CN86105519A - 检测流体流速的方法和装置 - Google Patents

Abstract

提供一种检测流体流速的方法和装置。该装置包含构成流体通道的机体，流体通道至少有两个不同的横截面。装置还包括一活塞，它有两个面与活塞室配合，该活塞和活塞室限定两个区，分别位于活塞两面的外侧。装置还包含使该活塞回复到初始或静止状态的机构。上述每个区的压力实际上分别与通道内二个横截面上的压力相等。

Description

本发明涉及在石油钻井区检测流速的装置及方法，特别与在钻井的操作区有关。事实上，在那种操作时常常需要从地面向井底发送信息，特别是为了起动和停止机构。

常规的技术是采用电缆或从表面发送一个球。第一种技术的主要缺点是，由于包括电缆的钻具组不能转动或者至少需要很贵的钻杆配合设备，它的应用仅限于涡轮机钻井。把球释放到钻杆中的用法对钻杆的使用影响不大，但是某些钻井中使用的测量仪器及钻孔底马达和涡轮机不允许这个球通过。

先有技术可以参阅下述文件US-A-1，635，040，US-A-3，717，208，DE-A-2，643，996。

本发明提供一种孔底传感器，它可感受一个或几个流速阈值。通过正确调节流经这个传感器的钻井流体流速，孔底传感器可以检测一个或几个从地面送来的信号或讯息。

另外，这种传感器可以在装置的上游建立过压，可以用它来操作不同的机构。

本发明装置包括机体、活塞和使该活塞回复到初始或静止状态的机构。机体构成被测流体的通道。活塞也可称为检测器活塞，它有两个面与活塞室配合，活塞和活塞室把空间分成两个区，分别在该活塞两面的外侧。

通道本身至少包含两个不同的横截面。

每个区的压力实际上分别与通道内两个横截面上的压力相等。通道可有文氏管的形状，即它可由一个狭窄部接着一个扩大部构成。

活塞可有一个足够长的行程，使它在运动时至少部分阻塞流体流过的通道。

活塞室可为园筒形，它的通径实际上与流体在通道中的流动方向垂直。

上面所讨论的一个区可与最小的截面连通。

本发明装置可包含几个活塞，此外每个活塞包括与之合适的回复机构。至少由活塞限定的一个区可以与通道内一个横截面通过可动的或可变形的壁连通。

本发明装置可包括检测活塞运动的系统。

本发明装置可包含一个辅助活塞，它本身规定两个区，其中一个区和通道内一截面上的压力大体相等。

检测器活塞可有一个足够长的冲程，因它的运动而引起压力的增加可去推动辅助活塞。

在本发明的一种改型中辅助活塞可以支撑流体通道和检测器活塞。

依然在本发明的范围内，该装置可有一导管连通辅助活塞限定的一个区和检测器活塞限定的一个区。另一个导管使这两个区的压力实际上与通道内按流动方向位于检测器活塞上游的横截面上的压力相等。

本发明也提供检测某种流体至少一个阈值流速和应用因这种流速产生的控制作用的方法。这种方法使该流体通过至少有两个不同横截面的通道，当达到阈值流速时，通道至少部分被阻塞以引起该流体压力下降，应用在阻碍物两边存在的压力差作为控制作用。

通过举例结合附图对本发明进行说明，图1和图2扼要地显示本发明装置的简单实施方案。

图3给出在一固定装置中压力差作为流速函数的变化特征曲线，

图4说明本发明的另一种实施方案，

图5显示在给定条件下本发明系统上游压力变化曲线，

图6、7、8、9、10和11显示本发明系统的各种改进机型和不同的应用。

图1简要地显示了本发明装置的一种实施方案。

这个装置包括：

一个阻碍体接在文氏管1流体通道扩大部的前面。文氏管内至少构成一个镗孔20，孔的轴实际上与流体通过文氏管的流向垂直。这个镗孔开口在文氏管中，该处流体通道SC的横截面小于文氏管流体通道入口SE横截面或出口SS横截面。这个截面SC最好是文氏管中最小的流体通道截面，但也可是别的。在图1的情况，在扩大部和阻碍体之间存在截面恒定的区;

与镗孔20配合的活塞2，最好是园筒形，它有两个面记为17，23，限定的两个区记为24和15;

系统12用于活塞2和镗孔20之间的密封，为O环形密封;

使活塞回到活塞室的系统，施加与活塞伸出方向相反的回复力F。这个回复系统有下列部件构成，杆3与活塞2组成整体，垫圈5与杆3组成整体，弹簧4位于垫圈5和文氏管1一部分的肩部21之间。弹簧4一旦装入就被压缩以便在活塞2上加上力F，这力保持该活塞压到肩部21上;

如果需要可以提供系统18来检测活塞的运动。这个系统可以是机械的如杠杆，电气的如触头、开关，液压的如分配器，气动的，磁的，电子的或任何其他类型的;

包括导管13的连通室是在文氏管体内，它是在固态的壳体中构成，以同流体流动方向实际上垂直的方式开口到流体通道中，开口处流体通道的截面大于SC段的截面，并与活塞平行。导管13将截面16上流体静压传递到活塞2的“后”面23。作为一般准则，作用在活塞23面上的流体会跟通过文氏管的流体一样。但是为了装置的耐久性和可靠性，希望使用不同的流体。

本发明的一个实施方案考虑到这点，将参考图6和后面的图进行说明。

当流体通过文氏管1时，文氏管不同截面上的静压为不同的值。按照下面应用于不可压缩流体的伯努利定理可以计算两个截面S1和S2之间的压力差：

Ps₁+1/2RV²s₁+RgZs₁＝Ps₂+1/2RV²s₂+RgZs₂+DH₁₂（Ⅰ）

式中Ps₁和Ps₂分别是截面S1和S2上的静压值，

Vs₁和Vs₂分别是截面S1和S2上的流体的流速，

Zs₁和Zs₂分别是截面S1和S2相对固定参考系的高度变化值，

R    是流体的体积质量，

g    是重力加速度，

DH₁₂是流体在截面S1和S2之间的压力降。

为了简化也为了使描述更清楚，我们可以认为Rg（Zs₁-Zs₂）项比1/2R（V²s₁-V²s₂）项小，DH₁₂项比（Ps₁-Ps₂）项小。

如果导管13开在文氏管狭窄部上游的截面中，使开口点产生很小的压力降，上述的比较将要更详细的证明。

那么伯努利方程（Ⅰ）变为

Ps₂-Ps₁＝1/2R（V²s₁-V²s₂） （Ⅱ）

如果Q是流体的体积流速，方程（Ⅱ）可以写成

Ps₂-Ps₁＝1/2R（ 1/(S₁ ²) - 1/(S² ₂) )Q²（Ⅲ）

对给定的装置，S1和S2是常数。方程Ⅲ可写成

Ps₂-Ps₁＝ARQ²（Ⅳ）

式中 A＝1/2（ 1/(S₁ ²) - 1/(S² ₂) )是常数。

从方程Ⅳ清楚可见对给定的流体以及固定的体积质量，压力差Ps₂-Ps₁仅作为流速Q平方的函数而变化。

当流速达到一定值时，称为临界流速Q值，加在活塞2截面S上的压力差DP＝Ps₂-Ps₁，产生力的f＝DP×S足够克服回复力F加上密封系统12产生的摩擦力。

在那个时刻，活塞将离开它的活塞室直到各力达到新的平衡，即要么是回复力增加，要么是机械的制动作用使运动部件（活塞、杆、垫圈…）停在某位置。

图2表明这种新的平衡。在活塞移动时系统18检测到这种信息，它直接代表流体体积质量R乘以流速Q平方的积：RQ²。

图3的曲线表示对于给定的流体，压力差DP作为流速Q的函数而变化（R是常数）。当流速达到临界流速Q值时压力差DP等于回复力F除以活塞2的截面S。图3中曲线36显示众所周知的文氏管系统的曲线形状。文氏管做流速检测器时精度很高。事实上因为压力差DP作为流速平方的函数变化，所以后者很小的改变产生压力差DP显著的变化。例如流速改变10%将引起压力差DP接近20%的变化，流速改变20%将产生压力差DP接近44%的变化。

本发明系统把文氏管系统的精确性和机械系统的坚固性、可靠性和中等的成本结合起来，特别适合在恶劣的环境（如高温、高压）中工作。

本发明系统的流速阈值有很大的可调范围，在流速达到阈值时可使活塞移动。事实上对给定的流体，临界流速将取决于活塞对面流体通道的截面，取决于导管13末端锐孔14或出口所在通道的截面，取决于活塞的截面S和取决于回复力F。

这三个截面是制造的数据，当系统一旦建成就不可改变。另一方面回复力F是可以调正的（例如更换弹簧或改变它的初始压力），这就给予本发明系统有利于适应各种环境的调节手段。

本发明系统可以包含几个相同或不同截面S的活塞。是检测相同或不同的流速决定这些活塞的截面和回复机构的机械特性。这样就可检测流速的范围。例如按照检测流速Q₁的活塞已经移动而检测流速Q₂的活塞没有动，或者两个活塞都移动或都没有动就可以知道在给定时刻通过本发明装置的流速是在阈值Q₁和Q₂之间，还是小于或大于这些阈值流速。

把本发明系统放入流体的流速保持常数的管道中也可作为体积质量检测器。

那末将有可能调节回复机构使活塞在给定的体积质量R产生移动。

本发明系统用于体积质量检测时精变低于检测流速，因为压力差只决定于体积质量自乘A次幂。

图4显示本发明系统的一种改型，它的主要差别在于调位活塞2所在流体通道的截面大于压力取样口14所在的截面，压力通过导管13作用到活塞2背面。

在这种情况下活塞2的运动和弹簧4的作用将与图1所示的系统正好相反。

将仍有可能采用检测系统18传感活塞2的运动。

图2显示活塞2的位置，已离开它的活塞室，部分阻塞流体通道的截面。如将活塞的头部缩进活塞室内（或使用如图4所示的改型），有可能安装活塞而不阻塞（即使部分阻塞）流体通道的截面。

但是可以部分阻塞流体流动通道正是本发明系统的优点。

事实上，它可以使信号检测器，在这种情况下是流速阈值检测器，和能产生一定推动力来操作设备的系统，例如活塞，一起安装在一个装置内。

事实上当该活塞或活塞2阻塞流体F1的流动通道或渠道24时，他们在文氏管上游和下游之间产生压力降DT，这相应于流体的总能量以热的形式降级。

考虑本发明系统（图2）分别位于上游和下游的两点B和C，能量降级的结果产生压力差dP，它的近似值可由下面的方程Ⅴ计算：

dP＝1/2R（V₁-V₂）²＝P_B-P_C（Ⅴ）

式中    R是流体的体积质量，

V₁是流体在被阻塞截面15上的流速，

V₂是流体在C点的流速，

P_B是在B点的总压

Pc是在C点的总压

如果流体通道截面在B、C点处相等，可以测量这个压力差并与所计算值比较。如果流体通道截面在B、C点处不同，则压力的测量值将同时反应在B、C两点间产生的压力损失和动能1/2RV²的变化。

图5中的曲线37显示当活塞2部分阻碍流动时本发明系统上游压力的变化。

当流速保持在小于临界流速Q值区时，压力以流速平方的函数变化。当达到临界流速时，活塞2向外移动引起B点压力突然增加，如曲线37的PB1-PB2段所示。对较高的流速，在B点的压力又作为流速Q平方的函数变化。

当活塞2伸出时，因压力PB1-PB2的突然变化使本发明装置实现正确的操作。这可以借助压力测量进行远距离检查。

如图6所示的改型，用该活塞或几个活塞伸入到活塞2上游流体F1中所产生的过压来推动一个部件。另外，由于流体F1与用来推动上述部件的流体是隔离的，图6所示的改型可以使用输送杂质的流体F1，这点下面将进一步解释。

图6所示的系统不包含与活塞的运动有关的检测系统18，但没有排除这种可能性。在所示的改型中，通过螺母6和垫圈7调节回复力F的初值有可能调节被检测的阈值，通过开口8可以拧动此螺母。

充满流体F2（如液压油）的连通室13起着流体F2储槽的作用。在活塞2伸出时用流体F2操作机械或相关的部件。将有可能使用几个各自独立的连通室13去操纵不同的机构。

因此连通室13将与位于文氏管上游的流体流动通道22的一部分有关。用弹性膜10将流体F1与F2物理上隔离，用一金属或非金属制作的部件9保护弹性膜10免受流体F1的腐蚀作用，部件9中开孔以把压力从流体F1传到F2。

部件9也将防止膜10变形凸向流体流动通道22，这将引起意外的通道阻碍。当然可用其他部件代替膜，特别是用活塞。

可以在流体F2的回路中配备一个补偿室11，主要目的是补偿流体F2受热膨胀，以避免流体F2压力不希望的增加可能引起的系统误操作。

图7表示当通过文氏管1的流速大于或等于予调的临界流速时本发明改进系统的操作。在压力差作用下活塞2离开活塞室，部分阻塞流体流动通道。活塞的运动要求传递一定体积V的流体F2从室13到由活塞面23和镗孔20所形成的空间或区15。

因为膜10变形可以保持流体F2的总体积不变，因为通过部件9传递了相等体积V的流体F1，所以这种传递是可能的。

在图6和图7中，流体F2用来推动环形的压着弹簧26的辅助活塞25。

这个系统的操作如下：

当流体流速达到被称作临界流速的阈流速时，活塞2部分阻塞流体F1的流动通道24，在B、C两点间产生压力降，结果将得到B、C间的实际压差：P_B-P_C＞0。

用图中标注的系统尺寸，将压差P_B-P_C乘辅助活塞25的有效截面积SP得到的力比弹簧26的力大，那么受压的流体F2从室13流出，通过导管27推动活塞25和压缩弹簧26。这是图7所示的情况。

如图7所示，推动活塞25所需流体F2的体积可由膜10变形占去的室13的初始体积或者由流体F1通过部件9传递的等量体积求得。应注意，如果流体F1和F2是同一种流体，系统也能操作，也就是没有膜10、部件9以及补偿室11。

活塞25的运动压缩弹簧26，可以认为是积蓄以后可能要用的一定能量。

如图6所示，通过减小流速F1的流速直到B处压力降到足够低时活塞2和活塞25复位，系统回到初始位置。应该说明，活塞2和25的复位即可同步也可不同步。

使可动的辅助活塞与流速检测、能量降级系统组成一个整体和直接利用流体F1作为驱动活塞的流体，可以想象在给定流速下推动活塞的本发明系统的应用。

图8是显示这种系统的简单图例，部件28表示可移动的辅助活塞，部件29是系统的外壳。弹簧26约束活塞28的运动。可动的辅助活塞与外壳29之间的密封可用唇形密封圈30。

当然图8所示装置的膜10，栅板9和装置的补偿室11都可以省略，不会越出本发明的范围。

下面给出这个实施方案的操作：

当流速达到称为临界流速的某流速时，活塞2离开活塞室，产生压力降结果使辅助活塞28运动并压缩弹簧26。

当然图8所示的实施方案中，辅助活塞在移动中推动活塞2，这与图6、7所示的实施方案情况不同。

另外图8所示的实施方案中，膜10变形所排开的体积仅对应于活塞2和补偿室中活塞19运动所释放的体积。

图9表示有几个活塞“反应”不同流速的本发明系统的一种可能实施方案。在我们的特定情况下有三个活塞38、39、40具有相同截面积，水平排列在具有相同截面的流体通道中。弹簧41，42，43分别与前述的各活塞相连，在活塞上产生各不相同的回复力。因此它们将对不同的临界流速Q₁，Q₂，Q₃反应。

可用分别为C₁，C₂，C₃的触点与各活塞相连，使相应活塞运动时接通附加的电子线路。

让我们假定 Q₁＜Q₂＜Q₃。

让我们假定通过系统的流速Q为Q₁＜Q＜Q₂。

系统将由图9所示状态变化到图10所示状态。活塞移动，结果打开触点C₁。因为活塞P₂和P₃没有移动，所以触点C₂和C₃将保持闭合状态。图中未表示的与此连接的电子或电气线路会考虑这三个数据。

包含分别在流速为Q₁和Q₂时反应并分别与触点C₁和C₂相连的两个活塞38、39的系统，可用来起动和停止例如井底数据记录系统。在其余的描述中将假定Q₁小于Q₂。

很容易建立当C₁打开时控制开始记录和当C₂打开时控制停止记录的电路。因此通过调节流速很容易控制记录周期。

如法国专利78/22·063，79/08·803，79/08·804，80/29·890，82/00·652描述的那样，也可应用本发明系统控制用于定向钻孔的可变角度弯管接头。

事实上，用于定向钻孔的可变角度弯管接头的操作，需要被考虑的信息和在接头的一部分建立瞬时过压以便移动活塞。

通过销和槽的配合，辅助活塞的移动引起弯管接头的下部相对上部的旋转，因为可变角度弯管接头的设计，旋转的结果在上面提到的两部分的轴之间产生一个角度。

本发明系统的应用不局限于可变角度弯管接头的单一情况，而是在很多应用中发现其优点，特别是可应用在位于无法进入管道中的设备，而管道中流着不可压缩的流体;要求把信息传送到这个设备的场合;和为操作机械需要一定能量的场合。

例如这可用来控制扩孔器各臂分开的间隔，扩孔器在钻井中用来扩大井的直径。图11表示本发明系统的一种可能应用，移开井扩孔器的臂32。当流速高于临界流速时活塞2部分地阻塞流体流动通道，在B点和C点间产生足够大的压差DP移动活塞31，它通过杆44与扩孔器的臂32相连，于是使扩孔器的臂32相对轴33旋转。

这个运动的结果使割刀轮34离开井轴35，这个装置旋转的结果使井直径扩大。在这种构型中，只要流速维持适当的高值，扩孔器的臂就一直保持在原位上。可以在这个装置中引入活塞31或臂32位置的机械或液压的锁紧机构。因而有可能利用本发明的流速检测系统控制打开这种锁紧机构，当流速高于初始临界流速时，这系统响应，控制各臂移开。导管45和膜46可传递和蓄积由活塞31移动而排开的流体。

                                                        勘误表

Claims (12)

1、一种检测流体流速的装置，其特征包括构成流体通道的机体，该通道至少含有两个不同的横截面；装置至少包含一个活塞，它有两个面与活塞室配合。活塞与活塞室限定两个区，分别位于活塞两个面的外侧；装置还包括使该活塞回到初始或静止状态的回复机构；上述每个区的压力实际上分别与通道内二个横截面上的压力相等。

2、如权利要求1所述的装置，其特征是它的通道有文氏管的形状，就是说它包含一个狭窄部接着一个扩大部，上述的一个区是连通到最小的横截面上。

3、如权利要求1，2中任意一项所述的装置，其特征是它的活塞有一个足够长的行程，当它运动时至少部分阻塞流体的流动通道。

4、如权利要求1至3项中任意一项所述的装置，其特征是活塞的活塞室为园筒形，活塞室的轴实际上与流体流过通道的方向垂直。

5、如权利要求1所述的装置，其特征是它包含几个活塞，每个活塞都有对它合适的回复机构。

6、如权利要求1所述的装置，其特征是至少上述的一个区与二截面中之一通过可动或可变形的壁连通。

7、如权利要求1所述的装置，其特征是它含有检测上述活塞运动的系统。

8、如权利要求1至7项中任意一项所述的装置，其特征是它包括一个辅助活塞，它规定两个区，其中一个区和该通道内某截面有相同的压力。

9、如权利要求8所述的装置，其特征是该活塞有足够长的行程，从而它的运动引起压力的增加可使辅助活塞移动。

10、如权利要求8所述的装置，其特征是该辅助活塞支撑着通道和该活塞。

11、如权利要求8所述的装置，其特征是它包含一导管把辅助活塞规定的一个区和上述活塞规定的一个区连通，用另一根导管使这两个区实际上与通道内按流动方向位于所述活塞上游的某一横截面具有相同的压力。

12、一种方法用于检测流体至少一个阈值流速和应用由这个流速产生的控制作用。其特征是使该流体以阈值流速流经至少有两个不同横截面的通道，该通道至少部分被阻塞，以便使流体产生压力降，可应用在该阻碍体两边存在的压力差作为控制作用。

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