NO342653B1 - Fluidstrømningssensor - Google Patents

Abstract

En toveis fluidstrømningssensor er vist. Sensoren omfatter en turbin innrettet for å rotere langs en akse drevet av fluid som strømmer forbi turbinen hovedsakelig i aksens retning; en magnet anordnet på turbinen og innrettet for å rotere med turbinen; og en magnetfluksvinkelsensor anordnet ved turbinen og innrettet for å detektere den relative fluksvinkelen til magneten mens den roterer. Den toveis fluidstrømningssensoren er følsom og robust og kan for eksempel bli anvendt i et brønnhull.

Description

BAKGRUNN FOR OPPFINNELSEN

[0001] Utførelsesformer av foreliggende oppfinnelse vedrører en fluidstrømningssensor, som for eksempel kan anordnes på et nedihullsverktøy, så som et gruppestrømningsmålerverktøy.

[0002] Det er ønskelig å forstå fluidstrømningsregimet nede i et brønnhull, som typisk inneholder olje, vann og gass. Spesielt kan ikke-vertikale brønner inneholde gasser som strømmer i én retning, for eksempel oppover, og væsker som strømmer i en annen retning, for eksempel nedover, ofte med forskjellig strømningsmengde.

[0003] Et eksempel på en fluidstrømningssensor anvender tre magneter atskilt aksielt langs en lang spiralroterende turbin, eller en såkalt “spinner”, som er vanskelig å rotasjonsbalansere. I tillegg kan sensorene som blir anvendt være lite følsomme og kan kreve sterke magneter og/eller små klaringer mellom turbinen og det omkringliggende huset. Magnetene har også en tendens til å tiltrekke seg magnetisk produksjonsavfall som legger seg i miniturbinen.

[0004] US 2005/235761 A1 angår en anordning for måling av rotasjonshastigheten og rotasjonsretningen til et objekt som anordningen er plassert i nærheten av.

[0005] Det ville være ønskelig å ha en fluidstrømningssensor som løser eller i det minste reduserer i hvert fall noen av problemene med kjente sensorer.

KORT OPPSUMMERING AV OPPFINNELSEN

[0006] Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer en toveis fluidstrømningssensor, der sensoren omfatter en turbin innrettet for å rotere langs en akse drevet av fluid som strømmer forbi turbinen, en magnet anordnet på turbinen og innrettet for å rotere med turbinen, og en magnetfluksvinkelsensor anordnet ved turbinen og innrettet for å detektere den relative fluksvinkelen til magneten mens den roterer.

[0007] I utførelsesformer av foreliggende oppfinnelse er turbinen enklere å balansere slik at strømningssensoren kan være mer følsom for mindre fluidstrømninger og enklere å tilvirke, noe som sparer tid og kostnader. Siden magnetfluksvinkelsensoren kan være mer følsom enn tradisjonelle magnetsensorer, så som Halleffekt-sensorer, kan videre en større klaring være tilveiebragt mellom turbinen og magnetfluksvinkelsensoren slik at sannsynligheten for tilsmussing av turbinen reduseres.

[0008] Magneten eller magnetene er fortrinnsvis anordnet symmetrisk gjennom turbinens rotasjonsakse. Dette opprettholder rotasjonsbalansen til turbinen langs dens akse og kan lette innfesting av turbinen på en aksel langs dens rotasjonsakse. Magnetens polakse står fortrinnsvis vinkelrett på turbinens rotasjonsakse.

[0009] Fluidstrømningssensoren omfatter fortrinnsvis en elektrisk forbindelse, så som en kabel, som kan bli anvendt for å forsyne elektrisk kraft til sensoren og også for å tilveiebringe en digital utmating fra sensoren. Dette gir enklere forbindelser som er mer robuste og pålitelige.

[0010] Et gruppestrømningsmålerverktøy for et brønnhull er også tilveiebragt, der verktøyet omfatter flere elastiske, utoverstående buefjærer som hver er forsynt med en fluidstrømningssensor ifølge foreliggende oppfinnelse.

KORT BESKRIVELSE AV TEGNINGENE

[0011] Forskjellige utførelsesformer av foreliggende oppfinnelse vil nå bli beskrevet, kun som et eksempel, med støtte i de vedlagte tegningene, der:

[0012] Figur 1 viser et gruppestrømningsmålerverktøy som innlemmer fluidstrømningssensorer ifølge en utførelsesform av foreliggende oppfinnelse,

[0013] Figur 2 skjematisk viser en fluidstrømningssensor ifølge en utførelsesform av foreliggende oppfinnelse,

[0014] Figur 3 skjematisk viser en fluidstrømningssensor ifølge en annen utførelsesform av foreliggende oppfinnelse,

[0015] Figur 4 viser et mer detaljert eksempel på fluidstrømningssensoren ifølge en utførelsesform av foreliggende oppfinnelse,

[0016] Figur 5 viser et eksempel på montering av magneten på turbinen,

[0017] Figur 6 skjematisk viser magnetiske flukslinjer i samsvar en utførelsesform av foreliggende oppfinnelse,

[0018] Figur 7 viser magnetfeltet som oppleves av en fluksvinkelsensor ved forskjellige faser i rotasjonen av en turbin, i samsvar med en utførelsesform av foreliggende oppfinnelse,

[0019] Figur 8 viser et eksempel på en magnetfluksvinkelsensor, og

[0020] Figur 9 skjematisk viser et eksempel på en elektronisk styringskrets som kan være knyttet til en magnetfluksvinkelsensor.

DETALJERT BESKRIVELSE AV OPPFINNELSEN

[0021] Figur 1 viser et eksempel på et gruppestrømningsmålerverktøy 10 som for eksempel kan være utplassert i et brønnhull. Verktøyet 10 har et antall buefjærer 20 festet ved hver ende av verktøyet 10. Buefjærene 20 er elastiske og innrettet for å ekspandere radielt utover til kontakt med en innvendig overflate i et brønnhull, for eksempel, når verktøyet er i bruk. Hver buefjær 20 er forsynt med en fluidstrømningssensor 30 anordnet for å detektere strømningen av fluid forbi dette punktet. Flere fluidstrømningssensorer 30 er anordnet rundt periferien til verktøyet 10 for å kunne måle strømning ved forskjellige punkter på dette stedet i brønnhullet. Dette er fordi fluidet i brønnen kan strømme med forskjellig strømningsmengde i forskjellige deler av brønnen og faktisk også kan strømme i forskjellige retninger, for eksempel i en avviksbrønn, i det gass kan strømme oppover på en øvre side og væske kan strømme nedover på motsatt side.

[0022] Figur 2 viser skjematisk et eksempel på fluidstrømningssensoren 30. Fluidstrømningssensoren har en turbin 31 eller såkalt “spinner” anordnet for å ro tere langs en akse 32 drevet av fluid F som strømmer forbi turbinen 31, typisk hovedsakelig i retning av aksen 32. En magnet 33 eller flere magneter er anordnet på turbinen 31 og innrettet for å rotere med turbinen 31. En magnetfluksvinkelsensor 34 er anordnet ved turbinen 31 og innrettet for å detektere den relative fluksvinkelen til magneten 33 mens den roterer. Magnetfluksvinkelsensoren 34 er anordnet i en fast posisjon, fortrinnsvis i et hus, sideforskjøvet en avstand x fra rotasjonsplanet 35 til magneten 33.

[0023] Selv om bare én magnet 33 er vist i eksempelet i figur 2, kan to eller flere magneter være tilveiebragt for ytterligere å øke oppløsningen til sensorene 30. For eksempel kan to magneter være anordnet i rotasjonsplanet 35 som vist i figur 3, hver anordnet på sidekanten av turbinen 31 på motsatte sider og med motstående poler (nord og syd) vendt ut fra sidekanten av turbinen. Alternativt kan flere magneter være anordnet i lik innbyrdes avstand rundt sidekanten av turbinen 31 i rotasjonsplanet 35, med alternerende poler vendt utover.

[0024] Figur 4 viser et mer detaljert eksempel på fluidstrømningssensoren 30 vist i figur 2. I dette eksempelet er turbinen 31 anordnet på en roterbar aksel 40 langs dens akse 32. Akselen 40 er ved hver ende anordnet på en festeinnretning 41. Festeinnretningen 41 er anordnet på et hus 42 som rommer magnetfluksvinkelsensoren 34 og signalbehandlingselektronikk. Fluidstrømningssensoren 30 er festet til en buefjær 20 på en hvilken som helst passende måte kjent for fagmannen, i dette eksempelet av støtter 43. Som vist i eksempelet i figur 4 er fluidstrømningssensoren 30 anordnet på innsiden eller den konkave siden av buefjæren 20 for å unngå kontakt med borehullsveggen 44, i bruk, som vil kunne skade fluidstrømningssensoren 30. Huset 42 er forsynt med en elektrisk forbindelse 45 som kan bli anvendt for å forsyne elektrisk kraft til signalbehandlingselektronikken og også for å tilveiebringe en digital utmating fra fluidstrømningssensoren 30.

[0025] Figur 5 viser et eksempel på montering av magneten 33 vist i figur 4 på turbinen 31 og akselen 40. Magneten 33 er anordnet i et sylindrisk hulrom dannet i turbinen 31 og gjennom akselen 40. Magneten 33 kan lette innfesting av turbinen 31 på akselen 40 og tilveiebringe en enkelt balanserbar innretning som gjør sensoren 30 veldig følsom og nøyaktig. Akselen 40 kan ha konkave opplagringer 46 for enkel montering av to dreietapper 47 tilveiebragt på festeinnretningene 41.

[0026] Figur 6 viser de magnetiske flukslinjene 36 fra magneten 33 som treffer magnetfluksvinkelsensoren 34 i én posisjon under rotasjon av turbinen 31 og magneten 33 om aksen 32. Som kan sees roterer magneten 33 om aksen 32 i et plan 35 og magnetfluksvinkelsensoren 34 er sideforskjøvet fra dette rotasjonsplanet 35 for å bestemme magnetfluksens retning. Bestemmelse av magnetfluksens retning 36 gir informasjon om rotasjonsretningen til magneten 33 og turbinen 31, og således også fluidstrømningsretningen forbi fluidstrømningssensoren 30.

Kunnskap om strømningsretningen er meget nyttig i brønnhull der fluider kan strømme i den ene eller den andre retningen, eller begge retninger.

[0027] Figur 7 viser skjematisk et plansnitt ved forskjellige faser av rotasjonen av magneten 33 og turbinen 31. Magnetfluksvinkelsensoren 34 er fastholdt og magneten 33 på den roterende turbinen 31 sveiper forbi den ene siden av magnetfluksvinkelsensoren 34 og gir fluksvinklene listet på høyre side i figur 5. Selv om flukslinjer kommer ut radielt i alle retninger fra magneten, er kun den flukslinjen som passerer gjennom magnetfluksvinkelsensoren 34 vist i hver fase i figur 5. Fluksvinkelsignalene målt av fluksvinkelsensoren 34 blir så anvendt for å bestemme rotasjonshastigheten og rotasjonsretningen ved hjelp av signalbehandlingselektronikk vist i figur 9.

[0028] Figur 8 illustrerer diagrammatisk den interne anordningen av magnetfluksvinkelsensoren 34, omfattende, i dette eksempelet, en bro av fire magnetresistive elementer 60 innrettet for å tilveiebringe sinus- og cosinusutmatinger 61, 62 knyttet til fluksvinkelen som oppleves av fluksvinkelsensoren 34. Som vist i figur 8 er broanordningen tilveiebragt mellom en matespenning 63 og en jordforbindelse 64. Magnetfluksvinkelsensorer 34 kan kjøpes for eksempel fra NVE Corporation i USA.

[0029] Figur 9 illustrerer magnetfluksvinkelsensoren 34 forsynt med en signalbehandlingskrets for å tilveiebringe en utmating som angir fluidstrømning forbi fluidstrømningssensoren 30. I dette eksempelet blir sinus- 61 og cosinusutmatinger 62 fra magnetfluksvinkelsensoren 34 begge sendt gjennom en forsterker 70 og mottatt av en styringsenhet 71, for eksempel en mikrostyringsenhet. Styringsenheten 71 behandler de forsterkede sinus- og cosinussignalene og tilveiebringer en utmating på konnektoren 45 som angir retningen og hastigheten til fluid som passerer sensorene 30. Utmatingen på konnektoren 45 kan for eksempel bli lagret eller sendt til overflaten for tolkning og analyse. I dette eksempelet skal konnektoren 45, som kan være én enkelt elektrisk kabel med en omsluttende jordet mantel, både forsyne elektrisk kraft til signalbehandlingselektronikken og også tilveiebringe en digital utmating for lagring/tolkning og analyse.

[0030] Mange variasjoner er mulige i eksemplene beskrevet over som faller innenfor rammen til foreliggende oppfinnelse. For eksempel, i stedet for én enkelt magnet 33 som vist i figurene 2 og 4, kan flere magneter være anordnet rundt periferien av turbinen 31 med alternerende nord- og sydpol. Selv om én bestemt turbinutførelse er illustrert, kan en hvilken som helst passende turbin bli anvendt, som fagmannen vil forstå.

Claims (8)

P A T E N T K R A V

1. Toveis fluidstrømningssensor, der sensoren omfatter:

en turbin innrettet for å rotere langs en akse drevet av fluid som strømmer forbi turbinen,

en magnet anordnet på turbinen og innrettet for å rotere med turbinen, og en magnetfluksvinkelsensor anordnet ved turbinen og innrettet for å detektere den relative fluksvinkelen til magneten mens den roterer.

2. Fluidstrømningssensor ifølge krav 1, der magneten er anordnet gjennom turbinens rotasjonsakse.

3. Fluidstrømningssensor ifølge krav 1, omfattende flere magneter anordnet langs periferien rundt turbinens rotasjonsakse.

4. Fluidstrømningssensor ifølge krav 2 eller krav 3, der magnetens polakse står vinkelrett på turbinens rotasjonsakse.

5. Fluidstrømningssensor ifølge et hvilket som helst av de foregående kravene, der magnetfluksvinkelsensoren er sideforskjøvet fra magneten(e)s rotasjonsplan.

6. Fluidstrømningssensor ifølge et hvilket som helst av de foregående kravene, der magnetfluksvinkelsensoren er innrettet for å tilveiebringe signaler svarende til sinus- og cosinusdeler av det detekterte magnetiske signalet.

7. Fluidstrømningssensor ifølge et hvilket som helst av de foregående kravene, der magnetfluksvinkelsensoren har en styringsenhet med en elektrisk forbindelse som er innrettet for å forsyne elektrisk kraft til styringsenheten og også innrettet for å tilveiebringe en digital utmating fra styringsenheten.

8. Gruppestrømningsmålerverktøy for et brønnhull, der verktøyet omfatter flere elastiske, radielt utoverstående buefjærer som hver er forsynt med en fluidstrømningssensor ifølge et hvilket som helst av de foregående kravene.