Скважинный уровнемер (его варианты) Советский патент 1985 года по МПК E21B47/04 

Изобретение относится к исследо ваниям в буровых , а именн к устройствам для дистанционного из мерения величины приращения уровня жидкости в буровых скважинах. . Известны приборы,применяемые для и ерения уровня жидкости в буровых скважинах, раз делаемые по принципу дей ствия на четьфе группы: поплавковые электроконтактные, электроемкостиые и гидростатические 13. Известеи также пружинно-поршне вой датчик, в котором внешнее давле ние на поршень компенсируют сжатием цилиндрической пружины ,а перемещение поршня преобразуют в электрический сигнал с помощью реостата, подвиягныч контакт которого соединен с пор нем 2. Недостаток этого датчика - пониженная чувствительность, связанная с трением поршня о стенки цилиндра, в котором он расположен. Этот недостаток не удается полностью устранить даже за счет сообщения поршню незатухающих колебаний небольшой амплитуды, преодолевающих трение покоя. Наиболее близким к предлагаемому является скважинный уровнемерj содержащий корпус, измерительную камеру, например круглого сечения, заполненную газом, и переменное электрическое сопротивление, подвижный контакт которого выполнен в вид резервуара с гибкой оболочкой, заполненного токопроводящей жидкос тью Гидростатическое давление столба жидкости в скважине воздействует на гибкую оболочку и, сжимая газ в измерительной камере, перемещает уровень токопроводящей жидкости, изменяя величину переменного элект рического сопротивления. С целью обе СП еч ения линейной зав исимо сти выходного сигнала от внешнего давления измерительной камере придана форма полости, образованной вращением кривой сжатия реального газа, заполняющего камеру, вокруг ее оси.

Однако опыт изготовления известных сквс1жинных уровнемеров показал, что им присущ недостаток, заключаю щийся в трудности изготовления измерительной камеры, форма которой с

Переменное сопротивление с заданным законом изменения его величины в

зависимости от перемещения подвижного контакта гораздо проще изготовить и проверить, чем камеру такой сложбольшой точностью должна соответствовать указанному условию. Цель изобретения - упрощение изготовления скважинного уровнемера. Поставленная цель достигается тем, что в скважинном уровнемере, содержащем корпус, измерительную камеру постоянного, например, круглого сечения, заполненную газом, и перепеременное электрическое сопротивление, подвижный контакт которого представляет собой резервуар с гибкой оболочкой, заполненнь1й токопроводящей жидкостью, переменное электрическое сопротивление выполнено в виде тонкой проводящей пленки постоянной толщины и постоянного поверхностного сопротивлеиия, ширина которой в зависимости от перемещения X подвижного контакта меняется по закону ч-Д-«, где о и VQ - постоянные; р поверхностное сопротивление;У. координата, , характеризующая положё ние подвижного контакта переменного сопро. тивления. Согласно второму варианту в скважинном уровнемере, содержащем корпус, измерительную камеру постоянного сечения, заполненную газом, переменное электрическое Сопротивление, подвижный контакт, вьтолненный в,виде резервуара с гибкой оболочкой, заполненного токопроводящей жидкостью, переменное сопротивление выполнено в виде реостата, намотанного на цилиндрическом основании проводом с постоянным линейным сопротивлением и переменным шагом намотки где ft и Х - постоянные; D диаметр основания; f)y - линейное сопротивление. ной конфигурации, как в уровнемерепрототипе. , -V Существенное отличие предложенно технического решения от известных заключается в том, что в нем линей ная. зависимость выходного электрического сигнала от измеряемого параметра достигается не за счет придания особой формы измерительной камере, а за счет особого вьшолнеНИИ переменног } электрического сопротивления, которое при простой форме измерительной камеры (с посто янным сечением позволяет скомпенсировать нелинейность зависимости объема газа в измерительной камере от давления при изотермическом сжатии газа. На фиг. 1 показан скважинный уровне . мер в сборе, продол разрез; на фиг.2 - электрическая схема уровнемера; на фиг.З - зависимость объема измерительной камеры (кривая А) и величины переменного сопротивления (кривая В7 от внешнего давления на фиг.4,- кривая необходимого изменения величины переменного сопротивления в зависимости от положения его подвижного контакта; на фиг.5 пример выполнения переменного сопро тивления для первого варианта уровнемера; на фиг, 6 - выполнение переменного сопротивления для второго, варианта уровнемера. . Корпус предложенного уровнемера состоит из металлического цилиндра I и двух наконечников: нижнего 2 и верхнего 3, соединенных с цилиндром 1 резьбой. На выступ в нижней части цилиндра 1 одет гибкий резервуар А, заполненный токопроводящей жидкостью 5, которая образует подвижный контакт переменного электрического сопротивления 6. Переменное сопротивление 6 крепится к изоляционному вкладышу 7, расположенному между верхним наконечником 3 и цилиндром 1. Пространство внутри цилиндра 1, заключенное изоляционным вкладьшем 7 и поверхность ток опроводящей жидкости 5, образует измерительную камеру 8 цилиндрической формы, заполненную воздухом или другим газом. От переменного сопротивления 6 и металлического цилиндра 1 сделаны электрические выводы 9, пропущенньте через каналы в верхнем наконечнике 3, заполненные уплотнителем 10. Уровнемер работает следующим образом. На поверхности (при атмосферном давлении уровнемер собирают, заливая в гибкий резервуар 4 такое количество токопроводящей жидкости 5, чтобы она достигала нижнего края переменного электрического сопротивления 6, о чем можно судить по появлению электрической цепи между выводами 9. Скважинный уровнемер подключаютк каротажному кабелю II, а кабель - к наземному измерительному блоку, .собранному, например, по мостовой схеме (фиг.2). Схему балансируют перед спуском прибора в скважину, устанавливая нулевые показания регистрирующего прибора I2 с помощью подстроечного сопротивления 13. Прибор опускают в буровую скважину ниже статического уровня По мере погружения уровнемера ниже уровня воды увеличивается гидростатическое давление на гибкий резервуар 4и уровень токопроводящей жидкости 5 в нем повьщ1ается, сжимая газ в измерительной камере 8 внутри цилиндра 1. Величина переменного электрического сопротивления 6 при этом уменьшается, что вызьшает изменение показаний регистрирующего прибора 12. Как известно, изотермическое расширение (сжатие) газа описьшается законом Бойля-Мариотта (кривая А фиг.З) FV (О Если положить начальное давление равным атмосферному 1, то измеряемое давление Р можно выразить через отношения объемов газа начального, V(, и измеряемого V :Р -Л-, а учитьюая, что камера в которой находится газ, имеет постоянное сечение S, .где . Чо - постоянная, равная высоте амеры в начальный момент, при атосферном давлении; X - высота оторой достигнет уровень токопровоящей жидкости в момент измерения, .е. текущая координата, характёризующая положение подвижного контакт переменного сопротивления. Величину переменного сопротивлен R в этот момент можно записать как Я..ЙО-МТ У.ЗГ R,-«l%«, RQ- полное значение переменног сопротивления; а - постоянный коэффициент про порциональности, величину которого можно , прир няв R 0, тогда N - HciA. V X при R 0 (это координата верхнего конца переменного сопротив ления R), Величина переменного сопротивления, рассчитанная по формуле (З), линейно .зависит от внешнего давлени Р (кривая В на фиг.З) и соответстве но нелинейно зависит от перемещения X его подвижного контакта (фиг.4). Если продифференцировать выражен (4) по У , получим S7-I С учетом того, что (л и X, величины постоянные, можно сформулировать основное условие, которому должно удовлетворять переменное сопротивление в предложенном уровнемере, а именно, чтобы величина пере менного сопротивления линейно зависела от внешнего давления, необходимо, чтобы приращение величины переменного сопротивления было об- ратно пропорщюнально квадрату пере мещения подвижного контакта (фиг,4) В первом варианте предлагается выполнить переменное сопротивление в виде тонкой проводящей пленки постоянной толщины и постоянного поверхностного сопротивления (ом), ширина п(;() которой меняется так, чтобы приращение величины переменного сопротивления удовлетворяло условию (6). Форма предложенного сопротивления приведена на фиг.5. Сопротивление элементарного слоя пленки, вырезанного перпендикулярно оси X , как показано на фиг.5, составит а R -- Р (Х) Отсюда Подставив в (8) выражение (6N, получаем Пленочное сопротивление может быть изготовлено различными способами. Например, посредством напьшения на прямоугольную пластину из изолятора порошка из высокоомного сплава (нлхрома, фехраля и др.) по заданной формулой (9) площади или просто вырезано по той же форме из листового высокоомного материала и наклеено на изоляционное основание . Во втором варианте скважинного уровнемера предлагается переменное сопротивление в виде реостата, намотанного на цилиндрическом основании диаметром D неизолированным проводом с линейным сопротивлением Р (ом/см) и переменным шагом намотки, который можно вычислить из следующих соображений. При переходе подвижного контакта с одного витка на другой, расстояние между которыми составляет .шаг намотки 4 Х(х), изменение величины переменного сопротивления должно быть равно сопротивлению одного витка ., .-.л (,0) с учетом (б) можно записать лК flR Откуда Х (11) w Указанные два варианта не исчерпьшают всех возможностей выполнения переменного сопротивления в соответствии с закономерностью, сформулированной в (6) , а предлагают лищь наиболее простые в изготовлении конструкции. Кроме них можно предложить, например j реостат, намотанный с равноерным шагом на плоском основании, рофиль которого изменяется в оответствии с кривой на фиг.4, последовательность контактов, соеди няюгцихся через постоянные сопротивления, величина которьк изменяется согласно (б) и т.п. В любом из этих случаев изготовление переменного сопротивления 508 остается более простым делом, чем изготовление измерительной камеры сложной конфигурации в уровнемерепрототипе предложенного технического решения, что и обуславливает положительный эффект последнего.

1. Скважинный уровнемер, содер жащий корпус, измерительную камеру постоянного, например, круглого сечения, заполненную газом, и переменное электрическое сопротивление, подвижный контакт которого представляет собой резервуар с гибкой оболочкой, заполненный токопроводящей жидкостью, отличающийся тем, что, с целью упрощения изготовления уровнемера, переменное сопротивление в нем выполнено в виде проводящей пленки постоянной толщины и постоянного поверхност- . ного сопротивления,.имеющее переменную ширину Ь)г f, .. у, йУ, где « и Хц - пос-гоянные; X - текущая координата, характеризующая положение подвижного контакта1 переменного сопротивления; pf, - поверхностное сопротивление . 2. Скважинный урювнемер, содержа щий корпус, измерительную камеру постоянного сечения, заполненную (Л газом, переменное электрическое со- противление, подвижный контакт, выполненный в виде резервуара с гибкой оболочкой, заполненного токопроводящей жидкостью, отличающийся тем, что, с целью упрощения конструкции, переменное сопротивление в нем вьшолнено в виде сл реостата, намотанного на цилиндри 00 ческом основании проводом с посто ел янным линейным сопротивлением и переменным шагом намотки дУ(к) V дХ Н 01X, Л-- , где о и - постоянные; D - диаь;етр основания; f) - линейное сопротивление,

fPU9.i