Автоматический скважинный уровнемер

Изобретение относится к исследованию газо- и нефтедобывающих скважин и может быть использовано для контроля уровня жидкости в скважине в процессе ее эксплуатации. Техническим результатом изобретения является повышение надежности функционирования уровнемера, снижение его энергопотребления и уменьшение габаритных размеров, обусловленных новым схематическим построением устройства. Для этого уровнемер содержит контроллер, соединенный первыми информационными выходами с выводами обмотки, по меньшей мере, одного электромагнитного соленоида, связанного управляющими выходами с выводами, по меньшей мере, одного клапана сброса давления в затрубном пространстве скважины. Клапан механически соединен с задвижкой патрубка затрубного пространства скважины. К первым информационным входам котроллера подключен выходами блок измерения давления и приема акустических сигналов. Вторыми информационными входами и выходами контроллер связан соответственно с выходами и входами блока регистрации и сбора данных об уровне жидкости в скважине. При этом, по меньшей мере, один электромагнитный соленоид и блок регистрации и сбора данных размещены в корпусе с возможностью герметичного соединения с патрубком затрубного пространства скважины. 7 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области исследования газо- и нефтедобывающих скважин и может быть использовано для контроля уровня жидкости в скважине в процессе ее эксплуатации.

Известен уровнемер, содержащий последовательно соединенные генератор импульсов, выходной усилитель, обратимый преобразователь акустических сигналов, а также регистрирующий блок, коммутатор, фильтр нижних частот, блок сравнения и микропроцессор, причем коммутатор расположен между выходным усилителем и преобразователем, а также соединен с фильтром нижних частот и далее с блоком сравнения, блок сравнения соединен с регистрирующим блоком, регистрирующий блок соединен с микропроцессором, а выходы микропроцессора соединены с блоком сравнения, фильтром нижних частот и генератором импульсов (см. заявку на выдачу патента РФ на изобретение №96101871, кл. G01F 23/28, 1998).

Недостатками известного устройства являются низкая надежность его функционирования, значительное энергопотребление и габаритные размеры.

Также известен уровнемер, содержащий 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 (см. патент РФ №2232267, кл. Е21В 47/04, 2004).

Недостатками данного уровнемера также является низкая надежность его функционирования, значительное энергопотребление и габаритные размеры устройства.

Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, является повышение надежности его функционирования, снижение его энергопотребления и уменьшение его габаритных размеров, обусловленных новым схематическим построением устройства.

Данный технический результат достигается за счет того, что автоматический скважинный уровнемер содержит контроллер, соединенный первыми информационными выходами с выводами обмотки, по меньшей мере, одного электромагнитного соленоида, связанного управляющими выходами с выводами, по меньшей мере, одного клапана сброса давления в затрубном пространстве скважины, который механически соединен с задвижкой патрубка затрубного пространства скважины, блок измерения давления и приема акустических сигналов, подключенный выходами к первым информационным входам котроллера, который вторыми информационными входами и выходами связан соответственно с выходами и входами блока регистрации и сбора данных об уровне жидкости в скважине, при этом, по меньшей мере, один электромагнитный соленоид и блок регистрации и сбора данных об уровне жидкости в скважине размещены в корпусе с возможностью герметичного соединения с патрубком затрубного пространства скважины.

Кроме того, он имеет контроллер добывающего насоса, который предназначен для функционирования при эксплуатации скважины, причем управляющий вход контроллера добавочного насоса является управляющим выходом контроллера. Кроме того, блок регистрации и сбора данных об уровне жидкости в скважине имеет микропроцессор, по меньшей мере, один оперативный запоминающий узел, предназначенный для регистрации данных об уровне жидкости в скважине, по меньшей мере, один энергонезависимый запоминающий узел, предназначенный для регистрации и хранения данных об уровне жидкости в скважине, узел ввода информации, например клавиатуру, по меньшей мере, один узел индикации, предназначенный для визуализации данных об уровне жидкости в скважине, и термокалендарь с запоминающим элементом, предназначенный для регистрации даты и времени.

Данный технический результат также достигается за счет того, что блок измерения давления и приема акустических сигналов имеет датчик давления и узел приема акустических сигналов, выходы которых являются выходами блока измерения давления и приема акустических сигналов, а также за счет того, что блок регистрации и сбора данных об уровне жидкости в скважине выполнен с возможностью хранения данных о номерах скважины, куста скважин, месторождения, значениях скорости звука в скважине, значении затрубного давления в скважине и значении скорости звука, и, кроме того, за счет того, что блок регистрации и сбора данных об уровне жидкости в скважине выполнен с возможностью регистрации динамического и статического уровня акустической эхограммы в скважине и кривой восстановления уровня акустической эхограммы в скважине для определения типа снятой эхограммы для последующей обработки данных. Кроме того, задвижка патрубка затрубного пространства скважины выполнена с возможностью генерирования акустического сигнала при ее открывании во время срабатывания, по меньшей мере, одного клапана сброса давления в затрубном пространстве скважины. Кроме того, блок регистрации и сбора данных об уровне жидкости в скважине выполнен в ударопрочном, антистатическом, пластмассовом корпусе, включающем верхнюю и нижнюю крышки и переднюю панель.

Сущность изобретения поясняется на чертеже, где показана схема автоматического скважинного уровнемера, на которой показаны один электромагнитный соленоид и один клапан сброса давления в затрубном пространстве скважины.

Автоматический скважинный уровнемер содержит, по меньшей мере, один электромагнитный соленоид 1, по меньшей мере, один клапан 2 сброса давления в затрубном пространстве скважины, контроллер 3, блок 4 измерения давления и приема акустических сигналов и блок 5 регистрации и сбора данных об уровне жидкости в скважине. На чертеже также показан контроллер 6 добывающего насоса, управляющий вход которого является управляющим выходом контроллера. При этом контроллер 3 соединен первыми информационными выходами с выводами обмотки, по меньшей мере, одного электромагнитного соленоида 1, связанного управляющими выходами с выводами, по меньшей мере, одного клапана 2 сброса давления в затрубном пространства скважины, который механически соединен с задвижкой патрубка затрубного пространства скважины. Блок 4 измерения давления и приема акустических сигналов подключен к первым информационным входам контролера 3, который вторыми информационными входами и выходами связан соответственно с выходами и входами блока 5 регистрации и сбора данных об уровне жидкости в скважине, при этом, по меньшей мере, один электромагнитный соленоид 1 и блок 5 регистрации и сбора данных об уровне жидкости в скважине размещены в корпусе с возможностью герметичного соединения с патрубком затрубного пространства скважины (не показано).

Контроллер 6 добывающего насоса может быть установлен с возможностью эксплуатации скважины, причем управляющий вход контроллера 6 добавочного насоса является управляющим выходом контроллера 3.

Блок 5 регистрации и сбора данных об уровне жидкости в скважине имеет микропроцессор, по меньшей мере, один оперативный запоминающий узел, предназначенный для регистрации данных об уровне жидкости в скважине, по меньшей мере, один энергонезависимый запоминающий узел, предназначенный для регистрации и хранения данных об уровне жидкости в скважине, узел ввода информации, например клавиатуру, по меньшей мере, один узел индикации, предназначенный для визуализации данных об уровне жидкости в скважине, и термокалендарь с запоминающим элементом, предназначенный для регистрации даты и времени (не показан).

Блок 4 измерения давления и приема акустических сигналов имеет датчик давления и узел приема акустических сигналов (не показаны), выходы которых являются выходами блока 4 измерения давления и приема акустических сигналов.

Блок 5 регистрации и сбора данных об уровне жидкости в скважине выполнен с возможностью хранения данных о номерах скважины, куста скважин, месторождения, значениях скорости звука в скважине, значении затрубного давления в скважине и значении скорости звука.

Блок 5 регистрации и сбора данных об уровне жидкости в скважине выполнен также с возможностью регистрации динамического и статического уровня акустической эхограммы в скважине и кривой восстановления уровня акустической эхограммы в скважине для определения типа снятой эхограммы для последующей обработки данных.

Задвижка патрубка затрубного пространства скважины выполнена с возможностью генерирования акустического сигнала при ее открывании во время срабатывания, по меньшей мере, одного клапана 1 сброса давления в затрубном пространстве скважины (не показано).

Блок 5 регистрации и сбора данных об уровне жидкости в скважине выполнен в ударопрочном, антистатическом, пластмассовом корпусе, включающем верхнюю и нижнюю крышки и переднюю панель (не показано).

При этом следует отметить, что в данном устройстве может использоваться несколько (больше одного) электромагнитных соленоидов 1 и соответствующее им количество (тоже больше одного) клапанов 2 сброса давления в затрубном пространстве скважины. Это связано с тем, что задвижку на патрубке целесообразно располагать оптимальным образом для получения качественных эхограмм, т.е. на патрубке можно разместить несколько (больше одной) задвижек. Каждая задвижка при этом управляется своим клапаном 2, связанным с соответствующим соленоидом 1. На чертеже для удобства пояснения работы всего устройства показано наличие в схеме уровнемера одного соленоид 1 и одного клапана 2. При этом принцип работы устройства с несколькими соленоидами 1 и клапанами 2 не отличается от принципа работы устройства, показанного на чертеже.

Автоматический скважинный уровнемер, схема которого показана на чертеже, функционирует следующим образом.

Определение уровня жидкости осуществляется акустическим методом путем измерения времени прохождения акустического сигнала от устья скважины до границы раздела фаз «газ - жидкость». По величине измеренного времени и введенному значению скорости распространения акустического сигнала производится вычисление уровня.

При этом данное устройство присоединяется к патрубку затрубного пространства скважины (не показано), и в газовую среду скважины генерируется акустический сигнал. Генерация сигнала производится путем кратковременного срабатывания клапана 2 сброса давления, связанного с задвижкой патрубка затрубного пространства скважины (не показано). Воздействующий и отраженные акустические сигналы регистрируются в виде эхограммы и заполняются в оперативной памяти блока 5 регистрации и сбора данных об уровне жидкости.

По зарегистрированной эхограмме микропроцессор блока регистрации выделяет отраженные акустические сигналы и определяет время прихода отраженного сигнала.

Вычисление уровня производится по формуле

где V_звука - скорость звука для данного давления в затрубном пространстве исследуемой скважины, выбираемая по таблице скоростей, занесенной в блок 5, или устанавливаемая оператором, который работает с данным устройством;

Т - время от момента воздействия до прихода первого отраженного импульса.

Вычисленное значение уровня в метрах, давление в атм и количество зарегистрированных отражений выводится на индикатор блока 5.

Подготовка и выполнение операций по определению уровня жидкости в скважинах выполняется в следующей последовательности:

- кратковременно открыть задвижку (не показано) патрубка затрубного пространства, убедиться в исправности задвижки и отсутствии выброса жидкости, закрыть задвижку;

- присоединить уровнемер к патрубку затрубного пространства устьевого оборудования, установив выпускным отверстием вниз и в сторону для безопасности;

- открыть задвижку;

- при достижении давления в полости патрубка одной атмосферы уровнемер начинает работать в автоматическом режиме по заданной программе, производя кратковременный (0,3-0,4 с) выброс газа из выпускного отверстия;

- для снятия уровнемера необходимо закрыть задвижку, стравить давление из полости патрубка путем нажатия на клапан 2 и отсоединить уровнемер от патрубка.

Подготовка к работе блока 5 заключается в том, что в него вводятся данные о номере скважины, номере куста, номере месторождения, а также таблицы с данными о скоростях звука.

Блок 5 регистрации позволяет хранить до 8 именованных таблиц скоростей звука (таблицы записываются в блок регистрации). В зависимости от выбранной таблицы и измеренного (введенного) давления производится выбор значения скорости звукового сигнала.

Блок регистрации запоминает номер используемой таблицы для каждой скважины, при повторном исследовании автоматически использует ранее выбранную для данной скважины таблицу скоростей.

В блок 5 регистрации и сбора данных об уровне жидкости в скважине также вводится продолжительность регистрации эхосигнала от 1 до 28 с.

Продолжительность зависит от глубины уровня. Чем глубже уровень в скважине, тем большая необходима длительность замера. Рекомендуется использовать 0,7 секунд на каждые 100 м уровня. То есть если ориентировочный уровень около 1000 метров, то расчетная длительность регистрации эхограммы будет (1000/100)·0,7=7 секунд.

Для получения более достоверных данных следует выбирать длительность таким образом, чтобы в эхограмме присутствовало два и более отклика от уровня.

Слишком высокие значения длительности приводят к большим замерам, которые быстро заполняют память.

В блоке 5 также осуществляется выбор типа эхограммы по следующим параметрам - выбор типа регистрируемого уровня (ДИН - динамический уровень, СТАТ - статический уровень, КВУ - кривая восстановления уровня). Этот параметр является справочной информацией о типе снятой эхограммы при обработке данных в компьютерной программе, используемой в блоке 5 регистрации и сбора данных об уровне жидкости в скважине. При этом при функционировании блока 5 происходит следующее.

При включенном режиме происходит сложение до 15 эхограмм для выделения полезного отраженного сигнала. Такой режим рекомендуется использовать при слабых или «неточных» откликах на эхограмме. При сложении нескольких снятых эхограмм отклики на графике выделяются сильнее, что дает возможность точнее определить уровень в скважине.

Включение/выключения режима сохранения графика эхограммы при записи в память блока 5 регистрации

Во включенном режиме при записи снятого замера в память блока регистрации записываются и измеренные данные (уровень, отклики, давление), и график эхограммы (всего порядка 80-120 замеров). При выключенном режиме производится запись только измеренных данных (график эхограммы НЕ СОХРАНЯЕТСЯ). Данный режим используется при необходимости записи большого числа замеров эхометрирования без графика, например, для регистрации КВУ (возможна запись около 1500 таких замеров).

Электромагнитный соленоид 1 и блок 5 регистрации и сбора данных об уровне жидкости в скважине размещаются в корпусе с возможностью герметичного соединения с патрубком затрубного пространства скважины (не показано). При этом осуществляется присоединение уровнемера к патрубку затрубного пространства, а клапан 2 сброса давления в затрубном пространстве скважины механически соединен с задвижкой патрубка затрубного пространства скважины (не показано). После всех проведенных манипуляций данное устройство готово к работе. Контроллер 3 с учетом заданной программы своего функционирования подключает к работе, по меньшей мере, один электромагнитный соленоид 1 с помощью его обмотки (на чертеже показан случай применения только одного соленоида). При этом при включении соленоида 1 срабатывает, по меньшей мере, один клапан 2 сброса давления (на чертеже показан случай применения только одного клапана 2). Затем срабатывает задвижка, механически связанная с клапаном 2, которая открывает патрубок затрубного пространства с возможностью образования выпускного отверстия. При этом создается акустический импульс порядка 90-110 дБ/м, улавливаемый узлом приема акустических сигналов, входящим в блок 4.

По времени прохождения акустического импульса в газовой среде определяется расстояние от устья скважины до границы раздела сред газ - жидкость с учетом давления газовой среды в скважине, регистрируемого датчиком давления, входящим в блок 4, который определяет скорость распространения звуковой волны в скважине. Далее данные с блока 4 поступают через контроллер 3 в блок 5 регистрации и сбора данных об уровне жидкости в скважине, который фиксирует 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.

При этом в автоматическом автономном режиме совместно функционирующие контроллер 3 и блок 5 обеспечивают периодичность определения уровня жидкости, исходя из требований норм технического контроля. В этом случае также необходимо иметь в виду, что зависимость скорости звука от затрубного давления и состава газа определяется для каждого нефтяного района страны и приведена в соответствующих таблицах, данные которых занесены в соответствующие узлы блока 5.

Приведенный на чертеже контроллер 6 добавочного насоса может быть включен в описываемый уровнемер в случаях, когда после определения уровня жидкости в скважине необходимо осуществлять добычу углеводородов. Тогда поступающая из блока 5 регистрации в контроллер 3 информация об уровне жидкости преобразуется в контроллере 3 в сигнал, поступающий в контроллер 6 добывающего насоса. При этом данный сигнал заставляет контроллер 6 срабатывать таким образом, чтобы добывающий насос в скважине начал функционировать с учетом тех данных об уровне жидкости, которые были получены в процессе работы уровнемера. Регистрация эхограммы производится блоком 5 регистрации и сбора данных об уровне жидкости в скважине с дискретностью 2 мс, что соответствует 0,6 м.

Основную погрешность в определение уровня вносит неопределенность скорости звука для исследуемой скважины, которая зависит от давления в затрубном пространстве, температуры, газового состава и других параметров, определяющих величину скорости.

Рабочий ресурс и работоспособность клапана зависит от условий эксплуатации. Определяющими факторами, влияющими на ресурс работоспособности, являются наличие в среде агрессивных составляющих (сероводород, растворители и т.д.), ее температура и давление.

Предлагаемый уровнемер прост по конструкции, в нем отсутствуют подвижные части и детали, что обеспечивает ему повышенную надежность в работе, например, в автоматическом и автономном режиме и без выброса газа в атмосферу.

Использование данного изобретения повышает надежность его функционирования. Устройство снижает его энергопотребление и уменьшает его габаритные размеры.

1. Автоматический скважинный уровнемер, содержащий контроллер, соединенный первыми информационными выходами с выводами обмотки, по меньшей мере, одного электромагнитного соленоида, связанного управляющими выходами с выводами, по меньшей мере, одного клапана сброса давления в затрубном пространстве скважины, который механически соединен с задвижкой патрубка затрубного пространства скважины, блок измерения давления и приема акустических сигналов, подключенный выходами к первым информационным входам контроллера, который вторыми информационными входами и выходами связан соответственно с выходами и входами блока регистрации и сбора данных об уровне жидкости в скважине, при этом, по меньшей мере, один электромагнитный соленоид и блок регистрации и сбора данных об уровне жидкости в скважине размещены в корпусе с возможностью герметичного соединения с патрубком затрубного пространства скважины.

2. Уровнемер по п.1, отличающийся тем, что он имеет контроллер добывающего насоса, который предназначен для функционирования при эксплуатации скважины, причем управляющий вход контроллера добавочного насоса является управляющим выходом контроллера.

3. Уровнемер по п.1, отличающийся тем, что блок регистрации и сбора данных об уровне жидкости в скважине имеет микропроцессор, по меньшей мере, один оперативный запоминающий узел, предназначенный для регистрации данных об уровне жидкости в скважине, по меньшей мере, один энергонезависимый запоминающий узел, предназначенный для регистрации и хранения данных об уровне жидкости в скважине, узел ввода информации, например клавиатуру, по меньшей мере, один узел индикации, предназначенный для визуализации данных об уровне жидкости в скважине, и термокалендарь с запоминающим элементом, предназначенный для регистрации даты и времени.

4. Уровнемер по п.1, отличающийся тем, что блок измерения давления и приема акустических сигналов имеет датчик давления и узел приема акустических сигналов, выходы которых являются выходами блока измерения давления и приема акустических сигналов.

5. Уровнемер по п.1, отличающийся тем, что блок регистрации и сбора данных об уровне жидкости в скважине выполнен с возможностью хранения данных о номерах скважины, куста скважин, месторождения, значениях скорости звука в скважине, значении затрубного давления в скважине и значении скорости звука.

6. Уровнемер по п.1, отличающийся тем, что блок регистрации и сбора данных об уровне жидкости в скважине выполнен с возможностью регистрации динамического и статического уровней акустической эхограммы в скважине и кривой восстановления уровня акустической эхограммы в скважине для определения типа снятой эхограммы для последующей обработки данных.

7. Уровнемер по п.1, отличающийся тем, что задвижка патрубка затрубного пространства скважины выполнена с возможностью генерирования акустического сигнала при ее открывании во время срабатывания, по меньшей мере, одного клапана сброса давления в затрубном пространстве скважины.

8. Уровнемер по п.1, отличающийся тем, что корпус, в котором размещены, по меньшей мере, один электромагнитный соленоид и блок регистрации и сбора данных об уровне жидкости в скважине, выполнен ударопрочным, антистатическим пластмассовым и включает верхнюю и нижнюю крышки и переднюю панель.