Введение к работе
Актуальность темы исследований. В настоящее время в отраслях нефтегазовой промышленности все работы по подземному и капитальному ремонту сопровождаются спуском в скважину и подъемом из нее труб, штанг и различных инструментов. Для этого над устьем скважины устанавливается подъемное сооружение - вышка или мачта с оборудованием для спускоподъемньгх операций. Для измерений и регистрации усилий натяжения стальных канатов при проведении спускоподъемньгх операций были разработаны приборы - так называемые индикаторы веса. Существует широкий спектр измерительных уст-ройств для определения веса с аналогичными параметрами и характеристиками. Однако эти устройства обладают существенными недостатками, главными из которых являются: наличие систематических и случайных погрешностей измерений, связанных с индивидуальными особенностями оператора, наличие неучтенной погрешности в результатах измерений, зависящей от изменения диаметра стального каната, на котором закрепляются рассматриваемые приборы при проведении спускоподъемньгх операций, а также отсутствие возможности бесконтактного съема измерительной информации. Кроме этого, широкий спектр номенклатуры продукции, выпускаемой отечественной и зарубежной промышленностью, обусловил создание ряда индивидуальных средств поверки для отдельных типов индикаторов веса. Это связано с особенностями конструкций и условиями эксплуатации данных измерительных устройств. Для обеспечения точности и правильности результатов измерений эти приборы обычно поверяются на гидравлических разрывных машинах типа МР-500, которые, в свою очередь, также должны быть поверены.
Для обеспечения достоверности результатов измерений машины типа МР-500 подвергаются поверке с помощью эталонных динамометров третьего разряда, которые, в свою очередь, аттестовываются на эталонных силоизмери-тельных машинах второго разряда. Однако очевидными недостатками данных способов поверки являются: технологическая и приборная сложность систем, а также наличие субъективной погрешности измерений, связанной с индивидуальными особенностями и психофизическим состоянием поверителя. Под технологической сложностью системы понимаются инструментальные и организационные трудности в проведении поверки, вызванные необходимостью применения различных средств поверки типа гирь, и их транспортирование, при соблюдении требуемой точности и диапазонов измерений.
Современные тенденции развития науки и техники направлены на автоматизацию всех процессов метрологического обеспечения средств измерений (СИ). Повышение требований к точности измерений ведет к дальнейшему усовершенствованию конструкции индикаторов веса. В связи с этим возникает задача создания принципиальных схем измерения и регистрации усилий натяжения стальных канатов с применением электронно-цифровой техники, которая минимизирует систематические и случайные погрешности и обеспечивает высокую точность измерений, например, при слежении за деформацией объектов. Поэтому разработка бесконтактных методов и средств измерения и регистрации,
V-
усилий натяжения стальных канатов с использованием цифровых систем регистрации результатов измерений является актуальной задачей определения метрологических характеристик при измерении силы. Целью диссертационной работы является:
разработка и исследование модели индикаторов веса, минимизирующей систематические и случайные погрешности измерений для определения и регистрации усилий натяжения стальных канатов при бурении и капитальном ремонте скважин в отраслях нефтегазовой промышленности;
разработка и исследование метрологического обеспечения предложенной модели индикаторов веса.
Основные задачи исследования. Указанная цель достигается путем решения следующих задач:
анализа составляющих погрешности и её теоретической оценки при использовании в комплексе СИ силы и длины;
разработки принципиальных схем определения величины деформации чувствительных элементов индикаторов веса методом высокоточного геометрического нивелирования;
разработки и исследования модели индикаторов веса для измерений и регистрации усилий натяжения стальных канатов в отраслях нефтегазовой промышленности бесконтактными методами;
оценки общей достоверности результатов измерений индикаторов веса;
разработки и исследования методов градуировки индикаторов веса с применением цифровых нивелиров;
разработки автоматизированной системы для определения деформации чувствительных элементов индикаторов веса с применением цифровых устройств;
разработки метода аттестации индикаторов веса с помощью высокоточных СИ длины.
Научная новизна выполненной работы состоит в том, что впервые:
выполнен анализ составляющих погрешности и её теоретическая оценка при использовании в комплексе СИ силы и длины, а также оценка общей достоверности результатов измерений индикаторов веса;
разработаны новые научно обоснованные методы градуировки индикаторов веса с помощью цифровых нивелиров, минимизирующих систематические и случайные погрешности в результатах измерений;
разработана автоматизированная система определения деформации чувствительных элементов индикаторов веса с применением цифровых устройств с выходом на персональный компьютер;
разработан высокоточный метод калибровки цифровых нивелиров с применением лазерной интерферометрической измерительной системы при определении значений деформации чувствительных элементов индикаторов веса;
разработана и реализована модель индикаторов веса для измерений и регистрации усилий натяжения стальных канатов в отраслях нефтегазовой промышленности бесконтактными методами, построенная на основе использования в комплексе средств измерений силы и длины.
Практическая значимость работы. Разработана модель индикаторов веса, минимизирующая систематические и случайные погрешности измерений для определения и регистрации усилий натяжения стальных канатов бесконтактными методами в отраслях нефтегазовой промышленности, основанная на использовании цифровых нивелиров. Результаты экспериментальных работ, выполненных с помощью предлагаемых методов, показывают возможность использования их для градуировки индикаторов веса, а также при испытании образцов металлоконструкций с применением цифровых нивелиров.
Объект и предмет исследования. Объектом исследования являются существующие индикаторы веса, используемые в нефтегазовой промышленности для измерений и регистрации усилий натяжения стальных канатов при бурении и капитальном ремонте скважин, предметом исследования являются методы уменьшения погрешности измерений объекта исследований.
На защиту выносятся:
анализ составляющих погрешности и её теоретическая оценка при использовании в комплексе СИ силы и длины, а также оценка общей достоверности результатов измерений индикаторов веса;
новые научно обоснованные методы градуировки индикаторов веса с помощью цифровых нивелиров, минимизирующих систематические и случайные погрешности в результатах измерений;
автоматизированная система определения деформации чувствительных элементов индикаторов веса с применением цифровых устройств с выходом на персональный компьютер;
высокоточный метод калибровки цифровых нивелиров с применением лазерной интерферометрической измерительной системы при определении значений деформации чувствительных элементов индикаторов веса;
модель индикаторов веса для измерений и регистрации усилий натяжения стальных канатов в отраслях нефтегазовой промышленности бесконтактными методами, построенная на основе использования в комплексе средств измерений силы и длины.
Реализация результатов работы. Разработанная модель индикаторов веса при непосредственном участии автора прошла апробацию в ЗАО «НерудЗапсиб» при измерении и регистрации усилий натяжения стальных канатов. Предложенные методы применялись при определении деформации различных образцов металлоконструкций в ЗАО «НерудЗапсиб» и ЗАО «Инженерный центр». Разработанные методы прошли апробацию при определении метрологических характеристик силоизмерительных элементов динамометров в ФГУ «Новосибирский ЦСМ». Разработанные методы определения значений перемещения и деформации чувствительных элементов динамометров, образцов металлоконструкций с применением цифрового нивелира внедрены в учебный процесс ГОУВПО «Сибирская государственная геодезическая академия» и производственный ФГУ «Новосибирский ЦСМ», ЗАО «НерудЗапсиб», ЗАО «Инженерный центр».
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на II Международном научном конгрессе «ГЕО-Сибирь-2006» (Новосибирск,
2006 г.); Ш Международном научном конгрессе «ГЕО-Сибирь-2007» (Новосибирск, 2007 г.); XI Международной научно-практической конференции «Методы дистанционного зондирования и ГИС-технологии для оценки состояния окружающей среды, инвентаризации земель и объектов недвижимости» (Португалия, 2007 г.); IV Международном научном конгрессе «ГЕО-Сибирь-2008» (Новосибирск, 2008 г.); V Международном научном конгрессе «ГЕО-Сибирь-2009» (Новосибирск, 2009 г.).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 16 научных работ (из них 6 в соавторстве, 3 - в рецензируемых изданиях, определенных ВАК Минобрнауки РФ).
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, трех разделов, заключения, шести приложений и списка использованных источников. Работа изложена на 113 страницах (из них 15 - приложения), содержит 18 таблиц, 38 рисунков. Список использованных источников включает 50 наименований.
