检测流体流率的方法和装置制造方法及图纸

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。（*该技术在2006年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
本专利技术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。本专利技术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。本专利技术装置包括机体、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。本专利技术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。本专利技术装置可包括检测活塞运动的系统。本专利技术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。在本专利技术的一种改型中辅助活塞可以支撑流体通道和检测器活塞。依然在本专利技术的范围内，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。本专利技术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专利技术进行说明，图1和图2扼要地显示本专利技术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说明本专利技术的另一种实施方案，图5显示在给定条件下本专利技术系统上游压力变化曲线，图6、7、8、9、10和11显示本专利技术系统的各种改进机型和不同的应用。图1简要地显示了本专利技术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。本专利技术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/(S12) - 1/(S22) )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/(S12) - 1/(S22) )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。本专利技术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。本专利技术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是可以本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：克里斯琴巴丁，皮埃尔莫林，
申请(专利权)人：法国石油公司，
类型：发明
国别省市：FR[法国]