Устройство для определения динамического уровня жидкости в буровых и т.п. скважинах Советский патент 1947 года по МПК G01F23/28 

Изобретение касается устройств для определения динамического уровня жидкости в буровых и т. п. скважинах путем создания в затрубном пространстве скважины импульсов упругой волны и регистрации промежутка времени от момента отправки волны до момента прихода отраженных от жидкости волн.

Согласно изобретению, к затрубному пространству скважины присоединен цилиндр с подпружиненным поршнем, создающим при своем перемещении в цилиндре импульсы упругой волны. Частота непрерывно возбуждаемых импульсов упругой волны в затрубном пространстве скважины определяется временем прохождения импульса от устья скважины до уровня жидкости и обратно. Подпружиненный порщень управляется связанным с ним сердечником соленоида, питаемого током через контакты, замыкаемые действием отраженных импульсов упругой волны.

Для управления замыканием контактов цепи соленоида применен жидкостный контактный манометр. Одним коленом контактный манометр соединен с затрубным пространством скважины и включает в цепь тока реле, замыкающее контакты цепи соленоида.

Оба колена манометра соединены между собой трубкой с целью предотвращения влияния на показания манометра постоянного медленно-изменяющегося давления.

Предлагаемое устройство снабжено регистрирующим механизмом с электромагнитным приводом для вращения барабана механизма.

С целью регистрации уровня жидкости в прямолинейной системе координат и равномерном маещтабе применен инвентор Поселье.

На фиг. 1 схематически изображен общий вид предлагаемого устройства, на фиг. 2 - примерный вид диаграммы, получаемой помощью прибора, на фиг. 3 - схема шарнирного инвертора устройства.

Предлагаемое устройство состоит из двух основных частей: возбудителя импульсов и регистрирующего механизма. Составными частями возбудителя являются цилиндр / с подпружиненным поршнем 2, соленоидом 3 и якорем 4 и контактный манометр 5 с компенсатором 6 и реле 7.

Действие предлагаемого устройства основано на отсчете (и записи) в заранее выбранный промежуток времени суммарного числа волнообразных прохождений импхльсов сжатия газа, распространяющихся в межтрубном пространстве от устья скважины до уровня жидкости и обратно.

При прохождении электрического тока от батареи через соленоид 3 последним втягивается якорь 4, и поршень 2, связанный с якорем 4, производит в цилиндре 7 резкое сжатие газов. Сжатый газ, вырываясь из отверстия 7/ в межтрубное пространство, образует импульс, волнообразно распространяющийся по стволу скважины.

Первоначальное включение тока в цень соленоида 3 пульсатора производится при помощи контакта возбуждения 9. Последующие включения соленоида происходят при помощи реле под действием импульсов упругой волны. Реле включается жидкостным контактным манометром 5, представляющим собой стеклянную W-образную трубку, наполненную ртутью. В верхнем перегибе W-образной трубки находится пузырек инертного газа - азота и там же впаян контакт J3. В нижнем перегибе в ртути впаян второй контакт 74. {онтактный манометр 5 соединяется с устьем скважины резиновой трубкой 72. Под действием импульса давления ртуть в перегибе перемещается и соединяет контакты 13 и J4.

Для устранения действия на контактный манометр 5 постоянного и медленно изменяющегося давления применяется компенсатор 6. Компенсатор представляет собой длинную резиновую трубку, соединяющую оба конца W-образной трубки. Постоянное и медленно изменяющееся давление благодаря соединению концов манометра через компенсатор не дает какого-либо отклонения ртутного столба. Резкий же импульс, распространяясь по ДJ иннcй резиновой трубке компенсатора 6, частично за224

тухает, а кроме того, приходит в второе колено с опозданием («сдвигом фазы), а потому не мешает импульсу, пришедшему непосредственно в первое колено, замкнуть контакты 73 и 14. Длина трубки компенсатора должна быть такова, чтобы импульс, прошедший по ней, воздействовал на ртуть во втором колене не раньше окончания действия прямого импульса в первом колене. Чувствительность контактного манометра 5 легко регулируется путем изменения наклона W-образной трубки.

При замыкании тока в соленоиде возникший импульс давления распространяется волнообразно в межтрубном пространстве и воздействует на первичный контакт. При движении поршня 2 вниз последний сжимает пружину 75 и, достигнув крайнего положения, размыкает контакт 16 цени соленоида. Поршень 2 при этом под действием сжатой пружины 15 начинает движение назад и образует некоторое разряжение, под действием которого ртуть в контактно.м манометре перемещается в обратную сторону и размыкает контакты 13, 14.

Волнообразно распространяющийся импульс достигает уровня жидкости, отражается от нее и, дойдя до устья скважины, воздействует на контактный манометр 5, при замыкании контактов которого реле 7 срабатывает и пульсатор возбуждает новый импульс и т. д.

Время между возникновением двух последующих импульсов равняется времени прохождения импульса от устья скважины до уровня жидкости и обратно. Зная скорость распространения импульсов по стволу скважины, - а она близка к скорости звука в тех же условиях, - по частоте чередования импульсов не трудно определить глубину уровня.

В предлагаемом устройстве это делается автоматически и непрерывно при помощи регистрирующей части устройства.

Регистрирующий механизм устройства состоит из импульсного счетчика, барабана 77 с лентой для записи, механизма вращения барабана и «контакта времени 18 с часовым механизMOM 19 или моторчиком Уоррена, в случае питания прибора от сети переменного тока.

Импульсный счетчик состоит из храпового колеса 20, приводимого в движение при помощи электромагнита 22, включенного во вторичную цепь реле 7 соленоида 3 через контакты 8. За каждый импульс храповое колесо 20 поворачивается на один зуб. Связанная с ним зубчатая рейка 23 перемещается вверх и при помощи пишущего ролика 27 чертит на ленте, расположенной на барабане 77, вертикальную линию.

Механизм времени 79 определяет тот промежуток времени, в течение которого происходит счет импульсов, и получаются последующие точки кривой положения уровня. Механизм времени при помощи кулачка замыкает контакт 18, в цепь которого включен спусковой электромагнит 24. Последний притягивает направляющую 25 зубчатой рейки 23.

Под действием силы тяжести рейка 23 с роликом 27 скользит по направляющей и опускается до крайнего нижнего положения.

В ту же цепь, параллельно спусковому электромагниту 24, включен механизм вращения барабана. При замыкании контакта времени 75 одновременно с отрывом пищущего ролика 27 от ленты барабан 77 перемещается на один щаг.

При размыкании контакта времени 18 рейка 23 опять сцепляется с зубчатым колесом 20 и под действием импульсов начинает щаговое движение вверх, проводя новую вертикальную линию на лейте.

Таким образом, длина вертикальных линий на диаграмме соответствует числу импульсов за выбранный промежуток времени.

Примерный вид диаграммы эхографа представлен на фиг. 2. Слева па оси ординат расположены цифры, соответствующие числам импульсов «п. Вертикальные прямые линии соответствуют записи прибора. Каждая следующая вертикальная линия дает число импульсов за выбранный промежуток времени - 5 минут.

15 Свод в. 7.

Перевод величин ординат в глубину уровня жидкости производится делением произведения скорости распространения с и выбранного промежутка времени на двойное число импульсов 2п. Значение уровня в этом случае получается не для данного момента, а среднее за выбранный промежуток времени t.

тг cf

2п

По оси ординат с правой стороны расположены щкалы глубин из расчета с 300 MJceK, t 5 минут.

Точность определения уровней зависит от числа импульсов, записанных в выбранный промежуток времени, так как само определение происходит с точностью до /2 импульса. Если уровень в выбранный промежуток времени определяется 10 импульсами, то, очевидно, относительная погрешность изменения составит 5%. Из этих соображений видно, что наиболее точно будут определяться высокие уровни. Увеличения точности определения уровней можно достигнуть путем дополнительного возбуждения импульсов.

В промежутке между двумя основными импульсами можно успеть 1-2 раза нажать «контакт возбуждения 9 и тем самым создать еще 1-2 дополнительных импульса, совершенно идентичных первоначальным, которые также распространяются по стволу скважины и так же воздействуют на контактный манометр. Вся система при этом начинает пульсировать с удвоенной или утроенной частотой. В этом случае точность определения естественно возрастает в 2-3 раза и масщтаб глубины изменится.

Формула глубины уровня примет вид:

ht - 2п

где k - число импульсов, приходящихся на один период. Выбор и изменение промежутка времени может легко осуществляться сменой кулачков, придавая им различную конфигурацию.

Приданием кулачку механизма времени соответствующего профиля мож225

но получать движение рейки с пишущим роликом не в течение всего времени, а со значительной паузой, в течение лишь доли выбранного промежутка времени.

Скорость волнообразного распространения импульсов по стволу скважины необходимо определять заранее для исследуемой скважины или по отражению от башмака обсадной колонны, или путем определения относительной скорости звука в газе при помош,и акустического интерферометра п введением поправок на диаметр труб скважины. При анализе кислотной обработки измерение относительной скорости звука в газе необходимо производить несколько раз во время обработки.

Так как отрезки на диаграмме (фиг. 2) по оси ординат являются величинами, обратными времени распространения импульса от устья до уровня и обратно, а следовательно, и обратно пропорциональными самой глубине, и шкалы глубин, нанесенные с правой стороны, получаются также обратными и неравномерными, то непосредственное чтение глубин по этим шкалам весьма затруднительно. Для точного определения каждого значения глубины требуется вычисление по приведенным формулам.

Для устранения этого недостатка необходимо ввести такое приспособление, которое давало бы запись глубины в нормальной и равномерной координатной сетке, т. е. вместо записи непосредственного счета имнульсов автоматически давало бы запись величины обратной и в равномерном масштабе.

Принципиально такое преобразование можно произвести, введя в систему промежуточное звено, изменение параметров которого происходило бы по тому же закону обратной пропорциональности.

Из механических шарнирных систем, удовлетворяюших таким условиям, можно остановиться на инверторе Поселье (фиг. 3). Удобное свойство этого механизма заключается в том, что для него в любом положении произведгние расстояний и и

226

b остается постоянным.

,.2.(ly

Нетрудно устроить так, что изменение одного из этих расстояний будет пропорционально импульсам, скажем

а тп,(2)

где m - цена одного импульса в мм. Подставив значения а из форлуул (2) и (), определим п через параметры системы:

)2 г2

(3)

п Ьт

заменив полученным значением Л в основном выражении для глубины

-.

kicbm

/г (4)

2(/2-/-2)

т. е. изменение линейного отрезка в будет пропорционально глубине h. Таким образом, шкала глубин окажется прямой и равномерной.

Масштаб записи глубины 74 по формуле (4) определится следуюш,им образом:

h тЬ,(5)

откуда

М- CfiV

--2() W

Этот масштаб зависит от выбранных при определении уровней k и /, от параметров системы /, г, т, также от скорости с распространения импульса по стволу скважины, определяемой интерферометром. Наиболее удобно получать значение М в виде простых целых чисел для того, чтобы глубину отсчитывать непосредственно по миллиметровой бумаге. Но для этого необходимо один из параметров изменять плавно, так как с может принимать (в известном интервале) любые значения. Для плавного изменения масштаба необходимо плавно изменять величину перемеа1ения толкателя под действием отдельного импульса, т. е. изменять цену импульса. В предлагаемой схеме это достигается не изменением величины перемеш,ения зубчатой рейки счетно-импульсного механизма, а наклоном всего счетно-импульсного механизма относительно оси инвертора на некоторый угол «. Тогда во все формулы мы можем подставить т cos а вместо т, и формула (6) приобретает вид

.. l:tcmcosa,г

W -2,:z7i)-.(7)

В шарнирном механизме изменения величин естественно ограничены линейными размерами самих звеньев механизма, поэтому масштаб записи М следует выбирать так, чтобы предполагаемые изменения глубины уложились между крайними значениями.

Для крайних значений имеем

« /-/-, ,

/2.;-3

ИЗ формулы (1) 1 значения

й и (2 определяют крайние значения для импульсов МЬ и МЬ значение для глубин. Так как при включении устройства счет импульсов начинается с нуля а инвертор имеет крайнее значение для импульсов равное а то очевидно, первые импульсы должны пройти вхолос1ую. Для этого необходимо, чтобы зубчатая рейка в нулевом положении отстояла от толкателя, находящегося в крайнем положении, на расстоянии

fli / -г cos а.

Предмет изобретения

1. Устройство для определения динамического уровня жидкости в буровых и т. п. скважинах путем создания в затрубном пространстве скважины импульсов упругой волны и регистрации промежутка времени от момента отправки волны до момента прихода отраж:енных от жидкости

волн, отличающееся тем, что, с целью непрерывного возбуждения импульсов упругой волны в затрубном пространстве скважины с частотой, определяемой временем прохождения импульса упругой волны от устья скважины до уровня жидкости и обратно, применен присоединенный к затрубному пространству скважины цилиндр с подпружиненным поршнем, создающим при своел перемещении в цилиндре импульсы упругой волны и управляемый связанным с ним сердечником соленоида, питаемого током через контакты, замыкаемые действием отраженных импульсов упругой волны.

2.Форма выполнения устройства по п. 1, отличающаяся тем, что для управления замыканием контактов цепи соленоида применен жидкостный контактный манометр, соединенный одним коленом с затрубным пространством скважины и включающий в цепь тока реле, замыкающ,ее контакты цепи соленоида.

3.Форма выполнения устройства по п. п. 1-2, отличающаяся тем, что, с целью предотвращения влияния на показания манометра постоянного медленно изменяющегося давления, колены его соединены между собой трубкой.

4.В устройстве по п. п. 1-3 применение регистрирующ,его механизма с электромагнитным приводом для вращения барабана механизма.

5.В устройстве по п. 1-4 применение инвертора Поселье в регистрирующем механизме, с целью регистрации уровня жидкости в прямолинейной системе координат в равномерном масштабе.

10

227

Фиг. I

Фиг. 2

Фиг. 3