Устройство для измерения плотности бурового раствора в легкосплавленной бурильной трубе

Авторы патента:

G01N9/00 - Определение плотности или удельного веса материалов; анализ материалов путем определения их плотности или удельного веса (устройства для взвешивания G01G)

G01N27/00 - Исследование или анализ материалов с помощью электрических, электрохимических или магнитных средств (G01N 3/00-G01N 25/00 имеют преимущество; измерение переменных электрических или магнитных величин и исследование электрических или магнитных свойств материалов G01R)

E21B21/08 - контроль или управление давлением или током бурового раствора, например автоматическое заполнение буровых скважин, автоматическое управление забойным давлением (клапанные устройства для этой цели E21B 21/10)

Владельцы патента RU 2687710:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук (RU)

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения плотности и других физических параметров бурового раствора непосредственно в процессе бурения скважин. Техническим результатом является упрощение процедуры измерения плотности бурового раствора. В устройство для измерения плотности бурового раствора в легкосплавленной бурильной трубе, содержащее источник излучения, детектор, измерительный участок трубы и индикатор, введены элемент ввода сигнала в измерительный участок трубы, металлический штырь, перемещающийся по поверхности измерительного участка трубы, измерительный участок трубы длиной в несколько полуволн выполнен из диэлектрического материала и соединен последовательно торцами с легкосплавленной бурильной трубой, причем выход источника излучения соединен с элементом ввода сигнала в измерительный участок трубы, выход металлического штыря подключен к входу детектора, выход которого соединен с входом индикатора. 1 ил.

Известно устройство для одновременного определения параметров бурового раствора (см. RU 2085726 С1, 27.07.1997), осуществляющее определение параметров непосредственно в процессе бурения нефтяных и газовых скважин и содержащее установленные на измерительном трубопроводе, соединенные с желобом датчик температуры, гамма-датчик плотности, электромагнитный расходомер. На желобе перед измерительным трубопроводом установлен дополнительный датчик уровня. Выходы всех датчиков соединены с входами коммутатора, выход которого соединен с входом микроЭВМ. При этом датчик уровня выполнен нейтронным и состоит из биологической защиты, источника нейтронов и детекторов, между которыми расположен слой из поглощающего медленные нейтроны материала. В данном устройстве посредством нейтронного датчика уровня, измеряющего уровень бурового раствора в желобе и электромагнитного расходомера, гаммаплотномера, а также датчика температуры, измеряющих соответственно расход, плотность и температуру бурового раствора в измерительном трубопроводе, после корреляционной обработки данных об указанных параметрах раствора в желобе и измерительном трубопроводе, получают реальные значения контролируемых параметров бурового раствора.

Недостатком этого известного устройства является низкая точность измерения объемного и массового расходов раствора из-за расхождения по истинным площадям поперечного сечения раствора в желобе и в измерительном трубопроводе, а также конструктивная сложность.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является принятое автором за прототип устройство для контроля плотности и компонентного состава бурового раствора в трубопроводе (см. патент на полезную модель №34015 С1, 20.11.2003). Данное устройство включат в себя первый и второй источники гамма-излучения, первый, второй и третий детекторы гамма-излучения, измерительный участок трубопровода, первый, второй и третий измерители средней частоты импульсов, первую, вторую и третью схемы формирования и выделения импульсов, вычислительный блок, индикаторный блок, первую и вторую схемы сравнения сигналов, первую и вторую схемы НЕ, триггер адреса рабочего детектора, схему И управления электропитанием второго детектора. Принцип работы этого устройства заключается в использовании взаимодействия гамма-излучения с буровым раствором и предусматривает вычисление плотности раствора посредством определения в вычислительном блоке объемных концентраций компонентов раствора с учетом плотности жидкости и минеральных плотностей компонентов твердой фазы.

К недостатку этого известного технического решения можно отнести сложность процедуры вычисления плотности бурового раствора.

Техническим результатом данного устройства является упрощение процедуры измерения плотности бурового раствора.

Технический результат достигается тем, что в устройство для измерения плотности бурового раствора в легкосплавленной бурильной трубе, содержащее источник излучения, детектор, измерительный участок трубы и индикатор, введены элемент ввода сигнала в измерительный участок трубы, металлический штырь, перемещающийся по поверхности измерительного участка трубы, измерительный участок трубы длиной в несколько полуволн, выполнен из диэлектрического материала и соединен последовательно торцами с легкосплавленной бурильной трубой, причем выход источника излучения соединен с элементом ввода сигнала в измерительный участок трубы, выход металлического штыря подключен к входу детектора, выход которого соединен с входом индикатора.

Сущность заявляемого изобретения, характеризуемого совокупностью указанных выше признаков, состоит в том, что вычисление расстояния между узлом и пучностью стоячей электромагнитной волны в диэлектрическом измерительном отрезке трубы с буровым раствором, дает возможность измерить плотность бурового раствора в легкосплавленной бурильной трубе.

Наличие в заявляемом способе совокупности перечисленных существующих признаков, позволяет решить задачу измерения плотности бурового раствора в легкосплавленной бурильной трубе на основе вычисления расстояния между узлом и пучностью электромагнитной волны в диэлектрическом измерительном отрезке трубы с буровым раствором с желаемым техническим результатом, т.е. упрощением процедуры измерения плотности бурового раствора.

На чертеже представлена функциональная схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит источник излучения 1, соединенный выходом с элементом ввода сигнала 2, измерительный участок трубы 3, металлический штырь 4, детектор 5 и индикатор 6.

Устройство работает следующим образом. Отрезок измерительного участка трубы 3, снабженный на торцах металлическими штырями (по одному штырю на каждом торце), и легкосплавленную бурильную трубу, по которой транспортируется буровой раствор, последовательно соединяют с помощью специальных фланцев, расположенных на торцах выше указанных труб. После этого при протекании бурового раствора через отрезок диэлектрического отрезка измерительного участка трубы, направляют на поверхность этой трубы электромагнитную волну посредством элемента ввода сигнала 2, принимаемого электромагнитную волну с выхода источника излучения 1. Волна, пройдя через диэлектрическую поверхность данного отрезка, далее распространяется по трубе и взаимодействует с буровым раствором, протекающим по ней. В рассматриваемом случае отрезок трубы можно представить как круглый волновод длиной в несколько полуволн (например, 5), заполненный веществом.

Из теорий распространения электромагнитных волн по волноводам известно что, в последних могут существовать множества типов колебаний волн. При определенных геометрических размерах (диаметре) отрезка трубы (волновода), можно возбудить в трубе один тип волны, например, магнитную волну Н_и. В данном случае выбор радиуса измерительного участка трубы, обеспечивающего существование в ней определенного типа волны, целесообразно произвести с учетом радиуса легкосплавленной бурильной трубы. При этом для того чтобы возбужденная в отрезке измерительного участка трубы волна, не распространялась за пределами данной трубы (область отсечки), радиус этого отрезка трубы следует выбирать меньшим чем радиус легкосплавленной бурильной трубы (ЛБТ). В итоге последовательное механическое соединение двух таких труб с разными диаметрами, обеспечит в измерительном отрезке трубы режим критической длины волны (частоты), исключающий распространение волны за пределами измерительного отрезка. В диапазоне 2,62<λ<3,41R, где λ - длина волны, R - радиус измерительного участка трубы, по нему может распространяться только один тип волны. Кроме того, распространение до торцов ЛБТ возбужденной в измерительном участке волны и наличие на торцах измерительного участка трубы металлических штырей, закрепленных на стенках измерительного отрезка, в этом случае, приведет к образованию режима стоячей волны в отрезке измерительного участка трубы с буровым раствором.

Стоячая волна, как правило, характеризуется узлами и пучностями амплитуды напряженности, например, электрического поля. В силу этого в данном техническом решении длина измерительного участка трубы (волновода) может составить несколько полуволн (λ/2) и по ее наружной поверхности перемещают одним концом небольшой металлический штырь 4, реагирующий (съем) на изменение амплитуды электрического поля стоячей волны в волноводе со средой (буровым раствором). Другой конец металлического штыря, подключенный электрически к входу детектора 5, используется для передачи сигнала.

При взаимодействии стоячей волны с буровым раствором в волноводе для показателя преломления n данной среды можно записать

где ε - диэлектрическая проницаемость бурового раствора, μ - магнитная проницаемость борового раствора. С учетом приведенного выражения длину электромагнитной волны в данном случае можно выразить как

λ_в-λ₀/n

где λ₀ - длина волны в вакууме (воздухе), λ_в - длина стоячей волны в волноводе со средой. В рассматриваемом случае принимается μ=1. Тогда для волны в контролируемой среде получаем

С дугой стороны для длины стоячей волны λ_в можно записать

где l - расстояние между соседними узлами (или пучностями) стоячей волны в волноводе с буровым раствором. Совместное преобразование выражений (1) и (2) позволяет принимать

Последнее выражение показывает, что при постоянном значении Хо, определением расстояния между соседними пучностями стоячей волны, можно вычислить диэлектрическую проницаемость бурового раствора в измерительном участке трубы, т.е. в ЛБТ. Однако ввиду того, что между соседними пучностями имеет место узел стоячей волны, зависимость 8 от 1 может иметь неоднозначный характер. Поэтому для исключения неоднозначной зависимости между этими параметрами, в предлагаемом устройстве предлагается измерить расстояние, например, между узлом и пучностью. Для этого металлический штырь перемещают по наружной поверхности отрезка измерительной трубы до тех пор, пока, выходной сигнал детектора не станет минимальным, т.е. фиксируют узел амплитуды стоячей волны. После этого дальнейшее перемещение штыря приведет к максимальному значению амплитуды стоячей волны (выходной сигнал детектора), соответствующему пучности амплитуды стоячей волны. Следовательно, измерение расстояния между узлом и пучностью стоячей волны при его изменении выходным сигналом детектора, даст возможность получить информацию (однозначную) диэлектрической проницаемости бурового раствора. В силу этого если обозначить расстояние между узлом и пучностью стоячей волны то формула (3) примет вид

В рассматриваемом случае зависимость между искомой величиной - плотностью бурового раствора и его диэлектрической проницаемостью можно выразить формулой Клаузиуса-Мосотти

(ε-1)M/(ε+2)ρ=4πN_aα,

где М - молекулярный вес, ρ - плотность, N_a - число Авогадро, α - поляризуемость. Из последнего выражения для ε получаем

где A=4πN_aα.

Совместное решение выражений (4) и (5) позволяет записать для плотности ρ бурового раствора

В итоге, при постоянных значениях параметров М, А и λ₀, измерением расстояния между узлом и пучностью стоячей волны в отрезке трубы с буровым раствором, можно вычислить плотность контролируемой среды. В данном устройстве выходной сигнал детектора, соответствующий изменению расстоянию , т.е. плотности раствора, далее поступает на вход индикатора 6, где отражается информация о плотности бурового раствора в ЛБТ.

Таким образом, в предлагаемом техническом решении определение расстояния между узлом и пучностью стоячей волны в измерительном участке трубы дает возможность упростит процедуру измерения плотности бурового раствора в легкосплавленной бурильной трубе.

Предлагаемое устройство, помимо его применения непосредственно в процессе бурения нефтяных и газовых скважин, может быть использовано и для решения других задач, например, в криогенной технике для контроля физических параметров (плотности, расхода) жидких криогенных продуктов.

Устройство для измерения плотности бурового раствора в легкосплавленной бурильной трубе, содержащее источник излучения, детектор, измерительный участок трубы и индикатор, отличающееся тем, что в него введены элемент ввода сигнала в измерительный участок трубы, металлический штырь, перемещающийся по поверхности измерительного участка трубы, при этом измерительный участок трубы длиной в несколько полуволн выполнен из диэлектрического материала и соединен последовательно торцами с легкосплавленной бурильной трубой, причем выход источника излучения соединен с элементом ввода сигнала в измерительный участок трубы, выход металлического штыря подключен к входу детектора, выход которого соединен с входом индикатора.

Изобретение относится к литейному производству цветных и черных металлов в серийном производстве. Изобретение осуществляется путем сравнения веса и объема контролируемой детали с весом и объемом аналогичного изделия, принятого за эталон, причем вес и объем эталонного изделия получены расчетным путем.

Способ измерения профилей температуры, давления и плотности в жидкости // 2682080

Изобретение предназначено для применения в океанологии и может использоваться в других областях. Сущность изобретения заключается в том, что используют распределенные термопрофилемеры, содержащие по n модулированных по погонной чувствительности по функциям {<p, (z)}, проводников.

Лабораторный анализатор плотности газов // 2677926

Изобретение относится к средствам аналитической лабораторной техники, а именно к анализаторам плотности газов. Лабораторный анализатор плотности газов состоит из турбулентного дросселя, вход которого соединен через тройник с выходом камеры для сжатия газов, выполненной в виде спирали из тонкостенной металлической трубки и размещенной в емкости с охлаждающей жидкостью, и входом измерительной камеры датчика давления, а также пневмотумблера, подключенного к выходу турбулентного дросселя, и отличается тем, что дополнительно содержит микрокомпрессор с электроприводом, аналого-цифровым преобразователем и двумя дополнительными пневмотумблерами, при этом вход микрокомпрессора соединен с входом анализатора, а его выход через один из дополнительных пневмотумблеров соединен с входом камеры для сжатия газов, второй дополнительный пневмотумблер подключен к выходу измерительной камеры датчика давления, выход которого подключен к аналого-цифровому преобразователю, при этом электропривод микрокомпрессора и аналого-цифровой преобразователь выполнены с возможностью подключения к компьютеру.

Лабораторный эффузионный анализатор плотности газов // 2676559

Изобретение относится к средствам аналитической лабораторной техники, а именно к анализаторам плотности газов. Заявлен лабораторный эффузионный анализатор плотности газов, который содержит турбулентный дроссель 1, выход 2 которого соединен с пневмотумблером 3, камеру для сжатия газов 4, выполненную в виде спирали из тонкостенной металлической трубки и размещенную в емкости 5 с охлаждающей жидкостью, тройник 6 и датчик 7 давления с измерительной камерой 8, снабженной входным 9 и выходным 10 штуцерами.

Лабораторный анализатор плотности газов // 2670210

Изобретение относится к средствам аналитической лабораторной техники, а именно к анализаторам плотности газов. Лабораторный анализатор плотности газов содержит турбулентное сужающее устройство, вход которого соединен через тройник с камерой для сжатия анализируемого газа, выполненной в виде спирали из тонкостенной металлической трубки и размещенной в емкости с охлаждающей жидкостью, и выходом измерительной камеры датчика давления.

Способ определения термодинамических характеристик газообразных веществ при квазиизэнтропических условиях нагружения в мегабарной области давлений // 2657353

Изобретение относится к области исследований квазиизэнтропической сжимаемости газов в мегабарной области давлений. Способ, реализуемый в цилиндрическом устройстве, содержащем заряд взрывчатого вещества, охватывающий корпус с полостью для исследуемого газа, внутри которой коаксиально корпусу размещена дополнительная оболочка, а вдоль оси устройства расположен цилиндрический металлический стержень, включает квазиизэнтропическое нагружение газа, находящегося во внутренней коаксиальной полости устройства, фиксирование движения оболочки, сжимающей исследуемый газ, определение размеров оболочки и стержня в момент максимального сжатия газа.

Устройство для измерения плотности жидкой среды // 2652647

Изобретение относится к приборостроению. Плотномер для измерения плотности жидкой среды содержит корпус с измерительной полостью, поплавок со встроенным постоянным магнитом в данной полости, электрический датчик положения поплавка, соединенный с блоком вычисления плотности, электромагнит, соединенный с источником питания электромагнита.

Способ и устройство определения дифференциальной плотности // 2652171

Предложен способ определения качества топлива, используя двигательную систему 200, содержащую двигатель 208, сконфигурированный для потребления топлива, имеющий по меньшей мере два расходомера 214, 216.

Способ формирования сигнала возбуждения для датчика вибрации // 2646541

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения вибрации. Устройство содержит схему приемника, интерфейсную схему, схему возбуждения, в состав которой входят возбудитель без обратной связи, входные аналоговые фильтры, аналого-цифровой преобразователь, фазовый детектор, генератор сигнала возбуждения, выходные аналоговые фильтры, вибрирующий элемент, содержащий пьезоэлектрические кристаллические элементы.

Способ очистки фильтровой части напорного закладного пьезометра непрямолинейной формы // 2643986

Изобретение относится к технологии очистки внутренних поверхностей полых изделий, а именно очистки фильтровой части напорных закладных пьезометров от кольматанта.

Способ и устройство для бесконтактного определения удельного электросопротивления металлов в области высоких температур // 2687504

Изобретение относится к области физики, а именно к анализу материалов путем бесконтактного определения удельного электросопротивления нагреваемого в индукторе высокочастотного индукционного генератора металлического образца цилиндрической формы в диапазоне температур 1000-2500 К.

Способ магнитного контроля дефектов трубопроводов и устройство для его осуществления // 2686866

Группа изобретений относится к области неразрушающего контроля состояния стенок трубопроводов. Способ магнитного контроля дефектов трубопровода включает следующие этапы: намагничивание трубопровода по его длине при помощи излучающей катушки, установленной на торце трубопровода и соединенной с генератором широкополосного напряжения; измерение магнитного поля, созданного генератором широкополосного напряжения, при помощи датчика магнитного поля при его перемещении вдоль трубопровода; циркулярное намагничивание трубопровода путём пропускания через него импульсного тока при помощи генератора пилообразного напряжения, подключаемого между торцами трубопровода; измерение магнитного поля, созданного генератором пилообразного напряжения, при помощи датчика магнитного поля при его перемещении вдоль трубопровода; определение по данным измерения магнитного поля созданных полученных на этапах генератором широкополосного напряжения и генератором пилообразного напряжения, остаточной толщины стенки трубопровода и участков трубопроводов с напряжённо-деформированным состоянием.

Способ управления процессом поликонденсации в производстве алкидных смол и устройство для его реализации // 2686380

Изобретение относится к производству алкидных смол, в частности к способу автоматического управления процессом поликонденсации. Способ управления процессом поликонденсации в производстве алкидных смол, состоит в том, что в процессе синтеза образующаяся реакционная вода, удаляется из зоны реакции с помощью ксилола, образующего с реакционной водой азеотропную смесь, затем азеотропная смесь последовательно поступает в теплообменники-конденсаторы и в разделительный сосуд, где происходит конденсация азеотропа и разделение его на реакционную воду и ксилол, после чего ксилол возвращается в реактор через переливную трубу, в течение процесса поликонденсации через каждые 15 сек автоматически производится измерение величины активного сопротивления Rp реакционной массы и передается в блок анализа и управления, где сравнивается со значениями типовой кривой, подготовленной заранее, используя усредненные результаты 15-20 проведенных процессов поликонденсации, при отклонении полученного значения Rp от типового значения подается возвратный ксилол из накопительной емкости в реактор, система настроена таким образом, что при снижении в отдельные моменты скорости поликонденсации регулируемая подача возвратного ксилола в реактор восстанавливает стехиометрическое соотношение ксилол-реакционная вода, и устройство для реализации этого способа.

Способ определения массовой концентрации молекулярного кислорода в органической жидкости // 2685763

Изобретение относится к области аналитической химии, а именно - к области средств определения содержания кислорода в жидкости, и может быть использовано в различных областях исследования, где требуется определить содержание кислорода в органической жидкости.

Ловушка ошибок аномального сигнала для измерения аналита // 2684931

Группа изобретений относится к системам для измерения концентрации глюкозы в образце физиологической жидкости пациента, страдающего сахарным диабетом. Раскрыта система для измерения глюкозы, содержащая тест-полоску, и измеритель глюкозы, включающий в себя корпус, разъем порта для тест-полоски и микропроцессор.

Газовый сенсор хеморезистивного типа на основе вискеров сульфида титана и способ его изготовления // 2684429

Изобретение относится к области сенсорной техники и нанотехнологий, в частности к разработке газовых сенсоров хеморезистивного типа, используемых для детектирования газов.

Мультиоксидный газоаналитический чип и способ его изготовления электрохимическим методом // 2684426

Группа изобретений относится к области газового анализа, а именно к устройствам распознавания состава многокомпонентных газовых смесей и способам их изготовления.

Способ изготовления хеморезистора на основе наноструктур оксида цинка электрохимическим методом // 2684423

Изобретение относится к области разработки газовых сенсоров хеморезистивного типа, используемых для детектирования газов. Способ изготовления хеморезистора на основе наноструктур оксида цинка электрохимическим методом характеризуется тем, что в емкости, оборудованной электродом сравнения и вспомогательным электродом, заполненной электролитом, содержащим нитрат-анионы и катионы цинка, осаждают наноструктуры оксида цинка на диэлектрическую подложку, оборудованную полосковыми электродами, выполняющими роль рабочего электрода, путем приложения к рабочему электроду постоянного электрического потенциала от -0,5 В до -1,1 В относительно электрода сравнения в течение 100-200 секунд и при температуре электролита в диапазоне 60-80°С, после чего подложку с осажденным нанослоем оксида цинка промывают дистиллированной водой и высушивают при комнатной температуре.

Способ неразрушающего контроля объекта из магнитного материала // 2683419

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к способам неразрушающего контроля магнитных материалов. Способ неразрушающего контроля объекта из магнитного материала заключается в том, что контролируемый объект помещают в постоянное магнитное поле и подвергают механическому воздействию, по значению отклика судят о механических свойствах объекта.

Способ изготовления хеморезистора на основе наноструктур оксида никеля электрохимическим методом // 2682575

Буровой насос иоаннесяна // 2686558

Изобретение относится к нефтегазодобывающей отрасли и может быть использовано в составе как стационарных, так и передвижных насосных установок для нагнетания различных технологических жидкостей в скважину на нефтегазодобывающих предприятиях.