УСТРОЙСТВО ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО ЗАМЕРА УРОВНЯ ЖИДКОСТИ В МЕЖТРУБНОМ ПРОСТРАНСТВЕ СКВАЖИНЫ Российский патент 1997 года по МПК E21B47/04 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть применено для автоматического замера изменений уровня жидкости (воды, нефти) в скважинах, в т.ч. в узком кольцевом пространстве, ограниченном обсадной и водоотводной трубами.

Для оценки новизны и технического уровня заявленного решения рассмотрим ряд известных технических средств аналогичного назначения.

Для замера уровней воды в буровых скважинах широко используются электроуровнемеры, позволяющие замерять уровень воды по электросигналу, получаемому от датчика при его контакте с поверхностью воды, см. например, уровнемер УЭ-50 с глубиной измерений 50 м и ЭВ-IM с глубиной измерений до 200 м [1]
Недостатком электроуровнемеров является необходимость наличия сухих источников питания электрической схемы, а также недостаточная точность измерений, обусловленная тем, что торможение катушки с проводом осуществляется оператором вручную по сигналу лампочки-индикатора, а глубина уровня отсчитывается по цифровым биркам на проводе.

Все упомянутые выше приборы относятся к классу переносных приборов, используемых для разовых замеров уровня воды. Для измерения и регистрации уровня в исследуемых скважинах разработаны и применяются стационарные приборы, среди которых наибольшее распространение получила поплавковые уровнемеры.

Известен, например, барабанный поплавковый скважинный уровнемер типа УБ-1, содержащий корпус, барабан с тросом, установленный на вращающемся валике, а также опущенный в скважину поплавок, прикрепленный к свободному концу троса, и счетчик измерений, вал которого взаимодействует с тросом [2]
Недостатком данного устройства является низкая точность и достоверность измерений, обусловленная тем, что остановка барабана при достижении поплавком уровня воды осуществляется оператором вручную по таким косвенным признакам, как ослабевание тросика.

Наиболее близким к заявленному решению является устройство для измерения уровня воды в межтрубном пространстве скважины, содержащее индикатор, соединенный с ним мерный шнур и бесконечный канат [3]
К одной из ветвей каната присоединен изолированный мерный тросик (с метками через 1 м), соединенный с одним полюсом электрической батарейкой. Другой полюс батарейки соединен с обсадной трубой. Путем перетягивания одной ветви бесконечного каната снизу вверх другая ветвь с полюсом от батарейки будет опускаться вниз, и, дойдя до уровня воды, замкнет электроцепь через воду, на что укажет стрелка индикатора.

По длине выпрямленного мерного троса определяется глубина уровня воды.

Данному аналогу свойственны следующие недостатки, не позволяющие достичь поставленной нами цели.

1. Применение такого прибора возможно только в токопроводящей жидкости, в частности в воде, содержащей растворенные соли, но он совершенно неприемлем для нефти или химически чистой воды, т.к. они диэлектрики.

2. Перетягивание ветви бесконечного каната на большую глубину (50 м и более) работа длительная и трудоемкая с низкой производительностью труда.

3. Прибор не может регистрировать динамику изменения замеряемого уровня и предназначен для разового замера уровня по мере необходимости.

4. Весь процесс замера уровня осуществляется вручную и не может быть автоматизирован.

5. Применение этого прибора возможно только в стесненном сечении скважины водоотводной трубой, к которой присоединен один из полюсов батарейки. Для свободного сечения скважины этот прибор не может быть использован.

Известно устройство для измерения уровня жидкости, содержащее корпус с дном и крышкой, к которой прикреплена зубчатая рейка, платформу, закрепленную на дне и подпружиненную относительно последнего, суммирующий счетчик с шестерней, барабан с валом и зубчатым колесом, взаимодействующим с шестерней суммирующего счетчика и зубчатой рейкой, и индикатор уровня жидкости, связанный с тросом.

По наибольшему количеству сходных признаков и достигаемому при использовании результату данное техническое решение выбрано в качестве прототипа заявляемого решения.

Недостатками прототипа, не позволяющими достичь поставленной нами цели, является то, что используемый в его конструкции поплавок для приведения устройства в действие должен обладать достаточно большим запасом плавучести, а следовательно, иметь ощутимые геометрические размеры.

Размещение такого поплавка в узком межтрубном пространстве скважины весьма затруднено, а в ряде случаев практически невозможно. Кроме того, прототип обеспечивает только регистрацию глубины уровня воды, но не в состоянии регистрировать динамику его изменения.

Указанные недостатки существенно сужают функциональные возможности прототипа, ограничивают область его использования.

Целью изобретения является обеспечение возможности надежного замера уровня жидкости в межтрубном пространстве скважины, а также обеспечение возможности регистрации динамики изменения уровня жидкости в скважине.

На фиг. 1 представлено предлагаемое устройство, разрез; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 разрез Б-Б на фиг. 2; на фиг. 4 разрез В-В на фиг. 2; на фиг. 5 разрез Г-Г на фиг. 2; на фиг. 6 разрез Д-Д на фиг. 3; на фиг. 7 разрез Е-Е на фиг. 5.

В корпусе 1 консольно на петлях 2, насаженных на неподвижную ось 3, установлена платформа 4, поддерживаемая пружинами 5. На платформе размещен барабан 6 на валике 7, вращающийся в подшипниках 9, установленных на неподвижных опорах 9, закрепленных на платформе 4. На выступающем конце валика 7 насажено зубчатое колесо 10, входящее в зацепление с шестеренкой 11, сидящей на валике суммирующего счетчика оборота 12 и с шестеренкой 13, сидящей на валике электромикродвигателя 14. Над зубчатым колесом 10, к крышке корпуса 1, прикреплена зубчатая рейка 15, с возможностью взаимодействия с зубчатым колесом 10.

Суммирующий счетчик оборотов 12 и микродвигатель 14 закреплены на платформе 4, а свободный валик суммирующего счетчика оборотов 12 присоединен с приводом к самописцу (не показан). Другой конец валика 7, выведенный за пределы корпуса 1, снабжен рукояткой 16.

На барабане 6 уложен кабель-трос 17 в несколько слоев, а свободный конец опущен в скважину. Закрепленный на барабане конец кабель-троса 17 пропущен через радиальное отверстие внутрь пустотелого валика 7, а оттуда выведен наружу через другое радиальное отверстие в валике, выполненное за пределами барабана 6.

Оголенные концы кабель-троса припаяны к контактным кольцам 18, установленными на валике 7 и снабженным токосъемниками 19.

На конце опущенного в скважину кабель-троса 17 подвешен верхний грузик 20, из которого выпущены вниз оголенные концы 21 кабель-троса 17. К верхнему грузику 20 посредством гибкой тяги 22 на небольшом расстоянии подвешен нижний грузик 23.

Уложенные на барабане 6 несколько слоев кабель-троса 17 прижаты тросоукладчиком, в виде дугообразной пластины 24, прижатой пружиной 25.

В кольцевом пространстве 26 между обсадной трубой 27 и водоотводной трубой 28 на уровень жидкости опущен кольцеобразный поплавок 29, выполненный из пенопласта и обладающий грузоподъемностью, достаточной для удержания грузиков 20 и 23.

Под платформой 4 на донышке корпуса 1 размещены: две пружины 5, поддерживающие платформу 4, сухие элементы 30, соединенные последовательно и заключенные в общем контейнере (не показан), и электромагнит 31, установленный с возможностью взаимодействия с платформой 4.

Свободный конец вала 32 суммирующего счетчика оборотов 12 присоединен к проводу самописца (не показан).

Устройство при необходимости разовых замеров уровня работает следующим образом:
До начала замеров платформа 4, шарнирно закрепленная на петлях 2, приподнята пружинками 5 настолько, что зубья колеса 10 находятся в зацеплении с зубьями неподвижной рейки 15 и барабан 6 застопорен.

Для замера уровня жидкости в скважину опускается кабель-трос 17 с грузиками 20 и 23, которые своей массой создают крутящий момент на петлях 2, сидящих на оси 3.

Усилия от этого момента больше усилий от пружинок 5, поддерживающих платформу 4 в верхнем положении. Поэтому, повернувшись на петлях 2 вокруг оси 3, платформа 4 опустится на поверхность электромагнита 31, при этом зубчатое колесо 10 выйдет из зацепления с рейкой 15, барабан 6 растормозится, и кабель-трос будет опускаться вниз к уровню жидкости в скважине.

Дойдя до измеряемого уровня, грузики 23 опустятся и лягут на поплавок 29.

При этом крутящий момент от массы грузиков исчезнет, и пружинка 5 поднимет платформу 4, повернув ее вокруг оси 3. Зубчатое колесо 10 снова войдет в зацепление с зубчатой рейкой, барабан 6 окажется застопоренным и дальнейшее опускание кабель-троса прекратится. Глубину измеряемого уровня жидкости в скважине определяют по показанию счетчика оборотов 12 с учетом диаметра шестеренки 11.

Подъем кабель-троса и грузиков на поверхность производится с помощью рукоятки 16. Для того, чтобы вывести барабан из застопоренного состояния, необходимо перед началом вращения рукоятки нажать на нее сверху вниз, чтобы вывести из зацепления зубчатое колесо 10 с зубчатой рейкой 15. В дальнейшем подъеме висящие грузики снова создадут крутящий момент, который удержит систему в требуемом нижнем положении, то есть незастопоренном и дальнейшее нажатие на рукоятку не требуется.

Автоматический замер изменений уровня выполняется следующим образом: начало работы аналогично вышеописанному. В дальнейшем возможна одна из двух ситуаций:
а) Уровень жидкости снижается. Грузик 23 будет постепенно оголяться и, когда полностью окажется выше ушедшего вниз уровня жидкости, снова возникнет крутящий момент, барабан 6 растормозится, кабель-трос 17 с грузиками 20 и 23 начнет опускаться, пока грузики не "догонят" поплавок 24 и грузик 23 не опустится на него. Крутящий момент исчезнет, барабан 6 застопорится. Суммирующий счетчик оборотов 12 и самописец зафиксируют происшедшее изменение уровня жидкости.

б) Уровень жидкости повышается. Поплавок 29 с грузиком 23, лежащем на нем, будет подниматься, пока грузик 23 не коснется выступающих из грузика 20 оголенных концов 21 кабель-троса 17. Электрическая цепь замкнется, при этом: электромагнит 31 притянет платформу 4, зубья колеса 10 выйдут из зацепления с зубьями неподвижной рейки 15, барабан 6 растормозится и под действием микродвигателя 14 через шестеренку 13 и зубчатое колесо 10 начнет вращаться на подъем кабель-троса 17, пока оголенные концы 21 не отойдут от грузика 23. Цепь разорвется, электромагнит 31 обесточится и отпустит платформу 4, которую поднимут пружинки 5, и барабан 6 снова будет застопорен.

Новый уровень будет определен по суммирующему счетчику оборотов 12 и самописцу.

Таким образом, обеспечивается автоматическое и непрерывное наблюдение и фиксация изменений уровня жидкости в скважине.

По сравнению c известными аналогами заявленное решение обеспечивает следующие преимущества:
1. Возможность автоматического замера изменений уровня жидкости с показаниями самописца как в скважинах с узким кольцевым пространством между обсадной и водоотводящей трубами, так и в скважинах со свободным пространством.

2. Возможность замера уровня в скважине не только воды, но любой неэлектропроводной жидкости, например нефти.

3. Отпадает необходимость в тросе, снабженном метками.

4. Неограниченную глубину уровня жидкости, подлежащей замеру.

5. Повышенную точность замеров, благодаря мгновенному стопорению барабана при достижении грузиком замеряемого уровня.

Изобретение относится к измерительной технике и решает задачу обеспечения возможности надежного замера уровня жидкости в межтрубном (узком) пространстве скважины, обеспечивает повышение точности и достоверности измерений. Сущность изобретения: в корпусе консольно на петлях, насаженных на неподвижную ось, установлена платформа, поддерживаемая пружинами. На платформе размещен барабан на валике. На его выступающем конце насажено зубчатое колесо, входящее в зацепление с шестеренкой, которая посажена сидящей на валике суммирующего счетчика оборотов. Зубчатое колесо входит к зацепление и с другой стороны оно насажено на валике микроэлектродвигателя. Над зубчатым колесом к крышке корпуса прикреплена зубчатая рейка, прикрепленная с возможностью взаимодействия с зубчатым колесом. Другой конец валика, выведенный за пределы корпуса, снабжен рукояткой. На барабане уложен кабель-трос. Его свободный конец опущен в скважину. Оголенные концы кабель-троса припаяны к контактным кольцам, которые установлены на валике и снабжены токосъемниками. На конце опущенного в скважину кабель-троса подвешен верхний грузик. Из него выпущены вниз оголенные концы кабель-троса. К верхнему грузику посредством гибкой тяги на небольшом расстоянии подвешен нижний грузик. В кольцевом пространстве между обсадной трубой и водоотводной трубой на уровень жидкости опущен кольцеобразный поплавок, обладающий грузоподъемностью, достаточной для удержания грузиков. 3 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Устройство для автоматического замера уровня жидкости в межтрубном пространстве скважины, включающий корпус с дном и крышкой, к которой прикреплена зубчатая рейка, платформу, закрепленную на дне и подпружиненную относительно последнего, суммирующий счетчик с шестерней, барабан с валом и зубчатым колесом, взаимодействующим с шестерней суммирующего счетчика и зубчатой рейкой, и индикатор уровня жидкости, связанный с тросом, отличающееся тем, что оно снабжено микроэлектродвигателем с цепью электропитания и токосъемниками, выполненным с валом и установленной на нем шестерней, взаимодействующей с зубчатым колесом барабана и электромагнитом, взаимодействующим с поверхностью платформы, а индикатор уровня жидкости выполнен в виде верхнего и нижнего грузов, соединенных гибкой связью, и размещенного в межтрубном пространстве кольцевого поплавка, верхняя поверхность которого взаимодействует с нижней поверхностью нижнего груза, при этом трос выполнен в виде двухжильного кабеля, одни концы которого размещены в пространстве между грузами, а другие в виде барабана, который под них выполнен с проточкой, радиальными отверстиями и контактными кольцами, взаимодействующими с токосъемниками. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что один край платформы прикреплен к стенке корпуса с помощью шарнира. 3. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что барабан снабжен трубоукладчиком, выполненным в виде подпружиненной относительно корпуса дугообразной пластины. 4. Устройство по пп.1 3, отличающееся тем, что вал барабана выведен за пределы корпуса и снабжен рукояткой.