Способ измерения уровня жидкости в скважине и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к области исследования скважин и может быть использовано при определении уровня жидкости в эксплуатационной скважине. Задачей изобретения является повышение надежности и достоверности контроля за работой скважины. 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 и 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 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. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретения относятся к области измерения уровня (статического, динамического) жидкости в скважинах и могут быть использованы в процессе контроля за балансом “приток - откачка” при работе эксплуатационных скважин в нефтедобыче, причем преимущественно эти технические решения предназначены для реализации при обустройстве так называемых “интеллектуальных” скважин с адаптивным автоматизированным компьютеризированным комплексом, содержащим промышленный контроллер с соответствующим приборным и программным обеспечением.

Известен способ измерения уровня жидкости в скважине, реализуемый устройствами [1, 2]. В первом случае [1] об уровне жидкости судят по числу оборотов микроэлектродвигателя, соединенного с суммирующим счетчиком и валом барабана с намотанным на него кабелем-тросом. По кабелю-тросу в скважину спускается поплавок с грузиком. При достижении грузиком уровня жидкости последний ложится на поплавок, при этом крутящий момент от массы грузика исчезает, барабан застопоривается, и дальнейшее опускание кабеля-троса прекращается. Устройство может работать в автоматическом режиме, т.е. обеспечивать изменение уровня жидкости (уменьшение или увеличение).

Недостатками способа и устройства, реализующего способ, является сложность электромеханической системы: зубчатые передачи, неравномерность намотки кабеля-троса, что, в свою очередь, влияет на погрешность измерения уровня жидкости, нарушение плавучести поплавка в процессе эксплуатации вследствие его загрязнения и т.д.

В устройстве [2] также применяется кабель, спускаемый в скважину с помощью лебедки. На кабеле укреплен полый немагнитный корпус, внутри которого размещены геркон, сетка и немагнитный поплавок со встроенным в него постоянным магнитом. Жидкость, проходя через отверстие в корпусе, приподнимает поплавок с постоянным магнитом, магнитное поле постоянного магнита воздействует на контакты геркона и замыкает их. О замыкании контактов геркона сигнализирует загоревшаяся лампочка (на поверхности). По загоревшейся лампочке судят о достижении поплавком уровня жидкости. Устройство также может работать в автоматическом режиме (реагирование на изменение уровня жидкости - уменьшение или увеличение уровня).

Устройство также имеет свои недостатки: наличие кабеля, загрязнение сетки и поплавка, что сказывается на запаздывании получения сигнала о достижении уровня жидкости (например, нефти).

Из аналогов наиболее близкими техническими решениями к заявляемому способу и устройству, его реализующему, являются способ и устройство для его осуществления [3], которые предусматривают излучение акустического зондирующего импульса и регистрацию сигнала, отраженного от поверхности жидкости в скважине и от элементов скважинных колонн труб.

Но и этот аналог, принятый за прототип, обладает следующими недостатками. Способ и устройство, его реализующее [3], требуют при измерениях уровня жидкости в скважине наличие оператора, что неэффективно при исследованиях “интеллектуальных” скважин, работающих в режиме адаптивного управления и контроля технологических процессов. Существенное влияние на точность измерения уровня жидкости при применении звукометрических методов оказывают такие факторы, как температура и состав газа.

Требуемый технический результат заявляемых объектов промышленной собственности заключается в обеспечении периодического контроля за уровнем жидкости в работающей или остановленной, но незаглушенной, эксплуатационной скважине без какого-либо участия операторской службы нефтепромысла, то есть в автономном режиме и с выдачей информации в систему “интеллектуализации” скважины; иначе - цель предлагаемых изобретений заключена в обеспечении надежного и достоверного контроля за скважиной в режиме “приток - откачка”.

Требуемый технический результат в части способа измерения уровня жидкости в скважине достигается тем, что в способе-прототипе, содержащем излучение акустического зондирующего импульса (в полость скважины) и регистрацию отраженных сигналов в режиме реального времени с последующим выделением отраженного сигнала, характеризующего именно уровень жидкости, то есть местоположение в скважине границы раздела “жидкость - газ”, из зарегистрированной совокупности всех принятых сигналов, зондирующий импульс создают мгновенной (кратковременной) депрессией в газовой полости скважины путем перепуска части газа в замкнутую полость емкости фиксированного объема, а уровень Н жидкости определяют как частное от деления объема _г газовой полости в стволе скважины на площадь S_к.c. кольцевого сечения между обсадной колонной и колонной насосно-компрессорных труб, при этом объем V_г газовой полости для вычисления уровня Н определяют по формуле:

где V_e - объем газа, перепускаемый в замкнутую полость при создании депрессии; P₁ - давление газа в скважине до момента создания депрессии в ее стволе; P₂ - давление газа, установившееся в скважине и полости фиксированного объема по завершении перепуска газа и достижения им равновесного состояния.

Требуемый технический результат в части устройства для осуществления способа измерения уровня жидкости в скважине достигается тем, что оно 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, причем на пневмолинии установлен датчик давления с выходом на промышленный контроллер.

Требуемый технический результат обеспечен наличием в совокупности существенных признаков (характеризующих предлагаемый способ и реализующее его устройство) вышеуказанных отличительных признаков, а необнаружение в общедоступных источниках патентной и технической информации эквивалентных технических решений с теми же свойствами предполагает соответствие заявляемых объектов критериям изобретения.

На чертеже приведена принципиальная схема устройства, реализующего способ измерения уровня жидкости в скважине.

Устройство для измерения уровня жидкости в скважине состоит из промышленного контроллера 1, перепускной (газовой) емкости 2 с входным и выходным патрубками 3 и 4 соответственно, на каждом из которых установлено по быстродействующему электропневмоклапану (позиции 5 и 6). Оба электропневмоклапана электрически соединены и управляются промышленным контроллером 1. Устройство содержит также пневмолинию 7 для сообщения газовой полости скважины с перепускной емкостью 2 через электропневмоклапан 5 на входном патрубке 3 последней, причем на пневмолинии 7 установлен датчик давления с электрическим выходом на промышленный контроллер.

Устройство, реализующее способ, работает следующим образом. Состояние газа в скважине описывается с некоторыми известными допущениями (газ отличен от так называемого идеального) общеизвестным уравнением Клапейрона-Менделеева:

при этом в случае мгновенного перепуска части газа из скважины в емкость 2 известного объема V_e через электропневмоклапан 5 по команде контроллера 1 при заранее открытой на скважине задвижке (устьевое оборудование скважины на чертеже приведено, изображено тонкими линиями, но отдельными позициями не обозначено), состояние газа изменится и будет описываться следующим соотношением параметров:

где Р₂ - давление, несколько меньшее давления P₁ за счет расширения газа до объема V₂=V₁+V_e, где V₁ - объем скважинного газа до открытия электропневматического клапана 5, то есть до создания депрессии. Так как процесс расширения практически изотермичен и T₁ ≅ T₂, то можно утверждать, что

Р₁·V₁=Р₂·(V₁+V_e), откуда

При этом, учитывая, что в промышленный контроллер заложена соответствующая информация о конструкции скважины в целом и площади S_к.c. сечения канала ствола, уровень Н жидкости в скважине контроллер определяет и выдает как частное от деления объема V_г (иначе V₁) газа на площадь сечения S_к.c., то есть:

Рассматривая величину уровня Н как величину, изменяющуюся во времени, промышленному контроллеру задают (и программно обеспечивают) периодичность определения уровня исходя из требований норм технологического контроля за работой скважины. Программным путем, через контроллер, по ранее заданной частоте контроля уровня мгновенно открывается электропневмоклапан 5, и в полость скважины распространяется зондирующий акустический импульс (иначе - волна депрессии). После этого промышленный контроллер в режиме реального времени ведет запись (фиксацию, регистрацию) изменения давления от P₁ до Р₂ (с момента срабатывания электропневмоклапана 5 на открытие входного патрубка 3 и на заполнение перепускной полости 2) до стабилизации величины последнего.

По окончании измерения уровня контроллер закрывает электропневмоклапан 5, открывает электропневмоклапан 6 и сжатый газ идет на утилизацию (например, по газоотводу, оборудованному электрозапальником, на сжигание; на чертеже не показано). После стравливания газа из перепускной емкости до атмосферного давления электропневмоклапан 6 закрывается и устройство готово к следующему измерению уровня.

Приведем конкретный пример реализации способа. Например, давление в газовой полости составляет 10 единиц давления, а после перепуска части газа в емкость объемом 0,1 м³ давление составляет 9,8 единиц. Отсюда следует, что исходный объем газовой полости в скважине равен:

Зная среднюю (осредненную) площадь сечения газовой полости в скважине (так как известны диаметры, длины и другие параметры всех колонн труб, находящихся в стволе скважины), находим, что уровень жидкости в стволе скважины диаметром 0,15 м

Совокупности существенных признаков (в том числе и отличительных) заявляемого способа определения уровня жидкости в скважине и устройства для его осуществления обеспечивают достижение требуемого технического результата, соответствуют критериям изобретения и подлежат защите охранным документом (патентом) РФ в соответствии с просьбой заявителей.

Источники информации

1. Патент РФ № 20975 52, М.кл⁶ Е 21 В 47/04, 1997.

2. Патент РФ № 2175387, М.кл.⁷ Е 21 В 47/04, 1999.

3. Патент РФ № 2115892, М.кл.⁶ Е 21 В 47/04, 1996, прототип.

Формула изобретения

1. Способ измерения уровня жидкости в эксплуатационной скважине, включающий излучение акустического зондирующего импульса, регистрацию отраженных сигналов в режиме реального времени с последующим выделением отраженного сигнала, характеризующего именно уровень жидкости, то есть местоположение в скважине границы раздела “жидкость - газ”, из зарегистрированной совокупности всех принятых сигналов, отличающийся тем, что зондирующий импульс создают мгновенной и кратковременной депрессией в газовой полости скважины путем перепуска части газа в замкнутую полость емкости фиксированного объема, уровень Н жидкости определяют как частное от деления объема V_г газовой полости в стволе скважины на площадь S_к.с кольцевого сечения между обсадной колонной и колонной насосно-компрессорных труб, при этом объем V_г газовой полости для вычисления уровня Н определяют по формуле

где V_e - объем газа, перепускаемый в замкнутую полость при создании депрессии;

P₁ - давление газа в скважине до момента создания депрессии в ее стволе;

Р₂ - давление газа, установившееся в скважине и полости фиксированного объема по завершении перепуска газа и достижения им равновесного состояния.

2. Устройство для осуществления способа измерения уровня жидкости в скважине по п.1 формулы, содержащее 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, причем на пневмолинии установлен датчик давления с выходом на промышленный контроллер.

РИСУНКИ

Рисунок 1