устройство для измерения расхода жидкости в действующих нефтегазовых скважинах

Формула изобретения

Устройство для измерения расхода жидкости в действующих нефтегазовых скважинах, содержащее корпус, крыльчатку, воспринимающую осевые потоки, микродвигатель для принудительного и непрерывного вращения крыльчатки, блок электроники, причем вал микродвигателя связан с валом крыльчатки посредством притертой цилиндрической (плунжерной) пары, отличающееся тем, что микродвигатель связан системой питания с блоком электроники и размещен в герметичной гильзе из термоизоляционного материала, например из углепластика, снабженной компенсатором, а также нагревателем и датчиком температуры, связанными с блоком электроники, образующими вместе систему термостата, вал микродвигателя усилен упорным подшипником, при этом материал вала микродвигателя, заключенного внутри притертой цилиндрической пары, и материал втулки этой пары выбраны с одинаковым коэффициентом теплового расширения, а давление внутри гильзы поддерживается равным скважинному давлению.

Описание изобретения к патенту

Предложение относится к геофизическим исследованиям действующих нефтяных и газовых скважин и предназначено для измерения расхода внутрискважинной жидкости.

Известен расходомер, измеряющий осевые потоки движущейся жидкости в скважине и содержащий корпус, верхний и нижний подвижные центраторы, электромагнитный привод, измерительную турбинку с раскрывающимися лопастями, установленную в фильтр-стакане, который через фиксатор и подвижный упор с якорем связан с якорем электромагнита (Авт. свид. №1148998, Е 21 И 47/10, опубл. в БИ №13, 1985 г.).

Недостатком этого расходомера является невозможность измерения низких удельных дебитов, высокая чувствительность к начальному моменту вращения турбинки, что приводит к неточности измерения расхода в начальном диапазоне измерения.

Известен расходомер, измеряющий расход жидкости с большей точностью за счет полного перекрытия внутреннего сечения ствола скважины (Пат. RU №2188942, МКИ⁷ Е 21 В 47/10, опубл. Бюл. №25, 10.09.2002 г.). Расходомер содержит корпус, преобразователи числа оборотов в электрические сигналы, центраторы, чувствительный элемент, воспринимающий радиальные потоки, в виде турбинки, установленный на выносном вращающемся рычаге параллельно продольной оси, электродвигатель с редуктором для принудительного вращения рычага, чувствительный элемент, воспринимающий осевые потоки в виде второй турбинки, также расположенной на выносном рычаге, соединяющем первый рычаг с корпусом прибора.

Недостаток конструкции заключается в высокой инерционности системы, так как при начальном движении лопастей вертушек наблюдается изменяющийся интервал страгивания (возникает петля гистерезиса). Кроме того, при вращении лопастей, количество оборотов преобразуется в скорость по экспоненциальной зависимости, которую нужно коррелировать в прямую зависимость, что приводит к высокой погрешности измерения.

Известен скважинный расходомер, в котором для снижения нижнего предела измерения создают дополнительное движение жидкости через измерительную турбинку за счет принудительного вращения направляющих решеток винтообразной формы, играющих роль осевых насосов (Пат. RU №2205952, E 21 B 47/10, G 01 F 1/12 «Скважинный расходомер»).

Устройство содержит скважинный прибор с обоймой, установленной на опорах в его корпусе и вращающейся относительно корпуса с помощью электродвигателя с редуктором, выходной вал которого имеет кинематическую связь с обоймой с помощью магнитной муфты, и вторичный прибор, связанный со скважинным прибором через каротажный кабель и снабженный устройством для реверсирования и регулирования скорости вращения электродвигателя с редуктором. Внутри обоймы также на опорах посажен турбинный датчик расхода, выше и ниже которого находятся струенаправляющие решетки, выполненные в виде винтообразных лопастей. Скважинный прибор снабжен герконным датчиком частоты вращения обоймы и двумя датчиками-герконами для определения частоты и направления вращения турбинки.

Недостатком устройства является наличие погрешности при измерении расхода, так как сила жидкости, вращающая крыльчатку, зависит от вязкости жидкости, свойства которой (именно вязкость) зависит от температуры. Таким образом, сила является переменной величиной, в свою очередь и скорость вращения крыльчатки будет переменной, что приводит к еще большей погрешности, чем при нулевом гистерезисе.

Известен скважинный расходомер, содержащий корпус, центраторы, чувствительный элемент, воспринимающий радиально направленные потоки жидкости, установленный на выносном вращающемся рычаге, электродвигатель с редуктором для принудительного вращения рычага, чувствительный элемент, воспринимающий осевые потоки, и преобразователи скоростей истечения жидкости в электрический сигнал, отличающийся тем, что он снабжен дополнительным микроэлектродвигателем для принудительного и непрерывного вращения элемента, воспринимающего осевые потоки, выполненного в виде лопастной крыльчатки, помещенной в защитный кожух с боковыми окнами, при этом вал электродвигателя связан с осью крыльчатки посредством притертой цилиндрической (плунжерной) пары, а чувствительный элемент, воспринимающий радиально направленные потоки, выполнен в виде тонколистовой твердой пластины, например, из титана, покрытой материалом с низкой адгезией, например фторопластом, установленной своей плоскостью параллельно стенке скважины, кроме того, преобразователь скорости истечения радиального потока выполнен в виде датчика силы, а ось пластины жестко связана с осью датчика силы, воздействующей на тензометрический мост, электрически связанный с наземным пультом управления (патент РФ на полезную модель №35548 «Устройство для измерения расхода жидкости в действующих нефтегазовых скважинах», МКИ⁷ Е 21 В 47/10, опубл. Б.И. №2 от 20.01.2004 г.).

Недостаток конструкции заключается в том, что при высоких давлениях (600-800 атмосфер) притертая пара не работоспособна без компенсации давления. При этом происходит воздействие осевого усилия на вал электродвигателя, что вызывает его торможение, от чего происходит искажение измеряемой величины, что приводит к снижению точности измерения расхода. Здесь также наблюдается влияние вязкости при изменении температуры на скорость вращения вала.

Целью предлагаемого изобретения является повышение точности измерения расхода при высоких значениях внутрискважинных температуры и давления.

Задача решается тем, что в устройстве для измерения расхода жидкости в действующих нефтегазовых скважинах, содержащем корпус, крыльчатку, воспринимающую осевые потоки, микродвигатель для принудительного и непрерывного вращения крыльчатки, блок электроники, причем вал микродвигателя связан с валом крыльчатки посредством притертой цилиндрической (плунжерной) пары, микродвигатель связан системой питания с блоком электроники и размещен в герметичной гильзе из термоизоляционного материала, например из углепластика, снабженной компенсатором, а также нагревателем и датчиком температуры, связанными с блоком электроники, образующие вместе систему термостата, вал микродвигателя усилен упорным подшипником, при этом материал вала микродвигателя, заключенного внутри притертой цилиндрической пары, и материал втулки этой пары выбраны с одинаковым коэффициентом теплового расширения, а давление внутри гильзы поддерживается равным скважинному давлению.

На фиг.1 показана конструкция расходомера. Устройство содержит корпус 1 с окнами 2.

В корпусе 1 встроена гильза 3 из термоизоляционного материала (например, из углепластика), снабженная компенсатором 4 и нагревателем 5. В гильзе крышки 3 помещены микродвигатель 6, установленный на валу 7 и связанный системой питания с блоком электроники 8, а также датчик температуры 9, соединенный с блоком электроники. Другой конец вала 76 соединен с крыльчаткой 10 и выходит за пределы камеры 3. Вал 7 усилен упорным подшипником 11 и заключен в притертую цилиндрическую (плунжерную) пару 12, состоящую из втулки и стержня, внутри которой вал покрыт диэлектриком. Лопасти крыльчатки 10 расположены перпендикулярно к ее оси (фиг.1). Причем материал втулки и стержня притертой цилиндрической (плунжерной) пары 7а подобран с одинаковым коэффициентом теплового расширения.

Крышка 13 - для герметизации гильзы 3.

Устройство работает следующим образом.

Устройство опускают в скважину на нужный интервал. Включается микродвигатель 6, при этом крыльчатка 10 вращается с рассчитанной скоростью непрерывно, при этом осевые потоки жидкости вдоль скважины будут замедлять это вращение, что вызывает изменение потребления тока электродвигателя, что фиксируется блоком электроники. Внутри гильзы 3, выполненной из термоизоляционного материала, работает нагреватель 5, управляемый блоком электроники 8, с которым связан датчик температуры 9, контролирующий температуру внутри гильзы 3. Внутри гильзы 3 поддерживается постоянно высокая температура, при которой вязкость жидкости из экспоненциальной зависимости переходит в линейную (фиг.2) и при определенном значении температуры остается неизменной, что исключает влияние вязкости при измерении. Гильза 3 из термоизоляционного материала снабжена нагревателем, датчиком температуры, связанными с блоком электроники, образующими вместе систему термостата. Термостат - прибор для поддержания постоянства температуры. Кроме собственно термостата, в котором это постоянство обеспечивается конструкцией, где в конструкцию входят: маслонаполненная теплоизоляционная камера, в которой поддерживается постоянная температура, датчик температуры, нагреватель, электронная схема автоматического поддержания температуры, - в термостате обеспечивается малый теплообмен с окружающей средой.

Давление внутри гильзы 3 поддерживается равным скважинному давлению, и таким образом притертая цилиндрическая (плунжерная) пара 12 не испытывает перепада давления и работает в благоприятном режиме. Кроме того, вал 7 является проводником тепла на конец вала 7а, что не позволяет сере и парафину обволакивать его поверхность.

В традиционных системах точкой страгивания вертушки является начало движения на оси вала.

В предлагаемой системе точкой страгивания является начало затормаживания на оси вала микродвигателя, при этом отсутствует петля гистерезиса исполнительного устройства.