Устройство для измерения уровня жидкости в скважине

 

Назначение: изобретение предназначено для измерения уровня жидкости в скважине, а также может быть использовано для диагностики скважинного оборудования с получением первичного документа об измерении в виде эхограммы. Сущность изобретения: устройство содержит генератор 1 акустических сигналов, пьезокерамический преобразователь 2, выпоняющий функцию чувствительного элемента в приемнике сигналов, подключенный к входу вторичного записывающего прибора, включающего последовательно соединенные подавитель 3 сетевых наводок, фильтр 4 нижних частот, усилитель 5 и регистрирующий узел 6, к второму входу которого подключен лентопротяжный механизм, а также калибратор времени. Последний выполнен в виде последовательно соединенных кварцевого генератора 8, делителя 9 частоты и коммутирующего узла 10, выход которого подключен к входу усилителя 5. Применение калибратора времени и подавителя сетевых наводок позволяет повысить точность и достоверность измерения уровня жидкости в скважине. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к контролю уровня жидкости в скважине акустическим методом и может быть использовано при измерении уровня жидкости в скважине, а также при диагностике скважинного оборудования.

Известно устройство контроля уровня жидкости в скважине, содержащее генератор зондирующих импульсов с излучателем и приемником отраженного сигнала, усилитель, амплитудный селектор, генератор запускающих импульсов, индикатор, пороговый блок, фильтр верхних частот, выпрямитель, интегратор и блок обнуления [1]. Недостатком известного устройства является низкая достоверность результатов контроля уровня жидкости в скважине, обусловленная влиянием сетевых наводок и акустических помех на чувствительный элемент приемника отраженного сигнала. Сетевые наводки образуются при работе силового электрического оборудования скважины за счет воздействия переменного электромагнитного поля, акустические помехи образуются при работе механического оборудования скважины, а также за счет частичных отражений акустического зондирующего сигнала от геометрических неоднородностей по сечению затрубного пространства скважины в процессе контроля уровня жидкости. Результатом воздействия сетевых наводок и акустических помех на чувствительный элемент приемника является низкая достоверность известного устройства.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является аналоговый регистратор акустических сигналов, содержащий предварительный усилитель, электрический фильтр, усилитель мощности, выходной электрический преобразователь, лентопротяжный механизм, схему автоматического регулирования усиления и переключатель каналов скважинных линий [2]. Недостатком известного аналогового регистратора акустических сигналов является низкая точность и низкая достоверность результатов измерения уровня жидкости в скважине. Низкая точность обусловлена изменением скорости лентопротяжного механизма (ЛПМ) за счет влияния температуры окружающей среды, а также поэкземплярным отклонением (для каждого конкретного ЛПМ) фактической скорости движения от точного номинального значения. Низкая достоверность обусловлена наличием схемы автоматического регулирования усиления (АРУ), охватывающей усилительный тракт регистратора, так как схема АРУ в паузе между зондирующим и отраженным сигналами производит усиление акустических помех, образующихся в затрубном пространстве скважины, например, за счет частичного отражения зондирующего сигнала от геометрических неоднородностей или же вызванных работой механического оборудования, в частности, при срабатывании обратного клапана, входящего в состав скважинного оборудования.

Дополнительное снижение точности и достоверности в аналоговом регистраторе вызвано применением электрического фильтра Баттерворта высокого порядка (6-8-го), необходимого для подавления сетевых наводок и акустических помех до требуемого уровня, так как повышение порядка фильтра, численно равного степени образующего полинома, приводит к искажению формы и появлению колебательных выбросов огибающей выходного сигнала, а также к увеличению времени нарастания переходного процесса на его выходе.

Целью изобретения является повышение точности и достоверности измерения уровня жидкости в скважине.

Достигается это тем, что устройство дополнительно снабжено калибратором времени, выход которого подключен к входу усилителя, и подавителем сетевых наводок, подключенным между выходом пьезокерамического преобразователя и входом фильтра нижних частот; причем калибратор времени выполнен в виде последовательно включенных кварцевого генератора, делителя частоты и коммутирующего узла; подавитель сетевых наводок выполнен в виде режекторного фильтра, настроенного на частоту промышленной сети, а фильтр нижних частот выполнен в виде фильтра Бесселя на 2-х активных звеньях.

Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает, что калибратор времени, выполненный в виде последовательно включенных кварцевого генератора, делителя частоты и коммутирующего узла, судя по известным источникам, не используется. Широко известной является цепочка, содержащая кварцевый генератор и делитель частоты. Подавитель сетевых наводок в известных технических решениях также не используется, хотя режекторные фильтры широко известны, например, в радиотехнике. Тем не менее применение калибратора времени и подавителя сетевых наводок в указанной связи с функциональными узлами в заявляемом устройстве для измерения уровня жидкости в скважине приводит к существенному повышению точности и достоверности измерения за счет подавления сетевых наводок. Это позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию "существенные отличия".

На чертеже представлена структурная схема устройства для измерения уровня жидкости в скважине.

Она содержит генератор акустических сигналов 1, последовательно соединенные пьезокерамический преобразователь 2, подавитель сетевых наводок 3, фильтр нижних частот 4, усилитель 5 и регистрирующий узел 6. Кроме того, устройство содержит лентопротяжный механизм 7 и калибратор времени, выполненный в виде последовательно соединенных кварцевого генератора 8, делителя частот 9 и коммутирующего узла 10, выход которого подключен к входу усилителя 5.

Устройство работает следующим образом. Перед измерением уровня жидкости включают лентопротяжный механизм 7 и через исполнительный орган коммутирующего узла 10, выполненного, например, в виде кнопки с нормально разомкнутыми контактами, на вход усилителя 5 подают последовательность калибровочных импульсов с выхода делителя частоты 9. Калибровочные импульсы с выхода усилителя 5 поступают на регистрирующий узел 6, который записывает их на первичный документ, например термочувствительную бумагу. На вход делителя частоты 9 поступают импульсы с выхода кварцевого генератора 8, работающего в автоколебательном режиме. Коэффициент деления в делителе частоты выбран постоянным, обеспечивающим на его выходе фиксированное значение периода колебаний, например 1 с. В таком случае на первичном документе будут записаны калибровочные импульсы с периодом 1 с, которые необходимы для измерения фактической скорости движения ЛПМ (4-5-ть периодов).

Далее производят запуск генератора акустических сигналов 1, который формирует зондирующий импульс в виде кратковременного перепада давления в затрубном пространстве скважины, и производят запись на первичный документ, называемый эхограммой, процесса распространения зондирующего импульса до появления отраженного от границы раздела сред газ-жидкость обратного сигнала, после чего запись прекращают. На полученной эхограмме будут записаны калибровочные импульсы и процесс распространения зондирующего акустического импульса в затрубном пространстве скважины, содержащий информацию об уровне жидкости.

По калибровочным импульсам измеряют фактическую скорость движения ЛПМ, а по интервалу между передним фронтом зондирующего и отраженного сигналов, записанных на эхограмме, измеряют с учетом фактической скорости движения ЛПМ время распространения зондирующего сигнала от устья скважины до границы раздела сред и обратно. Полученное значение времени делят на два и умножают на скорость звука в затрубном пространстве скважины, получая при этом величину уровня жидкости. Скорость звука в затрубном пространстве скважины измеряют по реперному устройству, если скважина оборудована им, или же определяют по экспериментальной кривой зависимости скорости звука от давления, используемой на нефтепромыслах.

При экспериментальных исследованиях предлагаемого устройства в качестве генератора акустических сигналов использовалось серийно выпускаемое устройство УГПС, входящее в состав системы контроля уровня жидкости СКУ-1М, а в качестве акустического преобразователя - полый цилиндр из титаната бария, входящий в состав устройства УГПС. Конструктивно генератор сигналов и пьезокерамический преобразователь выполнены в одном корпусе и через соединительный двухжильный неэкранированный кабель подключены к входу вторичного записывающего прибора, включающего в себя: подавитель сетевых наводок 3, фильтр нижних частот 4, усилитель 5, регистрирующий узел 6, лентопротяжный механизм 7, и калибратор времени (8, 9, 10). Усилитель 5, pегистpиpующий узел 6 и лентопротяжный механизм 7 использовались от серийного электрокардиографа ЭКТ1-ОЗМ. Подавитель сетевых наводок реализован по схеме двойного Т-образного моста на базе конденсаторов ОСК 71-7В и резисторов МЛТ-0,125 с ± 1% -м отклонением номиналов, фильтр нижних частот реализован на двух активных звеньях на базе операционных усилителей 140 УД 6, конденсаторов и резисторов с ± 5%-м отклонением номиналов.

В результате экспериментальных исследований предлагаемого устройства установлено, что по сравнению с устройством аналогичного назначения предлагаемое устройство обеспечивает более высокую точность измерения уровня жидкости - не хуже ± 2% (в прототипе ± 9%) и высокую достоверность результатов измерения (ошибочных измерений при экспериментальных исследованиях не установлено). Кроме того, применение подавителя сетевых наводок позволяет ослабить влияние помех, созданных при работе силового электрического оборудования и воздействующих на пьезоэлектрический преобразователь и соединительный кабель, не менее чем на 40 дБ (100 раз), что дает возможность применять неэкранированный кабель.

Общее подавление помех на частоте 50 Гц, измеренное на выходе фильтра нижних частот, составляет не менее 60 дБ (1000 раз), что дает возможность получения чистых линий на эхограмме в процессе записи зондирующего и отраженного сигнала.

Ввиду того, что фильтр нижних частот реализован по схеме фильтра Бесселя 4-го порядка, обладающего линейной фазово-частотной характеристикой, огибающая выходного сигнала имеет незначительные искажения формы по сравнению с другими типами фильтров, что существенно повышает разрешающую способность при записи процесса распространения зондирующего сигнала в затрубном пространстве. В частности, незначительные искажения формы выходного сигнала фильтра нижних частот позволяют записывать на эхограмме наличие геометрических неоднородностей по сечению затрубного пространства скважины, например определять наличие утечек нефтепpодуктов из НКТ, которое определяется по характерным частичным отражениям зондирующего сигнала, наличие парафиновых отложений в затрубном пространстве скважины, а также изменение геометрического сечения обсадной колонны. В последнем случае установлено, что в местах сужения обсадной колонны частичное отражение зондирующего сигнала совпадает по фазе с генерируемым зондирующим сигналом, а в местах расширения обсадной колонны имеет противоположную фазу (сдвиг на 180^о). Указанное обстоятельство объясняется тем, что при сужении сечения обсадной колонны происходит скачкообразное уплотнение среды, а в местах расширения - обратный процесс. Таким образом, предлагаемое устройство может быть использовано для диагностики скважинного оборудования, что расширяет возможности его применения.

Для удобства в работе, в частности для получения эхограмм в одинаковом масштабе, в усилителе предусмотрена оперативная регулировка коэффициента усиления с помощью переменного резистора (плавно) и с помощью переключателя (дискретно), однако в процессе записи эхограммы коэффициент усиления остается постоянным. В процессе диагностики скважинного оборудования коэффициент усиления устанавливают близким к максимальному значению, что дает возможность более детально определить геометрические неравномерности в затрубном пространстве скважины. Диапазон измеряемых глубин при экспериментальных исследованиях составил от 20 до 1860 м. Диапазон рабочих давлений в затрубном пространстве скважин составил от -0,08 до +50 кг/см². В частности, при нулевом давлении в затрубном пространстве скважины значение измеряемого уровня составило 1240 м.

В результате предлагаемое устройство позволяет повысить точность и достоверность измерения уровня жидкости в скважине, а также производить диагностику скважинного оборудования.

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ ЖИДКОСТИ В СКВАЖИНЕ, содержащее генератор акустических сигналов, пьезокерамический преобразователь, лентопротяжный механизм и последовательно соединенные фильтр нижних частот, усилитель и регистрирующий узел, к второму входу которого подключен лентопротяжный механизм, отличающееся тем, что, с целью повышения точности и достоверности измерения, оно снабжено подавителем сетевых наводок и калибратором времени, выход которого подключен к входу усилителя, при этом к входу подавителя сетевых наводок подключен выход пьезокерамического преобразователя, а выход подавителя сетевых наводок подключен к входу фильтра низких частот.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что калибратор времени выполнен в виде последовательно соединенных кварцевого генератора, делителя частоты и коммутирующего узла, а подавитель сетевых наводок выполнен в виде режекторного фильтра, настроенного на частоту промышленной сети.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что фильтр нижних частот выполнен в виде фильтра Бесселя 4-го порядка на двух активных звеньях.

РИСУНКИ

Рисунок 1