RU76975U1

RU76975U1 - DEPTH WELL FLOW METER

Info

Publication number: RU76975U1
Application number: RU2008120575/22U
Authority: RU
Inventors: Генрих Саакович Абрамов; Олег Леонидович Абрамов; Алексей Васильевич Барычев; Владимир Павлович Карманов
Original assignee: Открытое акционерное общество "Инженерно-производственная фирма СИБНЕФТЕАВТОМАТИКА" (ОАО ИПФ "СибНА")
Priority date: 2008-05-23
Filing date: 2008-05-23
Publication date: 2008-10-10

Abstract

Глубинный скважинныи расходомер (далее - ГСР) предназначен для измерения расхода жидкости в насосно-компрессорных трубах, в том числе и при гидродинамических исследованиях скважин. ГСР содержит проточный цилиндрический корпус 1 с размещенной в нем втулкой 2, совмещенной с завихрителем потока 3, кольцевую полость 4, образованную между втулкой и корпусом с размещенным в ней чувствительным элементом 5 в виде шара и расположенной перед завихрителем потока со стороны входа потока в расходомер, узел 6 съема сигнала, расположенный на внешней поверхности корпуса и ориентированный напротив кольцевой полости 4. Новизна ГСР характеризуется наличием проточной гайки 8 с внешней резьбой, установленной в торце втулки с помощью резьбового соединения, причем, диаметр проточной части гайки является переменной величиной. ГСР обеспечивает более высокие потребительские свойства при их реализации по сравнению с уже известными техническими решениями. 1 н.п.ф., 1 ил.The deep borehole flow meter (hereinafter - GSR) is designed to measure fluid flow in tubing, including hydrodynamic studies of wells. The GSR contains a flowing cylindrical body 1 with a sleeve 2 located in it, combined with a flow swirl 3, an annular cavity 4 formed between the sleeve and the housing with a sensing element 5 in it in the form of a ball and located in front of the swirl of the flow from the flow inlet side of the flowmeter, a signal pickup unit 6 located on the outer surface of the housing and oriented opposite the annular cavity 4. The novelty of the GSR is characterized by the presence of a flowing nut 8 with an external thread installed in the end of the sleeve using threads new connection, moreover, the diameter of the flowing part of the nut is a variable. GSR provides higher consumer properties during their implementation in comparison with the already known technical solutions. 1 n.p.f., 1 ill.

Description

Полезная модель относится к устройствам измерения объемного расхода текучих сред в стволах скважин, в том числе и при гидродинамических исследованиях.The utility model relates to devices for measuring the volumetric flow rate of fluid in wellbores, including hydrodynamic studies.

Известны скважинные расходомеры тахометрического типа [1], к которым относятся в первую очередь турбинные и шариковые расходомеры.Well-known flow meters of the tachometric type [1], which primarily include turbine and ball flow meters.

Чувствительным элементом турбинного расходомера является аксиальная (осевая) турбинка с лопастями, расположенными под углом к направлению потока жидкости, и свободно вращающаяся на подшипниках. Скорость вращения турбинки прямо пропорциональна (в общем случае) скорости потока измеряемой среды и, следовательно, расходу проходящей жидкости, а число оборотов ее за определенный период - объему жидкости прошедшей за этот период.The sensitive element of the turbine flowmeter is an axial (axial) turbine with blades located at an angle to the direction of fluid flow, and freely rotating on bearings. The speed of rotation of the turbine is directly proportional (in the general case) to the flow rate of the measured medium and, consequently, to the flow rate of the passing fluid, and its number of revolutions for a certain period is to the volume of fluid passed during this period.

Главный недостаток первичных преобразователей турбинных расходомеров состоит в том, что турбинки преобразователей перекрывают проходное сечение трубопровода, вследствие чего тяжело воспринимают гидравлические удары, которые в свою очередь ускоряют разрушение лопаток турбинок и износ подшипников. Кроме того, лопатки турбинок, являясь преградой движущемуся потоку, могут забиваться инородными телами, что также сказывается на надежности турбинок, вплоть до их заклинивания или разрушения.The main disadvantage of the primary transducers of turbine flow meters is that the turbines of the transducers block the bore of the pipeline, as a result of which hydraulic shocks are difficult to perceive, which in turn accelerate the destruction of the turbine blades and the wear of bearings. In addition, the turbine blades, being an obstacle to the moving flow, can become clogged by foreign bodies, which also affects the reliability of the turbines, up to their jamming or destruction.

Подвижным элементом шарикового расходомера является шар, который вращается под действием закручиваемого специальным образом потока измеряемой среды. Частота вращения шара, прямо пропорциональная расходу, преобразуется в информационный электрический сигнал с помощью различных преобразователей сигналов (индукционные, индуктивные, магнитоуправляемые и т.п.).A movable element of a ball flow meter is a ball that rotates under the action of a specially-twisted flow of the measured medium. The rotation frequency of the ball, which is directly proportional to the flow rate, is converted into an informational electric signal using various signal converters (induction, inductive, magnetically controlled, etc.).

Шариковые расходомеры [2,3,...,5] свободны от вышеперечисленных недостатков, присущих турбинным расходомерам, и полностью удовлетворяют критериям: повышенной надежности и максимальной простоты съема и обработки информационного электрического сигнала, пропорционального расходу измеряемой среды.Ball flow meters [2,3, ..., 5] are free from the above disadvantages inherent in turbine flow meters, and fully satisfy the criteria: increased reliability and maximum ease of removal and processing of an electrical information signal proportional to the flow rate of the medium being measured.

Эти расходомеры работоспособны в течение длительной непрерывной эксплуатации, однако в малой степени адаптированы к условиям работы в скважинных условиях и требуют для этого существенной доработки как отдельных узлов и элементов, так и всего объекта в целом.These flowmeters are operable during long-term continuous operation, however, they are slightly adapted to working conditions in downhole conditions and require substantial refinement of both individual units and elements, and the entire facility as a whole.

Известен также шариковый расходомер [6], который конструктивно встраивается в насосно-компрессорные трубы (НКТ) и измеряет расход пластовой воды на выходе центробежных насосов. Расходомер содержит составной проточный корпус с центральным осевым и кольцевым коаксиальным измерительными каналами, причем на входе измерительного канала установлен вращатель потока с радиальными косыми лопатками, расположенными под углом к набегающему потоку воды, на выходе этого канала установлен выпрямитель потока с радиальными косыми лопатками, между вращателем и выпрямителем потока выполнена горообразная кольцевая канавка, в которой с возможностью качения по ее поверхности размещен шар, а также узел контроля за круговыми движениями шара по этой кольцевой канавке. Корпус выполнен, как минимум, из двух частей, наружная из которых содержит посадочное седло под вставную, с возможностью установки и съема, центральную часть корпуса, в теле наружной части корпуса размещен фиксатор взаимно-сопряженного состояния обеих частей, вращатель и выпрямитель потока жестко закреплены на вставной части корпуса, а кольцевая канавка выполнена в теле наружной части непосредственно над посадочным седлом, при этом геометрическая образующая поверхности кольцевой канавки является половиной дуги окружности с концами этой дуги, лежащими на прямой, не параллельной оси корпуса и пересекающейся с этой осью за выпрямителем потока.Also known is a ball flow meter [6], which is structurally integrated into tubing (tubing) and measures the flow rate of produced water at the outlet of centrifugal pumps. The flowmeter contains a composite flow housing with a central axial and annular coaxial measuring channels, and at the input of the measuring channel there is a flow rotator with radial oblique vanes located at an angle to the incoming water flow, a flow rectifier with radial oblique vanes is installed at the outlet of this channel, between the rotator and a straight annular groove is made in the flow rectifier, in which a ball is placed with the possibility of rolling along its surface, as well as a control unit for circular motions by holding the ball along this circumferential groove. The housing is made of at least two parts, the outer of which contains a seat seat under the insert, with the possibility of installation and removal, the central part of the housing, in the body of the outer part of the housing there is a latch for the mutually conjugate state of both parts, the rotator and flow rectifier are rigidly fixed to the insert part of the housing, and the annular groove is made in the body of the outer part directly above the landing saddle, while the geometric generatrix of the surface of the annular groove is half the arc of a circle with ends et second arc lying on the line, not parallel to the axis of the housing and intersecting this axis of the flow straightener.

Такой вариант расходомера адаптирован к работе в скважинных условиях, тем не менее, в процессе промышленной эксплуатации был выявлен существенный его недостаток, который заключается в интенсивном износе вращающегося по кольцевой канавке шара. В работе [1, стр.120, 121] дается анализ уравнения равновесия шара при установившемся расходе, из которого следует, что наибольший вклад на величину износа шара, вызванного трением его о корпус, вносит гидродинамическая сила потока, действующая на шар перпендикулярно плоскости вращения (по оси расходомера). Далее в этой же работе предлагается ряд конструкций шариковых расходомеров, в которых ослабляется упомянутая гидродинамическая сила потока путем помещения шара в так называемую зону возникновения обратного вихря, в которой на шар практически не действует осевая компонента скорости потока, благодаря чему резко уменьшается износ шара при эксплуатации.This version of the flowmeter is adapted to work in downhole conditions, however, in the process of industrial operation, a significant drawback was revealed, which consists in the intensive wear of the ball rotating along the annular groove. In [1, pp. 120, 121], an analysis is made of the ball equilibrium equation at a steady flow rate, from which it follows that the hydrodynamic flow force acting on the ball perpendicular to the plane of rotation makes the largest contribution to the wear of the ball caused by its friction on the body ( along the axis of the flow meter). Further, in the same work, a number of designs of ball flow meters are proposed in which the aforementioned hydrodynamic force of the flow is weakened by placing the ball in the so-called reverse vortex zone, in which the axial component of the flow velocity practically does not act on the ball, due to which ball wear during operation is sharply reduced.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) и адаптируемым к заявляемому глубинному скважинному расходомеру, по нашему мнению, к скважинным условиям по своей конструкции является шариковый расходомер (преобразователь расхода) [7], который конструктивно можно встроить в насосно-компрессорную трубу (НКТ) и с помощью которого можно обеспечить измерение, например, расхода пластовой воды на выходе центробежных насосов.The closest technical solution (prototype) and adaptable to the claimed deep well flow meter, in our opinion, to the well conditions in its design is a ball flow meter (flow transducer) [7], which can be structurally integrated into the tubing and tubing which can be used to measure, for example, the flow rate of formation water at the outlet of centrifugal pumps.

Преобразователь расхода состоит из корпуса, вставленной в корпус втулки-ступицы, чувствительного элемента в виде шара, расположенного в кольцевой полости между ступицей и корпусом, завихрителя и узла съема сигнала. Кольцевая полость расположена перед завихрителем потока со стороны входа потока в преобразователь расхода. В кольцевом пространстве перед завихрителем развивается «обратный вихрь», в зоне которого осевая и радиальная компоненты минимальны.The flow transducer consists of a housing inserted into the hub hub housing, a sensing element in the form of a ball located in an annular cavity between the hub and the housing, a swirler and a signal pick-up unit. An annular cavity is located in front of the flow swirl from the side of the flow inlet to the flow transducer. In the annular space in front of the swirl, a “reverse vortex” develops, in the zone of which the axial and radial components are minimal.

При таком конструктивном исполнении преобразователя расхода можно считать, что на шар действует только тангенциальная составляющая, а действие осевой и радиальной составляющих сведены к With this design of the flow transducer, we can assume that only the tangential component acts on the ball, and the action of the axial and radial components is reduced to

минимуму. Это уменьшает износ шара и позволяет выдержать значительные гидравлические перегрузки. В месте с тем эта конструкция преобразователя не позволяет обеспечить линейность статической характеристики преобразования в широком динамическом диапазоне изменения измеряемых расходов, что затрудняет градуировку прибора и усложняет (удорожает) взаимозаменяемость втулки с совмещенным завихрителем.to a minimum. This reduces ball wear and can withstand significant hydraulic overloads. At the same time, this converter design does not allow linearity of the static conversion characteristic in a wide dynamic range of measured flow rates, which complicates the calibration of the device and complicates (increases) the cost of interchangeability of the sleeve with the combined swirl.

Таким образом, и этот известный преобразователь расхода, выбранный нами в качестве прототипа, имеет конструктивные и функциональные недостатки: невозможность его использования без существенной доработки в широком динамическом диапазоне изменения измеряемых расходовThus, this well-known flow converter, which we have chosen as a prototype, has structural and functional drawbacks: the inability to use it without significant refinement in a wide dynamic range of measured flow rates

Требуемый технический результат обеспечивается тем, что в глубинном скважинном расходомере, содержащем, согласно прототипу, проточный цилиндрический корпус с размещенной в нем втулкой, совмещенной с завихрителем потока, узел съема сигнала, кольцевую полость, образованную между втулкой и корпусом с размещенным в ней чувствительным элементом в виде шара и расположенной перед завихрителем потока со стороны входа потока в расходомер, узел съема сигнала, расположенный на внешней поверхности корпуса и ориентированный относительно кольцевой полости, в торце втулки установлена с помощью резьбового соединения проточная гайка с внешней резьбой. В каждом конкретном случае (в зависимости от диапазона изменения измеряемых расходов) диаметр проточной части гайки является переменной величиной.The required technical result is ensured by the fact that in the deep borehole flowmeter containing, according to the prototype, a flowing cylindrical body with a sleeve located therein combined with a flow swirl, a signal pickup unit, an annular cavity formed between the sleeve and the body with a sensing element located in it in the form of a ball and located in front of the flow swirl from the side of the flow inlet to the flowmeter, a signal pickup unit located on the outer surface of the housing and oriented relative to the ring th cavity, in the end of the sleeve is installed using a threaded connection flow nut with an external thread. In each specific case (depending on the range of measured flow rates), the diameter of the flow part of the nut is a variable.

Требуемый технический результат обеспечен наличием в совокупности существенных признаков (характеризующих предлагаемую конструкцию глубинного скважинного расходомера) вышеуказанных отличительных признаков при несомненной применимости в промышленности, что предполагает соответствие заявляемого объекта критериям «полезной модели».The required technical result is ensured by the presence of a combination of essential features (characterizing the proposed design of the downhole flowmeter) of the above distinctive features with undoubted applicability in industry, which implies the compliance of the claimed object with the criteria of the "utility model".

На рисунке (фиг.1) изображен глубинный скважинный расходомер, который содержит: проточный цилиндрический корпус 1 с размещенной в нем втулкой 2, совмещенной с завихрителем 3 потока, кольцевую полость 4, образованную между втулкой и корпусом с размещенным в ней чувствительным элементом 5 в виде шара и расположенной перед завихрителем потока со стороны входа потока в расходомер, узел 6 съема сигнала, расположенный на внешней поверхности корпуса 1 и ориентированный напротив кольцевой полости 4. В торце втулки 2 установлена с помощью резьбового соединения проточная гайка 7 с внешней резьбой. Глубинный скважинный расходомер встраивается в НКТ с помощью резьб 9 на концах его корпуса 1. На рисунке насосно-компрессорные трубы не показаны. Кожух 8 обеспечивает защиту узла 6 съема сигнала и сопутствующей электроники от внешнего воздействия измеряемой среды.The figure (Fig. 1) shows a deep borehole flowmeter, which contains: a flowing cylindrical body 1 with a sleeve 2 located therein, combined with a swirl 3 of the flow, an annular cavity 4 formed between the sleeve and the body with a sensing element 5 placed in it in the form ball and located in front of the flow swirl from the side of the flow inlet to the flowmeter, a signal pickup unit 6 located on the outer surface of the housing 1 and oriented opposite the annular cavity 4. At the end of the sleeve 2, it is installed using a threaded Unions flow nut 7 with external thread. A deep borehole flow meter is built into the tubing using threads 9 at the ends of its body 1. The tubing is not shown in the figure. The casing 8 provides protection of the node 6 of the signal pickup and related electronics from external influences of the measured medium.

Работа глубинного скважинного расходомера происходит следующим образом. Контролируемый поток через завихритель 3 поступает в кольцевую полость 4 между корпусом 1 втулкой 2, приобретая вращательное движение. В зоне расположения шара 5 жидкость приобретает вращательное движение и увлекает за собой шар со скоростью вращения, пропорциональной расходу жидкости (например, пластовой воды или водонефтяной смеси). Частота вращения шара преобразуется узлом 6 съема сигнала в частоту следования электрических импульсов с дальнейшей их обработкой электронным блоком (на рисунке не показан) и передачей по кабелю (на рисунке не показан) информации на поверхность.The operation of the downhole flowmeter is as follows. The controlled flow through the swirler 3 enters the annular cavity 4 between the housing 1 by the sleeve 2, acquiring a rotational movement. In the area of the ball 5, the fluid acquires a rotational motion and carries the ball with it at a speed proportional to the flow rate of the fluid (for example, produced water or oil-water mixture). The rotational speed of the ball is converted by the signal pickup unit 6 into the repetition rate of electrical pulses with their further processing by the electronic unit (not shown in the figure) and transmission of information to the surface via a cable (not shown).

В кольцевом пространстве перед завихрителем развивается «обратный вихрь», в зоне которого одновременно присутствуют осевая, радиальная и тангенциальная компоненты вектора скорости потока, причем, осевая и радиальная составляющие много меньше тангенциальной компоненты, которыми можно пренебречь [1, 7]. Следовательно, можно считать, что на шар воздействует только тангенциальная составляющая, благодаря чему In the annular space in front of the swirl, a “reverse vortex” develops, in the zone of which there are simultaneously axial, radial and tangential components of the flow velocity vector, and the axial and radial components are much smaller than the tangential component, which can be neglected [1, 7]. Therefore, we can assume that only the tangential component acts on the ball, due to which

значительно уменьшается износ шара, а, следовательно, увеличивается наработка на отказ прибора.the wear of the ball is significantly reduced, and, consequently, the mean time between failures of the device increases.

В случае, когда расход измеряемого потока превышает допустимый, с метрологической точки зрения, например, оценки линейности штатной статической характеристики преобразования расходомера, имеется возможность байпасировать (отводить) часть измеряемого потока через проходное отверстие гайки 8, установленной по ее внешней резьбе в торце втулки 2. Перед каждым спуском расходомера в конкретную скважину по приблизительно известному среднему расходу в торец втулки вворачивается гайка с необходимой площадью сечения ее проточной полости.In the case when the flow rate of the measured flow exceeds the permissible, from the metrological point of view, for example, assessing the linearity of the standard static characteristics of the flowmeter conversion, it is possible to bypass (divert) a part of the measured flow through the passage through the nut 8 installed along its external thread in the end face of the sleeve 2. Before each descent of the flowmeter, a nut with the required cross-sectional area of its flow cavity is screwed into the end of the sleeve at a known average flow rate.

Наличие в торце втулки расходомера гайки с проточной полостью значительно расширяет его функциональные возможности, а именно:The presence of a nut with a flow cavity at the end of the flowmeter sleeve significantly expands its functionality, namely:

- расширяет динамический диапазон изменения измеряемых расходов;- expands the dynamic range of measured costs;

- облегчает взаимозаменяемость втулки с совмещенным с ней завихрителем потока в процессе эксплуатации глубинного скважинного расходомера или при его ремонте, что и является особенностью заявляемой конструкции.- facilitates the interchangeability of the sleeve with the swirl flow combined with it during operation of the downhole flowmeter or during its repair, which is a feature of the claimed design.

Таким образом, с учетом вышеизложенного, заявляемый объект подлежит охране как объект промышленной собственности с выдачей заявителю соответствующего охранного документа.Thus, in view of the foregoing, the claimed object is subject to protection as an industrial property object with the issuance of the relevant security document to the applicant.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ, ПРИНЯТЫЕ ВО ВНИМАНИЕ ПРИ СОСТАВЛЕНИИ ОПИСАНИЯ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ:SOURCES OF INFORMATION TAKEN INTO ACCOUNT WHEN DRAWING UP A DESCRIPTION OF A USEFUL MODEL:

1. Абрамов Г.С., Барычев А.В., Зимин М.И. Практическая расходометрия в промышленности. М., ОАО «ВНИИОЭНГ», 2000. (с.104-109).1. Abramov G.S., Barychev A.V., Zimin M.I. Practical flow measurement in industry. Moscow, JSC "VNIIOENG", 2000. (p.104-109).

2. СССР, а.с. 320713, G01f 1/00, 1971;2. USSR, A.S. 320713, G01f 1/00, 1971;

3. СССР, а.с. 435458, G01f 1/00, 1974;3. USSR, A.S. 435458, G01f 1/00, 1974;

4. СССР, а.с. 518630, G01F 1/05, 1976;4. USSR, A.S. 518630, G01F 1/05, 1976;

5. СССР, а.с. 720295, G01F 1/075, 1980.5. USSR, A.S. 720295, G01F 1/075, 1980.

6. РФ, патент 2278969, Е21В 47/10, G01F 1/06, 2004.6. RF, patent 2278969, ЕВВ 47/10, G01F 1/06, 2004.

7. СССР, а.с. 518630, G01F 1/05, 1974, прототип.7. USSR, A.S. 518630, G01F 1/05, 1974, prototype.

Claims

1. A downhole borehole flow meter comprising a flowing cylindrical body with a sleeve located therein, combined with a flow swirl, an annular cavity formed between the sleeve and the body with a sensing element in the form of a ball located in front of it and located in front of the flow swirl from the side of the flow inlet to the flow meter, a signal pickup unit located on the outer surface of the housing and oriented opposite the annular cavity, characterized in that a flow-through threaded connection is installed at the end of the sleeve Ike external thread.

2. The downhole flowmeter according to claim 1, characterized in that in each case (depending on the range of variation of the measured flow rate), the diameter of the flow passage of the nut is variable.