1. РЕСПУБЛИКА КАЗАХСТАН
(19) KZ (13) A4 (11) 28588
(51) E21B 45/00 (2006.01)
E21B 3/00 (2006.01)
КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ
МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ
(21) 2011/1299.1
(22) 14.12.2011
(45) 16.06.2014, бюл. №6
(72) Билецкий Марианн 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
(56) Справочник бурового мастера. Т.1.М.: Инфра-
Инженерия, 2006, с.381-386
(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ
ВОДООТДАЧИ БУРОВОГО РАСТВОРА
(57) Изобретение относится к устройствам для
измерения водоотдачи бурового раствора в ходе
бурения скважин. Цель изобретения - обеспечение
непрерывного и автоматического измерения
водоотдачи. Это обеспечивается установкой
оснащенных бумажными фильтрами измерителей
водоотдачи на поворотном столе. Каждый
измеритель предварительно заполнившись
раствором, останавливается в позиции замера,
причем происходит обесточивание двух
электромагнитов. Сердечник одного из них,
опустившись, соединяется с корпусом
измерительного прибора включая при этом клапан
подачи газа, тогда как расположенный на конце
сердечника второго электромагнита поплавок
опускается в цилиндр сбора фильтрата и
поднимается с его уровнем, воздействуя на датчик,
перемещения. Последний передает напряжение на
аналого-цифровой преобразователь и далее на
демонстрационное табло. В конце замера реле
времени заставляет электромагниты, поднимать
свои сердечники в верхнее положение, и
возобновляет вращение стола, подавая к позиции
замера следующий прибор. Устройство управляется
с помощью пусковых реле, а также расположенных
на поворотном столе и диске реле времени
кулачков, воздействующих на нормально-
разомкнутые и нормально-замкнутые контакты.
(19)KZ(13)A4(11)28588

2. 28588
2
Изобретение относится к области бурения
скважин, а именно к средствам измерения
параметров буровых растворов и, в частности, к
средствам измерения водоотдачи.
Известны [Справочник бурового мастера, Т. 1.
М. : Инфра-Инженерия, 2006 с.381 - 386] устройства
для измерения водоотдачи (фильтрации) по
количеству фильтрата (воды), отделившегося из
находящегося под заданным давлением объема
раствора при его взаимодействии с бумажным
фильтром в течение заданного периода времени -
обычно принимаемого равным 30 мин. Этот метод
измерения водоотдачи (приборами ВМ-6, ФЛР-1 и
др.) как на территории СНГ так и в дальнем
зарубежьи практикуется много десятилетий в виду
его простоты и достаточной для практических целей
точности.
Недостаток этого метода состоит в том, что
измерения водоотдачи бурового раствора
производятся вручную и, как указано выше, в
течение длительного времени. При нормальных
условиях бурения водоотдачу требуется измерять
хотя бы раз в 8 ч, а в осложненных условиях может
даже потребоваться раз в 1 ч. Самопроизвольные
изменения водоотдачи сигнализируют о
существенных отклонениях качества бурового
раствора от требуемых характеристик и о
необходимости выяснения причин этого с целью
корректировки режима бурения. При непринятии
срочных мер могут возникнуть самые серьезные
осложнения и аварии.
Технической задачей изобретения является
автоматизация процесса измерения водоотдачи
бурового раствора.
Технический результат состоит в том, что
измерения водоотдачи проводятся без
вмешательства человека периодически заданное
количество раз в сутки (или в иной требуемый
интервал времени), причем результаты замеров
переводятся в цифровую форму и подаются на табло
с возможностью их запоминания и воспроизведения.
Это достигается тем, что снабженные
бумажными фильтрами измерители водоотдачи в
количестве, соответствующем требуемому числу
замеров в заданный период времени, располагают на
поворотном столе, и поочередно каждый прибор,
пройдя позицию заполнения раствором,
останавливается в позиции замера с выдачей в конце
времени замера измерительного сигнала.
Устройство содержит реле времени, задающее
время нахождения прибора в позиции замера.
Работа всех узлов устройства управляется с
помощью установленных на столе и диске реле
времени кулачков, воздействующих на нормально-
разомкнутые и нормально замкнутые электрические
контакты пусковых реле, а сам процесс замера
осуществляется с помощью электромагнитов. Один
из электромагнитов при обесточивании и
освобождении своего утяжеленного сердечника
обеспечивает герметичное соединение последнего с
измерительным прибором, одновременно открывая
клапан для впуска во внутренний канал сердечника
и далее в корпус прибора газа, находящегося под
заданным давлением. По истечении времени замера
этот электромагнит возбуждается и поднимает
сердечник в фиксированное верхнее положение,
отсоединяя его от прибора, причем клапан за счет
своего веса и давления газа опускается и
перекрывает канал подачи газа. Сердечник второго
электромагнита связан с поплавком и датчиком его
подъема. При обесточивании электромагнита
поплавок опускается в цилиндр, предназначенный
для сбора фильтрата, и в ходе замера поднимается
вместе с уровнем последнего, причем датчик
вырабатывает напряжение, пропорциональное
количеству выделившегося фильтрата. В момент
окончания времени замера выработанное датчиком
напряжение преобразуется в цифровую форму и
передается на отсчетное устройство. Далее датчик
обесточивается, но при этом подается напряжение
на электромагнит, поднимающий сердечник с
поплавком в крайнее верхнее положение. Процесс
измерения водоотдачи данным прибором завершен,
возобновляется вращение поворотного стола,
которое продолжается, пока к точке замера не
подойдет следующий прибор. Устройство обработки
результата замера состоит из аналого-цифрового
преобразователя напряжения датчика перемещения
после которого измерительный сигнал подается на
микросхему для перевода результата с двоичного в
десятичный код и подачи его в единицах водоотдачи
(см3
) на табло.
Изобретение поясняется схемами на фиг.1 и 2.
На фиг.1 А на виде сбоку демонстрируются
механические детали устройства, участвующие в
проведении замера, а на фиг.1 Б на виде сверху -
расположение измерительных приборов и
элементов, связанных с выполнением замера,
относительно поворотного стола. Введены
следующие обозначения: 1 -поворотный стол; 2 -
привод стола; 3 - подшипник; 4 - стакан (корпус
измерительного прибора); 5 - бумажный фильтр; 6 -
фильтрационный диск; 7 - цилиндр сбора фильтрата
(пробирка); 8 - электромагнит; 9 - сердечник; 10 -
корпус клапана-утяжелитель; 11 - линия подачи
газа; 12 - клапан; 13 -хвостовик клапана; 14 - упор;
15 - электромагнит; 16 - сердечник; 17 -
непроводящий стержень; 18 - поплавок; 19 -
подвижный контакт; 20 -реохорд; 21 - линия подачи
раствора; 22 - плата установки электромагнитов; 23
- брызгозащитный щиток; 24 - уплотнения. На фиг.
2 приведена электросхема управления подвижными
блоками устройства. Приняты следующие
обозначения: ИВ1 - ИВ8 - измерители водоотдачи;
Д1 -синхронный электродвигатель поворотного
стола; Д2 - синхронный электродвигатель реле
времени; РВ - реле времени; ПР1- пусковое реле
поворотного стола; ПР2 - пусковое реле
электромагнитов; КЛ1 - КЛ8 -кулачки на
поворотном столе; КЛ9 - кулачок на диске реле
времени; КР1 -КР8 - нормально-разомкнутые
контакты; КЗ1, КЗ2 - нормально-замкнутые
контакты; U - выходное напряжение датчика
перемещения. Крестиком обозначена позиция, в
которой производятся замеры. Дополнительными
цифрами на кулачках (напр. КЛ1-1) показаны

3. 28588
3
кулачки, расположенные в той же позиции на
окружности стола, но на разных уровнях по
вертикали
Устройство работает следующим образом
(опишем его работу на примере измерителя
водоотдачи, поворотный стол которого совершает
один оборот за 24 ч. и несет на себе 8 измерителей
водоотдачи - т. е время между замерами равно 3 ч):
По завершении полного оборота поворотного стола
1 и отработки последнего прибора (ИВ8) все
стаканы 4, а также цилиндры 7 снимают с диска и
заменяют готовым новым комплектом со свежими
фильтровальными бумажными кругами. Возможна и
установка прежних стаканов и цилиндров после их
прополаскивания водой и заменой покрытых коркой
бумажных фильтров на свежие. Все требуемые
операции займут 5-10 мин. При времени, отводимом
на отработку одного замера, в 3 ч и малой скорости
движения стола (примерно 1 мм/мин) останавливать
его вращение для удобства замены приборов не
потребуется. Все последующие операции
производятся автоматически. При подходе
расположенного на столе кулачка КЛ1-1 на
расстояние около 5 мм до позиции замера горловина
стакана 4 попадает под струю раствора
(предварительно прошедшего через очистной
фильтр - на рис. не показан), подаваемого из канала
21. Прибор заполняется раствором, после чего
излишек раствора стекает в окружающий стакан
кольцевой желоб и далее в отстойник (показано
стрелками). От возможного попадания брызгов
раствора в фильтрат цилиндр 7 защищен щитком 23.
При достижении позиции замера кулачок КЛ1-1
размыкает нормально-замкнутый контакт КЗ1
пускового реле ПР1. Последнее обесточивается и,
разомкнув контакт КРЗ, останавливает двигатель Д1
и, следовательно, поворотный стол. Чуть раньше
кулачок КЛ1-2, набежав на контакт КР4, подает
напряжение на двигатель Д2 реле времени РВ и с
остановкой стола остается в этом положении. Диск
РВ с кулачками КЛ9-1,2,3 начинает вращаться.
Одновременно кулачок КЛ1-3, набежав на контакт
КЗ2, обесточивает реле ПР2, которое, разомкнув
контакт КР7, обесточивает электромагниты 8 и 15.
Освободившийся сердечник 9 с утяжелителем 10
своим коническим концевым штуцером опускается
в горловину емкости 4 с уплотнением 24. При этом
хвостовик 13 клапана 12 попадает на упор 14,
вызывая открытие клапана и поступление газа под
заданным давлением из магистрали 11 внутрь
емкости 4. Поскольку сила противодавления газа
меньше силы веса сердечника с утяжелителем,
герметизация соединения штуцер-горловина не
нарушается. Давление газа вызывает разделение
раствора на твердые частицы, оседающие на
бумажном фильтре 5 виде корки, и воду,
просачивающуюся сквозь бумагу и отверстия в
диске 6. Отфильтрованная вода через отверстие в
дне стакана и далее через канал в поворотном диске
попадает в цилиндр 7 (путь фильтрата показан
пунктирной стрелкой). Поскольку одновременно с
электромагнитом 8 обесточивается и электромагнит
15, его сердечник 16 также освобождается. В
результате поплавок 18 опускается на дно цилиндра
7, причем имеющийся на непроводящем стержне 17
скользящий контакт 19 устанавливается на начало
реохорда 20. По мере заполнения пробирки 7
фильтратом поплавок поднимается, перемещая
скользящий контакт вверх. После истечения
времени замера и завершения полного оборота
кулачок КЛ9-1 диска реле времени набегает на
контакт КР8 питания реохорда, причем между
началом реохорда и скользящим контактом 19
появится напряжение U, соответствующее объему
фильтрата, выделившемуся за 30 мин - т. е.
водоотдаче данного бурового раствора, значение
которой сменит на табло значение
предшествующего замера и будет сохраняться до
последующего замера. После ухода кулачка и
размыкания контакта КР8 кулачок КЛ9-2,
отстающий от кулачка КЛ9-1 на несколько долей
мм, набежав на контакт КР5, возбудит пусковое
реле ПР2 и подаст напряжение на электромагниты, а
также самозаблокируется контактом КР6. При этом
электромагниты поднимут свои сердечники в
фиксированное верхнее положение, устранив
препятствия для движения стола и стакана 4. Далее
кулачок КЛ9-3 (отстающий от КЛ9-2 на несколько
долей мм) замкнет контакт КР1 реле ПР1, которое
возбудившись, запустит через КР3 двигатель Д1,
т. е. Возобновит движение поворотного стола 1,
причем его кулачок ЮН-2 сойдет с контакта КР4 и
остановит вращение диска реле времени. Измерение
водоотдачи прибором ИВ1 завершено, движением
стола он уводится с положения замера, а вместо
него подходит прибор ИВ2 (со своим цилиндром
сбора фильтрата и своим кулачком КЛ2-1,2,3). Так
будет продолжаться до завершения полного оборота
поворотного стола. Следует отметить, что
поскольку при каждой остановке поворотного стола
кулачками КЛ1-1 - КЛ 8-1 с помощью нормально
замкнутого контакта К31, последний остается в
разомкнутом состоянии, то для обеспечения
возможности самоблокировки реле ПР1 при
возобновлении вращения стола с помощью кулачка
КЛ9-3 и контакта КР1, необходимо, чтобы время
воздействия этого кулачка на этот контакт было бы
достаточным, для того, чтобы кулачок КЛ1-1 (КЛ2-1
и т.д) успел сойти с контакта К31. Для этого время
воздействия кулачка КЛ9-3 на контакт КР1 должно
быть заведомо больше времени схода кулачка КЛ1-1
с контакта КЗ 1. Последнее может обеспечиваться
конфигурацией кулачков. Так длина кулачка КЛ9-3
вдоль окружности его движения должна быть
достаточно большой, а соответствующая длина
кулачка КЛ1-1 -минимально-возможной. Данное
замечание относится и к соотношению размеров
кулачков КЛ9-2 и КЛ1-3.
Целесообразно оснащать данное устройство
переключателем скоростей вращения поворотного
стола. При этом, если ориентироваться на
устройство с восьми стаканами, описанный вариант,
когда стол совершает один оборот в сутки, и, таким
образом делает замеры через каждые 3 ч, можно
принять за основной - наиболее употребительный. В
осложненных условиях можно задать вариант с

4. 28588
4
частотой замеров 1 ч - когда стол делает один
оборот в восьмичасовую смену. Если же в какой-то
достаточно длительный период геологических
осложнений при бурении не ожидается, то
водоотдачу можно измерять раз в 6 ч - когда стол
делает оборот в двое суток. При неожиданном
возникновении осложнений работу прибора, можно
в любой требуемый момент переключить на
"аварийный" вариант с ежечасным проведением
замеров.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Устройство для измерения водоотдачи бурового
раствора, содержащее оснащенный фильтром и
каналом для подачи сжатого газа стакан для заливки
раствора, а также цилиндр для сбора фильтрата,
отличающееся тем, что стаканы установлены на
поворотном столе, причем имеется патрубок для их
заполнения испытуемым раствором; в позиции
замера над столом смонтированы два
электромагнита, отцентрированный по
вертикальной оси стакана утяжеленный сердечник
одного из электромагнитов имеет канал, связанный
шлангом с газовым баллоном и узел впускного
клапана, ниже хвостовика которого расположен
неподвижный упор; отцентрированный по
вертикальной оси цилиндра сбора фильтрата
сердечник второго электромагнита имеет на конце
поплавок, а также несет на себе подвижный контакт
датчика перемещения, выход которого связан с
включающей аналого-цифровой преобразователь
микросхемой, выход которой в свою очередь
соединен с демонстрационным табло; также имеется
реле времени замера, пусковые реле, и нормально
разомкнутые и нормально замкнутые контакты,
взаимодействующие с кулачками, расположенными
на поворотном столе и диске реле времени.

5. 28588
5
Верстка Ж. Жомартбек
Корректор Е. Барч