Ультразвуковые (доплеровские) расходомеры

В основе работы расходомеров лежит ультразвуковой доплеровский метод измерения объемного расхода.

Принцип действия расходомера основан на определении частотных и временных параметров сигнала. В связи с этим температура и состав жидкости не сказывается на результатах измерения расхода. Скорость потока жидкости измеряется по доплеровскому сдвигу частоты между излучаемыми и отраженными от взвешенных в среде частиц сигналами ультразвуковой частоты, при этом определяется средняя скорость потока жидкости в сечении измерительного канала. Скорость потока жидкости измеряется ультразвуковым импульсно-доплеровским датчиком. Ультразвуковой сигнал излучается под углом (обычно 45°) против потока жидкости, где отражается от частиц и улавливается датчиком.

Для измерения объемного расхода используется метод «площадь-скорость» (умножение измеренного значения средней скорости протекающей жидкости на значение площади поперечного сечения потока) для конкретного типа трубопровода (желоба).

Преимущества:

· простой монтаж и установка;

· отсутствие вмешательства в конструкцию буровой;

· лучшее соотношение цена-качество;

· стабильность измерений;

· высокая надежность и минимальная потребность в обслуживании;

· возможность проводить измерения агрессивных сред;

· возможность использования на каналах различных размеров.

Недостатки и ограничения:

· относительно невысокая точность;

· зависимость от контакта с трубой (подбор клей-герметика, ровная поверхность трубы, очистка от краски);

· для измерения в среде постоянно должно присутствовать достаточное количество отражающих частиц;

· результаты измерений зависят от скорости звука в среде;

· показания сильно зависят от профиля потока.

Данный тип датчиков, учитывая все преимущества и недостатки, является наиболее используемым для технологических исследований при строительстве скважин.

Встречаются датчики как с разнесенными излучателем и приемником, так и с совмещенными.

Так же доплеровские расходомеры встречаются в накладном и погружном исполнении. Накладные используются для измерения скорости и объемного расхода потока в напорных закрытых полностью наполненных линиях. Погружные – для определения скорости и объемного расхода в открытых не напорных желобах, где измеряется вертикальная составляющая (регистрация уровня/глубины) совмещенным или вынесенным датчиком (излучение ультразвукового сигнала под прямым углом к поверхности потока).

 

Рис.8. Принципиальная схема работы доплеровских датчиков расхода для напорных закрытых каналов:

а) с совмещенными излучателем и приемником, б) с разнесенными излучателем и приемником; и для открытых не напорных каналов: в) с совмещенными излучателем и приемником.

 

 

а)                                                               б)

         

в)

Рис.9. Датчики расхода доплеровские: а) Artwik DFM 5.0 (Greyline, в составе СГТИ «КАМА» (ЗАО АМТ и ЗАО НППГА «Луч») «Леуза-2» (ОАО НПФ "Геофизика"), «Контур-2» (ООО НПФ «Геосфера») и др.), б) ICS SQ (ООО «Геотек-Прибор»), в) РУД-342-03М (ЗАО «ГЭЛС», в составе СГТИ Разрез-2).

 

Технические характеристики:

Параметр/Датчик	ICS SQ	РУД-342-03М	Artwik DFM 5.0	Artwik AVFM 5.0
Производитель	ООО «Геотек-Прибор»	ЗАО «ГЭЛС»	Greyline (Канада)
Тип датчика	Накладной/ разнесенный	Накладной/ совмещенный		Погружной/ совмещенный
Диапазон измерений объемного расхода жидкости, м3/с	0-0,1	3,98·10-5-0,08	-	-
Диапазон диаметров труб (для накладных датчиков), мм	≥25	25,5-150	12.7-4500	-
Диапазон измерения уровня жидкости (для погружных датчиков), мм	-	-	-	25,4-4570
Пределы допускаемой основной приведенной погрешности измерения объемного расхода жидкости, выраженные в процентах от верхнего предела измерений, %	±5,0	±2,0	±2,0	±5,0 ±2,0 (скорость) ±0,25 (уровень)
Пределы допускаемой основной приведенной погрешности измерения объемного расхода жидкости, выраженные в процентах от верхнего предела измерений, без предварительной градуировки, %	-	±5,0	-	-
Пределы допускаемой основной приведенной погрешности измерения суммарного объема прокачанной жидкости, выраженные в процентах от измеряемого значения параметра, %	-	±1,0	±0,5	-
Пределы допускаемой дополнительной приведенной погрешности измерения, обусловленной отклонением температуры окружающей среды, %		±0,15	±0,1	±0,1
Диапазон измеряемых скоростей потока жидкости, м/с	0-15	0,1-10,0	0,08-12,2	0,03-6,2
Диапазон рабочих температур, °С	-	-40...+50	-23...+60	-40...+65
Габаритные размеры (длина х высота х ширина), мм	-	170x120x80	278х188х130	278х188х130
Масса, кг, не более	-	1,5	6,3	4,5

 

Индикаторы потока

Индикатор расхода бурового раствора на выходе предназначен для оценки величины расхода бурового раствора в открытом или в закрытом желобе.

Принцип действия индикатора расхода бурового раствора состоит в том, что под действием потока бурового раствора рабочая лопатка датчика отклоняется, что фиксируется первичным преобразователем, которые могут быть магниторезистивного (перемещение магнита относительно магниторезистивного моста) или, реже, акселерометрического (измерение угла наклона) (в станциях АМТ) типов.

Крепление индикатора происходит на стенке отрытого желоба с помощью крепёжного приспособления или в местах врезки в закрытых желобах.

а)                                                                          б)

  

Рис.10. Крепление индикатора потока на выходе в: а) открытой и б) закрытой желобной системе (на примере ИПБР-3310 (ЗАО «ГЭЛС», в составе СГТИ «Разрез-2»).

Индикатор не является измерительным прибором и не способен решать большинство геолого-технологических задач для датчиков расхода на выходе, за исключением сложных предаварийных ситуаций (критические поглощения/проявления). Обычно показания измеряются в процентах потока. Пересчет угла наклона в расход, практикуемый во некоторых станциях, несет в себе поверхностный приближенный характер и происходит с большой погрешностью и ошибкой.

 

а)                                                   б)

                             

в)                                                   г)

Рис.11. Индикаторы потока на выходе: а) ИРМ (ООО НПФ «Геосфера»), б) ИППЖ (ОАО НПФ "Геофизика"), в) Mud Flow Out Sensor (MFOS) (Weatherford), г) MFOS (Shenkai).

 

Технические характеристики:

Параметр/Индикатор	ИПБР-3310-01.1Е (Т,М)	ИППЖ	ИРПЖ	ИРМ	ICS SF	MFOS	MFOS
Производитель	ЗАО «ГЭЛС»	ОАО НПФ "Геофизика"	ТПГ	ООО НПФ «Геосфера»	ООО «Геотек-Прибор»	Weatherford (США)	Shenkai (Китай)
Диапазон измерений потока, л/с	-	0-50/0-100	-	-	-		-
Диапазон измерений угла отклонения лопатки от вертикали, °(град)	15-85	-	-	0-70	0-75		-
Пределы допускаемой основной приведенной погрешности, %	±3,0	-	±2,0	-	±5,0	±2,0	-
Воспроизводимость,%	-	-	±1,0	-	-	±1,0	-
Диапазон измеряемого потока, %	-	-	0-100	-	0-100	0-100	0-100
Диапазон рабочих температур окружающей среды, °С	-50... +50	-	-	-40... +65	-	-25... +85	-40... +85
Габаритные размеры, длина х ширина х высота, мм, не более	525x180x195	180х160х165	-	120х160х470	-	-	-
Масса, кг, не более	10	2,5-4,3	-	3,1	-	-	-

 

а)                                                                          б)

  

в)                                                   г)

    

Рис.12. Примеры датчиков расхода промывочной жидкости:

а) электромагнитного и б) кориолисового, установленных в разрез желоба на выходе бурового раствора из скважины; в) доплеровского, установленного на нагнетательной линии манифольда; и г) индикатора бурового раствора, установленного в закрытом желобе на выходе бурового раствора из скважины.

 

 

а)                                                   б)                                                   в)

 

Рис.13. Типовые кривые данных расхода:

а) при бурении; б) при бурение с последующим возникновением осложнения (проявление пластовой воды) и потока в) при промывке, с последующим подъемом и осложнением (возникновение обратного потока, свидетельствующего о сальникообразовании).