Глубинный скважинный расходомер

Изобретение относится к устройствам для измерения объемного расхода текучих сред в стволах скважин, в том числе и при гидродинамических исследованиях. Глубинный скважинный расходомер включает проточный цилиндрический кожух, полый направляющий аппарат (вращатель потока) кольцеобразной формы с радиальными относительно измерительного канала лопатками криволинейного профиля в сечении, шарообразное тело качения из магнитного материала, узел формирования и съема электрического сигнала. Тело качения размещено в канавке для обеспечения его движения по штатной кольцевой траектории под воздействием вращающегося потока измеряемой среды. Расходомер дополнительно включает два полых цилиндрических кронштейна, смонтированных на внешних полумуфтах магнитных муфт, два центратора-пакера (верхний и нижний), выполненных из пружинных пластин и диафрагм. Одни концы пластин верхнего центратора-пакера закреплены на верхнем кронштейне, а другие - на верхней части кожуха. Нижний центратор-пакер закреплен на нижнем кронштейне и нижней части кожуха. В кожухе коаксиально размещен сборный цилиндрический корпус с внутренней полостью. Верхняя часть корпуса снабжена герметичным кабельным вводом и кабельным наконечником с цанговым зажимом. С корпусом соединены две опоры с сальниковыми уплотнениями. Вращатель потока конструктивно расположен между опорами, выполнен реверсивным относительно направления течения измеряемой среды, жестко закреплен соосно с корпусом с размещенными в его внутренней полости вторым узлом формирования и съема информационного электрического сигнала и платами микроконтроллера. Микроконтроллер электрически соединен с наземным блоком кабельной связью, а по информационным входам с двумя узлами формирования и съема информационного электрического сигнала, герметично размещенными в полости корпуса и ориентированными напротив канавки. Канавка выполнена из двух симметричных деталей, образующих при их соединении седлообразные поверхности S₁ и S₂. Узлы формирования и съема информационного электрического сигнала (первый и второй) смещены в плоскости канавки на угол α, позволяющий идентифицировать направление вращения шарообразного тела качения в зависимости от направления течения измеряемой жидкости. К плате микроконтроллера электрически подключены два электропривода, выходные валы которых нагружены на внутренние полумуфты магнитных муфт. Техническим результатом является расширение функциональных возможностей. 1 ил.

 

Изобретение относится к устройствам измерения объемного расхода текучих сред в стволах скважин, в том числе и при гидродинамических исследованиях.

Известны скважинные расходомеры тахометрического типа [1], к которым относятся в первую очередь турбинные и шариковые расходомеры.

Чувствительным элементом турбинного расходомера является аксиальная (осевая) турбинка с лопастями, расположенными под углом к направлению потока жидкости, и свободно вращающаяся на подшипниках. Скорость вращения турбинки прямо пропорциональна (в общем случае) скорости потока измеряемой среды и, следовательно, расходу проходящей жидкости, а число оборотов ее за определенный период - объему жидкости, прошедшей за этот период.

Главный недостаток первичных преобразователей турбинных расходомеров состоит в том, что турбинки преобразователей перекрывают проходное сечение трубопровода, вследствие чего тяжело воспринимают гидравлические удары, которые в свою очередь ускоряют разрушение лопаток турбинок и износ подшипников. Кроме того, лопатки турбинок, являясь преградой движущемуся потоку, могут забиваться инородными телами, что также сказывается на надежности турбинок, вплоть до их заклинивания или разрушения.

Подвижным элементом шарикового расходомера является шарик, который вращается под действием закручиваемого специальным образом потока измеряемой среды. Частота вращения шарика прямо пропорциональная расходу, преобразуется в информационный электрический сигнал с помощью различных преобразователей сигналов (индукционные, индуктивные, магнитоуправляемые и т.п.).

Шариковые расходомеры [2, 3, 4, ..., 5] свободны от вышеперечисленных недостатков, присущих турбинным расходомерам, и полностью удовлетворяют критериям: повышенной надежности (наработка на отказ) и максимальной простоты съема и обработки информационного электрического сигнала, пропорционального расходу измеряемой среды.

Эти расходомеры работоспособны в течение длительной непрерывной эксплуатации, однако в малой степени адаптированы к условиям работы в скважинных условиях и требуют для этого существенной доработки как отдельных узлов и элементов, так и всего объекта в целом.

Наиболее близким и наиболее адаптируемым, по нашему мнению, к скважинным условиям по своей конструкции для решения вышеназванных задач является шариковый расходомер [6], который конструктивно встраивается в насосно-компрессорные трубы (НКТ) и измеряет расход пластовой воды на выходе центробежных насосов. Расходомер содержит составной проточный корпус с центральным осевым и кольцевым коаксиальным измерительными каналами, причем на входе измерительного канала установлен вращатель потока с радиальными косыми лопатками, расположенными под углом к набегающему потоку воды, на выходе этого канала установлен выпрямитель потока с радиальными косыми лопатками, между вращателем и выпрямителем потока выполнена торообразная кольцевая канавка, в которой с возможностью качения по ее поверхности размешен шар, а также узел контроля за круговыми движениями шара по этой кольцевой канавке. Корпус выполнен, как минимум, из двух частей, наружная из которых содержит посадочное седло под вставную, с возможностью установки и съема, центральную часть корпуса, в теле наружной части корпуса размещен фиксатор взаимно-сопряженного состояния обеих частей, вращатель и выпрямитель потока жестко закреплены на вставной части корпуса, а кольцевая канавка выполнена в теле наружной части непосредственно над посадочным седлом, при этом геометрическая образующая поверхности кольцевой канавки является половиной дуги окружности с концами этой дуги, лежащими на прямой, не параллельной оси корпуса и пересекающейся с этой осью за выпрямителем потока.

Такой вариант расходомера адаптирован к работе в скважинных условиях, но в виду его стационарности (конструктивной) не может быть использован, например, для гидродинамических исследований действующей скважины, включая нефтеотдачу пласта, притоки и поглощения с одновременным спуском или подъемом скважинного расходомера, одним словом, проведения всего комплекса работ нефтепромысловой геофизики методами расходометрии (потокометрии).

Таким образом, и этот известный расходомер, выбранный в качестве прототипа, имеет конструктивные и функциональные недостатки: невозможность его использования без существенной доработки для исследования скважин, невосприимчивость к изменяющемуся направлению потока измеряемой среды.

Требуемый технический результат обеспечивается тем, что в глубинном скважинном расходомере, содержащем согласно прототипу проточный цилиндрический кожух, полый направляющий аппарат (вращатель потока) кольцеобразной формы с радиальными, относительно измерительного канала, лопатками криволинейного профиля в сечении, шарообразное тело качения из магнитного материала, размещенное в канавке для обеспечения его движения по штатной кольцевой траектории под воздействием вращающегося потока измеряемой среды, узел формирования и съема электрического сигнала, дополнительно введены два полых цилиндрических кронштейна, смонтированных на внешних полумуфтах магнитных муфт, два центратора-пакера (верхний и нижний), выполненных из пружинных пластин и диафрагм, причем концы пластин верхнего центратора-пакера закреплены на верхнем кронштейне, а другие - на верхней части кожуха, а нижний центратор-пакер закреплен на нижнем кронштейне и нижней части кожуха, сборный цилиндрический корпус с внутренней полостью, коаксиально размещенный в кожухе, причем верхняя часть корпуса снабжена герметичным кабельным вводом и кабельным наконечником с цанговым зажимом, две соединенные с корпусом опоры с сальниковыми уплотнениями, полый направляющий аппарат (вращатель потока), конструктивно расположенный между опорами, выполненный реверсивным относительно направления течения измеряемой среды, жестко закрепленный соосно с корпусом с размещенными в его внутренней полости вторым узлом съема информационного электрического сигнала и платами микроконтроллера, соединенным электрически с наземным блоком кабельной связью, а по информационным входам - с двумя узлами формирования и съема информационного электрического сигнала, герметично размещенными в полости корпуса и ориентированными напротив канавки, выполненной из двух симметричных деталей, образующих при их соединении седлообразные поверхности S₁ и S₂, причем узлы съема (первый и второй) смещены в плоскости канавки на угол α, позволяющий идентифицировать направление вращения шарообразного тела качения в зависимости от направления течения измеряемой жидкости, два электропривода, электрически подключенные к плате микроконтроллера, выходные валы которых нагружены на внутренние полумуфты магнитных муфт.

Требуемый технический результат обеспечен наличием в совокупности существенных признаков (характеризующих предлагаемую конструкцию глубинного скважинного расходомера) вышеуказанных отличительных признаков при несомненной применимости в промышленности, что предполагает соответствие заявляемого объекта критериям «изобретения».

На чертеже изображен глубинный скважинный расходомер, который содержит проточный цилиндрический кожух 1; полый направляющий аппарат (вращатель потока) 2 кольцеобразной формы с радиальными, относительно измерительного канала, лопатками криволинейного профиля в сечении; шарообразное тело качения 3 из магнитного материала, размещенное в канавке 4 для обеспечения его движения по штатной кольцевой траектории под воздействием вращающегося потока измеряемой среды; узел 5 формирования и съема электрического сигнала; два полых цилиндрических кронштейна 6, смонтированных на внешних полумуфтах магнитных муфт 7, два центратора-пакера 8 (верхний и нижний), выполненных из пружинных пластин 9 и диафрагм 10, причем концы пластин верхнего центратора-пакера закреплены на верхнем кронштейне, а другие - на верхней части кожуха, а нижний центратор-пакер закреплен на нижнем кронштейне и нижней части кожуха, сборный цилиндрический корпус 11 с внутренней полостью 12, коаксиально размещенный в кожухе, причем верхняя часть корпуса снабжена герметичным кабельным вводом 13 и кабельным наконечником 14 с цанговым зажимом, две соединенные с корпусом опоры 15 с сальниковыми уплотнениями 16, полый направляющий аппарат (вращатель потока), конструктивно расположенный между опорами, выполненный реверсивным относительно направления течения измеряемой среды, жестко закрепленный соосно с корпусом с размещенными в его внутренней полости вторым узлом 17 съема информационного электрического сигнала и платами микроконтроллера 18, соединенным электрически с наземным блоком кабельной связью, а по информационным входам - с двумя узлами формирования и съема информационного электрического сигнала, герметично размещенными в полости корпуса и ориентированными напротив канавки, выполненной из двух симметричных деталей, образующих при их соединении седлообразные поверхности S₁ и S₂, причем узлы съема (первый и второй) смещены в плоскости канавки на угол α, позволяющий идентифицировать направление вращения шарообразного тела качения в зависимости от направления течения измеряемой жидкости, два электропривода 19, электрически подключенных к плате микроконтроллера, выходные валы 20 которых нагружены на внутренние полумуфты магнитных муфт.

Работа глубинного скважинного расходомера в скважине происходит в двух режимах:

1. режим статических измерений (при неподвижном приборе), при котором измерение расхода осуществляется «в точке» на определенной глубине;

2. режим динамических измерений (при подвижном приборе), при котором измерение расхода осуществляется с одновременным перемещением (спуск или подъем) прибора вниз или вверх.

Естественно, эта классификация режимов условна, поскольку в реальных условиях, при исследовании скважин, они могут совмещаться, то есть режимы могут переходить один в другой при проведении промысловых геофизических исследований для решения тех или иных конкретных задач.

1. Режим статических измерений. В данном режиме измерения могут производиться:

- в насосно-компрессорных трубах для измерения расхода, например, пластовой воды или продукции скважины (водонефтяной смеси), а также закачиваемой воды в скважину при смене направления течения жидкости;

- в обсаженной колонне с установкой прибора, например, напротив перфорационных отверстий для измерения расхода продукции скважины с одновременным исследованием активности поведения пласта в зоне действия (по высоте) перфорационных отверстий с учетом двухстороннего действия направления течения измеряемой жидкости.

Принцип действия прибора заключается в следующем. Измеряемая среда (вода, водонефтяная смесь), отбираемая из пласта (снизу), поступает в НКТ и далее часть ее через полость нижнего кронштейна 6 в полость проточного цилиндрического кожуха 1. Поток, проходя по кольцевому зазору кожуха, закручивается направляющим аппаратом (вращателем потока) 2, идет по измерительному кольцевому каналу, увлекая шарообразное тело качения (шар) 3 в круговое движение по кольцевой траектории канавки 4, организованной двумя симметричными деталями (не пронумерованы), образующими при их соединении седлообразные поверхности S₁ и S₂. В данном случае, шар, прижимаясь под действием вращающегося потока к седлообразным поверхностям S₁ и S₂, будет совершать круговое движение, а при смене направления потока - вращаться в обратную сторону. Угловая скорость (частота вращения) шара является мерой расхода измеряемой жидкости. Частота вращения шара по кругу преобразуется в электрический частотный сигнал узлом 5 формирования и съема электрического сигнала. Частотный сигнал передается на информационный вход платы микроконтроллера 18 и далее по кабельной связи поступает в наземный блок (не показаны). Для определения направления течения измеряемой среды (снизу вверх или сверху вниз) устанавливается второй узел 17 формирования и съема электрического сигнала под углом α (не показан) относительно первого узла съема 5, причем угол α не должен быть равным 180°. При этом условии по временному сдвигу между сигналами от первого и второго узлов съема (опережение или отставание сигнала от первого узла съема относительно сигнала от второго узла съема) автоматически определяется направление вращения шара, а следовательно, и направление течения измеряемой среды.

При необходимости, например при малом расходе, имеется возможность весь поток жидкости, поступающий в НКТ, направить в полость проточного цилиндрического кожуха 1 и далее в направляющий аппарат 2, для чего с устья скважины по кабелю дается команда на микроконтроллер 18, который приводит в действие электроприводы 19, на валах 20 которых жестко укреплены внутренние магнитные полумуфты магнитных муфт 7. Внешние магнитные полумуфты магнитных муфт 7, жестко скрепленные с соответствующими кронштейнами, совершают поступательное движение (за счет магнитной связи) вдоль корпуса 11. На чертеже сложенное состояние центраторов-пакеров 8 и соответственно перемещенных магнитных муфт 7 и кронштейнов 6 (верхних и нижних) показано пунктирной линией.

2. Режим динамических измерений

В данном режиме измерения расхода производятся в обсаженной скважине, в эксплуатационной колонне, в зоне действия перфорационных отверстий при непрерывном перемещении глубинного расходомера (вверх-вниз), при котором исследуется пласт с целью получения профиля поглощения пласта или профиля притока при достаточно протяженной глубине (десятки метров) исследуемого пласта. Естественно, что скважинный расходомер при этом должен быть спущен (то есть выйти из полости НКТ) на требуемую глубину, в зону действия перфорационных отверстий. При известной скорости спуска (подъема) прибора, а следовательно, известной линейной скорости измеряемого потока (определяется через соотношение расхода и площади проходного сечения обсаженной колонны), наземный блок определяет в зависимости от соотношения направления потока и направления перемещения прибора разность или сумму их линейных скоростей. А по резкому изменению разницы скоростей судят о наличии поглощения или притока в пласте на данной глубине. Для детального исследования профиля поглощения (притока) пласта производят измерения «в точке», то есть при неподвижном приборе, с дальнейшим его опусканием (подъемом) и остановкой. Наличие поглощения (притока) можно подтвердить изменяющимся при этом направлением вращения шара, о чем говорилось выше. Естественно, что при проведении всех этих операций центраторы-пакеры должны быть в раскрытом состоянии. Наличие в расходомере реверсивного завихрителя и второго узла съема информационного сигнала значительно расширяет его функциональные возможности, что является особенностью заявляемой конструкции.

Таким образом, с учетом вышеизложенного, заявляемый объект подлежит охране как объект промышленной собственности с выдачей заявителю соответствующего охранного документа.

Источники информации

1. Абрамов Г.С., Барычев А.В., Зимин М.И. Практическая расходометрия в промышленности. М., ОАО «ВНИИОЭНГ», 2000. - С.104-109.

2. СССР, а.с. 320713, G01F 1/00, 1971.

3. СССР, а.с. 435458, G01F 1/00, 1974.

4. СССР, а.с. 518630, G01F 1/05, 1976.

5. СССР, а.с. 720295, G01F 1/075, 1980.

6. РФ, патент 2278969, Е21В 47/10, G01F 1/06, 2004, прототип.

Глубинный скважинный расходомер, содержащий проточный цилиндрический кожух, полый направляющий аппарат (вращатель потока) кольцеобразной формы с радиальными относительно измерительного канала лопатками криволинейного профиля в сечении, шарообразное тело качения из магнитного материала, размещенное в канавке для обеспечения его движения по штатной кольцевой траектории под воздействием вращающегося потока измеряемой среды, узел формирования и съема информационного электрического сигнала, отличающийся тем, что он дополнительно содержит два полых цилиндрических кронштейна, смонтированных на внешних полумуфтах магнитных муфт, два центратора-пакера (верхний и нижний), выполненные из пружинных пластин и диафрагм, причем концы пластин верхнего центратора-пакера закреплены на верхнем кронштейне, а другие - на верхней части кожуха, а нижний центратор-пакер закреплен на нижнем кронштейне и нижней части кожуха, сборный цилиндрический корпус с внутренней полостью, коаксиально размещенный в кожухе, причем верхняя часть корпуса снабжена герметичным кабельным вводом и кабельным наконечником с цанговым зажимом, две соединенные с корпусом опоры с сальниковыми уплотнениями, полый направляющий аппарат (вращатель потока) конструктивно расположен между опорами, выполнен реверсивным относительно направления течения измеряемой среды, жестко закреплен соосно с корпусом с размещенными в его внутренней полости вторым узлом формирования и съема информационного электрического сигнала и платами микроконтроллера, соединенного электрически с наземным блоком кабельной связью, а по информационным входам - с двумя узлами формирования и съема информационного электрического сигнала, герметично размещенными в полости корпуса и ориентированными напротив канавки, выполненной из двух симметричных деталей, образующих при их соединении седлообразные поверхности S₁ и S₂, причем узлы формирования и съема информационного электрического сигнала (первый и второй) смещены в плоскости канавки на угол α, позволяющий идентифицировать направление вращения шарообразного тела качения в зависимости от направления течения измеряемой жидкости, два электропривода, электрически подключенные к плате микроконтроллера, выходные валы которых нагружены на внутренние полумуфты магнитных муфт.