эхолот для измерения уровня жидкости в скважине

Изобретение относится к области исследования нефтедобывающих скважин и может быть использовано при контроле уровня жидкости в скважине в процессе эксплуатации без выброса газа в атмосферу. Эхолот содержит присоединяемый к устьевому ниппелю обсадной трубы с помощью переходной муфты корпус, генератор акустических импульсов, устройство для приема акустических импульсов в виде пьезоэлектрического микрофона, датчик давления и блок управления. Генератор акустических импульсов выполнен в виде пьезоэлемента, снабженного усилителем импульса в виде диффузора и электрически связанного с генератором электрических импульсов. Блок управления снабжен процессором с наперед заданной программой для автоматической корректировки результатов измерения с учетом скорости распространения акустического импульса от давления и состава газовой среды в затрубье. Провода от датчика давления и пьезоэлектрического микрофона подведены к генератору электрических импульсов и подсоединены к клеммнику многожильного кабеля, идущего из блока управления к упомянутому генератору импульсов. В качестве датчика давления возможно использование датчика МИДА. Пьезоэлектрический микрофон может быть установлен перед диффузором, максимально близко к переходной муфте. Возможно размещение эхолота в быстро разборном кожухе с откидной крышкой, закрываемой под замок. Изобретение направлено на повышение надежности эхолота. 1 н. и 3 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

Формула изобретения

1. Эхолот для измерения уровня жидкости в скважине, содержащий присоединяемый к устьевому ниппелю обсадной трубы с помощью переходной муфты корпус, генератор акустических импульсов, устройство для приема акустических импульсов в виде пьезоэлектрического микрофона, датчик давления и блок управления, отличающийся тем, что генератор акустических импульсов выполнен в виде пьезоэлемента, снабженного усилителем импульса в виде диффузора и электрически связанного с генератором электрических импульсов, при этом блок управления снабжен процессором с наперед заданной программой для автоматической корректировки результатов измерения с учетом скорости распространения акустического импульса от давления и состава газовой среды в затрубье, а провода от датчика давления и пьезоэлектрического микрофона подведены к генератору электрических импульсов и подсоединены к клеммнику многожильного кабеля, идущего из блока управления к упомянутому генератору импульсов.

2. Эхолот по п.1, отличающийся тем, что в качестве датчика давления выбран датчик МИДА.

3. Эхолот по п.1, отличающийся тем, что пьезоэлектрический микрофон установлен перед диффузором максимально близко к переходной муфте.

4. Эхолот по п.1, отличающийся тем, что он размещен в быстроразборном кожухе с откидной крышкой, закрываемой под замок.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области нефтедобывающей промышленности, а именно к области контроля уровня жидкости в скважине акустическим методом, независимо от давления в затрубье, без выброса газа в атмосферу, и может быть использовано также для автоматизации процесса добычи нефти.

Известен способ измерения уровня жидкости в скважине и устройство для его осуществления (см. Патент РФ №2232267, МПК 7 Е 21 В 47/04, опубл. в БИ №19, 2004 г.).

Способ включает излучение акустического зондирующего импульса, регистрацию отраженных сигналов в режиме реального времени с последующим выделением отраженного сигнала, характеризующего именно уровень жидкости, из зарегистрированной совокупности всех принятых сигналов. Зондирующий импульс создают мгновенной и кратковременной депрессией в газовой полости скважины путем перепуска части газа в замкнутую полость емкости фиксированного объема. Уровень жидкости определяют как частное от деления объема газовой полости в стволе скважины на площадь кольцевого сечения между обсадной колонной насосно-компрессорных труб. Объем газовой полости определяют исходя из объема газа, перепускаемого в замкнутую полость при создании депрессии, давления газа в скважине до момента создания депрессии в ее стволе и давления газа, установившегося в скважине и полости фиксированного объема по завершении перепуска газа и достижения им равновесного состояния по математическому выражению.

Устройство для осуществления указанного способа содержит промышленный контроллер, перепускную емкость фиксированного объема с входным и выходным патрубками, на которых установлено соответственно по электропневматическому клапану, управляемому, каждый, промышленным контроллером, а также пневмолинию для сообщения газовой полости скважины с перепускной емкостью через электропневмоклапан на входном патрубке последней. На пневмолинии установлен датчик давления с выходом на промышленный контроллер.

Недостатком способа и устройства является то, что при измерении акустическим методом не учитывается состав газа, находившегося в затрубье, что отрицательно сказывается на точности измерения. После проведения операции измерения газ из перепускной емкости направляют на утилизацию, что вызывает дополнительные трудности с розжигом или транспортированием его в газоприемный пункт. Кроме того, с течением времени в перепускной емкости накапливается жидкость из-за конденсации паров воды, содержащихся в газе, при определенных температурных колебаниях, что также отрицательно скажется на точности произведенных измерительных работ.

Известен также эхолот для измерения уровня жидкости в скважине (см. Патент РФ №2163293, МПК 7 Е 21 В 47/04, опубл. в БИ №3, 2001 г.).

Эхолот содержит присоединяемый к устьевому ниппелю обсадной трубы с помощью переходной муфты корпус, генератор акустических импульсов, устройство для приема акустических импульсов в виде пьезоэлектрического микрофона, датчик давления и блок управления. При этом генератор акустических импульсов содержит ресивер, электромагнитный клапан, присоединенный к корпусу. Эхолот содержит также систему создания избыточного давления, выполненную в виде мини-компрессора, а также датчик контроля температуры эхолота, подогреваемого в зимний период поочередным включением катушек электромагнитного клапана и мини-компрессора.

Известный эхолот по технической сущности более близок к предлагаемому и может быть принят в качестве прототипа.

В нем перечисленные недостатки, присущие аналогу, устранены. Однако он сложный по конструкции, требует наличия в своем составе системы создания избыточного давления, ресивера, содержит движущиеся детали, тем самым снижая его надежность. Для своей безотказной работы требует создания определенного температурного режима путем подогрева.

Задачей настоящего изобретения является упрощение конструкции, повышение надежности работы за счет исключения движущихся частей и деталей в конструкции эхолота, а также за счет исключения подогрева его.

Поставленная задача решается описываемым эхолотом для измерения уровня жидкости в скважине, содержащим присоединяемый к устьевому ниппелю обсадной трубы с помощью переходной муфты корпус, генератор акустических импульсов, устройство для приема акустических импульсов в виде пьезоэлектрического микрофона, датчик давления и блок управления.

Новым является то, что генератор акустических импульсов выполнен в виде пьезоэлемента, снабженного усилителем импульса в виде диффузора и электрически связанного с генератором электрических импульсов, при этом блок управления снабжен процессором с наперед заданной программой для автоматической корректировки результатов измерения с учетом скорости распространения акустического импульса от давления и состава газовой среды в затрубье, а провода от датчика давления и пьезоэлектрического микрофона подведены к генератору электрических импульсов и подсоединены к клеммнику многожильного кабеля, идущего из блока управления к упомянутому генератору импульса, в качестве датчика давления выбран датчик МИДА, а пьезоэлектрический микрофон установлен перед диффузором, максимально близко к переходной муфте, эхолот при этом размещен в быстро разборном кожухе с откидной крышкой, закрываемой под замок.

Приведенная совокупность признаков заявляемого объекта, по мнению авторов, является существенной, поскольку, как показали патентные исследования ретроспективностью в 20 лет в патентном фонде института «ТатНИПИнефть» на дату подачи заявки, из патентной и научно-технической литературы авторам не известны устройства того же назначения с такими отличительными признаками, создающими новый положительный эффект, несвойственный известным устройствам. При этом сравнительный анализ аналогичных технических решений позволяет сделать вывод об отсутствии идентичных и эквивалентных признаков в сравнении со сходными признаками известных устройств.

Приведенные чертежи поясняют суть изобретения, где на фиг.1 изображен заявляемый эхолот в общем виде, присоединенный с помощью переходной муфты к устьевой арматуре скважины; на фиг.2 — эхолот в частичном разрезе, перед присоединением к устьевой арматуре.

Предлагаемый эхолот для измерения уровня жидкости в скважине 1 содержит присоединяемый к устьевому ниппелю 2 обсадной трубы 3 с помощью переходной муфты 4 трубчатый корпус 5 (см. фиг.1), в концевом участке которого герметично установлен генератор 6 электрических импульсов (см. фиг.2). Последний с помощью проводов 7 и 8 электрически связан с генератором 9 акустических импульсов, выполненным в виде пьезоэлемента, напоминающего в сечении круг, снабженный усилителем акустического импульса, выполненным в виде диффузора 10.

К боковым отверстиям корпуса 5 приварены патрубки 11 и 12, в одном из которых герметично на резьбе закрываемой крышкой 13 установлен пьезоэлектрический микрофон 14, а в другом, патрубке 12, герметично установлен датчик 15 давления типа «МИДА», провода 16 и 17 от которых соответственно подведены к генератору 6 электрических импульсов и подсоединены к клеммнику многожильного кабеля 18, идущего из блока управления 19 (клеммник на фиг. не изображен).

Блок управления снабжен процессором (процессор на фиг. не изображен) с наперед заданной программой для автоматической корректировки результатов измерения с учетом скорости распространения акустического импульса от давления и состава газовой среды в затрубье 20. Пьезоэлектрический микрофон установлен перед диффузором максимально близко к переходной муфте 4. После монтажа эхолот размещают в быстроразборном кожухе 21 с откидной крышкой, закрываемой под замок. На фиг.1 кожух схематически изображен штрихпунктирной линией.

Эхолот работает следующим образом.

Для запуска его в работу сначала открывают устьевую задвижку 22, сообщающую полость корпуса 5 с затрубным пространством 20, и включают блок управления 19. При этом от генератора 6 электрические импульсы поступают по проводам 7 и 8, создавая импульс напряжения возбуждения пьезоэлемента 9. Последний при этом, деформируясь, создает акустический импульс порядка 100-105 дБа/м, улавливаемый пьезоэлектрическим микрофоном 13, который затем регистрирует и отраженный отклик от раздела сред газ — жидкость, о чем мгновенно передает процессору. По времени прохождения акустического импульса в газовой среде определяется расстояние от устья скважины до границы раздела сред газ — жидкость с учетом давления газовой среды, регистрируемого датчиком давления 15, определяющего скорость распространения звуковой волны.

Полученное расстояние определяется процессором как произведение 1/2 времени прохождения звукового сигнала до раздела фаз газ — жидкость и обратно на скорость прохождения звукового сигнала, взятую из таблицы зависимости скорости звука от затрубного давления и состава газа (см. таблицу по Татарстану).

t — время прохождения сигнала от устья и обратно,

V — скорость, взятая из таблицы.

Зависимость скорости звука от затрубного давления и состава газа определена для каждого нефтяного региона России и стран СНГ и приведена в соответствующих таблицах, которыми располагают территориальные НГДУ (нефтегазодобывающие управления). Эти данные занесены в программу процессора. Таким образом, процессор согласно программе автоматически выдает скорректированную с учетом скорости распространения акустического импульса от давления и состава газовой среды искомую величину — уровень жидкости в скважине, то есть расстояние от устья скважины до уровня жидкости. В автоматическом и автономных режимах программно также обеспечивают и периодичность определения уровня жидкости исходя из требований норм технического контроля.

Технико-экономическое преимущество изобретения заключается в следующем.

Эхолот предельно прост по конструкции, не металлоемок, в нем нет подвижных частей и деталей, что обеспечивает ему повышенную надежность в работе автоматическом и автономных режимах, в любых климатических условиях и без выброса газа в атмосферу.

Широкое его применение на нефтяных промыслах позволит обеспечить бесперебойную работу скважинного насосного оборудования, следовательно, и эксплуатацию скважины без осложнений.

Акустический метод измерения уровня в скважинах

Сущность акустического метода заключается в определении рас­стояния по времени прохождения упругой звуковой волны от устья скважины до уровня жидкости. В скважину посылают звуковой импульс, мощность которого достаточна, чтобы получить надежное отражение от уровня жидкости. Затем определяют скорость распро­странения звука в скважине и время, необходимое для прохождения его от устья до уровня жидкости.

Скорость распространения звуковой волны в скважине зависит от физических свойств, температуры, давления, плотности и состава газа, заполняющего скважину. Исследования показали, что скорость распространения звуковой волны в скважинах лежит в весьма широ­ких пределах: 250—460 м/с, поэтому ее необходимо определять одно­временно с измерением уровня жидкости.

Акустический метод измерения уровня использован в эхолоте, ко­торый применяется для определения статического и динамического уровней жидкости в глубиннонасосных скважинах.

Рис. 2. Схема акустического ме­тода измерения уровня в скважине

Принципиальная схема измерения уровня эхолотом приведена на рис. 2. В качестве импульсатора в эхолоте применяется поро­ховая хлопушка U создающая мощную звуковую волну при мгно­венном сгорании пороха. Для определения скорости распростране­ния звука в скважине на насосных трубах устанавливают репер на определенном расстоянии от устья.

Пороховая хлопушка, герметично соединенная открытым концом с устьем скважины, посылает звуковой импульс, который, дойдя до ре­пера 2 и уровня жидкости, отражается и воспринимается термофо­ном 3. Звуковой импульс представляет собой взрыв порохового за­ряда, заключенного в гильзу, который получается при ударе по кап­суле бойком пороховой хлопушки. Термофон представляет собой вольфрамовую нить, по которой протекает постоянный ток силой 0,2—0,3 А, нагревающий нить до температуры 100 °С. Звуковые ;vi-пульсы (колебания воздуха) воздействуют на вольфрамовую нить, чем вызывают понижение ее температуры, а следовательно, и пони­жение электрического сопротивления.

При этом сила тока в цепи термофона увеличивается. Колебания тока в цепи термофона, усиленные двухкаскадным усилителем пе­редаются регистратору 5, который записывает их на диаграммной ленте 6. Диаграммная лента перемещается с постоянной скоростью 50 или 100 мм/с. Изменение скорости движения ленты достигается сменой ведущих роликов. Для сменных лент может быть использова­на любая канцелярская рулонная бумага или калька. Бумагу наре­зают ровными лентами шириной 30 мм и длиной 650 мм, которые-склеивают кольцами. Наибольшая глубина, на которой можно изме­рить уровень жидкости современными эхолотами, 3000 м. Погреш­ность составляет ±0,5% от предела измерения.

На действительной эхограмме записаны много­численные колебания, получающиеся вследствие отражения звуковой волны от стыков труб, многократных повторных отражений от репера и от уровня. Эти колебания являются помехами и затрудняют рас­шифровку эхограмм. Поэтому операцию измерений уровня эхолотом следует выполнить несколько раз и, сопоставив несколько эхограмм, отбросить случайные помехи.

Репер, представляющий собой отражатель звуковых волн, уста­навливают на насосных трубах на известном расстоянии от устья скважины. Площадь репера должна перекрывать 50—70% попереч­ного сечения кольцевого межтрубного пространства, длина репера должна быть 300—400 мм.

Глубину установки репера выбирают в зависимости от притока жидкости и режима работы глубиннонасосной установки. Следует стремиться к тому, чтобы после пуска скважинного насоса расстоя­ние от динамического уровня до репера было в пределах 50—100 м. Хлопушка монтируется в отверстии фланца, герметизирующего устье скважины. Если давление в межтрубном пространстве скважи­ны не превышает атмосферного, уровень можно измерить без гер­метизации места подключения хлопушки. При давлении газа выше атмосферного место подключения хлопушки следует герметизировать, так как вырывающийся из затрубного пространства газ будет вызы­вать шумы, воспринимаемые прибором и маскирующие на диаграмме запись отражения звуковой волны от уровня и от репера.

3. Уровнемер скважинный автоматический «СУДОС — автомат 2»

Уровнемер «СУДОС — автомат 2» предназначен для контроля статического и динамического уровня жидкости в добывающих нефтяных скважинах, измерения КВУ и КПУ, длительного контроля изменений уровня при выводе скважин на режим. Прибор построен на базе уровнемера «СУДОС — мини 2» и дополнительно имеет особенности:

Автоматизация измерения уровня без участия оператора за счет наличия автоматического клапана для формирования акустической посылки.

Самый компактный автоматический уровнемер в мире моноблочного исполнения с автономным аккумуляторным питанием.

При отсутствии избыточного давления работает от внешнего источника давления (газобаллонное оборудование).

Контроль статического и динамического уровня жидкости.

Регистрация кривых падения и восстановления уровня.

Регистрация изменений уровня жидкости при выводе скважин на режим.

Автоматическая регистрация затрубного давления на устье скважины.

Передача результатов измерений в компьютерную базу данных.

Подключение дополнительного внешнего аккумулятора.

Визуализация эхограмм и других результатов измерений на графическом дисплее «БВК — 03».

Диапазон контролируемых уровней жидкости 20-3000 м

1. Расскажите принцип работы поплавкового компенсационного пьезографа

2. Расскажите принцип действия акустического метода измерения уровня в скважине

3. Расскажите о назначении и особенностях прибора «Уровнемер скважинный автоматический «СУДОС — автомат 2″»