Устройство для переноса аппаратуры по трубопроводу и способ применения этого устройства

 

Изобретение может быть использовано в трубопроводах сложной конфигурации для обнаружения утечки многофазного потока (масла, газа и воды). Устройство содержит удлиненный корпус для переноса аппаратуры, например, в виде двух многофазных расходомеров, и систему центрирования удлиненного корпуса в трубопроводе, содержащую четыре опорных плеча. Первое и четвертое опорные плечи размещены на концах корпуса, а второе и третье - вблизи от его средней части, с обеих сторон плоскости, проходящей через центральную ось корпуса. Каждое опорное плечо снабжено средством изменения его протяженности относительно центральной оси корпуса. Устройство обеспечивает заданную ориентацию аппаратуры относительно внутренней поверхности трубопровода. 4 з.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к устройству для переноса аппаратуры, например расходомера, по трубопроводу и к способу применения этого устройства. Известное несущее аппаратуру устройство содержит удлиненный корпус для переноса аппаратуры и пассивную систему центрирования для установки удлиненного корпуса в трубопроводе таким образом, что положение центральной оси корпуса относительно положения продольной оси трубопровода поддерживается в заданном диапазоне.

Такое несущее аппаратуру устройство описано, например, в журнале SPE N 5089 под названием "The full bore flowmeter", авторы B.C.Leach, J.B.Jameson, J.J.Smolen и V.Nicolas, American Instutute of Mining, Metallurgy, and Petroleum Engineers, Inc., 1974 (ACN (Аппаратура специального назначения) N 5089, "Расходомер для сквозных отверстий", Б.К.Лич, Дж.Б.Джеймсон, Дж.Дж.Смолен и У. Николас, Американский институт горных инженеров, инженеров-металлургов и инженеров-нефтяников, Инк., 1974 г.). В известном устройстве пассивная система центрирования содержит шесть защитных башмаков центратора и шесть плеч центратора, которые одним концом соединены с корпусом посредством перемещаемых в осевом направлении шарниров, а другой конец каждого плеча механически связан с защитным башмаком центратора. Защитные башмаки центратора прижаты к внутренней поверхности трубопровода плечами центратора, приводимыми в действие пружинами. Центральную ось удлиненного корпуса поддерживают в заданном диапазоне отклонений от продольной оси трубопровода за счет усилий реакций, возникающих между наружной поверхностью защитных башмаков центратора и внутренней поверхностью трубопровода. Эти усилия реакций зависят не только от относительного положения центральной продольной оси удлиненного корпуса, но также и от неопределенных величин, таких, как изменения жесткости пружин и трение в перемещаемых в осевом направлении шарнирах. В результате наличия трех башмаков центратора на каждом конце известного устройства, амплитуды суммарных усилий трения между внутренней поверхностью трубопровода высоки, и изменения жесткости пружин разных башмаков делает невозможным точную установку центральной оси удлиненного корпуса в трубопроводе.

Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы преодолеть эти недостатки известного устройства.

Для этого устройство, соответствующее настоящему изобретению, содержит: удлиненный корпус для переноса аппаратуры; систему центрирования, предназначенную для того, чтобы, по существу, центрировать удлиненный корпус в трубопроводе, содержащую четыре опорных плеча, соединенных с удлиненным корпусом, каждое из которых оснащено средством изменения протяженности опорного плеча относительно центральной оси корпуса; при этом первое опорное плечо и четвертое опорное плечо помещены на концах или вблизи от концов удлиненного корпуса, а второе опорное плечо и третье опорное плечо помещены в (или) вблизи от средней части удлиненного корпуса.

В подходящем варианте воплощения устройства, соответствующего настоящему изобретению, первое и четвертое плечи расположены в плоскости, в которой лежит центральная ось удлиненного корпуса, и, если смотреть в направлении этой центральной оси, второе и третье опорные плечи расположены с любой стороны этой плоскости так, что угол между вторым и третьим опорными плечами составляет около 120^o, а угол между указанной плоскостью и каждым из второго и третьего опорных плеч составляет около 60^o.

Употребляемый в этом описании термин "около 120^o" указывает, что соответствующий угол находится между 100 и 140^o, а предпочтительно между 110 и 130^o, а термин "около 60^o" указывает, что соответствующий угол находится между 40 и 80^o, предпочтительно между 50 и 70^o.

Система центрирования соответственно содержит систему управления положением, которая заставляет систему центрирования регулировать положение удлиненного корпуса, если положение центральной оси корпуса относительно продольной оси трубопровода находится вне заданного диапазона, и эта система управления включает в себя устройство управления, устройства измерения расстояния, расположенные вблизи от каждого опорного плеча, для измерения расстояния между внутренней поверхностью трубопровода и удлиненным корпусом, средство передачи сигнала, отражающего измеренные расстояния, к устройству управления и средство передачи выходного сигнала устройства управления к средству регулирования. Каждое устройство измерения расстояния измеряет расстояние в заданном направлении, например, перпендикулярно центральной оси удлиненного корпуса.

Соответственно, каждое устройство измерения расстояния содержит чувствительный элемент, оснащенный импульсным круговым датчиком положения.

При нормальной работе устройства можно протягивать по трубопроводу. Одним из способов является протягивание устройства с помощью кабельного стропа или нитки труб с малой жесткостью при кручении. Если необходимо поддерживать заданную ориентацию аппаратуры по касательной относительно внутренней окружности трубопровода, аппаратуру можно располагать по меньшей мере на одной секции труб, прикрепленной к удлиненному корпусу с помощью подшипника, что позволяет секции (секциям) труб вращаться относительно корпуса, оставаясь в соосном положении относительно центральной оси удлиненного корпуса, причем имеется и система управления ориентацией, которая содержит электродвигатель для вращения секции (секций) труб относительно корпуса, чтобы поддерживать неизменную тангенциальную ориентацию секции (секций) труб относительно внутренней поверхности трубопровода.

Вместо этого устройство можно протягивать по трубопроводу с помощью нитки труб, которая имеет большую жесткость при кручении, или с помощью нитки труб, конец которой направляют. В этом случае соответственно аппаратуру, опорные плечи и устройства измерения расстояния располагают на секции труб, которую крепят к корпусу с помощью подшипника, что позволяет этой секции труб вращаться относительно корпуса, оставаясь в соосном положении относительно центральной оси, причем имеется и система управления ориентацией, которая содержит электродвигатель для вращения секции труб относительно удлиненного корпуса, чтобы поддерживать неизменную тангенциальную ориентацию секции труб относительно внутренней окружности трубопровода.

Вместо протягивания устройства по трубопроводу предлагаемое устройство можно проталкивать по трубопроводу.

Аппаратура, переносимая удлиненным корпусом, включает в себя соответственно два расходомера, расположенных в одной и той же плоскости и разнесенных вдоль оси на поверхности удлиненного корпуса. Использование двух отстоящих друг от друга расходомеров позволяет проводить определение расхода текучей среды, протекающей по стенке трубопровода, в объемный элемент, имеющий диаметр, равный диаметру трубопровода, и длину, равную расстоянию между двумя расходомерами.

Изобретение также относится к способу применения устройства, соответствующего изобретению, для обнаружения наличия утечки в трубопроводе.

Способ включает: а) оснащение предлагаемого устройства аппаратурой, содержащей два разнесенных в осевом направлении расходомера; б) перемещение устройства в продольном направлении по трубопроводу; в) измерение, по существу, одновременно расходов текучих сред, проходящих через каждый из расходомеров; и г) выявление наличия утечки в трубопроводе путем вычисления разности, если она есть, между двумя расходами.

Чтобы обеспечить замер величин расходов многофазного потока, в частности потока масла, газа и воды, по трубопроводу, аппаратура может включать в себя многофазный расходомер, такой, как многофазный расходомер с несколькими емкостями, раскрытый в публикации заявки на Европейский патент N 510774.

Теперь изобретение будет описано подробнее на примере со ссылками на чертежи, на которых: фиг. 1 - схематическое изображение вида сбоку предлагаемого устройства в трубопроводе, который показан в продольном разрезе; фиг. 2 - вид спереди устройства и поперечный разрез трубопровода вдоль линии II-II, показанной на фиг. 1, если смотреть в направлении стрелок.

Обратимся теперь к фиг. 1 и 2. На этих чертежах показано несущее аппаратуру устройство 1, которое помещено в полый трубопровод в виде трубы 2.

Устройство 1 содержит удлиненный корпус 5, оснащенный аппаратурой в виде двух расходомеров 6 и 7. Расходомеры 6 и 7 являются многофазными расходомерами с несколькими емкостями того типа, который раскрыт в публикации заявки на Европейский патент N 510774, которая упоминается здесь для сведения.

Далее, устройство 1 содержит систему, центрирования, предназначенную для того, чтобы, по существу, центрировать удлиненный корпус 5 в трубе 2, включающей в себя систему управления положением (не показана), которая заставляет систему центрирования регулировать положение удлиненного корпуса 5, если положение центральной оси 9 корпуса 5 относительно продольной оси трубы 2 лежит вне заданного диапазона. На фиг. 1 и 2 центральная ось 9 совпадает с продольной осью трубы. Должно быть понятно, что продольная ось трубы является осью симметрии в центре трубы и что центральная ось удлиненного корпуса является, если корпус имеет в основном цилиндрическую форму (как показано), осью симметрии в центре цилиндра, который огибает наружную поверхность корпуса.

Система центрирования содержит четыре опорных плеча 15, 16, 17 и 18, соединенных с удлиненным корпусом 5. Каждое опорное плечо 15, 16, 17 и 18 оснащено средством регулирования (не показано), которым управляет система управления положением, чтобы регулировать радиальную протяженность выступа концов каждого из опорных плеч 15, 16, 17 или 18 относительно центральной оси 9 корпуса 5. Средством регулирования может быть управляемый серводвигатель, который может регулировать угол между опорным плечом и центральной осью 9 удлиненного корпуса 5; или это может быть устройство, которое может регулировать длину опорного плеча. Первое опорное плечо 15 и четвертое опорное плечо 18 размещены вблизи концов удлиненного корпуса, и они расположены в плоскости, в которой лежит центральная ось 9 удлиненного корпуса 5. Эта плоскость совпадает с плоскостью на фиг. 1. Второе 16 и третье 17 опорные плечи размещены вблизи от средней части удлиненного корпуса 5, и угол между каждым из плеч 16 или 17 и первым опорным плечом 15 составляет 120^o.

Опорные плечи 15 - 18, по существу, центрируют удлиненный корпус 5 в трубе 2, так что центральная ось 9 корпуса по существу совпадает с продольной осью трубы 2. Это можно понимать следующим образом. Корпус имеет шесть степеней свободы, три - при вращательных движениях и три - при поступательном движении. Однако в этом случае поступательное движение в направлении центральной оси 9 и вращение вокруг центральной оси 9 не происходят. Поэтому удлиненный корпус 5 имеет только четыре степени свободы: два вращения вокруг взаимно перпендикулярных осей 19 и 20, которые перпендикулярны центральной оси 9, и два поступательных перемещения в направлениях соей 19 и 20. Четыре опорных плеча 15, 16, 17 и 18, взаимодействующие с криволинейной внутренней поверхностью трубы 2, достаточны для осуществления двух вращений и двух поступательных перемещений.

Система управления положением включает в себя устройство управления (не показано), устройства измерения расстояния в виде чувствительных элементов 21, 22, 23 и 24, оснащенных импульсными круговыми датчиками положения (не показаны), расположенными у корпуса 5 вблизи от каждого опорного плеча 15, 16, 17 и 18, для измерения расстояния между внутренней поверхностью трубы 2 и центральной осью 9 корпуса 5, средством (не показано) передачи сигнала, отражающего измеренные расстояния, к устройству управления и средством (не показано) передачи выходного сигнала устройства управления к средству регулирования опорных плеч 15, 16, 17 и 18.

Корпус 5 также оснащен соединителем 25 для крепления корпуса 5 к кабелю (не показан) с целью протягивания корпуса 5 по трубе 2. Этот кабель может быть снабжен проводами, по которым подают электроэнергию для запитывания активной системы центрирования, системы управления положением и расходомеров 6 и 7, а также проводами, по которым передают сигналы от расходомеров 6 и 7 к устройству обработки сигналов (не показано), которое можно устанавливать снаружи трубы 2. Соединитель 25 оснащен средствами соединения проводов в тяговом кабеле с соответствующими проводами (не показаны) в удлиненном корпусе 5.

При нормальной работе корпус 5 тянут по трубе 2 с заданной скоростью. Два расходомера 6 и 7 определяют объемный элемент, имеющий диаметр, равный внутреннему диаметру трубы 2, и длину, равную расстоянию между двумя расходомерами 6 и 7. Расположенный ниже по потоку расходомер 6 измеряет расход текучих сред в трубе 2, выходящих из элемента объема, а расположенный выше по потоку расходомер 7 измеряет расход текучих сред, поступающих в этот элемент объема. Разность между расходами, замеренными двумя расходомерами, укажет, что имеется утечка в стенке трубы 2, и эта разность равна расходу текучей среды из-за утечки, который может быть либо в объемный элемент, либо из него. На фиг. 1 отверстие, через которое происходит утечка, обозначено позицией 30. Термины "выше по потоку" и "ниже по потоку" относятся к положениям расходомеров относительно направления потока текучей среды по трубе 2; на фиг. 1 поток жидкости по трубе протекает справа налево.

Должно быть ясно, что при определении абсолютной величины расхода скорость, с которой корпус 5 толкают или тянут по трубе 2, приходится принимать в расчет.

Чувствительные элементы 21 - 24 оснащены импульсными круговыми датчиками положения, которые выдают сигналы, отражающие расстояния между наружной поверхностью корпуса 5 и внутренней поверхностью трубы 2. Эти расстояния используют для определения положения центральной оси 9 корпуса 5 относительно положения продольной оси трубы 2. Если положение центральной оси 9 относительно продольной оси трубы 2 выходит за заданный диапазон, система управления положением заставляет плечи 15 - 18 активной системы центрирования регулировать положение корпуса 5 так, что положение его центральной оси 9 относительно положения продольной оси трубы 2 оказывается в этом заданном диапазоне. Для этого система управления положением определяет, какое из четырех опорных плеч 15 - 18 следует подрегулировать и в какой степени, а потом приводит в действие соответствующее опорное плечо или опорные плечи.

Выше было описано применительно к использованию устройства для измерения расхода текучей среды через трубопровод в виде трубы 2, такой, как труба для колодца. Трубопроводом может также быть открытая скважина, пересекающая подземное образование. Предлагаемое устройство может быть пригодно для использования в открытой скважине, пересекающей подземное образование углеводородного месторождения, поскольку оно позволит обеспечить на месте приток текучих сред в скважину. Устройство весьма подходит для использования в горизонтальной скважине.

Предлагаемое устройство можно также использовать для переноса аппаратуры по трубопроводу, и в этом случае устройство можно толкать или тянуть по трубопроводу с помощью поршня или чушки, приводимых в действие потоком текучей среды через трубопровод.

В устройстве, показанном на фиг. 1, второе опорное плечо 16 и третье опорное плечо 17 помещены вблизи от средней части удлиненного корпуса 5 на равных расстояниях от первого опорного плеча 15. Чтобы можно было использовать более короткий удлиненный корпус, второе и третье опорные плечи можно располагать на одинаковом расстоянии от первого опорного плеча. То же самое применимо и к чувствительным элементам 22 и 23.

Свободные концы опорных плеч 15-18 можно оснащать колесиками или полозьями, чтобы облегчить плавное движение плеч 15-18 по внутренней поверхности трубы 2.

Как показано на фиг. 1, расходомеры 6 и 7 установлены на секциях 31 и 32 трубы, которые расположены соосно вокруг центральной оси 9 удлиненного корпуса 5 и которые могут вращаться относительно корпуса 5 вокруг центральной оси 9, чтобы поддерживать выбранную угловую ориентацию или близкую к выбранной угловую ориентацию расходомеров 6 и 7 относительно плоскости отсчета, нахождение в которой считают нормой. Нормой можно считать нахождение в вертикальной плоскости, в которой лежит продольная ось трубы 2, или в плоскости, ориентированной под некоторым заданным углом от такой вертикальной плоскости. Чтобы гарантировать, что расходомеры 6 и 7 поддерживаются в пределах заданного угла от нормы, расходомеры 6 и 7 расположены на вращающихся секциях 31 и 32 трубы соответственно, которые расположены соосно с центральной осью 9 удлиненного корпуса 5. Вращающиеся секции 31 и 32 трубы связаны вращательным соединением с удлиненным корпусом 5 с помощью подшипников, которые позволяют секциям 31, 32 трубы вращаться относительно корпуса 5, оставаясь соосными с центральной осью 9. Удлиненный корпус 5 также содержит систему управления ориентацией (не показана), которая содержит гирокомпас (не показан) и электродвигатель (не показан) для вращения секций 31, 32 трубы относительно корпуса 5, если гирокомпас определяет, что ориентация расходомеров 6 и 7 отклоняется от нормы.

В другом варианте воплощения (не показан) устройства, соответствующего настоящему изобретению, устройство тянут по трубе с помощью нитки труб (не показана), которая имеет большую жесткость при кручении, или с помощью нитки, конец которой направляют. В этом случае определяют тангенциальную ориентацию конца нитки относительно внутренней окружности трубы 2, а потом определяют также угловое положение удлиненного корпуса, соединенного с концом нитки посредством средства соединения. Другими словами, удлиненный корпус не может вращаться вокруг продольной оси трубы 2. В этом случае предпочтительно располагают аппаратуру, опорные плечи и устройства измерения расстояния на удлиненной секции трубы (не показана), которую располагают соосно с центральной осью удлиненного корпуса и соединяют с ним вращательным соединением с помощью подшипников, причем устройство дополнительно включает в себя систему управления ориентацией, содержащую электродвигатель для вращения секции трубы относительно удлиненного корпуса и внутренней окружности трубы 2, если ориентация аппаратуры отклоняется от нормы.

Вместо этого удлиненный корпус можно соединять с концом секции трубы с помощью подшипника, а также может быть в наличии управляемый серводвигатель для вращения удлиненного корпуса вместе с аппаратурой и опорными плечами относительно конца нитки труб, если гиродатчик показывает, что ориентация аппаратуры отклоняется от вертикальной плоскости отсчета, в которой лежит центральная ось 9 удлиненного корпуса.

Следует уяснить, что в другом варианте воплощения настоящего изобретения (не показан) четыре опорных плеча могут содержать суппорты в виде гибких пружинящих лопастей, концы которых соединены с гайками, которые установлены на противоположных концах шпинделя, который прикреплен с возможностью поворота к удлиненному корпусу так, что может поворачиваться относительно центральной оси корпуса.

Каждый шпиндель можно приводить в действие с помощью электродвигателя так, что если шпиндель поворачивается в одном направлении, лопасть растягивается, а если шпиндель поворачивается в другом, противоположном направлении, то лопасть изгибается так, что среднее сечение лопасти смещается от центральной оси удлиненного корпуса. В таком случае поворот шпинделя относительно удлиненного корпуса можно отслеживать, чтобы измерить протяженность среднего сечения лопасти относительно центральной оси, и в случае, если среднее сечение касается внутренней стенки трубопровода, определить положение удлиненного корпуса в трубопроводе.

Если второе и третье опорные плечи состоят из гибких лопастей и оба установлены в средней части удлиненного корпуса, то концы этих плеч можно соединить с парой гаек, которые установлены на одном шпинделе.

Вместо использования гибких пружинящих лопастей для образования суппортов каждый суппорт можно также выполнить в виде двух жестких секций, которые на одном конце взаимосвязаны посредством углового шарнира, а на другом конце соединены посредством вилочного шарнира с гайкой, установленной на шпинделе, который приводят в действие тем же способом, который описан применительно к гибким пружинящим лопастям.

Вместо привода каждого шпинделя в действие с помощью электродвигателя, один или несколько шпинделей можно приводить в действие с помощью пружины кручения, которую отпускают, когда устройство достигло области трубопровода, в который надлежит провести измерения.

Также следует уяснить, что если приходится переносить по трубопроводу нескольких единиц аппаратуры, то можно использовать несколько несущих аппаратуру устройств, каждое из которых несет на себе одну или несколько единиц аппаратуры. В таком случае удлиненные корпуса соседних несущих аппаратуру устройств можно соединять посредством универсального шарнира. Таким образом можно сформировать "поезд" из несущих аппаратуру устройств. Наличие опорного плеча на каждом конце или вблизи от каждого конца удлиненного корпуса и пары опорных плеч в средней части или вблизи от средней части удлиненного корпуса каждого устройства гарантирует, что каждая секция всего "поезда" несущих аппаратуру устройств центрирована внутри трубопровода, даже если трубопровод изогнут и/или имеет прерывистую или некруглую внутреннюю поверхность.

Хотя показаны и/или раскрыты лишь несколько вариантов воплощения изобретения, должно быть понятно, что изобретение не ограничивается ими, поскольку возможны и очевидны для специалистов в данной области техники многочисленные модификации этого изобретения.

Формула изобретения

1. Устройство для переноса аппаратуры по трубопроводу, содержащее удлиненный корпус для переноса аппаратуры, систему центрирования удлиненного корпуса в трубопроводе, содержащую четыре соединенных с корпусом опорных плеча, первое и четвертое из которых размещены вблизи концов корпуса, отличающееся тем, что первое и четвертое опорные плечи размещены в одной плоскости с центральной осью удлиненного корпуса, второе и третье опорные плечи, если смотреть в направлении центральной оси корпуса, расположены с обеих сторон указанной плоскости вблизи от средней части корпуса, при этом каждое опорное плечо снабжено средством изменения его протяженности относительно центральной оси корпуса, а система центрирования снабжена системой управления положением оси корпуса относительно оси трубопровода.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что угол между вторым и третьим опорными плечами составляет 100 - 140^o, а угол между указанной плоскостью и каждым из второго и третьего опорных плеч составляет 40 - 80^o.

3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что система управления положением включает устройство управления, устройства измерения расстояния, расположенные на удлиненном корпусе вблизи одного или нескольких опорных плеч для измерения расстояния между внутренней поверхностью трубопровода и корпусом, средство передачи сигнала, отражающего измеренные расстояния, в устройство управления, и средством передачи выходного сигнала устройства управления в средство регулирования.

4. Устройство по любому из пп.1 - 3, отличающееся тем, что аппаратура содержит расходомеры для измерения расхода потока жидкости, проходящей через трубопровод.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что расходомеры являются многофазными расходомерами.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2