Устройство для контроля плотности вязких и невязких жидких сред в вертикальных каналах или скважинах при помощи гидростатического контактного плотномера с оптической передачей сигналов и способ контроля плотности
DEVICE FOR CONTROLLING THE DENSITY OF VISCOUS AND INVISCID FLUIDS IN VERTICAL CHANNELS OR WELLS USING A HYDROSTATIC CONTACT DENSIMETER WITH OPTICAL SIGNAL TRANSMISSION AND A DENSITY CONTROL METHOD

Изобретение относится к области приборостроения, а именно к плотномерам гидростатического типа, предназначенным для контактного измерения плотности в жидкостях, находящихся в вертикальных каналах или скважинах. Устройство в основном предназначено для контроля плотности газонасыщенного эмульсионного взрывчатого вещества (ЭВВ) в скважине во время проведения буровзрывных работ, однако может применяться и для контроля плотности жидких сред различной вязкости и в любых других вертикальных каналах. Потребность в изобретении вызвана необходимостью контроля плотности жидкого ЭВВ, сенсибилизированного пузырьками газа или полыми микросферами, после заряжания его в скважину. Дело в том, что средняя плотность ЭВВ изменяется в зависимости от объемной доли газовых включений или микросфер при изменении гидростатического давления в эмульсии. Плотность эмульсии всегда выше на дне скважины, там, где размещается боевик (промежуточный детонатор). При определенных обстоятельствах, например, при задержке на несколько дней подрыва скважин после их заряжания, плотность эмульсии может повыситься, и приблизиться к опасной пороговой величине, выше которой детонация не может распространяться по ЭВВ. Подрыв уплотненной эмульсии чреват неприятными последствиями (увеличением окислов азота в продуктах детонации, отказом детонации заряда в некоторых скважинах), и этого следует избегать. Необходим регулярный контроль плотности эмульсии в нескольких ключевых скважинах. Для этого нужно устройство, «одноразовый» измерительный зонд которого перед заряжанием опускается на дно скважины в область размещения боевика. «Одноразовый» зонд должен быть исключительно простым и дешевым, так как при взрыве он будет уничтожен.
Известны многочисленные конструкции плотномеров. Большинство из них содержит одну или две диафрагмы, связанные с датчиком давления через жидкую среду (см., например, RU 2145703, опубл. 20.02.2000). Наличие диафрагм создает дополнительные погрешности при передаче давления на датчик. Нередко диафрагмы имеют большие габариты. Возможность уменьшения габаритов ограничена, так как вызывает прогрессивное увеличение жесткости диафрагм, что приводит к резкому снижению точности измерений. Кроме того, большие габариты диафрагм ограничивают область применения приборов, и их нельзя использовать в скважинах, типовой диаметр которых редко превышает 250 мм.
Известны устройства для измерения плотности (RU 2137109, опубликован 10.09.1999 и RU 2213340, опубликован 27.09.2003), содержащие расположенные на разных уровнях в исследуемой среде две герметичные камеры, у которых, по крайней мере, одна стенка выполнена в виде эластичной мембраны, соединенные с «пьезотрубками». Камеры с мембранами и «пьезотрубки» заполнены специальными несмешивающимися жидкостями, легкой и тяжелой. Система измерения в данных известных устройствах очень сложна. Она основана на отличиях свойств несмешивающихся жидкостей: диэлектрические проницаемости первой и второй жидкостей должны более чем на порядок отличаться друг от друга. Специальные сенсоры, измерители электрической емкости, фиксируют уровень раздела жидкостей. Он смещается в зависимости от давления измеряемой среды, а сигнал от сенсора обрабатывается особым вычислительным  комплексом. Данные плотномеры с «пьезотрубками» и емкостными датчиками (причем каждый датчик снабжен двумя рабочими электродами и тремя охранными электродами) при измерениях погружаются в исследуемую жидкость, следовательно, при использовании для ЭВВ будут уничтожены при взрыве, что для однократного применения неприемлемо по цене. Кроме того, данные устройства содержат металлические части и электрические компоненты, питаемые с поверхности через длинные металлические провода, что недопустимо при измерениях в скважинах, заполненных ЭВВ с установленным боевиком.
Известен гидростатический скважинный плотномер для применения в разведочных и эксплуатационных нефтяных и гидрогеологических скважинах (RU 2483284, опубл. 27.05.2013). В данном известном плотномере объемные диафрагмы отсутствуют, но он также непригоден для однократного измерения плотности ЭВВ в скважине из-за высокой стоимости.
Известен преобразователь измерительный для контроля и измерения плотности загрязненных и чистых жидких сред (RU 2390755 С1, опубл. 27.05.2010 Бюл. № 15). В этом преобразователе имеется пьезорезистивный датчик, разделяющий два объема, заполненных кремнийорганической жидкостью, сообщающейся с двумя разнесенными мембранами. Давление столба жидкости действует на мембраны и передается через промежуточную жидкость на лицевую и тыльную стороны датчика, обеспечивая его прогиб пропорционально разнице гидростатических давлений в верху и внизу столба. Сигнал датчика преобразуется специальным электронным блоком в величину средней плотности столба жидкости между диафрагмами. Такой плотномер обеспечивает высокую точность измерений, однако имеет сложную конструкцию, дорог, а главное непригоден для измерений плотности ЭВВ так как имеет связь с измерительным прибором посредством металлических проводов, что недопустимо при работе со взрывчатым веществом.
В качестве чувствительного элемента в настоящем изобретении выбран мембранный датчик давления, в котором прогиб мембраны, ограниченной по перемещению, вызывает срабатывание оптического индикатора. Известен датчик давления мембранного типа, в котором перемещение мембраны ограничивается изготовленными с ней заодно столбиками, упирающимися в неподвижный корпус датчика (RU 2137099 С1, опубл. 10.09.1999). Недостатком такого датчика является сложность изготовления мембраны одновременно с опорными столбиками.
Также известен датчик аварийного давления масла двигателя внутреннего сгорания (RU 95120 U1 опубл. 10.06.2010 Бюл. №16). Это датчик дискретного типа, позволяющий замкнуть электрическую цепь при достижении во внешней среде давления, соответствующего конструкционно заданному при производстве датчика. Датчик имеет подвижную мембрану, соединенную с электрическим контактом. При воздействии на мембрану подвижный контакт замыкает электрическую цепь. Уровень давления срабатывания задается жесткостью пружины подпирающей мембрану. Подобный датчик похож на используемый в настоящем изобретении, однако является дискретным и не может быть использован для измерения величины давления.
Прототипом настоящего изобретения является устройство для контроля плотности эмульсионного взрывчатого вещества или других жидкостей в вертикальных скважинах и способ осуществления контроля плотности (RU 2698737 C1, опубл. 29.08.2019, Бюл. №25). Описанный прототип имеет измерительный зонд, содержащий расположенные в контролируемой среде один над другим на известном фиксированном расстоянии чувствительные элементы, представляющие собой эластичные камеры, закрепленные на рейке с грузом и соединенные при помощи пневматических шлангов, а также содержит системы кранов с манометром и воздушным насосом. Измерение средней плотности столба жидкости осуществляется путем расчета с использованием величин измеренных гидростатических давлений на уровне верхней и нижней камер. Измерение давления осуществляется последовательным нагнетанием в каждую из камер воздуха с одновременным контролем показаний манометра. Пока при накачке камера расправляется, принимая цилиндрическую форму, давление внутри нее остается равным гидростатическому давлению на глубине расположения камеры. На манометре это видно как выравнивание давления после каждого качка насоса на определенном уровне. При превышении же гидростатического давления установившиеся после качка насосом показания манометра начинают расти. Нами были проведены испытания прототипа, которые показали, что при его работоспособности и простоте конструкции также имеются существенные недостатки. Во-первых, от сенсора к поверхности идут две газовые коммуникации. Это осложняет спуск сенсора в скважину, так как газовые шланги путаются, либо требует дополнительного времени на скрепление их между собой. Во-вторых, относительно большие размеры эластичных камер порядка 20 см требуют их разнесения на высоту более одного метра для достижения приемлемой точности измерений. В-третьих, необходима тренировка оператора для совершения качков насосом с требуемыми усилием и частотой. Неопытный оператор не может добиться высокой повторяемости измерений. И, наконец, измерения занимают длительное время, так как необходимо выполнить не менее десятка измерений, чтобы убедиться в надежности результата. Алгоритм измерений сложен для его автоматизации, так как требует сложной механики и электроники. У рассматриваемого прототипа также нет никакого способа контролировать состояние сенсора извне, в частности отметить момент достижения равновесия давлений внутри и снаружи сенсора. Большой объем эластичных камер сенсора также увеличивает погрешность измерений.
Задачей изобретения является создание устройства для контроля плотности ЭВВ или других жидкостей в вертикальных скважинах, которое обеспечит высокую точность измерения плотности для последующей оценки детонационной способности ЭВВ в контролируемой скважине, и в то же время будет отличаться существенно упрощенной конструкцией погружного сенсорного элемента, чем известный прототип. Устройство должно обеспечивать передачу контрольного оптического сигнала от сенсора, сигнализирующего о достижении в газовой полости сенсора давления равного внешнему гидростатическому давлению. Объем газовой камеры сенсора должен быть минимален для уменьшения размеров, как чувствительного элемента, так и сенсора в целом.
Задачей изобретения является также разработка способа осуществления контроля плотности ЭВВ или других жидкостей в вертикальных скважинах, который обеспечит достаточно высокую точность измерений плотности, что позволит надежно фиксировать изменения плотности, что, в частности, обеспечит надежную оценку детонационной способности ЭВВ в контролируемой скважине. Способ должен отличаться простотой, безопасностью и не требовать специальной подготовки рабочего персонала. Способ должен обеспечивать возможность автоматизации измерений.
Решение поставленной задачи достигается предлагаемым устройством для контроля плотности ЭВВ или других жидкостей в вертикальных скважинах, включающим измерительный зонд, содержащий расположенные в контролируемой среде один над другим на известном фиксированном расстоянии чувствительные элементы, представляющие собой разнесенные по высоте газовые полости, соединенные при помощи пневматических шлангов между собой и измерительным устройством снаружи скважины. Чувствительные элементы снабжены механизмом изменения оптического сигнала, связанного с измерительным устройством при помощи оптического волокна. Контролируемая среда может быть тиксотропной или реопексной жидкостью или являться гетерогенной средой такой как ЭВВ, сенсибилизированное газовыми пузырьками или микросферами.
Чувствительные элементы представляют собой цилиндрические или иной формы газовые полости, закрытые с одной из сторон эластичной мембраной с ограниченной подвижностью. Внутри газовых полостей мембрана связана с устройством изменения оптического сигнала в момент нахождения мембраны в положении соответствующем равновесию давлений внутри полости и снаружи в контролируемой среде. Устройства изменения оптического сигнала представляет собой светодиод с цепью питания миниатюрного гальванического элемента (элемента электропитания), замыкаемой подвижной мембраной в момент равновесия давлений. Как вариант устройство изменения оптического сигнала может представлять собой отклоняемый зеркальный элемент или шторку, изменяющие приходящее по оптоволокну извне оптическое излучение. Устройства изменения оптического сигнала  разных чувствительных элементов являются источниками оптического излучения различного спектрального диапазона для того чтобы их можно было различать в измерительном устройстве на поверхности земли. В качестве пневматического шланга от зонда к измерительному устройству может использоваться отработанная ударноволновая трубка типа «нонель», являющаяся отходом взрывных работ.
На поверхности земли находится регистрирующее устройство, состоящее из манометра, устройства визуализации оптического сигнала, пневматического насоса и воздушных кранов. Манометр может быть подключен к электронному или механическому регистратору давления.
Решение поставленной задачи достигается также предлагаемым способом контроля плотности ЭВВ в вертикальных скважинах путем измерения давления на разных уровнях в контролируемой среде, для чего в контролируемую среду помещают измерительный зонд, содержащий расположенные один над другим на известном фиксированном расстоянии чувствительные элементы, представляющие собой газовые полости, закрытые с одной из сторон эластичными мембранами с ограниченной подвижностью и устройством изменения оптического сигнала. Зонд связан с измерительным устройством пневматическим шлангом и оптическим волокном. В зонд с поверхности проводится накачка воздуха  для повышения давления попеременно в нижнем и верхнем чувствительных элементах. Давление контролируется и фиксируется его величина при появлении оптических сигналов от чувствительных элементов о положении мембран, соответствующих равновесному давлению внешней контролируемой среды. Затем по разности измеренных давлений в нижнем и верхнем чувствительных элементах рассчитывают плотность ЭВВ в скважине.
h
На фиг. 1 представлена схема устройства. В скважину (1) заполненную ЭВВ (2) помещен зонд, состоящий из двух чувствительных элементов (3) закрепленных на расстоянии на корпусе (4). Каждый чувствительный элемент содержит газовую полость (5), внутри которой установлено устройство изменения оптического сигнала (6), связанное оптическим волокном (7) с измерительным устройством (8). Оптическое волокно проложено внутри пневматических шлангов (9). Пневматические шланги и оптические волокна от чувствительных элементов объединены внутри специального коллектора (10), так что газ нагнетается одновременно в обе полости, а оптический сигнал одинаково проходит как от измерительного устройства в чувствительные элементы, так и обратно по одному оптическому волокну. Газовая полость каждого чувствительного элемента герметично закрыто эластичной мембраной (11). Устройство изменения оптического сигнала одновременно является ограничителем движения мембраны внутрь газовой полости. Снаружи движение мембраны ограничивается специальными выступам - ограничителями (12) на корпусе чувствительного элемента. Эти выступы образуют решетку, которая ограничивает подвижность мембраны. Мембрана связана механически тягой (13) с устройством изменения оптического сигнала (зеркалом (14) или микроэлектропереключателем (15)). Устройство изменения оптического сигнала может быть различным по конструкции. На фиг. 1 показаны два варианта устройства. Один вариант является источником света, так как внутри него смонтирован светодиодный или иной источник света (16), запитываемый встроенной электробатареей (17). В различных чувствительных элементах используются светодиоды разного цвета, что позволяет понять какой чувствительный элемент, подавший световой сигнал находится в равновесии по давлению с окружающей средой. Второй вариант имеет встроенное зеркало механически связанное с мембраной, которое прерывает при повороте зеркала (11) отраженный световой сигнал, подаваемый по оптоволокну извне, создавая событие, отмечающее факт нахождения мембраны в состоянии равновесия с внешней контролируемой средой. Оптические волокна и пневматические шланги от обоих чувствительных элементов подключены через коллектор (10) к измерительному устройству (8). Измерительное устройство (8) содержит пневматический насос (18), манометр (19) и оптический индикатор. Вместо манометра (19) может быть использован тензорезистивный датчик давления, подключенный к регистратору-самописцу. Оптический индикатор состоит из полупрозрачного зеркала (20) разделяющего световой поток, пришедший от чувствительных элементов на два луча (21 и 22), направляемые каждый через свой светофильтр (23, 24) либо к фотоприемнику, либо окошко индикации в корпусе регистрирующего устройства. Спектральная полоса пропускания светофильтров 23 и 24  соответствует спектру излученного или отраженного излучения чувствительных элементов. В случае, если световая индикация равновесного положения мембраны (11) основана на отраженном свете, то в измерительном устройстве также размещаются источники оптического излучения соответствующего спектра (не показанные на рисунке, так как их техническая реализация и принцип работы выходит за рамки этого устройства), посылающие оптический сигнал в оптическое волокно (7).
В качестве пневматических шлангов может быть использована отработанная ударноволновая трубка типа «Нонель», в изобилии имеющаяся на карьерах. Подходящая ударноволновая трубка имеет наружный диаметр 3-4 мм и внутренний 1 мм. При проведении предварительных испытаний устройства хорошо себя зарекомендовало поликарбонатное оптическое волокно диаметром 0.8 мм. Подобное волокно, будучи оплавленным с одного конца, легко вставляется вручную в предварительно распрямленную ударноволновую трубку длиной до 25 м и более.
Р
Р
1
2
Устройство работает следующим образом. Измерительный зонд помещается в скважину до заливки ЭВВ либо погружается в уже залитую скважину на необходимую глубину. Как правило, интерес представляет плотность ЭВВ на глубине размещения детонатора. Измерительный зонд находится в скважине все время, необходимое для подготовки к взрыву блока скважин. Давление в газовых камерах (5) соответствует атмосферному. Эластичные мембраны (11) обоих чувствительных элементов прижаты к корпусам устройств изменения оптического сигнала (6), препятствующих прогибанию мембран внутрь газовых полостей (5). При этом микровыключатель (15) разомкнут, а в случае использовании второго варианта чувствительного элемента зеркало (14) отклонено и не отражает приходящий от измерительного устройства свет. Снаружи скважины, у ее устья, остается пневматический шланг и со вставленным внутрь волокном. При необходимости провести измерения плотности к пневматическому шлангу и оптоволокну подключается измерительное устройство. В измерительный зонд при помощи насоса медленно подается воздух. Мембрана верхнего чувствительного элемента движется наружу от газовой полости и в некоторый момент занимает нейтральное положение, соответствующее равновесию давлений внутри газовой полости и в скважине. В этот момент выключателем (15) замыкается цепь светодиода (16) и по оптическому волокну проходит вспышка одного цвета. Оператор видит эту вспышку на оптическом индикаторе либо в виде отметки на сигнале давление-время на экране регистратора-самописца и фиксирует величину давления  в момент этой вспышки. Затем оператор продолжает нагнетать давление, и мембрана нижнего чувствительного элемента занимает равновесное положение, а мембрана верхнего упирается в ограничитель (12). При этом оператор наблюдает вспышку другого цвета либо отметку этой вспышки на регистраторе. Оператор фиксирует вторую величину давления . По полученным величинам давления рассчитывается средняя плотность контролируемой среды на уровне измерительного зонда. Для этого используется формула:
,
Р
Р
h
g
1
2
где  и  - величины измеренного давления на верхнем и нижнем чувствительных элементах,  - разница в высоте расположения чувствительных элементов (0.2 м),  - ускорение свободного падения. Опыты показали, что при условии свободного хода мембран до 2 мм устройство позволяет измерять плотность с погрешностью 2%.  Вариант конструкции плотномера, в котором используется фотодиоды для регистрации вспышек, легко поддается автоматизации. Задачей оператора является только нагнетание давления.
Предлагаемое устройство имеет минимум одноразовых деталей. Так электрическая схема чувствительных элементов может быть выполнена в виде пленочной печатной платы одновременно с мембраной. Измерительный зонд содержит доли грамма металлических компонентов, а зонд, работающий на отраженном свете, вообще их не содержит и может быть использован в скважинах, наполненных взрывчатым веществом.