СКВАЖИННЫЙ ДАТЧИК
DOWNHOLE SENSOR

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для измерения параметров потока флюида (нефть, вода, газ и их смеси), таких как температура, скорость и фазовый состав, и может быть использовано при при проведении геофизических исследований скважин, а также при контроле за транспортировкой жидких углеводородов по трубопроводной системе.
Известен скважинный термоанемометр, описанный в патенте SU №440484. Термоанемометр содержит герметичный корпус, выполненный в виде двух полостей, в одной из которых расположен нагревательный элемент, а в другой - термочувствительный элемент.
Недостатками термоанемометра являются:
- невозможность одновременного измерения температуры и скорости потока флюида, поскольку измерение температуры термочувствительным элементом осуществляется только при выключенном нагревателе;
- переход в режим измерения температуры флюида требует определенное количество времени, в течение которого нагреватель остынет и не будет влиять на работу термочувствительного элемента, при этом температура и состав флюида могут значительно отличаться от первоначального, что сказывается на достоверности получаемой информации;
- вычисление скорости потока флюида осуществляется по сложному алгоритму с учетом массового расхода флюида и его теплофизических свойств;
- отсутствует контроль за составом флюида.
Известен также скважинный датчик, описанные в патенте RU №2384699. Датчик содержит электрический изолятор и полый цилиндрический металлический корпус с расположенным в его полости датчиком термоанемометра.
Недостатками известного датчика являются:
- невозможность одновременного измерения температуры и скорости потока флюида, поскольку измерение температуры осуществляется только при выключенном нагревателе термоанемометра;
- переход в режим измерения температуры флюида требует определенное количество времени, в течение которого нагреватель остынет и не будет влиять на работу термочувствительного элемента, при этом температура и состав флюида могут существенно отличаться от первоначального, что сказывается на достоверности получаемой информации;
- наличие на наружной поверхности полого цилиндрического металлического корпуса термоанемометра диэлектрического слоя, существенно влияющего на теплообмен корпуса с флюидом., вследствие чего ухудшаются метрологические характеристики термоанемометра.
Техническим результатом, достигаемым при реализации изобретения, является расширение функциональных возможностей датчика и повышение эффективности измерений.
В соответствии с изобретением скважинный датчик, содержащий полый открытый с одного конца металлический корпус с расположенным в его полости датчиком термоанемометра и электрический изолятор, содержит второй полый открытый с одного конца металлический корпус, идентичный первому, с расположенным в его полости вторым датчиком термоанемометра. При этом оси симметрии корпусов находится на одной линии, открытые концы корпусов обращены друг к другу и жестко закреплены в электрическом изоляторе, а электрические выводы датчиков проходят внутри полостей корпусов и через электрический изолятор выведены наружу.
Электрический изолятор может быть покрыт диэлектрическим слоем, а также может иметь форму, обеспечивающую минимальность искажений струкртуры потока. Корпуса датчика также могут быть выполнены в форме, обеспечивающей минимальность искажений структуры потока, например, в форме цилиндра или конуса.
Изобретение поясняется чертежом, на котором представлен предлагаемый скважинный датчик.
Скважинный датчик содержит первый полый металлический корпус 1 с расположенным в его полости датчиком 2 термоанемометра и второй полый металлический корпус 3 с расположенным в его полости датчиком 4 термоанемометра. Оси симметрии корпусов 1 и 3 датчиков находятся на одной линии О -О, корпуса датчиков электрически изолированы друг от друга с помощью изолятора 5 и жестко заделаны в нем со стороны открытых концов. Металлические корпуса 1 и 3 датчиков термоанемометра, к внутренним поверхностям которых подведены электрические выводы 6 и 7, являются электродами резистивного датчика состава флюида. Датчик 2 термоанемометра, равно как и датчик 4, состоит из нагревательного элемента и датчика температуры (на чертеже не показано), имеет тепловой контакт с внутренней поверхностью соответствующего полого металлического корпуса и электрически изолирован от него, при этом нагревательный элемент и датчик температуры также электрически изолированы друг от друга. Такие датчики описаны, например, в Скважинный термокондуктивный дебитомер СТД. И.Г. Жувагин, С.Г. Комаров, В.Б. Черный. - М., Недра, 1973, или в Геофизические исследования скважин: справочник мастера по промысловой геофизике / под. общ. ред. В.Г. Мартынова, Н.Е. Лазуткиной, М.С. Хохловой. - М.: Инфра-инженерия, 2009. Электрические выводы датчиков 2 и 4 проходят внутри полостей соответствующих корпусов и далее через электрический изолятор 5 выводятся наружу и подключаются к электронному блоку (на чертеже не показано). Для повышения влагостойкости и химической стойкости электрический изолятор может покрываться дополнительным диэлектрическим слоем (на чертеже не показано), а форма изолятора и корпусов 1 и 3 может быть выполнена такой, чтобы вносить минимальные искажения в структуру потока, например, в виде цилиндра или конуса.
Скважинный датчик работает следующим образом.
Скважинный датчик размещают в скважине таким образом, чтобы ось датчиков совпадала с осью скважины, при этом датчик 2 направлен в сторону зумпфа скважины, а датчик 4 направлен в сторону устья скважины. В зависимости от направления потока флюида и/или направления движения скважинного датчика относительно потока (проведение спуско-подъемных операций в скважине) датчик 2 и датчик 4 могут использоваться в режиме измерения температуры потока или в режиме измерения скорости потока. При спуске в скважину или статическом положении скважинного датчика, когда поток флюида направлен навстречу корпусу 1, датчик 2 термоанемометра используют в режиме измерения температуры, а датчик 4 термоанемометра в режиме измерения скорости потока. В этом случае нагревательный элемент датчика 2 отключен и задействован только его термочувствительный элемент, а у датчика 4 термоанемометра задействованы нагревательный и термочувствительный элементы, и тепло, выделяемое нагревательным элементом датчика 4 не влияет на работу термочувствительного элемента датчика 2. Одновременно по изменению электропроводимости флюида между корпусами 1 и 3 датчиков термоанемометра определяют состав флюида (см., например, Геофизические исследования скважин: справочник мастера по промысловой геофизике / под. общ. ред. В.Г. Мартынова, Н.Е. Лазуткиной, М.С. Хохловой. - М.: Инфра-инженерия, 2009).
При смене направления потока, т.е. при подъеме прибора или при работе скважины в нагнетательном режиме, когда поток направлен навстречу корпусу 3, датчик 4 термоанемометра используют в режиме измерения температуры, а датчик 2 термоанемометра в режиме измерения скорости потока. В этом случае нагревательный элемент датчика 4 отключен и задействован только его термочувствительный элемент, а у датчика 2 задействованы нагревательный и термочувствительный элементы, и тепло, выделяемое нагревательным элементом датчика 2 не влияет на работу термочувствительного элемента датчика 4.
Аналогичным образом датчик используют для проведения измерений температуры, скорости и фазового состава многофазного потока (нефть, вода, газ и их смеси) в трубопроводах. Скважинный датчик размещают в трубе таким образом, чтобы ось датчиков совпадала с осью трубы, при этом датчик 2 и датчик 4 направлены противоположно друг другу, в сторону зумпфа скважины. В зависимости от направления потока флюида датчик 2 и датчик 4 могут использоваться в режиме измерения температуры потока или в режиме измерения скорости потока. В случае, когда поток флюида направлен навстречу корпусу 1, датчик 2 термоанемометра используют в режиме измерения температуры, а датчик 4 термоанемометра в режиме измерения скорости потока. В этом случае нагревательный элемент датчика 2 отключен и задействован только его термочувствительный элемент, а у датчика 4 термоанемометра задействованы нагревательный и термочувствительный элементы, и тепло, выделяемое нагревательным элементом датчика 4 не влияет на работу термочувствительного элемента датчика 2. Одновременно по изменению электропроводимости флюида между корпусами 1 и 3 датчиков термоанемометра определяют состав флюида.
При смене направления потока, т.е. когда поток направлен навстречу корпусу 3, датчик 4 термоанемометра используют в режиме измерения температуры, а датчик 2 термоанемометра в режиме измерения скорости потока. В этом случае нагревательный элемент датчика 4 отключен и задействован только его термочувствительный элемент, а у датчика 2 задействованы нагревательный и термочувствительный элементы, и тепло, выделяемое нагревательным элементом датчика 2 не влияет на работу термочувствительного элемента датчика 4.
Переход каждого датчика с режима измерения температуры на режим измерения скорости потока флюида осуществляется по команде, поступающей из электронного блока.
Температура, скорость и состав флюида определяются по результатам предварительной градуировки соответствующих датчиков. Данные градуировок хранятся в элементах памяти электронного блока.
1
2
1
2
1
2
Использование датчиков термоанемометра попеременно в активном и пассивном режимах позволяет определять направление потока. Например, сначала датчик 4 термоанемометра используют в пассивном режиме (нагревательный элемент датчика 4 отключен и задействован только его термочувствительный элемент) измерения температуры, а датчик 2 термоанемометра в активном режиме (у датчика 2 термоанемометра задействованы нагревательный и термочувствительный элементы) измерения. Регистрируют разницу температуры между показаниями датчика 2 и датчика 4 ΔT. Далее, наоборот, датчик 4 термоанемометра используют в активном режиме измерения температуры, а датчик 2 термоанемометра - в пассивном режиме измерения температуры. Регистрируют разницу температуры между показаниями датчика 2 и датчика 4 ΔТ. Если величина ΔT по модулю больше величины ΔТ по модулю, то поток направлен навстречу корпусу 3. Если величина ΔT по модулю больше величины ΔТ по модулю, то поток направлен навстречу корпусу 1.
Использование двух термоанемометров помимо своего прямого назначения еще и для определения состава флюида расширяет функциональные возможности предлагаемого скважинного датчика, а локализация датчиков температуры, скорости и состава флюида в одном малообъемном модуле повышает достоверность получаемой информации непосредственно в точке измерения в режиме реального времени.