Устройство для измерения расхода теплоносителя в нагнетательных скважинах Советский патент 1981 года по МПК E21B47/10 

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ В НАГНЕТАТЕЛЬНЫХ СКВАЖИНАХ

I

Изобретение относится к нефтяной и газовой промышленности и может быть использовано .для измерения расхода теплоносителя в продуктивные пласты нагнетательных скважин в процессе теплового воздействия.

Известно устройство для измерения и расхода горячей воды в нагнетательных скважинах, содержащее корпус, турбину на валу которой эксцентрично закреплен постоянный магнит, геркон, вторичный преобразователь и источник питания (1 .

Недостатком известного расходомера является невозможность его использования в скважинных условиях для измерения расхода влажного пара в продуктивные пласты нагнетательных скважин в процессе теплового воздействия, так как десятикратное перекрытие по рабочему диапазону, достаточЕГое для горячей воды, в условиях влажного пара совершенно недостаточно. Это объясняется тем, что объем, а значит и объемный расход влажного пара, (;ущественно зависит от степени сухости пара, которая в свою очередь, зависит от скважинных условий по температуре и данлению. Поэтому полученный из одного и того же количества жидкости (воды) объм пара может в процессе прохождения по разным участкам ствола скважины в сотни раз менять свою величину и эти изменения на много нерекрьгвают возможности скоростного тахометрнческого преобразователя расхода по ширине (перекрытию) диапазона. Таким образом, основываясь на сведениях, полученных на новерхлости, об устьевом расходе пара при его закачке в скважину невозможно предсказать с достаточ, ной степенью точности требуемый в намеченной точке скважины измерительный диапазон и выбрать его оптимальные границы. Даже при случайном совпадении выбранных границ с величиной расхода в данной точке измеряемый параметр может легко выйти за выдранные пределы и измерение не состоится. Следовательно, без существенного расширения диапазона расходомер не применим для работы в среде влажного нара.

Цель изобретения - расширение диапазона измерения за счет создания на турбине тормозного момента. Поставленная цель достигается тем. что устройство снабжено дополнительным герконом, установленным диаметрально нротивоположно основному горкону и тормозным блоком, выполненным в виде размещенного на валу турбины дополнителыю1о постоянного магнита и установленного в корпусе тороидального серде ника с двухсекционной обмоткой и переключателем нолярности питания обмотки, причем основной и дополнительный герконы включены в цепь переключателя полярности питания обмотки, который соединен со вторкчныту преобразователем и источником питания. Кроме того, с целью обеспечения возможности изменения крутизны преобразования расхода в число оборотов турбины, устройство снабжено преобразователем частоть в напряжение с задатчиком, причем вход нреобразователя частоты в напряжение подключен к вторичному преобразователю, а выход к нстЬчпику нитания. Ма фиг. 1 показан общий вид расходомера, разрез; на фиг. 2 и 3 - электрическая схема расходомера в различных режимах работы; на фиг. 4 -- электрическая схема расходо мера, предусматривающая изменс11ис крутизгы преобразования расхода в число оборотов турбины. Расходомер состоит {фиг. 1) на 1чорнусе I, в котором на онорах 2 враииется турбина 3 под действием потока, проходяитего через входные 4 и выходные 5 окна корпуса. JtTH направления потока в измерите п.и-лй канал служит пакер 6, На валу 7 турбины .3 эксцентрично закреплен постоянный магнит 8 с продольным (по отношению к валу) расположе}{ием полюсов, взаимодействующий с двумя радиально расположенными (по отношению к валу) герметичными контактами (герконами) 9 и 10, размещенными в герметичном отсеке корпуса 1. Кроме того, на валу 7 турбины 3 закреплен постоянный магнит 11 с радиальным (по отношению к валу) расположением nojnocoB, играющий роль ротора тормозного устройства с бегущим магнитным полюсом. Статор тормо зящего устройства выполнен в виде тороидаль ного сердечника 12, снабженного двухсекционной обмоткой 13, и также размещен в герме тичном отсеке корпуса 1. Для связи со вторичной аппаратурой, находящейся на поверхности (не показана), служи двухпроводный канал дистандион1 ой связи (одноканальный кабель в металлической оплет ке) 14. Обмотка 13 статора состоит (фнг. 2) из равных по числу витков секций 15 и J6, делящих статор на две симметричпые части, что придает статору свойства электромагнита с расположенн1 1М1{ на стыках секций полюсами. бмотка 13 имеет электрическую связь с переключателем полярности питания статора 17, управляемого герконами 9 и 10 и связанного, в свою очередь, при помощи канала дистан- , ционной связи 14, со вторичным прибором 18 и регулируемым источником постоянного напряжения 19, вынесенными на поверхность. Связь переключателя 17 со вторичным прибо ром 18 осуществлена через разделительную емкость С , а с источником напрях ения 19 - через переключатель калиброванных напряжений П. секций 15 и 16 статора (полюса , злек Магнита) тормозящего устройства и герKOHJ - и 10 расположень в общей плоскости, проходящей через ось вала 7 турбины 3. Радкальньн 11 и продольный 8 постоянные магниты также лежат в общей нлоскости, проходяпдей через ось вала 7. Дчя обеспечения возможности изменения крутизны преобразования в схему расходомера введены (фиг. 2 и 4) преобразователь частоты в напряжение 20 с задатчиком 21 характера регулирования. Расходомер работает следуюндим образом. . При поступлении контролируемого нотока в измерительный канал турбина 3 начинает вращаться с пропорциональной объемному расходу скоростью (частотой вращения). Аналогично вращается расположенный на одном валу с турбиной магнит 8, управляю1ЦИЙ геркопами 9 и 10, в связи с чем происходит двойное в течение оборота переключение переключателем 17 полярности напряжения источника питания 19 на статоре 12, частота которого также пропорциональна объемному расходу. Возникающие в момент переключения импульсы отфильтровываются емкостью С и поступают во вторичный прибор 18, где фиксируется. По частоте следсь вания импульсов судят о величине расхода. Отличительной особенностью предлагаемого расходомера является наличие в его конструкнли индукционного тормозного блока с бегу: WM магнитным полем. Бегущее ноле образуется в статоре 12 за счет наличия в нем злектромагмитных полюсов, периодически меняющих свою полярность. На фиг. 2 и 3 показано изменение полярности полюсов статора в зависимости от очередности включения герконов, причем намагниченность сердечника одной и той же полярности сохраняется в течение пол-оборота до поступления в переключатель 17 командного импульса от следующего геркона, после чего полярность скачком меняется на обратную и также сохраняется в течение пол-оборота. Так как ротор тормозящего устройства, выполненный в виде посто5янного магнита 1 с радиальным нагфавлением полюсов, расположен в одной плоскости с управляющим магнитом 8 в момент перекл чения полярности он занимает одно из показанных на фиг. 2 или 3 положений (плоско ти размещения магнитов, стыков секций статора и герконов совпадают). Магнитное поле статора начинает препятство вать далънейщему перемещению ротора, причем в течение пол-оборота это препятствие нарастает, после чего поле мгновенно меняет свой знак на обратный и процесс повторяется. Очевидно, что препятствующий вращеггаю ротора, пульсирующий с частотой вращения турбины тормозной момент, зависит по своей усред1 е1шой величине от приложенного к статору постоянного напряжения (от степени на магшгчснности электромагнита), т.е. от положения переключателя П. Следовательно, меняя подводимое к статору напряжение питания можно принудительно влиять на велич1шу тормозного момента на валу турбины, т.е. - на ее скорость вращения. Число оборотов турбипы скоростного тахометрического преобразователя расхода зависит от величины объемного расхода следую щим образом: М H-S где Q - объемный расход среды через измерительное сечение турбины; - площадь измерительного сечения турбины; И - шаг винтовой поверхности лопастей турбины; М - момент торможения на турбине, причем нижняя граница диапазона (минимальн число оборотов) определяется в основной вел чиной начального момента сопротивления вращению турбины, вызванного трением в опоpax (М Mjp), а верхняя - предельной ско ростью вращения турбины, зависяилей от ее динамических характеристик, например, величины остаточного дисбаланса, превышение которой может привести к разрушению устрой ства. Поэтому в реальной конструкции расходомера диапазон чисел оборотов, объективно ограниченный с обеих сторон, является величиной постоянной, и расширение измерительно го диапазона за счет увеличения диапазона чи сел оборотов затруднительно. Влиянием па момент торможенш) И можно осуществлять одновременный сдвиг границ измерительного диапазона в сторону больших расходов, не выходя за существующие границы чисел оборотов. При этом происходит параллельное смещение характеристики преобразования и цена оборота турбин в единицах расхода возрастает. Таким образом, путем многократного сдви га диапазона можно последовательно не извлекая прибора из скважины, перекрывать все новые и новые участки шкалы расходов, так как суммарный диапазон окажется значительно более щироким в сравнении с обычным измерительным диапазоном скоростного тахометрического преобразователя расхода. Путем влияния на момент торможения М можно не только осуществлять одновременный сдвиг границ измерительного диапазона в сторону больишх расходов, но и менять крутизну преобразования. Для этого турбина должна нагружаться не постоянным в пределах диапазона тормозным моментом, а меняющимся, величина которого возрастает с час;тотой. Увел1тение тормозного момента с частотой замедляет скорость роста чисел оборотов в сравнении со скоростью роста расхода. Следовательно, при сохранении перекрытия по диапазону чисел оборотов неизменным может быть достигнуто существенно больщее перекрытие по измерительному диапазону (по расходу) . В предлагаемом расходомере, оборудованном индукционным тормозящим устройством с бегущим магнитным полем, величина тормозного момента зависит от напряжения питания статора. Напряжение же питания статора изменяется от частоты вращения турбины следующим образом. Поступающие во вторичный прибор 18 с частотой переключения герконов импульсы поступают также (фиг. 4) на преобразователь частоты 20, где преобразуются по программе, заданной задатчиком 21, в постоянное напряжение, управляющее источ(шком напряжения 19. Вследствие этого напряжение питания обмсгки статора, вырабатываемое ciLnoBbiM блоком, меняется по величине в соответствии с изменением частоты вращения турбины по программе задатчика. Эффект от внедрения предлагаемого технического решения заключается в расширении области применения скоростного тахометричсского преобразователя расхода на новую среду - влажный пар. Наличие информащш о расходе влажного пара в продуктивные пласты нагнетательных скважин в процессе теплового воздействия позволяет оптимизировать режим воздействия с целью предельного повышения нефтеотдачи. Формула изобретения 1. Устройство для измерения расхода теплоносителя в нагнетательных скважших, содержащее корпус, турбину, на валу которой эксцент рично закреплен постоянный магн{гг, геркон, вторичньп преобразователь и источник пита7ния, отличающееся тем, что, с целью расишрения диапазона измерения за счет создания на турбине тормозного момента оно снабжено дополнительным герконом, установленным диаметрально противоположно основному геркону, и тормозным блоком, вы полненным в виде раз мещенного на валу тур бины дополнительного постоянного магнита и установленного в корпусе тороидального сердеч ника с двухсекционной обмоткой и переключателем полярности питания обмотки, причем основной и дополнительный герконы включены в цепь переключателя полярности питания обмотки, который соединен со вториЧным преобразователем. ,8 2. Устройство по п. 1, о т л и ч а ю 1И е е с я тем, что, с целью обеспечения возможности изменения крутизны преобразования расхода в число оборотов турбины, оно снабжено преобразователем частоты в напряжение с задатчиком, причем вход преобразователя частоты в напряжение подключен к вторичному преобразователю, а выход к источнику питания. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Петров А. И., Бар-Слива В. И. Терек Зскважинный расходомер , 1979, с. 18-19 (прототип).