Скоростной плотномер и массовый расходомер

Изобретение может быть использовано для телеметрии глубинных скважин при проведении очистных работ. Система определения по меньшей мере одного параметра потока флюида, содержащего множество жидких фаз или твердую фазу и по меньшей мере одну жидкую фазу, включает в себя последовательно размещенные в скважине с помощью проволочной линии связи или путем сборки на бурильной колонне объемный расходомер, устройство для измерения импульса скорости потока флюида, выполненное с возможностью сопротивления абразивному истиранию, и устройство обработки данных, подключенное к объемному расходомеру и устройству для измерения импульса скорости. В вариантах выполнения объемный расходомер содержит турбинный расходомер, магнитный расходомер или поршневой дозировочный насос, имеющий датчик скорости и передатчик, а устройство для измерения импульса скорости содержит диафрагменный расходомер или трубку Вентури. По меньшей мере один параметр выбирают из группы, состоящей из массового расхода и плотности потока. Изобретение повышает точность измерения многофазых потоков в условиях высокого давления. 2 н. и 18 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Область техники

Настоящее изобретение относится в основном к системам и способам для измерения параметров потока флюида. Более конкретно настоящее изобретение относится к скоростному плотномеру и массовому расходомеру.

В существующих плотномерах используются радиоактивные элементы для измерения плотности флюидов. Использование таких радиоактивных плотномеров может быть проблематичным из-за необходимости в дополнительных правилах и мерах предосторожности для обеспечения безопасной работы с плотномером. Использование существующих нерадиоактивных плотномеров, таких как Кориолисовы расходомеры, также является проблематичным. Например, самые большие расходомеры такого типа имеют обычно площадь сечения потока не более 3 дюймов в диаметре, однако при проведении очистных работ при глубоком подземном залегании осуществляют подачу флюида по трубопроводу, имеющему от 4 до 8 дюймов в диаметре. Таким образом, обычные нерадиоактивные плотномеры, даже самые большие, не могут вместить весь поток для проведения указанных очистительных работ. Следовательно, большая часть потока обычно подается вокруг таких нерадиоактивных плотномеров через обводную трубу диаметром 1 или 2 дюйма и только небольшое количество потока фактически измеряется посредством плотномера. Поэтому нельзя быть уверенным в том, что нерадиоактивный плотномер измеряет значительную часть потока.

Ограничения по давлению также представляют собой проблему для обычных нерадиоактивных плотномеров. В таких плотномерах обычно максимальное давление флюида находится в пределах от 150 фунтов на квадратный дюйм (ф/д²) до около 300 ф/д². Однако многочисленные подземные очистные работы проводятся при рабочих давлениях до около 15000 ф/д², что требует использования плотномеров, которые должны выдерживать «недоступные» давления до 22500 ф/д². Таким образом, обычные нерадиоактивные плотномеры подходят только для использования при низком давлении.

Сущность изобретения

Настоящее изобретение в основном относится к устройствам для измерения потока, более конкретно, настоящее изобретение относится к скоростному плотномеру и массовому расходомеру.

В одном варианте осуществления настоящее изобретение относится к способу определения по меньшей мере одного параметра потока флюида, содержащему следующие этапы: измерение объемной скорости потока флюида; измерение скорости импульса потока флюида; и расчет по меньшей мере одного параметра по объемной скорости потока и скорости импульса потока флюида. Этот по меньшей мере один параметр выбран из группы, состоящей из плотности и удельного массового расхода.

В другом варианте осуществления настоящее изобретение относится к системе для определения по меньшей мере одного параметра потока флюида, имеющего объемную скорость потока и скорость импульса, содержащей объемный расходомер для измерения объемной скорости потока флюида; устройство для измерения скорости импульса потока флюида, соединенное последовательно по потоку с объемным расходомером; и устройство обработки данных, электрически связанное с объемным расходомером и устройством для измерения скорости импульса для определения по меньшей мере одного параметра, выбранного из группы, состоящей из плотности и удельного массового расхода.

Отличительные особенности и преимущества настоящего изобретения поясняются нижеследующим описанием вариантов осуществления.

Краткое описание чертежей

В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых;

Фиг.1 изображает блок-схему скоростного плотномера согласно изобретению,

Фиг.2 - блок-схему последовательности операций способа определения расхода согласно изобретению.

Описание предпочтительных вариантов воплощения изобретения

Следует понимать, что описание конкретных вариантов осуществления не предназначено для ограничения данного изобретения, а напротив, изобретение должно включать все модификации, эквиваленты и альтернативы без отхода от сущности и объема данного изобретения, как определено прилагаемой формулой изобретения.

Система согласно изобретению содержит объемный расходомер, устройство для измерения скорости импульса и устройство обработки данных. В одном варианте осуществления система способна принимать весь поток флюида при рабочих давлениях до около 15000 ф/д². Кроме того, система может принимать многофазные потоки, содержащие множество жидких фаз, или по меньшей мере одну жидкую фазу, содержащую твердое вещество, захваченное или взвешенное в потоке. В тех случаях, когда поток содержит две или более жидкостей, система согласно изобретению будет обеспечивать измерение объемной плотности, например измерение плотности всего потока.

Объемный расходомер 10 (фиг.1) размещен непосредственно в потоке 70 флюида, плотность и удельный массовый расход которого должны быть измерены. Объемный расходомер 10 может содержать любое устройство, которое измеряет объемную скорость потока 70 флюида и передает ее в устройство 30 обработки данных в качестве выходного сигнала 12. Примеры объемного расходомера 10 включают, но не ограничиваются этим, турбинные расходомеры, магнитные расходомеры или поршневые дозировочные насосы или расходомеры. В некоторых вариантах осуществления, в которых объемным расходомером 10 является поршневой дозировочный насос, датчик и передающее устройство должны быть прикреплены к насосу, чтобы измерять скорость насоса и передавать эту скорость в качестве выходного сигнала 12 в устройство 30 обработки данных. В некоторых вариантах осуществления объемного расходомера 10 внутренний диаметр для прохождения потока флюида составляет до 8 дюймов. Кроме того, некоторые варианты осуществления объемного расходомера 10 способны выдерживать «недоступные» давления до около 22500 ф/д².

Выходным сигналом 12 могут быть ток, напряжение или частота в зависимости от таких факторов, как тип объемного расходомера 10. Например, если турбинный расходомер используется в качестве объемного расходомера 10, то выходным сигналом 12 может быть частота; если магнитный расходомер используется в качестве объемного расходомера 10, то выходным сигналом 12 может быть ток или частота. Использование тока в качестве выходного сигнала 12 является более подходящим, чем использование напряжения, поскольку ток может быть менее чувствительным к изменениям сопротивления в тракте сигнала.

Объемный расходомер 10 связан по потоку с устройством 20 для измерения скорости импульса. В одном варианте осуществления устройство 20 соединено последовательно с объемным расходомером 10 (фиг.1). Устройство 20 может содержать любое устройство, которое измеряет скорость импульса потока 70 флюида и передает эту скорость импульса в устройство 30 обработки данных в качестве выходного сигнала 13. В качестве примера устройства 20 можно указать, но не ограничиваясь этим, клиновый фотометр, трубки Вентури, диафрагменные расходомеры и т.п. В некоторых вариантах осуществления устройства 20 могут иметь внутренний диаметр для прохождения потока флюида до около 8 дюймов. Кроме того, некоторые варианты осуществления устройства 20 способны выдерживать давления до около 22500 ф/д². При выборе конкретного устройства 20 для измерения скорости импульса существенным фактором может быть то, что диафрагменный расходомер может подвергаться абразивному истиранию в результате длительной работы, несмотря на то, что клиновый элемент клинового фотометра может быть выполнен из материалов с достаточной твердостью, чтобы выдерживать длительную работу. В некоторых вариантах осуществления в качестве устройства 20 использован клиновый измеритель (фотометр).

Выходным сигналом 13 может быть ток или напряжение в зависимости от таких факторов, как тип устройства 20. Например, если используется клиновый фотометр, то выходным сигналом 13 может быть ток или напряжение. Использование тока в качестве выходного сигнала 13 является более подходящим, чем использование напряжения, поскольку ток может быть менее чувствительным к изменениям сопротивления в тракте сигнала.

В описываемом варианте осуществления устройство 30 для обработки данных принимает выходные сигналы 12 и 13, определяет удельный массовый расход и плотность потока 70 флюида и передает удельный массовый расход в качестве выходного сигнала 14 и плотность в качестве выходного сигнала 15. Обычно в качестве устройства 30 для обработки данных используют любое устройство, способное принимать множество сигналов, управлять такими сигналами для определения удельного массового расхода и плотности и формировать выходные сигналы, представляющие удельный массовый расход и плотность. В некоторых вариантах осуществления устройство 30 для обработки данных содержит систему предварительной обработки, которая генерирует выходной сигнал в виде тока или частоты, пропорциональный плотности. Примером подходящего устройства 30 для обработки данных является компьютер, способный принимать множество входных сигналов и генерировать множество выходных сигналов. Выходными сигналами 14 и 15 могут быть ток или частота или любой другой выходной сигнал, известный специалисту в данной области техники. Затем выходные сигналы 14 и 15 могут отображаться на дисплее 100 или передаваться на другой компьютер для использования в расчетах, включающих удельный массовый расход и плотность.

Устройство 30 для обработки данных решает два нижеследующих уравнения для определения удельного массового расхода и плотности флюида:

где Q - объемная скорость потока на основании выходного сигнала 12; K - сосредоточенная размерная и поправочная постоянная единиц измерения; С - скорость импульса на основании выходного сигнала 13.

Например, когда поток 70 флюида проходит сначала через объемный расходомер 10, а затем через устройство 20 для измерения скорости импульса, объемный расходомер 10 будет измерять объемную скорость Q потока, которая затем передается в качестве выходного сигнала 12 в устройство 30 для обработки данных. Устройство 20 будет измерять скорость С импульса потока 70 флюида, которая затем передается в качестве выходного сигнала 13 в устройство 30 для обработки данных. Сосредоточенной размерной и поправочной постоянной К единиц измерения является поправочная постоянная для всей системы и содержит коэффициент объемного расходомера (известный для любого расходомера 10) и постоянную преобразования единиц измерения, которые облегчают измерение удельного массового расхода и/или плотности, имеющего требуемые единицы измерения. Следовательно, устройство 30 для обработки данных может решать уравнение (1) для определения плотности потока 70 флюида и решать уравнение (2) для определения удельного массового расхода потока 70 флюида. Такие вычисления выполняются внутри устройства 30 для обработки данных с использованием способа согласно изобретению.

Объемный расходомер 10 и устройство 20 для измерения скорости импульса могут быть установлены в любом месте в потоке флюида, включая поверхностные и подземные установки. В тех случаях, когда элементы системы размещены в скважине, они могут быть размещены в скважине с помощью проводной линии связи, которые также могут использоваться в качестве источника питания. Альтернативно данные элементы могут быть размещены в скважине путем сборки таких устройств на бурильной колонне, обычно внутри колонны. В некоторых вариантах осуществления может быть использована импульсная телеметрия бурового раствора. В тех случаях, когда используется импульсная телеметрия бурового раствора, элементы системы должны работать от батареи в течение времени, когда они должны оставаться в скважине. Согласно настоящему изобретению раскрыты системы и способы, которые могут быть использованы при импульсной телеметрии бурового раствора. В некоторых вариантах осуществления изобретения элементы системы устанавливаются на поверхности земли.

Блок-схема операций варианта осуществления способа согласно изобретению показана на фиг.2. На этапе 201 поток 70 флюида проходит через объемный расходомер 10, который измеряет объемную скорость Q потока 70 флюида. На этапе 202 объемный расходомер 10 передает измеренную объемную скорость Q потока в качестве выходного сигнала 12 в устройство 30 для обработки данных. На этапе 203 поток 70 флюида проходит через устройство 20 для измерения импульса скорости, которое измеряет скорость С импульса потока 70 флюида. На этапе 204 устройство 20 передает измеренную скорость С импульса в качестве выходного сигнала 13 в устройство 30 обработки данных. На этапе 205 устройство 30 обработки данных решает уравнение ρ=(K*C)/Q² для определения плотности ρ. На этапе 206 устройство 30 обработки данных решает уравнение М=Q*ρ для определения удельного массового расхода М. На этапе 207 устройство 30 обработки данных передает плотность ρ в качестве выходного сигнала 15, который может отображаться на видеомониторе 100 или может быть передан в другое устройство для использования в вычислениях, включающих плотность ρ. На этапе 208 устройство 30 обработки данных передает удельный массовый расход М в качестве выходного сигнала 14, который может быть отображен на видеомониторе 100 или может быть передан в другое устройство для использования в вычислениях, включающих удельный массовый расход М. Затем способ возвращается к этапу 201. Для специалистов в данной области техники очевидно, что этап 208 может предшествовать этапу 207, и этап 207 может предшествовать этапу 206.

Следовательно, настоящее изобретение может быть использовано для решения задач и достижения преимуществ, которые являются неотъемлемой частью изобретения. В настоящем изобретении возможны существенные модификации, изменения и эквиваленты, относящиеся к данному вопросу. Описанные варианты осуществления настоящего изобретения не исчерпывают объема настоящего изобретения и приведены только в качестве примера.

1. Способ определения по меньшей мере одного параметра потока флюида при подземной телеметрии, заключающийся в том, что
поток флюида, содержащий множество жидких фаз или твердую фазу и по меньшей мере одну жидкую фазу, пропускают последовательно через размещенные в скважине с помощью проволочной линии связи или путем сборки на бурильной колонне объемный расходомер и устройство для измерения импульса скорости потока флюида,
измеряют объемный расход потока флюида,
измеряют импульс скорости потока флюида и
определяют путем расчета по меньшей мере один параметр потока флюида с использованием объемного расхода потока и импульса скорости потока.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что
по меньшей мере один параметр выбирают из группы, состоящей из массового расхода потока флюида и плотности потока флюида.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что дополнительно передают импульс скорости потока флюида в устройство обработки данных.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что дополнительно передают объемный расход потока флюида в устройство обработки данных.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что
на этапе расчета по меньшей мере одного параметра используют устройство обработки данных для определения массового расхода потока флюида путем умножения объемного расхода потока флюида на плотность потока флюида.

6. Способ по п.4, отличающийся тем, что
на этапе расчета по меньшей мере одного параметра используют устройство обработки данных для определения плотности потока флюида путем умножения импульса скорости потока флюида на численную постоянную и затем деления полученного произведения на квадрат объемного расхода потока флюида.

7. Способ по п.4, отличающийся тем, что на этапе расчета по меньшей мере одного параметра используют устройство обработки данных для определения плотности потока флюида путем умножения импульса скорости потока флюида на численную постоянную и затем деления полученного произведения на квадрат объемного расхода потока флюида,
используют устройство обработки данных для определения массового расхода потока флюида путем умножения объемного расхода потока флюида на плотность потока флюида.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что на этапе измерения объемного расхода потока флюида пропускают часть потока флюида через объемный расходомер.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что на этапе измерения объемного расхода потока флюида пропускают весь поток флюида через объемный расходомер.

10. Способ по п.1, отличающийся тем, что на этапе измерения импульса скорости потока флюида пропускают часть потока флюида через импульсное устройство.

11. Способ по п.1, отличающийся тем, что на этапе измерения импульса скорости потока флюида пропускают весь поток флюида через устройство для измерения импульса скорости.

12. Система определения по меньшей мере одного параметра потока флюида, содержащего множество жидких фаз или твердую фазу и по меньшей мере одну жидкую фазу, при подземной телеметрии,
включающая в себя последовательно размещенные в скважине с помощью проволочной линии связи или путем сборки на бурильной колонне
объемный расходомер,
устройство для измерения импульса скорости потока флюида, выполненное с возможностью сопротивления абразивному истиранию,
устройство обработки данных, подключенное к объемному расходомеру и устройству для измерения импульса скорости для определения по меньшей мере одного параметра потока флюида.

13. Система по п.12, отличающаяся тем, что по меньшей мере один параметр выбран из группы, состоящей из массового расхода и плотности.

14. Система по п.12, отличающаяся тем, что объемный расходомер содержит турбинный расходомер, магнитный расходомер или поршневой дозировочный насос, имеющий датчик скорости и передатчик.

15. Система по п.12, отличающаяся тем, что устройство для измерения импульса скорости содержит клиновый измеритель, диафрагменный расходомер или трубку Вентури.

16. Система по п.12, отличающаяся тем, что устройство обработки данных содержит компьютер, предназначенный для приема множества входных сигналов и формирования по меньшей мере одного выходного сигнала.

17. Система по п.16, отличающаяся тем, что устройство обработки данных предназначено для приема в качестве входного сигнала выходного сигнала из объемного расходомера и выходного сигнала из устройства для измерения импульса скорости и формирования по меньшей мере одного выходного сигнала.

18. Система по п.12, отличающаяся тем, что
по меньшей мере одним параметром является массовый расход потока флюида;
плотность потока флюида является известной,
при этом устройство обработки данных предназначено для определения по меньшей мере одного параметра путем умножения плотности потока флюида на объемный расход потока флюида.

19. Система по п.12, отличающаяся тем, что
по меньшей мере одним параметром является плотность потока флюида,
при этом устройство обработки данных предназначено для определения по меньшей мере одного параметра путем умножения импульса скорости потока флюида на численную постоянную, а затем деления полученного произведения на квадрат объемного расхода потока флюида.

20. Система по п.12, отличающаяся тем, что устройство для измерения импульса скорости последовательно соединено по потоку с объемным расходомером.