ПЛОТНОМЕР ГИДРОСТАТИЧЕСКИЙ СКВАЖИННЫЙ
HYDROSTATIC DOWNHOLE DENSITOMETER

Изобретение относится к приборостроению, а именно к плотномерам жидкости и газа, применяемым при геофизических исследованиях нефтяных, газовых и гидрогеологических скважин. Оно может найти применение в нефтегазодобывающей отрасли промышленности и гидрогеологии.
Известен глубинный плотномер (а.с. СССР №450095 от 15.11.74), содержащий измерительную систему, состоящую из двух сильфонов, расположенных на разной высоте, вспомогательный сильфон и электромеханический преобразователь линейных перемещений торца вспомогательного сильфона.
Недостатком плотномера является низкая точность измерений, вызванная погрешностью работы электромеханического преобразователя линейных перемещений и гистерезиса деформационных перемещений измерительных сильфонов.
Известен преобразователь давления APR-2200D для измерения плотности жидкости в открытых и закрытых емкостях (Интеллектуальный гидростатический преобразователь давления для измерения плотности APR-2200D, http://www.aplisens.rn/catalog/APR-2200D.pdf). Он содержит дифференциальный датчик давления с двумя вынесенными для увеличения базы измерения диафрагменными приемниками давления, которые по трубкам, заполненным жидкостью с известными физическими свойствами, передают давление на входы дифференциального датчика.
Недостатками устройства являются:
- наличие диафрагм, создающих погрешности при передаче давления на входы дифференциального датчика, что снижает точность измерений;
- изменение температуры и давления жидкости внутри трубок и диафрагменных приемников давления вызывает изменение ее объема, вследствие чего диафрагмы получают перемещение; в случае разности температур внутри трубок и диафрагменных приемников давления диафрагмы имеют разное перемещение, что приводит к возникновению дополнительной разницы давления на датчике и снижению точности измерений;
- большие габариты диафрагм; возможность уменьшения габаритов ограничена, так как вызывает прогрессивное увеличение жесткости диафрагм, что приводит к резкому снижению точности измерений; большие габариты диафрагм ограничивают область применения приборов, например, в трубах или скважинах малого диаметра.
Известен преобразователь давления с вынесенной герметичной диафрагмой и контуром коррекции и способ измерения давления (патент RU №2145703 от 28.02.1995).
Преобразователь может использоваться в качестве плотномера жидкости, находящейся в емкости. Он, в частности, содержит дифференциальный датчик давления с двумя вынесенными диафрагменными приемниками давления, связанными с входами дифференциального датчика давления трубками, заполненными жидкостью с известными физическими свойствами (фиг.11). Преобразователь имеет средства для контроля температуры жидкости в трубках и выносных приемниках давления (фиг.10), что позволяет минимизировать погрешность измерения давления при изменении температуры жидкости в трубках и приемниках.
Недостатком преобразователя является наличие диафрагм, создающих дополнительные погрешности при передаче давления на дифференциальный датчик давления.
Другим недостатком являются большие габариты диафрагм. Возможность уменьшения габаритов ограничена, так как вызывает прогрессивное увеличение жесткости диафрагм, что приводит к резкому снижению точности измерений. Большие габариты диафрагм ограничивают область применения приборов, например, в трубах или скважинах малого диаметра.
Известно устройство для гидростатического измерения плотности жидкостей, текущих по трубопроводу (а.с. СССР №197250 от 19.04.1966, прототип).
Хотя прибор предназначен для гидростатического измерения плотности жидкостей, текущих по трубопроводу, а не в скважине, он наиболее близок по существенным признакам к изобретению и поэтому выбран в качестве прототипа.
Устройство содержит корпус 2, в котором установлены два измерительных элемента, состоящих из разделителей 9 и пружин 10, которые по существу представляют собой дифференциальные датчики давления. Измерительные элементы разделяют внутреннее пространство корпуса на три камеры: внутреннюю камеру 8, расположенную между измерительными элементами, и две концевые камеры 7, расположенные на концах корпуса устройства. Все камеры заполнены жидкостью с известными физическими свойствами. Каждая камера гидравлически связана со своим источником давления с помощью диафрагменных камер 4, 5 и трубок 6, также заполненных жидкостью с известными физическими свойствами. Разность давлений между концевыми камерами и внутренней камерой преобразуется в перемещение соответствующих измерительных элементов, которые воздействуют на электромеханический суммирующий преобразователь, сигнал с которого подается на вторичный прибор.
Недостатком устройства является наличие диафрагменных камер в точках отбора давления, создающих дополнительные погрешности при передаче давления на измерительные элементы.
Другой недостаток связан с разницей температур жидкости внутри трубок и связанных с ними диафрагменных камерах. Разница температур вызывает различное изменение объема заполняющей их жидкости, вследствие чего диафрагмы перемещаются неодинаково и создают различное дополнительное давление на дифференциальные датчики, что приводит к ошибкам измерений.
Недостатком являются также большие габариты диафрагменных камер. Возможность уменьшения габаритов ограничена, так как вызывает прогрессивное увеличение жесткости диафрагм, что приводит к резкому снижению точности измерений. Большие габариты диафрагм ограничивают область применения приборов, например, в трубах или скважинах малого диаметра.
Задачей изобретения является повышение точности измерений и уменьшение диаметра плотномера.
Это достигается путем непосредственного соединения концевых камер со скважинной средой без использования выносных трубок и диафрагменных камер и соединением внутренней камеры со скважинной средой через отверстие в боковой стенке корпуса с помощью разделителя сред с подвижной перегородкой, установленного внутри корпуса устройства.
На фиг.1 представлен общий вид плотномера гидростатического скважинного в продольном разрезе.
На фиг.2 приведена гидравлическая схема плотномера гидростатического скважинного.
Плотномер гидростатический скважинный содержит корпус 1 (фиг.1), в котором установлены дифференциальные датчики давления 2 и 3, разделяющие внутреннюю полость корпуса на три камеры. Камеры 4 и 5, расположенные на концах корпуса, служат для приема давления внешней среды, которое поступает в них через сквозные каналы в корпусе 6 и 7 соответственно. Камера 8, расположенная между дифференциальными датчиками давления, выполнена в виде канала с малым поперечным сечением и заполнена жидкостью с известными физическими свойствами. Камера 8 гидравлически соединена с внешней средой с помощью канала 9, разделителя сред с подвижной перегородкой 10 и отверстия 11 в боковой стенке корпуса 1. Малое поперечное сечение камеры 8 обеспечивает малый объем жидкости в этой камере, малое изменение ее объема при изменении давления и температуры и, следовательно, снижает требования к конструкции разделителя сред. Разделитель сред с подвижной перегородкой может быть выполнен в различных конструктивных вариантах, в том числе в виде сильфона с закрытым торцом, как это показано на фиг.1. В корпусе прибора установлены датчик давления 12 и датчик температуры 13 жидкости в камере 8, а также датчик угла наклона 14 оси, проходящей через центры дифференциальных датчиков давления, к вертикали.
Дифференциальный преобразователь давления имеет электронную схему (на фигурах не показана), которая по сигналам от датчиков 2, 3, 12, 13, 14 рассчитывает разность давлений в камерах 5 и 4 и вычисляет плотность внешней среды. Она также записывает результаты вычислений и другие необходимые параметры в память прибора, если он является автономным, или передает на поверхность, если прибор спускается в скважину на каротажном кабеле.
Рассмотрим работу плотномера гидростатического скважинного, используя гидравлическую схему устройства, приведенную на фиг.2.
На схеме изображен корпус плотномера 15, заполненный жидкостью с известными физическими свойствами. На верхнем и нижнем торцах корпуса показаны чувствительные элементы 16 и 17 дифференциальных датчиков давления. В корпусе установлен разделитель сред с подвижной перегородкой 18, через которую передается давление внешней среды на жидкость, находящуюся внутри корпуса.
На схеме и в тексте использованы следующие обозначения:
L - номинальное расстояние между центрами чувствительных элементов дифференциальных датчиков давления;
Н - расстояние по вертикали между центрами чувствительных элементов дифференциальных датчиков давления;
Х - расстояние по вертикали от центра чувствительного элемента верхнего дифференциального датчика давления до центра подвижной перегородки разделителя сред;
α - угол отклонения от вертикали оси, соединяющей центры чувствительных элементов дифференциальных датчиков давления;
B
ρ - плотность жидкости, внутри корпуса плотномера (на схеме не указана);
H
ρ - плотность среды, окружающей корпус плотномера (на схеме не указана);
g - ускорение свободного падения;
H
P1 - давление жидкости на верхний чувствительный элемент с внешней стороны корпуса;
B
P1 - давление жидкости на верхний чувствительный элемент с внутренней стороны корпуса;
H
B
ΔP1=P1-P1 - перепад давления на верхнем чувствительном элементе;
H
P2 - давление жидкости на нижний чувствительный элемент с внешней стороны корпуса;
B
P2 - давление жидкости на нижний чувствительный элемент с внутренней стороны корпуса;
H
B
ΔP2=P2-P2 - перепад давления на нижнем чувствительном элементе;
H
PX - давление жидкости на подвижную перегородку с внешней стороны корпуса;
B
PX - давление жидкости на подвижную перегородку с внутренней стороны корпуса;
П
H
B
ΔР=PX-PX - перепад давления на подвижной перегородке.
Найдем математическое уравнение, связывающее перепады давления на дифференциальных датчиках давления с разницей давлений внешней среды, действующей на верхний 16 и нижний 17 датчики давления.
H
Н
Н
Н
Исходя из принятых обозначений, определим давление PX внешней жидкости с плотностью ρ на подвижную перегородку 18 в зависимости от давления Р2. Оно равно давлению Р2 минус гравитационное давление внешней жидкости на перепаде высот Н-Х:
П
С учетом перепада давления ΔР на подвижной перегородке получаем:
В
B
В
Давление Р1 выразим через PX, вычитая гидростатическое давление жидкости внутри корпуса с плотностью ρ на перепаде высот Х:
В
В
В
Давление Р2 определим через Р1, прибавляя гидростатическое давление жидкости внутри корпуса с плотностью ρ на перепаде высот Н:
H
B
Определим перепад давления ΔР1=P1-P1, используя выражение (3):
H
B
Перепад давления ΔP2=P2-P2 определим, используя уравнение (4):
H
B
Н
Н
H
П
B
B
ΔP2=P2-P2=Р2-Р2+ρg(H-X)+ΔР+ρgX-ρgH=
П
B
H
П
H
B
ΔР-ρg(H-X)+ρg(H-X)=ΔР+(ρ-ρ)g(H-X),
или окончательно
Рассмотрим разницу ΔP1-ΔP2, используя выражения (5) и (6):
H
Н
Таким образом, как показывает уравнение (7), измеряемая прибором разница давлений P1-Р2 в камерах 4 и 5 (фиг.1) равна разнице перепадов давлений ΔP1 и ΔР2 на верхнем и нижнем дифференциальных датчиках давления 2 и 3 за вычетом гидростатического перепада давления жидкости в камере между дифференциальными датчиками давления.
П
Существенно, что ни перепад давления на подвижной перегородке ΔР, ни положение подвижной перегородки относительно дифференциальных датчиков (координата X) никак не влияют на результат измерений.
В
В уравнение (7) входит текущая плотность ρ жидкости в камере между дифференциальными датчиками давления. Она зависит от ее физических свойств, величины абсолютного давления в жидкости и ее температуры. Давление в жидкости и температура могут меняться в широких пределах в процессе эксплуатации прибора. Поэтому необходимо при каждом измерении определять эти величины и вычислять текущую плотность жидкости внутри корпуса прибора. Давление жидкости в камере между дифференциальными датчиками давления измеряется датчиком давления 12.
Датчик давления 12 может отсутствовать, если плотномер находится в составе комплексного прибора, в котором присутствует датчик давления внешней среды, так как давление в камере 8 отличается от давления внешней среды незначительно. Разницу в основном определяет перепад давления на подвижной перегородке 10, который не может быть выше предела измерения дифференциального датчика давления, иначе он будет поврежден. Как показывают теоретические оценки, для обеспечения высокой точности работы плотномера с измерительной базой 1 метр пределы измерения дифференциальных датчиков давления не должны превышать 1 атмосферы. Если оценка давления в камере 8 осуществляется по показаниям датчика давления внешней среды, то ошибка в одну или менее атмосферы вызовет незначительную погрешность при определении плотности жидкости, заполняющей камеру 8, из-за ее малой сжимаемости, и она не окажет существенного влияния на точность измерения плотности внешней среды.
При эксплуатации плотномера в сосудах или вертикальных скважинах в приборе может отсутствовать датчик 14 угла наклона к вертикали оси, проходящей через центры дифференциальных датчиков давления.
Если известна температура среды, в которой работает плотномер, то в нем может отсутствовать датчик температуры 13 жидкости, находящейся в камере 8.
Н
Зная разницу давлений между уровнями расположения верхнего и нижнего датчиков давлений, можно определить плотность ρ окружающей среды при условии, что скорость движения среды относительно прибора и скважины равна нулю. В противном случае необходимо учитывать дополнительный перепад давления, обусловленный силами трения среды о ствол скважины и корпус прибора, а также динамический перепад давления, если скорость потока среды в зонах расположения дифференциальных датчиков давления не одинакова.
Так как перепад давления между чувствительными элементами 17 и 16 равен гидростатическому перепаду давления во внешней среде между уровнями расположения этих элементов, то с учетом (7) имеем соотношение:
Н
H
B
H
Р2-P1=ΔР2-ΔP1+ρgH=ρgH.
Из него следует:
Расстояние по вертикали Н между центрами чувствительных элементов можно выразить через номинальное расстояние между ними L и угол α наклона оси, проходящей через центры чувствительных элементов, к вертикали Н=L. Подставляя это выражение в (7) и (8), получаем:
Уравнение (9) служит для расчета перепада давления между уровнями расположения нижнего и верхнего датчиков давления, а выражение (10) - для подсчета плотности жидкости или газа во внешней среде.
Для обеспечения работы прибора его электронная схема должна выполнять следующие функции:
- определять действующие перепады давления на дифференциальных датчиках давления;
- определять абсолютное давление жидкости в камере между дифференциальными датчиками давления и ее температуру;
- рассчитывать текущую плотность жидкости в камере между дифференциальными датчиками давления;
- определять угол наклона оси, проходящей через центры дифференциальных датчиков давления, к вертикали;
- определять перепад давления между уровнями расположения нижнего и верхнего датчиков давления по формуле (9);
- определять плотность жидкости или газа во внешней среде по формуле (10);
- записывать результаты измерений и другие необходимые параметры в память прибора или передавать их на поверхность по каротажному кабелю.