Лекция 8. ИЗМЕРИТЕЛИ РАСХОДА ПРОМЫВОЧНОЙ ЖИДКОСТИ

Чтобы состояние скважины в целом было нормальным т.е не угрожало аварией, содержание твердых частиц в буровом растворе должно ограничиваться. Источником таких частиц является буровой шлам. Последний не должен скапливаться на забое, т. к. в противном случае он будет мешать разрушению породы, и темп углубки снизится до нуля.

Частицы шлама уносятся потоком промывочной жидкости. Чем больше скорость потока, тем более крупные частицы он способен уносить. Скорость потока

, (8.1)

где – расход жидкости, а – площадь поперечного сечения канала. Как правило, скорости потока, выбрасываемого из промывочных окон породоразрушающего инструмента, достаточно для очистки самого забоя, так-как здесь площадь мала.

Однако шлам должен выноситься не только с забоя, но и из скважины в целом вплоть до ее устья, и это гораздо более сложная задача. Ствол скважины имеет разные диаметры –как правило, возрастающие снизу-вверх. Поэтому даже если значение расхода жидкости является достаточным для выноса шлама из нижних частей скважины, то в верхних частях, где диаметр канала больше и, следовательно, скорость потока меньше, шлам может скапливаться. Шлам смешиваются с материалом глинистой корки и образует сальниковые пробки Эти пробки сужают диаметр скважины и вызывают затруднения при проведении СПО. Иногда они становятся причиной прихвата при подъеме (см. выше – затяжки и посадки). При наличии пробок невозможно проводить спуск обсадных колонн.

Для достижения полного выноса шлама из устья скважины расход жидкости должен быть равным , (8.2)

где – наибольший внутренний диаметр обсадных труб, – наружный диаметр бурильных труб, – скорость восходящего потока, достаточная для выноса шлама. Эта скорость . (8.3)

где скорость падения частицы в неподвижной промывочной жидкости (без наличия циркуляции), а – необходимая скорость выноса частиц.

, (8.4)

где – коэффициент формы частицы, – расчетный (максимально-возможный) размер частицы шлама, – плотности материала частицы и промывочной жидкости. Коэффициент формы частицы может изменяться от 1.5 (пластинчатая форма, например у частиц слюды) до 4.5 (частицы изометрической формы).

Размер частицы зависит от разбуриваемой породы (чем она мягче, тем крупнее может быть размер частицы). С крепостью породы связан тип породоразрушающего инструмента, и величина размера частицы ограничивается выступанием его резцов. Однако, недопустимо создавать такую осевую нагрузку на резец, которая вызывала бы его полное погружение в породу, т. к при этом исчезнет пространство для прохождения омывающей резец жидкости. Бурение прекратится из-за так называемого зашламования резцов.

Поэтому расчетный размер частицы должен составлять лишь часть от выступания резца , (8.5)

где – допустимый коэффициент погружения резца в породу, а – высота выступания резца. Коэффициент погружения изменяется от 0.2 для крепких пород до 0.8 – для мягких.

Все параметры в формуле (8.4) должны подбираться таким образом, чтобы получить максимальное в данных конкретных условиях значение . Это означает, что надо использовать наименьшее возможное значение и наибольшие значения всех остальных входящих в формулу параметров.

В формуле (8.3) , (8.6)

где – диаметры соответственно долота, керна и бурильных труб, – механическая скорость бурения, – допустимое увеличение плотности восходящего потока жидкости, вызванное его насыщением частицами шлама. Если бурение ведется без отбора керна (сплошным забоем), то . Фактическое увеличение плотности равно

, (8.7)

где – плотности нисходящего и восходящего потоков промывочной жидкости. Чем больше скорость выноса частиц, тем больше объем жидкости, в котором распределяется образующийся при бурении шлам. Если предположить (теоретически), что скорость выноса равна нулю и потока жидкости достаточно лишь для создания составляющей , причем бурение продолжается, то плотность жидкости в призабойной зоне будет непрерывно расти. Отсюда ясно и обратное: чем больше , тем меньше

Максимально-допустимое значение ограничено. Если оно слишком высоко, то тогда в случае прекращения циркуляции (например, при аварийной остановке насоса) шлам осядет на забой в большом количестве и прихватит долото. Поэтому принято, что при промывке буровым раствором = 30 кг/м , а при промывке водой (не создающей в состоянии покоя структуру) – 10 кг/м . Если существует опасность что превысит допустимое значение , (например, из-за недостаточной производительности насоса), то приходится ограничивать скорость бурения .

При бурении могут применяться расходомеры различных типов. Расходомер переменного перепада давления показан на рис. 8.1. Он широко применяется в различных отраслях техники. На пути жидкости по трубе 1, установлена преграда виде диска с отверстием (диафрагма 2). На диафрагме происходит потеря давления, так, что давление . Потеря давления , (8.8)

Эта величина тем больше, чем больше расход жидкости. Разность давлений измеряется дифманометром 3. Дифманометр имеет в данном случае вид ртутного жидкостного манометра одно из колен которого открывается в трубу 1 до диафрагмы, а второе – после. Факт наличия жесткой связи между перепадом давления и расходом, позволяет градуировать шкалу 4 дифманометра непосредственно в единицах расхода. Связь расхода и давления

Рис. 8.1. Расходомер переменного перепада давления

1 – труба (корпус расходомера); 2 – диафрагма; 3 – жидкостный дифманометр; 4 – шкала расходов; – внутренний диаметр трубы; – диаметр отверстия в диафрагме; – расход жидкости; – давления до и после диафрагмы.

характеризуется уравнением , (8.9)

где – коэффициент расхода (зависит от вязкости жидкости и геометрических параметров отверстия диафрагмы), – площадь поперечного сечения отверстия, – плотность флюида (промывочной жидкости), – коэффициент, учитывающий сжимаемость флюида. Коэффициент расхода может измениться, например, от угла фаски, выполненной на отверстии диафрагмы или от остроты ее кромок. Коэффициент сжимаемости для жидкостей (как известно, несжимаемых) равен единице, для газов и паров (расход которых также может измерять данный расходомер) этот коэффициент отличен от нуля. Т. к. в правой части формулы, все величины кроме , постоянны, то формулу можно представить как

, (8.10)

где постоянный коэффициент

Расходомеры переменного перепада давления характеризуются модулем сужающего устройства , (8.11)

который обычно находится в пределах от 0.05 до 0.7. Иначе говоря, диаметр трубы 1 может быть в 4.5 – 1.2 раза больше диаметра отверстия диафрагмы 2.

Расходомеры переменного перепада давления имеют преимущество простоты конструкции и невысокой стоимости, а также универсальности применения (как для жидкостей, так и для газов). Однако они обладают и рядом серьезных недостатков. У них низкий коэффициент диапазона . (8.12)

Обычно этот коэффициент не превышает трех. Так если, например, наименьшее значение расхода, которое требуется измерять в данных условиях, равно 0.5 л/с, то наибольшее не может превышать 1.5 л/с. Для расхода промывочной жидкости при бурении этого недостаточно. Как правило, требуется коэффициент диапазона не менее 10. Низкий коэффициент диапазона вытекает из нелинейности связи между расходом и давлением (формула (8.10)). Данный недостаток в некоторой степени компенсируется, тем, что в комплекте расходомера прилагаются несколько сменных диафрагм с различными диаметрами отверстий. Чем больше площадь отверстия, тем на больший верхний предел измерения рассчитана диафрагма. Однако смена диафрагм в ходе работы неудобна.

В связи с указанными недостатками расходомер переменного перепада давления не применяют для контроля расхода промывочной жидкости при бурении. Однако он широко применяется для измерения количества извлекаемого из скважины газа.

Рис. 8.2. Расходомер переменного уровня.

1 – корпус (емкость); 2 – перегородка; 3 – слив; 4 – диафрагма; 5 – ввод жидкости; 6 – стеклянная трубка; 7 – шкала; 8 – уровень жидкости

Расходомер переменного уровня(рис. 8.2) по принципу действия аналогичен расходомеру переменного перепада давления. По входной линии 5 жидкость подается в емкость 1, имеющую перегородку 2 для успокоения потока. Далее жидкость уходит через слив 3, оборудованный диафрагмой 4. Чем больше расход жидкости, тем больше перепад давления на диафрагме . Перепаду давления соответствует высота жидкости над уровнем диафрагмы . (8.13)

Из этого следует, что и связаны пропорциональной зависимостью, и поэтому для случая расходомера переменного уровня формулу (8.10) можно записать как

, (8. 14)

где – коэффициент пропорциональности. Шкала 7 стеклянной трубки 6 проградуирована не в метрах водяного столба, а непосредственно в единицах расхода.

Рис. 8.3. Расходомер постоянного перепада давления (ротаметр)

1 – корпус; 2 – коническая расточка; 3 – поплавок; 4 – шток; 5 – стеклянная трубка с шкалой; – расход жидкости; – давления под поплавком и над ним; – вес поплавка

Прибор используют для измерения расхода жидкости, вытекающей из устья скважины. При бурении, сравнивая показания расходомеров, установленных на нагнетательной линии и на устье скважины , можно установить поглощение жидкости стенками , (8.15)

либо наоборот, – наличие проявлений пластовых жидкостей (в отличие от поглощения при проявлении > )

Расходомер постоянного перепада давления (ротаметр) представлен на рис. 8.3 Когда жидкость, войдя через входной патрубок, движется вверх по конической расточке 2, она поднимает поплавок 3 и шток 4 тем выше, чем больше ее расход. Отсчет расхода можно получить по шкале 5 и верхнему концу штока, служащему указателем. При данном расходе жидкости, поплавок поднимается от своего начального (“нулевого” положения, когда = 0) на некоторую высоту и остается во взвешенном состоянии. При этом вес поплавка уравновешивается силой действующего на него потока жидкости.

Дело в том, что поплавок представляет собой гидравлическое сопротивление на пути жидкости, вследствие чего давление под поплавком, больше, чем давление над ним. Поэтому разность этих двух давлений , направлена вверх. Действуя на площадь поперечного сечения поплавка , перепад давления и создает силу, равную весу

, (8.15)

откуда . (8.16)

Так-как и вес поплавка, и его площадь суть величины постоянные, то, и перепад давления на этом поплавке также постоянен, причем это не зависит от высоты нахождения поплавка.

Действительно, допустим, что в каком-то положении равновесия расход жидкости возрастет. При этом временно возрастет и перепад давления на зазоре между поплавком и расточкой. Равновесие, выраженное формулой (8.15) будет нарушено: сила давления (левая часть формулы (8.15) станет больше веса поплавка. Это заставит поплавок двинуться вверх, но при движении вверх зазор между поплавком и конической расточкой начнет увеличиваться, а перепад давления на этом зазоре – падать. Как только перепад давления вернется к своему постоянному значению (формула (8.16)), поплавок опять повиснет неподвижно в потоке жидкости. Но это произойдет уже на большей высоте , так что конец штока покажет на шкале более высокий расход.

При уменьшении расхода уменьшится , вес заставит поплавок опускаться, это будет уменьшать зазор и увеличивать , до достижения его постоянного значения при меньшей высоте . Зависимость расхода жидкости от высоты подъема поплавка выражается формулой , (8.17)

где – коэффициент расхода (зависит от формы поплавка и вязкости жидкости), а – угол между поверхностью расточки и вертикалью (угол конусности, обычно 2 – 10 ). Обозначив произведение всех постоянных величин одним символом, получим

(8.18)

Из сравнения формул (8.18) и (8.10) можно видеть преимущество ротаметров перед расходомерами переменного перепада давления. У ротаметров зависимость расхода от высоты подъема поплавка линейная ( стоит в первой степени), тогда как у расходомеров переменного перепада давления расход зависит от квадратного корня из перепада давления. Именно это делает их коэффициент диапазона столь узким. У ротаметров же легко получить = 15 и более. Второе преимущество, связано с первым: ротаметры имеют равномерную шкалу, т. е. равные расстояния между равными интервалами расхода (тогда как у расходомеров переменного перепада давления эти расстояния растут).

Рис. 8.4. Индукционный преобразователь хода штока ротаметра в напряжение

1 – коническая расточка; 2 – поплавок 3 – шток; 4 – выпрямитель; 5 – гальванометр; 6 – магнитные силовые линии; – расход жидкости; – трансформатор; – обмотка возбуждения; – обмотка измерительная; – резистор; – переключатель диапазонов; – конденсатор; – напряжение датчика (измерительный сигнал).

Использование отсчетного устройства в виде стеклянной трубки и штока неудобно вследствие непрозрачности или малой прозрачности промывочной жидкости. Приходится ставить подсвечивающую лампу, чтобы взять точный отсчет. При этом для взятия отсчета надо подойти к расходомеру вплотную. Более удобен ротаметр с индукционным преобразователем хода штока в напряжение(рис. 8.4). Трансформатор на входе в прибор служит для снижения напряжения питания до безопасного уровня (например с 380 до 30 В). Далее это напряжение попадает на обмотку возбуждения . Проходя через ее витки, ток создает магнитный поток 6, концентрирующийся в железном штоке 3, служащем магнитопроводом. В исходном положении, когда = 0, поплавок 2 упирается в коническую расточку 3, и конец штока стоит ниже измерительной обмотки , так что магнитные силовые линии витков этой обмотки не достигают. Когда в расходомер подают жидкость с небольшим расходом , поплавок приподнимается,и силовые линии начинают взаимодействовать с нижними витками измерительной обмотки, (имеющей значительную протяженность по высоте и равномерную намотку витков). В нижних витках индуцируется ЭДС. Чем больше расход, тем выше поднимается шток 3, тем с большим числом витков измерительной обмотки взаимодействует магнитный поток и тем большую ЭДС создает.

Чтобы напряжение датчика могло подаваться на гальванометр 5, его необходимо превратить из переменного в постоянное. Для этого используется диодный мост 4.

Если при колебании переменного напряжения знак плюс придет на верхнюю вершину диодного ромба (и соответственно знак минус – на нижнюю), то ток (в соответствии с положением диодов) пойдет по параллельным линиям ромба влево вниз и далее от левой вершины ромба через показывающий прибор к правой вершине.

Если знак переменного напряжения сменится на обратный, т. е. знак плюс появится у нижней вершины ромба, а минус у верхней, то ток пойдет по второй паре параллельных линий влево вверх.. Можно видеть, что при смене фаз в цепи переменного тока (горизонтальной), ток в вертикальной цепи всегда имеет постоянное направление.

Хотя ток, направляющийся от выпрямителя (моста диодов) в цепь гальванометра, постоянен по знаку, по величине он является пульсирующим от нуля до максимума. Для сглаживания пульсаций служит так называемая интегрирующая цепочка, включающая резистор и конденсатор . Резистор действует как демпфер (см. рис. 5.2), т . е. он замедляет время прохождения пульсаций напряжения, что приводит к их сглаживанию. Конденсатор же работает как воздушный колпак на буровом насосе. Когда идет пик (максимум) напряжения конденсатор принимает часть заряда электричества на себя и тем уменьшает амплитуду пика. Когда же идет минимум , конденсатор возвращает свой заряд в цепь и, таки образом, сближает максимум с минимумом. На выходе из интегрирующей цепочки пульсации напряжения практически отсутствуют, что создает благоприятные условия для функционирования гальванометра.

Далее по цепи установлен переключатель диапазонов (шкалы двухдиапазонного расходомера показаны на рис. 3.1.). Когда контакт переключателя разомкнут, ток к гальванометру идет через калибровочный резистор. С помощью магазина сопротивлений номинал резистора подбирается так, чтобы при расходе, находящемся у верхнего предела второго – т. е . большего – диапазона измерений (в примере в табл. 3.4 это 30 л/с) стрелка гальванометра отклонилась на всю длину шкалы. (При этом на гальванометр должно действовать максимальное напряжение, на которое он рассчитан, например, 1 В). Далее с помощью образцового расходомера производят градуировку шкалы этого диапазона.

Для создания шкалы меньшего диапазона, замыкают контакт переключателя и, с помощью подбора других, меньших регулировочных сопротивлений (на рисунке не показаны), снова доводят напряжение до 1 В, но при значении расхода соответствующего верхнему пределу меньшего диапазона (12 л/с). Далее опять производят градуировку.

Рис. 8.5. Электромагнитный (индукционный) расходомер.

1 – труба из немагнитного материала; 2 – электрод; 3 – полюс электромагнита; 4 – блок питания; 5 – усилитель; 6 – выпрямитель; 7 – гальванометр; 8 – жидкость

Электромагнитный расходомер(рис. 8.5.) работает следующим образом: С блока питания 4 (где имеется понижающий трансформатор) напряжение переменного тока попадает на обмотки полюсов 3 электромагнита. Магнитные силовые линии, двигаясь от одного полюса к другому, проходят сквозь трубу 1, через которую подается жидкость 8. Если жидкость является проводником электрического тока, то как в любом проводнике, движущемся в магнитном поле, в ней на участке между полюсами возникает ЭДС, пропорциональная скорости движения проводника и его длине. Это напряжение поступает на электроды 2, затем усиливается в усилителе 5, выпрямляется на выпрямителе 6 и подается на гальванометр 7, отклоняя его стрелку.

Индуцируемая ЭДС равна , (8.19)

где создаваемая полюсами электромагнита магнитная индукция, – скорость движения жидкости, а ­– длина проводника (т. е расстояние между электродами, или диаметр трубопровода). Как известно, скорость движения жидкости , где – расход жидкости, а – площадь поперечного сечения трубы. Указанное позволяет сделать вывод, что , и значит

. (8.20)

Если учесть, что в этом выражении все величины, кроме , суть постоянные прибора и жидкости, и вместе образуют постоянный коэффициент, то можно сделать вывод, что ЭДС, подаваемая на гальванометр, пропорциональна расходу жидкости, что дает равномерную шкалу. Главное же преимущество электромагнитного расходомера перед расходомерами, рассмотренными выше – это отсутствие в приборе каких-либо препятствий на пути потока жидкости (диафрагм, поплавков и т. п. ), что является гарантией от засорения, а также (в значительной мере) от изменения характеристик прибора под влиянием содержащихся в потоке абразивных частиц. Поэтому электромагнитный расходомер лучше других расходомеров работает на буровом растворе.

Недостатком электромагнитного расходомера, вытекающим из принципа действия, является невозможность его применения для измерения расхода жидкостей, непроводящих электричество (таких, как нефть и нефтепродукты). Он не может работать с буровыми растворами на нефтяной основе, а также на промывочных жидкостях, содержащих смазывающие добавки (при высокооборотном алмазном бурении ).

Второй недостаток – весьма малая величина формирующейся в датчике ЭДС (несколько микровольт). Это вызывает потребность не только в мощном усилителе (позиция 5 на рис. 8.5.), но и в дорогостоящих устройствах для устранения помех, связанных с посторонними электромагнитными полями (электродвигателей, трансформаторов и т. п.). В частности, кабель от датчика к показывающему прибору бронируется. Сверх того в приборе предусматривается система его перенастройки (калибровки), которая должна проводиться перед каждым рейсом бурения, а также в случае возникновения сомнений в правильности показаний. Все эти системы существенно увеличивают себестоимость прибора.

Рекомендуемая литература: 4. с. 110-127

Контрольные вопросы

1. Как устанавливают необходимый расход промывочной жидкости?

2. Как устроен и работает расходомер с переменным перепадом давления?

3. Как устроен и работает расходомер переменного уровня?

4. Как устроен и работает расходомер с постоянным перепадом давления?

5. Как устроен и работает электромагнитный расходомер?