ГЛУБИННЫЙ СКВАЖИННЫЙ РАСХОДОМЕР

Полезная модель относится к устройствам измерения объемного расхода текучих сред в стволах скважин, в том числе и при гидродинамических исследованиях.
Известны скважинные расходомеры тахометрического типа [1, 2, 3, 4], основным узлом формирования информационного сигнала о расходе текучей среды по стволу скважины является крыльчатка в соответствующем корпусе, взаимодействующая тем или иным образом с узлом съема информационного сигнала, однозначно связанного с величиной объемного расхода.
К основным недостаткам известных расходомеров следует отнести их узкофункциональное назначение, преимущественно для гидродинамических исследований, а также периодический и непродолжительный характер эксплуатации при этих исследованиях и недостаточную долговечность при попытке использования расходомеров этого типа в качестве средств постоянного контроля за объемным расходом в действующей скважине.
Известны также расходомеры тахометрического типа [5, 6, ..., 9], где основным узлом формирования информационного сигнала о расходе текучей среды в закрытых каналах, то есть в трубопроводах, является шарообразное тело качения из того или иного материала, расположенное в кольцевой канавке канала, движущееся по круговой траектории под воздействием предварительно закрученного (вращающегося) потока текучей среды. При этом частота и/или скорость перемещения шарообразного тела по кольцевой, осесимметричной каналу корпуса, траектории, однозначно связана с величиной расхода текучей среды и
регистрируется с помощью достаточно простых технических решений узла съема информационного сигнала.
Эти расходомеры работоспособны в течение длительной непрерывной эксплуатации, однако совершенно не адаптированы к условиям работы в скважинах и требуют для этого существенной доработки как отдельных узлов и элементов, так и всего объекта в целом.
Наиболее близким и наиболее адаптируемым к скважинным условиям по своей конструкции является измеритель [10] расхода жидких и газообразных (то есть текучих) сред, содержащий проточный, с осесимметричным каналом, корпус с размещенной в нем поперек канала перегородкой (мембраной), в которой выполнен коаксиальный оси канала корпуса ряд косых отверстий для закручивания потока и обеспечения силового воздействия последнего на размещенное в измерительной полости шарообразное металлическое тело. Это тело имеет возможность свободного качения по стенке канала корпуса, то есть двигаться по круговой траектории неограниченное число раз с частотой циклов, определяемой (при прочих неизменных условиях) лишь объемным расходом потока через канал корпуса. Частота циклов движения шарообразного тела, как информационный сигнал, фиксируется вихретоковым преобразователем, размещенным в теле перегородки и по проводному каналу связи выдается на вторичный прибор-счетчик расхода и/или куда-либо по требованию.
К недостаткам известного устройства, выбранного в качестве прототипа, относятся: невозможность без существенной доработки использовать его в качестве скважинного глубинного расходомера, так как узел формирования и съема информационного сигнала достаточно сложен конструктивно, форма измерительной камеры вынуждает шарообразное тело многократно и интенсивно контактировать с ограничивающими его траекторию движения поверхностями, не обеспечивается адаптивность устройства к переводу на режим измерения расхода с иным диапазоном
значений, а перегородка (мембрана) перекрывает центральную часть канала выше- и нижерасположенных труб скважинной подвески.
Требуемый технический результат заключается в обеспечении известному техническому решению, то есть прототипу, более высоких потребительских свойств, а именно: адаптивности к скважинным условиям и простоты переналадки на другой диапазон измерений расхода, способности к длительной непрерывной эксплуатации при наземном контроле работы объекта и учете показаний.
Требуемый технический результат обеспечивается тем, что в глубинном скважинном расходомере, содержащем, согласно прототипу, проточный корпус с измерительным, коаксиальным корпусу, кольцевым каналом, вращатель потока, шарообразное тело качения из магнитного материала, размещенное в измерительном канале корпуса, канавку во внешней стенке измерительного канала корпуса для обеспечения возможности движения размещенного в ней шарообразного тела по штатной кольцевой траектории под воздействием вращающегося потока, узел формирования и съема информационного электрического сигнала, наземный блок для обеспечения электропитания, контроля за работой и учета объемного расхода, а также кабельную связь наземного блока с узлом формирования съема информационного электрического сигнала, канавка в измерительном канале корпуса выполнена с поверхностью, для качения шарообразного тела, образованной частью, то есть дугой, окружности с диаметром, большим, чем диаметр шарообразного тела, радиальный зазор (размер) А измерительного канала, равный половине разности диаметров его стенок, выполнен меньшим, чем диаметр шарообразного тела, а узел формирования и съема информационного электрического сигнала выполнен в виде последовательно соединенных, электрически, магниторезистора, усилителя, аналого-цифрового преобразователя, микроконтроллера и управляемого последним передатчика, контакты которого соединены с наземным блоком кабельной
связью, при этом узел формирования и съема информационного электрического сигнала герметично размещен в теле корпуса и ориентирован таким образом, что магниторезистор находится за канавкой измерительного канала.
Дополнительными отличиями заявляемого объекта являются его конструктивные особенности, а именно:
- диаметр образующей кольцевой канавки составляет 1,1...1,3 диаметра шарообразного тела качения;
- радиальный размер (зазор А) измерительного канала составляет 0,7...0,9 диаметра шарообразного тела качения;
- вращатель потока выполнен кольцеобразной формы с радиальными, относительно измерительного канала, лопатками криволинейного профиля в сечении;
- угол α между поверхностью лопаток вращателя и поперечной оси корпуса плоскостью составляет 20...40 градусов;
- размер измерительного канала по ходу потока от вращателя до кольцевой канавки составляет 0,2...0,5 диаметра шарообразного тела.
Требуемый технический результат обеспечен наличием в совокупности существенных признаков (характеризующих предлагаемую конструкцию глубинного скважинного расходомера) вышеуказанных отличительных признаков при несомненной применимости в промышленности, что предполагает соответствие заявляемого объекта критериям «полезной модели».
На чертежах изображены, на фигуре 1 - общий вид объекта с продольным разрезом, на фигуре 2 - развертка вращателя потока, на фигуре 3 - фрагмент фигуры 1 (увеличено), на фигуре 4 - функциональная схема узла формирования и съема информационного электрического сигнала.
Глубинный скважинный расходомер (фиг.1) содержит проточный корпус 1 с измерительным, коаксиальным корпусу, каналом 2. В этом
к
ш
канале расположен жестко закрепленный в теле корпуса вращатель 3 потока кольцевой формы, например с радиальными лопатками (фиг.2) криволинейного профиля. За вращателем, по ходу потока, в измерительном канале корпуса размещено шарообразное тело 4 в кольцевой канавке 5. Рабочая поверхность S этой канавки расположена на стенке измерительного канала, ограниченной большим диаметром D и имеет образующую в виде части окружности (то есть дугу) радиусом R, равным 1,1...1,3 радиуса r, помещенного в эту канавку металлического шарообразного тела 4 качения (далее - шар 4). При этом радиальный размер (зазор) А измерительного канала, равный (D-d)/2, составляет 0,7...0,9 диаметра шара 4 (фиг.3). Глубинный скважинный расходомер, как объект, содержит в теле корпуса за кольцевой канавкой 5 узел 6 формирования и съема информационного электрического сигнала, а также наземный блок 7 для обеспечения электропитания, контроля за работой и учета показаний объекта, причем узел 6 и блок 7 соединены меж собой кабельной связью 8. К вышеперечисленному укажем, что на фигурах 1...4 имеются дополнительные обозначения, а именно: O-O - продольная, по потоку, ось корпуса, О - геометрический центр поверхности качения кольцевой канавки 5, О - геометрический центр шара 4, α - угол закрутки потока радиальными лопатками вращателя 3 (лопатки на фиг.2 изображены условно и отдельной позицией не обозначены). Узел 6 формирования и съема информационного электрического сигнала содержит (см. фигуру 4) магниторезистор 9, усилитель 10, аналого-цифровой преобразователь 11, микроконтроллер 12 и передатчик 13 информации (на наземный блок 7), причем все они соединены последовательно, как и приведено на фигуре 4.
Глубинный скважинный расходомер работает следующим образом. При установке расходомера в скважину его резьбовые концы (на фигуре 1 изображены, но отдельными позициями не показаны) соединяются (свинчиваются) с насосно-компрессорными трубами скважинной подвески
или каким-либо другим внутрискважинным оборудованием, при этом кабель связи 8, между наземным блоком 7 и узлом б формирования и съема информационного электрического сигнала, крепится общеизвестными средствами к колонне насосно-компресорных труб внутрискважинной подвески.
Следует заметить, что в случае размещения в скважине какого-либо другого объекта с наземным электропитанием посредством кабеля, этот, уже имеющийся кабель может быть задействован и как кабель связи 8 заявляемого объекта при соответствующем, известном специалисту среднего уровня, подключении.
Поскольку измерительный канал 2 объекта имеет кольцевую (в плане) форму, а проточный корпус 1 помимо этого канала имеет и центральный канал для потока текучей среды (как изображено на фигуре 1, но отдельной позицией не отмечено), существует абсолютно однозначное соотношение двух расходов разделенного потока текучей среды; величина одного из этих расходов пропорциональна скорости вращения шара 4 в канавке 5 вокруг оси О-О. При этом суммарный объемный расход через проточный корпус расходомера определяется, например, как удвоенный расход потока по измерительному каналу, если проходные сечения обоих каналов корпуса равнозначны по величине и гидросопротивлению; но метрологические характеристики конкретного глубинного скважинного расходомера обеспечиваются его соответствующей стендовой тарировкой и/или градуировкой с занесением параметров последних в память микроконтроллера 12 узла 6. В соответствии с функциональной схемой этого узла (фигура 4), первым - на прохождение мимо него шара 4 - реагирует магниторезистор 9, меняя величину своего сопротивления, затем усилитель 10 усиливает слабый токовый сигнал в цепи магниторезистора, аналого-цифровой преобразователь 11 преобразует сигнал в приемлемую для микроконтроллера 12 форму, а последний, имея соответствующее штатное программное обеспечение, определяет объемный расход текучей
среды и управляет передатчиком 13 информации, посредствам которого последняя через кабель связи 8 поступает на наземный блок 7.
Как известно, магниторезисторы наиболее предпочтительны в современных тахометрических системах (в том числе в расходомерах подобного типа), а, учитывая их чувствительность и помехоустойчивость при весьма малых размерах, они с наименьшими затратами и несложной технологией встраиваются в скважинные объекты, имеющие жесткие ограничения в габаритах. Для повышения точности расходомера в тело корпуса могут быть встроены также электрические датчик давления и датчик температуры текучей среды, а в микроконтроллер 12 может быть изначально заложена программа (алгоритм) соответствующей корректировки показаний расходомера. Смену в измерительном канале расходомера рабочего диапазона измерений осуществляют при извлечении его из скважины, то есть в стендовых условиях, путем замены отдельных элементов конструкции на аналогичные, но с другими параметрами (например можно заменить вращатель 3 потока на другой такой же, но с меньшим углом а закрутки текучей среды, или на вращатель с другим зазором Δ измерительного канала 2, и т.п.), при этом, соответственно, корректируют и алгоритм определения полного объемного расхода через корпус по сигналам, полученным узлом 6 в измерительном канале 2. В остальном объект работает как обычный тахометрический расходомер шарикового типа, однако подобная конструкция позволяет проводить специфические для скважин работы, требующие открытого центрального канала по длине всей скважинной подвески.
Таким образом, с учетом вышеизложенного заявляемый объект подлежит охране как объект промышленной собственности с выдачей заявителю соответствующего охранного документа.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ, ПРИНЯТЫЕ ВО ВНИМАНИЕ ПРИ СОСТАВЛЕНИИ ОПИСАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ:
1. СССР, а.с. 726318, Е 21 В 47/10, 1977;
2. СССР, а.с. 956987, Е 21 В 47/10, 1982;
3. СССР, а.с. 1352044, Е 21 В 47/00, 1987;
4. СССР, а.с. 1513135, Е 21 В 47/10, 1989;
5. СССР, а.с. 169814, G 01 f 1/06, 1963;
6. СССР, а.с. 320713, G 01 f 1/00, 1971;
7. СССР, а.с. 435458, G 01 f 1/00, 1974;
8. СССР, а.с. 518630, G 01 F 1/05, 1976;
9. СССР, а.с. 720295, G 01 F 1/075, 1980;
10. РФ, Патент 2129700, G 01 F 1/075, 1999, прототип (действие патента прекращено);