Способ измерения расхода жидкости в действующих нефтегазовых скважинах и устройство для его осуществления

Изобретение относится к геофизическим исследованиям действующих нефтегазовых скважин и предназначено для измерения расхода внутрискважинной жидкости. Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения расхода жидкости за счет исключения интервала страгивания вращения крыльчатки и измерения усилия потока движущейся жидкости. Предложенный способ заключается в измерении скорости истечения радиальных и осевого потоков жидкости и преобразовании измеренных величин в общий расход жидкости по стволу скважины. При этом при измерении скорости истечения радиальных потоков от стенки или к стенке скважины преобразуют силу давления истечения жидкости в первую производную скорости с противоположными знаками. Для измерения осевых потоков производят принудительное и непрерывное вращение элемента, воспринимающего осевой поток жидкости. В процессе измерения учитывают силу замедления скорости принудительного вращения чувствительного элемента, оказывающую влияние на изменение нагрузки на валу электродвигателя, осуществляющего принудительное и непрерывное вращение чувствительного элемента. По изменению мощности или силы тока на электродвигателе судят об изменении скорости течения потока. Устройство для осуществления способа содержит корпус с пазом, в который входит выносной вращающийся рычаг, и центраторами. Чувствительный элемент в виде пластины, воспринимающий радиально направленные потоки жидкости, установлен на выносном вращающемся рычаге таким образом, что ее плоскость при вращении всегда обращена к стенке скважины. При отклонении пластины ее изгиб передается датчику силы. В нижней части корпуса расходомер содержит дополнительный микроэлектродвигатель для принудительного и непрерывного вращения чувствительного элемента, воспринимающего осевые потоки, выполненного в виде лопастной крыльчатки, помещенной в защитный кожух с боковыми окнами. При этом вал электродвигателя связан с осью крыльчатки посредством безынерционной муфты, выполненной в виде притертой цилиндрической пары. При работе микроэлектродвигателя крыльчатка вращается с рассчитанной скоростью непрерывно. Осевые потоки жидкости вдоль скважины будут замедлять это вращение, что вызывает изменения потребления тока электродвигателя. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к геофизическим исследованиям действующих нефтяных и газовых скважин и предназначено для измерения расхода внутрискважинной жидкости.

Известен способ контроля скорости потока через перфорационные отверстия в стволе скважины (Заявка Великобритании №2179981, М.кл.: Е 21 В 47/10, публ. 18.03.87 г. Приоритет №8521887). Способ заключается в том, что при поступлении жидкости в скважину от действия потока происходят поперечные и скручивающие усилия, возникающие на лопастях, которые передаются отклоняющему стержню, связанному с тензодатчиками, таким образом происходит преобразование скорости потока в усилие, характеризующееся электрическим сигналом.

Недостаток способа заключается в невозможности выделения скорости течения радиальных притоков и скорости осевого потока жидкости вдоль ствола скважины, что снижает информативность характеристики отдельно взятого интервала.

Известен способ измерения потока жидкости по стволу скважины (Пат. США №5463903, G 01 F 1/78, опубл. 07.11.95 г.). Данный способ заключается в регистрации скорости вращающегося элемента от действия скорости и давления текущей жидкости. Чем больше скорость и давление жидкости, тем с большей скоростью вращается элемент.

Недостаток способа заключается в особенности измерения параметров, зависимость между которыми носит нелинейный характер, например, при малых скоростях элемента или при больших скоростях, что снижает точность измерения расхода.

Известен способ, по которому расходомер измеряет расход жидкости как по стволу скважины, так и радиальные потоки жидкости. (RU Пат. №2188942, Е 21 В 47/10, опубл. 10.09.02, Бюл. №25). Здесь измерение скорости истечения радиальных потоков и измерение скорости течения осевого потока осуществляется отдельными элементами, чувствительными к этим составляющим потока. Таким образом, общий расход жидкости определяется из равенства

Q= Q_рад+ Q_осев, (1)

где Q - общий расход жидкости;

Q_рад. - радиальные потоки;

Q_осев. - осевой поток.

В свою очередь, Qрад замеряется в зависимости от числа оборотов турбинки, воспринимающей осевой поток (Q → n). Эта зависимость носит экспоненциальный характер, которую нужно коррелировать в прямую зависимость, что приводит к большой погрешности при измерении.

Предложенный способ решает задачу точности измерения расхода жидкости в скважинах.

Предложен способ измерения расхода жидкости в действующих нефтегазовых скважинах, заключающийся в измерении скорости истечении радиальных потоков жидкости, в измерении скорости течения осевого потока и преобразовании измеренных величин в общий расход жидкости по стволу скважины, в котором при измерении скорости истечения радиальных потоков от стенки скважины преобразуют силу давления истечения жидкости в первую производную скорости, а для измерения осевых потоков производят принудительное и непрерывное вращения элемента, воспринимающего осевой поток жидкости, и в процессе измерения учитывают силу замедления скорости принудительного вращения элемента, оказывающую влияние на изменение нагрузки на валу электродвигателя, осуществляющего принудительное и непрерывное вращения элемента, и по изменению мощности или силы тока на электродвигателе судят об изменении скорости течения потока, а, кроме того, при измерении скорости течения радиальных потоков к стенке скважины преобразуют силу давления радиальных потоков в первую производную скорости с противоположным знаком.

Сущность заявляемого способа заключается в следующем.

При измерении общего расхода жидкости по стволу скважины учитывают изменение скорости истечения радиальных потоков от стенки скважины (к стенке скважины) и изменение скорости течения осевого потока, как две составляющие при расчете общего расхода. При этом при измерении скорости истечения радиальных потоков от стенки скважины преобразуют силу давления истечения жидкости в первую производную скорости, для чего преобразуют давление жидкости, оказываемое на чувствительный элемент, в усилие, передаваемое на ось датчика силы, регистрируемое на пульте управления.

Так как

где F - сила давления жидкости;

m - масса жидкости;

а - ускорение, равное ;

dV - изменение скорости;

dt - изменение времени.

т.е. усилие прямо пропорционально скорости падения жидкости на плоскость чувствительного элемента.

Тогда dQ_рад.=S·dV, (4)

где S - площадь сечения, а V - скорость жидкости, Q_рад. - радиальный расход жидкости. Как видно из уравнения 3 зависимость между регистрируемым усилием и скоростью падения жидкости является прямо пропорциональной, что значительно повышает точность измерения.

При измерении скорости истечения радиальных потоков к стенке скважины преобразуют силы давления истечения жидкости в первую производную скорости с противоположным знаком (так как пластина будет прогибаться в другую сторону).

Для измерения второй составляющей расхода Q_oceв. производят принудительное и непрерывное вращение элемента, воспринимающего осевой поток жидкости, и в процессе измерения учитывают силу замедления скорости принудительного вращения элемента, оказывающую влияние на изменение нагрузки на валу электродвигателя, осуществляющего это вращение.

Из теории известно, что скорость вращения турбинки, определяемая числом ее оборотов в единицу времени, выражается уравнением:

N=f(Q; ν; ρ; M_с; d_н; d_в; T; z;1), (5)

где Q - объемный расход жидкости;

V - кинематическая вязкость жидкости;

р - плотность жидкости;

M_c - момент сопротивления вращению турбинки от трения в опорах и реакции преобразователя;

d - диаметр скважинного прибора;

d_н,d_в - наружный и внутренний диаметры лопастей турбинки;

Т - шаг винтовой линии турбинки;

l - длина турбинки;

z - число лопастей.

Наиболее существенное влияние на изменение характеристик датчика будет оказывать момент сопротивления.

Уравнение движения турбинки имеет вид

где j - момент инерции турбинки;

ω - угловая скорость;

- сумма моментов всех сил, приложенных к турбинке.

Мы в нашем способе предлагаем вращать турбинку постоянно и равномерно, следовательно, это равносильно случаю установившегося движения (равномерное вращение турбинки), при этом угловое ускорение

отсюда следует, что

Преобразование вращения турбинки в усилие на валу двигателя пропорционально увеличению потребления тока электродвигателем, при этом мы получаем высоколинейную характеристику вида γ = χ во всем измеряемом диапазоне, подтверждающую принцип дуальности.

Остальные параметры, определяющие скорость вращения турбинки, в данном случае не рассматриваем как ничтожные по сравнению с вышерассмотренными.

Известен расходомер, измеряющий осевые потоки движущейся жидкости в скважине и содержащий корпус, верхний и нижний подвижные центраторы, электромагнитный привод, измерительную турбинку с раскрывающимися лопастями, установленную в фильтр-стакане, который через фиксатор и подвижный упор с якорем связан с якорем электромагнита. (Авт. свид. №1148998, Е 21 И 47/10, опубл. в БИ №13, 1985 г.).

Недостатком этого расходомера является невозможность измерения низких удельных дебитов, высокая чувствительность к начальному моменту вращения турбинки, что приводит к неточности измерения расхода в начальном диапазоне измерения.

Известен расходомер, измеряющий расход жидкости с большей точностью за счет полного перекрытия внутреннего сечения ствола скважины. (Пат. RU №2188942, Е 21 В 47/10, опубл. в Бюл. №25, 10.09.2002 г.). Расходомер содержит корпус, преобразователи числа оборотов в электрические сигналы, центраторы, чувствительный элемент, воспринимающий радиальные потоки, в виде турбинки, установленный на выносном вращающемся рычаге параллельно продольной оси, электродвигатель с редуктором для принудительного вращения рычага, чувствительный элемент, воспринимающий осевые потоки, в виде второй турбинки, также расположенный на выносном рычаге, соединяющем первый рычаг с корпусом прибора.

Недостаток конструкции заключается в высокой инерционности системы, так как при начальном движении лопастей вертушек наблюдается интервал страгивания (возникает петля гистерезиса). Кроме того, при вращении лопастей, количество оборотов преобразуется в скорость по экспоненциальной зависимости, которую нужно коррелировать в прямую зависимость, что приводит к высокой погрешности измерения.

Предложенная конструкция решает задачу повышения точности измерения расхода за счет исключения интервала страгивания вращения крыльчатки, поскольку она вращается принудительно и непрерывно, при этом измеряется усилие потока движущейся жидкости путем измеренения потребления тока электродвигателя, осуществляющего ее принудительное вращение. При измерении скорости истечения радиальных потоков используется датчик силы, измеряющий поперечное отклонение струй, а между этими величинами существует прямая зависимость, что также исключает погрешность при измерении.

Предложен скважинный расходомер, содержащий корпус, центраторы, чувствительный элемент, воспринимающий радиально направленные потоки жидкости, установленный на выносном вращающемся рычаге, электродвигатель с редуктором для принудительного вращения рычага, чувствительный элемент, воспринимающий осевые потоки и преобразователи скоростей истечения жидкости в электрический сигнал, отличающийся тем, что он снабжен дополнительным микроэлектродвигателем для принудительного и непрерывного вращения элемента, воспринимающего осевые потоки, выполненного в виде лопастной крыльчатки, помещенной в защитный кожух с боковыми окнами, при этом вал электродвигателя связан с осью крыльчатки посредством безынерционной муфты, выполненной в виде притертой цилиндрической пары, а чувствительный элемент, воспринимающий радиально направленные потоки, выполнен в виде тонколистовой твердой пластины, например, из титана, покрытой материалом с низкой адгезией, например фторопластом, установленной своей плоскостью параллельно стенке скважины, кроме того, преобразователь скорости истечения радиального потока выполнен в виде датчика силы, а ось пластины жестко связана с осью датчика силы, воздействующей на тензометрический мост, электрически связанный с наземным пультом управления.

Конструкция расходомера может быть исполнена с несколькими вариантами, например дополнительный микроэлектродвигатель выполнен с вращающимся статором и неподвижным ротором, или он же выполнен с вращающимся ротором, в котором количество полюсов равно или больше 5, или он же выполнен с броневым ротором.

Кроме того, ось дополнительного микроэлектродвигателя проходит через упорный подшипник, а угол уклона α лопастей крыльчатки к оси ее вращения составит 45° ÷ 55°.

На чертеже показана конструкция расходомера.

Устройство содержит корпус 1 с пазом, в который входят рычаги 2, 3 и 4, шарнирами 5 соединенные с корпусом. Рычаги подпружинены пружинами 6. Корпус 1 снабжен центраторами 7. Рычаги 2, 3 и 4 принудительно вращаются электродвигателем с редуктором, помещенными в корпусе 1 (на фиг. 1 не показаны). На выносном рычаге 2 закреплен датчик силы 8, который своей осью 9 связан с пластиной 11 посредством ее оси 10.

Пластина 11 закреплена на рычаге 2 таким образом, что ее плоскость при вращении рычага всегда обращена к стенке скважины. Датчик силы 8 электрически связан с наземным пультом управления (на фиг.1 не показан).

Кроме того, расходомер в нижней части корпуса содержит дополнительный микроэлектродвигатель 12 с валом (осью) 13, который закреплен в корпусе упорным подшипником 14. Ось 13 электродвигателя 12 установлена в безынерционной муфте 15, выполненной в виде притертой цилиндрической пары. Электродвигатель 12 служит для принудительного и непрерывного вращения лопастной крыльчатки 16. Пластина 11 служит в качестве чувствительного элемента, воспринимающего радиальные потоки от стенки скважины или к ней. Лопастная крыльчатка 16 с углом наклона α равным 45°-55°, является чувствительным элементом, воспринимающим осевой поток скважинной жидкости, который, как известно из практики, больше радиального потока примерно до 9 раз, по результатам модельных работ.

Устройство работает следующим образом

Устройство спускают в скважину в сложенном состоянии, при этом рычаги 2, 3 и 4 занимают положение вдоль корпуса прибора 1, обозначенное на фиг. 1 пунктирными линиями. После выхода устройства на нужный интервал в скважине рычаги раскрываются под действием пружины 6. Включаются как основной электродвигатель, осуществляющий вращение рычага 2 вокруг оси прибора, так и дополнительный микроэлектродвигатель 12, осуществляющий непрерывное вращение турбинки через безынерционную муфту 15.

При вращении рычага 2, закрепленная на нем пластина 11 развернута своей плоскостью к стенке скважины и воспринимает в перпендикулярном направлении радиальные потоки жидкости из перфорационных отверстий скважины. Так как один конец пластины соединен с датчиком силы 8, а другой ее конец остается свободным, то пластина от усилия истечения жидкости прогибается и воздействует на ось датчика силы, который преобразует усилие в электрический сигнал.

При работе микроэлектродвигателя 12 крыльчатка 16 вращается с рассчитанной скоростью непрерывно, при этом осевые потоки жидкости вдоль скважины будут замедлять это вращение, что вызывает изменения потребления тока электродвигателя, что также фиксируется. Для максимальной чувствительности угол α наклона лопастей крыльчатки к оси ее вращения составляет 45° ÷ 55°.

Далее два сигнала интегрируют и таким образом измеряют расход в скважине.

При исполнении микроэлектродвигателя с вращающимся статором и неподвижным ротором наблюдается низкий коэффициент детонации с высокостабилизированным вращением, а также высокая чувствительность и низкое потребление энергии.

При исполнении микроэлектродвигателя с вращающимся ротором, в котором количество полюсов равно или больше пяти, расширяется диапазон измерения. Так как двигатель может работать с низким напряжением питания (1,2÷1,5 В), его можно использовать в основном для модельных работ.

Вариант исполнения дополнительного микроэлектродвигателя с броневым ротором является источником малых помех для электронного обрамления и технологичен в производстве, кроме того, обладает высокой надежностью.

1. Способ измерения расхода жидкости в действующих нефтегазовых скважинах, заключающийся в измерении скорости истечения радиальных потоков жидкости, в измерении скорости течения осевого потока и преобразовании измеренных величин в общий расход жидкости по стволу скважины, отличающийся тем, что при измерении скорости истечения радиальных потоков от стенки скважины преобразуют силу давления истечения жидкости в первую производную скорости, а для измерения осевых потоков производят принудительное и непрерывное вращение элемента, воспринимающего осевой поток жидкости, и в процессе измерения учитывают силу замедления скорости принудительного вращения элемента, оказывающую влияние на изменение нагрузки на валу электродвигателя, осуществляющего принудительное и непрерывное вращение элемента, и по изменению мощности или силы тока на электродвигателе судят об изменении скорости течения потока.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при измерении скорости течения радиальных потоков к стенке скважины преобразуют силу давления радиальных потоков в первую производную скорости с противоположным знаком.

3. Устройство для осуществления способа по п.1, содержащее корпус, центраторы, чувствительный элемент, воспринимающий радиально направленные потоки жидкости, установленный на выносном вращающемся рычаге, электродвигатель с редуктором для принудительного вращения рычага, чувствительный элемент, воспринимающий осевые потоки и преобразователи скоростей истечения жидкости в электрический сигнал, отличающееся тем, что оно снабжено дополнительным микроэлектродвигателем для принудительного и непрерывного вращения чувствительного элемента, воспринимающего осевые потоки, выполненного в виде лопастной крыльчатки, помещенной в защитный кожух с боковыми окнами, при этом вал электродвигателя связан с осью крыльчатки посредством безынерционной муфты, выполненной в виде притертой цилиндрической пары, а чувствительный элемент, воспринимающий радиально направленные потоки, выполнен в виде тонколистовой твердой пластины, например, из титана, покрытой материалом с низкой адгезией, например, фторопластом, обращенной своей плоскостью параллельно к стенке скважины, кроме того, преобразователь скорости истечения радиального потока выполнен в виде датчика силы, а один конец пластины жестко связан с осью датчика силы, воздействующей на тензометрический мост, электрически связанный с наземным пультом управления, при этом другой конец пластины установлен свободно.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что дополнительный микроэлектродвигатель выполнен с вращающимся статором и неподвижным ротором.

5. Устройство по п.3, отличающееся тем, что дополнительный микроэлектродвигатель выполнен с вращающимся ротором, в котором количество полюсов равно или больше 5.

6. Устройство по п.3, отличающееся тем, что дополнительный микроэлектродвигатель выполнен с броневым ротором.

7. Устройство по п.3, отличающееся тем, что ось дополнительного микроэлектродвигателя проходит через упорный подшипник.

8. Устройство по п.3, отличающееся тем, что угол наклона лопастей крыльчатки к оси ее вращения составляет 45 - 55°.