ПОПЛАВКОВЫЙ ПЛОТНОМЕР Российский патент 1995 года по МПК G01N9/12 

Изобретение относится к технике для геофизических исследований скважин и может быть использовано в нефтедобывающей промышленности при исследовании нефтяных эксплуатационных скважин.

Известно устройство для определения плотности жидкости в стволе эксплуатационных скважин [1]
Это устройство в качестве измерительного элемента содержит набор шариков различной плотности. Шарики размещены в зондовой трубке и могут свободно перемещаться в осевом направлении в пределах зонда. Шарики расположены в порядке дискретного убывания плотности снизу-вверх, причем разность плотностей соседних шариков (шаг) выбирается в зависимости от требуемой точности измерений плотности жидкости в скважине.

Скважинная жидкость поступает в зондовую трубку, и шарики распределяются в зонде в зависимости от плотности этой жидкости. Так, часть шариков, плотность которых меньше плотности исследуемой жидкости, будет всплывать и размещаться в верхней части зонда, а шарики, плотность которых больше плотности жидкости, спустятся в нижнюю часть зонда.

Таким образом, для определения плотности исследуемой жидкости достаточно знать количество шариков, находящихся в верхней либо в нижней части зонда в момент измерения. Общее количество шариков выбирается в зависимости от диапазона измерения плотности исследуемой жидкости.

Для определения количества "всплывших" шариков и соответственно плотности жидкости использована электромагнитная система, состоящая из набора вертикально расположенных параллельно зондовой трубке катушек индуктивности. При этом шарики должны содержать добавки из ферромагнитного материала.

К недостаткам описанного выше устройства следует отнести следующие:
низкая точность измерений, обусловленная дискретностью измерений. Так, например, если плотность соседних шариков различается на 0,02 г/см, то погрешность измерений составляет также 0,02 г/см. Уменьшение дискретности потребует значительного увеличения количества шариков, что приведет к увеличению длины зонда и вероятности неоднозначного разделения шариков по плотности за счет их "залипания", связанного в частности с очень малой "подъемной" силой каждого из шариков;
сложность конструкции и низкая надежность в работе, обусловленные тем, что электронный преобразователь должен иметь большую длину при очень малом диаметре, поскольку он размещен вдоль всего зонда параллельно трубке с шариками.

Известен поплавковый плотномер для измерений плотности жидких сред, принятый за прототип [2] Этот плотномер содержит тонущий в исследуемой жидкости поплавок, связанный с упругим противодействующим элементом и дистанционным преобразователем перемещений, соединенным с одним из входов блока регистрации, другой вход которого соединен с термопреобразователем, помещенным в контролируемую жидкость.

По сравнению с устройством для определения плотности жидкости, рассмотренным выше, он обладает более высокой надежностью и точностью при проведении измерений в поверхностных условиях.

Недостатком указанного поплавкового плотномера является то, что он позволяет производить измерения только в поверхностных (наземных) условиях в больших по размерам емкостях, заполненных жидкостями, и не может быть использован для работы в специфических условиях эксплуатационных нефтяных скважин, где имеют место большая глубина (до 3000 м), искривление ствола скважины, ограниченный проходной диаметр (40-50 мм), а также высокое гидростатическое давление (до 300 кг/см).

Задачей изобретения является повышение точности измерений и расширение области применения, в частности в эксплуатационных нефтяных скважинах.

Поставленная задача достигается тем, что известный поплавковый плотномер, содержащий поплавок, связанный с упругим противодействующим элементом и дистанционным преобразователем перемещений поплавка, соединенным с блоком регистрации, согласно изобретению, выполнен в виде измерительного зонда, состоящего из защитного корпуса со сквозными окнами для свободного доступа исследуемой скважинной жидкости, направляющих стержней, закрепленных внутри корпуса параллельно его оси, при этом поплавок выполнен в виде сплошного цилиндра и установлен внутри корпуса с возможностью свободного осевого перемещения вдоль направляющих стержней, причем объемная плотность поплавка выбрана в 1,5-2 раза превышающей средние значения объемной плотности исследуемой скважинной жидкости.

Выполнение измерительного зонда в виде защитного корпуса со сквозными окнами, направляющих стержней, закрепленных внутри корпуса параллельно его оси, и поплавка цилиндрической формы, установленного внутри корпуса с возможностью его свободного осевого перемещения вдоль направляющих стержней, обеспечивает его эффективное использование для исследования эксплуатационных нефтяных скважин.

Целесообразность выполнения поплавка в виде сплошного цилиндра диктуется тем обстоятельством, что все глубинные скважинные приборы имеют круглое сечение, и поэтому для обеспечения плотностной радиальной симметрии поплавка относительно корпуса зонда он должен иметь цилиндрическую форму.

Кроме того, исходя из необходимости создания поплавкового плотномера малого диаметра (не более 35-40 мм), поплавок должен вписываться во внутренний диаметр корпуса и обеспечивать при этом необходимый круговой зазор между стенкой корпуса и поплавком, в связи с чем его диаметр практически не может превышать 30 мм. Поэтому цилиндрическая форма поплавка является наиболее оптимальной с точки зрения повышения чувствительности, поскольку поплавок цилиндрической формы будет иметь максимально возможные значения объема и массы при относительно низких значениях плотности материала, из которого он выполнен.

Выбор объемной плотности поплавка, превышающий в 1,5-2 раза средние значения объемной плотности исследуемой скважинной жидкости, продиктован следующим обстоятельством.

Известно, что плотность скважинной жидкости в стволе эксплуатационной нефтяной скважины изменяется от 0,7 г/см (чистая нефть), до 1,25 г/см (минерализованная вода). Среднее значение плотности составляет около 1,0 г/см. При этом поплавок, по условию, должен иметь объемную плотность в пределах 1,5-2 г/см. В этом случае обеспечивается наиболее оптимальные условия работы плотномера, так как, во-первых, поплавок будет всегда тонущим в исследуемой жидкости, и, во-вторых, достигается максимально возможное относительное значение выталкивающей силы, а также достаточная (в пределах 8-10 см) величина осевого перемещения поплавка в зависимости от изменения плотности скважинной жидкости в пределах диапазона ее изменения от 0,7 до 1,25 г/см при использовании в качестве упругого противодействующего элемента сравнительно тонкой эластичной пружины.

На фиг.1 схематично изображен поплавковый плотномер, разрез по его продольной оси; на фиг.2 то же, поперечное сечение по А-А.

Поплавковый плотномер состоит из герметичного корпуса 1 и защитного корпуса 2 измерительного зонда. В защитном корпусе зонда выполнены окна 3 для доступа скважинной жидкости. Внутри корпуса зонда 2 размещена поплавковая система, состоящая из сплошного цилиндра 4 (поплавка), свободно установленного на направляющие стержни 6 (в рассматриваемой конструкции их два), проходящие через отверстия 5. С целью значительного уменьшения силы трения между цилиндром 4 и направляющими стержнями 6 отверстия 5 выполнены на 1-1,5 мм больше диаметра стержней, а в верхних и нижних частях отверстий в специальных гнездах установлены контактные шарики 7.

В качестве силового упругого элемента, взаимодействующего с цилиндром 4 и создающего противодействующее усилие на цилиндр, использована винтовая цилиндрическая пружина 8, работающая на сжатие и размещенная под цилиндром. Объемная плотность цилиндра составляет 1,5 г/см, что превышает в 1,5 раза среднюю плотность исследуемой жидкости (примерно 1 г/см), благодаря чему обеспечиваются наиболее оптимальные условия работы, в частности достаточно большое относительное значение выталкивающей силы, а также достаточная (5-10 см) величина осевого перемещения цилиндра в зависимости от плотности жидкости в пределах диапазона ее изменения (0,7-1,2 г/см) при использовании сравнительно тонкой эластичной пружины. К верхнему торцу цилиндра 4 с помощью штока 9 закреплен ферромагнитный элемент 10, установленный в полости 11 и образующий с катушкой индуктивности 12 электромагнитный преобразователь осевого перемещения цилиндра 4. Катушка индуктивности 12 электрически с помощью контактных проводов 13 подключена к электронному блоку 14, обеспечивающему передачу электрического сигнала по геофизическому кабелю в наземное регистрирующее устройство. Регистрируемый электрический сигнал калиброван в значении плотности исследуемой жидкости.

Катушка индуктивности 12 и электронный блок 14 размещены в герметическом корпусе 1.

Поплавковый плотномер работает следующим образом. Перед спуском в скважину он калибруется в жидкости с заведомо известной плотностью, например в пресной воде, и устанавливается необходимый масштаб записи диаграммы. Затем устройство на геофизическом кабеле опускают в скважину в интервал исследования. Через окна 3 скважинная жидкость заполняет внутреннюю полость измерительного зонда 2. В зависимости от плотности жидкости поплавковая система 4, взаимодействуя с упругим элементом 8, занимает определенное осевое положение. При этом шток 9 с ферромагнитным элементом 10 займет соответствующее положение в катушке индуктивности 12, которая электрически через контактные провода 13 связана с электронным блоком 14. При этом будет вырабатываться сигнал, пропорциональный плотности измеряемой жидкости, регистрацию которого производят при подъеме в единицах плотности (г/см).

Использование: исследование нефтяных эксплуатационных скважин в нефтедобывающей промышленности. Сущность изобретения: в устройстве для определения плотности жидкости в стволе эксплуатационных скважин поплавковая система 4 в виде сплошного цилиндра с плотностью, в 1,5 - 2 раза превышающей плотность исследуемой жидкости, установленного на направляющие стержни 6, взаимодействуя с упругим элементом 8 при заполнении внутренней полости скважинной жидкостью, занимает определенное осевое положение; шток 9 с ферромагнитным элементом 10 займет соответствующее положение в катушке индуктивности 12. При этом будет вырабатываться сигнал, пропорциональный плотности измеряемой жидкости, регистрацию которого производят при подъеме в единицах плотности. 2 ил.

ПОПЛАВКОВЫЙ ПЛОТНОМЕР, содержащий поплавок, связанный с упругим противодействующим элементом и дистанционным преобразователем перемещений поплавка, который соединен с блоком регистрации, отличающийся тем, что плотномер выполнен в виде измерительного зонда, состоящего из защитного корпуса со сквозными окнами для свободного доступа исследуемой скважинной жидкости, направляющих стержней, закрепленных внутри корпуса параллельно его оси, при этом поплавок выполнен в виде сплошного цилиндра и установлен внутри корпуса с возможностью свободного осевого перемещения вдоль направляющих стержней, причем объемная плотность поплавка выбрана в 1,5 2 раза превышающей среднее значение объемной плотности исследуемой скважинной жидкости.