Введение к работе
Актуальность темы. При разработке различных месторождений возникают задачи контроля внутреннего состояния скважины и определения размеров, формы и пространственного положения подземных камер (например, глубоких вертикальных рудоспусков или камер выщелачивания соли) [1]. В силу конструктивных особенностей подземных скважин (небольшой диаметр обсадных колонн) требуется разработка компьютерно-измерительных устройств - скважинных приборов. Скважинные приборы с измерительным комплексом используют принцип ультразвуковой эхолокации для сканирования, что позволяет выполнять измерения расстояний до стенки или дна подземной камеры и угловые положения этих измерений относительно магнитного поля Земли. Пространственное положение камеры определяется совокупностью горизонтальных сечений, зарегистрированных прибором для различных глубин погружения. Сканирование подземных каверн обеспечивается круговым обзором с помощью приемного устройства, что может быть выполнено либо путем его постоянного вращения вокруг своей оси либо установкой нескольких излучателей и приемников, развернутых относительно друг друга на определенный угол.
Большой вклад в создание и развитие методов экспериментально-аналитического определения параметров скважин внесли Д.А.Казаковский, А.А.Гурич, Г.А.Кротов, занимавшиеся физическими основами звуколокации. Известны разработки иностранных фирм Halliburton (США), Western Atlas International (США), Ascon (Германия), CGG (США), Shlumberger (США, Франция). В работах М.А.Ноздрина и В.К.Кругликова приводятся разработки технических систем для сканирования камер. Вопросы динамической точности измерительных систем, методы определения влияния трения на динамические характеристики рассмотрены в трудах В.М.Мусалимова. Решение задач моделирования сложных динамических систем отражено в работах Г.Б.Заморуева. В работах А.Б.Смирнова большое внимание уделяется вопросам проектирования мехатронных систем. Вопросы синтеза систем управления и создания математических моделей управления подробно изложены в работах С.Ю.Петрова.
Несмотря на значительное количество теоретических моделей и методов экспериментального исследования, остается не решенной задача создания установки, позволяющей выполнять сканирование внутри подземной полости на большой глубине (до 2,5 км) при гидростатическом давлении более 25 МПа.
Таким образом, задачи создания сканирующего устройства для контроля и мониторинга состояния подземных камер, разработки алгоритмов и программ для управления им, а также методики поверки являются актуальными.
Цель диссертационной работы - разработка акустического ультразвукового измерительного комплекса для исследования и мониторинга подземных камер.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: 1) разработать систему акустического сканирования подземных камер;
-
разработать математическую модель системы;
-
разработать методику расчета конструкционного демпфирования кабеля и методику расчета вязких свойств уплотнителя;
-
разработать алгоритм обработки полученной информации;
-
разработать методику проведения измерений и методику поверки прибора.
Методы исследования поставленной задачи основаны на применении расчетно-экспериментальных методов, теории гидроакустики, трибологии, метрологического обеспечения и поверки средства измерения. Математическое моделирование, обработка результатов исследований проводились на персональном компьютере с помощью программного обеспечения Microsoft Excel, MatLab, MathCAD, Autodesk Inventor, Compas 3D и др.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
измерительный комплекс для мониторинга подземных камер (система сканирования);
-
динамическая модель системы и влияние динамики системы на точность измерений;
-
методика расчета конструкционного демпфирования кабеля и методика расчета вязких свойств уплотнителя;
-
методики проведения измерений и поверки системы.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
разработана система приводов для движения системы, позволившая повысить плавность и точность работы;
-
разработана динамическая модель, позволившая исследовать динамические и точностные характеристики системы;
-
проведен динамический анализ уплотнительных элементов;
-
разработаны методики проведения измерений и поверки.
Обоснованность научных положений и предлагаемых рекомендаций, достоверность полученных результатов подтверждаются: использованием современных средств измерений и методов обработки данных; современными аналитическими методами, основывающимися на теории гидроакустики и трибологии, теории автоматического регулирования и управления; применением компьютерных методов исследований.
Практическая значимость и реализация результатов:
-
разработана конструкция гидроакустического сканирующего устройства, позволяющего производить контроль параметров подземных камер;
-
разработана конструкция блока уплотнителей, обеспечивающего работу установки в агрессивной среде (рассол, жидкие нефте- и газопродукты) при высоком гидростатическом давлении (до 25 МПа) и температуре от +5 до +30 С;
-
разработана методика проведения измерений параметров подземных камер;
-
проведены полевые испытания на полигонах в Башкирии, Республике Беларусь, Китае;
-
результаты работы использованы в учебном процессе НИУ ИТМО при составлении курсов «Проектирование и конструирование мехатронных систем», «Конструирование мехатронных модулей», «Информационно-компьютерные технологии в технических приложениях» и при написании учебного пособия «Проектирование передаточного механизма» (Санкт-Петербург: СПбГУ ИТМО, 2010. 164 с).
Апробация работы. Наиболее значимые результаты, полученные в ходе выполнения работы, представлялись на 10 конференциях различного уровня: Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «XXXIII неделя науки СПбГПУ» (Санкт-Петербург, 2005), Международной научно-практической конференции «Приборостроение 2004» (Винница-Ялта, 2004), VI сессии международной научной школы «Фундаментальные и прикладные проблемы теории точности процессов, машин, приборов и систем» (Санкт-Петербург, 2003), VII сессии международной научной школы «Фундаментальные и прикладные проблемы надежности и диагностики машин и механизмов» (Санкт-Петербург, 2005), IV Международной конференции «Приборостроение в экологии и безопасности человека» (Санкт-Петербург, 2004), Международном семинаре «Dynamic System and their testing, mechatronic and tribologic cases» (Эстония, 2010), VIII Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых (Санкт-Петербург, 2011), XLI научной и учебно-методической конференции НИУ ИТМО (Санкт-Петербург, 2012), XLII научной и учебно-методической конференции НИУ ИТМО (Санкт-Петербург, 2013), XI сессии Международной научной школы «Фундаментальные и прикладные проблемы надежности и диагностики машин и механизмов» (Санкт-Петербург, 2013).
Публикации. Основные результаты работы отражены в 10 публикациях, из них 3 - в журналах из перечня ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы (107 наименований) и приложений. Основной текст работы (100 страниц) включает 7 таблиц и 32 рисунка.
