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, содержащий корпус, хвостовик, втулки, установленные с возможностью возвратно-поступательного движения, двуплечие тяги, шарнирно соединенные между собой, эластичную турбинку, установленную на оси, и узел регистрации числа оборотов турбинки. Кроме того, расходомер снабжен дополнительными одноплечими тягами и ограничителями хода тяг. О величине расхода скважинной жидкости судят по количеству оборотов эластичной турбинки, зарегистрированному при помощи узла регистрации (описание изобретения к а.с. СССР №1652526).
Известный расходомер обладает высокой чувствительностью, однако недостаточно надежен в эксплуатации в связи с тем, что он имеет единственное взаиморасположение его конструктивных элементов, при котором обеспечивается работоспособность устройства, и любое соприкосновение системы тяг с обсадной колонной скважины, в которой устанавливают расходомер, приводит к выходу устройства из рабочего положения.
Известен скважинный расходомер, содержащий корпус, трубчатый хвостовик со штоком внутри него, пружину сжатия, турбинку с осью, опирающейся концами на центральный осевой выступ корпуса и верхний конец штока, узел регистрации числа оборотов турбинки. Для определения величины расстояния между корпусом и хвостовиком используют расчетную формулу, связывающую геометрические параметры скважинного расходомера (патент РФ на полезную модель №54624).
Расходомер известной конструкции достаточно надежен в эксплуатации, однако не учитывает направления измеряемого потока, что может привести к получению недостоверных сведений по величине расхода.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является конструктивное решение скважинного расходомера, содержащего корпус, эластичную турбинку, хвостовик, втулки, соответственно установленные на корпусе и хвостовике с возможностью возвратно-поступательного движения, двуплечие и одноплечие тяги, закрылки и узел регистрации числа оборотов турбинки. Величину длин тяг и углов наклона их к продольной оси расходомера устанавливают в соответствии с расчетной формулой с целью обеспечения постоянного расстояния между корпусом и хвостовиком как в раскрытом, так и сложенном состоянии устройства (описание изобретения к а.с. СССР №1761947).
Известное устройство достаточно надежно в эксплуатации, однако не обеспечивает качественного измерения 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.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является повышение эффективности измерений и расширение функциональных возможностей устройства при измерении расхода газожидкостной среды в исследуемой скважине.
Технический результат, который может быть получен при использовании заявляемой полезной модели, заключается в обеспечении возможности измерения диаметра скважины и определения направления потока.
Поставленная задача решается тем, что устройство для измерения расхода газожидкостной среды, включающее корпус, хвостовик, связанный с корпусом, эластичную турбинку, размещенную на оси между корпусом и хвостовиком, втулки, установленные на корпусе и хвостовике с возможностью возвратно-поступательного движения, узел регистрации числа оборотов турбинки с датчиками магнитного поля, согласно техническому решению, содержит, по крайней мере, два магнита, один из которых расположен во втулке, установленной на корпусе, а второй - в оси, кроме того, дополнительно содержит, по крайней мере, два датчика магнитного поля, расположенных в корпусе в зоне перемещения втулки с возможностью определения положения втулки на корпусе в процессе ее перемещения, и, по крайней мере, два датчика магнитного поля, расположенных в узле регистрации числа оборотов турбинки в зоне действия магнитного поля магнита, расположенного в оси, с возможностью определения направления вращения эластичной турбинки. Датчики магнитного поля, размещенные в узле регистрации числа оборотов турбинки в одном корпусе, установлены со смещением друг относительно друга в плоскости, перпендикулярной оси вращения турбинки на угол не более 5-10°. Смещение датчиков магнитного поля выполнено по дуге окружности, центр которой размещен в точке пересечения оси вращения турбинки и плоскости размещения датчиков. Кроме того, датчики магнитного поля, размещенные в узле регистрации числа оборотов турбинки, могут быть выполнены с возможностью установки в отдельном корпусе.
Полезная модель поясняется следующими 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 и узла измерения числа оборотов турбинки.
На фиг.3 представлен разрез А-А устройства.
Позициями на чертеже обозначены:
1 - корпус,
2 - хвостовик,
3 - пружина сжатия,
4 - двуплечие тяги,
5 - одноплечие тяги,
6 - втулка, установленная на хвостовике,
7 - втулка, установленная на корпусе,
8 - магнит, расположенный во втулке,
9 - датчик магнитного поля,
10-турбинка,
11 - узел регистрации числа оборотов,
12 - датчик вращения,
13 - шток,
14 - магнит, размещенный в оси турбинки.
На кинематической схеме:
А, В, С, D, Е, F, G - шарниры;
АВ - длина верхней двуплечей тяги, шарнирно соединенной с корпусом и нижней двуплечей тягой BE;
BE - длина нижней двуплечей тяги, шарнирно соединенной с хвостовиком и верхней двуплечей тягой АВ;
CD - длина нижней одноплечей тяги, шарнирно соединенной с нижней двуплечей тягой BE и хвостовиком;
FG - длина верхней одноплечей тяги, шарнирно соединенной с верхней двуплечей тягой АВ и втулкой, перемещающейся по корпусу.
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 верхних и нижних двуплечих 4 и одноплечих 5 тяг, шарнирно закрепленных между собой. Тяги 4, 5 поджаты пружиной сжатия 3. Верхние двуплечие тяги 4 одним концом шарнирно закреплены на корпусе 1, а другим концом входят в шарнирное соединение с одним из концов нижних двуплечих тяг 4, другие концы которых шарнирно соединены со втулкой 6, установленной на хвостовике с возможностью возвратно-поступательного движения. Втулка 6 охватывает хвостовик 2, пружину сжатия 3 и шток 13, поджимающий пружину и установленный в хвостовике 2. Конструкция устройства предусматривает наличие верхних и нижних одноплечих тяг 5, при этом верхние одноплечие тяги закреплены одним концом на двуплечей верхней тяге, а другим концом на втулке 7, установленной на корпусе 1 устройства. В свою очередь, нижние одноплечие тяги одним концом закреплены к телу хвостовика устройства, а другим концом к нижним двуплечим тягам 4. В полости, образованной системой одноплечих и двуплечих тяг, между корпусом и хвостовиком устройства на оси установлена турбинка, выполненная из эластичного материала, например, резины. Ось турбинки упирается в нижний конец корпуса и верхний конец хвостовика. Для регистрации числа оборотов турбинки на корпусе 1 размещен узел регистрации числа оборотов 11, представляющий собой комплект измерительных датчиков, установленных в единый корпус (фиг.2). Корпус узла регистрации числа оборотов выполнен цилиндрическим и расположен вертикально в непосредственной близости от корпуса устройства. Также в узел регистрации числа оборотов 11 установлены два дополнительных аналоговых датчика магнитного поля, представляющих собой датчики вращения 12. Над турбинкой в оси размещен постоянный магнит, магнитное поле которого регистрируется соответствующими дополнительными датчиками магнитного поля, размещенными в узле регистрации числа оборотов турбинки. Датчики расположены в одной плоскости, которая перпендикулярна оси вращения эластичной турбинки. Конструктивно размещение датчиков вращения возможно как в отдельных корпусах, так и в едином корпусе. Для обеспечения возможности определения направления вращения эластичной турбинки датчики вращения располагают со смещением по дуге окружности, центр которой находится в точке пересечения плоскости расположения датчиков и оси вращения турбинки. Фазовый сдвиг сигналов с этих датчиков однозначно определяет направление потока. Скорость вращения турбинки преобразуется в электрические импульсы, которые регистрируются датчиками магнитного поля. Период повторения сигналов с этих датчиков пропорционален скорости вращения турбинки и, следовательно, скорости потока. Втулка 7, перемещающаяся по корпусу 1, снабжена кольцевым магнитом 8. В корпусе 1 устройства в зоне перемещения втулки с магнитом размещены аналоговые датчики магнитного поля, необходимые для измерения магнитного поля магнита, расположенного во втулке 7. Датчики расположены по длине корпуса устройства. Они регистрируют магнитное поле постоянного магнита, расположенного во втулке, перемещающейся по корпусу. 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, а при калибровке устройства перед эксплуатацией значение диаметра скважины устанавливают как постоянную величину, что может привести к получению недостоверных данных в случае эксплуатации устройства в скважине с переменным диаметром.
Устройство для измерения расхода газожидкостной среды работает следующим образом.
Перед спуском прибора в исследуемую скважину эластичную турбинку сминают, прижимая верхними двуплечими тягами. Спуск прибора по насосно-компрессорным трубам (НКТ) происходит в сложенном состоянии. Втулка 7, установленная на корпусе, при этом находится в самом верхнем положении, а втулка 6, установленная на хвостовике, находится в самом нижнем положении. На выходе из насосно-компрессорных труб двуплечие и одноплечие тяги раскрываются под действием пружины сжатия 3, при этом втулка 7 с магнитом и втулка 6 перемещаются по корпусу 1. Втулка 7 перемещается вниз по корпусу, при этом датчики магнитного поля, установленные в корпусе, регистрируют магнитное поле магнита, размещенного во втулке 7. Степень раскрытия тяг и, следовательно, степень перемещения втулки 7 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 тяг, эластичная турбинка 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 расходомера используют различные калибровочные зависимости для перевода скорости вращения турбинки в скорость потока. Измерение периода повторения сигналов с датчиков вращения узла регистрации скорости вращения турбинки 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, системы двуплечих и одноплечих тяг со следующими длинами: АВ=230 мм, ВЕ=164 мм, CD=55 мм, CE=88,5 мм, AF=122 мм, FG=45,5 мм, и углом раскрытия 16°, и резиновой турбинкой диаметром 53 мм, установленной на оси. 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, определяет направление движения потока измеряемой среды и позволяет определить диаметр исследуемой скважины.