Устройство расходомеров типа ДАУ. Нормальный ряд расходомеров ДАУ.

Разработка расходомеров типа ДАУ началась в 1965 г. В процессе проведения испытаний первоначальная конструкция расходомера несколько видоизменилась, были разработаны приборы других диаметров. Все расходомеры типа ДАУ и методика расходометрических исследований с их использованием разрабатывались при участии автора исключительно для исследования поглощающих горизонтов.

Основными требованиями к скважинным расходомерам для изучения поглощающих горизонтов являются: надежность; приемлемые метрологические качества, в первую очередь, точность измерений; простота конструкции; несложность обработки результатов наблюдений.

Надежность скважинного устройства и простота его конструкции, как правило, связаны между собой. метрологические качества расходомера обусловлены, в основном, параметрами крыльчатки и системой регистрации частоты ее вращения.

Параметры крыльчатки должны обеспечивать минимальную величину суммы моментов сопротивлений ее вращению .

Величина определяется следующим выражением:

, (1.2)

где ρ – плотность раствора; ξ – степень сужения потока; Q – расход жидкости; D_K – среднеквадратический диаметр крыльчатки; S_K – скольжение крыльчатки; β_В – угол подъема винтовой линии лопастей; Ψ – шаг решетки крыльчатки; h_К – высота крыльчатки; D_h – диаметр крыльчатки; D_ст – диаметр ступицы крыльчатки; z – число лопастей; h_Т – толщина лопастей в торцевом сечении; h_l – длина лопастей в торцевом сечении.

Величину β_В находят из условия минимума величины скольжения крыльчатки. Исследования на экстремум выражния

(1.3)

показывает, что оптимальное значение β_В лежит в пределах 40-45 ⁰, поэтому во всех конструкциях расходомеров ДАУ угол наклона новостей принят равным 45⁰.

Анализ остальных параметров, определяющих минимальную величину , показал, что:

1) необходимо стремиться к уменьшению скольжения S_К за счет уменьшения трения в опорах, зазора меду крыльчаткой и корпусом расходомера и определенного соотношения диаметров крыльчатки расходомера и ее ступицы.

2) следует уменьшать длину и толщину новостей в торцевом сечении;

3) необходимо стремиться к увеличению шага решетки.

По данным О.Ю. Лушниковой, нашим условиям соответствует оптимальное ограничение D_ск/D_K, равное 0,8-0,4.

Шаг решетки Ψ не должен быть больше высоты лопастей h_l. Только при этих условиях будет обеспечен минимум потерь энергии на трение жидкости о лопасти крыльчатки.

Проведенный анализ позволяет при конструировании прибора обоснованно выбрать основные параметры датчика расходомера, хотя и не дает возможности аналитически оценить суммарную величину сопротивления вращению крыльчатки.

  Рис. 1.21. Расходомер ДАУ-3М. 1 – конусная гайка; 2 – муфта; 3, 17 - направляющие стержни; 4 – кабель; 5 – верхний центратор; 6, 16 – кольца; 7 - воздушный колпак; 8, 12 – агатовые опоры; 9 – пластинка; 10 – катушка индуктивности; 11 – крыльчатка; 13 – корпус; 14 – нижний центратор; 15 – регулировочный винт; 18 – муфта, 19 – гайка.

Такие сопротивления (и их моменты) могут быть определены только экспериментальным путем. Однако и при оптимальных размерах крыльчатки при создании расходомеров ДАУ-3М применены технические решения, которые привели к существенному уменьшению моментов сопротивлений в отдельных элементах расходомера.

Расходомеры ДАУ-3М состоят из датчика и измерительного блока. Датчик опускают в скважину на каротажном кабеле серийной каротажной станции. Измерительный блок работает на поверхности земли. Датчик расходомера (рис. 1.21) состоит из корпуса 13, в который вмонтированы крыльчатка 11 и тахометрический преобразователь. Крыльчатка крепится к корпусу посредством верхнего 5 и нижнего 14 центраторов и двух колец 6 и 16. К кольцам крепятся направляющие стержни 3 и 17, образующие с корпусом 13 каркас датчика. Верхние стержни встроены в разрезную муфту 2, а нижние – в муфту 18.

Конусная гайка 1 служит для крепления каротажного табеля, гайка 19 – для подвески при необходимости дополнительного груза.

Крыльчатка вращается в опорах 8 и 12, каждая из которых представляет кобальтово-вольфрамовый керн и агатовый подпятник. Опоры крыльчатки защищены от воздействия жидкости специальными воздушными колпаками. Верхний колпак 7крепится к корпусу расходомера на резьбе, нижним колпаком служит полая ступица крыльчатки 11. Вместимость, продолговатая форма и коническое исполнение верхней части предохранительных колпаков позволяют сохранить воздушную среду около опор при гидростатическом давлении до 20,0 МПа. Благодаря этому существенно уменьшено сопротивление трению в опорах и исключено их засорение.

Для уменьшения гидравлических сопротивлений в расходомере и повышения точности прибора центраторам и воздушным колпакам придана обтекаемая форма.

Тахометрическим преобразователем в расходомерах ДАУ служит дифференциальный индуктивный датчик, состоящий из двух частей: неподвижной (индуктивная катушка 10) и подвижной (пластинка 9, которая крепится на валу крыльчатки). Сердечник катушки и пластинка выполнены из пермаллоя – сплава с высокой магнитной проницаемостью. это позволяет обеспечивать надежную работу преобразователя при минимальных размерах его деталей.

Дифференциальный индуктивный датчик через каротажный кабель, на котором спускают в скважину датчик расходомера, подключают к измерительному блоку.

Принцип работы индуктивного датчика заключается в следующем. Под действием потока жидкости, движущейся по стволу скважины, крыльчатка расходомера будет вращаться с частотой, пропорциональной расходу жидкости. Одновременно, следовательно, будет вращаться и пермаллоевая пластинка 9. При пересечении пластинкой магнитного потока, создаваемого индуктивной катушкой 10, увеличивается индуктивность цепи и нарушается равенство реактивных сопротивлений измерительного моста в измерительном блоке на поверхности земли. Разбаланс плеч моста вызывает разность потенциалов, которая подается на усилитель.

Возникший импульс тока подается на счетчик оборотов МЭС-54 или на стандартный геофизический пересчетный прибор ПС-100. Таким образом, каждому обороту крыльчатки расходомера соответствует импульс тока.

Использование дифференциального индукционного датчика в качестве тахометричского преобразователя делает схему измерения частоты вращения крыльчатки исключительно надежной, не зависящей как от электропроводных свойств жидкости в скважине, так и от степени ее загрязнения посторонними включениями. При этом момент сопротивления в тахометрическом преобразователе практически равен нулю.

Чувствительность расходомера во многом определяет его точность, завися в основном от величины сопротивлений в различных элементах прибора. Количественная оценка моментов сопротивлений затруднительна.

Детальные аналитические и экспериментальные исследования метрологических характеристик скважинных расходомеров проведены О.Ю. Лушниковой. Практически все предложенные ею метрологические характеристики связаны с величиной S_К, хотя она сведена к минимуму при конструировании параметров крыльчатки и расходомера. Поэтому фактические значения метрологических характеристик расходомера необходимо уточнять при экспериментальных исследованиях.

Основными метрологическими характеристиками скважинных расходомеров целесообразно принять следующие:

1) порог чувствительности Ч;

2) тарировочный коэффициент С_Т;

3) поправочный коэффициент на диаметр скважины К_d.

Порог чувствительности расходомера Ч зависит от вида промывочной жидкости. Целесообразно характеризовать порого чувствительности минимальным расходом жидкости, обеспечивающим устойчивую работу крыльчатки. Тарировочный коэффициент С_Т характеризует зависимость частоты вращения крыльчатки от расхода жидкости через прибор. Зная для расходомера величину С_Т, можно по известной частоте вращения n крыльчатки вычислить соответствующий ей расход жидкости:

(1.4)

в

Поправочный коэффициент на диаметр скважины К_d обусловлен следующим. Диаметр скважины всегда больше номинального диаметра расходомера, поэтому при измерениях через прибор проходит только часть расхода жидкости, а остальной поток движется в зазоре между корпусом расходомера и стенками скважины. Чем больше диаметр скважины, тем больший объем жидкости минует крыльчатку расходомера. Тогда расход жидкости по стволу скважины Q_скв. должен определяться выражением:

(1.5)

Для практического использования формулы (1.5) необходимо знать зависимость коэффициента K_d от диаметра скважины. Функция K_d = f (D_скв) будет определяться соотношением гидравлических сопротивлений при течении жидкости по расходомеру и в зазоре между прибором и стенками скважины. В общем виде коэффициент К_d может быть найден из выражния:

, (1.6)

где λ_скв и λ_расх – соответственно коэффициенты гидравлических сопротивлений при

течении жидкости в кольцевом зазоре и расходомере.

При сближении между собой значений λ_скв и λ_расх выражение (1.6) можно привести к виду:

(1.7)

Как показали исследования автора, Э.Я. Кипко, Ю.А. Полозова, М.А. Саламатова, граничное значение величины K_d которое обусловило справедливость выражения (1.7), определяется точкой расщепления зависимости K_d = f (D_скв) для различной частоты вращения крыльчатки (рис. 1.23). Это соответствует отношению D_скв/D_расх = 1,5-1,7, поэтому для упрощения обработки результатом расходометричеких наблюдений целесообразно использовать расходомер в скважинах, диаметр которых не превышает 1,7 номинального диаметра корпуса прибора.

Погрешность собственно расходомера обусловлена, в основном, погрешностью в определении тарировочного коэффициента С_Т, которая, в свою очередь, складывается из следующих составляющих: погрешности при определении Q объемным методом, погрешности за счет колебания подачи насоса при изменении напряжения в питающей сети, погрешности определения времени наблюдения. Практически составляющие суммарной погрешности измерения поддаются регулированию при проведении экспериментальных исследований.

Это позволяет задаваться допустимой погрешностью расходомера и в зависимости от ее величины получать с соответствующей погрешностью коэффициент С_Т. Учитывая возможность появления ошибок при проведении расходометрических исследований в скважинах, автор стремился свести погрешности расходомера к минимуму. Заданная погрешность прибора типа ДАУ составляет 1%.

Использование расходомера в скважинах, номинальный диаметр которых значительно превышает диаметр корпуса прибора, затруднено не только усложнением методики обработки результатов наблюдений, но и резким увеличением минимального расхода жидкости, обеспечивающего надежную работу крыльчатки в скважине. Это обусловило необходимость разработки нормального ряда расходомеров типа ДАУ, который охватывает практически все номинальные диаметры скважин разведочного бурения.

Технические характеристики приборов нормального ряда приведены в табл. 1.7. Тарировочные зависимости n = f (Q) для расходомеров нормального ряда приведены на рис. 1.24.

Рис. 1.22. Зависимость поправочного коэффициента Kd от диаметра скважины для расходомера ДАУ-3М при частоте вращения n в об/мин: 1 – 5; 2 – 10; 3 – 20; 4 - ≥30

Рис. 1.23. Зависимость частоты вращения крыльчатки от расхода воды для расходомеров типа ДАУ диаметром в мм: 1 – 34; 2 – 44; 3 – 57; 4 – 73; 5 - 108

Все расходомеры нормального ряда отличаются высокими метрологическими характеристиками. Для сравнения расходометров типа ДАУ, приведенных в нормальном ряду, с другими расходомерами, применяющимися в практике разведочного бурения, используем теорию подобия.

Следует указать, что до сих пор не было критериев, которые бы позволяли надено оценить и сравнить метрологические параметры различные по конструкции тахометрических расходомеров. Предлагалась в качестве такой оценки угловая скорость вращения крыльчатки на единицу расхода, минимальный расход жидкости через водоканал прибора, порог трогания крыльчатки, выраженный через скорость жидкости, протекающей через расходомер, и др. Однако ни один из этих параметров не отражал сущности работы приборов на всем диапазоне расходов.

Для объективной оценки измерительных качеств различных расходомеров автором приняты статические характеристики n = f (Q), выраженные в критериальных координатах.. Из уравнения, описывающего в общем виде движение крыльчатки (1.8), можно, используя теорию подобия, получить итоговое критериальное уравнение (1.9).

(1.8)

(1.9)

где ν – кинематическая вязкость жижкости;

ρ – плотность жидкости;

D_В – внутренний диаметр прибора.

Обобщающий критерий L_i / h_K харктеризует геометрическое подобие расходомеров, заменяя набор критериев D_K/D, D_ст/D, Ψ/D,h_K/D, z.

Принимая во внимание постоянство критерия L_i/h_K для конкретного расходомера, его можно опустить. Кроме того, при разработке тахометрических расходомеров всегда стремятся уменьшить момент сопротивления M_C. Тогда критерий , характеризующий соотношение затрачиваемой энергии потока на преодоление момента сопротивления, будет невелик, им также можно будет пренебречь, а критериальное уравнение (1.9) можно представить в виде:

. (1.10)

Таблица 1.7.

Техническая характеристика расходомеров нормального ряда

Параметры	ДАУ-3М-108	ДАУ-3М-73	ДАУ-3М-57	ДАУ-3М-44	ДАУ-3М-34
Вид рабочей жидкости	Вода, глинистый раствор.
Порог чувствительности, л/с	0,011	0,015	0,001	0,001	0,001
Пределы измерения расхода, л/с	0,011-20,0	0,015-20,0	0,001-20,0	0,001-20,0	0,001-15,0
Погрешность измерения расхода жидкости через прибор, %	1,0	1,0	0,5	0,5	0,5
Тарировочный коэффициент, л/ (с•об)	1,515	0,460	0,080	0,0646	0,0488
Максимальное гидростатическое давление, МПа	18,0	18,0	20,0	20,0	20,0
Габариты, мм
наружный диаметр расходомера	108,0	73,0	57,0	44,0	34,0
диаметр крыльчатки	90,0	60,0	49,4	39,4	29,4
длина расходомера		1100,0	750,0	700,0	700,0
Масса расходомера, кг	4,50	3,80	2,26	1,48	1,30
Размеры измерительного блока, мм	175,0×175,0×120,0
Масса измерительного блока, кг	1,9

Величина является аналогом числа Рейнольдса. Тогда статическую характеристику расходомеров можно рассматривать в виде простого критериального уравнения:

(1.11)

Приведем статические характеристики расходомеров нормального ряда и других тахометрических приборов, используемых при исследовании разведочных скважин (рис. 1.24). Кривые для расходомеров ДАУ построены по тарировочным зависимостям автора, кривые для других расходомеров построены по тарировочным графикам, известным из технической литературы.. У всех расходомеров четко выделяются две области изменения статических характеристик: зависимая от Re и независимая от Re (так называемая «область автомодельного режима»).

Рис. 1.24. Критериальные зависимости малогабаритных скважинных расходомеров:

1 – РГД-3М; 2 – ДАУ-3М-34; 3 – ДАУ-3М-44; 4 – ДАУ-3М-57; 5 – РСТ-3СГУ; 6 – ДАУ-3М-108; 7 – ДАУ-3М-73; 8 – ГСР-70-3М; 9 – ТСР-34-3М

Первая, начальная область представляет интерес с точки зрения надежности получаемых данных. Здесь режим работы расходомера нестабилен, значительно зависит от свойств промывочной жидкости и коэффициента гидравлических сопротивлений. Вследствие этого в начальной области измерения будет возникать большой разброс данных.

Вторая область представляет для практики больший интерес, так как здесь показания расходомеров независимы от реологических параметров промывочной жидкости, которые даже при исследовании могут изменяться в широких пределах. Соотношение автомодельной и начальной областей статических характеристик определяет надежность диапазона измерений расхода прибора. Поэтому в технических характеристиках скважинных расходомеров целесообразно указывать пределы измеряемых расходов и величину Q_{min Re}, которая показывает начало режима автомодельности. Разность расходов Q_max и Q_{min Re} будет определять диапазон наиболее надежной области измерения.

В табл. 1.7. приведены сводная техническая и метрологическая характеристики малогабаритных скважинных расходомеров.

Табл. 1.7.

Сводная техническая и метрологическая характеристики малогабаритных скважинных расходомеров.

Дата добавления: 2015-09-05