10. Глубинные автономные манометры

Так как условия, при которых проводятся измерения параметров в скважинах, существенно отличаются от условий работы измери­тельных приборов общепромышленного назначения, приборы для глубинных измерений следует рассматривать как отдельную группу средств измерительной техники.

Наиболее существенными являются следующие особенности ра­боты глубинных приборов.

1. Измерения проводятся на значительном удалении от места наблюдения за показаниями приборов: глубина спуска прибора в скважину достигает 7000 м.

2. Прибор (снаряд) эксплуатируется в измеряемой, среде и под­вергается действию окружающего давления, температуры и корро­зионных жидкостей. В связи с увеличением глубин бурения, а также с необходимостью контроля различных процессов по интенсифика­ции добычи нефти и газа, давление окружающей среды может дости­гать 1000—1500 кг×с/см², а температура до 300—400° С.

3. Прибор спускается на проволоке или кабеле в затрубное пространство или в трубы диаметром 37—63 мм.

4. При спуске прибора в скважину через трубы на него действует выталкивающая сила тем большая, чем выше скорость встречного потока жидкости или газа и меньше проходное сечение между вну­тренней стенкой трубы и корпусом прибора. В отдельных случаях спуск глубинного прибора в действующие скважины представляет сложную техническую задачу.

5. Во время спуска и подъема прибор подвергается ударам, а во время работы, например, в скважине, оборудованной установ­ками погружных электронасосов, и действию вибрационных на­грузок.

6. Время пребывания прибора в месте измерения в зависимости от вида проводимых исследований и способа эксплуатации скважин составляет от нескольких часов до нескольких месяцев.

7. Среда, в которой находится прибор, как правило, представ­ляет собою многофазную жидкость, содержащую нефть, газ, воду и механические включения (песок, шлам и т. д.) с различными физико-химическими свойствами (плотность, вязкость, наличие солей и т. д.).

Рекомендуемые материалы

В соответствии с указанными выше особыми условиями работы к конструкции глубинных приборов предъявляется ряд требований. Вследствие воздействия на них встречного потока жидкости или газа и необходимости спуска в геометрически ограниченное про­странство наружный диаметр корпуса приборов в основном не дол­жен превышать 32—36 мм, а при спуске через 37-мм трубы или в затрубное пространство — 20—25 мм. Длина его также ограни­чена: обычно не превышает 2000 мм, так как увеличение ее сверх этого предела значительно осложняет операции, связанные с под­готовкой прибора к спуску в фонтанные скважины.

Кроме того, должна быть обеспечена полная герметичность вну­тренней полости прибора от внешнего давления. Особые требования предъявляются также к устройствам, расположенным в глубинном приборе и эксплуатируемым в условиях повышенной температуры, ударов и вибраций.

По способу получения измерительной информации глубинные приборы делятся на:

а) автономные, результаты измерения которых можно получить только после извлечения их из скважины;

б) дистанционные, обеспечивающие передачу сигнала измерительной информации по кабелю.

Класс точности приборов обозначается числом, совпадающим со значением допускаемой погрешности.

Например: Манометр имеет  класс точности 0,5 это значит, что его допускаемая погрешность равна 0,5% от предела измерения. Т.е. если манометр имеет предел измерения 30 МПа, то погрешность прибора не должна превышать ± 0,15 МПа.

Для регистрации изменения давления и температуры в процессе исследования скважин глубинные манометры и термометры снабжаются специальными часовыми приводами. Краткая техническая характеристика часовых приводов, применяемых в автономных приборах, приведены в табл. 10.1.

Таблица 10.1

Основные характеристики часовых приводов

Выпускаемые промышленностью автономные (самопишущие) скважинные манометры и дифманометры, широко используемые для исследования добывающих и нагнетательных скважин, а также для испытаний с помощью трубных испытателей, по принципу действия подразделяются на:

а) геликсные;

б) пружинно-поршневые;

в) компенсационные. 

10.1 Геликсные манометры:

Выпускаемые промышленностью автономные (самопишу­щие) скважинные манометры широко используют для иссле­дования добывающих и нагнетательных скважин, а также для испытаний с помощью трубных испытателей пластов.

Манометр типа МГН-2 с многовитковой трубчатой пру­жиной, принципиальная схема которого приведена на рис. 10.2, а, предназначен для измерения давления в добывающих скважинах.

Давление в скважине через отверстие в корпусе 9 передается жидкости заполняющей внутреннюю полость разделительного и манометрической трубчатой пружине (геликсу) 8. Под действием измеряемого давления свободный конец геликса поворачивает ось 7, на которой жестко кре­пится пластинчатая пружина с пишущим пером 6. Перо чертит на бланке, вставленном в каретку 5, линию, длина которой пропорциональна измеренному давлению.

Для получения непрерывной записи давления каретка сое­диняется с гайкой 2, которая перемещается поступательно по направляющей 3 при вращении ходового винта 4. Равномер­ное вращение винта осуществляется с помощью часового при­вода 1.

Манометр МГИ-1М предназначен для работы в трубных испытателях пластов. Регистрация изменения давления начи­нается только после того, как испытательный инструмент спущен на заданную глубину. Для включения часового привода применяется гидровключатель (рис. 10.2, б), состоящий из сильфона 1, уплотненного поршня 2 и подпружиненного штока 4 с нанесенными на нем делениями. Изменение начального на­тяга пружины 3 производится с помощью гайки 5.

Перед спуском приборов в скважину баланс 10 часового привода 11 тормозится пластинчатой пружиной 9, закреплен­ной на подпружиненной втулке 8, которая, в свою очередь, удерживается защелкой 7. После спуска прибора на заданную глубину усилие предварительного натяга пружины 3 и усилие, действующее на уплотненный поршень 2, в результате воздей­ствия давления в скважине уравновешиваются. Во время даль­нейшего спуска прибора поршень начинает перемещаться и тол­катель 6 утапливает защелку 7. При этом втулка 8 перемеща­ется вверх и пружина 9 освобождает баланс часового привода. Использование регулируемых гидровключателей обеспечивает регистрацию изменения давления по всей длине бланка в боль­шом масштабе времени за счет выключения часового привода в период сборки испытателя пластов и спуска его на забой. Для получения полной картины изменения давления в про­цессе испытания пластов применяют манометр МГИ-3, ходо­вой винт которого имеет два шага: мелкий вначале и более крупный на основной длине. Поэтому при спуске прибора из­менение давления записывается на небольшом участке бланка, а кривые притока и восстановления давления регистрируются в большом масштабе по времени на основном участке диаг­раммного бланка.

Глубинный геликсный манометр МГТ-1 (рис.10.3) предназначен для контроля давления на забое скважин, в ко­торые закачивается горячая вода или нагнетается влажный пар при температуре до 350 °С.

Измеряемое давление передается в полость геликсной пру­жины 2 через сетчатый фильтр 1. Регистрация показаний осуществляется пером 3 на бланке, вставленном в барабан 4, который соединен с рейкой 5. Положение барабана относи­тельно пера фиксируется защелкой 6 и подпружиненной собач­кой 9. При резком торможении или рывке прибора за проволоку грузы 8 перемещаются по инерции вниз и отводят со­бачку, освобождая рейку 5, которая вместе с барабаном под действием собственного веса перемещается также вниз на один шаг.

Дальнейшему перемещению рейки препятствует собачка 9, под действием пружины 7 возвращающаяся в исходное поло­жение. При этом на бланке регистрируется давление, измерен­ное в момент рывка прибора. Всего в течение работы прибора можно зафиксировать 10—15 значений давления в произвольно выбранные моменты времени. Регистрирующее устройство по­лучило название инерционного отметчика времени. Характери­стика геликсных манометров приведена в табл. 10.2

Таблица 10.2

Основные характеристики геликсных манометров

На базе глубинных геликсных манометров типа МГН-2 и МГИ-1М разработан ряд унифицированных скважинных манометров типа МСУ с пределами измерения давления, рав­ными 100—200 МПа, работоспособными при температуре до 250—400 °С. Характери­стика унифицированных геликсных манометров приведена в табл. 10.3.

Таблица 10.3

Основные характеристики унифицированных геликсных манометров

Манометры в антикоррозионном исполнении МСУ-К приме­няют для измерения давления в агрессивных средах, содержа­щих до 25 % сероводорода и углекислого газа. Длина записи давления у всех типов манометров составляет 50±5 мм, длина записи времени—120 мм.

10.2 Пружинно-поршневые манометры

Пружинно-поршневой манометр МПМ-4 пред­назначен для исследования скважин, оборудованных насосами, через затрубное пространство. Действие его основано на уравно-вешивании измеряемого давления силой натяжения винтовой цилиндрической пружины.

Однако при сравнительно небольшой частоте вращения поршня (0,1 об/мин) появляется так называемая динамическая погрешность, т. е. ошибка в процессе измерения. Поэтому мано­метр МПМ-4 целесообразно использовать для регистрации мед­ленно меняющегося давления или поинтервального измерения установившихся давлений в скважине. Техническая характери­стика манометра МПМ-4 приведена ниже.

Верхний предел измерения давления, МПа  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  12

Основная приведенная погрешность, %   .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 0,6

Длина записи давления, мм   .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .110

Рабочая температура, °С   .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . . 60

Габариты, мм:

      длина   .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  1460

      диаметр   .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 25

Масса, кг    .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 4,0

Прецизионный пружинно-поршневой мано­метр МГН-1 (рис. 10.4, б) используют для определения дав­ления при быстро протекающих процессах.

В этом приборе поршень вращается с частотой 10 об/мин, а пишущее перо, соединенное с поршнем посредством шарнира 12, перемещается поступательно. Поэтому измеренное давле­ние регистрируется на бланке, вращаемом с помощью часового привода 13. Давление воздействует на полость манометра через лабиринтное уплотнение 10, внутри которого смонтирован уп­лотненный с двух сторон промежуточный вал 11, служащий для разгрузки электродвигателя от действия осевых сил.

Техническая характеристика манометра МГН-1 приведена ниже.

Верхний предел измерения давления, МПа  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  4; 6; 10; 16; 25; 30

Основная приведенная погрешность, %   .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . .  .     0,1—0,25

Длина записи давления, мм   .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .От +10 до +100

Рабочая температура, °С   .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .   .  .  .  .  .  .  .  . .  .  .   10010

Габариты, мм:

      длина   .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .      1800

      диаметр   .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .   32

Масса, кг    .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . .  .   7,5

Примечание. Нижний предел измерения не должен превышать 10 % от верхнего.

10.3 Компенсационные манометры и дифманометры.

Автономные компенсационные  манометры типа «Байкал-1» предназначены для измерения и регистра­ции небольших (до 2,5 МПа) давлений в сква­жинах.

Действие манометра основано на уравновешивании измеряе­мого давления натяжением винтовой цилиндрической пружины. В отличие от пружинно-поршневых манометров прямого дей­ствия (МПМ-4) трение в записывающем устройстве этого при­бора не влияет на его погрешность и чувствительность, так как деформация чувствительного элемента служит только для замыкания электрической цепи питания электродвигателя, ко­торый перемещает пишущее перо на ход, пропорциональный измеренному давлению.

Конструктивно манометр «Байкал-1» (рис. 10.5) состоит из преобразователя давления I, регистрирующего устройства II и блока питания III.

В качестве чувствительного элемента использованы сильфоны 16 и 18 разного диаметра, имеющие общее дно 17, кото­рое жестко соединено штоком 15 с винтовой цилиндрической пружиной 13. Второй конец пружины навинчен на якорь 12, вы­полненный в виде гайки, поступательно перемещающейся по ходовому винту 11, вращаемому с помощью электродвигателя постоянного тока 6. Вал электродвигателя одним концом сое­динен через понижающий редуктор с промежуточным винтом 9 и далее с основным винтом 11, а вторым концом также через понижающий редуктор — с винтом 5 регистрирующего устрой­ства.

Измеряемое давление через разделитель 19 воздействует на кольцевую площадь сильфона большего диаметра 18, в ре­зультате чего он деформируется и перемещает шток 16 с за­крепленным на нем плечом пружинного контакта 14. При этом подвижной контакт замыкает электрическую цепь питания электродвигателя, вал которого приводит во вращение ходо­вые винты преобразователя давления и регистрирующего уст­ройства. При вращении винта 11 гайка 12 деформирует пру­жину 13 до тех пор, пока ее натяжение не станет равным усилию, действу-ющему на сильфон 18. При равенстве усилий подвижной контакт вернется в нейтральное положение и ра­зомкнет цепь питания электродвигателя. Частота вращения вала электродвига-теля, а следовательно, и деформация пру­жины будут пропорциональны измеренному давлению.

Одновременно пишущее перо 4 переместится по ходовому винту 5 на расстояние, также пропорциональное частоте вра­щения вала, а следовательно, измеренному давлению. Таким образом, на бланке, вставленном в барабан 3 часового при­вода 2, будет прочерчена линия, длина которой характеризует измеренное давление. С понижением давления подвижной кон­такт отклонится в другую сторону и вновь замкнет цепь элек­тродвигателя, вал которого начнет вращаться в обратную сто­рону до тех пор, пока усилие, действующее на сильфон, не уравновесится натяжением пружины. В этот момент подвиж­ной контакт снова переместится в нейтральное положение и разомкнет цепь питания электродвигателя.

Для предотвращения прибора от поломки при повышении давления служат микровыключатели 7, которые прерывают цепь питания электродвигателя в крайних положениях пол­зуна 8, перемещающегося по промежуточному винту 9. Элек­трическое питание двигателя осуществляется с помощью элементов 1, установленных в блоке питания I, а реверс дви­гателя - с помощью электронного переключателя 10, смонти­рованного в блоке электродвигателя.

Компенсационный   скважинный   дифманометр «Онега-1» предназначен для измерения и регистрации давления при исследовании скважин методами гидропрослу­шивания и восстановления давления.

Конструктивно прибор отличается от манометра «Байкал-1» наличием узла клапана, служащего для предотвращения по­ломки сильфонов при заполнении его сжатым газом. Преобра­зователь давления (рис. 10.6) через иглу 4 предварительно за­полняется сжатым газом под давлением, примерно равным за­бойному давлению в скважине. Под действием этого давления сильфон 5 с клапаном 6 закрывает входное отверстие 7, отсе­кая жидкость, заполняющую камеры 8 и 9. Давление сжатого газа через сильфоны 3 передается находящейся в замкнутом объеме несжимаемой жидкости, что предохраняет эти силь­фоны от разрушения. Ходовой винт 2 уплотнен сальником 1.

При спуске прибора в скважину клапан 6 открывается, когда забойное давление станет несколько большим давления сжатого газа. После открытия клапана прибор начинает ре­гистрировать изменение забойного давления (разность между давлениями в скважине и давлением сжатого газа). При подъ­еме прибора клапан 6 закрывается и сжатый газ остается в по­лости преобразователя.

В таблице 10.4 приведена характеристика манометров «Бай­кал-1» и «Онега-1».Пределы измерения давления дифманометром «Онега-1» определяются только жесткостью винтовой цилиндрической пружины. Они не зависят от давления сжатого газа. Поэтому с его помощью можно проводить гидропрослушивание скважин, когда максимальные приращения забойного давления со­ставляют порядка 0,5—2 % от начального значения.

Таблица 10.4

Характеристика манометров «Бай­кал-1» и «Онега-1»

Продолжительность работы компенсационных приборов не зависит практически от времени их пребывания в скважине, так как в период, когда давление не изменяется, питание элек­тродвигателя автоматически отключается.