Измеритель мощности скважинного гидропотока

Заявляемое изобретение относится к бурению скважин, предназначено для определения гидравлической мощности водотока в ней и может быть использовано при решении вопросов проектирования и эксплуатации оборудования энергоисточников, устанавливаемого в скважинах, принципы работы которого предусматривают преобразование энергии скважинных водотоков в электрическую или тепловую энергию. Задачей изобретения является повышение точности измерения скважинного гидропотока. Измеритель мощности скважинного гидропотока включает скважинный датчик, соединенный с ним посредством скважинного кабеля наземный преобразовательно-показывающий блок, глубиномер, соединенный с блок-балансом. Скважинный датчик содержит преобразователь расхода потока через скважинный датчик Q беспакерного типа, преобразователь давления, преобразователь диаметра скважины, соединенные со скважинным кабелем. Скважинный датчик снабжен имитатором гидросопротивления скважинного гидроэнергоагрегата либо соединенным со скважинным датчиком в нижней его части, либо установленным в скважине в месте последующей его эксплуатации. Преобразовательно-показывающий блок определяет поправочный коэффициент от диаметра скважины K_d и в измеряемой точке реализует функцию согласно математическому выражению. Использование прибора позволяет повысить точность измерения мощности скважинного гидропотока и, как следствие, с использованием результатов измерений принимать более правильные решения при проектировании и эксплуатации скважинных гидроэнергоисточников. 1 ил.

 

Заявляемое изобретение относится к бурению скважин, предназначено для определения гидравлической мощности водотока в ней и может быть использовано при решении вопросов проектирования и эксплуатации оборудования энергоисточников, устанавливаемого в скважинах, принципы работы которого предусматривают преобразование энергии скважинных водотоков в электрическую или тепловую энергию.

Известна скважинная гидроэлектростанция (Generation of electricity during the injection of a denste fluid into a subterranean formation. Патент US 4132269 А, кл. Е21 В 43/20, F03G 7/04, опубл. 02.01.1979 г. [1]), которая включает источник воды, соединенный с питательной емкостью, сообщающийся с ней водовод, нижний конец которого соединен с зоной стока, расположенной ниже точки сообщения водовода с питательной емкостью, установленную в нижней части водовода гидравлическую машину, например гидротурбину, кинематически соединенную с электрогенератором. В ней водовод образован горной выработкой - буровой скважиной, пробуренной до зоны стока, за источник воды приняты поверхностный водоем, в зоне которого пробурена скважина, или подземная водоносная зона или зоны, или поверхностный водоем с подземной зоной или зонами, водоводы снабжены устройствами регулирования расхода воды, например регуляторами-задвижками, а электрогенератор сообщен кабелем, установленным в буровой скважине, с дневной поверхностью у устья скважины.

В ней гидравлическая энергия скважинного водотока преобразуется скважинным гидроэнергоагрегатом в электрическую энергию, которая по кабелю передается на дневную поверхность, преобразуется до требуемого качества, распределяется и отпускается электропотребителям.

Известна тепловодоснабжающая скважина (Тепловодоснабжающая скважина. Патент РФ №2291255. М. кл. Е03В 3/00; F24Н 4/02. Авт. Елисеев А.Д. Опубл. 20.01.2007 г., бюл. №1, [2]), содержащая источник воды, соединенный с питательной емкостью, сообщающийся с ней водовод, нижний конец которого соединен с зоной стока, установленный в водоводе теплогенератор и тепловодопотребитель. В горной местности со склоном горы или с нижерасположенной штольней пробурена направленная или наклонная скважина, служащая водоводом, таким образом, что ее забоем пересечен склон горы, и он сопряжен с дневной поверхностью, либо кровля нижерасположенной штольни. При этом за источник воды приняты поверхностный водоем, в зоне которого пробурена скважина, или подземная водоносная зона или зоны, или поверхностный водоем с подземной зоной или зонами, за зону стока принято пересечение скважины со склоном горы - дневной поверхностью либо пересечение скважины с нижерасположенной штольней, в качестве теплогенератора принят вихревой теплогенератор, который установлен под динамический уровень и напор воды, достаточные для его работы, а тепловодопотребитель подключен в зоне стока скважины через ее обвязку.

В ней гидравлическая энергия скважинного водотока преобразуется скважинным гидроэнергоагрегатом в тепловую энергию в горячей воде, которая по трубопроводу (проложенному в нижерасположенной штольне) передается на выходной коллектор, распределяется и отпускается теплопотребителям.

Мощность потока воды (гидравлическая мощность) в канале, в том числе и скважинного водотока, определяется согласно следующему выражению (Карелин В.Я. и др. Гидроэнергетические станции. Под редакцией проф. В.Я.Карелина и Г.Н.Кривченко. М., Энергоиздат, 1987 г. [3]):

N_г - гидравлическая мощность потока воды, Вт;

Р - давление воды в канале, в месте установки гидроэнергоагрегата, Па;

Q - расход воды в канале, в месте установки гидроэнергоагрегата, м³/с.

Аналогично выражению (1) может быть определена и гидравлическая мощность потока воды в любой точке скважины.

Обзором патентной и технической информации установлено, что приборов для измерения гидравлической мощности потоков воды в скважине (в различных ее точках по глубине) нет. Это не позволяет оперативно и эффективно решать вопросы, связанные с проектированием и эксплуатацией скважинных гидравлических источников энергии.

Для исследования гидродинамических процессов в скважинах известно использование приборов для измерения отдельных параметров потоков воды (или нефти) в скважинах, в том числе, расхода - скважинный расходомер или дебитометр, давления - скважинный манометр (Петров А.И. Глубинные приборы для исследования скважин. М., Недра, 1988 г. [4]). В принципе их применение позволяет определить мощность гидравлического потока воды в скважине путем измерений расхода и давления в интересуемых точках скважины и последующих вычислений согласно выражению (1).

Для уменьшения ошибок измерения показателей, определяемых с использованием параметров, измеряемых приборами измерения отдельных параметров (из-за погрешностей привязки полученных результатов по глубине; из-за возможного изменения во времени гидродинамического режима потока и др.), получаемых при раздельном спуске-подъеме скважинного датчика, и для сокращения времени исследований известны агрегатированные, комплексные приборы. При одном спуске скважинного датчика такого прибора в скважину в каждой точке скважины измеряются одновременно несколько параметров ([4], стр.77-106), в том числе расход и давление воды - прибор «Поток-5» ([4], стр.80-82). В скважинном датчике прибора «Поток-5» преобразователь расхода выполнен в виде заторможенной турбинки, а преобразователь давления - в виде геликсной пружины. Электрические сигналы с преобразователей расхода воды и ее давления поступают по каротажному кабелю на дневную поверхность - на поверхностный измерительно-регистрирующий блок, в котором значения отдельных параметров (расхода и давления) непрерывно отображаются на шкале прибора и регистрируются. Измеряемые параметры (расход и давление) в приборе комплексного контроля за счет исключения ошибок глубинного несовпадения измерений (что характерно для раздельного измерения параметров) и за счет соблюдения одинакового гидродинамического режима (т.к. исключается разновременность измерений, что характерно при раздельном измерении и спуске датчика каждого из параметров) имеют большую точность (меньшую вероятность искажения результата измерения). Использование прибора комплексного контроля позволяет сократить затраты времени на выполнение измерений.

Прибор комплексного контроля «Поток-5» для измерения расхода воды в сечениях скважины с разными диаметрами (в кавернах) снабжен пакером зонтичного типа. Его использование в приборе позволяет весь поток воды, независимо от его диаметра, направлять в измерительный калиброванный канал скважинного прибора и этим исключить влияние диаметра скважины на результат измерения расхода. Однако использование пакера в скважинном приборе вносит искажение в гидродинамический режим потока воды в скважине - он увеличивает гидросопротивление на пути потока и может отразиться на положении уровня воды в скважине. Изменение гидродинамического режима водяного потока отражается и на величине мощности его потока, т.е. искажает ее реальное (фактическое) значение. С учетом изложенного для повышения точности измерения расхода в приборе комплексного контроля должен использоваться беспакерный скважинный расходомер.

Известно использование беспакерных расходомеров (Гершанович И.М. Гидрогеологические исследования в скважинах методом расходометрии. М., Недра, 1981 г. [5]), применение которых практически не искажает гидродинамический режим скважинного потока в процессе измерений и этим не увеличивает соответствующую составляющую ошибки измерений расхода скважинной среды.

Наиболее близким к предлагаемому измерителю мощности скважинного гидропотока является скважинный расходомер (Скважинный расходомер. Патент РФ №1657635. М. кл. Е21В 47/10. Авт. Елисеев А.Д., Пакулов В.Г. Опубл. 22.02.91 г., бюл. №6 [6]), принятый за прототип. Он включает скважинный датчик, соединенный с ним посредством скважинного кабеля наземный преобразовательно-показывающий блок, глубиномер, соединенный с блок-балансом, скважинный датчик содержит преобразователь расхода потока через скважинный датчик беспакерного типа, преобразователь давления, преобразователь диаметра скважины, соединенные со скважинным кабелем. При одном спуске-подъеме скважинного датчика прибор позволяет одновременно определить значения: диметра скважины; давления в точке измерения; расхода потока через скважинный датчик в различных по глубине точках скважины. Зная значение измеряемого расхода потока через скважинный датчик (определяется по частоте вращения крыльчатки Q=n/С_т, где n - частота вращения крыльчатки при измерении расхода, об/с; С_т - тарировочный коэффициент прибора, л/с·об) Q, диаметр скважины в точке измерения d и имея значение тарировчного коэффицента скважинного датчика С_т, определяют значение поправочного коэффициента К_d от диаметра скважины (Ивачев Л.М. Борьба с поглощениями промывочной жидкости при бурении геологоразведочных скважин. М., Недра, 1982 г., стр.45-54 [7]). Значение измеряемого расхода воды через все сечение скважины в точке измерения определяется из следующего соотношения:

Недостаток прототипа заключается в следующем:

- при его использовании не имитируются условия присутствия в скважине скважинного гидроэнергопреобразователя (скважинного гидроагрегата или скважинного теплового вихревого генератора). При этом формируются дополнительные гидросопротивления, влияющие на гидродинамические условия существования потока воды в скважине, и, как следствие, отражаются на его (измеряемой) мощности, а этот неучет приводит к повышению ошибки ее измерений;

- существующая процедура определения поправочного коэффициента от диаметра скважины К_d, предусматривающая графическую обработку полученных результатов измерений, сопряжена с возникновением дополнительной погрешности косвенного получения результата измерения мощности потока в скважине, величина которой субъективна и зависит от индивидуальных качеств и состояния наблюдателя. Она может составлять значительную величину.

Техническим решением, на которое направлено заявляемое изобретение, является создание измерителя мощности скважинного гидропотока, обладающего большей точностью в сравнении с прототипом.

Техническое решение достигается тем, что в скважинном измерителе мощности, включающем скважинный датчик, соединенный с ним посредством скважинного кабеля, наземный преобразовательно-показывающий блок, глубиномер, соединенный с блок-балансом, скважинный датчик содержит преобразователь расхода потока через скважинный датчик Q беспакерного типа, преобразователь давления, преобразователь диаметра скважины, соединенные со скважинным кабелем, скважинный датчик снабжен имитатором гидросоротивления скважинного гидроэнергоагрегата либо соединенным со скважинным датчиком в нижней его части, либо установленным в скважине в месте последующей его эксплуатации, преобразовательно-показывающий блок определяет поправочный коэффициент от диаметра скважины K_d и в измеряемой точке реализует функцию согласно следующему выражению:

N_г=Р·Q·К_d, где

N_г - измеряемая гидравлическая мощность потока в скважине, Вт;

Р - давление воды в точке измерения, Па;

Q - расход потока через измерительный канал датчика в точке измерения, м³/с;

K_d - поправочный коэффициент от диаметра скважины.

На чертеже приведена схема измерителя мощности скважинного гидропотока в скважине гидроэнергетического назначения, где введены следующие обозначения: 1 - буровая скважина; 2 - первый водоносный интервал; 3 - второй водоносный интервал; 4 - трубопровод, соединяющий скважину с поверхностным источником воды; 5 - поглощающая зона; 6 - поток воды в скважине; 7 - динамический уровень воды в скважине Н_д1; 8 - место установки в скважине гидроэнергоагрегата (ГЭА); 9 - имитатор ГЭА; 10 - скважинный прибор - измеритель мощности скважинного гидропотока; 11 - крыльчатка преобразователя расхода; 11.1 - вал крыльчатки; 11.2 - механоэлектрический преобразователь расхода; 12 - центрирующие пружины - датчик диаметра; 12.1 - механическое соединение датчика диаметра с сердечником преобразователя диаметра скважины; 12.2 - сердечник преобразователя диаметра скважины; 12.3 - механоэлектрический преобразователь диаметра скважины; 13.1 - датчик давления - геликоидальная трубка; 13.2 - сердечник преобразователя давления; 13.3 - преобразователь давления; 14 - гнездо подвески груза; 15 - скважинный кабель; 16 - обсадная колонна; 17 - задвижка; 18 - блок-баланс, совмещенный с глубиномером; 19 - наземный преобразовательно-показывающий блок; Н_д1 - динамический уровень, Н_д2 - уровень напора.

Пробурена скважина 1 гидроэнергетического назначения, диаметр бурения 190 мм. Скважина пробурена до зоны поглощения 5. В процессе бурения скважиной перебурены первый 2 и второй 3 водоносные интервалы. Скважинной расходометрией перебуренных водоносных интервалов определено положение их границ и дебиты. Их суммарный дебит составил Q₁=0,01 м³/с. Для формирования требуемой (определена предварительной оценкой) гидравлической мощности потока в месте установки скважинного гидроэнергоагрегата к устью скважины водопроводом 4 (с задвижкой 17) подведена вода от поверхностного источника. Расход воды от поверхностного источника составляет Q₁=0,01 м³/с.Таким образом, ориентировочно оценено, что расход (суммарный) воды гидроэнергетического потока в скважине составляет Q₁=0,02 м³/с. Для обеспечения необходимых условий работы водоснабжающей скважины ее водоносные интервалы оборудованы обсадной колонной 16 и фильтрами, т.е. скважина освоена как водоснабжающая.

Перед выполнением измерений мощности скважинного гидропотока в скважину в виде перфорированного отрезка трубы на забой скважины устанавливается имитатор 9 гидросопротивления, вносимого гидроэнергоагрегатом в гидродинамический режим в скважине при его работе (далее имитатор ГЭА), в точке последующей его эксплуатации. Имитатор ГЭА представляет собой отрезок профиля кольцевого сечения с определенным гидросопротивлением, создаваемым ГЭА при номинальной его мощности.

Потоки воды из водопровода 4 и из водоносных интервалов 2 и 3 поступают в скважину и двигаются в зону ее стока - зону поглощения 5. При этом на глубине Н_д1=320 м от устья скважины устанавливается динамический уровень, ниже которого в скважине сформирован сплошной поток - гидроэнергетический поток. Им создан напор потока Н_д2=450 м.

В скважину на скважинном (каротажном) кабеле 15, пропущенном через блок-баланс с глубиномером 18, спущен скважинный датчик измерителя мощности скважинного гидропотока 10, далее ИМСГ-П.

Заявляемый ИМСГ-П работает следующим образом.

Измерение мощности скважинного гидропотока при установленном в скважине имитаторе скважинного гидропотока скважинного ГЭА.

При установленном в скважине 1 имитаторе скважинного ГЭА 9 в месте последующей его эксплуатации и стабилизировавшемся динамическом уровне в скважине 7 определено его значение по давлению, измеряемому прибором ИМСГ-П перемещением скважинного датчика вниз-вверх по положению глубины границы «наличие-отсутствие давления». Он составил Н_д1=320 м.

Скважинный датчик 10 прибора ИМСГ-П опускается в точку установки имитатора ГЭА и выдерживается в таком положении при «работающей» скважине 10-15 мин (время, достаточное для стабилизации гидродинамического режима потока в скважине). К скважинному кабелю 15 подключают наземный преобразовательно-показывающий блок 19 и выполняют измерение мощности скважинного гидропотока.

Канал измерения давления. Давление воды потока, которое складывается из давления столба воды, расположенного выше скважинного датчика, и потерь давления при движении потока в скважине в зону поглощения, воспринимается геликоидальной трубкой 13.1, один конец которой жестко закреплен на корпусе скважинного датчика 10.

Под действием измеряемого давления геликоидальная трубка старается выпрямиться и раскрутиться, при этом в большей степени перемещению подвержен другой конец трубки, к которому прикреплен сердечник преобразователя давления 13.2. С перемещением этого конца трубки перемещается сердечник преобразователя давления 13.2, взаимодействующий с преобразователем давления 13.3, что вызывает изменение действующего на нем сигнала (напряжения). Сигнал, пропорциональный измеряемому давлению И_р по скважинному кабелю 15 передается на наземный преобразовательно-показывающий блок (далее НППБ) 19. Значение измеряемого давления отображается на цифровом индикаторе давления, оно составляет 4,41 МПа. Сигнал И_р, кроме того, в НППБ поступает на схему вычисления измеряемой мощности скважинного гидропотока.

Канал измерения диаметра. В месте установки скважинного датчика 10 центрирующие пружины - датчик диаметра 12 принимают состояние, соответствующее диаметру скважины в точке измерения. С пружинами жестко соединен сердечник 12.1 преобразователя диаметра, который взаимодействует с мехоноэлектрическим преобразователем диаметра 12.3. Измеряемому диаметру скважины соответствует определенное положение сердечника 12.1 в механоэлектрическом преобразователе 12.3. На механоэлектрическом преобразователе диаметра 12.3 действует напряжение, пропорциональное измеряемому диаметру скважины И_d. Сигнал, соответствующий измеряемому диаметру И_d, по скважинному кабелю 15 передается на НППБ 19. Значение измеряемого диаметра отображается на цифровом индикаторе диаметра блока. Диаметр составляет 191 мм.

Кроме того, в НППБ сигнал И_d поступает на схему вычисления измеряемой мощности скважинного гидропотока - на первый вход ее узла формирования поправки на диаметр скважины. (На другой вход узла формирования поправки на диаметр скважины переключателем вводится сигнал, пропорциональный диаметру скважинного датчика.)

Канал измерения расхода. Сплошной гидропоток, установившийся в скважине ниже динамического уровня 7, обладает гидравлической мощностью, которая гидроэнергоагрегатом, в потенциале, может быть преобразована в электрическую или в тепловую энергию. Наряду с давлением среды, важным фактором, определяющим гидравлическую мощность скважинного гидропотока, является его расход (см. формулу 1).

Датчик 10 прибора ИМСГ-П воспринимает скорость и расход только доли потока, которая проходит через сечение скважинного датчика 10. Чувствительным элементом скважинного преобразователя расхода является крыльчатка 11, вал которой 11.1 создает признак скорости ее вращения. При вращении крыльчатки 11 вращающийся ее вал 11.1 взаимодействует с преобразователем расхода 11.2, на котором действует сигнал с напряжением И_Q, пропорциональный частоте вращения крыльчатки и измеряемому расходу через датчик Q.

Сигнал, пропорциональный расходу воды через датчик прибора И_Q, по скважинному кабелю 15 передается на НППБ 19. Значение измеряемого расхода чрез скважинный датчик Q отображается на цифровом индикаторе расхода через скважинный датчик. Измеряемый расход составляет Q=3,85·10^-3 м/с.

Кроме того, сигнал И_Q, пропорциональный расходу через скважинный датчик, поступает на схему вычисления мощности скважинного гидропотока.

На узел формирования поправки на диаметр скважины поступают два сигнала: один от преобразователя диаметра скважинного датчика И_d, другой вводится переключателем и его значение пропорционально диаметру скважинного датчика. Узлом автоматически вычисляется значение K_d (автоматически отрабатываются зависимости K_d от диаметра скважины для конкретного скважинного датчика - его диаметра, по аналогии зависимости на рис.6 [7], стр.50), и сигнал, пропорциональный ему, поступает на схему вычисления мощности скважинного гидропотока.

Для рассматриваемого примера:

P₁=4,41 МПа; Д₁=191 мм; Q₁=3,85·10^-3 м³/с; K_d=5,2.

На цифровом индикаторе прибора ИМСГ-П отображено измеряемое значение указанной мощности скважинного гидропотока. Мощность равна N_г1=88,2 кВт.

Измерение мощности скважинного гидропотока без имитатора скважинного гидроэнергоагрегата. Поднимают из скважины с использованием аварийного инструмента (метчика) имитатор скважинного ГЭА.

В скважину 1 на скважинном кабеле 15 спускают скважинный датчик 10 и устанавливают его в месте последующей (предполагаемой) эксплуатации ГЭА. Сохраняют установленные ранее (аналогичными предыдущему измерению, с имитатором ГЭА) расходы воды из трубопровода 4 и из водоносных интервалов 2 и 3.

По истечении 10-15 минут в аналогичной предыдущему варианту последовательности выполнено измерение мощности скважинного гидропотока и характеризующих его параметров. Они составили:

Р₂=4,35МПа; Д₂=191 мм; 02=4,2·10^-3 м³/с; K_d=5,2; N_г2=95,2 кВт.

Исходя из результатов выполненных измерений N_г1=88,2 кВт, a N_г2=95,2 кВт. Из сравнения следует, что N_г1, измеренное с имитатором гидросопротивления скважинного ГЭА, меньше результата измерения выполненного без него N_г2 при прочих равных условиях на 7,3%.

Заявляемый ИМСГ-П позволяет более точно определить мощность скважинного гидропотока, а использование результатов более точных измерений создает предпосылки (информационные) принимать более правильные решения на последующих стадиях проектирования и эксплуатации скважинных гидроэнергоисточников энергии.

Кроме того, исключение наблюдателя из процедуры определения поправочного коэффициента от диаметра скважины K_d, предусматривающей графическую обработку полученных результатов измерений, сопряженной с возникновением дополнительной погрешности косвенного получения результата измерения мощности водотока в скважине, величина которой субъективна и зависит от индивидуальных качеств и состояния наблюдателя, также позволяет уменьшить эту составляющую ошибки, которая может составлять значительную величину.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Generation of electricity during the injection of a denste fluid into a subterranean formation. Патент US 4132269 А, Кл. Е21В 43/20, F03G 7/04, опубл. 02.01.1979 г.

2. Тепловодоснабжающая скважина. Патент РФ №2291255. М. кл. Е03В 3/00; F24H 4/02. Авт. Елисеев А.Д. Опубл. 20.01.2007 г., бюл. №1.

3. Карелин В.Я. и др. Гидроэнергетические станции. Под редакцией проф. В.Я.Карелина и Г.Н.Кривченко. М., Энергоиздат, 1987 г.

4. Петров А.И. Глубинные приборы для исследования скважин. М., Недра, 1988 г.

5. Гершанович И.М. Гидрогеологические исследования в скважинах методом расходометрии. М., Недра, 1981 г.

6. Скважинный расходомер. Патент РФ №1657635. М. кл. Е21В 47/10. Авт.Елисеев А.Д., Пакулов В.Г. Опубл. 22.02.91 г., бюл. №6 - прототип.

7. Ивачев Л.М. Борьба с поглощениями промывочной жидкости при бурении геологоразведочных скважин. М., Недра, 1982 г.

Измеритель мощности скважинного гидропотока, включающий скважинный датчик, соединенный с ним посредством скважинного кабеля наземный преобразовательно-показывающий блок, глубиномер, соединенный с блок-балансом, скважинный датчик содержит преобразователь расхода потока через скважинный датчик Q беспакерного типа, преобразователь давления, преобразователь диаметра скважины, соединенные со скважинным кабелем, отличающийся тем, что скважинный датчик снабжен имитатором гидросопротивления скважинного гидроэнергоагрегата либо соединенным со скважинным датчиком в нижней его части, либо установленным в скважине в месте последующей его эксплуатации, преобразовательно-показывающий блок определяет поправочный коэффициент от диаметра скважины K_d и в измеряемой точке реализует функцию согласно следующего выражения: N_г=P·Q·K_d, где

N_г - измеряемая гидравлическая мощность гидропотока в скважине, Вт;

Р - давление воды в точке измерения, Па;

Q - расход потока через измерительный канал датчика в точке измерения, м³/с;

K_d - поправочный коэффициент от диаметра скважины.