СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УРОВНЯ ЖИДКОСТИ В СКВАЖИНЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК E21B47/04 G01F23/00 

Изобретение относится к контролю уровня жидкости в скважинах акустическим методом и может быть использовано при измерении статического и динамического уровня в нефтяных скважинах.

Известен способ определения уровня жидкости в скважине [1] включающий калибровку скорости лентопротяжного механизма (ЛПМ) самопишущего прибора записью на термобумаге образцовых меток времени, генерацию акустического импульса на устье скважины, преобразование отраженных акустических сигналов в электрические, усиление, фильтрацию и запись их на самопишущем приборе, определение по образцовым меткам времени фактической скорости движения ЛПМ - К, мм/с, измерение на графике акустического сигнала расстояния между зондирующим и отраженным сигналами L, мм, измерение по стрелочному манометру давления газа в затрубном пространстве, определение скорости звука по таблице зависимости скорости звука от давления V, м/с, и затем вычисление уровня жидкости по формуле U L•V/2K, м.

Известна система регистрации уровня жидкости для механизированного фонда скважин [1] содержащая последовательно соединенные акустический преобразователь, активный фильтр низких частот, фильтр постоянной составляющей, электрокардиограф, кварцевый калибратор скорости движения лентопротяжного механизма. Кроме того, система содержит конструктивно связанные с акустическим преобразователем генератор акустических импульсов и стрелочный манометр.

Недостатком известных способов и системы регистрации уровня жидкости является низкая информативность графика акустического сигнала, получаемого на электрокардиографе. Невозможно сравнить между собой эхограммы, полученные с разных скважин по уровню шумового фона скважины и коэффициенту затухания акустического сигнала. Кроме того, для каждой скважины оператору необходимо опытным путем подбирать усиление в вертикальном тракте отклонения пера электрокардиографа.

Известен также способ генерации данных, определяющих уровень жидкости в скважине [2] включающий инициацию акустического импульса на устье скважины; непрерывное отслеживание давления в скважине рядом с устьем для индикации отражений акустического импульса, производимых изменениями в площади поперечного сечения скважины; периодическую выборку электрического сигнала; запоминание каждой выборки в запоминающем устройстве; обработку запоминаемых выборок для получения оценки скорости акустического импульса; использование оценки скорости для вычисления глубины скважины, с которой отражен выбранный импульс; запись запоминаемых выборок на графике.

Известно устройство для определения уровня жидкости в скважине [2] которое содержит последовательно соединенные акустический преобразователь, предварительный усилитель, многопортовый мультиплексор, аналого-цифровой преобразователь, микропроцессорный контроллер, печатающее устройство, цифро-буквенный дисплей. Кроме того, устройство содержит конструктивно связанный с акустическим преобразователем генератор акустических импульсов.

Недостатком известных способа и устройства является низкая информативность графика акустического сигнала, получаемого на печатающем устройстве. Кроме того, неэффективно используется бумага. Так, для печати одного графика акустического сигнала для относительно глубоких скважин требуется бумажная лента шириной 20 см и длиной 1,5 м. Акустический сигнал записывается в оперативно-запоминающее устройство (ОЗУ) без сжатия динамического диапазона, что требует большой емкости ОЗУ.

Известен способ измерения уровня жидкости в скважине [3] выбранный в качестве прототипа, включающий генерацию акустического импульса на устье скважины, преобразование отраженных акустических сигналов в электрические, усиление, фильтрацию и запись их на самопишущем приборе, определение уровня жидкости умножением числа трубных муфт, подсчитанных на графике акустического сигнала от устья до уровня жидкости на среднюю длину насосно-компрессорной трубы (НКТ) или умножением времени прохождения звука от устья скважины до уровня жидкости, измеренного по графику акустического сигнала, на скорость звука, взятую из табличных данных в зависимости от давления и свойств газа и делением этого произведения на два.

Известен прибор для измерения уровня жидкости в междутрубном пространстве буровой скважины эхометр [3] выбранный в качестве прототипа, который содержит последовательно соединенные акустический преобразователь, усилитель, фильтр, самописец. Кроме того, эхометр содержит конструктивно связанные с акустическим преобразователем генератор акустических импульсов и стрелочный манометр.

В качестве акустического преобразователя используется микрофон - двухдисковое, чувствительное к давлению устройство. В качестве генератора акустических импульсов используется газовый пистолет, состоящий из камеры с выпускным клапаном. Выпускной клапан быстро открывается, когда курок спущен. Это создает импульс давления.

Импульс давления подается от устьевого устройства, которое подсоединено к арматуре затрубья на поверхности, и устремляется по газу затрубья вниз, где отражается муфтами, уровнем жидкости и другими преградами. Микрофон в устьевом устройстве преобразует импульс давления в электрический импульс, который усиливается, фильтруется и записывается на полоске бумаги. Полученный график акустического сигнала показывает число муфт на трубах до уровня жидкости. При одинаковой длине труб, составляющих НКТ, уровень жидкости определяют умножая число трубных муфт на среднюю длину трубы. Если длина труб НКТ разная или муфты на графике трудноразличимы, то уровень жидкости может быть определен путем измерения времени прохождения звука от устья до уровня жидкости по графику акустического сигнала и умножения его на скорость звука, зависящую от давления и свойств газа, взятую из табличных данных, и затем деления этого произведения на два.

Перед подачей импульса давления ручкой "чувствительность" увеличивают чувствительность эхометра, пока амплитуда пера не будет равна 3 мм. Положение ручки регулировки чувствительности будет показывать уровень шумового фона в скважине. Причиной шумового фона являются вибрации на поверхности, вибрации от привода насосов, вибрации колонны, утечки газа в соединениях, "пробулькивание" газа из жидкости на забое и другие дестабилизирующие условия.

Известные способ и устройство [3] имеют следующие недостатки. При записи графика акустического сигнала изменение его амплитуды может достичь 10 000 раз. Изменение амплитуды пера записывающего устройства визуально различимо до 100 раз. При этом чем меньше сигнал, тем труднее его различить. Происходит неизбежная потеря части информации, особенно на малых сигналах. Кроме того, оператор регулирует чувствительность прибора опытным путем для каждой скважины, непроизводительно используя рабочее время. При малых шумах скважины (т.е. при максимальной чувствительности) первые по времени генерации импульса давления большие акустические сигналы, отраженные от муфт, а также многократные отражения от уровня жидкости и других преград ограничиваются усилителем и поэтому теряется важная информация об амплитуде этих сигналов.

При расшифровке графика акустического сигнала для определения уровня жидкости оператору важно знать амплитуды: прямого, первого и многократных отражений акустических сигналов от уровня жидкости, так как уровень жидкости определяется по первой амплитуде отраженного акустического сигнала, меньшей или равной амплитуде прямого акустического сигнала. Многократные отражения от уровня жидкости определяются аналогично. По затуханию акустического сигнала (отношение амплитуды отраженного к амплитуде прямого сигнала) можно судить о количестве "пены" скважины, образующейся при вспенивании столба жидкости за счет газа при малых давлениях.

Графики акустических сигналов для разных скважин получают с разной установкой ручки "чувствительность", и на них шумовой фон скважин приблизительно одинаков или отсутствует. Поэтому невозможно по графикам акустических сигналов сравнивать скважины между собой по уровню шумового фона, что важно для диагностики неисправностей оборудования скважины.

Задачей изобретения является повышение информативности графика акустического сигнала, стандартизация графиков акустических сигналов для разных скважин по амплитуде сигналов, упрощение процесса определения уровня жидкости за счет исключения операции регулировки чувствительности.

Это достигается тем, что в способе определения уровня жидкости в скважине, включающем генерацию акустического импульса на устье скважины, преобразование отраженных акустических сигналов в электрические, их усиление, фильтрацию и запись на самопишущем приборе, определение уровня жидкости умножением времени прохождения звука от устья скважины до уровня жидкости, измеренного по графику акустического сигнала, на скорость звука, взятую из табличных данных в зависимости от давления и свойств газа, и делением этого произведения на два, согласно изобретению, после фильтрации сигнала производится определение корня квадратного амплитуды сигнала, а затем полученный сигнал записывают на самопишущем приборе.

Поставленная задача достигается также тем, что устройство для определения уровня жидкости в скважине, содержащее генератор акустических импульсов, стрелочный манометр и последовательно соединенный акустический преобразователь, усилитель, фильтр, самописец, согласно изобретению, дополнительно снабжено определителем корня квадратного, включенным между фильтром и самопишущим прибором.

Повышение информативности графика акустического сигнала достигается за счет сжатия динамического диапазона амплитуд акустических сигналов по функциональной зависимости корня квадратного с 10 000 до 100 раз. Выбранная функция обладает свойством непрерывности и свойством уменьшения коэффициента передачи с ростом входной величины.

Стандартизация графиков акустических сигналов для разных скважин по амплитуде сигнала достигается за счет введения определителя корня квадратного (т.е. сжатия динамического диапазона амплитуд акустических сигналов) и за счет исключения из процесса определения уровня жидкости операции регулировки чувствительности. Кроме того, исключение операции регулировки чувствительности позволяет уменьшить время определения уровня жидкости.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства для определения уровня жидкости в скважине; на фиг. 2, 3, 4, 5 и 6 экспериментально полученные графики акустических сигналов; на фиг. 7 электрическая схема определителя корня квадратного.

Способ определения уровня жидкости в скважине осуществляется с помощью устройства (фиг. 1), содержащего последовательно соединенные акустический преобразователь 1, усилитель 2, фильтр 3, определитель корня квадратного 4, самопишущий прибор 5. Кроме того, устройство для определения уровня жидкости содержит конструктивно связанные с акустическим преобразователем 1 генератор акустических импульсов 6 и стрелочный манометр 7. Устройство для определения уровня жидкости устанавливается на устье скважины 8 с уровнем жидкости 9.

Генератор акустических импульсов представляет собой клапан, стравливающий газ из затрубного пространства скважины. В качестве акустического преобразователя используется пьезодатчик.

Непосредственно перед началом регистрации уровня жидкости включают лентопротяжный механизм самопишущего прибора 5. При помощи генератора акустических импульсов 6, стравливая газ из затрубного пространства скважины 8, возбуждают импульс давления (прямой сигнал), который распространяется вдоль колонны скважины 8 со скоростью звука в газе при данном давлении. Дойдя до уровня жидкости 9, он возвращается в виде отраженного сигнала к акустическому преобразователю 1, преобразующему акустические сигналы в электрические, которые подаются через усилитель 2, фильтр 3, на выход определителя корня квадратного 4. В определителе корня квадратного 4 происходит сжатие динамического диапазона входных сигналов с 10 000 до 100 раз. Причем чем меньше амплитуда сигнала, тем больше усиление определителя корня квадратного 4. Далее сигнал поступает на самопишущий прибор 5, где производится запись графика акустического сигнала на термочувствительную бумагу. Оператор на графике акустического сигнала определяет местонахождение прямого, отраженного сигнала и многократно отраженных сигналов. По равенству расстояний между прямым, отраженным и многократно отраженным сигналом оператор убеждается в правильности идентификации прямого и отраженного сигнала, измеряет линейкой расстояние между прямым и отраженным сигналом L, мм. По формуле U L•V/2K оператор вычисляет уровень жидкости U, м, в скважине, где K - скорость движения лентопротяжного механизма самопишущего прибора, мм/с, V - скорость звука в затрубном пространстве, м/с, взятая из таблицы зависимости скорости звука от давления, которое определяют по стрелочному манометру 7. Таблица зависимости скорости звука от давления для каждого НГДУ своя. Например, для НГДУ Ласьюганнефтегаз ПО "Лангепаснефть" зависимость скорости звука от давления представлена в таблице.

Устройство для определения уровня жидкости в скважине выполнено с использованием известных элементов. В качестве генератора акустических импульсов 6, акустического преобразователя 1, манометра 7 используется серийно выпускаемое тюменским заводом "Электрон" устройство генерации и приема. Усилитель 2 выполнен на операционном усилителе 140 УД 14 с коэффициентом усиления 20. В качестве фильтра используется активный фильтр нижних частот, реализованный по схеме фильтра Бесселя четвертого порядка на двух операционных усилителях 140 УД 14 с коэффициентом усиления 2 в полосе пропускания, с граничной частотой 15 Гц. Определитель корня квадратного 4 реализован при помощи диодных функциональных преобразователей по схеме, приведенной на фиг. 7. Коэффициент передачи определителя корня квадратного определяется по формуле U2 0,075, где U1 входное напряжение, B, U2 выходное напряжение, B. Максимальное входное напряжение ±12B, максимальное выходное напряжение ±0,26 B.

В качестве самопишущего прибора 5 используется электрокардиограф.

Повышение информативности наглядно иллюстрируется экспериментально полученными графиками акустических сигналов, представленными на фиг. 2, 3, 4, 5, 6. Масштаб по горизонтали графиков, изображенных на фиг. 2 5, уменьшен в 2,4145 раза. Скорость протяжки ЛПМ электрокардиографа равна 25 мм/с. На графиках максимально возможная амплитуда напряжения, измеряемая с выхода определителя корня квадратного, может быть равна ±0,26 B.

На фиг. 2, 3 показаны графики акустических сигналов, полученные в производственном объединении "Когалымнефтегаз", причем на фиг. 2 график обработан определителем корня квадратного. На фиг. 4, 5 показаны графики акустических сигналов, полученные в НГДУ "Покачевнефть" ПО "Ленгепаснефтегаз", причем на фиг. 4 график обработан определителем корня квадратного.

Из сравнения фиг. 2 и 3 видно, что на фиг. 2 можно уверенно определить два отражения от уровня жидкости. На фиг. 3 с трудом можно определить первое отражение от уровня жидкости. Также на фиг. 4 определяется два отражения от уровня жидкости, а на фиг. 5 одно отражение. Сравнение фиг. 2 и 4 показывает, что на фиг. 4 больше амплитуда шумового фона скважины. Сравнивая фиг. 3 и 5, можно с трудом установить факт превышения шумового фона, но количественно невозможно определить это превышение и характер помех.

На фиг. 6 показан график акустического сигнала, полученный в НГДУ "Покачевнефть" ПО "Лангепаснефтегаз". Была проведена генерация акустического импульса оптимальной длительности 0,2 с ручным стравливанием газа из затрубного пространства скважины. При этом была включена протяжка бумаги электрокардиографа до появления нескольких отражений акустического сигнала до уровня жидкости. Скорость протяжки ЛПМ составляла 25 мм/с. Измеренное линейкой расстояние между максимумами амплитуд прямого и отраженного сигналов составило 51,6 мм. Время происхождения акустического импульса от устья скважины до уровня жидкости было получено равным 2,064 с (как произведение скорости протяжки ЛПМ 25 мм/с на расстояние 51,6 мм, определенное по графику). Затрубное давление, измеренное по стрелочному манометру, составило 10,1 атм. Скорость звука при данном давлении равна 375 м/с. (для определения скорости звука использовалась таблица). Вычисленное значение уровня жидкости в скважине равно 387 м/2,064 c • 375 м/c 2 387 м.

В устройстве для определения уровня жидкости в скважине определитель корня квадратного 4 и самопишущий прибор 5 можно заменить на последовательно соединенные цифроаналоговый преобразователь, аналого-цифровой преобразователь, микропроцессорный контролер, цифровую термопечать. При этом определение корня квадратного выполняется програмно-цифровым способом. Сжатие динамического диапазона с 10 000 до 100 раз или с 10 000 до 100 дискретов соответственно позволяет уменьшить объем оперативного запоминающего устройства в 2 раза, записывая оцифрованную амплитуду акустического сигнала не словами (16 бит), емкостью до 65 535 дискретов, а байтами (3 бит), емкостью 255 дискретов.

Использование: изобретение относится к контролю уровня жидкости в скважинах акустическим методом и может быть использовано при измерении статического и динамического уровней в нефтяных скважинах. Сущность изобретения: способ заключается в генерации акустического импульса на устье скважины, преобразовании отраженных акустических сигналов в электрические, в их усилении, фильтрации, определении корня квадратного амплитуды сигнала, записи полученного сигнала на самопишущем приборе. Уровень жидкости в скважине определяют произведением времени прохождения звука от устья скважины до уровня жидкости, измеренного по графику акустического сигнала, на скорость звука, взятую из табличных данных в зависимости от давления и свойств газа в затрубном пространстве, и делением этого произведения на два. Способ реализуется устройством, содержащим генератор акустических импульсов, стрелочный манометр и последовательно соединенный акустический преобразователь, усилитель, фильтр, определитеть корня квадратного и самопишущий прибор. 2 с.п. ф-лы, 1 табл., 7 ил.

1. Способ определения уровня жидкости в скважине, включающий генерацию акустического импульса на устье скважины, преобразование отраженных акустических сигналов в электрические, их усиление, фильтрацию и запись на самопишущем приборе, определение уровня жидкости произведением времени прохождения звука от устья скважины до уровня жидкости, измеренного по графику акустического сигнала, на скорость звука, взятую из табличных данных в зависимости от давления и свойств газа в затрубном пространстве, и делением этого произведения на два, отличающийся тем, что после фильтрации сигнала производят определение корня квадратного амплитуды сигнала с последующей записью на самопишущем приборе. 2. Устройство для определения уровня жидкости в скважине, содержащее генератор акустических импульсов, стрелочный манометр и последовательно соединенные акустический преобразователь, усилитель, фильтр, самопишущий прибор, отличающееся тем, что оно снабжено определителем корня квадратного, включенным между фильтром и самопишущим прибором.