УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ В СКВАЖИНЕ
WELL TEMPERATURE MEASUREMENT DEVICE

Изобретение относится к нефтяной и газовой промышленности, а именно к бурению скважин, и в частности геофизическим исследованиям, и предназначено для измерения температуры в скважинах в процессе бурения.
Известно устройство для измерения температуры в скважине по авторскому свидетельству (см. а.с. №279520, СССР, 1969 г.), включающее термобаллон, механическую колебательную систему с закрепленным на ней постоянным магнитом и преобразователь механических колебаний в электрические.
Недостатком описанного устройства является низкая надежность за счет низкой виброустойчивости механической колебательной системы.
Прототипом является устройство (см. а.с. СССР, №1298365, 1985 г.), содержащее преобразователь температуры в виде струйного генератора, имеющего струйный элемент с соплами питания, приемным, выходным, и поверхность, размещенные в углублении панели и связанные между собой коммутационными каналам, дроссель сообщающийся с баллоном сжатого газа, а приемное сопло связано с переменной емкостью в виде зазора между коаксиально расположенными корпусом и баллоном. При этом выходное сопло подключено через сильфон, являющийся приводом управляющего клапана гидроусилителя, подключенного к гидравлическому каналу связи.
Недостатком прототипа является низкая точность за счет малой девиации частоты струйного генератора (не более 30%), обусловленной малым температурным коэффициентом линейного расширения баллона со сжатым воздухом и в связи с этим малым изменением зазора между корпусом и баллоном, а, следовательно, и малым изменением объема переменной емкости, что в конечном счете приводит к незначительному изменению частоты.
Технической задачей является создание точного и виброустойчивого устройства для контроля температуры непосредственно в процессе бурения скважин.
Технический результат - повышение точности и надежности измерения температуры в скважине в процессе бурения.
Он достигается тем, что с целью повышения точности и надежности приемное сопло струйного генератора установлено в панели с зазором, выполнено гибким и снабжено жестко закрепленной на нем биметаллической пластиной, один конец которой жестко закреплен в панели, а другой свободен и способен перемещаться относительно поверхности специального профиля.
На фиг.1 показано устройство для измерения температуры в скважинах.
Устройство размещают над долотом в контейнере.
Устройство содержит преобразователь температуры в виде струйного генератора, содержащего струйный элемент 1, включающий выходное сопло 2, биметаллическую пластину 3, приемное сопло 4 и сопло питания 5, размещенные в окрестности поверхности 6 и связанные между собой коммутационными каналами, приемную емкость 7, источник энергии 8, выполненный в виде баллона со сжатым газом, причем баллон жестко закреплен в корпусе 9 с возможностью съема, и емкость 10. Источник энергии 8 через дроссель 11 соединен с соплом питания 5, приемное сопло 4 соединено с приемной емкостью 7, выполненной в виде углубления в панели 12, а выходное сопло 2 подключено через сильфон 13, являющийся приводом управляющего штока 14 гидроусилителя, к каналу связи, каким является бурильная колонна, заполненная промывочной жидкостью, гидроусилитель и приемник, установленный на устье скважины (на фиг.1 не показан).
Работа устройства основана на эффекте Коанда - свойстве струи изменять направление путем прилипания струи жидкости или газа к расположенной вблизи твердой стенке.
Устройство работает следующим образом.
Путем увеличения давления бурового раствора на выходе буровых насосов на устье скважины открывается дроссель 11. Поток газа из сопла 5 питания обтекает расположенную вблизи твердую поверхность 6, выполненную в панели 12, и заполняет приемную емкость 7 через отверстие приемного сопла 4. В результате заполнения газом приемной емкости 7 перед приемным соплом 4 создается противодавление, что вызывает отрыв потока от поверхности специального профиля 6, выполненной в панели 12, и переход этого потока в выходное сопло 2 и далее в сильфон 13, что вызывает повышение в нем давления и его перемещение, а также перемещение связанного с ним управляющего клапана 14 гидроусилителя. При этом давление в выходном сопле 2 возрастает скачкообразно и удерживается на максимальном значении до тех пор, пока противодавление в приемном сопле 4 не снизится до величины, при которой поток вновь обтекает поверхность 6, выполненную в панели 12, и заполняет приемную емкость 7. Давление в канале за выходным соплом 4 меняется П-образно, а в канале за соплом 4 - пилообразно. Частота колебаний на выходе струйного генератора определяется известным уравнением
3
3
где f - частота колебаний, Гц; с - постоянный коэффициент, зависящий от конструктивных особенностей генератора, см/с; v - объем приемной емкости 7, см.
С повышением температуры упругое приемное сопло 4, выполненное в виде упругого элемента с жестко закрепленной на нем биметаллической пластиной, один конец которой жестко закреплен в панели 12, а другой конец свободный, расширяется. В результате этого свободный конец приемного сопла 4 перемещается относительно поверхности 6, с прилипшей к ней струей газа от оси струи к ее периферии, где расход газа уменьшается и, следовательно, изменяется время заполнения газом приемной емкости 7 и в связи с этим пропорционально измеряемой температуре в скважине изменяется частота колебаний струйного генератора.
Отработанный газ из источника энергии стравливается в емкость 10.
Перемещение свободного конца приемного сопла 4 определяется формулой:
где α - коэффициент линейного расширения материала биметаллической пластины;
l - длина сопла в первоначальном состоянии;
S - толщина биметаллической пластины;
ΔT - изменение температуры.
Серия пневматических импульсов, образующихся на струйном генераторе, посредством сильфона 13 преобразуется в механическое перемещение управляющего штока 14 гидроусилителя. На выходе гидроусилителя (на фиг.1 не показан) появляется гидравлический импульс, этот импульс распространяется по буровому раствору, заполняющему колонну бурильных труб, до устья скважины, поступает на вход гидравлического демпфера, где гасятся помехи от пульсаций давления, создаваемые буровыми насосами. Полезный гидравлический сигнал, несущий информацию о температуре в скважине, поступает на вход тензодатчика, преобразуется в пропорциональный электрический сигнал, усиливается и после разделительного фильтра поступает на вход ЭВМ, где преобразуется в соответствующее значение температуры и выводится на дисплей.
Были проведены лабораторные исследования макета устройства для измерения температуры в скважине.
На фиг.2 представлена схема системы сопел с поверхностью специального профиля макета струйного генератора, использованного в эксперименте.
Геометрические размеры следующие (см. фиг.2):
п
1п
2п
1 - сопло питания ⌀=1 мм; 2 - приемное сопло ⌀=0,5 мм; 3 - выходное сопло ⌀=1 мм; 4 - поверхность специального профиля, α=140°; β=50°; θ=80°; φ=35°; ψ=20°; θ=70°; r=2 мм; 1=15 мм; 1=10 мм.
На фиг.3 представлен график зависимости величины перемещения свободного конца приемного сопла от изменения температуры.
На фиг.4 представлен график зависимости частоты колебаний струйного генератора от температуры предложенного устройства (на фиг.4 график 1) и прототипа (на фиг.4 график 2).
В эксперименте использованы измерительные приборы: термометр стеклянный ртутный №106, ГОСТ 2823-73, предел измерения 0÷200°С; микрометр №82341.
Давление питания измерялось образцовым манометром ОБ-160 №150831, ГОСТ 6521-72, 1977 г. с пределом 0÷0,25. Использован пневматический редуктор РДФ-4-1-УЗ №5747, 2005 г. с манометром №04707 с пределом изменения давления от 0,02 до 0,25 МПа. Испытания показали работоспособность предложенного устройства. Нелинейность статической характеристики составляет не более 0,6%, чувствительность 0,009 Гц/град., вариация показания не более 0,002%.
Прототип: нелинейность 1%, чувствительность 0,0042 Гц/град., вариация не более 0,005%.
Виброустойчивость устройства соответствует виброустойчивости струйных элементов. Испытания предложенного устройства показали, что оно полностью удовлетворяет условиям забоя скважины. Данное устройство позволяет с высокой точностью контролировать непосредственно в процессе бурения температуру на забое скважины и на основе этой информации регулировать параметры бурового раствора с целью улучшения условий промывки скважины.