УДК 620.179.16
ПРИБОР КОНТРОЛЯ УРОВНЯ жидкости В ЗАТРУБНОМ ПРОСТРАНСТВЕ
Г. А. Буденков, A.B. Пряхин, В. А. Стрижак
Описан прибор "Эхо-2", предназначенный для измерения уровня жидкости в затруб-ном пространстве добывающих и нагнетательных скважин без избыточного давления. Рассмотрены требования к функционально облегченному и недорогому прибору. Описано устройство прибора, использующего в качестве генератора акустического импульса резиновый гофр, являющийся элементом корпуса прибора. Представлена структурная схема прибора и порядок проведения измерений. Приборы "Эхо-2" внедрены и эффективно эксплуатируются в течение трех лет. Эксплуатация прибора показала, что прибор обеспечивает достаточную функциональность и точность, необходимую для гидродинамических исследований скважин минеральных вод.
Требования к приборам измерения уровня жидкости в затрубном пространстве скважины определяются сферой их применения. По сфере использования скважины можно разделить на скважины добычи нефти или газа и скважины минеральных или других вод. Также существует группа геодезических скважин, предназначенных для наблюдения за уровнем грунтовых вод.
Организации нефтегазовой промышленности, которым принадлежат скважины добычи нефти, газа или нагнетательные скважины, как правило, имеют приборы для гидродинамических исследований (МИКОН-Ю1М, СУ-ДОС и др.) [1, 2]. Такие приборы решают следующие задачи: контролируют статический и динамический уровень жидкости в нефтедобывающих скважинах, производят регистрацию кривых падения и восстановления уровня жидкости, измеряют давление в затрубном пространстве, определяют наличие и расположение парафиновых пробок по эхограмме, записывают зарегистрированные эхограммы в энергонезависимую память блока регистрации, а затем переносят ее на компьютер. Кроме того, возможен визуальный просмотр зарегистрированных эхограмм непосредственно на скважине, ввод и энергонезависимое хранение в блоке регистрации, таблицы зависимости скорости распространения акустических сигналов от величины затрубного давления. Все эти важные достоинства прибора резко увеличивают его цену. Для организаций нефтегазовой промышленности стоимость прибора не является существенным препятствием для его применения. Для прочих недропользовательских организаций необходим функционально облегченный и недорогой прибор.
Основными требованиями к портативному малогабаритному прибору определения уровня жидкости в затрубном пространстве является ориентация на скважины без избыточного давления, прямая индикация уровня жидкости, простая установка на скважины разных диаметров, невысокая цена.
На основе теоретических исследований акустики затрубного пространства добывающих скважин [3, 4], где затрубное пространство рассматривается как волновод при условии, что X » dQ (к — длина волны в газе на основной частоте спектра зондирующего импульса; d0 — внутренний диаметр обсадной трубы). Разрешение задачи определения условий прохождения акустического импульса по волноводу позволяет оперативно и наглядно оценить влияние различных факторов (размеров скважин, частоты и длительности зондирующего импульса) на эхо-сигнал от муфты и от поверхности жидкости и выработать научно-обоснованные технические требования к параметрам аппаратуры, реализующей метод эхолокации уровня жидкости. При помощи разработанной программы, позволяющей рассчитать сигналы, отраженные от
10
Г.А. Буденков, А.В. Пряхнн, В.А. Стрижак
муфт и от раздела сред газ — жидкость, разработан акустический эхолот "Эхо-2" (рис. 1).
Прибор выполнен в цилиндрическом пластмассовом корпусе 1, торцы которого армированы дюралюминиевыми кольцами 2 и 3. На кольце 2 расположена уплотнительная резиновая шайба 4, обеспечивающая герметичность соединения прибора со входом измеряемого волновода. На кольце 3 смонтирован резиновый гофр 5, используемый для генерации акустических зондирующих импульсов. Прибор имеет две кнопки управления: кнопка включения "Вкл" 6, кнопка сброса показаний индикатора "Сброс" 7 и гнездо для подзарядки встроенного аккумулятора 8. На цилиндрической поверхности прибора расположен жидкокристаллический индикатор 9, ручка для удерживания прибора при работе и график поправок, используемый при измерении волноводов небольшой длины.
2 8 9
7 6
Рис. 1. Внешний вид прибора "Эхо-2"
4
1
3
5
Прибор адаптирован для работы в диапазоне десятков килогерц. Диапазон измеряемых длин волноводов от 10 до 1000 метров. Измеряемый волновод должен иметь входное отверстие диаметром от 60 до 100 мм (площадью поперечного сечения от 30 до 80 см2). Площадь поперечного сечения волновода, меньшая 30 см2, ведет к уменьшению верхнего предела измерений прибора.
Структурная схема прибора представлена на рис. 2. Прибор состоит из датчика давления (Э), усилителя с временной регулировкой чувствительности (ВРЧ), генератора тактовых импульсов (Г), устройства регистрации временного интервала между зондирующим и донным импульсом, индикации. Усилитель с ВРЧ предназначен для адаптации измерительного тракта прибора к уменьшению амплитуды эхосигнала с глубиной, вызванного отражением от муфт, и затуханием. Для водных скважин, в частности минеральных вод, характерны сложные условия ввода акустического импульса (негерметичность арматуры, дополнительные отводы и т. д.). Усилитель с ВРЧ снабжен схемой, исключающей ложное срабатывание в мертвой зоне 10 метров. Устройство регистрации временного интервала основано на подсчете импульсов генератора, заполнивших временные ворота, образованные зондирующим импульсом и эхосигналом. Для создания избыточного давления в зондирующем акустическом импульсе используется резиновый гофр (см. рис. 1). Акустический импульс создается ударом руки оператора.
Прибор контроля уровня жидкости.
11
Рис. 3 поясняет порядок проведения измерений. Удерживая прибор рукой, выходное отверстие прибора соединяется с входным штуцером волновода (при работе со скважинами минеральных вод) или с фланцем трубы нагнетательной скважины, задвижка предварительно открыта. Кнопкой "Сброс" устанавливается ноль на жидкокристаллическом индикаторе. Легким ударом открытой ладони по гофру по направлению к обсадной трубе посылается зондирующий импульс в волновод. При длине
Рис. 2. Структурная схема прибора.
волновода Ь = 10 м (нижний предел измерения) время измерения составляет -0,06 с, при длине волновода = 1000 м (верхний предел измерения) время измерения составляет ~6 с. По истечении времени измерения на жидкокристаллическом индикаторе фиксируется измеренное значение длины волновода. На рис. 3 видны технологические отверстия, затрудняющие проведение измерений. Перед измерением их необходимо герметизировать.
Рис. 3. Проведение измерения.
В приборе установлена скорость звука в атмосфере волновода С = 333,3 м/с. Величина скорости определяется частотой тактового генератора 100 кГц/60 = 1666,7 Гц. Абсолютная ошибка измерения составляет ±0,1 м.
12
Г.А. Буденков, A.B. Пряхин, В.А. Стрижак
Заданная погрешность измерения может быть достигнута лишь в тех случаях, когда известно точное значение скорости звука в волноводе. Действительное значение скорости звука зависит от химического состава газа, наличия и количества водяных паров, температуры и атмосферного давления. При этом в показания прибора необходимо ввести поправку в соответствии с формулой L = L. • К = L. • С/333,3, где Lj — действительная длина волновода; L — длина волновода, измеренная прибором; К — поправочный коэффициент на действительную скорость звука; С — действительное значение скорости звука в волноводе. Неучет поправки может привести к относительным ошибкам измерения, лежащим в пределах ±1,5—2 % от измеряемой длины. Наиболее простой способ учета поправок на действительную скорость звука заключается в периодическом (один раз в месяц, квартал, год — по усмотрению потребителя) сравнении показаний прибора с истинной длиной волновода. Истинная длина может быть получена при помощи прямого измерения (например "хлопушки") и вычислении поправочного коэффициента К - L/Lr В дальнейшем определять точную глубину данной скважины можно по формуле L = I. ■ К.
Существует систематическая погрешность прибора, имеющая место при измерении малых длин. Если измеренная длина волновода оказалась меньше 38 метров, то необходимо воспользоваться графиком поправок, находящимся на боковой поверхности прибора.
Приборы "Эхо-2" внедрены и эффективно эксплуатируются в течение трех лет в санаториях "Металлург" (г. Ижевск), "Варзи-ятчи" (Удмуртия) и в санатории "Ключи" Пермской области.
Ижевский государственный Поступила в редакцию
технический университет 6 июня 2003 г.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ф а р л и е в Р.Г. и др. Скорость звука в газе межтрубного пространства механизированных скважин.— Нефтяное хозяйство, 2000, № 7, с. 55—58.
2. Налимов Г.П. и др. Контроль параметров проблемных добывающих скважин уровнемером-динамографом "Судос-комплекс".— Нефтяное хозяйство, 2000, № 8, с. 107—108.
3. Буденков Г.А., Недзвецкая О.В., Стрижак В.А. Акустика затрубно-го пространства добывающих и нагнетательных скважин.— Дефектоскопия, в печати.
4. Буденков Г. А., Стрижак В. А., Пряхин A.B., Полянкин Г. А., Коршунов Я.Ю., Недзвецкая О.В . Импульсный метод измерения скорости ультразвука.— Дефектоскопия, 1998, № 9, с. 3—8.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.