УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ГАЗОЖИДКОСТНОЙ СРЕДЫ

Полезная модель относится к области геофизических исследований действующих нефтяных и газовых скважин и может быть использована в качестве аппаратуры для проведения геофизических и гидродинамических измерений, в частности, для определения величины расхода газа или жидкости в скважине.
Известен скважинный расходомер (СР), применяемый для определения величины расхода газа или жидкости в скважине, содержащий корпус, составной хвостовик из штока и ползуна, эластичную турбинку с осью и угол регистрации оборотов турбинки, а также механизм позиционирования СР по оси скважины и механизм стабилизации расстояния между опорами оси турбинки. Оба механизма выполнены в виде шарнирных сочленений звеньев друг с другом, корпусом и хвостовиком, и подпружинены упругим элементом для приведения СР в рабочее, так называемое «раскрытое», состояние в скважине. Для определения величины расстояния между корпусом и хвостовиком используют расчетную формулу, связывающую геометрические параметры скважинного расходомера (патент на полезную модель RU №54624, МПК Е21В 47/10).
Однако данная конструкция не учитывает направления измеряемого потока газожидкостной среды, что может привести к получению недостоверных сведений по величине расхода.
Известен скважинный расходомер, содержащий корпус, хвостовик со штоком, турбинку, подпятники, втулки, установленные на корпусе и хвостовике с возможностью возвратно-поступательного движения, двуплечие и одноплечие тяги, пружину, закрылки, узел регистрации числа оборотов. В расходомере длина двуплечих и одноплечих тяг подобрана по формуле таким образом, что корпус и хвостовик, на которых расположены подпятники турбинки, сохраняют свое положение относительно друг друга постоянным во всем диапазоне от закрытого состояния до открытого состояния расходомера (патент на изобретение №1761947, МПК Е21В 47/10).
Недостатком данного устройства является неточное измерение расхода при изменении диаметра исследуемой скважины и направления потока газожидкостной среды, так как устройство предварительно калибруют в соответствии с определенным диаметром скважины и заданным направлением потока. При изменении вышеуказанных параметров не представляется возможным провести их перенастройку ввиду отсутствия в составе устройства необходимых конструктивных блоков измерения диаметра скважины и направления вращения турбинки.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является устройство для измерения расхода газожидкостной среды, включающее корпус, шток с хвостовиком, связанный с корпусом, эластичную турбинку, размещенную на оси между корпусом и хвостовиком, втулки, установленные на корпусе и штоке с возможностью возвратно-поступательного движения, узел регистрации с датчиками магнитного поля, рычажный механизм, состоящий из как минимум трех групп звеньев, каждая группа содержит первый верхний рычаг, шарнирно соединенный с корпусом и первым нижним рычагом, шарнирно соединенным с втулкой, расположенной на штоке, две тяги, одна из которых шарнирно соединена с первым верхним рычагом и подвижной втулкой на корпусе, а вторая тяга соединена шарнирно с первым нижним рычагом и хвостовиком, пружину для раскрытия рычагов. Устройство фиксирует число оборотов турбинки, определяет направление движения потока измеряемой среды и позволяет определить диаметр исследуемой скважины (патент на полезную модель RU №86237, МПК Е21В 47/10).
Недостатками данного устройства являются, максимальный предел измерения диаметра скважины составляет 0,155 м, ограничение обусловлено двумя причинами. Это ограниченная длина двуплечих рычагов, изготовить которые длиннее, при сохранении такой же точности выполнения размеров - сложная технологическая задача, и ограниченный угол раскрытия расходомера, увеличение которого приведет к смещению хвостовика в сторону корпуса, следовательно, блокированию оси с турбинкой и тем самым к невозможности измерения расхода. К конструктивным недостаткам устройства относится ухудшение эксплуатационных свойств в процессе эксплуатации, вследствие засорения подвижных узлов устройства частицами, содержащимися в скважинной жидкости. Это может привести к заклиниванию оси турбинки, смятию наконечника оси, разрушению узла опоры оси турбинки. Вследствие трения рычагов устройства о стенки скважины спуск устройства в скважину затруднен, вследствие этого возможно заклинивание устройства в скважине при спуске.
Задачей полезной модели является усовершенствование устройства для измерения расхода газожидкостной среды в скважине.
Технический результат заявляемой полезной модели заключается в увеличении максимального предела измерения диаметра скважины при повышении точности измерения расхода и надежности устройства.
Поставленная задача решается тем, что в устройстве для измерения расхода газожидкостной среды, включающем корпус, шток с хвостовиком, связанный с корпусом, эластичную турбинку, размещенную на оси между корпусом и хвостовиком, втулку, установленную на корпусе и штоке с возможностью возвратно-поступательного движения, узел регистрации с датчиками магнитного поля, рычажный механизм, состоящий из как минимум трех групп звеньев, каждая группа содержит первый верхний рычаг, шарнирно соединенный с корпусом и первым нижним рычагом, шарнирно соединенным с втулкой, расположенной на штоке, две тяги, одна из которых шарнирно соединена с первым верхним рычагом и подвижной втулкой на корпусе, а вторая тяга соединена шарнирно с первым нижним рычагом и хвостовиком, пружину для раскрытия рычагов, согласно техническому решению, каждая группа рычажного механизма дополнительно содержит второй верхний и второй нижний рычаги, шарнирно соединенные между собой, второй верхний рычаг неподвижно соединен с первым верхним рычагом, а второй нижний рычаг соединен шарнирно с дополнительной подвижной втулкой, расположенной на штоке, при этом длину рычагов выбирают в соответствии со следующими соотношениями:
BH=(HH'-BB')/2sinα,
HJ=HH'*BE/BB',
где: ВН - длина второго верхнего рычага, HJ - длина второго нижнего рычага, НН' -требуемый максимальный диаметр раскрытия устройства, ВВ' - максимальный диаметр раскрытия устройства без дополнительных рычагов ВН и HJ, ВЕ - длина первого нижнего рычага, α - максимальный угол отклонения первого верхнего рычага от оси устройства.
В соединении между собой вторых рычагов установлен ролик.
Внутренняя часть ролика выполнена из бронзы, а наружная часть из термически обработанной коррозионно-стойкой стали.
Ролик покрыт износостойким материалом.
Узел подвижной опоры оси турбинки, в полости которого размещена пружина и подвижная опора, при этом узел содержит отверстие для промывки и смазки полости.
Полезная модель поясняется чертежами.
На фиг.1 представлена кинематическая схема заявляемого устройства.
На фиг.2 схематично представлено продольное сечение заявляемого устройства для измерения расхода в зоне расположения корпуса, турбинки, рычажной системы.
На фиг.3 представлен ролик.
На фиг.4 представлен узел подвижной опоры оси турбинки.
Позициями на чертежах обозначены:
- корпус,
- хвостовик,
- пружина,
- первый верхний рычаг,
- первый нижний рычаг,
- второй верхний рычаг,
- второй нижний рычаг,
- тяга верхняя,
- тяга нижняя,
- ролик,
- втулка, установленная на штоке,
- втулка, установленная на корпусе,
- магнит, расположенный во втулке,
- датчики магнитного поля,
- турбинка,
- узел регистрации числа оборотов,
- датчик вращения,
- магнит, размещенный в оси турбинки,
- узел подвижной опоры,
- шток,
- опора нижних рычагов,
- пружина,
- подвижная опора,
- рессора,
- заклепка,
- гайка.
На кинематической схеме: А, В, С, D, Е, F, G, H, J- шарниры, АВ - длина первого верхнего рычага, ВЕ - длина первого нижнего рычага, ВН - длина второго верхнего рычага, HJ - длина второго нижнего рычага, FG - длина тяги верхней, CD - длина тяги нижней, НН' - требуемый максимальный диаметр раскрытия устройства, ВВ' - максимальный диаметр раскрытия устройства без дополнительных рычагов ВН и HJ, O-O - геометрическая ось устройства, α - максимальный угол отклонения первого верхнего рычага от оси устройства.
Устройство для измерения расхода газожидкостной среды представляет собой складную конструкцию с подвижными и неподвижными элементами, в разложенном состоянии имеющую ромбовидную форму продольного сечения (фиг.1). Устройство содержит корпус 1, связанный с хвостовиком 2 при помощи рычагов 4, 5 и тяг 8, 9, шарнирно закрепленных между собой (фиг.2). Первые верхние рычаги 4 одним концом шарнирно закреплены на корпусе 1, а другим концом входят в шарнирное соединение с одним из концов первых нижних рычагов 5, другие концы которых шарнирно соединены со втулкой 11, установленной на штоке 20 с возможностью возвратно-поступательного движения. Втулка 11 охватывает шток 20. Пружина 3 установлена на штоке 20 между гайкой 26 и втулкой 11. Тяги верхние 8 закреплены одним концом на первом верхнем рычаге 4, а другим концом на втулке 12, установленной на корпусе 1. В свою очередь, тяги нижние 9 одним концом закреплены к телу хвостовика 2, а другим концом к первым нижним рычагам 5. В полости, образованной системой рычагов 4, 5, 6, 7 и тяг 8, 9, между корпусом 1 и хвостовиком 2 на оси установлена турбинка 15, выполненная из эластичного материала, например, резины. Ось турбинки 15 упирается в узел подвижной опоры 19 и верхний конец хвостовика 2. Узел подвижной опоры 19 представлен на фиг.4 и состоит из подвижной опоры 23 и пружины 22. Подвижная опора 23 представляет собой стальную оправку, в которой с одной стороны выполнено отверстие и в него вклеен каменный подпятник с коническим углублением. В корпусе выполнено резьбовое отверстие в полость, где находится пружина. К первым верхним рычагам 4 неподвижно закреплены вторые верхние рычаги 6, с помощью заклепок 25. С другой стороны со вторыми верхними рычагами 6 шарнирно соединены вторые нижние рычаги 7, другие концы которых входят в шарнирное соединение с втулкой 21. На осях, выполненных из стали, соединяющих рычаги 6 и 7 расположены ролики 10. На вторых нижних рычагах 7 закреплены заклепками рессоры 24, которые обеспечивают открытие рычажной системы устройства из положения, когда рычаги 4, 5, 6, 7 параллельны оси устройства O-O и пружина 3, так же расположенная соосно, еще не обеспечивает открытие системы рычагов 4, 5, 6, 7. Для регистрации числа оборотов турбинки 15 на корпусе 1 размещен узел регистрации числа оборотов 16, представляющий собой комплект измерительных датчиков, установленных в единый корпус. Корпус узла регистрации числа оборотов выполнен цилиндрическим и расположен вертикально в непосредственной близости от корпуса устройства. Также в узел регистрации числа оборотов 16 установлены два дополнительных аналоговых датчика магнитного поля, представляющих собой датчики вращения 17. Над турбинкой 15 в оси размещен постоянный магнит 18, магнитное поле которого регистрируется соответствующими дополнительными датчиками магнитного поля 14, размещенными в узле регистрации числа оборотов 16 турбинки 15. Датчики 17 расположены в одной плоскости, которая перпендикулярна оси вращения эластичной турбинки 15. Конструктивно размещение датчиков вращения 17 возможно как в отдельных корпусах, так и в едином корпусе. Для обеспечения возможности определения направления вращения эластичной турбинки 15 датчики вращения 17 располагают со смещением по дуге окружности, центр которой находится в точке пересечения плоскости расположения датчиков и оси вращения турбинки 15. Фазовый сдвиг сигналов с этих датчиков однозначно определяет направление потока. Скорость вращения турбинки 15 преобразуется в электрические импульсы, которые регистрируются датчиками магнитного поля 14. Период повторения сигналов с этих датчиков пропорционален скорости вращения турбинки 15 и, следовательно, скорости потока. Втулка 12, перемещающаяся по корпусу 1, снабжена кольцевым магнитом 13. В корпусе 1 устройства в зоне перемещения втулки 12 с магнитом 13 размещены аналоговые датчики магнитного поля 14, необходимые для измерения магнитного поля магнита, расположенного во втулке 12. Датчики расположены по длине корпуса 1 устройства. Они регистрируют магнитное поле постоянного магнита 13 расположенного во втулке, перемещающейся по корпусу 1. Для компенсации внешнего магнитного поля устанавливают два идентичных датчика. Дифференциальный сигнал с этих датчиков магнитного поля пропорционален диаметру скважины. Величина диаметра скважины необходима в качестве одного из расчетных компонентов для вычисления расхода газа или жидкости в скважинах с переменным диаметром.
Конструкция ролика 10 представлена на фиг.3. Ролики 10 предназначены для снижения силы трения препятствующей спуску прибора в скважину, этим исключается трение скольжения рычагов по стенке обсадной колонны и заменяется трением качения ролика относительно стенки колонны и оси ролика, что существенно облегчает спуск устройства в скважину. Конструкция ролика 10 предполагает выполнение его внутренней части из бронзы, для снижения трения о стальную ось, а наружной части из термически обработанной коррозионно-стойкой стали, что повышает износоустойчивость ролика в целом. Дополнительно в корпусе устройства выполнена полость, где размещается подвижная опора оси турбинки и пружина сжатия. Отличие данного узла от известных аналогов составляет наличие в корпусе отверстия в полость, выполненного для промывки полости с пружиной после эксплуатации и засорения скважинным раствором, и для заполнения смазкой. Наличие отверстия для промывки позволяет опоре оси турбинки оставаться подвижной даже при засорении полости с пружиной, т.к. при движении опоры внутрь полости смесь, заполняющая полость, может перемещаться из полости через отверстие. Данное усовершенствование исключает смятие и притупление наконечника оси турбинки и разрушение опоры оси турбинки по причине ограничения подвижности опоры. Кроме того наличие смазки в полости с пружиной продлевает срок службы пружины вследствие того, что вязкая смазка снижает просачивание скважинной жидкости в полость и пружина в меньшей степени подвергается коррозии, т.к. ограничение подвижности и заклинивание опоры оси турбинки, а также разрушение пружины приводит к изменению контактных напряжений в наконечнике оси турбинки и опоре оси турбинки, это отражается на достоверности результатов измерения расхода, следовательно усовершенствованием узла опоры оси турбинки повышается достоверность показаний и надежность устройства.
Устройство для измерения расхода газожидкостной среды работает следующим образом. Перед спуском прибора в исследуемую скважину эластичную турбинку 15 сминают, прижимая первыми верхними рычагами 4. Спуск устройства по насосно-компрессорным трубам происходит в сложенном состоянии. При этом, как и в раскрытом состоянии, устройство касается стенок скважины роликами 10. Втулка 12, установленная на корпусе 1, при этом находится в самом верхнем положении, а втулка 11, установленная на штоке и опора нижних рычагов 21, находятся в самых нижних положениях. На выходе из насосно-компрессорных труб рычаги 4, 5, 6, 7 и тяги 8, 9 раскрываются под действием рессор 24 и пружины сжатия 3, длину которой можно менять для изменения силы прижима роликов 10 к стенкам скважины перемещением гайки 26. При раскрытии рычагов 4, 5, 6, 7 втулка 12 с магнитом 13, втулка 11 и опора нижних рычагов 21 перемещаются в направлении оси с турбинкой 15. Втулка 12 перемещается вниз по корпусу, при этом датчики магнитного поля 14, установленные в корпусе, регистрируют магнитное поле магнита 13, размещенного во втулке 12. Степень раскрытия рычагов 4, 5, 6, 7 и, следовательно, степень перемещения втулки 13 по корпусу 1 определяется диаметром скважины. Диаметр скважины определяют с высокой точностью, измеряя дифференциальный сигнал с датчиков магнитного поля по заведомо известным калибровочным зависимостям, например в соответствии с полиномом второй степени. После раскрытия системы рычагов 4, 5, 6, 7 эластичная турбинка 15 за счет сил упругой деформации раскрывается и начинает вращение на оси под действием потока жидкости или газа. При различных направлениях потока газожидкостной среды относительно корпуса 1 расходомера используют различные калибровочные зависимости для перевода скорости вращения турбинки 15 в скорость потока. Измерение периода повторения сигналов с датчиков вращения 17 узла регистрации скорости вращения 16 турбинки 15 и определение фазового сдвига между ними позволяет определить скорость и направление потока. По известным скоростям потока и диаметру скважины рассчитывают расход жидкости или газа.
Пример конкретного выполнения.
Изготовлено устройство для измерения расхода жидкости, содержащее корпус и хвостовик, выполненные из стали, систему рычагов из трех групп звеньев со следующими длинами: АВ=0,230 м, ВЕ=0,164 м, CD=0,055 м, СЕ=0,0885 м, AF=0,122 м, FG=0,0455 м, ВН=0,2553 м, HJ=0,3174 м и углом раскрытия 16,5°, и резиновой турбинкой диаметром 0,06 м, установленной на оси. В соединении вторых рычагов установлены ролики (следует отметить, что наличие вторых рычагов делает возможным повысить предел измерения диаметра скважины с 0,155 м до требуемого). В корпусе выполнено резьбовое отверстие в полость с узлом подвижной опоры. В корпусе установлены два датчика магнитного поля типа SS495A, расположенные в зоне крайнего верхнего и крайнего нижнего положения втулки, перемещающейся по корпусу, а узел регистрации числа оборотов турбинки дополнительно снабжен двумя датчиками вращения типа SS495A, установленными в одном корпусе и смещенными друг относительно друга на 5°. Втулка, расположенная на корпусе, и ось турбинки снабжены постоянными магнитами. Устройство фиксирует число оборотов турбинки в скважинах с диаметром от 0,138 м до 0,3 м, определяет направление движения потока измеряемой среды и позволяет определить диаметр исследуемой скважины в диапазоне от 0,053 м до 0,3 м.