ГЛУБИННЫЙ СКВАЖИННЫЙ РАСХОДОМЕР

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], к которым относятся в первую очередь турбинные и шариковые расходомеры.
Чувствительным элементом турбинного расходомера является аксиальная (осевая) турбинка с лопастями, расположенными под углом к направлению потока жидкости, и свободно вращающаяся на подшипниках. Скорость вращения турбинки прямо пропорциональна (в общем случае) скорости потока измеряемой среды и, следовательно, расходу проходящей жидкости, а число оборотов ее за определенный период - объему жидкости прошедшей за этот период.
Главный недостаток первичных преобразователей турбинных расходомеров состоит в том, что турбинки преобразователей перекрывают проходное сечение трубопровода, вследствие чего тяжело воспринимают гидравлические удары, которые в свою очередь ускоряют разрушение лопаток турбинок и износ подшипников. Кроме того, лопатки турбинок, являясь преградой движущемуся потоку, могут забиваться инородными телами, что также сказывается на надежности турбинок, вплоть до их заклинивания или разрушения.
Подвижным элементом шарикового расходомера является шар, который вращается под действием закручиваемого специальным образом потока измеряемой среды. Частота вращения шара, прямо пропорциональная расходу, преобразуется в информационный электрический сигнал с помощью различных преобразователей сигналов (индукционные, индуктивные, магнитоуправляемые и т.п.).
Шариковые расходомеры [2,3,...,5] свободны от вышеперечисленных недостатков, присущих турбинным расходомерам, и полностью удовлетворяют критериям: повышенной надежности и максимальной простоты съема и обработки информационного электрического сигнала, пропорционального расходу измеряемой среды.
Эти расходомеры работоспособны в течение длительной непрерывной эксплуатации, однако в малой степени адаптированы к условиям работы в скважинных условиях и требуют для этого существенной доработки как отдельных узлов и элементов, так и всего объекта в целом.
Известен также шариковый расходомер [6], который конструктивно встраивается в насосно-компрессорные трубы (НКТ) и измеряет расход пластовой воды на выходе центробежных насосов. Расходомер содержит составной проточный корпус с центральным осевым и кольцевым коаксиальным измерительными каналами, причем на входе измерительного канала установлен вращатель потока с радиальными косыми лопатками, расположенными под углом к набегающему потоку воды, на выходе этого канала установлен выпрямитель потока с радиальными косыми лопатками, между вращателем и выпрямителем потока выполнена горообразная кольцевая канавка, в которой с возможностью качения по ее поверхности размещен шар, а также узел контроля за круговыми движениями шара по этой кольцевой канавке. Корпус выполнен, как минимум, из двух частей, наружная из которых содержит посадочное седло под вставную, с возможностью установки и съема, центральную часть корпуса, в теле наружной части корпуса размещен фиксатор взаимно-сопряженного состояния обеих частей, вращатель и выпрямитель потока жестко закреплены на вставной части корпуса, а кольцевая канавка выполнена в теле наружной части непосредственно над посадочным седлом, при этом геометрическая образующая поверхности кольцевой канавки является половиной дуги окружности с концами этой дуги, лежащими на прямой, не параллельной оси корпуса и пересекающейся с этой осью за выпрямителем потока.
Такой вариант расходомера адаптирован к работе в скважинных условиях, тем не менее, в процессе промышленной эксплуатации был выявлен существенный его недостаток, который заключается в интенсивном износе вращающегося по кольцевой канавке шара. В работе [1, стр.120, 121] дается анализ уравнения равновесия шара при установившемся расходе, из которого следует, что наибольший вклад на величину износа шара, вызванного трением его о корпус, вносит гидродинамическая сила потока, действующая на шар перпендикулярно плоскости вращения (по оси расходомера). Далее в этой же работе предлагается ряд конструкций шариковых расходомеров, в которых ослабляется упомянутая гидродинамическая сила потока путем помещения шара в так называемую зону возникновения обратного вихря, в которой на шар практически не действует осевая компонента скорости потока, благодаря чему резко уменьшается износ шара при эксплуатации.
Наиболее близким техническим решением (прототипом) и адаптируемым к заявляемому глубинному скважинному расходомеру, по нашему мнению, к скважинным условиям по своей конструкции является шариковый расходомер (преобразователь расхода) [7], который конструктивно можно встроить в насосно-компрессорную трубу (НКТ) и с помощью которого можно обеспечить измерение, например, расхода пластовой воды на выходе центробежных насосов.
Преобразователь расхода состоит из корпуса, вставленной в корпус втулки-ступицы, чувствительного элемента в виде шара, расположенного в кольцевой полости между ступицей и корпусом, завихрителя и узла съема сигнала. Кольцевая полость расположена перед завихрителем потока со стороны входа потока в преобразователь расхода. В кольцевом пространстве перед завихрителем развивается «обратный вихрь», в зоне которого осевая и радиальная компоненты минимальны.
При таком конструктивном исполнении преобразователя расхода можно считать, что на шар действует только тангенциальная составляющая, а действие осевой и радиальной составляющих сведены к
минимуму. Это уменьшает износ шара и позволяет выдержать значительные гидравлические перегрузки. В месте с тем эта конструкция преобразователя не позволяет обеспечить линейность статической характеристики преобразования в широком динамическом диапазоне изменения измеряемых расходов, что затрудняет градуировку прибора и усложняет (удорожает) взаимозаменяемость втулки с совмещенным завихрителем.
Таким образом, и этот известный преобразователь расхода, выбранный нами в качестве прототипа, имеет конструктивные и функциональные недостатки: невозможность его использования без существенной доработки в широком динамическом диапазоне изменения измеряемых расходов
Требуемый технический результат обеспечивается тем, что в глубинном скважинном расходомере, содержащем, согласно прототипу, проточный цилиндрический корпус с размещенной в нем втулкой, совмещенной с завихрителем потока, узел съема сигнала, кольцевую полость, образованную между втулкой и корпусом с размещенным в ней чувствительным элементом в виде шара и расположенной перед завихрителем потока со стороны входа потока в расходомер, узел съема сигнала, расположенный на внешней поверхности корпуса и ориентированный относительно кольцевой полости, в торце втулки установлена с помощью резьбового соединения проточная гайка с внешней резьбой. В каждом конкретном случае (в зависимости от диапазона изменения измеряемых расходов) диаметр проточной части гайки является переменной величиной.
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 рисунке (фиг.1) изображен глубинный скважинный расходомер, который содержит: проточный цилиндрический корпус 1 с размещенной в нем втулкой 2, совмещенной с завихрителем 3 потока, кольцевую полость 4, образованную между втулкой и корпусом с размещенным в ней чувствительным элементом 5 в виде шара и расположенной перед завихрителем потока со стороны входа потока в расходомер, узел 6 съема сигнала, расположенный на внешней поверхности корпуса 1 и ориентированный напротив кольцевой полости 4. В торце втулки 2 установлена с помощью резьбового соединения проточная гайка 7 с внешней резьбой. Глубинный скважинный расходомер встраивается в НКТ с помощью резьб 9 на концах его корпуса 1. На рисунке насосно-компрессорные трубы не показаны. Кожух 8 обеспечивает защиту узла 6 съема сигнала и сопутствующей электроники от внешнего воздействия измеряемой среды.
Работа глубинного скважинного расходомера происходит следующим образом. Контролируемый поток через завихритель 3 поступает в кольцевую полость 4 между корпусом 1 втулкой 2, приобретая вращательное движение. В зоне расположения шара 5 жидкость приобретает вращательное движение и увлекает за собой шар со скоростью вращения, пропорциональной расходу жидкости (например, пластовой воды или водонефтяной смеси). Частота вращения шара преобразуется узлом 6 съема сигнала в частоту следования электрических импульсов с дальнейшей их обработкой электронным блоком (на рисунке не показан) и передачей по кабелю (на рисунке не показан) информации на поверхность.
В кольцевом пространстве перед завихрителем развивается «обратный вихрь», в зоне которого одновременно присутствуют осевая, радиальная и тангенциальная компоненты вектора скорости потока, причем, осевая и радиальная составляющие много меньше тангенциальной компоненты, которыми можно пренебречь [1, 7]. Следовательно, можно считать, что на шар воздействует только тангенциальная составляющая, благодаря чему
значительно уменьшается износ шара, а, следовательно, увеличивается наработка на отказ прибора.
В случае, когда расход измеряемого потока превышает допустимый, с метрологической точки зрения, например, оценки линейности штатной статической характеристики преобразования расходомера, имеется возможность байпасировать (отводить) часть измеряемого потока через проходное отверстие гайки 8, установленной по ее внешней резьбе в торце втулки 2. Перед каждым спуском расходомера в конкретную скважину по приблизительно известному среднему расходу в торец втулки вворачивается гайка с необходимой площадью сечения ее проточной полости.
Наличие в торце втулки расходомера гайки с проточной полостью значительно расширяет его функциональные возможности, а именно:
- расширяет динамический диапазон изменения измеряемых расходов;
- облегчает взаимозаменяемость втулки с совмещенным с ней завихрителем потока в процессе эксплуатации глубинного скважинного расходомера или при его ремонте, что и является особенностью заявляемой конструкции.
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 ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ:
1. Абрамов Г.С., Барычев А.В., Зимин М.И. Практическая расходометрия в промышленности. М., ОАО «ВНИИОЭНГ», 2000. (с.104-109).
2. СССР, а.с. 320713, G01f 1/00, 1971;
3. СССР, а.с. 435458, G01f 1/00, 1974;
4. СССР, а.с. 518630, G01F 1/05, 1976;
5. СССР, а.с. 720295, G01F 1/075, 1980.
6. РФ, патент 2278969, Е21В 47/10, G01F 1/06, 2004.
7. СССР, а.с. 518630, G01F 1/05, 1974, прототип.