Специфические требования к скважинным манометрам исследование притертой неуплотненной пары

метки: Манометр, Применение, Нефтегазовый, Промышленность, Поршень, Цифровой, Давление, Поршневой

1.1. Специфические требования к скважинным манометрам………………3

1.1.1. Исследование притертой неуплотненной пары………………7

1.1.2. Кинематическая схема манометра с силовой компенсацией..12

2. Скважинный манометр МГД-1………………………………………………13

3. Скважинный манометр МГД – 36……………………………………………..21

4. Функционально-структурная схема скважин кого манометра с силовой компенсацией……………………………………………………………………..26

5. Особенности исследований скважин дистанционными манометрами и обработки результатов……………………………………………………………28

1. Измерение давления в скважине

Барометрия, являясь одним из старых видов промысловых исследова­ний, в последние годы получила еще большее развитие в нефтяной и газовой промышленности. Причиной этому явилось совершенствование теории гидродинамических исследований пластов и скважин.

Основными методами исследования скважин и пластов с использова­нием барометрии являются:

а) метод установившихся отборов;

б) метод карт изобар;

в) метод восстановления давления;

г) метод гидропрослушивания.

В основе всех гидродинамических методов исследований скважин с целью определения фильтрационных характеристик пластов лежат измерения давления в скважине. Чтобы определить фильтрационные характеристики пласта, проводят исследования скважин и пластов при установившемся и неустановившемся режимах эксплуатации.

Кроме основных методов исследованиями скважин путем измерения давления в скважине решается много дополнительных методических и техно­логических задач.

В связи с разработкой месторождений, сложных по своей структуре, как по площади, так и по мощности (толщине), возросли требования к иссле­дованиям скважин и к исследовательской аппаратуре. Большое развитие получили в последнее время методы исследования скважин в переходных режимах (снятие кривых восстановления или падения давления, гидропрослушивание и т. п.), где предъявляются к аппаратуре повышенные требования, как по чувствительности, так и поточности.

Филипас 1. Термодинамическое исследование скважин

... позволяет проводить термозондирование пласта для определения его параметров. Эти исследования также можно применять и для изучения газовых скважин. 1. Термодинамическое исследование скважин. Известно, что ... сильного расширения. Установившееся изменение температуры пластовой жидкости DТ зависит от перепада давления. Эта зависимость, называемая эффектом Джоуля - Томсона, определяется (в первом ...

Барометрия нашла свое развитие применительно к многопластовым месторождениям, чему способствовало внедрение в промысловую практику дистанционной скважинной аппаратуры.

Большое теоретическое и практическое значение имеют отдельные ви­ды исследований скважин многопластовых месторождений путем совмест­ных измерений и регистрации расхода и давления в различных режимах.

Все известные методы исследований действующих скважин с помощью манометров основаны на:

а) точных измерениях давления в каких-либо заданных точках при условно принятом установившемся режиме работы скважины;

б) регистрации кривой изменения давления во времени в отдельной точке

скважины;

в) регистрации кривой изменения давления по глубине.

1.1. Специфические требования к скважинным манометрам

В отличие от манометров, используемых в других отраслях техники, скважинные манометры должны отвечать следующим специфическим требованиям:

а) большие диапазоны измерений;

б) высокая разрешающая способность (чувствительность);

в) возможность спуска прибора на забой через насосно-компрессорные

трубы в фонтанирующих, компрессорных и нагнетательных скважинах или

через межтрубное пространство в механизированных скважинах с ШГН,

С помощью скважинного манометра измеряют давление практически начиная с устья до забоя. Это значит, что манометр должен иметь диапазон измерения от десятых долей МПа (единиц атмосфер) до нескольких десятков МПа (нескольких сот атмосфер).

В то же время при исследовании скважин методом восстановления давления и особенно методом гидропрослушивания скважинный манометр должен иметь разрешающую способность (чувстви­тельность) порядка 0,0001 — 0,0005 MПa.

Наружный диаметр скважинных манометров должен быть не более 42 мм для исследования фонтанирующих и нагнетательных скважин, и не более 30 мм — для исследования компрессорных и механизированных скважин с ШГН.

Перечисленные требования к скважинным манометрам выдвигают их к особому классу приборов, не имеющих аналогов в других отраслях техники.

В настоящее время для измерения давления в скважине используются различные конструкции скважинных манометров. В качестве чувствительных (упругих) элементов применяются геликсная пружина, спиральная пружина с поршневым разделителем (пружинно-поршневые манометры), мембрана и сильфонная пружина. Характерно, что датчик контактного сопротивления, магнито-упругие дачники, пьезоэлектрические датчики и т. п. не нашли при­менения в скважинных манометрах несмотря на их преимущество — непо­средственное измерение давления без промежуточных преобразователей. Среди их недостатков можно назвать низкие метрологические характеристики, наличие больших гистерезисных явлений и зависимость показаний от температуры.

Устройства и ремонт приборов для измерения и контроля давление. ...

... впервые знакомиться с этой проблемой, важно понять основные принципы функционирования измерительных приборов и знать особенности их применения (как правило, большинство из них ... и др. В качестве измерительного устройства могут использоваться различные приборы на основе измерительных механизмов (чаще всего используется магнитоэлектрический прибор). Электронные вольтметры. Электронные вольтметры ...

Из перечисленных упругих элементов наибольшее распространение в скважинных приборах получили геликсные пружины и спиральные пружины с поршневым разделителем (пружинно-поршневые преобразователи) благодаря большим пределам упругого перемещения, т. е. большей разрешающей способности.

По данным работ геликсные и пружинно-поршневые мано­метры имеют примерно одинаковые метрологические характеристики. Экспе­риментальные данные показывают, что основным источником погреш­ностей пружинно-поршневых манометров является трение в поршневой паре. Погрешности же измерительных пружин зависят от материала и технологии изготовления и находятся в пределах 0,1-0,4 %.

Таким образом, пружинно-поршневые манометры при соответст­вующем уменьшении трения в поршневой паре обладают большими возмож­ностями, чем геликсные манометры.

В скважинных пружинно-поршневых манометрах в качестве раздели­теля используется поршневая пара с резиновым уплотнителем.

В последнее время у нас и за рубежом с целью уменьшения трения в поршневой паре стали применять в скважинных манометрах поршневую пару с принудительно вращающимся поршнем, где трение покоя заменяется трением движения.

В качестве упругого элемента в скважинных манометрах используется также сжатый воздух. Однако точность таких манометров значительно ниже, чем у существующих геликсных, и показания их значительно зависят oт температуры окружающей среды. Действительно, объем воздуха с измене­нием температуры меняется по известному закону:

Vt = V0(1± at), (1)

где Vt ,V0 — объем воздуха при температуре соответственно t и 0°С;

a — температурный коэффициент объемного расширения воздуха.

Если забойная температура в скважине изменяется, например, на ∆t=10°С, то Vt=V0 ·(1 + 0,00366

• 10)=V0
• 1,0366.

Сжатый воздух в качестве упругого элемента используется в так назы­ваемых дифференциальных манометрах, т.е. в манометрах, предназначенных для измерения приращений давления. Если считать, что пределы измерения манометра по объему воздуха от V ₀ до 1,5 V ₀ . Тогда, не претендуя на строгость расчетов, можно получить ориентировочно методическую погрешность прибора:

Для точных измерений давления в технике широкое распространение получили грузопоршневые манометры, в которых в качестве измерительного поршня используется неуплотненная поршневая пара. Известно, что неуплотненная поршневая пара является чувствительным элементом образцовых манометров и даже существует на этом принципе эталон измерителя давления с погрешностью не более 0,002%. Однако, несмотря на явные достоинства, до настоящего времени неуплотненная пара не нашла широкого применения в скважинных манометрах. Для оценки возможности использования неуплотненной притертой пары в качестве разделительного поршня скважинных манометров рассмотрим уравнение равновесия сил, приложенных к поршню грузопоршневого манометра:

Неисправности и ремонт поршневых компрессоров

... поршня, амплитуда и мощность, частота вращения вала, объем перекачки воздуха и другим. Схема работы поршневого ... поршневые; Компрессоры поршневого типа позволяют осуществлять сжатие газов до больших давлений. Классификация поршневых компрессорных ... установок). Пусковые наполняют воздушные баллоны для запуска дизелей. Универсальные используют для обеспечения работы ... при сжатии паров холодильного агента, ...

-G + p·S + Tв= 0 (2)

где G — вес груза, кгс;

Т — сила трения в поршневой паре, кгс;

S — площадь поршня, см2;

р — давление под поршнем, кгс/см2.

Применительно к пружинно-поршневому манометру выражение (2) можно записать в виде:

-ch + p·S + Tв =0, (2А)

где с- жесткость пружины, кгс/см;

h — ход (деформация) измерительной пружины, см.

Тогда измеряемое давление будет:

(3)

Как видно из уравнения (3), измеряемое давление уравновешивается не только натяжением пружины сh, но и силой трения в поршневой паре Т_в , которая играет важную роль при оценке метрологических характеристик поршневых пар.

Но данным работы для поршневых пар с упругим (резиновым) уплотнителем трение в поршневой паре выражается в виде:

(4)

где d — диаметр поршня, см;

h — высота резинового уплотнителя, см;

µ = 0,5 — коэффициент Пуассона для резины;

f — коэффициент трения.

Для неуплотненной поршневой пары силу трения практически можно принять пропорциональной давлению под поршнем:

Т_в ≈π ∙в ·h∙p , (5)

где в — радиус цилиндра поршневой пары, см;

h — длина рабочей части пары, см.

Отсюда вытекает, что сила трения прямо пропорциональна давлению под поршнем как для поршня с упругим уплотнением, так и для неуп­лотненной поршневой пары. Таким образом, действие силы трения в обоих случаях не нарушает линейность характеристики прибора, а лишь вызывает изменение угла наклона ее.

Интересно отметить, что для уменьшения силы трения в поршневой па­ре во всех случаях желательно вращать поршень относительно цилиндра, .Для объяснения влияния данного эффекта рассмотрим природу силы трения в поршневых парах.

В поршневой паре с резиновым уплотнением сила трения возникает за счет упругих сил уплотнителя, так как жесткость самого поршня несравнимо велика по сравнению с жесткостью уплотнителя. При вращении поршня относительно уплотнителя уменьшается коэффициент трения между ними, т. с. трение покоя заменяется трением движения.

В неуплотненной поршневой паре поршень и цилиндр взаимно пригоняются так, чтобы между ними образовался весьма малый зазор, поряд­ка нескольких микрон. При использовании вязкой жидкости перепад давления затрачивается в основном на преодоление вязких сил трения, благодаря чему возникает своеобразное гидравлическое уплотнение.

Таким образом, в неуплотненной поршневой паре возникает вязкое жидкостное трение. Помимо жидкостных сил трения в неуплотненной паре может возникнуть контактное трение от непосредственного соприкосновения поршня с цилиндром. Причиной появления такого рода трения является несов­падение направления силы, уравновешивающей давление на поршень (т.е. натяжение пружин), с геометрической осью поршня. Появление контакта между поршнем и цилиндром даже при непрерывной смазке рабочих поверх­ностей жидкостью, протекающей в зазоре, может вызвать только полусухое трение. При вращении одного из элементов (поршня или цилиндра) сухое или полусухое трение заменяется, чисто жидкостным трением. При вращении воз­никает отжимающая сила, подобная силе в подшипнике скольжения.

Гидродинамическая теория смазки устанавливает связь между отжимаю­щей силой и параметрами подшипника в виде выражения

где η — динамическая вязкость смазки, кгс∙с/см² ;

υ — линейная скорость точек, лежащих на поверхности вала, см/с;

l — длина рабочей части подшипника, см;

ψ,Ф — величины, характеризующие геометрические размеры сопря­гающихся деталей, т.е. вала и вкладыша.

Как видно из формулы (6), чем больше скорость вращения, тем больше отжимающая сила Р .

Таким образом, если для поршневой пары с упругим уплотнителем вращение поршня относительно цилиндра необходимо для замены трения покоя трением движения, то для неуплотненной пары для устранения сухого или полусухого трения между поршнем и цилиндром.

1.1.1. Исследование притертой неуплотненной пары

С целью выявления поведения поршневых пар при измерении давления была проведена экспериментальная работа, позволяющая оценить характе­ристики неуплотненной поршневой пары и поршня с упругим уплотнителем.

На рис.1 показано приспособление для проведения этой работы. К измерительной пружине 3 прикреплены с одной стороны испытываемый поршень 2, а с другой поршень4 несколько большего диаметра, чем изме­рительный поршень. С помощью электродвигателя 9 через вал 8, который по­коится на радиално-упорных подшипниках, испытываемый поршень может вращаться. Ход измерительного поршня контролируется индикатором часового типа 1 с ценой деления 0,01 мм (марки ИЧ-10).

Меняя положение муфты 6 с помощью резьбового соединения между корпусами 5 и 7 можно установить при любом значении давления одно и то же положение испытываемого поршня. Давление создавалось с помощью грузового манометра MП-600 класса 0,05.

В табл. 1 и 2 приведены значения хода (∆ l ) соответственно уплотненного и неуплотненного поршней в зависимости от приращения давления (∆р) при различных числах оборотов поршня (п) и номинальных давлениях под поршнем (р). Гам же приводятся значения времени установле­ния соответствующего хода поршня (t ).

При снятии этих данных использова­лись поршни одинакового диаметра (6,3 мм) и одна и та же измерительная пружина. В качестве уплотнителя уплотненного поршня использовался резиновый уплотнитель, а рабочей жидкости — глицерин с вязкостью 850 сП.

Рис.1. Установка для оценки характеристик измерительных поршней

1) индикатор перемещений; 2) испытываемый поршень; 3) измерительная пружина; 4) поршень компенсационный; 5) корпус пружинно-поршневой части; 6) муфта; 7) корпус компенсатора перемещений; 8) вал;

9) электродвигатель

В результате эксперимента сделаны следующие выводы.

1. Вращение поршня увеличивает чувствительность, как неуплотненной притертой пары, так и поршневой пары с упругим уплотнителем.

2. Величина изменения давления, на которое реагирует неуплотненная пара, намного меньше, чем у поршня с упругим уплотнителем.

3. Порог реагирования поршня с упругим уплотнителем растет с увели­чением давления под поршнем; увеличение давления под поршнем не ока­зывает заметного влияния на величину порога реагирования неуплотненного поршня.

Таблица 1

Приращение давления –					0,08		0,1		0,2		0,3		0,4
					+	—	+	—	+	—	+	—	+	—
Номинальное давление – р, кгс/см2	60	Скорость вращения поршня – n , об/мин	0		0 —	0 —	0 —	0 —	0 —	0 —	0 —	0 —	0 —	0 —
			5		2 75	0 —	6 120	3 105
			10		0 —	0 —	7 90	4 90
			15		0 0	0 0	5 60	7 70
			20		0 —	0 —	2 60	7 75
			25		0 —	0 —	6 30	7 100
	90		0		0 —	0 —	0 —	0 —	0 —	0 —	0 —	0 —	0 —	0 —
			5		0 —	0 —	4 110	2 120	4 120	1 120	11 150	12 120
			10		0 —	0 —	7 60	5 90	11 120	13 90	12 100	13 90
			15		0 —	0 —	6 80	6 70	12 120	15 60	18 70	15 80
			20		0 —	0 —	6 45	6 55	14 60	15 45	17 40	18 45
			25		0 —	0 —	6 40	6 40	11 40	13 45	18 40	19 40
	120		0		0 —	0 —	0 —	0 —	0 —	0 —	0 —	0 —
			5		0 —	0 —	0 —	0 —	0 —	0 —	14 150	21 150	0 —	0 —
			10		0 —	0 —	0 —	0 —	0 —	0 —	20 120	0 —		26 120
			15		0 —	0 —	0 —	0 —	0 —	0 —	0 —	0 —	26 150	30 120
			20		0 —	0 —	0 —	0 —	0 —	0 —	0 —	0 —	24 120	27 100

Таблица 2

Приращение давления –					0,04		0,06
					+	—	+	—
Номинальное давление – р, кгс/см2	60	Скорость вращения поршня – n , об/мин	0		0 —	0 —	0 —	0 —
			5		1,5 20	1,5 2	3 10	3 4
			10		1,5 10	1,5 2	3 6	3 3
			15		2 7	2 2	3 10	3 4
			20		2 6	2 6	3 9	3 5
			25		2 4	2 4	3 11	3 4
	90		0		0 —	0 —	0 —	0 —
			5		2 10	2 5	3 10	3 4
			10		2 9	2 3	3 7	3 7
			15		2 6	1 4	3 4	3 3
			20		2 4	2 3	3 5	3 3
			25		2 3	2 1	3 2	3 2
	120		0		0 —	0 —	0 —	0 —
			5		0 —	0 —	3 20	2,5 20
			10		2 30	0 —	3 20	2 60
			15		1 30	0 2	3 40	3 20
			20		1,5 25	1,5 10	3 35	3 17
			25		1 40	1 10	2,5 25	2,5 14

Для грузопоршневых манометров расход жидкости выражается в виде:

Q = υ ∙ S , (7)

где υ — скорость опускания поршня, см/с.

Скорость опускания поршня выражается формулой:

(8)

где h — величина зазора между поршнем и цилиндром, см;

η — динамическая вязкость рабочей жидкости, кГ∙с/см² ;

в — радиус поршня, см;

l ₀ — длина сопрягаемой части поршня и цилиндра, см.

Несмотря на то, что здесь имеет место незамкнутый объем жидкости под поршнем, уравнение расхода жидкости будет справедливо и для нашего случая. Из формул (7) и (8) получим:

(9)

В результате эксперимента было установлено, что через неуплот­ненную пару с h =3-6мкм, в =3,15 мм, l ₀ =6 см и S =0,312 см² под давлением p =100 кгс/см² за 5 ч расход жидкости с вязкостью η =25∙10^-8 кГ∙с/см² со­ставляет 8 см³ .

Согласно уравнению (9), за это время расход жидкости через пару должен составить 5,35-42,8 см³ , что хорошо согласуется экспериментальными данными.

Таким образом, даже при использовании в качестве заполнителя жидкости с небольшой вязкостью, расход через поршень настолько мал, что не может служить помехой при исследовании скважин.

Критической скоростью называется максимальная скорость вращения поршня, выше которой не наблюдается заметного уменьшения величины си­лы трения в поршневой паре. По данным работы критическая угловая скорость для уплотненного поршня колеблется в пределах ω_кр =0,15-0,30 1/с, а поданным для неуплотненного поршня она не выше n =5 об/мин, т.е.:

Уравнение (6.3) можно переписать в виде:

(10)

Величину S + T _в / p называют эффективной площадью неуплотненного поршня (S _эф ), так как она полнее определяет характеристику поршневой пары, чем истинная площадь поршня.

Эффективная площадь поршня может изменяться в зависимости от износа и температуры.

Величина абсолютной поправки на износ и изменение температуры выражается в виде:

(11)

При одинаковом изнашивании поршня и цилиндра ∆ S _эф =0, т.е. погрешность от износа неуплотненной пары отсутствует.

Температурная поправка на показания манометра легко выводится из известных уравнений линейного расширения тела и выразится в виде:

∆р =p (α+β)( t — 20), (12)

где а, β — коэффициенты линейного расширения материала цилиндра и поршня, 1/°С;

t — рабочая температура ,°С.

Таким образом, проведенный анализ неуплотненной притертой нары показывает, что неуплотненная пара имеет бесспорные преимущества перед поршневой парой с упругим уплотнителем.

1.1.2. Кинематическая схема манометра с силовой компенсацией

Спиральная пружина, обладая практически линейной характеристикой, хорошей стабильностью показаний во времени, имеет важное преимущество перед геликсной пружиной: технология изготовления спиральных пружин намного проще по сравнению с технологией изготовления геликсных пружин, чем определяется экономичность их производства и минимальный разброс характеристик отдельных образцов.

Основным недостатком спиральных пружин, как и всех упругих эле­ментов, является наличие петли гистерезиса основной характеристики при прямом и обратном ходе. 11риучете петли гистерезиса при градуировке прибо­ров манометры со спиральной пружиной имеют высокий класс точности. К таким относится, например, глубинный манометр западногерманской фирмы «Лейтерт» обеспечивающий точность выше 0,1% (при учете петли гисте­резиса).

Погрешности манометра за счет гистерезиса можно устранить либо проведением измерений только при прямом (или обратном) ходе, либо ис­пользованием в измерительной схеме приборов метода силовой компенсации.

Последнее подтверждается многократными испытаниями мано­метров МГД-36.

Покажем, как это происходит в действительности?

На рис.2. показаны следующие характеристики манометра: кривая 1-основная статическая характеристика манометра в режиме измерения статического давления, где р — измеряемое давление, MПa, h — величина хода притертой пары от измеряемого давления; кривая 2 статическая харак­теристика манометра при допущении, что измерительным поршнем служит компенсационный поршень и отсутствует гистерезис прибора; 2’, 2” — тоже соответственно при прямом (при росте давления) и обратном ходе манометра.

При измерениях в процессе роста давления измерительная пружина

растягивается сначала па величину h ₁ ^’ (точка А’ при давлении p ₁ ) или h ₂ «(точка

Б’ при давлении p ₂ ), а затем с помощью компенсационного устройства она

сжимается до величины хода соответственно h ₁ (точка А) или h ₂ (точка Б).

При

измерениях же в процессе снижения давления пружина растягивается сначала

на h ₁ «(точка A«) или h ₂ «(точка Б») а после компенсации происходит ее сжатие

до величины хода также h ₁ (точка А) или h ₂ (точка Б).

Pi P 2 Ртах Р

Рис 2. Диаграмма характеристик пружинно-поршневого манометра с силовой компенсацией

Из анализа чувствительных элементов глубинных манометров видно, что:

— наиболее приемлемым чувствительными элементами для глубинных манометров являются геликсная и спиральная пружина с поршневым разделителем;

— с целью улучшения метрологической характеристики манометров представляет интерес использование притертой пары в качестве разделитель­ного поршня;

— спиральные пружины по своим метрологическим качествам и по простоте изготовления выгодно отличаются от геликсных пружин;

— перспективно использование метода силовой компенсации при измерении давления в скважине.

В работах была показана возможность уменьшения погреш­ностей пружинно-поршневых манометров путем придания поршню враща­тельного движения. Результаты исследований, проведенные в работах показывают возможность использования в измерительных преобразовате­лях давления неуплотненной поршневой пары с вибрирующим в продоль­ном направлении поршнем. Такие системы перспективны, т. к. они создают принципиальную возможность разработки высокочувствительных тер­мостойких малогабаритных скважинных пружинно-поршневых манометров.

2. Скважинный манометр МГД-1

Манометр МГД-1 предназначен для измерения давления в действующих нагнетательных и эксплуатационных фонтанных скважинах. С помощью его можно измерять абсолютное давление и регистрировать небольшие приращения относительно предварительно измеренного давления.

Прибор позволяет проводить измерения в скважинах, оборудованных насосно-компрессорными трубами диаметром не менее 50 мм.

По принципу действия прибор относится к пружинно-поршневым манометрам.

Измерительная схема прибора несколько своеобразна (рис. 3).

К измерительному поршню 2, представляющему неуплотненный притертый поршень, прикреплена спиральная измерительная пружина 4, которая другим концом присоединена к уплотненному с помощью резиновых уплотнителей 6 компенсационному поршню 5. Диаметр поршня 5 больше диаметра поршня 2. Прибор снабжен датчиком усилий 1, служащим для измерения величины реакции на него поршня 2 (или датчиком хода, измеряющим расстояние б), и специальным компенсирующим устройством 7, которое может перемещаться вдоль своей оси и фиксироваться при необходимости в любом заданном положении.

На левой схеме прибор не испытывает давления, а на средней схеме прибор находится под давлением и система в равновесии согласно уравнению

где — усилие от давления р на поршень 5; — усилие от давления р на поршень 2; — реакция корпуса 3 на поршень 2.

При этом величина деформации (растяжение) пружины будет

, (5.14)

где — натяжение пружины; с — жесткость пружины; — реакция поршня 5 на пружину 4.

Рис. 3. Принципиальная измерительная схема манометра МГД – 1.

Итак, растяжение измерительной пружины () в этом, случае соответствует усилию, которое оказывает давление р на поршень 2 ().

В данном случае показание прибора () соответствовало бы давлению, измеренному обычным пружинно-поршневым манометром с диаметром поршня .

На правой схеме прибор, находясь под давлением р, с помощью компенсирующего устройства 7 пружина с двумя поршнями приподнята до упора в датчик усилий 1. В этом случае

, (5-15)

где — реакция компенсирующего устройства 7 на поршень 5; — реакция датчика усилий 1 на поршень 2.

При этом растяжение пружины будет

, (5.16)

где — натяжение пружины.

Если при этом принять, что при всех измерениях, будет иметь одно и то же значение, тогда можно написать

, (5.17)

где А — величина постоянная.

В частном случае, когда = 0 и , то

. (5.18)

Из последних двух выражений видно, что растяжение измерительной пружины соответствует усилию на поршень 2. Это значит, что в данном случае показание прибора соответствовало бы давлению, измеренному обычным пружинно-поршневым манометром с диаметром поршня .

Таким образом, с помощью своеобразного измерительного устройства можно измерять статическое (абсолютное) давление в скважине. При этом давлению в скважине будет соответствовать ход компенсационного поршня 5 после корректировки его с помощью компенсирующего устройства 7.

С помощью этого же устройства можно измерять приращения давления относительно измеренного статического давления. Действительно, если после измерения статического давления оставить неизменным положение компенсирующего устройства, то из уравнения при (предположив, что датчик усилия не имеет деформации) имеет или в частном случае (при ) .

Устройство манометра МГД-1 (рис. 4) включает датчик усилия, служащий в качестве нуль-органа при измерении статического давления и измерительного преобразователя при измерении приращений давления (дифференциального давления); первичный датчик, состоящий из измерительного поршня и поршня силовой компенсации (компенсационного) и измерительной пружины; узел компенсации с преобразователем величины растяжения пружины, служащий в качестве силового компенсатора при измерении статического давления и в качестве привода для вращения поршневой пары при измерении дифференциального давления; электронный блок, в котором размещены элементы коммутации и преобразователи измерительных сигналов.

,

В первичном датчике кроме измерительного — поршня, состоящего из притертой пары 26, 27, компенсационного уплотненного поршня 22 и пружины 24, предусмотрены защитный рукав 23, предохраняющий прибор от попадания в измерительную полость пластовой жидкости, упорный подшипник 28, предотвращающий падение поршня из цилиндра, и конус 29, изолирующий датчик усилий от просачивающейся через притертую пару жидкости. Все детали первичного датчика смонтированы в корпусе 25, внутренняя полость которого залита касторовым маслом.

Рис. 4. Скважинный манометр МГД – 1.

Узел компенсации состоит из рабочего винта 10, рабочей гайки 12, электромагнитной муфты, имеющей обмотку 20, корпуса 17, сердечника 21, якоря 16, с посаженной на него подвижным элементом 13 зубчатой муфты с пружиной 14 обратного хода муфты. Узел компенсации приводится от электродвигателя с редуктором 2 через полый вал 5 с продольными пазами, по которым скользит штифт 6 прямоугольного сечения, посаженный на рабочий винт. На конце полого вала 5 нарезаны зубья, с помощью которых через зубчатое колесо 7 вращательное движение передается водилу 8. Водило посажено в корпус узла компенсации на подшипниках 9, а в него на подшипниках 11 посажена рабочая гайка.

На рабочем винте выполнены шлицы, по которым перемещается фиксатор 15, который может также вращаться относительно рабочей гайки.

Электронный блок 1 размещен выше электродвигателя, и к нему подводятся провода связи от струны датчика усилия, от прерывателя 18, служащего для отсчитывания числа оборотов рабочих органов узла компенсации при измерении статического давления и измерения тем самым длины рабочего хода измерительной пружины, от конечного выключателя 3, служащего для отбивки начала отсчета при измерении статического давления.

Работа прибора происходит следующим образом. Перед спуском прибора в скважину при подаче тока повышенного напряжения определенной полярности рабочий винт 10 узла компенсации устанавливается в крайнее верхнее положение, что фиксируется автоматическим отключением двигателя с помощью конечного выключателя 3. отключение конечного выключателя происходит за счет нажатия на верхнюю его пластину движка 4 своими заплечиками при надавливании на последний рабочего винта 10.

После спуска прибора в скважину до необходимой глубины при подачи тока повышенного напряжения другой полярности прибор переключается на режим измерения статического давления. При этом подвижный элемент 13 зубчатой муфты с помощью электромагнита передвигается вниз и своими зубьями входит в зацепление с водилом 8. при этом рабочая гайка 12 начинает вращаться совместно с водилом со скоростью рабочего винта. Эта разница скоростей вращения достигается с помощью зубчатой передачи между полым валом 5 и водилом 8.

За счет разницы в числе оборотов винта и гайки рабочий винт кроме вращательного движения делает поступательное движение вниз. При этом число оборотов с момента начала движения от конечного выключателя отсчитывается с помощью прерывателя 18, на который при вращении периодически на­жимает своим кулачком подвижный элемент 13 зубчатой муфты.

При передвижении вниз рабочий винт 10 вращает пружинно-поршневую систему (22, 24, 26), снижая тем самым трение в поршневых парах. Вращательное движение от винта к поршню 22 передастся через штифт 19, скользящий по пазу винта

При дальнейшем движении вниз рабочий винт начинает толкать вниз компенсационный поршень 22. В момент полной компенсации при достижении определенного значения реакции измерительного поршня 26 на мембрану 30 прибор отключают. Значению измеряемого абсолютного давления при этом будет соответствовать число импульсов, отсчитанное с момента включения прибора до его отключения.

Далее при подаче тока пониженного напряжения любой полярности прибор включают на режим измерения дифференциального давления. При этом электромагнитная муфта отключается, подвижный элемент 13 входит в зацепление с фиксатором 15, и рабочая гайка 12 начинает вращаться с одинаковой скоростью с винтом 10. В этом режиме узел компенсации служит только для вращения поршневых пар.

В данном случае приращения давления в скважине вызывают изменение реакции измерительного поршня 26 на мембрану 30, что преобразуется датчиком усилия в изменение собственной частоты струны.

Рис. 5. Блок-схема манометра МГД-1

Скважинный прибор (рис. 5) содержит фильтр для отфильтровывания электрических шумов двигателя; реле для включения и отключения электромагнита; электромагнит для переключения режима работы прибора; электродвигатель с редуктором, служащий приводом узла компенсации; струнный генератор; прерыватель для модуляции сигнала струпного генератора в режиме измерения статического давления; усилитель для усиления колебаний струны и для согласования выхода с каротажным кабелем.

Но вторичный прибор манометра входят блок питания с переключателем режима работы; переключатель полярности напряжения; усилитель с накопителем сигнала, с выхода которого снимается напряжение, пульсирующее с частотой импульсов от прерывателя; формирующий каскад для формирования импульсов; переключатель счета, имеющий кинематическую связь с переключателем полярности напряжения, для включения того или другого счетчика импульсов; счетчик хода вверх и счетчик хода вниз для регистрирования числа импульсов; усилитель-ограничитель для преобразования частотного импульсно-модулированного сигнала в непрерывный путем ограничения его по максимуму и минимуму; частотно-аналоговый преобразователь для преобразования частоты измерительного сигнала в напряжение постоянного тока.

Принципиальная электрическая схема манометра приведена на рис. 6.

Струна , проволочное сопротивление , резисторы R2, R3 образуют сбалансированный мост, включенный в цепь обратной связи усилителя, собранного на транзисторах V1, V2, V4. Такая система поддерживает колебание струны собственной частотой и является струнным генератором.

Сигнал генератора усиливается усилителем на транзисторе V5 и с него через емкость С4 поступает по каротажному кабелю на вторичный прибор. Напряжение питания усилителей стабилизируется кремниевым стабилитроном V3 и резистором R8.

При измерении статического давления с помощью резистора R11 и прерывателя S2 выходной сигнал модулируется.

Мост на диодах V 6- V 9 служит для питания схемы током напряжения неизменной полярности. Дроссель L 1 и конденсаторы С5, С6 являются фильтром для устранения помех двигателя.

Конечный выключатель SI служит для отключения двигателя при достижении рабочим винтом крайнего верхнего положения.

Рис. 6. Электрическая схема манометра МГД-1

Схема вторичного прибора включает в себя блок питания скважинного прибора, состоящий из силового трансформатора, двух выпрямительных мостов на диодах V20—V27 и фильтрах, выполненных на дросселях L2, L3, конденсаторах С10, С11. Канал измерения статического давления и канал измерения дифференциального давления.

Канал измерения статического давления состоит из двустороннего ограничителя на диодах V15 и V16, детектора на диоде V18, резистора R22, конденсатора С9, двухкаскадного усилителя на транзисторах V19, V21 и электромеханических счетчиков импульсов К1 и К2.

Сигнал со скважинного прибора через разделительный конденсатор С7 поступает на двусторонний диодный ограничитель V15, V16. Ограниченный по максимуму и минимуму сигнал поступает через конденсатор С8 на диоды V17 и V18. На детекторе V18 выделяется сигнал, который соответствует огибающей частоте, модулированной по амплитуде. Величины С9 н R22 подобраны так, что на вход транзистора V19 поступают остроконечные короткие импульсы отрицательной полярности. Эти сигналы усиливаются V19 и через V20 поступают на вход второго каскада усилителя на транзисторе V21. Усиленные в нем сигналы поступают далее на один из счетчиков. Потенциометр R23 служит для регулировки чувствительности выходного усилителя.

Число зарегистрированных импульсов пропорционально измеряемому статическому давлению.

Канал измерения дифференциального давления представляет собой узкодиапазонный частотомер и служит нуль-индикатором, контролирующим частоту нуль-органа в режиме измерения статического давления, и измерителем частоты в режиме измерения дифференциального давления.

Сигнал после диодных ограничителей V15, V16 поступает через конденсатор С8 и резистор R1 на другой диодный ограничитель VI, V2, далее на усилитель-ограничитель на транзисторах V3, V5, где из синусоидальных сигналов формируются импульсы прямоугольной формы. Цепочкой СЗ, R8 импульсы дифференцируются и запускают ждущий мультивибратор на транзисторах V7 и V9, где формируются прямоугольные импульсы постоянной амплитуды и длительности. Эти импульсы фиксируются на нулевом уровне диодом VII. Постоянная составляющая импульсов ждущего мультивибратора смещает рабочую точку усилителя постоянного тока на транзисторе V12, являющегося одним из плеч индикаторного моста.

В диагональ моста включен прибор мА с нулем в середине шкалы. Так как постоянная составляющая импульсов мультивибратора зависит от частоты следования импульсов запуска, угол отклонения стрелки прибора функционально зависит от измеряемого дифференциального давления.

Краткая техническая характеристика прибора

Пределы измерений, МПа:

статического давления……………………………………………………15,0 дифференциального давления……………………………………1,5; 2,4; 4,0;

Предел основной приведенной погрешности, %

при измерении статического давления …………………………………1,5

при измерении дифференциального давления …………………………6,0

Температура окружающей среды для скважинного прибора, °С …. до 70

Габаритные размеры скважинного прибора, мм:

Диаметр……………………………………………………………………42

длина без груза…………………………&he