Устройство для определения скорости и направления потока жидкости в скважине Советский патент 1980 года по МПК E21B47/10 

I Изобретение относится к геофизическим приборам, а именно к устройствам для исследования скважин и предназначено для определения малых скоростей и направления давлений жи кости в вертикальных каналах. Известно устройство, содержащее цилиндрический корпус, в котором размещены нагревательный и термочувствительный элементы, в котором скорость движения определяется путем регистрации изменения температу ры во времени 1 и 2. Недостатком устройства является влияние на результаты измерений дви жения жидкости за счет тепловой кон векции, возникающей под действием нагревателя. При изменении скорости движения жидкости в вертикальных трубах или буровых скважинах с по мощью дачных устройств при включении нагревателя, в трубе или скважи не возникает конвективное движение жидкости. В результате, этого, даже при отсутствии потока в канале, н-агретый объем жидкости двигается за счет возникшей свободной конвекции вверх по трубе или скважине, создавая на детекторе ложный эффект, ана логичный эффекту, вызываемому потоком жидкости,регистрируемый сигнал отражает эффект в.заимодействия двух потоков - потока жидкости, скорость и направление движения которого исследуются и потока, обусловленного свободной тепловой конвекцией, возникающей в результате действия нагревателя. При этом доля конвекционной составляющей в суммарном потоке достигает значительной величины. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является устройство, содержащее корпус с размещённым в нем импульсным нагревателем и термочувствительным элементом и наземный блок питания и регистрации. В корпусе под термочувствительным элементом выполнена камера, сообщающаяся со скважинной средой. В камере расположен дополнительный импульсный нагреватель 3. В этом устройстве сделана попытка учесть конвекцию, для чего производится сравнение сигнала, создаваемого потоком, скорость которого представляет собой сумму скоростей движения жидкости в скваокине и конвективного потока, со скоростью только одного конвективного переноса, создаваемого дополнительным импульсным нагревателем.

Недостаток устройства - его сложность, связанная с необходимостью использования дополнительного импульсного нагревателя и выполнения для него специальной камеры.

Цель изобретения - повышение точности и упродение конструкции.

Поставленная цель достигается тем, что устройство снабжено тепловым шунтом, выполненным в виде полого цилиндра из высокотеп-попроводного материала, внутренние-сгенки которого покрыты слоем теплоизоляционного материала,.при этом импульсный нагреватель и детектор размещены внутри полого цилиндра. Такая конструкция дает возможность исключить возникновение конвективного движения жидкости во внутренней полости прибора в процессе измерений и тем самым отказаться от дополнительного импульсного нагревателя, используемого в прототипе для учета этой конвекции.

На фиг. 1 показан общий вид устройства в разрезе; на фиг. 2 - графики, показывающие распределение температур по стволу скважины, где геотермический Градиент равен 0,.

Устройство содержит (фиг. 1) детектор температуры - термистор 1, установленный в средней части цилиндрической эбонитовой трубки 2 так, чтобы чувствительный конец термист р а 1 находился на оси трубки 2. На расстоянии 50 мм вверх и вниз от термистора 1 во внутренней полости трубки 2 установлены два идентичных нагревателя 3, изготовленных в виде плоскости спирали из высокоомного провода (нихром,манганин).Тер- мистор -1 и нагреватели 3 соединены с экранированным трехжильным кабелем 4, который, в свою очередь, связан с наземным блоком питания и регистрации (на чертеже не показаны). Труба 2 на водостойком клее установлена внутри полого толстостенного цилиндра из красной меди 5, имеющего длину 400 мм, наружный диаметр 40 мм и внутренний 10 мм. Торцовые поверхности медного цилиндра 5 представляют собой конические воронки, служащие для обеспечения кумулятивности потока жидкости и преяотвра1 цения о0разования завихрений. Медный цилиндр 5 служит для того, чтобы максимально снизить величину градиента температуры, существующего в скважине (в общем случае различного для каждой скзажины и каждой глуби.ны) на горизонте исследования, создав тем самям .идентичные условия измерений в различных скважинах.

Устройство работает следующим образом .

При установке цилиндра 5 на глубине измерения величина существующего в этой части скважины-геотермического градиента резко уменьшается в зоне цилиндра до незначительной величины за счет перераспределения температуры, обусловленного присутствием медного цилиндра 5, обладающего высокой теплопроводностью.

График 1 (фиг. 2) характеризует неискаженное распределение температуры по стволу скважины.

График 2иллюстрирует перераспределение температур и градиента, вызванное наличием медного цилиндра 3 длиной 400 мм, помещенного в эту 5 же скважину.

Градиент температуры в месте расположения цилиндра уменьшается практически до 0°с/м.

Конвективное движение жидкости в 0 трубе или скважине возможно лишь в том случае, когда градиент температуры в канале выше определенной величины, называемой критическим градиентом - . . Если существующий в

канале градиент температуры ниже ГКР., то жидкость остается в покое и ведет себя в тепловом отношении, как твердое тело.

Величина Гц определяется соотношением: . . г nOi.R кр-сз.р (1)

где R - радиус канала

П - конвективный параметр; - ускорение силы тяжести; а,й,- коэффициенты, характеризующие физические свойства жидкости.

В соответствии с выражением (1),

0 мощность нагревателя 3 выбирается такой,- чтобы градиент температуры, образовавшийся вблизи нагревателей 3 после .его включения, в течение выбранного времени не достиг значеС ния критической вели.чины. В приведенной на фиг . 1 конструкции это условие выполняется при работе нагревателя 3 (нагреватели включаются поочередно) в течение 1-ой мин, при

« рассеиваемой даа нем мощности, равной 0,5 ватта. В этом случае сформированная тепловая метка (нагретый объем жидкости) в отсутствие потока в.скважине не может передвигаться вверх по каналу за счет свободной

55 конвекции (так как образовавшийся градиент .температуры ниже критического) , а остается на месте формирования, т.е. около нагревателя.

При этом, тепло, переданное данному объему жидкости рассеивается путем теплопроводности во все стороны. Для того, чтобы замедлить скорость рассеивания тепла и значительно увеличить время существования тепловой метки, служит, внутренний-.

цилиндр 2 из низкотеплопроводного мтериала-эбонита.

Из приведенного выше соотношения видно, что при одинаковых условиях величина критического градиента обратно пропорциональна R . Иначе гоЬоря, при незначительном уменьшении радиуса внутреннего канала, необходимая для конвекции величина градиента должна увеличиться пропорционально четвёртой степени изменения R . Эта зависимость способности жидкости к конвекции от радиуса канала использована в устройстве для исключения возможности движения воды за счет конвекции вследствие работы нагревателя и для обеспечения возможности ее движения только за счет существующего в скважине потока.

В рассматриваемом конкретном примере устройства диаметр внутреннего цилиндрического канала должен быть равен 8 мм, при длине трубки 2 из эбонита 200 мм и наружном ее диаметре 10 мм,

При наличии в скважине потока, последний, двигаясь по внутреннему каналу перемещает тепловую метку к детектору температуры 1. По известному расстоянию от нагревателя 3 до детектора 1 и фиксированному, времени прихода метки определяют скорость движения жидкости.

Направление потока определяется при поочередном включении одного иэ двух нагревателей 3.

Предлагаемая.конструкция исключает возможность возникновения конвективного движения жидкости во внутренней полости прибора в процессе измерений.

Формула изобретения

Устройство для определения скороети и направления потока жидкости в

скважине, содержащее импульсный нагрев§тель и детектор измерений температуры, соединенные с наземным блоком питания и регистрации, отличающееся тем, что, с целью

повышения точности и упрощения конструкции, оно снабжено тепловым шунтом, выполненным в виде полого цилиндра из высокотеплопроводногр материала, внутренние стенки - которого покрыты слоем теплоизоляционного материала, при этом импульсный нагреватель и детектор, размещены внутри полого цилиндра.

Источники информации,

принятые во внимание при экспертизе

1.Авторское свидетельство СССР 440484, кл. Е 21 В 47/10, 1974.

2.Остроумов Г.А.Свободная конвекция в условиях внутренней задачи

1952,- с. 116, 243.

3. Авторское свидетельство СССР по заявке 2504700/22-03, 1978 (прототип).