СКВАЖИННЫЙ ТУРБИННЫЙ РАСХОДОМЕР Российский патент 2007 года по МПК E21B47/10 G01F1/10 G01F15/18 

Изобретение относится к области геофизических исследований и может быть использовано при термогидродинамических исследованиях действующих нефтяных и газовых скважин с целью оптимизации режимов работы действующих скважин, при построении профиля притока или поглощения в скважинах с целью определения дебитов пластов и пропластков и при проведении ремонтно-изоляционных работ.

Известен расходомер, содержащий корпус, измерительную турбинку, ось и подшипниковые опоры, которые заключены в стакан, герметично посаженный дном на ось и заполненный средой с удельным весом, выше удельного веса скважинной жидкости с абразивными частицами. (А.С. №667812, G 01 F 15/18, БИ №22, 1979 г.).

Недостатками данного устройства являются сложность конструкции опорного узла и отсутствие его термокомпенсации.

Известен скважинный расходомер, содержащий корпус, внутри которого размещен измерительный узел в виде турбинки, расположенной в подшипниковых опорах, струенаправляющие аппараты, вторичный преобразователь скорости вращения турбинки, причем измерительный узел заключен в обойму, установленную в дополнительных подшипниковых опорах и связанную через магнитную муфту с введенным в устройство регулированным реверсивным приводом. (А.С. №1329331, G 01 F 15/18, БИ №14, 1995 г.).

Известен скважинный расходомер, содержащий корпус, преобразователи числа оборотов в электрические сигналы, центраторы, турбинку, электродвигатель с редуктором для принудительного вращения, выносным вращающимся рычагом, причем турбинка расположена параллельно продольной оси рычага по всей его длине и дополнительным рычагом, один конец которого шарнирно соединен с первым рычагом, а другой с корпусом прибора. (Патент РФ №2 188 942, Е 21 В 47/10, 10.09.2002 г.).

Недостатками этих расходомеров являются отсутствие термокомпенсации в опорных узлах, относительная затененность измерительного узла от основного потока в струенаправляющем аппарате, снижающем эффективность работы турбинки, сложность конструктивного решения, снижающая надежность устройства в целом.

Известен скважинный расходомер, содержащий корпус, хвостовик, центратор, выполненный в виде пружинных пластин, одни концы которых закреплены на корпусе, а другие - на хвостовике, в полости которого установлена пружина, соединенная через струну с корпусом, турбинку из эластичного материала, установленную на струне, защитные закрылки турбинки, выполненный из магнита и геркона, узел регистрации числа оборотов турбинки, на которой установлен магнит, а геркон установлен на корпусе, две обоймы, установленные соответственно на корпусе и хвостовике с возможностью возвратно-поступательного движения, тяги, одни концы которых шарнирно закреплены на обоймах, а другие - в средней части пружинных пластин центратора, установленные на корпусе электромагнит и подвижную втулку, причем защитные закрылки турбинки установлены на тягах и выполнены с элементами фиксации относительно подвижной втулки. (А.С. №1562440, Е 21 В 47/10, БИ №17, 1990 г.).

Недостатки расходомера обусловлены наличием тормозящего момента, возникающего в момент прохождения магнитом магнитоуправляемых контактов геркона, что влияет, с одной стороны, на нижний порог чувствительности расходомера, повышая его, а с другой стороны, оказывает влияние на равномерность вращения турбинки, и эластичностью материала турбинки, лопасти которой меняют свою геометрию при больших измеряемых потоках, что в свою очередь снижает достоверность информации и эффективность измерения.

Известен турбинный расходомер для измерения расхода жидкости или газа, содержащий корпус, турбинку, размещенную внутри корпуса с возможностью вращения в опорах, измерительный блок, снабженный для создания магнитных опор источником постоянного магнитного поля - магнитом с полюсными наконечниками, при этом корпус расходомера выполнен из немагнитного материала, в котором установлена турбинка с магнитной осью и лопастями из немагнитного материала, а ось турбинки контактирует одним из концов с опорной пластиной из износостойкого материала, закрепленной на внутренней стенке корпуса расходомера и выполненной с выемкой в месте контакта ее с осью турбинки. (Пат. №94035512, G 01 F 1/00, БИ №21, 1996 г.).

Недостатками турбинного расходомера являются относительная затененность турбинки основным корпусом, что снижает чувствительность устройства в целом, и влияние аномальных магнитных полей на опорный узел, что снижает эффективность его работы и достоверность информационных данных.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является скважинный расходомер, содержащий корпус и установленные в нем измерительную турбинку на опорах, преобразователь числа оборотов турбинки в электрический сигнал и первичные преобразователи, который снабжен кассетой, установленной в корпусе и выполненной в виде плоской рамы, боковые стороны которой с ребрами жесткости, а торцевые стороны выполнены в виде направляющих элементов, турбинка установлена внутри рамы, в центре корпуса выполнено гнездо для кассеты, с обеих его сторон выполнены ниши, в которых размещены первичные преобразователи, корпус выполнен в виде лучеобразно исходящих от его оси пластин, противоположно установленные из которых выполнены с ребрами жесткости на уровне гнезда под кассету, которая выполнена съемной, а одна из ее боковых сторон выполнена с фиксаторами. (А.С. SU №1661390 А1, Е 21 В 47/10, БИ №25, 1991 г.).

Недостатками скважинного расходомера являются:

- относительная затененность турбинки основным корпусом, что снижает чувствительность турбинки к потоку скважинных флюидов;

- встречная установка опор оси турбинки, что увеличивает возможность засорения нижней опоры оси турбинки, являющейся чашей для осаждения грубых, абразивных частиц скважинных флюидов, что ведет к снижению чувствительности турбинки вследствие увеличения тормозного момента для оси вращения турбинки и к сокращению времени износа нижней опоры, следовательно, к снижению надежности работы узла в целом.

Технической задачей изобретения является увеличение эффективности и повышение чувствительности измерения и надежности работы устройства в условиях больших перепадов температур, измеряемого расхода и изменений среды и наличия абразивных частиц в скважинных флюидах.

Указанная задача достигается тем, что в скважинном турбинном расходомере (в дальнейшем расходомере), содержащем корпус из трех связанных частей, средняя из которых выполнена в виде ребер, имеющих выемки под установку турбинки, установленную в средней части корпуса с возможностью вращения в опорах турбинку и датчик оборотов турбинки, средняя часть корпуса установлена эксцентрично относительно общей оси корпуса, а ось турбинки установлена соосно или эксцентрично продольной оси средней части корпуса в подпятниках, верхний из которых установлен в корпусе, поджат пружиной и снабжен термокомпенсатором, а нижний подпятник контактирует со служащей опорой иглой из износостойкого материала, при этом в ребрах выполнены глухие каналы, в которых установлены датчики оборотов турбинки и направления вращения турбинки.

Новыми признаками устройства являются:

- установка средней части корпуса эксцентрично относительно общей оси корпуса, что обеспечивает смещение центра тяжести корпуса относительно общей оси корпуса, таким образом смещая центр тяжести расходомера относительно общей оси и обеспечивая однозначность установки его в скважине - в плоскость наклона скважины, создается смещение лопастей турбинки к наиболее эффективной для замера части измеряемого потока скважинных флюидов;

- установка оси турбинки соосно продольной оси средней части корпуса позволяет снизить затенение для лопастей турбинки естественного прохода измеряемого потока скважинных флюидов конструкцией корпуса, что увеличивает чувствительность к измеряемому потоку;

- установка оси турбинки эксцентрично продольной оси средней части корпуса дополнительно усиливает вышеописанный эффект, увеличивая чувствительность к измеряемому потоку;

- установка верхнего подпятника в корпусе, а нижнего подпятника в контакте со служащей опорой иглой из износостойкого материала обеспечивает куполообразное расположение опор при нахождении расходомера в скважине, защищающее подпятники от попадания загрязнений - грубых, абразивных частиц, входящих в состав скважинных флюидов, что не только повышает надежность конструкции, но увеличивает эффективность работы турбинки и повышает эффективность измерений;

- поджатие верхнего подпятника пружиной и снабжение его термокомпенсатором обеспечивает стабильность работы турбинки в широком диапазоне температур за счет термокомпенсации температурных расширений материалов оси, корпуса и подпятников материалом термокомпенсатора и упругостью пружины, обеспечивая неизменность опорных усилий оси турбинки на подпятники;

- контактирование нижнего подпятника со служащей опорой иглой из износостойкого материала повышает устойчивость оси турбинки за счет жесткости нижней опоры при упругости верхней опоры;

- выполнение в ребрах глухих каналов, в которых установлены датчики оборотов и направления вращения турбинки, с одной стороны, защищает датчики от воздействия окружающей среды, а с другой стороны, подобная установка не вносит дополнительных влияний на измеряемый поток скважинных флюидов;

- введение датчика направления вращения турбинки позволяет определить направление перемещения скважинных флюидов в интервале исследования скважины, повышая информативность и эффективность измерений.

Из анализа патентной и научно-технической литературы известно, что для повышения чувствительности турбинки к измеряемому потоку вводится дополнительная подвижная обойма, снабженная электроприводом, обеспечивающая постоянную подвижность опор; опоры снабжаются дополнительными защитными устройствами, обеспечивающими их изоляцию и снабжение смазывающими средствами, что значительно усложняет конструкцию и снижает надежность устройства, предлагаемый расходомер решает те же вопросы простыми средствами, что в патентной и научно-технической литературе не отражено, это позволяет сделать вывод о «Новизне» и «Изобретательском уровне » предлагаемого устройства.

Сообразуясь с необходимостью расширения эксплуатационных возможностей расходомера, без снижения надежности его работы, в ребре корпуса выполнен герметичный канал, соединяющий части корпуса между собой.

Выполнение герметичного канала в ребре корпуса, соединяющего части корпуса между собой, позволяет, пропустив по каналу транзитные жилы кабеля, спрятать транзитные жилы кабеля в жесткой конструкции ребра корпуса, исключая возможность их повреждения при проведении измерений в скважинах, а значит, повысить надежность расходомера в целом. Кроме того, при исследовании скважин многомодульными комплексными скважинными приборами такое выполнение позволит устанавливать расходомер, по мере решения задач, в любом месте многомодульного комплексного скважинного прибора (в нижней части комплекса, как в случае с прототипом, в верхней части комплекса и между модулями комплекса).

На фиг.1 представлен вариант конструкции скважинного турбинного расходомера.

Скважинный турбинный расходомер содержит:

- корпус 1, выполненный из немагнитного материала и состоящий из трех связанных частей, средняя из которых выполнена в виде ребер 2, которые имеют выемки под установку турбинки;

- турбинку 3 с осью 4, установленную в средней части корпуса с возможностью вращения в опорах, причем ось 4 выполнена из износостойкого материала;

- датчик 5 оборотов турбинки;

- подпятники 6 и 7, являющиеся опорами для оси 4 турбинки 3 и установленные соответственно в корпусе 1 (верхний подпятник 6) и в оси 4 (нижний подпятник 7), причем верхний подпятник 6 поджат пружиной 8 и снабжен термокомпенсатором 9, а нижний подпятник 7 контактирует со служащей опорой иглой 10, выполненной из износостойкого материала и установленной в корпусе 1;

- датчик направления вращения турбинки 11.

Датчик 5 оборотов турбинки и датчик 11 направления вращения турбинки установлены в ребрах 2 корпуса 1, в которых выполнены герметичные каналы 12.

В ребре 2 корпуса 1 выполнен сквозной герметичный канал 13, связывающий части корпуса 1 между собой.

Средняя часть корпуса (ось «а-а») установлена эксцентрично относительно общей оси корпуса (ось «б-б»), что дает возможность сместить центр тяжести корпуса относительно его общей оси, а ось 4 турбинки 3 установлена соосно продольной оси средней части корпуса корпуса, которой в данном случае является ось «а-а» (фиг.2).

Термокомпенсатор 9 выполнен в виде втулки, торцевая поверхность которой зафиксирована (кернением, сваркой и др.) в торцевой поверхности корпуса 1 (фиг.3).

Материал термокомпенсатора 9 подобран таким образом, что температурные расширения материалов - оси 4, подпятников 6 и 7, иглы 10 и корпуса 1, входящих в размерную цепь, компенсируются температурным расширением материала термокомпенсатора 9 и упругостью пружины 8, что обеспечивает стабильность работы турбинки в широком диапазоне температур, обусловленной неизменностью опорных усилий оси 4 на подпятники 6 и 7.

Ось 4 содержит магнит 14, установленный перпендикулярно ее продольной оси в зоне установки датчика 5 оборотов турбинки и датчика 11 направления вращения турбинки 3.

На корпусе 1 установлены опорные втулки 15 и 16, на которых закреплены пружины центратора 17.

В корпусе 1 установлен измерительный блок 18.

Расходомер работает следующим образом.

Расходомер, или в составе многомодульного скважинного комплексного прибора или автономно, опускается на кабеле в скважину и останавливается в исследуемом интервале.

При этом корпус 1 расходомера под действием смещенного центра тяжести развернут в плоскость наклона скважины и центрирован относительно оси скважины центратором 17, перемещающимся на корпусе 1 расходомера и установленным на опорных втулках 15 и 16.

Ось 4 турбинки 3 соосна продольной оси средней части корпуса 1 «а-а» и смещена относительно общей оси «б-б» корпуса 1 (фиг.2), при этом лопасти турбинки 3 выступают относительно образующих поверхностей корпуса 1, а поток скважинных флюидов направлен на выступающие края лопастей турбинки 3.

Турбинка 3 с осью 4 свободно вращается в подпятниках 6 и 7.

При этом трение в опорах оси 4 в процессе измерения остается неизменным за счет:

- расположения опорных точек в верхних зонах подпятников 6 и 7, установленных куполообразно в рабочем положении расходомера и обеспечивающих естественную защиту от проникновения грубых абразивных частиц из потока скважинных флюидов в места контакта оси 4 с подпятниками 6 и 7;

- отработки температурных расширений материалов оси 4, иглы 10, подпятников 6 и 7, и корпуса 1, входящих в размерную цепь, температурным расширением материала термокомпенсатора 9 и упругостью пружины 8.

Под действием восходящего или нисходящего потока скважинных флюидов вращается турбинка 3 с осью 4, в которой расположен магнит 14. Магнит 14 наводит электромагнитные колебания в датчике 5 оборотов турбинки 3 и в датчике 11 направления вращения турбинки 3, расположенных параллельно в одном из ребер 2 корпуса 1. Сигналы от датчика 5 оборотов турбинки и датчика 11 направления вращения турбинки 3 передаются в измерительный блок 18.

Данные датчика 11 направления вращения турбинки 3 позволяют определить направление перемещения скважинных флюидов в интервале исследования скважины.

В сквозных каналах 13 ребер 2 проложены транзитные жилы кабеля, электрически соединяющие верхнюю и нижнюю части корпуса 1, что:

- позволяет устанавливать расходомер в многомодульных комплексных скважинных приборах в любом составе и месте (в нижней части прибора, в верхней части прибора и между другими измерительными модулями);

- не оказывает влияния на прохождение измеряемого потока скважинных флюидов;

- повышает надежность проводки жил кабеля.

Предлагаемый скважинный турбинный расходомер реализован при разработке и выпуске скважинного расходомера, который опробован в составе комплексной скважинной аппаратуры «Сова» во многих геофизических производственных предприятиях России, что позволяет сделать вывод о «Промышленной применимости».

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет повысить надежность работы, увеличить эффективность и чувствительность измерений и расширить эксплуатационные возможности расходомера, в результате чего достигается технический эффект, заключающийся в повышении срока службы расходомера, повышении качества и достоверности получаемой информации, в возможности использования расходомера в условиях больших перепадов температур, измеряемого расхода и изменений среды, осложненной наличием абразивных частиц в скважинных флюидах, а также в обеспечении использования расходомера в любом составе скважинных многомодульных комплексных приборов, что, в конечном итоге, ведет к повышению эффективности исследования объекта или месторождения в целом.

Расходомер содержит корпус из трех связанных частей, в средней из которых с возможностью вращения в опорах установлена турбинка. Средняя часть выполнена в виде ребер, имеющих выемки под установку турбинки, и установлена эксцентрично относительно общей оси корпуса. В ребрах выполнены глухие каналы, в которых установлены датчики оборотов и направления вращения турбинки. Ось турбинки установлена соосно или эксцентрично продольной оси средней части корпуса в подпятниках. Верхний подпятник поджат пружиной и снабжен термокомпенсатором, а нижний подпятник контактирует со служащей опорой иглой из износостойкого материала. В ребре корпуса выполнен герметичный канал для прокладки электрического кабеля. Изобретение обеспечивает повышение чувствительности измерения и надежности работы в условиях больших перепадов температур, измеряемого расхода и наличия абразивных частиц в скважинном флюиде. Расходомер может использоваться в комплексных многомодульных приборах нефтяных и газовых скважин. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Скважинный турбинный расходомер, содержащий корпус из трех связанных частей, средняя из которых выполнена в виде ребер, имеющих выемки под установку турбинки, установленную в средней части корпуса с возможностью вращения в опорах турбинку и датчик оборотов турбинки, отличающийся тем, что средняя часть корпуса установлена эксцентрично относительно общей оси корпуса, а ось турбинки установлена соосно или эксцентрично продольной оси средней части корпуса в подпятниках, верхний из которых установлен в корпусе, поджат пружиной и снабжен термокомпенсатором, а нижний подпятник контактирует со служащей опорой иглой из износостойкого материала, при этом в ребрах выполнены глухие каналы, в которых установлены датчики оборотов турбинки и направления вращения турбинки.2. Скважинный турбинный расходомер по п.1, отличающийся тем, что в ребре корпуса выполнен герметичный канал, соединяющий части корпуса между собой.