Скважинный расходомер
Скважинный расходомер (СР) относится к геофизической аппаратуре по исследованию скважин и предназначен, преимущественно, для измерения движения жидкости по стволу, в том числе для измерений внутрискважинных перетоков.
СР содержит корпус, составной хвостовик из штока и ползуна, эластичную турбинку с осью и угол регистрации оборотов турбинки, а также механизм позиционирования СР по оси скважины и механизм стабилизации расстояния между опорами оси турбинки. Оба механизма выполнены в виде шарнирных сочленений звеньев друг с другом, корпусом и хвостовиком, и подпружинены упругим элементом для приведения СР в рабочее, так называемое «раскрытое», состояние в скважине.
Особенностью СР является соотношение размеров (длин) шарнирных звеньев обоих механизмов в зависимости от углов наклона звеньев к его оси О-О в пределах изменения углов от нуля до штатной величины в рабочем положении СР.
Это позволяет обеспечить более высокие надежность прибора и достоверность его информации.
Полезная модель относится к аппаратуре для гидродинамических исследований скважин и предназначена для измерения скорости движения жидкости по стволу скважины преимущественно в нефтедобывающей отрасли.
Известен скважинный расходомер [SU а.с. №1652526, М.кл. (5) Е 21 В 47/10, 1987] содержащий эластичную турбину с осью, установленную в полости поджатой пружиной системы двуплечих и одноплечих тяг, связывающей корпус с хвостовиком и закрепленной на них шарнирно, расположенные на корпусе и хвостовике ограничители хода, в полости которых размещены подпятники с возможностью возвратно-поступательного движения относительно друг друга и упоры, закрепленные на концах оси турбинки.
Недостатком расходомера является низкая надежность, объясняемая тем, что он имеет единственное взаиморасположение его элементов, при котором обеспечивается его работоспособность, и любое соприкосновение системы тяг с обсадной колонной и/или вибрация при протяжке по стволу приводят к выходу прибора из рабочего положения.
Известен также расходомер скважинный [RU, патент №1761947, М. Кл. (5) Е 21 В 47/10, приоритет 01.06.90], принятый в качестве прототипа по причине наибольшего сходства совокупности его существенных признаков с заявляемым объектом, содержащий корпус с выступом по его геометрической оси, хвостовик из штока и втулки ползуна на нем, эластичную турбинку с осью расположенную между концами выступа корпуса и штока хвостовика, узел регистрации числа оборотов турбинки, шарнирно соединенные с корпусом, хвостовиком и между собой три пары двуплечих звеньев, образующих механизм позиционирования расходомера (по оси скважины) и механизм стабилизации межопорного расстояния оси турбинки в виде одноплечих звеньев, шарнирно соединенных концами со штоком хвостовика и со средней частью двуплечих звеньев, соединенных со втулкой-ползуном, а также пружину сжатия, размещенной на штоке хвостовика и, вместе с ним, во втулке-ползуне и заневоленой между ними с опиранием ее концов на соответствующие уступы этих деталей. При этом конструктивные параметры звеньев и углов наклона их к оси расходомера в его рабочем положении определяют по приведенному (в описании и «Формуле» изобретения) выражению для повышения надежности, путем сохранения межопорного расстояния для оси турбинки при трансформации механизма позиционирования в случае изменения его диаметрального размера в сторону уменшения.
Однако известное техническое решение-прототип также не лишено недостатков, к которым можно отнести большой угол раскрытия, при котором механизм стабилизации расходомера испытывает постоянные
нагрузки (в том числе ударные) со стороны стенок обсадной колонны, что в свою очередь, приводит к его разрушению.
Кроме того, из анализа трансформации механизма позиционирования известного расходомера, содержащего шарнирную цепочку звеньев АВ-ВС-CD-DF, при протяжке его по стволу скважины, следует, что постоянство расстояния между опорами оси турбинки носит условный характер. Так, согласно приведенному в «формуле» изобретения выражению, расстояние DF, при изменении угла раскрытия расходомера от 0° до 14° должно оставаться постоянным. На самом деле, анализ этого выражения показывает изменение этого расстояния от 0,247 м до 0,273 м при изменении угла раскрытия расходомера от 0° до 9°. При углах раскрытия более 10°, выражение вообще теряет смысл, т.к. в нем присутствует отрицательное подкоренное выражение.
Все отмеченное позволяет утверждать, что конические (игольчатые) концы оси турбинки, размещаемые в аналогичных по форме углублениях опор в конце выступа корпуса и в конце штока хвостовика, испытывают значительные локальные нагрузки, так как контакты концов оси турбинки с опорами практически точечные. Это снижает надежность конструкции и достоверность показаний из-за высоких контактных механических напряжений в материалах опор и оси турбинки.
Таким образом требуемый технический результат заявляемого объекта (иначе - цель полезной модели) заключается в том, чтобы повысить надежность механизма стабилизации оси турбинки и за счет этого достоверность показаний объекта, то есть его потребительские свойства.
Поставленная цель достигается тем, что в известном скважинном расходомере, содержащем корпус, трубчатый хвостовик со штоком внутри него, пружину сжатия, заневоленную в хвостовике между его верхним торцом и нижней частью штока, турбинку с осью, опирающейся концами на центральный осевой выступ корпуса и верхний конец штока, узел регистрации числа оборотов турбинки, закрепленный на корпусе около нее и механизм позиционирования (по оси скважины), состоящий из, как минимум, трех групп звеньев, каждая из которых состоит из двух шарнирно сочлененных между собой звеньев, причем одноименные, верхние, концы каждой пары звеньев шарнирно соединены с корпусом, другие, нижние, концы этих пар звеньев шарнирно соединены с ползуном на хвостовике с возможностью ограниченной трансформации - в радиальной корпусу плоскости - треугольника, образованного каждой шарнирной парой звеньев и геометрической осью O-O расходомера при ограниченном возвратно-поступательном перемещении ползуна по хвостовику, а также механизм стабилизации положения верхнего конца штока относительно осевого выступа корпуса (так называемого межопорного расстояния оси турбинки) при трансформации механизма позиционирования скважинного расходомера, величину изменения межопорного расстояния оси турбинки
и, как следствие величину компенсации межопорного расстояния оси турбинки, устанавливают из следующего выражения:
где
MN - изменение межопорного расстояния оси турбинки при трансформации взаиморасположения межопорного механизма;
АВ - длина звена, соединенного с корпусом;
ВС - длина звена,, соединенного с ползуном;
DC - расстояние расположения одноплечного звена DE от конца С двуплечного звена ВС;
DE - длина одноплечногозвена звена (механизма стабилизации межопорного расстояния оси турбинки), которое шарнирно соединено концами, соответственно, со штоком хвостовика и двуплечным звеном ВС;
BD - расстояние расположения одноплечного звена DE от конца В двуплечного звена ВС;
- угол отклонения звена АВ от оси O-O расходомера.
Дополнительным отличием заявляемого расходомера является то, что одна из опор оси турбинки выполнена осеподвижной, снабжена демпфирующим элементом-компенсатором, размещенным между основанием опоры и дном гнезда-углубления в детали для ее размещения.
Сопоставительный анализ предлагаемого скважинного расходомера, как совокупности существенных признаков (в том числе и отличительных), с известными - из нормативно-технической и патентной документации-решениями, позволяет утверждать, что объект соответствует всем критериям полезной модели, в том числе критериям «новизна» и промышленная применимость.
На фигуре 1 графических материалов представлена кинематическая схема для расчета конструктивных параметров механизма позиционирования расходомера по оси скважины и механизма стабилизации межопорного расстояния оси турбинки при трансформации взаиморасположения их звеньев, на фигуре 2 изображен общий вид расходомера, на фигуре 3 - конструктивное исполнение одной из опор оси турбинки. График зависимости изменения расстояния MN от угла (в интервале от 0 до 11° приведен на фигуре 4 графических материалов.
Скважинный расходомер содержит (см. фигуру 2) корпус 1 с выступом 2 по его геометрической оси O-O, хвостовик, состоящий из штока 3 и втулки-ползуна 4 на нем, эластичную турбинку 5 с осью 6, узел 7 регистрации числа оборотов турбинки и, три шарнирных пары двуплечих звеньев 8 и 9, одни конци всех звеньев шарнирно (точка А фигуры 1) соединены с корпусом, одни концы всех звеньев 9 шарнирно (точка С фигуры 1) с втулкой-ползуном, другими концами эти звенья 8 и 9 соединены друг с
другом и образуют собой механизм позиционирования расходомера по оси скважины.
Приводим пример конкретной реализации заявленного объекта. Для этого укажем, что внутренний диаметр обсадной колонны определяется толщиной стенки трубы и может изменяться от 124 до 150 мм. Для свободного перемещения расходомера в обсадной колонне принимаем максимальный диаметр раскрытия расходомера - 120 мм.
Из сложившейся практики принимаем диаметр (D к) корпуса скважинного расходомера равным 38 мм. Отсюда получаем, что на каждую шарнирную пару звеньев (АВ-ВС) механизма позиционирования расходомера по оси скважины приходиться (120-38)/2=41 мм (см. фигуру 1). Отсюда, задаваясь углом максимального отклонения звена АВ (11°) относительно оси O-O, устанавливаем, что его размер (длина) составляет 229 мм. Далее, руководствуясь выражением 1, исходя из условия минимизации изменения межопорного расстояния в зависимости от угла , численными методами устанавливаем значения длин рычагов расходомера:
АВ=229 мм;
ВС=165 мм;
BD=72,5 мм;
DE=54 мм.
Отклонения межопорного расстояния (то есть перемещение точки Е, фигура 1) при этих значениях рычагов и изменении угла от 0° до 11° не превышают 1 мм (см. график на фигуре 4). Такое изменение межопорного расстояния значительно меньше, чем в расходомере - прототипе.
Негативное влияние изменения межопорного расстояния, также связанного с погрешностями изготовления деталей скважинного расходомера и их износом в процессе эксплуатации, на надежность и работоспособность устранено введением в конструкцию упругого элемента-компенсатора 12 (см. фигуру 3) под одной из опор турбинки. Опору в этом случае выполняют ограниченно осеподвижной в гнезде корпуса или верхнего конца штока хвостовика.
Скважинный расходомер работает следующим образом. При входе в насосно-компрессорную трубу (НКТ) скважины, механизм позиционирования расходомера переходит в сжатое состояние. При этом угол , между плечом 8 (смотри фигуру 2) и осью скважинного расходомера близок к 0°, турбинка 5 блокирована звеньями механизма позиционирования скважинного расходомера 8 и 9, пружина 10 находиться в сжатом состоянии. При выходе через воронку НКТ в обсадную колонну, скважинный расходомер переходит в рабочее состояние. При этом пружина, разжимаясь, перемещает ползун до основания плеча 11, звенья механизма позиционирования скважинного расходомера 8 и 9 освобождают турбинку 5, угол , между плечом 8 и осью расходомера, становиться равным 11°. Изменение межопорного расстояния происходит по закону, описанному вышеприведенным
математическим выражением и графиком зависимости межопорного расстояния от угла , приведенным на фигуре 4. Извлечение скважинного расходомера из скважины происходит в обратном порядке. При прохождении воронки НКТ звенья механизма позиционирования скважинного расходомера 8 и 9 сжимаются, пружина 10 переходит в сжатое состояние, угол , между плечом 8 (смотри фигуру 2) и осью скважинного расходомера, уменьшается до 0°.
Скважинный расходомер обеспечивает достижение технического результата, соответствует критериям «полезной модели» и подлежит защите охранным документом (патентом) РФ в соответствии с просьбой заявителя.
1. Скважинный расходомер, содержащий корпус, трубчатый хвостовик со штоком внутри него, пружину сжатия, заневоленную в хвостовике между его верхним торцом и нижней частью штока, турбинку с осью, опирающейся концами на центральный осевой выступ корпуса и верхний конец штока, узел регистрации числа оборотов турбинки, закрепленный на корпусе около нее и механизм позиционирования (по оси скважины), состоящий из, как минимум, трех групп звеньев, каждая из которых состоит из двух шарнирно сочлененных между собой звеньев, причем одноименные, верхние, концы каждой пары звеньев шарнирно соединены с корпусом, другие, нижние, концы этих пар звеньев шарнирно соединены с ползуном на хвостовике с возможностью ограниченной трансформации - в радиальной корпусу плоскости - треугольника, образованного каждой шарнирной парой звеньев и геометрической осью O-O расходомера при ограниченном возвратно-поступательном перемещении ползуна по хвостовику, а также механизм стабилизации положения верхнего конца штока относительно осевого выступа корпуса (так называемого межопорного расстояния оси турбинки) при трансформации механизма позиционирования скважинного расходомера, отличающийся тем, что величину изменения межопорного расстояния оси турбинки и, как следствие, величину компенсации межопорного расстояния оси турбинки, устанавливают из следующего выражения:
где MN - изменение межопорного расстояния оси турбинки при трансформации взаиморасположения межопорного механизма;
АВ - длина звена, соединенного с корпусом;
ВС - длина звена, соединенного с ползуном;
DC - расстояние расположения одноплечного звена DE от конца С двуплечного звена ВС;
DE - длина одноплечного звена звена (механизма стабилизации межопорного расстояния оси турбинки), которое шарнирно соединено концами, соответственно, со штоком хвостовика и двуплечным звеном ВС;
BD - расстояние расположения одноплечного звена DE от конца В двуплечного звена ВС;
- угол отклонения звена АВ от оси O-O расходомера.
2. Скважинный расходомер по п.1, отличающийся тем, что одна из опор оси турбинки выполнена осеподвижной, снабжена демпфирующим элементом-компенсатором, размещенным между основанием опоры и дном гнезда-углубления в детали для ее размещения.
