Гидромеханический чувствительный элемент в задаче повышения точности измерения профиля буровой скважины

Введение

Знания геометрических параметров буровой скважины позволяют оценивать состояние скважины. Кавернограммы (кривые изменения диаметра буровой скважины с глубиной) используются в комплексе с данными других геофизических методов для уточнения геологического разреза скважины, дают возможность контролировать состояние ствола скважины при бурении; выявлять интервалы, благоприятные для установки герметизирующих устройств; определять количество цемента, необходимого для герметизации затрубного пространства при обсадке скважины колонной труб [1].

На сегодняшний день каверномеры могут обеспечить измерения геометрических размеров профиля с точностью около ±3 мм. Принцип действия этих приборов основан на преобразовании механического сигнала перемещения измерительных рычагов, контактирующих с поверхностью скважины, в электрический сигнал с помощью омметров. С точки зрения технологии бурения и экономичности геофизической разведки, является актуальным повышение точности измерений и уменьшение погрешности измерительного прибора до ±1 мм.

Достижение такой точности прибором, работа которого основана на электромеханических преобразователях, затруднительно в виду комплекса причин: большого диапазона измерений (102 – 350 мм в диаметральном размере для рассматриваемой схемы), жёстких ограничений габаритных размеров измерительной системы, высокой погрешности омметров, применяемых в электромеханических преобразователях, условий эксплуатации.

Поэтому, является целесообразной разработка кавернометрического оборудова-ния, использующего измерительные системы, основанные на других физических принципах. Перспективным является использование эффекта гидравлической пружины, как средства преобразования сигнала механичес-кого перемещения измерительного органа в сигнал изменения давления в рабочей камере. Изменение давления в рабочей камере измери-тельной системы преобразуется высокоточ-ными интегральными тензопреобразователями давления в электрический сигнал [2].

Результаты исследований

Гидравлическая пружина представляет собой плунжерный цилиндр, заполненный рабочей жидкостью под давлением, с заглушенной рабочей камерой и подсоединенными к ней датчиками (рис. 1).

При перемещении плунжера () происходит изменение объёма рабочей жидкости на величину:

,                     (1)

где  – изменение объема жидкости при перемещении плунжера,  – площадь плунжера.

Результатом изменения объема жидкости является изменение давления:

,                       (2)

где  – изменение давления жидкости,  – исходный объем жидкости,  – модуль объемной упругости жидкости,  - изменение объёма жидкости.

Действие давления окружающей среды на плунжер гидравлической пружины (рис. 1) может привести к изменению давления в рабочей камере и искажению показаний прибора. Для ликвидации этого эффекта, измерительная система имеет двухкамерную конструкцию (рис. 2) Рабочая камера 3 является одновременно приводом распора измерительных рычагов и измерительным элементом, камера 4 не заполнена жидкостью и является компенсатором площади.

Первоначальным в измерении является получение механического сигнала, который представляет собой перемещение измерительных органов прибора (рис. 2). В виду конструктивных особенностей, передача этого перемещения от измерительных рычагов, непосредственно контактирующих со стенками скважины, к измерительной части оборудования выполняется цепью кинематических звеньев, в которую входят поворотные и поступательно движущиеся элементы. Это позволяет в несколько раз уменьшить по величине первоначальное перемещение измерительного рычага, что следует из соотношения (рис. 1):

,                    (3)

где  – смещение измерительного рычага в результате контакта со стенкой скважины, ,  – значение соответствующих длин плеч измерительного рычага.

Уменьшение величины перемещения измерительного органа  продиктовано ограничениями длины хода плунжера гидравлической пружины , следующими из ограниченного объёма рабочей камеры и большого модуля объёмной упругости жидкости.