Глубинный скважинный расходомер

ГЛУБИННЫЙ СКВАЖИННЫЙ РАСХОДОМЕР (далее - объект) предназначен для измерения объемного расхода (ОР) текучей среды, преимущественно в условиях скважины. Объект содержит проточный корпус 1 с коаксиальным измерительным каналом 2, в котором размещены, соответственно, вращатель 3 потока, шар 4 и узел 6 формирования и съема информационного электрического сигнала, пропорционального величине ОР. Объект обладает повышенными потребительскими свойствами, так как адаптивен к скважинным условиям, легко перенастраивается на другой диапазон измерений, отличен от известных из уровня техники объектов рядом существенных признаков, обеспечивающих ему длительную непрерывную эксплуатацию при высоких помехозащищенности и чувствительности.

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

Известны скважинные расходомеры тахометрического типа [1, 2, 3, 4], основным узлом формирования информационного сигнала о расходе текучей среды по стволу скважины является крыльчатка в соответствующем корпусе, взаимодействующая тем или иным образом с узлом съема информационного сигнала, однозначно связанного с величиной объемного расхода.

К основным недостаткам известных расходомеров следует отнести их узкофункциональное назначение, преимущественно для гидродинамических исследований, а также периодический и непродолжительный характер эксплуатации при этих исследованиях и недостаточную долговечность при попытке использования расходомеров этого типа в качестве средств постоянного контроля за объемным расходом в действующей скважине.

Известны также расходомеры тахометрического типа [5, 6, ..., 9], где основным узлом формирования информационного сигнала о расходе текучей среды в закрытых каналах, то есть в трубопроводах, является шарообразное тело качения из того или иного материала, расположенное в кольцевой канавке канала, движущееся по круговой траектории под воздействием предварительно закрученного (вращающегося) потока текучей среды. При этом частота и/или скорость перемещения шарообразного тела по кольцевой, осесимметричной каналу корпуса, траектории, однозначно связана с величиной расхода текучей среды и

регистрируется с помощью достаточно простых технических решений узла съема информационного сигнала.

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

Наиболее близким и наиболее адаптируемым к скважинным условиям по своей конструкции является измеритель [10] расхода жидких и газообразных (то есть текучих) сред, содержащий проточный, с осесимметричным каналом, корпус с размещенной в нем поперек канала перегородкой (мембраной), в которой выполнен коаксиальный оси канала корпуса ряд косых отверстий для закручивания потока и обеспечения силового воздействия последнего на размещенное в измерительной полости шарообразное металлическое тело. Это тело имеет возможность свободного качения по стенке канала корпуса, то есть двигаться по круговой траектории неограниченное число раз с частотой циклов, определяемой (при прочих неизменных условиях) лишь объемным расходом потока через канал корпуса. Частота циклов движения шарообразного тела, как информационный сигнал, фиксируется вихретоковым преобразователем, размещенным в теле перегородки и по проводному каналу связи выдается на вторичный прибор-счетчик расхода и/или куда-либо по требованию.

К недостаткам известного устройства, выбранного в качестве прототипа, относятся: невозможность без существенной доработки использовать его в качестве скважинного глубинного расходомера, так как узел формирования и съема информационного сигнала достаточно сложен конструктивно, форма измерительной камеры вынуждает шарообразное тело многократно и интенсивно контактировать с ограничивающими его траекторию движения поверхностями, не обеспечивается адаптивность устройства к переводу на режим измерения расхода с иным диапазоном

значений, а перегородка (мембрана) перекрывает центральную часть канала выше- и нижерасположенных труб скважинной подвески.

Требуемый технический результат заключается в обеспечении известному техническому решению, то есть прототипу, более высоких потребительских свойств, а именно: адаптивности к скважинным условиям и простоты переналадки на другой диапазон измерений расхода, способности к длительной непрерывной эксплуатации при наземном контроле работы объекта и учете показаний.

Требуемый технический результат обеспечивается тем, что в глубинном скважинном расходомере, содержащем, согласно прототипу, проточный корпус с измерительным, коаксиальным корпусу, кольцевым каналом, вращатель потока, шарообразное тело качения из магнитного материала, размещенное в измерительном канале корпуса, канавку во внешней стенке измерительного канала корпуса для обеспечения возможности движения размещенного в ней шарообразного тела по штатной кольцевой траектории под воздействием вращающегося потока, узел формирования и съема информационного электрического сигнала, наземный блок для обеспечения электропитания, контроля за работой и учета объемного расхода, а также кабельную связь наземного блока с узлом формирования съема информационного электрического сигнала, канавка в измерительном канале корпуса выполнена с поверхностью, для качения шарообразного тела, образованной частью, то есть дугой, окружности с диаметром, большим, чем диаметр шарообразного тела, радиальный зазор (размер) А измерительного канала, равный половине разности диаметров его стенок, выполнен меньшим, чем диаметр шарообразного тела, а узел формирования и съема информационного электрического сигнала выполнен в виде последовательно соединенных, электрически, магниторезистора, усилителя, аналого-цифрового преобразователя, микроконтроллера и управляемого последним передатчика, контакты которого соединены с наземным блоком кабельной

связью, при этом узел формирования и съема информационного электрического сигнала герметично размещен в теле корпуса и ориентирован таким образом, что магниторезистор находится за канавкой измерительного канала.

Дополнительными отличиями заявляемого объекта являются его конструктивные особенности, а именно:

- диаметр образующей кольцевой канавки составляет 1,1...1,3 диаметра шарообразного тела качения;

- радиальный размер (зазор А) измерительного канала составляет 0,7...0,9 диаметра шарообразного тела качения;

- вращатель потока выполнен кольцеобразной формы с радиальными, относительно измерительного канала, лопатками криволинейного профиля в сечении;

- угол между поверхностью лопаток вращателя и поперечной оси корпуса плоскостью составляет 20...40 градусов;

- размер измерительного канала по ходу потока от вращателя до кольцевой канавки составляет 0,2...0,5 диаметра шарообразного тела.

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 «полезной модели».

На чертежах изображены, на фигуре 1 - общий вид объекта с продольным разрезом, на фигуре 2 - развертка вращателя потока, на фигуре 3 - фрагмент фигуры 1 (увеличено), на фигуре 4 - функциональная схема узла формирования и съема информационного электрического сигнала.

Глубинный скважинный расходомер (фиг.1) содержит проточный корпус 1 с измерительным, коаксиальным корпусу, каналом 2. В этом

канале расположен жестко закрепленный в теле корпуса вращатель 3 потока кольцевой формы, например с радиальными лопатками (фиг.2) криволинейного профиля. За вращателем, по ходу потока, в измерительном канале корпуса размещено шарообразное тело 4 в кольцевой канавке 5. Рабочая поверхность S этой канавки расположена на стенке измерительного канала, ограниченной большим диаметром D и имеет образующую в виде части окружности (то есть дугу) радиусом R, равным 1,1...1,3 радиуса r, помещенного в эту канавку металлического шарообразного тела 4 качения (далее - шар 4). При этом радиальный размер (зазор) А измерительного канала, равный (D-d)/2, составляет 0,7...0,9 диаметра шара 4 (фиг.3). Глубинный скважинный расходомер, как объект, содержит в теле корпуса за кольцевой канавкой 5 узел 6 формирования и съема информационного электрического сигнала, а также наземный блок 7 для обеспечения электропитания, контроля за работой и учета показаний объекта, причем узел 6 и блок 7 соединены меж собой кабельной связью 8. К вышеперечисленному укажем, что на фигурах 1...4 имеются дополнительные обозначения, а именно: O-O - продольная, по потоку, ось корпуса, О_к - геометрический центр поверхности качения кольцевой канавки 5, О_ш - геометрический центр шара 4, - угол закрутки потока радиальными лопатками вращателя 3 (лопатки на фиг.2 изображены условно и отдельной позицией не обозначены). Узел 6 формирования и съема информационного электрического сигнала содержит (см. фигуру 4) магниторезистор 9, усилитель 10, аналого-цифровой преобразователь 11, микроконтроллер 12 и передатчик 13 информации (на наземный блок 7), причем все они соединены последовательно, как и приведено на фигуре 4.

Глубинный скважинный расходомер работает следующим образом. При установке расходомера в скважину его резьбовые концы (на фигуре 1 изображены, но отдельными позициями не показаны) соединяются (свинчиваются) с насосно-компрессорными трубами скважинной подвески

или каким-либо другим внутрискважинным оборудованием, при этом кабель связи 8, между наземным блоком 7 и узлом б формирования и съема информационного электрического сигнала, крепится общеизвестными средствами к колонне насосно-компресорных труб внутрискважинной подвески.

Следует заметить, что в случае размещения в скважине какого-либо другого объекта с наземным электропитанием посредством кабеля, этот, уже имеющийся кабель может быть задействован и как кабель связи 8 заявляемого объекта при соответствующем, известном специалисту среднего уровня, подключении.

Поскольку измерительный канал 2 объекта имеет кольцевую (в плане) форму, а проточный корпус 1 помимо этого канала имеет и центральный канал для потока текучей среды (как изображено на фигуре 1, но отдельной позицией не отмечено), существует абсолютно однозначное соотношение двух расходов разделенного потока текучей среды; величина одного из этих расходов пропорциональна скорости вращения шара 4 в канавке 5 вокруг оси О-О. При этом суммарный объемный расход через проточный корпус расходомера определяется, например, как удвоенный расход потока по измерительному каналу, если проходные сечения обоих каналов корпуса равнозначны по величине и гидросопротивлению; но метрологические характеристики конкретного глубинного скважинного расходомера обеспечиваются его соответствующей стендовой тарировкой и/или градуировкой с занесением параметров последних в память микроконтроллера 12 узла 6. В соответствии с функциональной схемой этого узла (фигура 4), первым - на прохождение мимо него шара 4 - реагирует магниторезистор 9, меняя величину своего сопротивления, затем усилитель 10 усиливает слабый токовый сигнал в цепи магниторезистора, аналого-цифровой преобразователь 11 преобразует сигнал в приемлемую для микроконтроллера 12 форму, а последний, имея соответствующее штатное программное обеспечение, определяет объемный расход текучей

среды и управляет передатчиком 13 информации, посредствам которого последняя через кабель связи 8 поступает на наземный блок 7.

Как известно, магниторезисторы наиболее предпочтительны в современных тахометрических системах (в том числе в расходомерах подобного типа), а, учитывая их чувствительность и помехоустойчивость при весьма малых размерах, они с наименьшими затратами и несложной технологией встраиваются в скважинные объекты, имеющие жесткие ограничения в габаритах. Для повышения точности расходомера в тело корпуса могут быть встроены также электрические датчик давления и датчик температуры текучей среды, а в микроконтроллер 12 может быть изначально заложена программа (алгоритм) соответствующей корректировки показаний расходомера. Смену в измерительном канале расходомера рабочего диапазона измерений осуществляют при извлечении его из скважины, то есть в стендовых условиях, путем замены отдельных элементов конструкции на аналогичные, но с другими параметрами (например можно заменить вращатель 3 потока на другой такой же, но с меньшим углом а закрутки текучей среды, или на вращатель с другим зазором измерительного канала 2, и т.п.), при этом, соответственно, корректируют и алгоритм определения полного объемного расхода через корпус по сигналам, полученным узлом 6 в измерительном канале 2. В остальном объект работает как обычный тахометрический расходомер шарикового типа, однако подобная конструкция позволяет проводить специфические для скважин работы, требующие открытого центрального канала по длине всей скважинной подвески.

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

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ, ПРИНЯТЫЕ ВО ВНИМАНИЕ ПРИ СОСТАВЛЕНИИ ОПИСАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ:

1. СССР, а.с. 726318, Е 21 В 47/10, 1977;

2. СССР, а.с. 956987, Е 21 В 47/10, 1982;

3. СССР, а.с. 1352044, Е 21 В 47/00, 1987;

4. СССР, а.с. 1513135, Е 21 В 47/10, 1989;

5. СССР, а.с. 169814, G 01 f 1/06, 1963;

6. СССР, а.с. 320713, G 01 f 1/00, 1971;

7. СССР, а.с. 435458, G 01 f 1/00, 1974;

8. СССР, а.с. 518630, G 01 F 1/05, 1976;

9. СССР, а.с. 720295, G 01 F 1/075, 1980;

10. РФ, Патент 2129700, G 01 F 1/075, 1999, прототип (действие патента прекращено);

1. Глубинный скважинный расходомер, содержащий проточный корпус с измерительным, коаксиальным корпусу, кольцевым каналом, вращатель потока, шарообразное тело качения из магнитного материала, размещенное в измерительном канале корпуса, канавку во внешней стенке измерительного канала корпуса для обеспечения возможности движения размещенного в ней шарообразного тела по штатной кольцевой траектории под воздействием вращающегося потока, узел формирования и съема информационного электрического сигнала, наземный блок для обеспечения электропитания, контроля за работой и учета объемного расхода, а также кабельную связь наземного блока с узлом формирования съема информационного электрического сигнала, отличающийся тем, что канавка в измерительном канале корпуса выполнена с поверхностью S, для качения шарообразного тела, образованной частью, то есть дугой, окружности с диаметром, большим, чем диаметр шарообразного тела, радиальный зазор (размер) измерительного канала, равный половине разности диаметров его стенок выполнен меньшим, чем диаметр шарообразного тела, а узел формирования и съема информационного электрического сигнала выполнен в виде последовательности электрически соединенных магниторезистора, усилителя, аналого-цифрового преобразователя, микроконтроллера и управляемого последним передатчика, который соединен с наземным блоком кабельной связью, при этом узел формирования и съема информационного электрического сигнала герметично размещен в теле корпуса и ориентирован таким образом, что магниторезистор находится за канавкой измерительного канала.

2. Глубинный скважинный расходомер по п. 1, отличающийся тем, что диаметр образующей кольцевой канавки составляет 1,1...1,3 диаметра шарообразного тела качения.

3. Глубинный скважинный расходомер по п. 1, отличающийся тем, что радиальный размер (зазор ) измерительного канала составляет 0,7...0,9 диаметра шарообразного тела качения.

4. Глубинный скважинный расходомер по п. 1, отличающийся тем, что вращатель потока выполнен кольцеобразной формы с радиальными, относительно измерительного канала, лопатками криволинейного профиля в сечении.

5. Глубинный скважинный расходомер по п. 1, отличающийся тем, что угол между поверхностью лопаток вращателя и поперечной оси корпуса плоскостью составляет 20...40°.

6. Глубинный скважинный расходомер по п. 1, отличающийся тем, что размер измерительного канала по ходу потока от вращателя до кольцевой канавки составляет 0,2...0,5 диаметра шарообразного тела.