Патент на изобретение №2339003

(54) КРЫЛЬЧАТКА ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВА ДЛЯ СБОРА ДАННЫХ В ПОТОКЕ

(57) Реферат:

Изобретение предназначено для измерения потока многофазной текучей среды (нефть, газ, вода) в углеводородных скважинах. Крыльчатка выполнена литой из термопластика. Лопасти и ступица крыльчатки отлиты со шпинделем и по меньшей мере одним магнитом, которые заключены внутри ступицы. Измерительное устройство содержит по меньшей мере одну крыльчатку и по меньшей мере один магнитный датчик, расположенный вблизи крыльчатки. Изобретение обеспечивает точное и надежное измерение в широком диапазоне скоростей в условиях повышенного давления и температуры коррозионной среды, имеет малый вес, является недорогим и простым в изготовлении. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 2 ил.

Данное изобретение относится к крыльчатке(импеллеру) для использования в измерительном устройстве для сбора данных в потоке и к измерительному устройству, оборудованному такой крыльчаткой.

Предшествующий уровень техники

Существует необходимость сбора целого ряда данных о многофазной текучей среде в скважине как можно точнее, для осуществления функций по обслуживанию и ремонту, в частности в углеводородных скважинах. Например, эти данные могут включать информацию о характере, потоке и соотношении различных фаз в текучей среде. В углеводородной скважине обычно присутствует трехфазная текучая среда, состоящая из нефти, газа и воды. Эти текучие фазы имеют неодинаковую плотность, они перемещаются с неодинаковой скоростью, они присутствуют не в одинаковом соотношении и они попадают в скважину не в одном и том же месте. Распределение разных текучих фаз в потоке отличается в зависимости от того, является ли скважина вертикальной, наклонной или горизонтальной. Из-за разницы в плотности в различных текучих фазах эти фазы постепенно расслаиваются по мере увеличения наклона скважины. На отдельном участке наклонной скважины или возможно даже горизонтальной скважины может присутствовать несколько фаз, движущихся с различными скоростями и в разных направлениях. Разные фазы в почти вертикальной скважине перемешиваются равномерно.

Необходимые данные могут быть собраны путем размещения в скважине измерительного устройства, например, подобному измерительному устройству, описанному в заявке на патент FR А12797295.

Это измерительное устройство содержит средства определения локальной скорости потока в различных частях скважины. Одно из средств установлено в корпусе измерительного устройства, а другие средства установлены на механизме, который может удлиняться в форме консоли.

Когда измерительное устройство вводится в горизонтальную или искривленную скважину, корпус опирается на самую нижнюю часть скважины и развернутый механизм занимает весь диаметр скважины. При этом средства определения скорости распределены по всему диаметру скважины.

Средство определения локальной скорости потока содержит небольшую крыльчатку, ось вращения которой приблизительно параллельна продольной оси скважины. Крыльчатки взаимодействуют с бесконтактными датчиками, которые собирают информацию об их скоростях вращения и, возможно, о направлении вращения.

В скважине с небольшим наклоном или даже горизонтальной скважине измеряемые скорости могут быть очень низкими, например порядка нескольких сантиметров в секунду, или они могут быть гораздо выше, например несколько метров в секунду. Очень вязкая сырая нефть может двигаться с такими низкими скоростями, в то время как вода и нефть могут двигаться с такими высокими скоростями.

При требовании надежности измерений особенно важно, чтобы крыльчатка была чувствительной ко всему диапазону скоростей. Для сравнения, в вертикальной скважине скорость относительно гомогенной смеси составляет от порядка нескольких десятков сантиметров до нескольких метров в секунду.

Многофазная текучая среда находится при температуре около 150°С, ее давление составляет около 10⁸ Па и она может быть очень коррозийной. Она может содержать смеси, включающие серу, песок или другие обломки породы во взвеси. Крыльчатка должна быть способна противостоять таким тяжелым условиям.

В настоящее время крыльчатки (импеллеры) изготавливают из металла или пластмассы путем механической обработки и их стоимость относительно велика. Эти крыльчатки прикреплены по меньшей мере к одному магниту. Вращение крыльчатки вызывает периодическое изменение магнитного поля, которое может быть обнаружено одним или более магнитными датчиками. Это изменение в магнитном поле характеризует скорость и направление вращения импеллера.

Известно из уровня техники, что магнит может быть размещен рядом с крыльчаткой, но тогда он должен быть защищен от многофазного потока, который является очень коррозийным. Узел, состоящий из крыльчатки и магнита, становится слишком сложным и дорогим, потому что магнит должен быть снабжен защитной камерой. Узел также становится объемным и в результате изменяется поток.

Другой рассмотренной возможностью является размещение магнита внутри ступицы крыльчатки, но такое размещение должно быть осуществлено во время машинной обработки крыльчатки, а когда магнит установлен в правильное положение, корпус должен быть загерметизирован так, чтобы магнит был полностью защищен. Такая конструкция также имеет высокую стоимость.

Описание изобретения

Целью изобретения является создание крыльчатки для сбора данных в потоке, который не имеет упомянутых выше недостатков.

Одной целью изобретения является обеспечение крыльчатки, которую легко изготовить и которая является недорогой, имея в то же время высокие рабочие характеристики.

Другой целью настоящего изобретения является обеспечение импеллера с небольшим весом, имеющего низкую силу инерции для того, чтобы начать вращение даже при очень низких скоростях потока.

Другой целью настоящего изобретения является обеспечение импеллера, который устойчив к коррозийной текучей среде, в которую он погружен, даже если он содержит песок или обломки породы.

Данное изобретение достигает этих целей посредством использования крыльчатки, имеющей лопасти (1) и ступицу (2), при этом крыльчатка выполнена литой из термопластика, при этом указанные лопасти и ступица отлиты со шпинделем (2) и по меньшей мере одним магнитом (4), которые заключены внутри ступицы (2).

Кроме того, крыльчатка дополнительно заключает в себя вставку (5), в которой размещен по меньшей мере один магнит (4), при этом вставка (5) и шпиндель (3) скреплены друг с другом.

Кроме того, в крыльчатке согласно изобретению вставка (5) обжата вокруг шпинделя (3), а поперечное сечение (7) шпинделя (3) является уменьшенным в месте обжатия (6).

Кроме того, крыльчатка содержит одну пару магнитов (4) на каждой стороне шпинделя (3), притягивающих друг друга.

Кроме того, термопластик представляет собой термопластическую смолу, такую как полиэфиркетон.

При этом магнит (4) выполнен на основании самария-кобальта, шпиндель (3) выполнен на основании карбида вольфрама, а втавка (5) выполнена на основании алюминия.

Согласно второму аспекту изобретения предусмотрено измерительное устройство для сбора данных в потоке, содержащее по меньшей мере одну крыльчатку (11), как описано выше, и по меньшей мере один магнитный датчик, расположенный вблизи крыльчатки.

Краткое описание чертежей

Изобретение будет более понятно после прочтения описания примерных вариантов осуществления, приведенных в информационных целях и ни в коей мере не ограничивающих, со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг.1А и 1В представляют продольное и поперечное сечения крыльчатки согласно изобретению;

фиг.2 показывает измерительное устройство для сбора данных в углеводородной скважине, содержащее крыльчатку в соответствии с данным изобретением.

Идентичные, аналогичные или одинаковые части на разных чертежах, описанных ниже, имеют одинаковые номера позиций для облегчения перехода от одного чертежа к другому.

Разные части, показанные на чертежах, не обязательно показаны в том же масштабе для того, чтобы сделать чертежи более понятными.

Подробное описание отдельных вариантов осуществления изобретения

Крыльчатка, показанная на фиг.1А, 1В, имеет лопасти 1, например пять лопастей, и ступицу 2. Такое количество лопастей не является ограничивающим, крыльчатка может иметь больше лопастей 1 или меньше лопастей 1. Однако нечетное число является предпочтительным для придания более равномерного вращения, опора крыльчатки никогда не скрывает более одной лопасти за раз.

В соответствии с одним из признаков изобретения, крыльчатка, выполненная из пластика, отлита со вставкой, заключая в себе шпиндель 3 и по меньшей мере один магнит 4 на своей ступице 2. Магнит 2 размещен во вставке 5 так, что он также заключен в ступицу 2 крыльчатки.

В данном контексте термин отлит со вставкой означает, что отлитый продукт содержит по меньшей мере одно «заключенное тело» внутри него. Осуществляя такую отливку импеллера вокруг шпинделя 3, по меньшей мере одного магнита 4 и вставки 5, получают очень компактный узел, являющийся и недорогим, и с высокими рабочими характеристиками. Стоимость изготовления может быть снижена приблизительно в 10 раз по сравнению с традиционными импеллерами, подвергающимися механической обработке. Следует помнить, что эти крыльчатки относительно небольшие и их диаметр составляет только несколько сантиметров для их использования в почти горизонтальных углеводородных скважинах. Кроме того, путем отливки достаточно просто выполнить лопасти 1 разной формы, что довольно трудно или невозможно сделать путем механической обработки.

Предпочтительно предусмотреть средство 6 взаимной блокировки вставки 5 и шпинделя 3. Это можно сделать путем обжатия вставки 5 вокруг шпинделя 3. Обжатие показано позицией 6. В этом случае шпиндель 3 содержит часть 7 с уменьшенным поперечным сечением в месте обжатия 6.

Предпочтительно по меньшей мере используется одна пара магнитов 4. Два магнита 4 в паре размещают на каждой стороне шпинделя 3 так, что они притягиваются друг к другу. Северный полюс одного будет вблизи шпинделя 3 и южный полюс другого будет вблизи шпинделя 3.

Расположением двух магнитов 4 на противоположных сторонах шпинделя 3 достигают заданное динамическое равновесие при вращении крыльчатки благодаря тому, что вес магнита не является пренебрежимо малым по сравнению с весом самой крыльчатки. Два магнита 4 индуцируют два импульса для каждого поворота крыльчатки, что делает измерения скорости более точными.

Шпиндель 3 предпочтительно изготовлен на основе карбида вольфрама, который является достаточно прочным для того, чтобы противостоять коррозийной текучей среде в потоке.

Вставка 5 сделана из металла, например на основе алюминия, который является достаточно ковким для обжатия и немагнитным.

Магниты 4 предпочтительно могут быть изготовлены из самария-кобальта. При использовании этого материала может быть получено одно из самых высоких значений соотношения размер магнита/магнитная энергия.

Кроме того, магниты из самария-кобальта имеют хорошую устойчивость к высоким температурам, во-первых, к температуре впрыскивания термопластического материала импеллера, которая составляет около 400°С, и, во-вторых, к температуре использования в скважине, которая составляет около 150°С.

Поскольку магниты заключены в ступицу 2 крыльчатки, они защищены от коррозийной текучей среды потока.

Материал, из которого выполнена крыльчатка, должен предпочтительно быть термопластическим материалом, который может быть подвергнут литью под давлением и который выбирается из-за своего легкого веса и высокой устойчивости. Например, может быть использована термопластическая смола, такая как полиэфиркетон. Такая смола известна под названием VICTREX РЕЕК 450 GL 30, зарегистрирована товарным знаком I.C.I (IMPERIAL CHEMICAL INDUSTRIES).

Крыльчатка такого типа может быть легко установлена на своем шпинделе 3 на опоре устройства крыльчатки, выполненной в форме скобы аналогичной тому, как это описано во французской заявке на патент того же заявителя, поданной в тот же день, что и эта заявка.

Магнит 4 предназначен для возбуждения магнитного датчика движения (не показан), который собирает информацию о скорости крыльчатки и который расположен вблизи нее. Этот датчик закреплен на опоре. Устройство крыльчатки вместе с опорой показано на фиг.3 и отмечено позицией 31, тогда как опора и крыльчатка обозначены позициями 10 и 11 соответственно.

На фиг.2 схематично показан пример измерительного устройства 30 такого типа, как описан в заявке на патент FR А2797295. Он содержит несколько крыльчаток 11, описанных выше, каждая установлена на устройстве 31 крыльчатки. Измерительное устройство 30 опускают в наклонную или почти горизонтальную углеводородную скважину 32. Измерительное устройство 30 соединено с поверхностью стержнем или кабелем (не показаны). Данные, собранные измерительным устройством 30, пересылаются на поверхность по кабелю, стержню или посредством телеметрии. Измерительное устройство 30 содержит почти цилиндрический корпус 33 с диаметром, меньшим, чем диаметр скважины 32. Корпус 33 прикреплен к развертываемому механизму 34. Развертываемый механизм 34 содержит две консоли 35, соединенные шарнирно друг с другом и с корпусом 33. Корпус 33 опирается на нижнюю стенку скважины 32. Во время развертывания консоли 35 в форме V расположены в вертикальной плоскости по продольной оси скважины 32. Устройства 31 крыльчатки распределяются приблизительно равномерно по одной из консолей 35. Они прикреплены к консоли, например, с использованием шплинта 36, который проходит через отверстие 10 опоры. Другая консоль может быть оснащена электрическими и/или оптическими датчиками 37, также распределенными приблизительно равномерно по консоли. Устройство 31 крыльчатки и/или по меньшей мере один датчик 37 могут быть расположены на корпусе 33.

Хотя подробно представлен и описан был только один вариант осуществления изобретения, понятно, что различные изменения и модификации могут быть сделаны, не выходя за пределы объема изобретения, в частности, в отношении формы импеллера.

Сбор данных в углеводородной скважине использован в качестве примера применения, но очевидно, что такой импеллер может быть использован в других областях, например в условиях подводной лодки или даже в скважине, отличной от нефтяной.

Формула изобретения

1. Крыльчатка, имеющая лопасти (1) и ступицу (2), отличающаяся тем, что выполнена литой из термопластика, при этом указанные лопасти и ступица отлиты со шпинделем (3) и по меньшей мере одним магнитом (4), которые заключены внутри ступицы (2).

2. Крыльчатка по п.1, отличающаяся тем, что дополнительно заключает в себе вставку (5), в которой размещен по меньшей мере один магнит (4).

3. Крыльчатка по п.2, отличающаяся тем, что вставка (5) и шпиндель (3) скреплены друг с другом.

4. Крыльчатка по п.3, отличающаяся тем, что вставка (5) обжата вокруг шпинделя (3).

5. Крыльчатка по п.4, отличающаяся тем, что поперечное сечение (7) шпинделя (3) является уменьшенным в месте обжатия (6).

6. Крыльчатка по одному из пп.1-5, отличающаяся тем, что содержит одну пару магнитов (4) на каждой стороне шпинделя (3), притягивающих друг друга.

7. Крыльчатка по одному из пп.1-5, отличающаяся тем, что термопластик является термопластической смолой, такой как полиэфиркетон.

8. Крыльчатка по одному из пп.1-5, отличающаяся тем, что магнит (4) выполнен на основании самария-кобальта.

9. Крыльчатка по одному из пп.1-5, отличающаяся тем, что шпиндель (3) выполнен на основании карбида вольфрама.

10. Крыльчатка по одному из пп.2-5, отличающаяся тем, что вставка (5) выполнена на основании алюминия.

11. Измерительное устройство для сбора данных в потоке, отличающееся тем, что содержит по меньшей мере одну крыльчатку (11) по любому из пп.1-5 и по меньшей мере один магнитный датчик, расположенный вблизи крыльчатки.

РИСУНКИ