МОДУЛЬ СКВАЖИННОГО РАСХОДОМЕРА

Полезная модель относится к геофизической аппаратуре и может быть использована при исследованиях действующих нефтяных, газовых и гидротермальных скважин с целью оптимизации их режимов работы, при построении профиля притока или поглощения в скважинах с малой производительностью с целью определения дебитов пластов и пропластков, и при проведении ремонтно-изоляционных работ.
Известны:
- скважинный расходомер, содержащий турбинку из эластичного материала, вращающуюся на опорах, размещенных в верхней и нижней частях корпуса расходомера, индуктивный преобразователь, складывающуюся систему рычагов, связывающих между собой верхнюю и нижнюю части корпуса расходомера, пружину сжатия и уравнительные рычаги для поддержания постоянства расстояния между опорами турбинки, причем постоянство расстояния между опорами турбинки обеспечивается, если острые углы ромбической системы рычагов не превышают 25, а угол отклонения уравнительных рычагов не превышает 30 угловых градусов (RU, Пат. №22505U1, 7 Е21В 47/10, 2001 г.).
- 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 О-О 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, причем величину изменения межопорного расстояния оси турбинки и, как следствие, величину компенсации межопорного расстояния оси турбинки, устанавливают из следующего выражения:
где:
ΔMN - изменение межопорного расстояния оси турбинки при трансформации взаиморасположения межопорного механизма;
AB - длина звена, соединенного с корпусом;
BC - длина звена, соединенного с ползуном;
DC - расстояние расположения одноплечного звена DE от конца С двуплечного звена BC;
DE - длина одноплечного звена (механизма стабилизации межопорного расстояния оси турбинки), которое шарнирно соединено концами, соответственно, со штоком хвостовика и двуплечным звеном BC;
BD - расстояние расположения одноплечного звена DE от конца В двуплечного звена BC;
α - угол отклонения звена AB от оси О-О расходомера. (RU, Пат. №54 624 U1, Е21В 47/10, БИ №19, 2006 г.).
Общими недостатками вышеперечисленных расходомеров являются:
- ограничение диапазона применения данных устройств в скважинах, обусловленная самой формулой изобретения, задающей жесткую конструкцию рычагов подвеса, ограниченную углом их раскрытия;
- частичная затененность турбинки, обусловленная установкой на тягах со стороны их крепления к корпусу закрылок, которые отражают часть потока, отправляя его на лопасти измерительной турбинки под углом к основному потоку, создавая турбулентность потока в месте установки турбинки и затормаживая ее вращение и, тем самым, загрубляя порог ее чувствительности;
- ограничение степени перекрытия потока, обусловленная местом установки турбинки, что также снижает чувствительность измерения;
- встречная установка опор оси турбинки, что увеличивает возможность засорения нижней опоры оси турбинки, являющейся чашей для осаждения грубых, абразивных частиц скважинных флюидов, что ведет к снижению чувствительности турбинки, вследствие увеличения тормозного момента для оси вращения турбинки, и к сокращению времени износа нижней опоры, следовательно, к снижению надежности работы узла в целом.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является скважинный расходомер, содержащий корпус, эластичную турбинку, хвостовик, втулки, соответственно установленные на корпусе и хвостовике с возможностью возвратно-поступательного движения, двуплечие и одноплечие тяги, пружину, закрылки, узел регистрации числа оборотов турбинки, причем, хвостовик выполнен со штоком, втулка, установленная на хвостовике, выполнена с кольцевым выступом на внутренней поверхности, а пружина установлена внутри втулки с возможностью взаимодействия с выступом и со штоком, причем величину длин тяг и углов наклона их к оси расходомера устанавливают из следующего выражения:
где:
DF - расстояние между корпусом и хвостовиком, м;
AB - длина двуплечей тяги, соединенной с корпусом, м;
CB - расстояние между центром соединения одноплечей тяги с двуплечей, соединенных с хвостовиком, м;
CD - длина одноплечей тяги, соединенной с хвостовиком, м;
AF - расстояние между прямыми, параллельными оси расходомера, одна из которых проходит через центр соединения двуплечей тяги с корпусом, а другая через центр соединения одноплечей тяги с хвостовиком, м;
BE - длина двуплечей тяги, соединенной с хвостовиком, м;
φ - угол поворота тяги AB. (SU, А.С. №1 761 947 A1, Е21В 47/10, БИ 34, 1992 г.);
Недостатками данного расходомера являются:
- ограничение диапазона применения данных устройств в скважинах, обусловленная самой формулой изобретения, задающей жесткую конструкцию рычагов подвеса, ограниченную углом их раскрытия;
- частичная затененность турбинки, обусловленная установкой на тягах со стороны их крепления к корпусу закрылок, которые отражают часть потока, отправляя его на лопасти измерительной турбинки под углом к основному потоку, создавая турбулентность потока в месте установки турбинки, тем самым, затормаживая вращение и подвергая ее дополнительным вибрациям, а следовательно, снижая порог ее чувствительности;
- встречная установка опор оси турбинки, что увеличивает возможность засорения нижней опоры оси турбинки, являющейся чашей для осаждения грубых, абразивных частиц скважинных флюидов, что ведет к снижению чувствительности турбинки, вследствие увеличения тормозного момента для оси вращения турбинки, и к сокращению времени износа нижней опоры, следовательно, к снижению надежности работы узла в целом;
- установка пружины внутри втулки с возможностью взаимодействия с выступом и со штоком приводит к быстрому ее износу, в виду засорения замкнутой полости абразивными частицами скважинных флюидов.
Технической задачей полезной модели является повышение чувствительности измерений и виброустойчивости измерительного узла, и надежности работы расходомера в скважинах с малой производительностью.
Указанная цель достигается тем, что в модуле скважинного расходомера содержащем корпус, эластичную турбинку, хвостовик со штоком, установочную пружину, зажатую между подвижными втулками, размещенными на штоке, тяги (рычаги), узел регистрации числа оборотов турбинки, отличающийся тем, что ось эластичной турбинки опирается в подпятники, один из которых расположен в корпусе, поджат пружиной и снабжен термокомпенсатором, а другой - контактирует с иглой, установленной на хвостовике, тяги образуют подвес шарнирно-рычажного типа со смещением плоскости максимального раскрытия рычагов ниже плоскости установки эластичной турбинки, причем подвес содержит верхние рычаги, шарнирно закрепленные на корпусе и снабженные стартовыми пружинами, нижние рычаги, шарнирно соединенные с верхними рычагами и подвижной втулкой, установленной на штоке, и снабженные уравнительными рычагами, шарнирно соединенными с хвостовиком, расходомер снабжен узлом регистрации направления вращения турбинки и регулятором максимального раскрытия подвеса.
Новыми признаками устройства являются:
- ось эластичной турбинки опирается в подпятники, один из которых расположен в корпусе, а другой - контактирует с иглой, установленной на хвостовике, что обеспечивает куполообразное расположение опор, защищающее подпятники от загрязнения, повышая надежность конструкции измерительного узла и увеличивая эффективность работы турбинки и устройства в целом;
- установка пружины и термокомпенсатора в подпятнике, расположенном в корпусе обеспечивает стабильность работы турбинки в широком диапазоне температур и повышает виброустойчивость узла к внешним воздействиям;
- тяги, состоящие из определенным образом соединенных между собой рычагов, образуют подвес шарнирно-рычажного типа со смещением плоскости максимального раскрытия рычагов ниже плоскости установки эластичной турбинки, что снижает затенение измеряемого потока в месте установки турбинки, увеличивая чувствительность ее к измеряемому потоку;
- подвес содержит верхние рычаги, шарнирно закрепленные на корпусе и снабженные стартовыми пружинами, что обеспечивает легкость стартового раскрытия подвеса в зоне проведения измерений;
- нижние рычаги, шарнирно соединенные с верхними рычагами и подвижной втулкой, установленной на штоке, и снабженные уравнительными рычагами, шарнирно соединенными с хвостовиком, что обеспечивает упругость нижней опоре, позволяющей обеспечить стабильность проведения измерений и виброустойчивость системы подвеса;
- введение узла регистрации направления вращения турбинки повышает информативность измерения и надежность интерпретации диаграмм;
введение регулятора максимального раскрытия подвеса увеличивает надежность работы расходомера в условиях проведения измерений в конкретной скважине.
Из анализа патентной и научно-технической литературы подобное решение задачи не выявлено, что позволяет сделать вывод о «Новизне» и «Изобретательском уровне» предлагаемого устройства.
С целью уменьшения влияния конструкции расходомера на формирование потока в месте установки эластичной турбинки боковые поверхности корпуса, втулок, установленных на штоке, и хвостовика включают конусную поверхность, обращенную вершиной к месту расположения лопастей эластичной турбинки.
С целью обеспечения полного складывания расходомера при прохождении сужающихся мест в скважине и оптимального захвата лопастей турбинки количество лопастей эластичной турбинки равно количеству верхних рычагов подвеса, на внутренней поверхности верхних рычагов выполнены дополнительные поперечные проточки под турбинку, а в нижних рычагах - продольные проточки под уравнительные рычаги, причем, наружная поверхность верхних и нижних рычагов образована радиусом равным радиусу наружной поверхности корпуса, что позволяет сложить расходомер в размер основного корпуса.
С целью повышения надежности работы измерительного узла эластичная турбинка направленно армирована нитями из стекловолокна, что значительно снижает прогиб лопастей под действием под действием потока флюидов в скважине.
С целью расширения функциональных возможностей устройства на каждом верхнем рычаге подвеса установлены попарно от одного до трех датчиков влагомера и термометра, либо каждый из датчиков в отдельности, либо - в любом их сочетании, что позволяет получить селективные диаграммы измеряемых полей, и приблизить измеряемые поля к реальной картине распределения данных полей в скважине.
На фиг.1 представлена кинематическая схема конструкции модуля скважинного расходомера (в дальнейшем - расходомера).
Расходомер содержит:
- корпус 1, эластичную турбинку 2, хвостовик 3 со штоком 4, установочную пружину 5, зажатую между подвижными втулками 6 и 7, взаимосвязанными и размещенными на штоке 4, тяги, представляющие собой совокупность определенным образом соединенных между собой рычагов, означенных ниже, узел 8 регистрации числа оборотов турбинки, где:
- ось 9 эластичной турбинки 2 опирается в подпятники 10 и 11, один из которых 10 расположен в корпусе 1, поджат пружиной 12 и снабжен термокомпенсатором 13, а другой 11 - контактирует с иглой 14, установленной на хвостовике 3;
- тяги, равномерно-расположенные по окружности расходомера, образуют подвес шарнирно-рычажного типа со смещением плоскости максимального раскрытия рычагов (а-а) ниже плоскости установки эластичной турбинки (б-б). Подвес содержит верхние рычаги 15, шарнирно закрепленные на корпусе 1 и снабженные стартовыми пружинами 16, нижние рычаги 17, шарнирно соединенные с верхними рычагами 15 и подвижной втулкой 7, установленной на штоке 4; уравнительные рычаги 18, шарнирно соединенные с хвостовиком 3. Разные длины верхних 15 и нижних 17 рычагов выбраны с одной стороны из необходимости удаления препятствий из зоны установки эластичной турбинки, с другой - из условия равновесия сил тяжести расходомера, воздействующих на опору подвеса и изменяющихся в зависимости от наклона и диаметра скважины, силам упругости комплекта пружин, изменяющегося в зависимости от степени раскрытия рычагов подвеса;
- узел 19 регистрации направления вращения турбинки 2 и регулятор 20 максимального раскрытия подвеса;
- в верхнюю часть оси 9 турбинки 2 установлен постоянный магнит 21, расположенный перпендикулярно ее продольной оси в зоне установки, датчика 8 оборотов и датчика 19 направления вращения турбинки;
- датчики влагомера 22 и термометра 23, установленные попарно на верхних рычагах 15 в трех разнесенных по длине рычага местах.
Боковые поверхности корпуса 1, втулок 6 и 7, установленных на штоке 4, и хвостовика 3 включают конусную поверхность, обращенную вершиной к месту расположения лопастей эластичной турбинки 2, и создают единство обтекаемости внутренней конструкции корпуса.
Количество лопастей эластичной турбинки 2 равно количеству верхних рычагов 15 подвеса, обеспечивая захват каждой из лопастей рычагом при складывании расходомера.
На внутренней поверхности верхних рычагов 15 выполнены дополнительные поперечные проточки под турбинку, а в нижних рычагах 17 - продольные проточки под уравнительные рычаги 18. Наружная поверхность верхних 15 и нижних 17 рычагов образована радиусом равным радиусу наружной поверхности корпуса 1. При полном складывании расходомера внешний диаметр становится одинаковым по всей длине.
Термокомпенсатор 13 выполнен в виде втулки, торцевая поверхность которой зафиксирована (кернением, сваркой и др.) в торцевой поверхности корпуса 1. Материал термокомпенсатора отрабатывает температурные расширения деталей, входящих в основную размерную цепь измерительного узла, что обеспечивает стабильность работы турбинки в широком диапазоне температур, обусловленной неизменностью опорных усилий оси 9 турбинки 2 на подпятники 10 и 11.
Расходомер работает следующим образом.
Перед спуском в скважину регулятором 20 максимального раскрытия рычагов подвеса устанавливается условный диаметр скважины в измеряемом интервале.
Расходомер в составе многомодульного скважинного комплексного прибора в сложенном виде опускается на кабеле по насосно-компрессорным трубам и останавливается в исследуемом интервале скважины.
При выходе из насосно-компрессорных труб срабатывают стартовые пружины 16, раздвигая верхние рычаги 15. Движение верхних рычагов 15 отрабатывает установочная пружина 5, перемещая на исходную позицию по штоку 4 подвижные втулки 6 и 7. Одновременно, с втулкой 7, перемещаются вверх нижние рычаги 17, совместно с которыми раскрываются уравнительные рычаги 18, шарнирно закрепленные на хвостовике 3. С раскрытием верхних рычагов 15, датчики влагомера 22 и термометра 23, установленные попарно, разносятся в разные стороны по периметру скважины, устанавливаясь на трех разных уровнях со смещением по диаметру и длине скважины.
Эластичная турбинка 2 раскрывается и устанавливается в плоскости (а-а), расположенной выше плоскости (б-б) максимального раскрытия подвеса.
Ось 9 турбинки 2, установленная в подпятниках 10 и 11, соосна продольной оси корпуса 1 и подпружинена пружиной 12, компенсирующей малейшие перемещения иглы 14, неподвижно установленной в хвостовике 3.
Восходящие потоки скважинных флюидов обтекают верхние рычаги 15, не создавая обратного течения измеряемому потоку, что обеспечивается обтекаемой формой рычагов 15 и корпуса 1.
Под действием измерительного потока турбинка 2 с осью 9 свободно вращается в подпятниках 10 и 11, опираясь на иглу 14.
При этом трение в опорах турбинки 2 в процессе измерения остается неизменным за счет:
- расположения опорных точек в верхних зонах подпятников 10 и 11, установленных куполообразно в рабочем положении расходомера и обеспечивающих естественную защиту от проникновения грубых абразивных частиц из потока скважинных флюидов в места контакта оси 9 и иглы 14 с подпятниками 10 и 11;
- отработки температурных расширений материалов оси 9, иглы 14, подпятников 10 и 11, корпуса 1 и хвостовика 3, входящих в размерную цепь, температурным расширением материала термокомпенсатора 13 и упругостью пружины 12.
Магнит 21, установленный в оси 9, вращаясь вместе с осью, наводит электромагнитные колебания в датчике 8 оборотов и в датчике 19 направления вращения турбинки 2, расположенных параллельно в герметичном отсеке, выступающем из корпуса 1, в зоне действия магнита 21. Сигналы от датчика 8 оборотов и датчика 19 направления вращения турбинки 2 передаются в измерительный блок, установленный в корпусе 1.
Данные датчика оборотов 8 и датчика направления вращения 19 турбинки 2 позволяют определить скорость и направление перемещения скважинных флюидов в интервале исследования скважины. Одновременно с данными датчиков оборотов 8 и направления вращения 19 турбинки 2 фиксируются селективные диаграммы датчиков влагомера 22 и термометра 23, позволяющие составить общую картину распределения влажности и температуры по длине и диаметру измеряемого участка скважины.
После проведения измерений расходомер входит в насосно-компрессорные трубы. При этом, благодаря более длинным верхним рычагам 15 подвес легко складывается, формуя каждую лопасть эластичной турбинки 2 и одновременно перемещая ее в область расположения поперечных проточек, выполненных в верхних рычагах 15 подвеса. Подвижные опоры 6 и 7 вместе с пружиной 5 смещаются по штоку 4 вниз к регулятору 20 раскрытия рычагов подвеса. Дополнительные рычаги 18 укладываются в продольные проточки, выполненные в нижних рычагах 17. Расходомер в сложенном состоянии проходит через не исследуемый интервал скважины и выходит на поверхность.
Предлагаемый модуль скважинного расходомера реализован и опробован в составе комплексной скважинной аппаратуры «Сова» во многих геофизических производственных предприятиях России, что позволяет сделать вывод о его «Промышленной применимости».
Таким образом, предлагаемое устройство позволяет повысить надежность работы, увеличить виброустойчивость измерительного узла, повысить чувствительность измерений, и расширить функциональные и эксплуатационные возможности расходомера, в результате чего достигается технический эффект, заключающийся в повышении срока службы расходомера, повышении качества и достоверности получаемой информации, в возможности использования расходомера в условиях больших перепадов температур, измеряемого расхода и изменений среды, осложненной наличием абразивных частиц в скважинных флюидах, что, в конечном итоге, ведет к повышению эффективности исследования объекта.