ГЛУБИННЫЙ ДАТЧИК РАСХОДА БУРОВОГО РАСТВОРА
BOTTOMHOLE DRILLING FLUID FLOW RATE SENSOR

Изобретение относится к буровой технике, а именно к устройствам для определения расхода бурового раствора на забое скважины непосредственно в процессе бурения.
Известно устройство датчика скважинного расходомера (см. а.с. РФ №2018651, 1994 г.), чувствительным элементом которого является аксиальная крыльчатка. Недостатком указанного прибора является то, что с его помощью невозможно измерять расход бурового раствора на забое скважины непосредственно в процессе бурения, так как для измерения необходим спуск прибора на каротажном кабеле.
Самым близким по технической сути (прототипом) является комплексный датчик расхода газообразных и жидких сред «Гиперфлоу-3 Пм» (см. учеб. пособие Лепявко А.П. Расходомеры переменного перепада давления. - М.: АСМС, 2004, с.92), имеющий корпус, диафрагму, соединительные трубки, вентили и дифманометр. Недостатком указанного прибора является то, что рабочий диапазон окружающей среды для данного прибора от -30 до +50°С, следовательно, он не может применяться для измерения расхода бурового раствора на забое скважины в процессе бурения.
Техническая задача - создание надежного устройства для измерения расхода бурового раствора на забое скважины непосредственно в процессе бурения.
Технический результат - повышение надежности измерения расхода бурового раствора непосредственно в процессе бурения скважин.
Он достигается тем, что устройство, расположенное в нижней части бурильной трубы непосредственно над долотом и жестко фиксированное на стенках трубы, имеет механическую колебательную систему, выполненную в виде торсионно подвешенного на двух капиллярах полого баланса с мембраной, и укрепленным на нем постоянным магнитом, систему привода и съема колебаний, взаимодействующую с полем постоянного магнита, и два разделительных сосуда, сообщающиеся с капиллярами, при этом в качестве разделительной жидкости для подмембранного пространства баланса служит фтороуглеродистая жидкость Б-1, а для надмембранного - дибутилфталат.
3
3
На чертеже изображено предлагаемое устройство глубинного датчика расхода бурового раствора (вид в разрезе). Датчик имеет корпус 1, закрепленный на ребрах 2 внутри бурильной трубы 3. Сверху над корпусом 1 в трубе установлена диафрагма 4. Внутри корпуса 1 расположен полый баланс 5 с мембраной 6, разделяющей его полость на две части. Баланс 5 торсионно подвешен с двух сторон на капиллярах 7, сообщающихся с полостью баланса и разделительными сосудами 8. Полость баланса 5 заполнена двумя разделительными жидкостями разной плотности. В качестве разделительной жидкости для подмембранного пространства служит фтороуглеродистая жидкость Б-1 (плотность 2000 кг/м при 20°С), а для надмембранного - дибутилфталат (плотность 1047 кг/м при 20°С). На поверхности баланса 5 закреплен постоянный магнит 9, взаимодействующий с системой привода и съема 10. Разделительные сосуды 8 при помощи трубок 11 и каналов 12 сообщаются с точками отбора давления над и под диафрагмой 4. В точках отбора давления для защиты от абразивных частиц установлены фильтры 13.
Устройство работает следующим образом. Поток бурового раствора проходит через диафрагму 4, в результате чего создается перепад давления. Внутри стенки бурильной трубы 3 имеются каналы 12, имеющие выход на точки отбора давления над и под диафрагмой 4. Каналы 12 сообщаются по трубкам 11 через разделительные сосуды 8 и капилляры 7 с полостью баланса 5. На внешней поверхности баланса 5 закреплен постоянный магнит 9, поле которого взаимодействует с системой привода и съема 10. На обмотки системы привода и съема 10 с генератора тока, расположенного на забое (на чертеже не показан), подается импульс электрического тока. В результате взаимодействия магнитного поля магнита 9 и магнитного поля, наведенного в системе привода 10, баланс 5 отклоняется от положения равновесия. Капилляры 7 при этом образуют возвращающий момент. После того как система приведена в колебание, системой привода 10 производится съем колебаний, и импульсы тока, наведенные в ней, передаются в беспроводный электрический канал связи.
Надмембранное пространство в балансе 5 сообщается с плюсовой линией отбора давления, а подмембранное - с минусовой. Давление бурового раствора передается через разделительные жидкости, причем плотность жидкости, подводимой снизу к мембране, значительно больше плотности верхней жидкости. При увеличении расхода бурового раствора изменяется перепад давления, при этом мембрана 6 прогибается вниз, вызывая изменение массы баланса 5 за счет выдавливания из него тяжелой жидкости. Это приводит к увеличению частоты колебаний, которые через систему привода и съема 10 в виде частотного сигнала передаются на устье скважины по беспроводному электрическому каналу связи. Таким образом, частота посылаемых импульсов зависит от величины расхода бурового раствора. Частота выходного сигнала устройства лежит в инфранизкочастотном диапазоне, что хорошо согласуется с параметрами беспроводного электрического канала связи.
Надежность измерения расхода бурового раствора непосредственно в процессе бурения увеличивается за счет наличия в предлагаемом устройстве преобразователя в виде механической колебательной системы «баланс-упругий элемент», обладающего высокой надежностью, а также отсутствия электронных компонентов, неспособных работать при температурах свыше 135°С.
Для того чтобы исключить влияние изменения температуры на частоту колебаний баланса, капилляры торсионно закреплены в корпусе и выполнены из материала с независимым температурным коэффициентом линейного расширения.
Положительный эффект - повышение надежности измерения расхода бурового раствора непосредственно в процессе бурения скважин.