ДАТЧИК БОКОВОГО ПОТОКА И НАПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЯ ФЛЮИДА В СКВАЖИНЕ

Полезная модель относится к области геофизических исследований действующих нефтяных скважин с малым дебитом и может быть использована для определения мест и направления бокового потока флюида из мест негерметичности колонны и рабочих интервалов перфораций.
Известен скважинный термоанемометр, предназначенный для измерения скорости движения флюида по стволу действующей скважины, описанный в патенте SU №440484. Термоанемометр содержит герметичный корпус, выполненный в виде двух соединенных по образующей цилиндрических полостей, в одной из которых расположен нагревательный элемент, а в другой-термочувствительный элемент.
Недостатками термоанемометра являются:
- невозможность однозначно определить наличие и направления потока флюида, направленного перпендикулярно к его корпусу, поскольку данный термоанемометр вычисляет скорость потока флюида по довольно сложному алгоритму с учетом его теплофизических свойств и наличие бокового потока воспринимается им также как изменение состава, температуры и скорости флюида, т.е. термоанемометр не даст достоверную информацию о процессах, происходящих в стволе скважины;
- на показания термоанемометра оказывает влияние температура окружающей среды, что требует дополнительных вычислений по ее оценке.
Известен скважинный датчик, предназначенный для геофизических исследований скважин нефтяных и газовых месторождений, описанный в патенте RU №2384699. Датчик содержит полый цилиндрический герметичный металлический корпус с расположенным в его полости датчиком термоанемометра, состоящим из термочувствительного и нагревательного элементов, и электрический изолятор.
Недостатками термоанемометра являются:
- невозможность однозначно определить наличие и направления потока флюида, направленного перпендикулярно к его корпусу, поскольку наличие бокового потока воспринимается им также как изменение состава, температуры и скорости флюида, т.е. термоанемометр не даст достоверную информацию о процессах, происходящих в стволе скважины;
- значительная инерционность из-за наличия на наружной поверхности полого цилиндрического металлического корпуса диэлектрического слоя, существенно влияющего на теплообмен корпуса с флюидом;
- на показания термоанемометра оказывает влияние температура окружающей среды, что требует дополнительных вычислений по ее оценке.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является датчик скорости и направления потока жидкости, предназначенный для индикации скорости и направления потока жидкости в напорных трубопроводах и в открытых потоках жидкостей, описанный в патенте SU №1345225. Датчик содержит корпус, симметрично расположенную пару термочувствительных элементов, нагревательный элемент и теплоизолятор.
Недостатками известного датчика, выбранного в качестве наиболее близкого аналога, являются:
- невозможность регистрации и определения направления потока жидкости, направленного перпендикулярно к корпусу и оси соединяющей термочувствительные элементы, поскольку в этом случае термочувствительные элементы на обоих концах корпуса будут нагреты нагревательными элементами до одинаковой температуры, сопротивления их будут равны и измерительная схема укажет на отсутствие потока, т.е. индикатор не даст достоверную информацию о процессах протекания жидкости;
- незащищенность термочувствительных (или нагревательных) элементов, расположенных на внешней поверхности корпуса, от воздействия контролируемой жидкостной среды, что сказывается на их стабильности, вследствие чего снижается точность и достоверность получаемой датчиком информации;
- значительная инерционность из-за наличия слоя изоляции между нагревательным и термочувствительным элементом, вследствие чего ухудшаются метрологические характеристики датчика.
Задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение, состоит в создании датчика, способного определять места бокового потока флюида и его направление в скважине.
Данная задача достигается за счет того, что в предлагаемом датчике, содержащем корпус, симметрично расположенную пару термочувствительных элементов, нагревательный элемент и теплоизолятор, корпус выполнен в виде полого герметичного металлического цилиндра с размещенными внутри корпуса n-количеством пар термочувствительных элементов, где n=2, 3, 4… последовательно целые числа, при этом каждая пара из термочувствительных элементов размещена симметрично относительно центральной оси цилиндра на внутренней поверхности корпуса в одной плоскости поперечного сечения корпуса, при этом n-количество пар термочувствительных элементов равномерно распределено по длине окружности поперечного сечения корпуса, нагревательный элемент размещен по оси корпуса и выполнен в виде индукционного нагревателя состоящего из магнитопровода и охватывающими его витками индукционной катушки, а пространство между индукционным нагревателем и внутренней поверхностью металлического корпуса заполнено теплоизолятором.
Кроме того, головная часть металлического корпуса имеет форму, обеспечивающую минимальное влияние на процесс течения флюида.
Техническим результатом, достигаемым при реализации полезной модели, является получение достоверной информации о процессах, происходящих в стволе действующей скважины за счет определение мест бокового потока флюида и его направления.
Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена схема конструкции датчика, а на фиг. 2 поперечное сечение датчика в местах расположения термочувствительных элементов.
Датчик содержит полый цилиндрический герметичный металлический корпус 1, выполненный из антикоррозионного материала, например, нержавеющей стали. По оси корпуса размещен индукционный нагреватель 2 с магнитопроводом 2а и с охватывающими магнитопровод витками индукционной катушки 3. Магнитопровод 2а выполнен из высокочастотного феррита цилиндрической формы или склеенных между собой ферритовых колец. Провода индукционной катушки электрически изолированы от магнитопровода, сама же катушка с помощью проводников 11 подключена к генератору высокой частоты (на фиг. 1 не показано).
Датчик содержит n-количество пар термочувствительных элементов, где n=2, 3, 4… -последовательно целые числа. Минимальное количество пар равно двум n=2. На рис. 2 представлен вариант с количеством пар термочувствительных элементов равным четырем n=4, а именно пары 4-4', 5-5', 6-6' и 7-7'. Каждая пара термочувствительных элементов размещена симметрично относительно центральной оси цилиндра на внутренней поверхности корпуса 1 в одной плоскости поперечного сечения корпуса и все четыре пары равномерно распределены по длине окружности. Термочувствительные элементы имеют тепловой контакт с внутренней поверхностью корпуса датчика. В качестве термочувствительных элементов используются миниатюрные термопары как наиболее стабильные и не требующие подгонки элементы. Термопары, образующие пару, соединены между собой по дифференциальной схеме и с помощью проводников 9 и 10 подключены к электронному устройству обработки информации (на фиг. 1 не показано). Пространство между индукционным нагревателем и внутренней поверхностью корпуса заполнено теплоизолятором 8.
Сам датчик непосредственно размещен в скважинном приборе, в котором также могут быть размещены генератор высокой частоты и электронное устройство обработки информации.
Датчик работает следующим образом.
Скважинный прибор с датчиком спускают в скважину и по достижению области исследования включают индукционный нагреватель. При этом генератор высокой частоты вырабатывает импульсы тока, которые протекают по обмоткам катушки 3 и создают переменное магнитное поле. Переменное магнитное поле индуцирует на внутренней поверхности корпуса датчика вихревые токи, которые вызывают, нагрев корпуса по всей рабочей поверхности. Использование индукционного нагревателя вместо резистивного, как это имеет место у наиболее близкого аналога, позволяет обеспечить равномерный нагрев всей рабочей поверхности корпуса датчика.
Если в стволе скважины имеет место поток флюида Q1, направленный вдоль корпуса 1 датчика (фиг. 1), то разность температур внутренней поверхности корпуса датчика, регистрируемых термопарами 4 и 4', 5 и 5', 6 и 6', 7 и 7', будет равна нулю и в этом случае электронное устройство обработки информации укажет на отсутствие бокового потока флюида. Если в скважине помимо потока Q1 по каким-либо причинам появится еще и поток флюида Q2, направленный перпендикулярно к корпусу датчика и вызванный, например, негерметичностью обсадной колонны или наличием интервалов перфораций, то цилиндрическая поверхность со стороны набегающего потока Q2 будет охлаждаться более интенсивнее, вследствие чего ее температура будет ниже температуры поверхности цилиндра на диаметрально противоположной стороне. Эту разность температур регистрируют соответствующие термопары и электронное устройство обработки информации укажет на присутствие и направление бокового потока флюида. Чем больше при прочих равных условиях (диаметр и толщина стенок корпуса, длина рабочей поверхности датчика) количество пар термочувствительных элементов, тем с большей достоверностью можно зарегистрировать присутствие бокового потока и с большей точностью определить вектор его направленности. Также можно повысить точность определения направления бокового потока флюида, осуществляя с помощью электронного устройства обработку информации с термопар по заданному алгоритму.
Использование магнитопровода 2а в индукционном нагревателе позволяет уменьшить потери электрической энергии и сократить количество витков в катушке.
Заполнение теплоизолятором пространства между индукционным нагревателем и внутренней поверхностью металлического корпуса сводит к минимуму тепловые потери при нагреве корпуса, повышает теплообмен между корпусом и флюидом и дополнительно повышает механическую прочность корпуса датчика на сжатие.
Выполнение головного торца корпуса датчика в форме, например, эллипса или конуса обеспечивает равномерное распределение и неискаженное протекание потока флюида вдоль рабочей поверхности датчика, что в свою очередь позволяет сохранить равномерное распределение температуры нагрева по рабочей поверхности датчика и только внешнее воздействие бокового потока приводит к изменению распределения температуры рабочей поверхности датчика. Это обстоятельство позволяет на некоторых режимах соотношения скоростей течения продольного и бокового (поперечного) потоков не учитывать влияние продольного потока на достоверность полученных результатов.