Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса исследования профиля притока (приемистости) в стволе обсаженной скважины 9
1.1. О функциональной роли построения профиля притока (приемистости) при контроле за разработкой нефтяных месторождений 9
1.2. Развитие технических средств и методов, применяемых при построении профиля притока (приемистости) эксплуатационных скважин 16
1.3. Аналитический обзор глубинных механических расходомеров 28
Выводы по главе 1 42
Глава 2. Пути создания беспакерных скважинных расходомеров 43
2.1. Уменьшение нижнего предела измерений беспакерных расходомеров с датчиком турбинного типа 43
2.2. Разработка теоретических основ глубинного беспакерного высокочувствительного расходомера малого диаметра 48
2.2.1. Обоснование и выбор принципиальной схемы высокочувствительного глубинного скважинного расходомера 48
2.2.2. Исследование расходомера с винтовой аксиальной турбинкой и вращающимися струенаправляющими решетками 55
2.2.3. Вариант технической реализации предлагаемой схемы измерения 59
2.2.4. Статическая характеристика разрабатываемого расходомера... 62
2.2.5. Анализ источников дополнительной погрешности предлагаемого расходомера 64
Выводы по главе 2 74
Глава 3. Исследование динамических характеристик скважинных расходомеров турбинного типа 75
3.1. Элементы теории динамики турбинных преобразователей расхода ... 75
3.2. Источники динамических погрешностей глубинных расходомеров... 78
3.3. Методы минимизации динамической погрешности глубинных турбинных расходомеров 80
3.4. Аналитический расчет динамических характеристик глубинных расходомеров турбинного типа 82
Выводы по главе 3 89
Глава 4. Стендовые исследования динамики скважинных расходомеров турбинного типа 90
4.1. Анализ методов экспериментального исследования динамических характеристик турбинных расходомеров 90
4.2. Описание способа исследования скважинных расходомеров в динамике 98
4.3. Результаты экспериментов 102
4.4. Методика определения оптимальных скоростей перемещения скважинного расходомера вдоль интервалов перфорации 112
Выводы по главе 4 119
Основные выводы 121
Список использованных источников 123
Приложение 1 136
Приложение 2 138
- О функциональной роли построения профиля притока (приемистости) при контроле за разработкой нефтяных месторождений
- Уменьшение нижнего предела измерений беспакерных расходомеров с датчиком турбинного типа
- Элементы теории динамики турбинных преобразователей расхода
- Анализ методов экспериментального исследования динамических характеристик турбинных расходомеров
Введение к работе
Актуальность работы
Для принятия оптимальных технологических решений при совместной разработке нескольких пластов и горизонтов, позволяющих добиться запланированных проектом разработки коэффициентов нефтеизвлечения, принципиально важно знать распределение интенсивности притока (приемистости) жидкости по стволу скважины с максимально возможной детализацией эксплуатационного профиля. Кроме того, даже когда объект разработки представляет собой один пласт, вследствие изменчивости фильтрационно-емкостных свойств коллектора по вертикали, имеет место неравномерный профиль притока добывающей скважины или профиль приемистости нагнетательной.
На поздней стадии разработки данная задача усложняется тем, что состояние цементного камня значительного числа старых скважин неудовлетворительно (имеются заколонные каналы) и создание дополнительного перепада давления в скважине пакером скважинного расходомера способно существенно исказить истинную картину профиля притока. Это обстоятельство ограничивает или делает невозможным применение пакерных расходомеров в обозначенных выше условиях. Кроме того, пакерные расходомеры имеют и ряд других недостатков: сложность конструкции, точечный режим измерения, частые осложнения при извлечении прибора из скважины и др. Скважинные беспакерные расходомеры с малогабаритной турбинкой обладают низкой чувствительностью и не дают количественной оценки профиля притока в средне- и низкоде-битных скважинах. Скважинные расходомеры с турбинкой большого диаметра позволяют надежно регистрировать скорости потока от ЪО-ЛО м/ч, однако необходимо иметь в виду, что с ростом размеров лопастей растет инерционность турбинки - это приводит к получению более «размытого» профиля притока (приемистости) скважины, а при неблагоприятных условиях исследования (малое приращение скорости потока на коротком участке перфорированного интервала при высокой скорости протяжки прибора), может привести к динами-
5 ческим погрешностям, значительно превышающим значения основной погрешности измерения.
В этой связи актуальной является задача развития теоретической базы проблемы повышения качества дифференциальных расходных характеристик эксплуатационной скважины при контроле за разработкой нефтяных месторождений.
Цель работы заключается в разработке и обосновании рекомендаций по измерению малых расходов жидкости в стволе эксплуатационной скважины при контроле за разработкой нефтяных месторождений.
Основные задачи исследований: .
Анализ соответствия основных технических характеристик серийно выпускаемых промышленностью скважинных расходомеров современным требованиям к приборам, применяемым при контроле за разработкой нефтяных месторождений.
Разработка теоретических аспектов беспакерного высокочувствительного малогабаритного скважинного расходомера с турбинным преобразователем расхода.
Теоретические и экспериментальные исследования динамических характеристик скважинных расходомеров, оснащенных турбинным преобразователем расхода.
4. Разработка методики экспериментального определения динамических
характеристик скважинных расходомеров с турбинным преобразователем рас
хода.
5. Разработка методики определения оптимальных скоростей перемеще
ния скважинных расходомеров с турбинным преобразователем при построении
профиля притока (приемистости) эксплуатационной скважины методом непре
рывной протяжки прибора.
Методы решения поставленных задач
Поставленные задачи решались путем теоретических и экспериментальных исследований, обобщением и анализом известной научно-технической и па-
тентной информации, с использованием основных положений теории автоматического управления, метрологии, методов математической статистики. Научная новизна:
Предложена уточненная классификация методов построения профиля притока (приемистости) эксплуатационной скважины.
Научно обоснована принципиальная схема скважинного расходомера с гидродинамической системой создания дополнительного движущего момента на турбинном преобразователе расхода. Аналитически установлена зависимость частоты вращения турбинного преобразователя от конструктивных параметров измерительного тракта, частоты вращения обоймы, динамической вязкости жидкости, скорости перемещения глубинного прибора и скорости потока в стволе скважины.
Разработана методика экспериментального определения динамических характеристик скважинных расходомеров с турбинным преобразователем расхода.
Экспериментально установлен степенной характер корреляции коэффициента инерционности от скорости потока для скважинных расходомеров с турбинным преобразователем расхода.
Основные защищаемые положения:
Принципиальная схема, а также математическая модель скважинного расходомера с гидродинамической системой, обеспечивающей создание дополнительного движущего момента на турбинном преобразователе расхода.
Методика определения динамических характеристик скважинных расходомеров с турбинным преобразователем расхода, а также результаты опытных исследований ряда скважинных расходомеров.
Методика определения оптимальных скоростей протяжки скважинных расходомеров с турбинным преобразователем вдоль интервалов перфорации, при построении профиля притока (приемистости) скважины для повышения достоверности определения эксплуатационных характеристик объектов разработки.
7 Практическая и теоретическая ценность:
Выполнен анализ методов построения профиля притока (приемистости) эксплуатационной скважины, а также определены технические характеристики современных скважинных турбинных расходомеров.
Разработаны теоретические аспекты скважинного расходомера с гидродинамической системой создания дополнительного движущего момента на турбинном преобразователе расхода, которые могут быть использованы при физическом моделировании скважинных расходомеров данного типа. Теоретически и экспериментально обоснована возможность создания беспакерного малогабаритного скважинного расходомера с нижним пределом измерения не выше 3 м /сут. Подана заявка на изобретение (приоритет 20.05.2008, № 2008120161).
Разработана методика определения динамических характеристик скважинных расходомеров с датчиком турбинного типа, которая может быть применена при проектировании скважинных расходомеров. Методика внедрена в учебный процесс Альметьевского государственного нефтяного института.
Разработана методика определения оптимальных скоростей перемещения скважинных турбинных расходомеров с учетом динамических и статических свойств прибора, позволяющая минимизировать общую погрешность измерения расхода в стволе эксплуатационной скважины при построении профиля притока (приемистости).
Апробация работы
Основные положения и результаты работы докладывались:
на Всероссийской научно-практической конференции «Большая нефть XXI века» // 17-20 октября 2006. - Альметьевск, АГНИ, 2006;
на Научной сессии ученых по итогам 2007г //13 — 14 марта 2007. -Альметьевск, АГНИ, 2007;'
на научных семинарах кафедры «Автоматизация и информационные технологии» Альметьевского государственного нефтяного института 2005 - 2008 гг.;
8 - на Научной сессии ученых по итогам 2008г //5 — 6 марта 2009. — Альметьевск, АГНИ, 2009. Публикации
Основные положения диссертационной работы отражены в 8-й публикациях, в том числе в 2-х статьях из списка научных журналов, рекомендованных ВАК РФ, подана заявка на изобретение. Объем и структура работы
Диссертационная работа состоит из 4 глав, основных выводов, библиографического списка (111 наименований), содержит 138 страницы машинописного теста, в т.ч. 54 рисунка, 2 таблицы и 2 приложения.
О функциональной роли построения профиля притока (приемистости) при контроле за разработкой нефтяных месторождений
На ряде месторождений производится совместная разработка нескольких пластов и горизонтов. Разработка многопластовых нефтяных месторождений проводится путем выделения эксплуатационных объектов, разбуриваемых самостоятельной сеткой скважин и включающих один или несколько пластов. Выбранная система должна обеспечить достаточно полную выработку нефти высокими темпами при наилучших технико-экономических показателях. При этом обычно допускается совместная разработка только близко расположенных объектов с близкими фильтрационно-емкостными свойствами разрабатываемых пластов (в первую очередь проницаемостями). Традиционно считается, что это приводит к заметному ухудшению условий выработки малопродуктивных коллекторов и неравномерному их заводнению, снижению коэффициента нефтеотдачи объекта, удлинению сроков разработки, отбору больших объемов закачиваемой воды и, в конечном счете, к ухудшению технико-экономических показателей разработки нефтяных месторождений [34]. Однако в реальных условиях зачастую допускается совместная эксплуатация двух и более объектов в одной скважине, т.к. совместная эксплуатация позволяет разрабатывать считающиеся по экономическим соображениям в условиях раздельной эксплуатации малоэффективные или даже неэффективные месторождения [35].
Создание системы совместной разработки пластов требует серьезной проработки многих возможных вариантов, анализа и полного учета особенностей геологического строения месторождения [4]. Нельзя проектировать систему со 10 вместной разработки пластов, если не решены вопросы создания эффективной системы контроля и регулирования процессов выработки запасов [3].
Необходимым условием рациональной разработки нефтяных месторождений (достижение запланированных коэффициентов нефтеизвлечения в экономически оправданные сроки) является обладание следующей информацией о скважине и пластах, вовлеченных в разработку [19, 46, 74, 95]: - работающие интервалы и их доля от общей толщины пласта; - поглощающие интервалы и их количественная характеристика в нагнетательных скважинах; - распределение интенсивности притока или поглощения вдоль вскрытого перфорацией интервала; - выработанность запасов из каждого пропластка, а также степень компенсации закачкой отобранной нефти; - необходимость воздействия на призабойную зону для интенсификации притока или приемистости, а также результаты таких воздействий; - конкретный вид искусственного воздействия на призабойную зону скважины, имея в виду селективное воздействие на тот или иной пропласток; - фильтрационные параметры отдельных пластов или горизонтов; - наличие перетоков между перфорированными пластами или горизонтами после остановки скважины; - герметичность обсадных колонн и места нарушения герметичности, а также ряд других параметров.
Промысловые исследования совместно эксплуатируемых пластов обычно состоят из замеров притока во времени для каждого горизонта с одновременной записью давления в остановленной скважине [9]. Для этого вначале спускают расходомер несколько выше кровли верхнего горизонта и замеряют давление и приток во времени после остановки скважины. Впоследствии расходомер спускается в интервал между верхним и нижележащими горизонтами, скважина выводится на установившийся режим, закрывается, и вновь производится запись давления и притока. Данная операция выполняется до тех пор, пока расходомер не дойдет до кровли самого нижнего горизонта или пласта. Приток каждого горизонта определяется путем вычитания суммы притока нижележащих горизонтов из суммарного притока, замеренного на кровле этого горизонта.
Интерпретация результатов исследования обычно заключается в определении по КВД суммарной гидропроводности и скин-эффекта по той или иной методике для однопластового объекта. Гидропроводность каждого пласта определяется по формуле: ,=є&- (11)
Под дебитом Q, подразумевается не дебит отдельного пласта перед закрытием скважины Ql0, а разность данной величины и притока после стабилизации забойного давления в остановленной скважине. При поглощении жидкости пластом значение Qie берется отрицательным.
Главным препятствием для широкого применения данной методики является отсутствие надежных данных поинтервального распределения дебита, эксплуатируемых горизонтов от общей продукции скважины, а также данных по перетокам после остановки скважины. Основной причиной является низкая чувствительность распространенных глубинных расходомеров [40].
Применение результатов физико-химических исследований проб нефтей, принципиально невозможно, т.к.: во-первых, невозможно определить перетоки между горизонтами; во-вторых, данный метод не учитывает текущую обводненность горизонтов [40].
Также необходимо отметить о проблемах определения работающих участков горизонтальных стволов. Как отмечается в работе [63], непосредственные гидродинамические исследования по снятию профиля притока в горизонтальных стволах трудно осуществимы, и выделение работающих участков при интерпретации КВД проводится в основном по данным ГИС. Для этого выделяются участки с высокой пористостью, нефтенасыщенностью и минимальной глинистостью, которые вводятся в программу как работающие участки. Отсутствие прямых методов построения профиля притока горизонтального ствола, зачастую приводит к неоднозначным выводам о фильтрационных свойствах разрабатываемого пласта. Учитывая всю сложность задачи эксплуатационного профилирования горизонтальных стволов скважины, считаем, что данная вопрос является предметом отдельного исследования и далее в настоящей работе не рассматривается.
Уменьшение нижнего предела измерений беспакерных расходомеров с датчиком турбинного типа
Как отмечалось выше, основным недостатком беспакерных расходомеров, ограничивающих их применение в низкодебитных скважинах, является высокий порог реагирования (чувствительности) турбинки и, следовательно, нестабильность коэффициента преобразования вначале диапазона измерений. Порог реагирования - это наименьшее изменение измеряемой величины, вызывающее изменение показаний, обнаруживаемое наблюдателем при нормальном для данного прибора способе отсчета. Для определения условий снижения порога реагирования беспакерного турбинного расходомера обратимся к его уравнению движения.
Зависимость частоты вращения турбинного преобразователя от расхода в рабочем диапазоне измерения достаточно точно описывается уравнением прямой, не проходящей через начало координат: n{Q) = к Q - Ъ, где коэффициенты к и Ъ определяются параметрами турбинки и жидкости.
Необходимо понимать, что порог реагирования - это не нижний предел измерений прибора, который является более важной характеристикой с точки зрения метрологических возможностей прибора. Нижний предел соответствует началу стабилизации коэффициента преобразования, и он всегда больше порога чувствительности. Однако, чем ниже порог реагирования, тем меньше нижний предел измерений. Таким образом, условия минимума порога реагирования, определенные выше, соответствуют условиям наименьшего нижнего предела измерений прибора.
Основные свойства расходомеров с турбинкой большого диаметра были определены в первой главе настоящей работы. Далее будут рассматриваться варианты совершенствования метрологических характеристик расходомеров с классической (малогабаритной) турбинкой.
Как было показано выше, необходимым условием уменьшения нижнего предела измерений глубинных расходомеров с малогабаритной вертушкой является минимизация всех возможных тормозящих моментов и/или увеличение движущего момента на турбинном преобразователе. Остановимся кратко на наиболее известных вариантах технической реализации обозначенных путей снижения нижнего предела измерения глубинных расходомеров турбинного типа.
Увеличение движущего момента за счет приближения вертушки к перфорационным отверстиям [68, 57]
Такой подход был использован во ВНИИГИС при разработке модуля сканирующей интегральной расходометрии (РИП), турбинка которой максимально приближена к стенке обсадной колонны и медленно вращается по образующей (рис. 2.2) [6]. Заявленный разработчиками диапазон измерения расхода составляет 1 - 500 м3/сут. Сканирующие расходомеры предназначены для измерения величин радиальных потоков жидкости непосредственно в момент ее истечения из перфорационного отверстия, поэтому чувствительный элемент (турбинка), по замыслу разработчиков, должен располагаться достаточно близко к стенкам обсадной колонны (5-10 мм) для того, чтобы фиксировать даже слабые струи пластовой жидкости. В принципе, сканирующий расходомер способен дать более детальный профиль притока добывающей скважины, т.к. имеется принципиальная возможность контроля притока жидкости из каждого перфорационного отверстия. В тоже время, имеется ряд принципиальных недостатков и ограничений в конструкции расходомеров подобного типа: турбинка нестабильность статической характеристики расходомера при воздействии вихревых потоков непосредственно на турбинку; открытым остается вопрос о реакции турбинки на одновременное действие на нее двух (или более) радиальных струй, вектора скоростей которых направлены под углом друг к другу; не решен вопрос о засорении опор турбинки; - усложнение конструкции повлечет за собой общее снижение надежности устройства.
Известен ряд патентов на изобретения [69, 70], в основу которых положен принцип снижения момента сопротивления в подшипниковых опорах за счет принудительного и равномерного вращения турбинного преобразователя, воспринимающего осевые потоки жидкости, от микродвигателя, связанного с валом крыльчатки (например, при помощи притертой цилиндрической пары). Изменение скорости потока вызывает замедление угловой скорости вращения турбинки, что в свою очередь влечет изменение потребления тока микродвигателя. Блоком электроники фиксируется разность начального и текущего тока потребления и вычисляется скорость потока жидкости. Такая конструкция, в виду отсутствия силы трения покоя, потенциально способна реагировать на минимальные изменения скорости потока.
Достаточно давно известен способ повышения чувствительности турбинных преобразователей расхода, заключающийся в установке перед измерительным узлом (и/или по всей его длине) неподвижного струенаправляющего аппарата [58, 59, 61, 60]. Такое решение позволяет за счет определенного подбора углов установки лопастей неподвижной струенаправляющей решетки относительно лопастей турбинки получить дополнительный движущий момент на вертушке, благодаря чему снижается нижний предел измерения расходомера. Ниже будут показаны принципиальные возможности глубинных расходомеров турбинного типа, оснащенных вращающимися струенаправляющими решетками.
Применение электрической схемы, способной вырабатывать несколько импульсов за один оборот турбинки, кратно увеличивает разрешающую способность расходомера. Так, в расходомерах РД 150/60 и Гранат применение электронной схемы, вырабатывающей четыре выходных импульса на один оборот турбинки, позволило в 4 раза улучшить разрешающую способность по расходу при снятии профилей притока.
Элементы теории динамики турбинных преобразователей расхода
Теории аксиальной турбинки посвящено много работ [14, 13, 50, 20, 85, 51, 11]. В своем большинстве они приводят к уравнениям измерения, содержащим эмпирические коэффициенты, значения которых известны лишь приближенно. Но эти уравнения позволяют сделать выводы качественного характера о виде градуировочной зависимости, а также могут служить для ориентировочных расчетов параметров и характеристик турбинного преобразователя.
Основным отличием работы турбинного расходомера в динамическом режиме от работы в статическом является вращение турбинки с ускорением и влияние на характер движения инерции как тела турбинки, так и инерции жидкости, заполняющей межлопастное пространство. В качестве основного параметра, характеризующего инерционность тахометрического преобразователя, обычно используется коэффициент при производной dco/dt в уравнении движения ротора преобразователя (3.1). В теории автоматического управления этот коэффициент имеет исторически сложившееся название «постоянная времени». Однако, как будет показано ниже, коэффициент при производной dco/dt на самом деле не постоянен, а зависит от расхода, поэтому для корректности формулировок далее будем называть его «коэффициент инерционности».
Как видим из уравнения (3.1) тахометрический преобразователь представляет собой апериодическое звено 1-го порядка, для которого опытным путем значение Т определяется как время, необходимое для отсчета (1 — 1/е) части всего изменения расхода (при скачкообразном изменении расхода). Уравнение (3.1) позволяет установить значения co(t) при любых законах изменения Q во времени. Однако для этого необходимо конкретизировать вид функции Q(t). В практике исследования динамических систем вместо произвольной функции Q(t) используют некоторые типовые частные случаи, называемые типовыми воздействиями. В качестве таковых обычно применяются гармоническая функция с единичной амплитудой, единичная импульсная функция и единичная функция. Ответные реакции динамической системы на эти стандартные воздействия используются в качестве характеристик динамических свойств системы.
Зависимость этой функции от времени вызвана переменностью коэффициента инерционности, её зависимостью от расхода. При промысловых исследованиях скважин обычно сталкиваются с установившимися режимами расходов (дебитов). Даже при исследовании скважин в переходных режимах изменение расхода происходит очень медленно. Время восстановления расхода (дебита) скважин исчисляется часами и, в крайнем случае, минутами. И, тем не менее, необходимо учитывать динамические свойства турбинных преобразователей, как при разработке, так и при эксплуатации скважинных расходомеров. Это обусловлено тем, что, во-первых, при исследовании скважин, оборудованных штанговыми насосами, с помощью скважинных расходомеров измеряется пульсирующий расход с периодом рабочего цикла насоса и, во-вторых, при протягивании прибора по перфорированному участку обсадной колонны скважины измеряемый расход жидкости может резко изменяться в широких пределах, что может быть причиной появления динамических погрешностей прибора [23].
Динамическое качество скважинного расходомера в целом зависит от свойств всех его составных частей. Если ограничиться рассмотрением динамических свойств глубинной части измерительной системы, то в случае беспакер-ного турбинного расходомера можно выделить два основных звена, инерционные свойства и принцип действия которых могут быть источниками появления динамических погрешностей: турбинка (первичный преобразователь) и частотомер (вторичный преобразователь).
Определим влияние дискретности преобразования скорости вращения тур-бинки в электрический сигнал на динамические характеристики расходомера. В работе [14] отмечается, что частотная модуляция сигнала, поступающего с первичного преобразователя (турбинки) не влияет на характер искажений, а лишь сужает границы применения расходомера. Большинство используемых в настоящее время скважинных турбинных расходомеров снабжены преобразователями, вырабатывающими за один оборот турбинки один электрический импульс. Это значит, что теоретически преобразователь числа оборотов может внести динамическую погрешность, абсолютная величина которой равна измеряемому расходу в данный момент, соответствующему одному полному обороту ротора. Если преобразователь вырабатывает несколько импульсов за один оборот турбинки, то погрешность уменьшается пропорционально количеству этих импульсов. В этом случае, следует учесть погрешности, связанные с неравномерностью распределения импульсов за один цикл полного оборота из-за геометрических неточностей изготовления и других явлений, влияющих на взаимодействие отдельных элементов преобразователя [21].
Очевидно, что влияние дискретности преобразования скорости вращения турбинки в частотный сигнал будет значительно влиять на динамическую погрешность измерения при небольших частотах оборотов турбинки (т.е. при измерении малых расходов в нижней точке продуктивных интервалов), когда в интервале времени между двумя соседними срабатываниями геркона может произойти существенное изменение измеряемого расхода. В случае же когда глубинный расходомер работает в линейной части статической характеристики, динамическое качество турбинных преобразователей расхода определяется в основном характеристикой ротора первичного преобразователя (вертушки).
Как отмечалось выше, чувствительность глубинных расходомеров с тур-бинкой большого диаметра позволяет получать более детальный (по сравнению с малогабаритными расходомерами) профиль притока (приемистости) эксплуа 80 тационной скважины. Однако увеличение размеров турбинного преобразователя глубинного расходомера идет в ущерб его динамическим характеристикам и может стать причиной появления динамической погрешности измерения, значение которой (как будет показано ниже) увеличивается при измерении малых расходов жидкости. В настоящей работе делается попытка анализа динамических свойств глубинных расходомеров турбинного типа и разработки методических рекомендаций по совершенствованию технологии измерения расхода в стволе обсаженной скважины беспакерными расходомерами с учетом динамических свойств первичного преобразователя (турбинки), а также с учетом условий измерения.
В общем случае, динамическая погрешность измерительного преобразователя с передаточной характеристикой апериодического звена первого порядка зависит от постоянной времени датчика, а также скорости изменения контролируемой величины. Эта погрешность имеет систематическую и случайные составляющие. Коррекция случайных сбоев производится при оценке качества первичных данных с применением методов математической статистики. Минимизация систематической составляющей динамической погрешности может осуществляться аппаратными, технологическими и алгоритмическими методами.
Аппаратные методы минимизации динамической погрешности заключаются в уменьшении инерции (радиальных размеров и веса турбинки), а также в оптимальном подборе геометрических параметров турбинки при конструировании прибора. Из анализа формул для коэффициента инерционности [14, 109, 20, 89], которые будут приведены ниже, следует, что для минимизации динамической погрешности необходимо стремиться уменьшить осевую длину вертушки, площадь проходного сечения, а также массу турбинки. Понятно, что данный подход может быть применен только для вновь проектируемых глубинных рас 81 ходомеров. Кроме того, как отмечается в работе [96], улучшение динамических характеристик измерительных преобразователей конструктивными методами часто идет в ущерб их статической характеристике (и наоборот).
Анализ методов экспериментального исследования динамических характеристик турбинных расходомеров
С целью проверки адекватности математических зависимостей, описывающих поведение турбинных расходомеров в динамическом режиме (а именно формул расчета коэффициента инерционности турбинных преобразователей), было решено экспериментально определить значения коэффициента инерционности турбинных преобразователей расхода, применяемых в конструкциях некоторых глубинных скважинных расходомеров. Для решения данной задачи было необходимо определиться со способом постановки эксперимента, а также с методикой проведения и интерпретации результатов исследования. Проведенный автором анализ научно-технической литературы, периодических изданий, патентной документации позволил выделить несколько, принципиально отличающихся друг от друга, способов экспериментального исследования динамики аксиальных турбинных преобразователей расхода. Ниже приводятся основные положения каждого из подходов.
Известен ряд патентов на изобретения, в которых предлагаются различные варианты определения динамических характеристик малоинерционных расходомеров жидкости. Остановимся подробнее на двух, наиболее типичных, патентах.
Стартовый механизм 5 под действием сжатого воздуха создает посредством удара о поршень 2 некоторый импульс движения поршню и заключенному между ними объему жидкости. Регистрируя независимо скорость перемещения поршней при помощи регистраторов 8 и 9, можно осуществить самоконтроль процесса формирования импульса в каждом акте измерения, а в случае, если скорости движения поршней не будут совпадать, результат измерения необходимо забраковать.
Описанная выше установка может быть использована, после некоторой доработки, для исследования динамических свойств глубинных расходомеров, однако такой стенд имеет ряд принципиальных недостатков: высокая цена, как изготовления, так и эксплуатации стенда; большие габариты и т.д.
В патенте [65] предлагается стенд для динамической градуировки расходомеров жидкости (рис. 4.2), состоящий из входного трубопровода 1 с образцовым расходомером 2, соединенного с источником напора с двумя идентичными испытательными трубопроводами 3 и 4, в которых, соответственно, установлены градуируемые расходомеры 5 и 6. Трубопроводы 3 и 4 через переключатель 7 потоков соединены с выходным трубопроводом 8. Двухпозиционный переключатель 7 предназначен для попеременного подключения трубопроводов 3 и 4 к выходному трубопроводу 8 и может быть выполнен на основе ряда имеющихся двухпозиционных переключателей различных конструкций и их приводов. Однако главным критерием выбираемого переключателя является время срабатывания, или время перехода из одного положения (позиции) в другое.
В трубопроводах 3 и 4 обеспечивается одинаковое гидравлическое сопротивление (например, дросселированием и манометрированием). Стенд работает следующим образом.
Пуском переключателя 7 отсекают от выходного трубопровода 8 поток, например, в трубопроводе 3 и тем самым скачкообразно, например, в трубопроводе 4 направляют поток к выходному трубопроводу 8. При этом в канале преобразователя расходомера 6, установленного в трубопроводе 4, формируется передний фронт испытательного импульса расхода, а в канале преобразователя расходомера 5, установленного в трубопроводе 3, одновременно формируется задний фронт импульса расхода. Затем вновь переключателем 7 переключают потоки жидкости в трубопроводах 3 и 4: отсекают от выходного трубопровода 8. При этом в канале преобразователя расходомера 6, установленного в трубопроводе 4, формируется задний фронт испытательного импульса расхода, а в канале преобразователя расходомера 5, установленного в трубопроводе 3, в тот же момент формируется передний фронт импульса расхода. Таким образом, динамическая градуировка расходомеров в обоих трубопроводах осуществляется одновременно.
Как отмечалось выше, главным критерием удовлетворительной работы описываемой установки является максимальное быстродействие запорно-переключающей арматуры. Т.е. запорная арматура стенда должна быть гораздо менее инерционна, чем исследуемые расходомеры. Понятно, что в случае исследования турбинных преобразователей глубинных расходомеров, коэффици 93 ент инерционности которых априори гораздо меньше одной секунды, такое требование не выполнимо.
Принципиальная схема экспериментальной установки представлена на рис. 4.3. В установке на одном валу с турбинкой расположен ротор 1 электрической машины постоянного тока. Посредством статора 2 создавался внешний момент МроТ, который изменялся напряжением питания двигателя. Статор был жестко связан с весами, изменением уравновешивающих грузов которых изменялось величина Мст. Эксперимент проводили при конкретном постоянном расходе жидкости. Под воздействием внешнего момента возникает колебания турбинки.
Очевидно, что данный способ может быть использован для исследования динамики расходомеров больших калибров, момент инерции которых значительно превышает момент инерции системы привода. Для исследования турби-нок глубинных расходомеров реализовать экспериментальную установку по данному методу затруднительно.
Динамические свойства малогабаритных турбинок удобно определять по реакции на ступенчатое воздействие, которое достигается (имитируется) путем мгновенного выведения турбинки из заторможенного состояния. Необходимость торможения турбинки в стабилизированном потоке объясняется тем, что на практике невозможно реализовать мгновенное изменение расхода жидкости в трубопроводе. Даже при очень большой скорости срабатывания запорных клапанов время, в течение которого изменяется проходное сечение клапана и расход, соизмеримо коэффициентом инерционности преобразователя [20, 17, 32].
В первом случае ротор удерживался внешним магнитным полем, которое создавалось с помощью электромагнита, питаемого постоянным током. Полюсы электромагнита располагались против магнитопроводной пластины, заделанной в тело ротора. Обмотка электромагнита изготовлялась с большим числом ампервитков и с малым коэффициентом инерционности, благодаря чему время спада магнитного поля при размыкании цепи питания магнита оказывалось значительно меньше периода раскрутки ротора. Для записи сигнала с турбинки применялся шлейфовый осциллограф. Начало отсчета времени являлся момент размыкания питающей цепи электромагнита.
