СКВАЖИННЫЙ ДАТЧИК

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для измерения параметров потока флюида (нефть, вода, газ и их смеси), таких как температура, скорость и фазовый состав, и может быть использовано при при проведении геофизических исследований скважин, а также при контроле за транспортировкой жидких углеводородов по трубопроводной системе.

Известен скважинный термоанемометр, описанный в патенте SU №440484. Термоанемометр содержит герметичный корпус, выполненный в виде двух полостей, в одной из которых расположен нагревательный элемент, а в другой - термочувствительный элемент.

Недостатками термоанемометра являются:

- невозможность одновременного измерения температуры и скорости потока флюида, поскольку измерение температуры термочувствительным элементом осуществляется только при выключенном нагревателе;

- переход в режим измерения температуры флюида требует определенное количество времени, в течение которого нагреватель остынет и не будет влиять на работу термочувствительного элемента, при этом температура и состав флюида могут значительно отличаться от первоначального, что сказывается на достоверности получаемой информации;

- вычисление скорости потока флюида осуществляется по сложному алгоритму с учетом массового расхода флюида и его теплофизических свойств;

- отсутствует контроль за составом флюида.

Известен также скважинный датчик, описанные в патенте RU №2384699. Датчик содержит электрический изолятор и полый цилиндрический металлический корпус с расположенным в его полости датчиком термоанемометра.

Недостатками известного датчика являются:

- невозможность одновременного измерения температуры и скорости потока флюида, поскольку измерение температуры осуществляется только при выключенном нагревателе термоанемометра;

- переход в режим измерения температуры флюида требует определенное количество времени, в течение которого нагреватель остынет и не будет влиять на работу термочувствительного элемента, при этом температура и состав флюида могут существенно отличаться от первоначального, что сказывается на достоверности получаемой информации;

- наличие на наружной поверхности полого цилиндрического металлического корпуса термоанемометра диэлектрического слоя, существенно влияющего на теплообмен корпуса с флюидом., вследствие чего ухудшаются метрологические характеристики термоанемометра.

Техническим результатом, достигаемым при реализации изобретения, является расширение функциональных возможностей датчика и повышение эффективности измерений.

В соответствии с изобретением скважинный датчик, содержащий полый открытый с одного конца металлический корпус с расположенным в его полости датчиком термоанемометра и электрический изолятор, содержит второй полый открытый с одного конца металлический корпус, идентичный первому, с расположенным в его полости вторым датчиком термоанемометра. При этом оси симметрии корпусов находится на одной линии, открытые концы корпусов обращены друг к другу и жестко закреплены в электрическом изоляторе, а электрические выводы датчиков проходят внутри полостей корпусов и через электрический изолятор выведены наружу.

Электрический изолятор может быть покрыт диэлектрическим слоем, а также может иметь форму, обеспечивающую минимальность искажений струкртуры потока. Корпуса датчика также могут быть выполнены в форме, обеспечивающей минимальность искажений структуры потока, например, в форме цилиндра или конуса.

Изобретение поясняется чертежом, на котором представлен предлагаемый скважинный датчик.

Скважинный датчик содержит первый полый металлический корпус 1 с расположенным в его полости датчиком 2 термоанемометра и второй полый металлический корпус 3 с расположенным в его полости датчиком 4 термоанемометра. Оси симметрии корпусов 1 и 3 датчиков находятся на одной линии О -О, корпуса датчиков электрически изолированы друг от друга с помощью изолятора 5 и жестко заделаны в нем со стороны открытых концов. Металлические корпуса 1 и 3 датчиков термоанемометра, к внутренним поверхностям которых подведены электрические выводы 6 и 7, являются электродами резистивного датчика состава флюида. Датчик 2 термоанемометра, равно как и датчик 4, состоит из нагревательного элемента и датчика температуры (на чертеже не показано), имеет тепловой контакт с внутренней поверхностью соответствующего полого металлического корпуса и электрически изолирован от него, при этом нагревательный элемент и датчик температуры также электрически изолированы друг от друга. Такие датчики описаны, например, в Скважинный термокондуктивный дебитомер СТД. И.Г. Жувагин, С.Г. Комаров, В.Б. Черный. - М., Недра, 1973, или в Геофизические исследования скважин: справочник мастера по промысловой геофизике / под. общ. ред. В.Г. Мартынова, Н.Е. Лазуткиной, М.С. Хохловой. - М.: Инфра-инженерия, 2009. Электрические выводы датчиков 2 и 4 проходят внутри полостей соответствующих корпусов и далее через электрический изолятор 5 выводятся наружу и подключаются к электронному блоку (на чертеже не показано). Для повышения влагостойкости и химической стойкости электрический изолятор может покрываться дополнительным диэлектрическим слоем (на чертеже не показано), а форма изолятора и корпусов 1 и 3 может быть выполнена такой, чтобы вносить минимальные искажения в структуру потока, например, в виде цилиндра или конуса.

Скважинный датчик работает следующим образом.

Скважинный датчик размещают в скважине таким образом, чтобы ось датчиков совпадала с осью скважины, при этом датчик 2 направлен в сторону зумпфа скважины, а датчик 4 направлен в сторону устья скважины. В зависимости от направления потока флюида и/или направления движения скважинного датчика относительно потока (проведение спуско-подъемных операций в скважине) датчик 2 и датчик 4 могут использоваться в режиме измерения температуры потока или в режиме измерения скорости потока. При спуске в скважину или статическом положении скважинного датчика, когда поток флюида направлен навстречу корпусу 1, датчик 2 термоанемометра используют в режиме измерения температуры, а датчик 4 термоанемометра в режиме измерения скорости потока. В этом случае нагревательный элемент датчика 2 отключен и задействован только его термочувствительный элемент, а у датчика 4 термоанемометра задействованы нагревательный и термочувствительный элементы, и тепло, выделяемое нагревательным элементом датчика 4 не влияет на работу термочувствительного элемента датчика 2. Одновременно по изменению электропроводимости флюида между корпусами 1 и 3 датчиков термоанемометра определяют состав флюида (см., например, Геофизические исследования скважин: справочник мастера по промысловой геофизике / под. общ. ред. В.Г. Мартынова, Н.Е. Лазуткиной, М.С. Хохловой. - М.: Инфра-инженерия, 2009).

При смене направления потока, т.е. при подъеме прибора или при работе скважины в нагнетательном режиме, когда поток направлен навстречу корпусу 3, датчик 4 термоанемометра используют в режиме измерения температуры, а датчик 2 термоанемометра в режиме измерения скорости потока. В этом случае нагревательный элемент датчика 4 отключен и задействован только его термочувствительный элемент, а у датчика 2 задействованы нагревательный и термочувствительный элементы, и тепло, выделяемое нагревательным элементом датчика 2 не влияет на работу термочувствительного элемента датчика 4.

Аналогичным образом датчик используют для проведения измерений температуры, скорости и фазового состава многофазного потока (нефть, вода, газ и их смеси) в трубопроводах. Скважинный датчик размещают в трубе таким образом, чтобы ось датчиков совпадала с осью трубы, при этом датчик 2 и датчик 4 направлены противоположно друг другу, в сторону зумпфа скважины. В зависимости от направления потока флюида датчик 2 и датчик 4 могут использоваться в режиме измерения температуры потока или в режиме измерения скорости потока. В случае, когда поток флюида направлен навстречу корпусу 1, датчик 2 термоанемометра используют в режиме измерения температуры, а датчик 4 термоанемометра в режиме измерения скорости потока. В этом случае нагревательный элемент датчика 2 отключен и задействован только его термочувствительный элемент, а у датчика 4 термоанемометра задействованы нагревательный и термочувствительный элементы, и тепло, выделяемое нагревательным элементом датчика 4 не влияет на работу термочувствительного элемента датчика 2. Одновременно по изменению электропроводимости флюида между корпусами 1 и 3 датчиков термоанемометра определяют состав флюида.

При смене направления потока, т.е. когда поток направлен навстречу корпусу 3, датчик 4 термоанемометра используют в режиме измерения температуры, а датчик 2 термоанемометра в режиме измерения скорости потока. В этом случае нагревательный элемент датчика 4 отключен и задействован только его термочувствительный элемент, а у датчика 2 задействованы нагревательный и термочувствительный элементы, и тепло, выделяемое нагревательным элементом датчика 2 не влияет на работу термочувствительного элемента датчика 4.

Переход каждого датчика с режима измерения температуры на режим измерения скорости потока флюида осуществляется по команде, поступающей из электронного блока.

Температура, скорость и состав флюида определяются по результатам предварительной градуировки соответствующих датчиков. Данные градуировок хранятся в элементах памяти электронного блока.

Использование датчиков термоанемометра попеременно в активном и пассивном режимах позволяет определять направление потока. Например, сначала датчик 4 термоанемометра используют в пассивном режиме (нагревательный элемент датчика 4 отключен и задействован только его термочувствительный элемент) измерения температуры, а датчик 2 термоанемометра в активном режиме (у датчика 2 термоанемометра задействованы нагревательный и термочувствительный элементы) измерения. Регистрируют разницу температуры между показаниями датчика 2 и датчика 4 ΔT₁. Далее, наоборот, датчик 4 термоанемометра используют в активном режиме измерения температуры, а датчик 2 термоанемометра - в пассивном режиме измерения температуры. Регистрируют разницу температуры между показаниями датчика 2 и датчика 4 ΔТ₂. Если величина ΔT₁ по модулю больше величины ΔТ₂ по модулю, то поток направлен навстречу корпусу 3. Если величина ΔT₁ по модулю больше величины ΔТ₂ по модулю, то поток направлен навстречу корпусу 1.

Использование двух термоанемометров помимо своего прямого назначения еще и для определения состава флюида расширяет функциональные возможности предлагаемого скважинного датчика, а локализация датчиков температуры, скорости и состава флюида в одном малообъемном модуле повышает достоверность получаемой информации непосредственно в точке измерения в режиме реального времени.