ДАТЧИК СКВАЖИННОГО РАСХОДОМЕРА

Полезная модель относится к устройствам для определения расхода и направления потока жидкости, в том числе загрязненных, в буровых скважинах и может быть использована для диагностики поглощений с целью разработки и оптимизации процессов и технологий их последующего устранения (ликвидации) при бурении, сооружении или эксплуатации скважин.
Известен скважинный расходомер ДАУ-3М (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 пластика-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: P=L·ρ·g, где P - 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 где 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 и 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 крыльчаки, 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 связано 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.
Тахометрическим преобразователем в таком расходомере может быть по аналогии с прибором ДАУ дифференциальный индуктивный (выше упомянут), либо по аналогии с его малогабаритным вариантом (А.С. Волков, Р.И. Тевзадзе. Тампонирование геологоразведочных скважин, М., Недра, 1986 г., стр. 79-80) - герконовый.
Известно изобретение «Датчик скважинного расходомера» патент РФ №2536079 (заявлено 25.07.2013 г. №2013135054/03(0525134), МПК E21B 47/10, G01F 1/10; опубликовано 20.12.2014 г.) наиболее близкий заявляемому и принятый в качестве прототипа. Он содержит 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 меньший 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. Применение прибора позволяет повысить его работоспособность в загрязненных скважинных жидкостях.
Однако, его конструкция имеет резервы повышения надежности работы в скважинных условиях при работе в скважинных жидкостях. Это связано с тем, что в нем:
- защищенным от попадания в него загрязненной скважинной жидкости является только объем корпуса тахометрического преобразователя, а незащищенным - объем корпуса крыльчатки, который в скважине заполняется загрязненной скважинной жидкостью (она может содержать различного характера загрязнения - от глинистых комочков и реагентных образований до многообразия наполнителей, в том числе ветоши, размокшей бумаги и пр.). Уязвимым в этом объеме является и агатовый подпятник в объеме корпуса крыльчатки (в тахометрических преобразователях расходомеров широко применяются в качестве подшипников - шариковые, роликовые и др.). Попадание загрязнений из бурового раствора в кольцевой зазор между регулировочным винтом и корпусом крыльчатки (объем корпуса крыльчатки), а также в подшипники, может приводить к увеличению трения и сил сопротивления вращению крыльчатки, и как следствие - к изменению ее метрологических характеристик, либо к ее заклиниванию и потере работоспособности прибора. С этим связана низкая надежность прибора в таких условиях, ограниченная 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;
- несовершенна конструкция узла стопора поршня - применения в прототипе «…стопора, установленного на изогнутой пластине снаружи корпуса капсулы, выполненной с возможностью взаимодействия с поплавком…» При такой конструкции высока вероятность попадания под изогнутую пластину (между корпусом капсулы и верхом изогнутой пластины): падающих сверху со стенок сухого интервала скважины - песка, частичек пород (при спуске датчика в скважине от ее устья к уровню жидкости в ней; загрязнений, зачастую находящихся (всплывших) на поверхности жидкости в скважине (в начальный момент погружения датчика в жидкость). Это приводит к заклиниванию их (загрязнений) под изогнутой пластиной, остановке всплытия поплавка, и, в конечном итоге, к не растормаживанию поршня в капсуле и к не срабатыванию источника защитной среды. С этим недостатком связано снижение надежности работы прототипа в скважинных условиях. Практическим опытом подтверждена не эффективность узла стопора поршня в прототипе, благодаря которому следует, что в 30% случаях спуска скважинного датчика из-за заклинивания поплавка наблюдаются отказы в срабатывании узла стопора.
Технический результат заявляемой полезной модели заключается в создании датчика скважинного расходомера более надежно функционирующего при гидродинамических исследованиях скважин.
Достигается он 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 устанавливаемым регулировочным винтом, 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, а другим - полый корпус крыльчатки, и источник защитной среды в виде капсулы, и с которым сообщен колпак корпуса преобразователя, в нем 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 меньший 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 пластине снаружи корпуса капсулы, выполненной с возможностью взаимодействия с поплавком на корпусе капсулы, он снабжен вторым аналогичным источником защитной среды в виде капсулы, сообщенным с другим колпаком - полым корпусом крыльчатки посредством канала, включающего отверстие в регулировочном винте, а объем защитной жидкости во втором аналогичном источнике защитной среды в виде капсулы - не меньше объема полого корпуса крыльчатки; пластина с установленным на ней стопором на каждом источнике защитной среды является плоской и подпружиненной, установлена вдоль корпуса капсулы, причем нижний ее конец жестко закреплен на нем, а верхний - свободный, с возможностью взаимодействия с поплавком на корпусе капсулы.
Реализация отличительных признаков обуславливает появление у заявляемого датчика скважинного расходомера нового свойства - повышение надежности его функционирования при гидродинамических исследованиях скважин.
Сочетание признаков заявляемого датчика скважинного расходомера позволяет, за счет повышения надежности его функционирования, расширить условия его применения.
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 (герконового) преобразователя предлагаемого датчика; на фиг. 4 - схема тахометрического (герконового) преобразователя предлагаемого датчика с источниками защитной среды объемов колпаков полых корпусов преобразователя (защита объема ТП-ВК) и крыльчатки (защита объема К-ВК).
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 (защита объема ТП-ВК); 31 - трубка сообщения канала 30 с корпусом 32 капсулы с защитной жидкостью (защита объема ТП-ВК); 32 - корпус капсулы с защитной жидкостью в ней (защита объема ТП-ВК); 33 - защитная жидкость в капсуле (защита объема ТП-ВК); 34 - поршень(защита объема ТП-ВК); 35 - стопор (шпилька-стопор (защита объема ТП-ВК); 36 - пружина (защита объема ТП-ВК); 37 - отверстие в регулировочном винте (защита объема К-ВК); 38 - объем колпака крыльчатки (защита объема К-ВК); 39 - шток поршня (защита объема ТП-ВК); 40 - ручка перемещения поршня, при заправке капсулы защитной жидкостью и установке стопора 35 (защита объема ТП-ВК); 41 - подпружиненная плоская пластина - плоская пружина (защита объема ТП-ВК); 42 - поплавок (защита объема ТП-ВК); 43 - трубка сообщения отверстия в регулировочном винте 37 с корпусом 44 капсулы с защитной жидкостью (защита объема К-ВК); 44 - корпус капсулы с защитной жидкостью в ней (защита объема К-ВК); 45 - защитная жидкость в капсуле 44 (защита объема К-ВК); 46 - поршень (защита объема К-ВК); 47 - стопор (шпилька-стопор); 48 - пружина (защита объема К-ВК); 49 - шток поршня (защита объема К-ВК); 50 - ручка перемещения поршня (защита объема К-ВК); 51 - подпружиненная плоская пластина - пружина (защита объема К-ВК); 52 - поплавок (защита объема К-ВК).
Устройство датчика скважинного расходомера.
Расходомер ДАУ-3М 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 13.
В качестве тахометрического преобразователя в скважинном датчике расходомера ДАУ-3М 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 датчика скважинного расходомера (фиг. 4) содержит один источник защитной среды в объеме тахометрического преобразователя (объем ТП-ВК) - 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 установленном на подпружиненной пластине 41, расположенной снаружи корпуса капсулы 32 и с которой может взаимодействовать поплавок 42 при его перемещении по корпусу капсулы 32.
Также, он содержит второй источник защитной среды в объеме корпуса крыльчатки (объем К-ВК) - капсулу (ее корпус 44) с защитной жидкостью 45 находящейся ней до погружения датчика в скважинную жидкость. Капсула 44 трубкой 43 каналом 37 в регулировочном винте 15 соединена с К-ВК. Поршень 46 капсулы подпружинен пружиной 48, а в заряженном состоянии капсулы удерживается шпилькой-стопором 47 установленном на подпружиненной пластине 51, расположенной снаружи корпуса капсулы 44 и с которой может взаимодействовать поплавок 52 при его перемещении по корпусу капсулы 44.
Работа датчика скважинного расходомера.
Работает он следующим образом (фиг. 4). Перед спуском датчика скважинного расходомера в скважину (при положении его на дневной поверхности) ТП-ВК и К-ВК и поршни 34 и 46 в них свободны от взаимодействия с шпильками-стопорами 35 и 47 и находятся в крайних нижних положениях в корпусах капсул 32 и 44, которые свободны от защитной жидкости 33 и 45 (керосина). После установки крыльчатки и регулировки ее свободного вращения винтом 15 (фиг. 1), поочередно, корпуса капсул 32 и 44 открепляют рассоединением хомутов от направляющих стержней датчика, (в скважинном датчике корпус капсулы закрепляется хомутом на стержнях 4 (на фиг. 1). 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. В аналогичной последовательности заряжают капсулу 44 (для чего предварительно трубку 43 отсоединяют от регулировочного винта 15).
После зарядки капсул 32 и 44 защитной жидкостью 33(45) их устанавливают в корпусе датчика (на направляющих стержнях датчика) путем закрепления корпусов капсул к направляющим стержням 4 хомутами (на фиг. 1). При этом нижний конец трубки 31 соединяют с каналом 30, а нижний конец трубки 43 соединяют с регулировочным винтом 15. 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 объемов корпусов ТП-ВК и К-ВК, приемущественно заполнена воздухом, а нижняя незначительная часть его объема - скважинной жидкостью. В таком положении датчика поплавки на капсулах, соответственно 42 и 52 всплывают, перемещаясь вверх, освобождая подпружиненные пластины 41 и 51, которые отклоняясь выводят из зацепления шпильки-стопоры 35 и 47 с поршнями 34 и 46, растормаживая их.
Под действием пружин 36 и 48 они (поршни 34 и 46) перемещаются вниз, выдавливая из корпусов 32 и 44 защитную жидкость 33 (45), которая по трубкам 31 и 43, а также каналам 30 и 37 перемещается в ТП-ВК и К-ВК. Обладая меньшей чем у скважинной жидкости плотностью и свойством не смешиваться с ней, защитная жидкость 33 (45), двигаясь в нем сверху, заполняет весь объем ТП-ВК и К-ВК (в том числе вытесняя и имеющуюся в них скважинную жидкость) и сохраняет такое положение (заполнение всего объема ТП-ВК и К-ВК защитной жидкостью) в течении 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 и К-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, а также полого объема крыльчатки от попадания в них из загрязненной скважинной жидкости разного рода включений в течении всего периода скважинных исследований. Предложенная конструкция узла стопора поршня, исключающая наличие изогнутой пластины, с которой может быть связано ее загрязнение и отказ в работе узлов стопора поршней, позволяет повысить надежность работы заявляемого датчика. Решениями в заявляемом датчике скважинного расходомере достигается сохранение прибором метрологических характеристик, а в некоторых случаях, даже, его работоспособности, свойств, определяемых его более высокую надежность.
Процесс зарядки защитных капсул 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 более надежно в сравнении с прототипом, 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 настоящей полезной модели) их узлов - тахометрических преобразователей и крыльчаток.
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.