных цельнометаллических амортизаторов

№ п/п	Тип амортизатора	Собственная частота, Гц	Коэффициент жесткости k, кГс/мм	Коэффициент демпфирования 	Номинальная нагрузка, кГс	Диапазон рабочих температур, С	Особенности, область применения
1	Из материала МР ДК	11-12 35-40			0,4-40	-50+150	До 15-20g на НЧ, до 70-100 на СЧ, до 1 мм
2	Из материала МР АЦМ	8-10			0,5-20	-50+150
3	Из материала МР АЦП	8-10			0,5-30	-50+150	2-50g, до 15g при =0,01 с
4	Лепесткового типа	10-12	30-100*			-60+150	15-2000 Гц, до 25g при =0,05 с
5	Тросовые сферические	10-30			2-68	-72+260
6	Тросовые ленточные					-72+260
7	Цилиндри-ческие					-72+250
8	Типа «втулка»	25-30	Такой же, как у ДК			-72+250
9	Типа «хайдамет»					-60+400	150-200 Гц и выше
10	Пружинные АКПО				0,3-30	-60+150	Высокая доброт-ность на часто-тах резонанса
11	Пружинные «углерод-углеродные»	9-7			0,5-40	-60+700	Высокая доброт-ность, необходи-мо защитное покрытие

* В гс/мм

Заметим, что после монтажа и настройки каждая плата с печатным монтажом многократно покрывается эпоксидным клеем, навесные элементы крепятся дополнительно зажимами и проклеиваются эпоксидным составом.

Для дополнительной защиты от внешних повреждений и влаги некоторые разработчики и изготовители заливают блоки герметиком на основе каучука или полиуретана.

3.3.1. Расчет устройств виброзащиты

Для расчета устройств амортизации защищаемого от вибрации блока аппаратуры должны быть заданы следующие исходные данные:

• 
  вес блока Q;
  
• 
  координаты центра тяжести блока X_o, Y_o, Z_o;
  
• 
  число N точек подвеса на амортизаторах;
  
• 
  частота f;
  
• 
  диапазон частот f₁ – f₂ возмущающих вибраций;
  
• 
  минимальная собственная частота блока на амортизаторах f_o;
  
• 
  собственная частота элемента f_э;
  
• 
  максимальная амплитуда возмущающих вибраций Х_о;
  
• 
  необходимый коэффициент передачи амортизации  при заданной частоте вибрации f;
  
• 
  величина допустимой амплитуды вибраций блока на амортизаторах [Х₁];
  
• 
  статическая допустимая нагрузка амортизатора Р.
  

Определяемые параметры:

• 
  максимальная амплитуда колебаний блока на амортизаторах Х₁;
  
• 
  частота собственных колебаний f_o;
  
• 
  реакции амортизаторов Р_i;
  
• 
  линейная жесткость амортизаторов b_i;
  
• 
  деформации амортизаторов Х_ст при заданной частоте.
  

3.2.1 Определение максимальной амплитуды вибраций амортизированного блока

Амплитуда вибраций амортизированного блока мало зависит от жесткости k правильно подобранных амортизаторов и определяется по приближенной формуле:



При условии, что k << m(2f)²,

где W – амплитуда ускорения, мм/сек;

f – частота гармонической вибрации, Гц;

m – масса амортизированного блока, кг;

k – линейная жесткость амортизаторов, кгс/мм;

Х₁ – амплитуда вибраций блока без амортизаторов (максимальная для заданной частоты и амплитуды ускорений W).

Значение Х₁ должно быть меньше допустимой амплитуды [Х₁].

При невыполнении этого условия следует увеличивать или [Х₁], т.е. увеличивать зазоры между блоками, или увеличивать массу амортизированного блока.

При этом допустимый вес Q определяется по формуле:



где Р – амплитуда силы возмущающих вибраций.

3.2.2 Расчет коэффициента динамичности, частоты собственных колебаний амортизированного блока и жесткости амортизаторов

Коэффициент динамичности при малом демпфировании равен:



где Х₁ и Х_о – амплитуда вибраций соответственно блока и основания, мм;

 = f/f_о – отношение частоты f возмущающих вибраций к собственной частоте f_о амортизированного блока.

Эффективность системы амортизации системы определяем по формуле [37]:

Х = (1 - )100%.

Резонансные частоты элементов блока не возбуждаются при Х  95%.

Собственные частоты f_э элементов блока должны удовлетворять условию f_э  25f_о. При заданных значениях f и f_o определяют коэффициент динамичности  и эффективность амортизации Х.

Собственная частота системы амортизации:



где  и f должны быть известны.

Собственная частота пружинных амортизаторов:



где Х_ст – статический прогиб, мм.

3.2.3. Расчет коэффициента динамичности, частоты собственных колебаний амортизационного блока и жесткости амортизаторов

Коэффициент динамичности при малом демпфировании равен



где Х₁ и Х_о – амплитуды вибраций собственно амортизированного блока и основания, мм;

 = f/f_о – отношение частоты возмущающих вибраций к собственной частоте f_о амортизированного блока.

Блок рассматривается как твердое тело. т.е. резонансные частоты всех элементов блока значительно выше собственной частоты системы «блок – амортизаторы».

Эффективность системы амортизации определяется по формуле [ ]:

Х = (1 - )100%.

Резонансные частоты элементов блока не возбуждаются при значении Х  0,5%.

Собственно собственные частоты f_э элементов блока должны удовлетворять условию:

f_э  25%.

Собственная частота системы амортизации:



где величины  и f должны быть известны.

Собственная частота пружинных амортизаторов определяется по формуле:



где Х_ст – статический прогиб, мм.

Расчетная жесткость k_р всех амортизаторов определяется по формуле:

k_р  40 mf².

Расчетная жесткость каждого амортизатора равна:



Требуемая статическая деформация амортизатора:

3.2.4. Расчет амортизации, подверженной ударным воздействиям

При воздействии ударного импульса в виде синусоидальной полуволны собственная частота системы амортизации (табл. 9.1, Карпушин):



Суммарная жесткость амортизаторов:

k_х = m_o².

Условная частота ударного импульса:

 = /.

Коэффициент частотного отношения:

  /_о.

Максимальное ускорение, действующее на блок:



Необходимый свободный ход блока на амортизаторах:


Изгиб амортизатора:



Результаты расчета устройств амортизации для скважинного прибора цилиндрической формы массой 3 кг приведены на рис. 19.

3.3.2. Экспериментальное опробование амортизаторов различных конструкций

Были исследованы возможности использования в скважинной аппаратуре телесистем, работающих в процессе бурения, резинометаллических и цельнометаллических амортизаторов. В таблицах приведены их технические характеристики и особенности их применения. В результате анализа характеристик перечисленных амортизаторов были отобраны несколько конструкций, применение которых возможно в скважинной аппаратуре. Они имеют габариты. позволяющие их установку в скважинный блок и должны обеспечить надежную работу в условиях высоких температур. Это цельнометаллические амортизаторы из материала МР: дисковые типа ДАК, одновитковые пружинные типа АКПО, цилиндрические и типа «втулка» из путанки различного материала (сплав ЭИ708А и Бр. берил.), пружинные «углерод – углерод», типа «хайдамет» (рис. 20, а).

Была разработана конструкция. позволяющая обеспечить их установку с аппаратурным контейнером массой 3 кг на вибростенд типа ЭДС-1200. В качестве первичных преобразователей вибраций были использованы датчики типа АП-1, аттестованные Госстандартом РФ.

Рабочее место (рис. 20, б) оборудовано всей необходимой цифровой измерительной аппаратурой для измерения задаваемой частоты и амплитуды вибраций подвижной платформы вибростенда, одновременно на плате аппаратурного блока были установлены акселерометры типа АДXL 50 АН с прямым выходом и выходом через фильтр низких частот на аналого-цифровой преобразователь и в коде RS-232. Данные измерений передавались на IBM типа Note-book “Toshiba” и обрабатывались по специальным программам.

Результаты измерений приведены на рис. 21.

Испытания на вибростенде показали эффективность виброзащиты скважинных блоков телесистем. Их применение в разрабатываемой аппаратуре повысит надежность аппаратуры в эксплуатации, поскольку надежно защищает от ударных нагрузок.

Датчики угловых перемещений не подвержены в измерительной части действиям вибраций и обеспечивают необходимую точность измерений углов (не хуже 0,1).