ДАТЧИК СКВАЖИННОГО РАСХОДОМЕРА
DOWN-HOLE FLOWMETER SENSOR

Изобретение относится к устройствам для определения расхода и направления потока жидкости, в том числе загрязненных, в буровых скважинах и может быть использовано для диагностики поглощений с целью разработки и оптимизации процессов и технологий их последующего устранения (ликвидации) при бурении, сооружении или эксплуатации скважин.
Известен скважинный тахометрический расходомер TCP-34/70, в последующем РЭТС-34/70 (ТУ 41-05-001-80), включающий в своем составе датчик скважинного расходомера, опускаемый в скважину на каротажном кабеле, и наземный пульт, подключенный к каротажному кабелю. Датчик скважинного расходомера содержит корпус, установленный в нем тахометрический преобразователь вращения крыльчатки в электрический сигнал, который по каротажному кабелю передается на наземный пульт и на котором каждому обороту крыльчатки скважинного расходомера соответствует добавление единицы на указателе электромагнитного счетчика. По наземному пульту осуществляется отсчет частоты вращения крыльчатки, а с использованием конструктивно режимных параметров расходомера - оценка значения расхода жидкости. Прибор отвечает требованиям к скважинным расходомерам для изучения поглощающих горизонтов методом скважинной расходометрии, которыми являются: надежность; приемлемые метрологические качества, в частности точность измерений; простота конструкции; несложность обработки результатов наблюдений. Основной недостаток прибора заключается в ненадежной работе преобразователя в минерализованной жидкости и загрязненных жидкостях. Это обуславливает их узкую область применения, в частности использование их невозможно в буровых растворах, в том числе глинистых растворах, для решения задач диагностики поглощений при бурении скважин с целью разработки технологии их устранения.
Известен скважинный расходомер ДАУ-3M (Л.М. Ивачев. Борьба с поглощениями промывочной жидкости при бурении геологоразведочных скважин. - М., Недра, 1982 г., стр.45-52), включающий в своем составе датчик скважинного расходомера, опускаемый в скважину на каротажном кабеле, и наземный пульт, подключенный к каротажному кабелю. Датчик скважинного расходомера содержит корпус, установленный в нем тахометрический преобразователь вращения крыльчатки в электрический сигнал, который по каротажному кабелю передается на наземный пульт и на котором каждому обороту крыльчатки скважинного расходомера соответствует добавление единицы на указателе электромагнитного счетчика на наземном пульте. Тахометрическим преобразователем в расходомере ДАУ является дифференциальный индуктивный датчик, состоящий из двух частей: неподвижной (индуктивной катушки) и подвижной (пермаллоевая пластинка-якорь, установленная на валу крыльчатки). Крыльчатка установлена (имеет возможность вращаться) в агатовых подпятниках, расположенных в воздушных колпаках, защищающих их от загрязняющих включений, содержащихся в буровом растворе. По наземному пульту осуществляется отсчет частоты вращения крыльчатки, а с использованием конструктивно режимных параметров расходомера - оценка значения расхода жидкости. Прибор отвечает требованиям к скважинным расходомерам для изучения поглощающих горизонтов. Недостаток прибора заключается в ненадежной работе преобразователя в загрязненных жидкостях при высоких гидростатических давлениях (глубинах). Объясняется это тем, что при высоких гидростатических давлениях воздушный объем в колпаке занимает малую долю его объема (чем выше гидростатическое давление определяемой глубиной погружения датчика, тем меньше эта доля) и может не защищать уязвимый (загрязняемымим включениями из бурового раствора) очень малый зазор механо-электрического тахометрического преобразователя (зазор между валом крыльчатки и индуктивной катушкой составляет не более 1 мм). Принимая известные соотношения физики и гидравлики, по мере опускания в скважину с жидкостью в ней:
3
2
на датчик воздействует гидростатическое давление столба жидкости, определяемое выражением: Р=L·ρ·g, где Р - гидростатическое давление на глубине погружения датчика L; ρ - плотность скважинной жидкости, кг/м; g - ускорение свободного падения, м/с;
0
0
1
1
1
0
0
1
0
0
1
1
0
0
1
1
объем воздуха V в колпаке по мере повышения давления уменьшается кратно величине давления (P·V=P·V, откуда V=P·V/P, где P, V и P, V соответственно начальный объем воздуха V в колпаке при атмосферном давлении P и его объем V при давлении P) и в диапазоне изменений гидростатических давлений при выполнении гидродинамических скважинных исследований может составлять менее чем 1/100 начального объема воздуха в колпаке и в лучшем случае защищать только опору скважинного датчика, но не весь объем колпака, в котором расположен уязвимый воздействием на него загрязненной скважинной жидкости механо-электрический преобразователь вращения крыльчатки.
Попадание загрязнений их бурового раствора в этот зазор может приводить к увеличению трения и сил сопротивления вращению крыльчатки и, как следствие, изменению ее метрологических характеристик либо к ее заклиниванию и потере работоспособности прибора. В случаях герконового тахометрического преобразователя феррошлам из бурового раствора оседает плотным слоем на магните, установленном на валу крыльчатки, а скапливаясь на нем, практически в 100% случаев, как показывает опыт, приводит к заклиниванию крыльчатки, и, как следствие, к выводу прибора из работоспособного состояния. При больших гидростатических давлениях доля объема сжатого воздуха может стать настолько малой, что способна защитить воздушным пузырьком только агатовый подпятник (а ни весь объем корпуса преобразователя). С этим связана низкая надежность прибора в таких условиях, ограничивается возможность их применения в буровых растворах, в том числе глинистых растворах, для решения задач диагностики поглощений при бурении скважин с целью разработки рациональной технологии их устранения.
Известен принятый в качестве прототипа датчик скважинного расходомера по авторскому свидетельству №1423734, (М. кл. Е21В 47/10, заявка №4158020/22-03 от 10.12.86 г., опубл. 15.09.88 г.), содержащий корпус, установленный в нем тахометрический преобразователь, включающий корпус преобразователя, крыльчатку с валом, размещенным в опорах с зазором, механо-электрический преобразователь вращения крыльчатки, установленный в корпусе преобразователя и представляющий собой неподвижный его элемент в корпусе преобразователя и подвижный на валу крыльчатки, например соответственно геркон и магнит, узел защиты, включающий установленные на опоры колпаки, одним из которых является корпус преобразователя, и источник защитной среды в виде капсулы, с которым сообщен колпак корпуса преобразователя, защитной средой является газ. В качестве источника газовой среды использован ацетиленовый генератор, капсула с водой которого установлена в корпусе с возможностью осевого перемещения относительно патрона с карбидом кальция и удержания на плаву, причем объемы корпуса ацетиленового генератора и колпаков опор выполнены одинаковыми и сообщены между собой.
го
Тахометрическим преобразователем в таком расходомере может быть по аналогии с прибором ДАУ дифференциальный индуктивный (выше приведен) либо по аналогии с его малогабаритным вариантом (А.С. Волков, Р.И. Тевзадзе. Тампонирование геологоразведочных скважин, - М., Недра, 1986 г., стр.79-80) герконовый. В нем под действием потока жидкости, закачиваемой в скважину, крыльчатка вращается с той или иной частотой. На валу крыльчатки расположен постоянный магнит, замыкающий геркон, включенный в электрическую цепь. По числу замыканий цепи и зарегистрированному времени определяют частоту вращения крыльчатки. Ацетиленовый генератор в конструкции датчика позволяет заполнять газом весь объем колпака тахометрического преобразователя при погружении скважинного датчика в скважинную жидкость при различных гидростатических давлениях, в том числе загрязненную, и обеспечить при этом надежную его работу. Недостаток прибора объясняется ограниченными глубинами использования датчика, определяемыми глубинами погружения и гидродинамических исследований на 200 м и более. Связано это с физическими свойствами ацетилена, в частности с тем, что он взрывается при давлении выше 0,2 МПа (такое значение наблюдается при гидростатическом давлении на глубине около 200 м. («Ацетилен», материал из Википедии - свободной энциклопедии). Другим недостатком принятого за прототип прибора является применение в нем для функционирования газового генератора карбида кальция (ГОСТ 1460-81. Карбид кальция. Требования безопасности), являющегося пожаро- и взрывоопасным, а по степени воздействия на организм относящимся к веществам 1 класса опасности. Кроме того, жесткими требованиями к его упаковке и запретом по его перевозке авиатранспортом делают его ограничено пригодным для широкого практического внедрения.
Задачей заявляемого изобретения является создание датчика скважинного расходомера, надежно работающего в загрязненных скважинных жидкостях при различных неограниченных глубинах его погружения в скважину и гидродинамических ее исследованиях.
Достигается поставленная задача тем, что в принятом в качестве прототипа датчике скважинного расходомера, содержащем корпус, установленный в нем тахометрический преобразователь, включающий корпус преобразователя, крыльчатку с валом, размещенным в опорах с зазором, механо-электрический преобразователь вращения крыльчатки, установленный в корпусе преобразователя и представляющий собой неподвижный его элемент в корпусе преобразователя и подвижный на валу крыльчатки, например соответственно геркон и магнит, узел защиты, включающий установленные на опоры колпаки, одним из которых является корпус преобразователя, и источник защитной среды в виде капсулы, с которым сообщен колпак корпуса преобразователя, в качестве защитной среды использована защитная жидкость, не смешивающаяся со скважинной и имеющая меньшую, чем у нее, плотность, например для скважинной жидкости бурового раствора на водной основе защитной жидкостью может быть керосин, капсула установлена в корпусе датчика, причем объем защитной жидкости в ней, не меньше объема колпака корпуса преобразователя, а капсула выполнена в виде шприца с подпружиненным поршнем в ее корпусе, подпоршневой объем которого сообщен с объемом колпака корпуса преобразователя, поршень выполнен с возможностью контактирования с его стопором, установленным на изогнутой пластине снаружи корпуса капсулы, выполненной с возможностью взаимодействия с поплавком, перемещающимся по корпусу капсулы.
Кроме того, в датчике скважинного расходомера:
а) капсула на корпусе датчика может быть выполнена приспособленной для осуществления периодического обслуживания, связанного с зарядкой ее защитной жидкостью, в частности легкосъемной;
б) в сообщении капсулы с объемом колпака корпуса преобразователя может быть установлен подпружиненный обратный клапан с усилием его срабатывания, меньшим усилия срабатывания поршня капсулы.
Реализация отличительных признаков обуславливает появление у заявляемого датчика скважинного расходомера нового свойства - повышение надежности его работы в загрязненных скважинных жидкостях при различных неограниченных глубинах его погружения в скважину и гидродинамических ее исследованиях.
Сочетание признаков заявляемого датчика скважинного расходомера позволяет за счет повышения надежности его функционирования расширить условия его применения.
Ниже приведена интерпретация признаков, обозначенных выше п.а) и п.б) дополнительных пунктов заявляемого изобретения, реализация которых направлена на повышение показателей назначения датчика скважинного расходомера и расширение условий его применения:
а) капсула на корпусе датчика может быть выполнена приспособленной для осуществления периодического обслуживания, связанного с зарядкой ее защитной жидкостью, в частности легкосъемной.
Исходя из конструкции датчика скважинного расходомера, отраженной в первом пункте заявляемого изобретения, при его эксплуатации процедура зарядки капсулы защитной жидкостью должна выполняться перед каждым спуском (предстоящим гидродинамическим исследованием скважины) датчика в скважину, так как она (капсула) полностью опорожняется в процессе предыдущего скважинного исследования. Выполнение капсулы, приспособленной для осуществления периодического обслуживания, связанного с зарядкой ее защитной жидкостью, в частности легкосъемной, позволяет сократить время на такое обслуживание и этим повысить производительность геофизических скважинных исследований с применением заявляемого датчика скважинного расходомера;
б) в сообщении капсулы с объемом колпака корпуса преобразователя может быть установлен подпружиненный обратный клапан с усилием его срабатывания, меньшим усилия срабатывания поршня капсулы.
Наличие подпружиненного обратного клапана в сообщении капсулы с объемом колпака корпуса преобразователя позволяет исключить самопроизвольное (возможное иногда) его истечение из капсулы. Условие: усилие срабатывания подпружиненного обратного клапана должно быть меньше усилия срабатывания поршня капсулы - подтверждает логичность принципа его работы, которым достигается поставленная перед изобретением задача.
Ниже приведен пример выполнения заявляемого датчика скважинного расходомера.
На фиг.1 приведен вид датчика скважинного расходомера (далее - датчика); на фиг.2 - одного варианта тахометрического - дифференциального индуктивного преобразователя датчика; на фиг.3 - второго варианта тахометрического - герконового преобразователя датчика; на фиг.4 - тахометрического преобразователя предлагаемого датчика на примере варианта тахометрического герконового преобразователя в нем.
На фиг.1-4 введены следующие обозначения: 1 - конусная гайка; 2 - каротажный кабель; 3 - разрезная муфта (головка датчика); 4 - направляющие стержни; 5, 14 - ниппельные кольца; 6 - гайка; 7, 12 - верхний и нижний центраторы; 8, 9 - агатовые подпятники на фиг.1; 10 - корпус датчика; 11 - крыльчатка; 13 - тахометрический преобразователь; 15 - регулировочный винт; 16 - направляющий стержень; 17 - гайка подвески дополнительного груза; 18 - корпус тахометрического преобразователя в виде воздушного колпака с его (воздушного колпака) определенным объемом (корпус ТП-ВК); 19, 20 - две катушки на сердечниках - неподвижная часть одного варианта тахометрического преобразователя; 21 - проводники; 22 - вал крыльчатки; 23 - пластинка-якорь на валу крыльчатки - подвижная часть одного варианта тахометрического преобразователя; 24 - геркон - неподвижная часть второго варианта тахометрического преобразователя; 25, 26 - магниты (игольчатой формы) на валу крыльчатки (установлены с противоположной ориентацией их полюсов) - подвижная часть второго варианта тахометрического преобразователя; 27 - агатовый подпятник на фиг.3; 28 - керн в валу крыльчатки (аналогичный установлен в регулировочном винте); 29 - скважинная, либо 29 (33) защитная жидкость в корпусе ТП-ВК; 30 - канал сообщения корпуса ТП-ВК с капсулой с защитной жидкостью; 31 - трубка сообщения канала 30 с корпусом 32 капсулы с защитной жидкостью; 32 - корпус капсулы с защитной жидкостью в ней; 33 - защитная жидкость в капсуле; 34 - поршень; 35 - шпилька-стопор; 36 - пружина; 37 - криволинейная пластина с установленной на ней шпилькой-стопором 35; 38 - поплавок; 39 - шток поршня; 40 - ручка перемещения поршня (при заправке капсулы защитной жидкостью).
Расходомер ДАУ-3M состоит из датчика, спускаемого в скважину на каротажном кабеле, и наземного измерительного блока.
Датчик (фиг.1) включает каркас, рабочий элемент, тахометрический преобразователь и центрирующие пружины. Каркас датчика состоит из корпуса 10, верхнего 7 и нижнего 12 центраторов и двух ниппельных колец 5 и 14, к которым крепятся направляющие стержни 4. Верхние стержни соединяются с разрезной муфтой 3, нижние - с направляющим стержнем 16. Датчик крепится к каротажному кабелю 2 конусной гайкой 1 в муфте 3. При необходимости к датчику может быть присоединен дополнительный груз с помощью гайки 17.
Чувствительный элемент датчика - крыльчатка 11. Крыльчатка вращается в агатовых подпятниках 8 и 9. Опоры крыльчатки и элементы тахометрического преобразователя ее вращения (неподвижная индуктивная катушка и подвижная якорь-пластина в одном варианте преобразователя (фиг.2) либо неподвижный геркон и подвижный магнит в другом варианте преобразователя (фиг.3)) защищены от попадания в них твердых частиц (ферромагнитных в том числе) из бурового раствора специальными колпаками. Нижним колпаком является полый корпус крыльчатки, верхний колпак изготовлен специально и крепится к корпусу гайкой 6. Для обеспечения свободного вращения крыльчатки в датчике предусмотрен регулировочный винт 15.
В качестве тахометрического преобразователя в скважинном датчике расходомера ДАУ-3M использован дифференциальный индуктивный датчик (фиг.2), а в его малогабаритном варианте - герконовый датчик (фиг.3). Дифференциальный индуктивный датчик (фиг.2) состоит из неподвижной части - двух катушек 19 и 20, намотанных на Ш-образных сердечниках из пермаллоя и подвижной пермаллоевой пластинки-якоря. Катушки 19, 20 на фиг.2 (и геркон 24 во втором варианте, фиг.3) монтируются в корпусе ТП-ВК 18, а пластинка-якорь 23 на фиг.2 (магнит 25, 26 во втором варианте на фиг.3) укреплена на валу крыльчатки 22 напротив одной из катушек (магнит 25-26 - напротив геркона во втором варианте преобразователя), также расположены в корпусе ТП-ВК. Скважинный датчик через каротажный кабель, на котором спускается в скважину, подключается к наземному пульту. Для измерения расхода скважинной жидкости определяют частоту электрических импульсов (пропорциональных частоте вращения крыльчатки) путем регистрации их электрическим счетчиком, установленным в наземном пульте.
Тахометрический преобразователь заявляемого датчика скважинного расходомера (фиг.4) дополнительно содержит капсулу (ее корпус 32) с защитной жидкостью 33, находящейся ней до погружения датчика в скважинную жидкость. Капсула 32 трубкой 31 соединена с ТП-ВК. Поршень 34 капсулы подпружинен пружиной 36, а в заряженном состоянии капсулы удерживается шпилькой-стопором 35, установленной на криволинейной пластине 37, расположенной снаружи корпуса капсулы 32, и с которой может взаимодействовать поплавок 38 при его перемещении по корпусу капсулы 32. Работает он следующим образом. Перед спуском датчика скважинного расходомера в скважину (при положении его на дневной поверхности) ТП-ВК заполнен воздухом окружающей среды, поршень 34 свободен от взаимодействия с шпилькой-стопором 35 и находится в крайнем нижнем положении в корпусе капсулы 32, которая свободна от защитной жидкости 33 (керосина). После установки крыльчатки и регулировки ее свободного вращения винтом 13 (фиг.1), корпус капсулы открепляют рассоединением хомута от направляющих стержней 4 датчика (в скважинном датчике корпус капсулы закрепляется хомутом на стержнях 4 (на фиг.4 не показано)). Отсоединяют от канала 30 на корпусе ТП-ВК нижний конец трубки 31, после чего капсулу 32 с трубкой 31 отделяют от датчика скважинного расходомера. Являясь мобильной, ее заряжают защитной жидкостью (керосином). Для чего нижний конец трубки опускают в керосин и перемещением поршня 34 посредством ручки 40 заполняют объем капсулы 32 защитной жидкостью 33. Шпильками-стопорами 35 фиксируется поршень 34, а поплавок 38 перемещают в его нижнее положение. Капсула 32 заправлена защитной жидкостью 33. После зарядки капсулы 32 защитной жидкостью 33 ее устанавливают в корпусе датчика (на направляющих стержнях 4) путем закрепления корпуса капсулы к направляющим стержням 4 хомутом (на фиг.4 не показан). При этом нижний конец трубки 31 соединяют с каналом 30. Датчик скважинного расходомера соединяют с каротажным кабелем, другой конец которого подключают к наземному пульту. Расходомер готов к работе. Датчик скважинного расходомера опускают в скважину, и после его погружения в скважинную жидкость (на 1-2 м ниже ее статического уровня) дальнейший его спуск приостанавливают. После погружения датчика скважинного расходомера в скважинную жидкость верхняя часть объема корпуса ТП-ВК приемущественно заполнена воздухом, а нижняя незначительная часть его объема - скважинной жидкостью. В таком положении датчика поплавок 38 всплывает, перемещаясь вверх, и воздействует на криволинейные пластины 37, прижимая их к корпусу капсулы 32, в результате чего шпильки-стопоры 35 выходят из зацепления с поршнем 34, который под действием пружины 36 перемещается вниз, выдавливая из корпуса 32 защитную жидкость 33, которая по трубке 31 и каналу 30 перемещается в ТП-ВК. Обладая меньшей, чем у скважинной жидкости, плотностью и свойством не смешиваться с ней, защитная жидкость 33, двигаясь в нем сверху, заполняет весь объем ТП-ВК (в том числе вытесняя и имеющуюся в ней скважинную жидкость) и сохраняет такое положение (заполнение всего объема ТП-ВК защитной жидкостью) в течение всего периода выполнения скважинных исследований, связанных с измерениями расходов скважинной жидкости. Сохранение такого положения независимо от глубины положения скважинного датчика (величины гидростатического давления) объясняется несжимаемостью практической защитной жидкости. Заполнение всего объема ТП-ВК защитной жидкостью предохранят наиболее уязвимые элементы тахометрического преобразователя заявляемого датчика скважинного расходомера - опоры (агатовые подпятники) крыльчатки и мизерные зазоры механо-электрического преобразователя ее вращения от попадания в них из загрязненной скважинной жидкости разного рода включений в течение всего периода скважинных исследований. Этим достигается сохранение прибором метрологических характеристик, а в некоторых случаях даже его работоспособности, свойств, определяемых его более высокую надежность.
Процесс зарядки защитной капсулы по описанной выше схеме осуществляется перед каждым скважинным исследованием (спуском датчика в скважину). (Методика исследования поглощений с применением скважинного расходомера в процессе бурения с целью разработки рациональной технологии последующего их (поглощений) устранения приведена, например, в монографии Л.М. Ивачев. Борьба с поглощениями промывочной жидкости при бурении геологоразведочных скважин. - М., Недра, 1982 г., 293 с.).
Скважинный расходомер, включающий в своем составе заявляемый датчик скважинного расходомера, позволяет надежно, в том числе при наличии в скважине загрязненных жидкостей, определять мощность и глубину залегания поглощающих и водопроявляющих горизонтов, интенсивность поглощения или водопритока дифференцировано по всей мощности горизонта, направление и объем перетоков между водопроявляющими горизонтами. Применение прибора позволяет на высоком научно-техническом уровне решать задачи устранения (ликвидации) поглощений промывочной жидкости, наиболее распространенного осложнения при бурении скважин.
Прибор может составить основу средств диагностики поглощений буровых растворов и возглавить их ряд, определяющий современный технический уровень такого назначения приборов.
Важным преимуществом заявляемого датчика скважинного расходомера является его высочайшая совмещаемость с существующими приборами, не требующая каких-либо серьезных их конструктивных и схемных переработок. Это качество позволяет с минимальными затратами модернизировать производство скважинных расходомеров более высокого технического их уровня, а также уже эксплуатируемых потребителями путем поставок им модернизированных (по настоящему изобретению) их узлов - тахометрических преобразователей.
Особую значимость использование прибора приобретает в технологиях бурения, сооружения и эксплуатации скважин при выполнении работ по борьбе с поглощениями. Возможность диагностики поглощений с его применением в сложных горно-гидрогеологотехнических условиях позволяет оптимизировать процессы разработки и реализации технологий их (поглощений) устранения и на 12,0% и более повысить их эффективность (экономическую и экологическую) за счет повышении производительности буровых работ, экономии материалов, снижения подземных и поверхностных загрязнений.