Скважинный термоанемометр Советский патент 1974 года по МПК G01P5/12 G01F1/68 E21B47/10 

Изобретение относится к 1 ефтегазодобывающей промышленности и предназначено для измерения скорости движения природного газа или жидкости по стволу действующей скважины.

Известны скважинные термоанемометры, содержаод,ие герметичный кожух и расположенные в нем нагревательный и термочувствительный элементы.

Однако эти приборы имеют низкий верхний предел диапазона измеряемых скоростей и рабочих температур окружающей среды. Кроме того, они характеризуются неоднозначной связью показаний со скоростью потока из-за значительного теплового сопротивления между измерительным элементом и наружной стенкой кожуха датчика. Количественная интерпретация результатов измерения затруднена.

Предложенное устройство отличается тем, что кожух датчика выполнен в виде двух полостей, в одной из которых расположен нагревательный элемент, а в другой - термочувствительный элемент, помещенный от переднего конца нагревательного элемента на расстоянии, выбираемом в соответствии с выражением

Х

5-1-4. -1,6-10- «

где J - расстояние от переднего конца нагревательного элемента, м; m f(,); где р - плотность среды, Ср - теплоемкость среды, дж/кг-град; X - теплопроводность среды, вт/м-град; fj, - вязкость среды, н-сек/м ; W - скорость движения среды, м/сек.

Такое выполнение устройства позволяет повысить точность измерения и обеспечивает достижение высокого верхнего предела рабочих температур и измеряемых скоростей.

На фиг. 1 показана зависимость расстояния

от точки установки термочувствительного элемента (ТЧЭ) до передней кромки нагревателя

от параметра, определяемого комплексом теплофизических свойств среды и ее скоростью.

Как известно, коэффициент теплоотдачи

}, г. ±(1)

т т

I СГ л

где q - мощность, затрачиваемая на нагрев тела, вт;

5 - площадь поверхности тела, 7ст и Гп - температура наружной стенки и потока соответственно, град.

В то же время согласно теории теплоотдачи при продольном обтекании цилиндрического

30 тела имеем Ламинарный пограничный слой 0,5 .,0.33)01 р С Л Турбулентный пограничный слой 0,8 iO,57 р Ср Л 1170,8/о yO.Z W/ где р, Ср, Я, д, - соответственно плотность (кг/м), теплоемкость (дж/кг-град), теплопроводность (вт/м-град) и вязкость среды (н-сек/м); и/ - скорость среды, м/сек; /Сл и /Ст - постоянные коэффициенты, определяемые конструкцией обтекаемого нагретого тела; X - расстояние от передней кромки нагревателя до места установки ТЧЭ, м. Наиболее точные и однозначные результаты будут получены, если в месте установки ТЧЭ существует турбулентный пограничный слой. Из выражения (3) следует, что значение комплексного параметра т в зоне существования турбулентного пограничного слоя 0.,.67 Столь сложная зависимость объясняется тем, что законы теплоотдачи имеют полуэмпирический характер. Для описания места установки термочувствительного элемента можно воспользоваться экспериментальными данными. График на фиг. 1 в координатах (n) построен с учетом, что для воды, примененной в эксперименте ,639 10-3 н сек/м ; Ср 4174 дж/кг гр а д; 0,635 вт/м-град; кг/м а диапазон скоростей от 0,05 м/сек до 1,2 м/сек. Очевидно, что линия, образованная экспериментальными точками на фиг. 1 и определяющая критическую величину расстояния, может быть описана математическим выражением с любой наперед заданной точностью, однако для простоты можно ограничиться выражением вида ,(5) Ат + Вт+С где А, В, С - коэффициенты, подлежащие вычислению, а m описано выражением (4). Новая линия пройдет заведомо правее экспериментальной, т. е. будет находиться в нужной области значений X. После проведения расчетов Л 1,6-10 и и выражение (5) приобретает вид 5+4.,6.10-9 « (6) Кривая, описываемая этим выражением, с достаточной для практики точностью совпадает с экспериментальной кривой, приведенной на фиг. 1. Таким образом, оптимальным значением X является расстояние, полученное из формулы (6). Дальнейщее увеличение X вредно, так как ведет к бесполезному увеличению длины нагревателя и расходуемой им мощности, которую весьма сложно передавать по кабелю на большую глубину. На фиг. 2 изображен предлагаемый датчик, общий вид и разрез по А-А. Датчик 1 термоанемометра находится внутри охранного фонаря 2, на переднем конце которого установлен струевыпрямитель 3. В верхней части датчика расположен обтекатель 4. Фонарь 2 снабжен окнами 5 и крепится косынками 6 к защитному кожуху электронной схемы 7. Сверху защитный кожух оканчивается головкой 8 для подсоединения к каротажному кабелю. Защитный кожух датчика состоит из двух соединенных по образующей цилиндров 9 и 10. В цилиндре 10, имеющем внутри эллиптическое сечение, установлен ТЧЭ 11 на расстоянии большем X, причем обеспечен хороший тепловой контакт ТЧЭ 11 со стенкой защитного цилиндра 10, а в цилиндре 9 размещен электрический нагревательный элемент 12. Сечение датчика имеет неправильную форму для уменьщения поверхности теплоотдачи. Проводы 13 от ТЧЭ и нагревательного элемента соединены с электронной схемой 7, расположенной в защитном кожухе. Устройство работает следующим образом. Поток флюида, вихреобразно текущий по скважине, выпрямляется струевьшрямителем 3, успокаивается фонарем 2 и обтекает датчик 1, образуя на нем последовательно ламинарный, переходный и турбулентный пограничные слои, и вытекает через выходные окна 5. Элемент 11 воспринимает температуру стенки цилиндра 10 и изменяет свое сопротивление, которое измеряется на поверхности. Температура потока 7п измеряется после выключения нагревательного элемента или другим прибором. По разности температур вычисляется коэффициент а и массовый расход флюида, а если известны его теплофизические свойства, то и скорость. Предлагаемая конструкция датчика позволяет добиться большой плотности теплового потока через цилиндр 10, практически полного совпадения температуры стенки цилиндра 1и с температурой ТЧЭ и обеспечивает однозначную связь между измеряемой разностью температур и массовым расходом. Предмет изобретения Скважинный термоанемометр, содержащий герметичный кожух и расположенные в нем агревательный и термочувствительные элементы, отличающийся тем, что, с целью овышения точности измерения и обеспечения остижения высокого верхнего предела рабочих температур и измеряемых скоростей, кожух датчика выполнен в виде двух полостей, в одной из которых расположен нагревательный элемент, а в другой - термочувствительный элемент, помещенный от переднего конца нагревательного элемента на расстоянии, выбираемом в соответствии с выражением

X

5 + 4 10-4 /и 1,6.10-9 от2

где X - расстояние от переднего конца нагревательного элемента, м;

. Ср, X, р, 1Г),

где р - плотность среды,

Ср - теплоемкость среды, дж/кг-град;

К - теплопроводность среды, вт/м-град;

ji - вязкость среды, н-сек/м ;

W - скорость движения среды, м/сек.

X

О 1 2 J 5 S 7 8 9 ЮИ1213т-10 Фиг.1

12

ю

Т

М.