§ 4. Скважинные манометры

Скважинные манометры применяют для измерения давления в действующих и остановленных фонтанных, газлифтных, глубинно-насосных, нагнетательных, а также в пьезометрических скважинах на забое и по стволу,

По назначению скважинные манометры бывают избыточного дав­ления, измеряющие изменение избыточного (или манометрического) давления в скважине, и дифференциальные, измеряющие изменение давления в определенном диапазоне.

По принципу действия скважинные манометры разделяют на следующие группы:

а) пружинные геликсные, в которых в качестве чувствительного элемента применена геликсная пружина;

б) пружинно-поршневые, в которых измеряемое давление воспри­нимается поршнем и уравновешивается упругостью цилиндрической проволочной пружины;

в) пневматические, у которых объем наполняющего прибор газа меняется пропорционально измеряемому давлению;

г) деформационные со струнным преобразователем, у которых измеряемое давление действует на упругий чувствительный элемент, изменяя натяжение прикрепленной к нему струны, колеблющейся в поле постоянного магнита;

д) компенсационные, принцип действия которых основан на си­ловой компенсации измеряемой величины упругим элементом.

По степени точности манометры делятся на технические, имеющие класс точности 0,5 и ниже, и прецизионные (высокоточные), имею­щие класс точности 0,2 и выше.

По способу передачи показаний манометры бывают с местной регистрацией и дистанционные.

Скважинные манометры геликсные. Принципиальная схема самопишущего геликсного манометра приведена на рис. 5.8,а.

Прибор собран в корпусе 17. Дав­ление измеряемой среды через от­верстие 16 в корпусе действует на сильфон 14, соединенный капилля­ром 13 с геликсной пружиной 12. Внутренняя полость сильфона и геликсной пружины заполнена ма­ловязкой жидкостью. Давление от сильфона через жидкость переда­ется геликсной пружине, которая раскручивается на угол, пропор­циональный величине измеренного давления. Запаянный конец ге­ликсной пружины жестко соединен с втулкой 11, q которую вставлена и закреплена ось 9. На оси 9 за­креплена втулка 10 с держателем 18 и пером 19. Раскручиваясь, геликсная пружина вращает ось 9. Перо 19, вращаясь с осью, записы­вает на диаграммном бланке, вставленном в каретку 20, линию, длина которой пропорциональна величине измеренного давления. Перо представляет собой метал­лический штифт. Для диаграммного бланка применяется меловая или цветная бумага, покрытая титано­выми белилами с воском. Острый штифт, двигаясь по поверхности бумаги, оставляет на ней видимый след. Часовой механизм 3, на вы­ходную ось которого насажена зубчатая полумуфта 4, поступатель­но перемещает каретку 20. С помощью зубчатого сцепления часовой механизм вращает ходовой винт 5, который резьбой соединен с хо­довой гайкой 6. От вращения ходовую гайку удерживает планка 7, которая проходит через прорезь в гайке и закреплена в опорах 8 и 21, поэтому ходовая гайка с кареткой 20 имеет свободу только по­ступательного движения.

Н

а диаграммном бланке получается запись изменения давления во времени.

Для введения поправки к показаниям манометра необходимо знать температуру в скважине. Поправку вводят потому, что темпе­ратура в скважине отличается от той, при которой прибор тарируют. Для контроля температуры при измерении давления в скважине в приборе предусмотрен максимальный ртутно-стеклянный термо­метр 15. Прибор спускают в скважину на проволоке 1 из малоуглеродистой стали диаметром 1,6—1,8 мм. Для амортизации часового механизма при толчках и ударах при спуске прибора в скважину предусмотрен пружинный упор 2. Чувствительный элемент—геликсная пружина — изготовлен из трубки бериллиевой бронзы)

Диаграмма записи давления скважинным манометром показана на рис. 5.8,б. Линия О—О прочерчивается пером при перемещении каретки вручную до спуска прибора в скважину и соответствует нулевому избыточному (атмосферному) давлению. Она называется нулевой линией. Линия а—в записана глубинным манометром, по­мещенным в лубрикатор, до начала спуска в скважину, когда бу­ферная задвижка открыта и прибор находится под действием бу­ферного давления.

Расстояние линии b—с от нулевой линии О—О соответствует бу­ферному давлению. Линия с—d записана при спуске прибора и по­казывает давление, возрастающее от буферного на устье скважины до забойного. Линия d—е записана прибором на забое скважины. Расстояние ее от нулевой линии, равное L₂, соответствует давлению в точке измерения. Постепенное повышение линии (закругление в точке d) вызвано изменением упругих свойств геликсной пружины во время прогрева прибора при температуре на забое скважины, поэтому расстояние L₂ от линии, соответствующей давлению на за­бое, до нулевой необходимо измерять не в точке d, а на некотором расстоянии от нее, где линия d—е параллельна нулевой линии.

Линия е—i записана при подъеме прибора от забоя до устья скважины. Расстояние линии i—k от нулевой линии, равное L₃, соот­ветствует буферному давлению. Линия k—m записана прибором после того, как буферная задвижка перекрыта и давление в лубри­каторе упало до атмосферного.

Проекции на нулевую линию отрезков bс, cd, ei и ik дают в масштабе соответственно: время пребывания прибора в лубрика­торе перед спуском в скважину, время спуска, время пребывания на забое, время подъема прибора и время пребывания его в лубрика­торе после подъема от забоя к устью.

Характеристика прибора нелинейна. Давление, соответствующее ординате L_i, определяют по таблице, составленной для каждого прибора при его тарировке.

В настоящее время для исследования скважин выпускается нор­мальный ряд геликсных манометров МГН-2.

Схема устройства геликсного манометра МГН-2 приведена на рис. 5.9.

Измеряемое давление через отверстие 12 действует на сильфон 11, внутренняя полость которого заполнена жидкостью и соединена с геликсной пружиной 9, закрепленной нижним концом в соедини­тельной муфте 10. Верхний конец геликсной пружины наглухо за­паян, и к нему с помощью, втулки крепится ось, нижний конец кото­рой опирается на шариковую опору, а к верхнему, проходящему через уплотнение во втулке 5, крепится стакан 7 регистрирующего устройства. При изменении измеряемого давления свободный (за­паянный) конец геликсной пружины раскручивается и поворачивает стакан 7, к которому крепится перо 6. Перо записывает на диа­граммном бланке, вставленном в барабан 5, ординату, пропорцио­нальную измеренному давлению. Барабан 5 перемещается поступа­тельно с помощью ходового винта 4, который вращается часовым механизмом 2 через редуктор 3. Прибор опускается в скважину на проволоке, которая крепится в головке 1. Манометры МГН-2 имеют

Скважинные манометры пружинно-поршневые (рис. 5.10). Измеряемое давление через отверстие 11 в корпусе 12 и фильтр 9 действует на поршень 5. Давление передается через жидкость, заполняющую камеру манометрического блока, в которой расположена проволочная цилиндрическая пружина 7. Манометри­ческая пружина одним концом соединена с якорем 8, который за­креплен на перемычке корпуса, другим концом крепится к поршню 5. Поршень уплотнен в сальниковой втулке резиновым самоуплотняю­щимся кольцом 6. Под действием давления поршень вытесняется из манометрической камеры. При этом пружина 7, препятствующая вытеснению поршня, растягивается. На конце поршня укреплен дер­жатель 13 с пером 14, которое записывает на диаграммном бланке, вставленном в барабан 4, перемещения поршня. Барабан с диа­граммным бланком вращается часовым механизмом 3, амортизируе­мым в приборе пружинным упором 2. На диаграммном бланке за­писывается изменение давления во времени. Диаграммный бланк и форма записанной прибором кривой изменения давления такие же, как у геликсного манометра (см. рис. 5.8,6).

Для определения температуры при измерении давления в сква­жине (с целью введения температурной поправки) в приборе предусмотрен максимальный ртутный термометр 10. Прибор спускают в скважину на проволоке 1. Погрешность поршневых манометров в значительной мере зависит от трения поршня в сальниковой втул­ке. Для уменьшения этой погрешности ВНИИКАнефтегазом была разработана конструкция глубинного манометра с вращающимся поршнем МГН-1 (рис. 5.11). Измеряемое давление через отверстие в корпусе прибора и гидравлический затвор 8, препятствующий по­паданию пластовой жидкости в полость манометрического блока, действует на заполняющую манометрическую полость жидкость (авиационное масло МК22) и воспринимается поперечным сечением поршня 10, уплотненного во втулке 11 резиновыми кольцами.

Под действием измеряемого давления поршень 10 выталкивается в ка­меру, где расположено устройство регистрации. Перемещению поршня препятствует измерительная пружина 9, которая при этом растягивается на длину, пропорциональную значению измеряемого давления. Поршень 10 соединен с пером 13, записывающим на диа­граммном бланке, вставленном в барабан 14, линию, ордината точек которой пропорциональна измеряемому давлению. Вращение бара­бану от часового механизма 16 передается поводковым устройством 15. Пружина 9 вместе с поршнем вращается электродвигателем 5 через редуктор 6 и вал 7. Электродвигатель питается от электриче­ских батарей 8, зажатых в корпусе упором 2. Для экономии элек­трического заряда электродвигатель включается периодически с помощью электронного прерывателя 4, позволяющего плавно ре­гулировать время периодического включения (от 2 до 4 мин). При установке максимального времени включения общая продолжитель­ность работы прибора без смены батарей составляет 200—300 ч. Во избежание вращения пера при вращении поршня оно соединено с последним через шаровой шарнир 12 и перемещается в струнных направляющих. Таким образом, на диаграммном бланке получается запись изменения давления во времени. Прибор имеет верхние пре­делы измерения 4; 6; 8; 16; 20; 25 и 30 МПа. Основная приведенная погрешность составляет 0,25%, верхний предел рабочей температу­ры +100°С, диаметр 32 мм, длина 1800 мм.

Компенсационные скважинные манометры (рис. 5.12,а). Принцип действия таких манометров основан на силовой компенсации измеряемой величины. Измеряемая величина действует на разделительный элемент 1, связанный с контактным нуль-орга­ном 2, управляющим работой электродвигателя 3, питающегося постоянным током от автономного блока питания 6. При замыкании контактов вал электродвигателя через механическое передающее устройство деформирует пружину 5 до тех пор, пока усилие пружи­ны не станет равным силе, действующей на разделитель. При ра­венстве сил контакты нуль-органа размыкаются и цепь питания электродвигателя прерывается. Число оборотов вала электродви­гателя, пропорциональное деформации пружины, характеризует значение измеренной величины. Оно регистрируется регистратором 4.

Применение рассмотренной схемы компенсационного метода измерений в скважинных манометрах позволило повысить точность, поскольку погрешность и порог чувствительности, как это видно из схемы, не зависят от трения в регистрирующем устройстве. Трение преодолевается двигателем достаточной мощности, который питается от автономного источника питания.

Схема компенсационного скважинного манометра приведена на рис. 5.12,6. Измеряемое давление действует на эффективную пло­щадь сильфона 8, соединенного с винтовой цилиндрической пружи­ной 7, второй конец которой через винтовую пару 6 связан с валом электродвигателя постоянного тока 5. При деформации сильфона подвижный контакт 9 замыкает цепь питания электродвигателя, ко­торый растягивает пружину 7 до тех пор, пока ее усилие не станет равным силе от измеряемого давления, действующего на сильфон. Одновременно вал электродвигателя через винтовую пару 4 пере­мещает поступательно перо 3. При равенстве сил, действующих на сильфон, подвижной контакт вернется в нейтральное положение, разомкнет электрическую цепь и двигатель остановится. Длина линии, прочерченной на диаграммном бланке' пером 3, пропорцио­нальна значению измеренного давления. Барабан 2 с диаграммным бланком вращается часовым приводом 1. Таким образом, на диа­граммном бланке получается запись изменения давления во време­ни. Прибор имеет верхние пределы измерения 2,5; 6,3; 10,0; 16,0 и 25 МПа. Приведенная погрешность 0,25%, рабочая температура 100°С, наружный диаметр прибора 36 мм.

Скважинные дифференциальные манометры. Та­кими манометрами измеряют изменение давления в узком диапазоне с высокой точностью.

Во ВНИИКАнефтегазе были разработаны глубинные дифферен­циальные компенсационные манометры «Селигер-1» и «Самотлор-1», схема которых приведена на рис. 5.13.

Дифманометр «Селигер-1» (рис. 5.13,а) состоит из трех основных частей: манометрического блока 11, регистрирующего устройства 1 и блока питания 111. В манометрическом блоке установлен сильфон 10, восприни­мающий измеряемое давление р_и. Каме­ра 12 предварительно заполняется сжа­тым воздухом под давлением р₃, равным давлению на забое скважины. При этом клапан 9 закрывается и давление за­рядки передается жидкости, заполняю­щей внутреннюю полость сильфона 10, тем самым разгружая его от действия одностороннего давления. При равен­стве давлений р_и и р₃ клапан 9 откры­вается. Под действием приращения дав­ления р_и—р₃ сильфон деформируется, что приводит к замыканию подвижного 13 и неподвижного 14 контактов и вклю­чению цепи питания электродвигателя 5. Последний через ходовой винт 6 пере­мещает уплотненный поршень 5 и через ходовой винт 4 поступательно переме­щает пишущее перо 3, которое регистри­рует значение измеренного давления на диаграммном бланке, вставленном в ба­рабан 2. Барабан вращается часовым механизмом 1.

П

еремещение поршня 8 и пишущего пера 3 происходит до тех пор, пока дав­ление сжатого газа в камере 12 не ста­нет равным измеренному давлению р_и. При этом сильфон 10 возвращается в ис­ходное положение и цепь питания элек­тродвигателя прерывается. Таким обра­зом, перемещения поршня и пишущего пера будут пропорциональны прираще­нию давления р_и—р₃.

Диапазон регистрируемых дифманометром «Селигер-1» прира­щений давления определяются давлением зарядки р₃. С увеличением этого давления соответственно возрастает диапазон регистрируемых приращений, вследствие чего уменьшается чувствительность прибо­ра. Эта особенность пневматических дифманометров ограничивает их применение при гидропрослушивании пластов, где требуется высо­кая чувствительность.

Для гидропрослушивания пластов применяют глубинный пружин­ный дифманометр «Самотлор-1» (рис. 5.13,6). Принцип действия прибора состоит в уравновешивании приращений давления натяже­нием измерительной пружины 7, один конец которой соединен с сильфоном 10, а второй укреплен на гайке 15, поступательно переме­щающейся по ходовому винту 6. При этом начальное давление в скважине компенсируется давлением сжатого газа р₃, заполняю­щего камеру 11. Таким образом, пределы регистрируемых прираще­ний давления и чувствительность прибора определяются только усилием измерительной пружины.

Скважинные дифманометры «Селигер-1» и «Самотлор-1» имеют унифицированные регистрирующие устройства, блоки питания, а так­же отдельные узлы и элементы.

Скважинные дистанционные манометры. Их досто­инства—1) практически не ограниченное время пребывания изме­рительного устройства в скважине, что весьма важно при исследо­вании неустановившихся процессов в пласте, 2) возможность наблю­дать на поверхности значение изменяющегося давления в процессе его измерения, 3) возможность дистанционного контроля давления с диспетчерского пункта.

Дистанционный манометр состоит из глубинного снаряда, в ко­тором расположен чувствительный элемент и преобразователь, кана­ла связи и вторичного прибора.

Принцип действия дистанционного манометра УДГМ-3 основан на частотном методе преобразования. Устройство первичного преоб­разователя показано на рис. 5.14. В основании 2 жестко закреплены неподвижные концы трубчатых пружин 1, подвижные концы которых соединены упругой перемычкой 9. Давление внешней среды через штуцер 11, капилляр 10 и канал 7 действует на внутреннюю полость пружин 1, которые при этом стремятся распрямиться и натягивают упругую перемычку 9 силой, пропорциональной измеряемому дав­лению.

В основании 2 также размещены электромагнит 8, служащий для возбуждения упругих колебаний в перемычке, и электромагниты 3, катушки которых включены последовательно и предназначены для преобразования этих колебаний в эдс. К выходам электромагнитов 3 и ко входу электромагнита 8 с помощью контактов 4 подключен усилитель (на рисунке не показан). В этом случае преобразователь работает в режиме незатухающих колебаний. Частоту колебаний определяют по формуле

где l—длина перемычки; ρ—плотность материала, из которого изготовлена перемычка; σ—натяжение перемычки.

Натяжение перемычки создается трубчатыми пружинами 1 под действием измеряемого давления. Таким образом, σ пропорциональ­но измеряемому давлению, а следовательно, и частота f также про­порциональна этому давлению.

При работе преобразователя в режиме затухающих колебаний используют только электромагнит 8. В него посылается короткий импульс тока, приводящий упругую перемычку в колебание. После исчезновения импульса возбуждения в электромагните 8 наводится эдс переменного тока с частотой, равной частоте собственных коле­баний перемычки. На концах трубчатых пружин расположены гру­зы 6 с регулируемой массой, регулировка которых осуществляется изменением массы свинца 5. Трубчатая пружина 1 и упругая пере­мычка 9 выполнены целиком из одного стержня, изготовленного из сплава с незначительным температурным коэффициентом модуля упругости. Из того же материала изготовлено основание 2.

Преобразователь собран в герметическом вакуумированном кор­пусе 12. Вторичный прибор состоит из конденсаторного преобразова­теля частоты и потенциометра или цифрового частотомера.

Конденсаторный частотомер преобразует поступающую на его вход частоту в пропорциональный ей разрядный ток конденсатора. Эта зависимость выражается формулой

где I—средняя сила разрядного тока; f—частота перезаряда емко­сти (измеряемая частота); С—емкость; u₁ и u₂—минимальное и максимальное напряжения заряда емкости.

Дистанционный манометр имеет сравнительно высокую точность. Максимальная приведенная погрешность его составляет 0,5%.