РАСХОДОМЕР ПРОМЫВОЧНОЙ ЖИДКОСТИ

РАСХОДОМЕР ПРОМЫВОЧНОЙ жидкости
Полезная модель относится к устройствам для определения расхода промывочной жидкости нагнетаемой в скважину при ее бурении и циркулирующей в системе ее промывки, с широким диапазоном содержания в ней загрязняющих включений.
Особенностью измерения расхода промывочной жидкости является то, что в различных горно-геолого-технических условиях состав промывочной жидкости (номенклатура входящих в его состав компонентов), физико-механические свойства могут изменяться в широких пределах. Желаемой является возможность использования для измерений одного типа расходомера промывочной жидкости, хотя не всегда это удается. Например, для контроля расхода промывочной жидкости при бурении (бурение скважин на твердые полезные ископаемые) разработаныи используются несколько модификаций электромагнитных расходомеров - ЭМР-1, ЭМР-2, ЭМР-3, ЭМР-4 (Козловский Е.А. и др. Справочник инженера по бурению геолого-разведочных скважин. В двух томах. Том 1., стр. 140-142. М, Недра, 1984), (аналогом этим расходомерам по принципу работы, но для бурения глубоких скважин на нефть и газ является электромагнитный расходомер РГР-7; ТУ 41-01-115-79), Расходомеры электромагнитного типа содержат электромагнитную катушку, в разрыве магнитопровода которой установлен трубопровод (из немагнитопроводного материала) с контролируемой промывочной жидкостью. В стенках трубопровода установлены два токосъемных электрода не имеющие электрического контакта с ним, но контактирующие с контролируемой жидкостью. Электроды соединены с показывающим прибором. Измерительная схема прибора «работает», реализуя закон электромагнитной индукции, при этом движущимся в магнитном поле проводником является сама контролируемая промывочная жидкость.
Несмотря на то, что приборы являются базовыми, они не надежно функционируют, если промывочная жидкость имеет электропроводность ниже критического уровня, а также в условиях отложения на измерительных электродах датчика масляной пленки или смазки и др. Попытки совершенствования указанных выше электромагнитных расходомеров промывочной жидкости не избавили их в полном объеме от недостатков, отрицательно сказывающихся на надежности их работы.
Известны расходомеры промывочной жидкости типа РПЛ-1 (Козловский Е.А. и др. Справочник инженера по бурению геолого-разведочных скважин. В двух томах. Том 1., стр. 141-142. М, Недра, 1984), в датчике которого установлена подпружиненная поворотная лопасть, угол поворота которой под воздействием контролируемого потока изменяется и отслеживается электромагнитной системой в датчике, также не избавлены от недостатков. Приемущественно, они связаны с возникновением погрешностей из-за возможной деформации упругого элемента подвеса поворотной лопасти в датчике при ударных воздействиях на нее, либо при транспортировании расходомера, либо при монтажно-наладочных работах. Широкого применения в буровой практике они не получили.
В буровой практике нашли применение расходомеры промывочной жидкости с тахометрическими датчиками фирмы ATLAS СОРСО (Приложение 1. Сведения о тахометрическом расходомере из «Инструкции по эксплуатации буровой установки «Крстонсон» фирмы «Атлас Копко»). В течении длительного периода они подтвердили свою эффективность и ими комплектуются буровые установки этой известной фирмы. Расходомер промывочной жидкости включает тахометрический датчик и сообщенный с ним показывающий прибор. Датчик расходомера, устанавливаемый в нагнетательной линии циркуляционной системы буровой скважины, включает тахометрический механо-электрический преобразователь расхода помывочной жидкости, сообщенный с показывающим прибором. Несмотря на то, что прибором многие годы комплектуются буровые установки фирмы ATLAS СОРСО. Однако, эти приборы имеют недостаток, заключающийся в невысокой надежности их работы при контроле расхода загрязненных промывочных жидкостей. Это связано, в первую очередь, с возможностью и большой вероятностью попадания загрязняющих промывочную жидкость включений в наиболее малые зазоры между элементами вращающейся крыльчатки (ее опоры или подшипники), а также установленным на ней якорем и корпусом механо-электрического преобразователя с установленным в нем статором.
Известен датчик скважинного расходомера по патенту на изобретения РФ №2536079, заявка №2013135054/03 от 25.07.2013 г. М. кл. Е21В 47/10. Опубл. 20.12.2014 г., наиболее близкий заявляемому и принятый в качестве прототипа. Он содержит корпус, установленный в нем тахометрический преобразователь, включающий неподвижный корпус механо-электрического преобразователя вращения крыльчатки, крыльчатку с валом, установленную в опорах с зазором формируемым регулировочным винтом; в корпусе механо-электрического преобразователя установлен неподвижный его элемент, а подвижный - на валу крыльчатки, ими являются, например, соответственно геркон и магнит, магнит и геркон выполнены с возможностью периодического их взаимодействия при вращении крыльчатки и замыкании, при этом, геркона, подключенного к счетчику электроимпульсов в показывающем приборе, срабатывающему при замыкании геркона; узел защиты включающий установленные на опоры колпаки, одним из которых является корпус механо-электрического преобразователя вращения крыльчатки, а другим - полый корпус крыльчатки; заполняемую колпак - корпус механо-электрического преобразователя защитную жидкость не смешивающуюся с контролируемой -скважинной и имеющую меньшую чем у нее плотность, например, для контролируемой скважинной жидкости на водной основе, защитной жидкостью может быть керосин; специальный канал его заполнения; электрический кабель сообщения механо-электрического преобразователя выведенный с условием обеспечения герметичности на разъем, установленный снаружи на отрезке трубы датчика, с которым соединен показывающий прибор. Решения принятые в прототипе направлены на повышение надежности работы тахометрического тахометрического расходомера в загрязненных жидкостях, путем защиты его опоры в механо-электрическом преобразователе и малого зазора самого механо-электрического преобразователя вращения крыльчатки. Применение их в заявляемом расходомере позволит повысить надежность его работы при измерении расхода загрязненных промывочных жидкостей циркулирующих в промывочной системе буровой скважины.
Однако, его конструкция имеет недостатки, отрицательно сказывающиеся на надежности его работы при измерении расхода промывочной циркулирующей в системе промывки буровой скважины, в том числе из-за его неприспособленности к этому. Это связано с тем, что в нем:
- защищенным от попадания в него загрязненной скважинной жидкости является только объем корпуса (колпак) механо-электрического преобразователя, а незащищенным - объем корпуса (колпак) крыльчатки, который заполняется загрязненной промывочной жидкостью (она может содержать различного характера загрязнения - от глинистых комочков и реагентных образований до многообразия наполнителей, в том числе ветоши, размокшей бумаги и пр.). Уязвимым в этом объеме является и агатовый подпятник в объеме корпуса крыльчатки (в тахометрических преобразователях расходомеров в качестве опор могут применяться и подшипники - шариковые, роликовые и др.). Попадание загрязнений из бурового раствора в кольцевой зазор между регулировочным винтом и корпусом крыльчатки (объем корпуса крыльчатки), а также в подшипники, может приводить к увеличению трения и сил сопротивления вращению крыльчатки, и как следствие - к изменению условий ее вращения и метрологических характеристик прибора (расходомера), либо к ее заклиниванию и потере работоспособности прибора. С этим связана низкая надежность прибора в таких условиях, ограниченная возможность их применения в буровых растворах, в том числе глинистых растворах для решения технологических задач промывки при бурении скважин, в том числе с целью разработки и реализации их рациональной технологии;
- датчик является не приспособленным к осуществлению непрерывного контроля расхода промывочной жидкости при бурении. Объясняется это следующим. При традиционном контроле расхода промывочной жидкости с использованием серийно выпускаемого расходомера включенного в линию нагнетания, отсутствуют требования к необходимости его заполнения перед очередным включением насоса и выполнения для этого каких либо манипуляций. Такое осуществление измерений расхода промывочной жидкости является приспособленным к технологическому процессу бурения. В случае использования для измерения расхода промывочной жидкости датчика расходомера по прототипу, перед каждым включением насоса (перед каждым измерением расхода) должна заряжаться капсула с защитной жидкостью, которая полностью расходуется при предыдущем измерении (включении насоса), так, как после отключения насоса промывочная жидкость из шлангов расположенных выше бурового насоса стекает (самотеком) в емкость с жидкостью и скважину (в общем случае). Заполнение капсулы (по прототипу) включает предшествующую ему сборку-разборку гидравлической схемы датчика. Принимая во внимание, что число включений насоса в течении суток может составлять десятки, то время и занятость на сборки- разборки схемы датчика может составлять существенную величину, занятость на этом - высокую трудоемкость, а вместе это определяет неприспособленность датчика расходомера по прототипу к осуществлению контроля расхода промывочной жидкости при бурении скважин, а в конечном итоге - низкую надежность его функционирования.
Технический результат заявляемой полезной модели заключается в создании расходомера промывочной жидкости более надежно функционирующего при контроле расхода промывочной жидкости в циркуляционной системе буровой скважины с широким диапазоном содержания в ней загрязняющих включений.
Достигается это тем, что в принятом в качестве прототипа скважинном расходомере содержащем корпус, установленный в нем тахометрический преобразователь, включающий неподвижный корпус механо-электрического преобразователя вращения крыльчатки, крыльчатку с валом, установленную в опорах с зазором формируемым регулировочным винтом; в корпусе механо-электрического преобразователя установлен неподвижный его элемент, а подвижный - на валу крыльчатки и выполнены с условием обеспечения возможности периодического их взаимодействия при вращении крыльчатки, при этом неподвижный элемент подключен к показывающему прибору; узел защиты включающий установленные на опоры колпаки, одним из которых является корпус механо-электрического преобразователя вращения крыльчатки, а другим - полый корпус крыльчатки; заполняемую колпак - корпус механо-электрического преобразователя защитную жидкость не смешивающуюся с контролируемой - скважинной и имеющую меньшую чем у нее плотность; специальный канал его заполнения; электрический кабель сообщения механо-электрического преобразователя выведенный с условием обеспечения герметичности на разъем, установленный снаружи на отрезке трубы датчика, с которым соединен показывающий прибор, в нем другой колпак - полый корпус крыльчатки также выполнен заполняемым аналогичной защитной жидкостью и снабжен специальным каналом его заполнения, включающим и отверстие в регулировочном винте; датчик установлен вертикально в одной из ветвей участка контролируемой линии выполненной U-образно, так, чтобы кромки колпаков были ориентированы вниз; специальные каналы заполнения колпаков выполнены в виде трубопроводов, соединяющих их с установленными с условием обеспечения герметичности на отрезке трубы датчика тавотницами, для периодического их сопряжения с пресс-масленками с защитной жидкостью.
Кроме того, в расходомере промывочной жидкости:
а) неподвижным и подвижным элементами механо-электрического преобразователя вращения крыльчатки могут быть, соответственно, геркон и магнит, при этом магнит подключен к счетчику электроимпульсов в показывающем приборе;
б) для контролируемой скважинной среды на водной основе защитной жидкостью в нем может быть керосин;
в) датчик установлен в той из ветвей участка контролируемой линии выполненной U-образно, так, чтобы кромки колпаков были направлены навстречу потоку;
г) его датчик снабжен ячейкой контроля электропроводности жидкости в колпаке механо-электрического преобразователя, например, двухэлектродной, и установленной в нем, а показывающий прибор включает схему контроля электропроводности жидкости, либо релейную схему сигнализации критического ее значения;
д) на трубопроводах U-образного участка контролируемой линии установлены электроподогреватель, а поверх - теплоизоляция, выполненные легко съемными;
е) элементы его датчика, контактирующие с контролируемой жидкостью, могут быть изготовлены из полимера victrex peek.
Реализация отличительных признаков обуславливает появление у заявляемого расходомера промывочной жидкости нового свойства - повышение надежности его функционирования при контроле расхода промывочной жидкости, в том числе за счет большей его приспособленности для его осуществления.
Сочетание признаков заявляемого расходомера промывочной жидкости позволяет за счет повышения надежности его функционирования расширить условия его применения и повысить экономичность осуществления измерений.
Ниже приведена интерпретация признаков, обозначенных выше п. а) - п. е) дополнительных пунктов заявляемой полезной модели, реализация которых направлена на повышение показателей назначения расходомера промывочной жидкости и расширение условий его применения:
а) неподвижным и подвижным элементами механо-электрического преобразователя вращения крыльчатки могут быть, соответственно, геркон и магнит, при этом магнит подключен к счетчику электроимпульсов в показывающем приборе.
При использовании магнита и геркона в механо-электрическом, тахометрическом преобразователе вращения крыльчатки позволяет максимально у простить конструкцию датчика и схемное решение прибора;
б) для контролируемой скважинной среды на водной основе в качестве защитной жидкости в нем может быть использован керосин.
сж
к
3
3
3
Часто, в качестве скважинной жидкости на водной основе применяют глинистый буровой раствор, как правило с плотностью γ большей, чем 1 г/см, например 1,4 г/см. Керосин имеет плотность около γ=0,72 г/см. Керосин в два раза легче глинистого раствора на водной основе и не смешивается с ней. Таким образом, керосин является приемлемой защитной жидкостью для использования в заявляемом расходомере промывочной жидкости;
в) датчик установлен в той из ветвей участка контролируемой линии выполненной U-образно, так, чтобы кромки колпаков были направлены навстречу потоку.
Наличием U-образно включенных ветвей в контролируемой нагнетательной линии достигается сохранность их заполнения контролируемой промывочной жидкостью и после выключения бурового насоса (прекращения циркуляции промывочной жидкости). При этом расположенный в одной из ветвей датчик расходомера находится в промывочной жидкости и после выключения насоса (т.е. постоянно), а защитная жидкость находящаяся в колпаках тахометрического преобразователя не вытекает из них (не расходуется) и не требуется их (колпаков) заправка ею перед каждым (очередным) включением насоса, включающая ряд мероприятий повышающих трудоемкость выполнения измерений прибором. Решение придает заявляемой полезной модели свойство приспособленности ее к выполнению контроля расхода промывочной.
Именно вертикальное положение колпаков тахометрического преобразователя их кромками вниз (эффект перевернутого кромками вниз стакана) обеспечивает создание в них изолированных объемов, заполняемых в последующем (в заявляемом расходомере) защитной жидкостью, чем достигается не попадание в него контролируемой загрязненной промывочной жидкости, и, как следствие, более высокая надежность его функционирования.
Относительно приемущества решения, когда кромки колпаков направлены навстречу потоку. Известно, что большую нагрузку испытывают обычно не опорные, а упорные подшипники. Опорные воспринимают лишь вес крыльчатки, а упорные - осевое давление потока, пропорциональное плотности потока и квадрату скорости контролируемой среды. Расположение датчика, когда кромки колпаков направлены навстречу потоку промывочной жидкости - «крыльчатка расположена вертикально, а жидкость подведена снизу», является простейшим известным приемом уменьшения осевого давления крыльчатки. Тогда вес крыльчатки будет (часто частично) компенсировать осевое усилие (Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества. Справочник. - 4-е изд., перераб. и доп. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние. 1989. - 701 с.: ил.);
г) его датчик снабжен ячейкой контроля электропроводности жидкости в колпаке механо-электрического преобразователя, например, двухэлектродной, и установленной в нем, а показывающий прибор включает схему контроля электропроводности жидкости, либо релейную схему сигнализации критического ее значения.
10
13
3
4
Электропроводность керосина и воды (а также промывочных жидкостей на водной основе) существенно (многократно) различаются, например, удельное сопротивление (Ом м) первого составляет около 10-10, а второй - 10-10 (электронный ресурс Интернет «Электропроводность жидкостей»).
В процессе работы расходомера промывочной жидкости может происходить постепенное вымывание защитной жидкости из колпаков тахометрического преобразователя. При этом вымываемый объем защитной жидкости в колпаках заполняется контролируемой промывочной жидкостью. Заполнение колпака МЭП промывочной жидкостью, когда положение его уровня достигает малого зазора в нем (критического уровня), может привести к попаданию загрязняющих включений в этот (малый) зазор, создать дополнительные силы сопротивления вращению крыльчатки, и отразится на увеличении погрешности расходомера, либо (в худшем случае) привести к отказу его работы. Для определения момента вымывания из колпаков защитной жидкости критического его объема в колпаке МЭП у критического уровня установлены два электрода ячейки (датчик контроля электропроводности), включенные в схему электропроводности в показывающем приборе, по которому определяют (по разности электропроводностей защитной жидкости и в колпаке и промывочной жидкости в нем при постепенном заполнении колпака вместо вымываемой защитной жидкости в нем) критический вымываемый объем защитной жидкости, что является сигналом для пополнения объема защитной жидкости в колпаке МЭП и в колпаке крыльчатки.
д) на трубопроводах U-образного участка контролируемой линии установлены электроподогреватель, а поверх - теплоизоляция, выполненные легко съемными.
Температура замерзания промывочной жидкости может иметь значения близкие к 0°С. Площадки буровой, в частности при бурении на нефть и газ, как правило являются не защищенными от природных температурных воздействий. Не защищенными от температурных воздействий является и аппаратура, в том числе датчик и показывающий прибор заявляемого расходомера промывочной жидкости. В условиях резко континентального климата в зимние периоды года не исключена возможность в случаях прекращения циркуляции промывочной жидкости ее замерзания в трубопроводах U-образного участка контролируемой линии с установленным в нем датчиком. Это может вызвать выход его из строя.
Установка на этом участке электроподогревателя, а поверх - теплоизоляции, выполненных легко съемными позволяют предотвратить возникновение таких осложнений и сохранить работоспособность заявляемого расходомера промывочной жидкости в условиях широкого диапазона изменения температурных воздействий;
е) элементы его датчика, контактирующие с контролируемой жидкостью, изготовлены из полимера victrex peek.
2
-1
Основные свойства полимера victrex реек (электронный ресурс Интернет «Полимер victrex peek для энергетической промышленности»: высокая термостойкость (температура длительного использования до 260°С) при высокой нагрузке (до 180 МПа - на сжатие и до 100 МПа - на разрыв); хорошая смазываемость и абразивная стойкость; стойкость к воздействию химических веществ, в том числе при высоких температурах, например воздействию HS; стойкость к электрическому пробою - толщина 2,5 мм пробой 17 КВ/мм. Благодаря основным свойствам полимера очевидна эффективность его использования для изготовления датчика предлагаемого расходомера, в том числе для последующего применения его при бурении скважин на нефть и газ, часто сопровождаемых сероводородными проявлениями (наиболее агрессивными). Известно, что при контакте промывочной жидкости содержащей сероводородные включения с оборудованием, к которому можно отнести и датчик заявляемого расходомера, из обычных (распространенных в буровом конструировании и машиностроении) сталей происходит постепенное разрушение последних. Изготовление датчика и его элементов контактирующих с промывочной жидкостью из полимера victrexpeek позволяет исключить разрушение последнего от воздействия на него сероводородной агрессии, этим повысить его долговечность, и, как следствие, надежность заявляемого расходомера промывочной жидкости.
Следует отметить, что в качестве неподвижного элемента МЭП в заявляемом расходомере промывочной жидкости может применен не только геркон, но и другого типа, например, индуктивный (с незамкнутым магнитопроводом), в этом случае на валу крыльчатки устанавливают пластину из магнитопроводного материала (по аналогии с индуктивным преобразователем датчика скважинного расходомера в источнике Волков А.С., Тевзадзе Р.Н. Тампонирование геологоразведочных скважин. М., Недра, 1986, стр. 76-82).
Ниже приведен пример выполнения заявляемого расходомера промывочной жидкости.
На фиг. 1 приведена схема включения расходомера промывочной жидкости в нагнетательной линии буровой установки; на фиг. 2 - схематичное изображение конструкции (разрез) датчика расходомера промывочной жидкости.
На фиг. 1 и 2 введены следующие обозначения:
1-3 - вентили; 4 - датчик расходомера; 5 - фильтр-сетка; 6 - показывающий прибор; 7 - кабель связи датчика с показывающим прибором; 8 - отстойник; 9 - U-образное расположение ветвей нагнетательной линии с датчиком расходомера 4 в одной из них; 10 - контактные головки тавотницы (для сопряжения с пресс-масленкой и установленной с условием герметичности перехода через стенку отрезка трубы); 11 - фланец; 12 - отрезок трубы; 13 - скважинная жидкость; 14 - кронштейн-короб корпуса механо-электрического преобразователя (корпуса МЭП); 15 - корпус МЭП (с колпаком); 16 - кольцо с резьбой верхнее; 17 - отверстие в головке корпуса МЭП; 18 - трубка; 19 - крышка кронштейна-короба 14; 20 - головка тавотницы (для пресс-масленки) корпуса МЭП; 21 - канал в тавотнице (для пресс масленки) корпуса МЭП; 22 и 23 - соответственно, шарик и пружина обратного клапана тавотницы корпуса МЭП; 24 - кабель от корпуса МЭП; 25 - эластичное уплотнение; 26 - шайба уплотнения; 27 - гайка-разъем; 28 - лопасти крыльчатки; 29 - вал крыльчатки; 30, 31 - подпятники (опоры) в корпусе МЭП и в крыльчатке, соответственно; 32,33 - керны в крыльчатке и регулировочном винте, соответственно; 34 - магниты на валу крыльчатки; 35* - геркон; 36 - ячейка (например, двухэлектродная) контроля электропроводности; 37, 38 - защитная жидкость в корпусе МЭП и в корпусе крыльчатки, соответственно; 39 - отверстие в регулировочном винте 40; 40 - регулировочный винт;.41 - кронштейн-короб крыльчатки; 42 - кольцо с резьбой нижнее; 43 - винты; 44 - крышка кронштейна 41; 45 - головка тавотницы (для пресс-масленки) крыльчатки; 46 - канал в тавотнице 45; 47, 48 - соответственно, шарик и пружина обратного клапана тавотницы (для пресс-масленки) крыльчатки; 49 - трубка; 50 - корпус крыльчатки - другой колпак.
Устройство расходомера промывочной жидкости
Заявляемый расходомер промывочной жидкости (далее, РПЖ) включает датчик 4 (фиг. 1) и показывающий прибор 6, соединенные кабелем 7. Нагнетательная линия включает две U-образно включенные ветви 9, в одной из которых установлен датчик расходомера 4, а в нижнем соединении ветвей установлен отстойник 8, предназначенный для сбора загрязнений, содержащихся в промывочной жидкости, выполненный приспособленным для периодической его чистки. Между фланцами 11 датчика расходомера 4 установлена сетка-фильтр 5, предназначенная для задержки загрязнений содержащихся в промывочной жидкости. В верхней своей части U-образно включенные ветви соединены байпасной линией с вентилем 3 и дополненной вентилями 1 и 2 ветвях 9. Байпасная линия используется для отключения U-образно включенных ветвей 9 (открытием вентиля 3 и закрытием вентиле 1 и 2, например для ремонта датчика - его демонтажа и монтажа) и обеспечения при этом возможности циркуляции промывочной жидкости в системе промывки скважины. Для осуществления контроля РПЖ поток направляют через датчик 4, перекрывая байпасную линию, для чего открывают вентили 1 и 2 и закрывают вентиль 3. Датчик 4 установлен в одной из ветвей 9, так, чтобы: а) кромки установленной в нем крыльчатки были ориентированы вниз (п. 1 формулы); б) кромки установленной в нем крыльчатки были направлены навстречу контролируемому потоку промывочной жидкости (п. 2 формулы), (направление потока промывочной жидкости на фиг. 1 показано стрелкой). На внешней боковой поверхности датчика 4 установлены тавотницы 10 верхняя и нижняя, предназначенные для заправки колпаков, соответственно, корпуса МЭП и корпуса крыльчатки (соответственно, поз. 14 и поз. 50 на фиг. 2) защитной жидкостью из заполненной ею пресс-масленки. На датчике 4 и на показывающем приборе 6 (фиг. 1) установлены электрические разъемы. Электрическая схема показывающего прибора включает счетчик электроимпульсов, срабатывающий при замыкании геркона в датчике расходомера при вращении крыльчатки, а также схему контроля электропроводности жидкости в колпаке МЭП (либо релейную схему сигнализации критического ее значения).
Датчик расходомера 4 (фиг. 2) выполнен в виде отрезка трубы 12 с фланцами 11, в котором установлен на платформе (она выполнена в виде желоба-полукольца прикрепленного к отрезку трубы 12 винтами 43) тахометрический преобразователь. Последний включает: кронштейн-короб 14 с закрепленным в нем корпусом МЭП с опорой 30, с которой контактирует керн 32 в валу крыльчатки 29; кронштейн-короб крыльчатки 41 с регулировочным винтом 40, контактирующим посредством керна 33 с опорой 31 в крыльчатке 50. Регулировочный винт 40 предназначен для обеспечения необходимого зазора в сопрягаемых парах «керн-опора» «32-30» и «33-31» и сохранения его при эксплуатации заявляемого расходомера. Закреплен корпус МЭП 15 (снабженный резьбой на его конце) к кронштейну-коробу 14 посредством жестко закрепленного на нем верхнего кольца с резьбой 16. Регулировочный винт 40 (с резьбой на нем) крепится к кронштейну-коробу 41 (с возможностью осевого своего перемещения) посредством жестко соединенного с ним кольца с резьбой нижнего 42. Таким образом, в кронштейнах 14 и 41 устанавливается крыльчатка 50 зазор контакта (между опорами и кернами) которой формируется регулировочным винтом 40. Платформа в виде желоба-полукольца крепится к отрезку трубы винтами 43. На поверхности отрезка-трубы установлены две тавотницы с головками 20 - колпака корпуса МЭП и 45 - колпака крыльчатки, каждая из которых включает каналы 21 и 46, соответственно, с обратными клапанами, соответственно, 22-23 и 47-48. Их обратные клапаны соединены, соответственно, посредством трубок 18 и 49 с колпаками, соответственно, корпуса МЭП 15 и корпуса крыльчатки (другой колпак) 50. Причем дополнительным каналом сообщения между тавотницей 45 и колпаком крыльчатки 50 является канал 39 в регулировочном винте 40. Предназначены трубки и тавотницы с трубками соединяющими тавотницы с колпаками корпуса МЭП и корпуса крыльчатки для зарядки колпаков защитной жидкостью посредством заполненных ею пресс-масленки (в том числе, под некоторым давлением в колпаках, превышающем атмосферное). В корпусе МЭП 15 установлен геркон 35, а также электроды 36 ячейки контроля электропроводности. На валу 29 крыльчатки установлены магниты 34 так, что при вращении крыльчатки 50 последние вызывают срабатывание геркона 35. Геркон 35 и ячейка контроля электропроводности в колпаке крыльчатки 36 посредством кабеля 24 выведены (с условием герметичности перехода через стенку датчика) на его стенку. Герметичность такого перехода обеспечена использованием известных для таких случаев уплотнений с использованием эластичного материала 25 и проходного винта 27 с шайбой 26.
Работа расходомера промывочной жидкости
1
2
3
3
Расходомер промывочной жидкости (РПЖ) монтируют в соответствии со схемой на фиг. 1, подключают к электросети питания. Промывочной жидкостью является буровой раствор на водной основе имеющий плотность ρ=1,35 г/см. Включают буровой насос на 3-5 минут, при этом заполняется наземная система обвязки линии нагнетания промывочной жидкости, в том числе U-образно сообщенные ветви 9 с включенным в одну из них датчиком РПЖ 4 (фиг. 1). При этом, U-образно сообщенные ветви 9 заполнены контролируемой промывочной жидкостью, а колпаки корпуса МЭП и корпуса крыльчатки датчика (опущенные своими кромками вниз) «подперты» в нижних своих частях (у кромок колпаков) промывочной жидкостью, а их объемы заполнены воздухом. Пресс-масленку заполняют защитной жидкостью - керосином плотность ρ=0,74. Защитной жидкостью из пресс-масленок заряжают колпаки преобразователя МЭП и корпуса крыльчатки путем поочередного сопряжения с соответствующими тавотницами 10 верхней и нижней (понимая, что, как правило, их объемы не превышают 5-7 см). Из-за разности плотностей защитной жидкости и раствора промывочной жидкости, защитная жидкость остается в объеме колпака (над раствором промывочной жидкости в нем). После этой операции заявляемый РПЖ готов к выполнению измерений расхода промывочной жидкости. При этом, благодаря заправке объемов колпаков корпусов МЭП и крыльчатки защитной жидкостью, исключается возможность попадания в них загрязненной промывочной жидкости из системы промывки скважины и становятся защищенными наиболее уязвимые узлы тахометрического преобразователя датчика РПЖ, повышается надежность работы прибора.
Осуществляют процесс бурения - устанавливают требуемые параметры режима бурения частоту вращения породоразрушающего инструмента N, нагрузку на забой Ри расход промывочной жидкости Q - включением бурового насоса. Необходимый расход помывочной жидкости Q контролируют по показаниям заявляемого расходомера (показывающего прибора 6), фиг. 1. Контролируемое значение расхода промывочной жидкости формируется, благодаря отработки измерительной цепи в определенной (следующей) последовательности. Контролируемый поток (фиг. 1) буровым насосом прокачивается через U-образно сообщенные ветви 9 (рабочий режим промывки - при этом вентиль 3 закрыт, а вентили 1 и 2 открыты), в том числе через датчик РПЖ 4, и поступает в скважину. Движущийся по датчику контролируемый поток промывочной жидкости (фиг. 2), воздействуя на лопасти 28 крыльчатки 50 приводит ее во вращение, а при ее вращении, при каждом обороте, установленные на ее валу магниты вызывают срабатывание геркона 35, включенного в измерительную схему показывающего прибора 6. При этом, чем больше скорость потока контролируемой жидкости, тем больше частота вращения крыльчатки и срабатывания геркона, и больше показания показывающего прибора. Конструктивное исполнение прибора таково, что и после выключения бурового насоса, благодаря тому, что ветви 9 U-образно сообщены между собой и остаются заполненными контролируемым раствором. Этот раствор «подпирает» объемы керосина в колпаках корпусов МЭП и крыльчатки и сохраняет (исключает истечение из колпаков керосина) неизменным объемы находящегося в них защитного раствора - керосина. Таким образом, исключается необходимость операции заполнения объемов колпаков МЭП и крыльчатки перед очередным включением бурового насоса.
По мере функционирования РПЖ защитная жидкость из колпака корпуса МЭП может вымываться, при этом ее объем - уровень в защитном колпаке, может повышаться, поступлением в него жидкости из скважины. Критическим его (уровня) положением является значение, при котором промывочной жидкостью заполняется малый зазор между валом крыльчатки и корпусом МЭП, когда она начинает контактировать с магнитами 34, образуя отложение на них и валу крыльчатки феррошлама (что приводит в последующем к заклиниванию крыльчатки и отказу прибора). Для определения момента вымывания защитной жидкости (до критического его уровня) в колпаке корпуса МЭП у положения этого уровня установлена двухэлектродная ячейка контроля электропроводности жидкости 36. Из-за большой разницы электропроводности керосина и промывочной жидкости на водной основе, включенная в схему контроля электропроводности показывающего прибора двухэлектродная ячейка электропроводности позволяет определить момент возникновения контакта ячейки с промывочной жидкостью (после ее контакта с керосином) по резкому изменению электропроводности, либо благодаря применению легко реализуемой схемы релейной сигнализации.
Основными задачами технологии бурения решаемыми с применением расходомера промывочной жидкости являются следующие: установка и поддержание требуемого (расчетного) расхода промывочной жидкости, как параметра режима бурения; оценка положения кровли и подошвы водопроявляющего или водопоглощающего горизонта пересеченного скважиной и их интенсивности (путем наблюдения за режимом промывки); своевременное определение предпрежогового состояния на забое при алмазном бурении; оценка эффективности изоляционных работ; оценка исправности клапанных устройств буровых насосов (Шамшев Ф.А., Шелковников И.Г. Автоматизация и механизация производственных процессов при бурении геологоразведочных скважин. М., Недра, 1982, 238 с). Задачей решаемой с применением РПЖ при бурении скважин на нефть и газ является контроль расхода раствора нагнетаемого в скважину и поступающего на турбобур - энергоагрегат, приводящий во вращение породоразрушающий инструмент. Кроме того, при бурении скважин на нефть и газ применение РПЖ позволяет установить возникновение газонефтепроявлений и, как следствие, своевременно предупредить возможное возникновение, при этом, серьезных осложнений. То есть, свести к минимуму технико-экономические потери, связанные с осложнениями при бурении скважин. (Лукьянов Э.Е., Стрельченко В.В. Геолого-технологические исследования в процессе бурения. М., Нефть и газ. 1997.688 с. (стр. 462-472).
Заявляемый РПЖ позволяет более надежно в сравнении с прототипом, в частности при функционировании в загрязненных жидкостях, с большей точностью определять и регулировать в процессе бурения важный параметр режима бурения - расход промывочной жидкости. Его использование позволяет реализовать технологии оптимизации процесса бурения с применением промывочных жидкостей с широким диапазоном изменения содержания в них загрязняющих включений.
Прибор может составить основу средств контроля и автоматизации одного из параметров режима бурения - расхода промывочной жидкости и возглавить их ряд, определяющий современный технический уровень такого назначения приборов.
Возможность надежного функционирования прибора при бурении в условиях применения промывочных жидкостей с широким диапазоном содержания в них загрязняющих включений позволяет повысить эффективность процесса бурения и производительность буровых работ.
Заявляемый расходомер промывочной жидкости может с успехом использоваться и в других отраслях народного хозяйства для контроля расхода загрязненных жидкостей, например, в обогащении, строительстве, горном деле и др.