Способ определения уровня жидкости в водозаборной скважине

Изобретение относится к практике эксплуатации водозаборных скважин с помощью глубинно-насосного оборудования и может использоваться в нефтедобывающей промышленности и в других отраслях промышленности. Способ определения уровня жидкости в водозаборной скважине основан на различии в теплопроводности газовой среды и жидкости в скважине и различном поведении проводника электрического тока в этих разных средах. Любой проводник нагревается в газовой и жидкой средах по-разному, вследствие этого меняется по-разному и его сопротивление и сила тока в электрической цепи. С учетом этого в скважине от устья до глубинного насоса или продуктивного пласта на стационарной основе располагают сложенный вдвое в U-образной форме электропроводящий одножильный кабель в неэлектропроводящей оболочке с теплопроводящей способностью. Кабель соединяют через резистор (электрическое сопротивление) и амперметр в последовательную электрическую цепь. Предварительно по скважине получают калибровочную зависимость силы тока в электрической цепи от уровня раздела газовой и жидкой сред. Уровень жидкости в скважине определяют дистанционно с необходимой частотой с помощью калибровочной зависимости, подключения электрической цепи к источнику напряжения и снятия показания амперметра через фиксированное время. 1 ил.

 

Заявляемое изобретение относится к практике эксплуатации водозаборных скважин с помощью глубинно-насосного оборудования, и может использоваться в нефтедобывающей промышленности и в других отраслях промышленности.

В скважинах межтрубное пространство (МП) между колонной лифтовых труб и обсадной колонной заполнено, как правило, двумя средами: газовоздушной и жидкостной. Граница между средами в действующей скважине называется динамическим уровнем жидкости. Его глубину от устья скважины определяют с необходимой частотой для оценки давления на приеме глубинного насоса, определения объема воды в скважине и характеристик водонасыщенного пласта.

Динамический и статический уровни жидкости в скважинах определяют с помощью эхолотирования межтрубного пространства, то есть о глубине уровня судят по времени прохождения звуковой волны в газовой среде (стр. 202 в книге: Васильевский В.Н., Петров А.И. Оператор по исследованию скважин. Учебник для рабочих.- М.: Недра, 1983. - 310 с.). Метод является основным в нефтедобывающей промышленности, но имеет несколько недостатков. Акустический сигнал с устья скважины, как правило, создает оператор по добыче нефти или исследователь с помощью переносного генерирующего устройства типа Микон-101 или Судос. Работы на скважине всегда сопряжены с определенной опасностью из-за повышенного давления в скважине. Получаемая таким образом информация является, по своей сути, дискретной величиной и часто недостаточной для принятия квалифицированных и оперативных решений по эксплуатации системы «пласт - глубинный насос».

Известен способ оценки уровня жидкости в водозаборной скважине по патенту РФ на изобретение №2623756 (опубл. 29.06.2017, бюл. 19), по которому генератор и приемник акустической волны располагают в зоне глубинного насоса, об уровне воды в скважине судят по времени прохождения акустической волны от насоса до уровня и обратно к насосу. Способ характеризуется погрешностью при наличии пузырьков газа в водной среде и изменении скорости движения акустического сигнала в газожидкостной среде водной многофазной среде.

Наиболее близким по техническому решению к заявляемому изобретению является способ определения уровня жидкости в скважине по патенту РФ на изобретение №2559979 (опубл. 20.08.2015, бюл. 23). Согласно этому изобретению от устья скважины до глубинного насоса располагают стационарно и равномерно по вертикальной глубине скважины датчики давления, по информации от которых и определяют границу различных сред по излому зависимости давления от глубины датчиков. Способ имеет следующие недостатки:

- графоаналитическим путем определяется вертикальная глубина раздела фаз, для определения уровня жидкости по абсолютной длине скважины необходимы качественные данные по удлинению ствола скважины относительно вертикальной составляющей от устья до насоса;

- электрическая цепь из множества датчиков давления является сложным устройством, в котором необходимо контроллером станции управления получать в индивидуальном порядке информацию от каждого датчика давления;

- датчики давления являются достаточно габаритными устройствами, поэтому их размещение с учетом бронирующих оболочек в ограниченном пространстве кольцевого межтрубного пространства сегодня представляет конструктивную сложность.

Технической задачей заявляемого изобретения является создание способа определения уровня жидкости в водозаборной скважине в постоянном режиме времени без участия человека с минимальными затратами и одновременным повышением точности производимых замеров.

Поставленная задача выполняется тем, что по способу определения уровня жидкости в водозаборной скважине, который заключается в установке электрических устройств равномерно от устья скважины до глубинного насоса, в качестве устройств в единственном числе используют электропроводящий одножильный кабель в неэлектропроводящей оболочке с теплопроводящей способностью, сложенный вдвое кабель в U образной форме прокладывают стационарно от устья до глубинного насоса или продуктивного пласта с помощью нетеплопроводящих центраторов так, чтобы кабели оказались в центральной части межтрубного пространства скважины, сложенный вдвое кабель соединяют последовательно через резистор (электрическое сопротивление) и амперметр в электрическую цепь, а глубину уровня жидкости в скважине определяют по показанию амперметра через определенный интервал времени после подключения электрической цепи к источнику напряжения постоянной величины и предварительно полученной калибровочной зависимости силы тока в цепи от глубины раздела газовой и жидкой сред как фактора общего сопротивления электрической цепи.

В основу изобретения положено утверждение о линейной зависимости сопротивления тепловыделяющего проводника электрической цепи от его температуры стр. 157 в книге: Трофимова Т.И., Курс физики: Учеб. пособие для вузов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 1990. - 478 с.).

Например, для металлического кабеля (проводника) с повышением его температуры растет электрическое сопротивление. В скважинных условиях часть электропроводящего кабеля окажется в газовой среде, а часть - в водной среде. Известно, что теплопроводность воды в десятки раз превышает аналогичный показатель газовой среды, например, воздуха или метана. Поэтому каждый метр проводника, находящийся в газовой среде, будет нагреваться на большую величину, чем аналогичное устройство в водной среде. Зависимость электрического сопротивления металлического кабеля фиксированной длины R(t) от температуры t имеет линейный характер и определяется известной формулой:

где:

α - температурный коэффициент;

R₀ - электрическое сопротивление металлического кабеля фиксированной длины при температуре ноль градусов по шкале Цельсия.

Исходя из вышеизложенного, металлический кабель (проводник), находящийся в газовой среде будет постепенно нагреваться из-за низкой теплопроводности окружающей среды. Обратная картина будет наблюдаться по проводнику, который находится в воде, так как вода будет своевременно отводить тепло от электрического проводника, не давая ему нагреваться.

Схема предлагаемой по изобретению электрической цепи в скважинных условиях предложена на фиг. 1, где следующими номерами обозначены: 1 - обсадная колонна скважины, 2 - колонна насосно-компрессорных труб (НКТ), 3 - глубинный насос, 4 - измерительный кабель, 5 - центраторы, 6 - дополнительный резистор, 7 - амперметр, 8 - источник напряжения постоянной величины, 9 - ровень жидкости в скважине, 10 - газовая среда, 11 - водная фаза, 12 - оболочка (наполнитель) кабеля, 13 - защитная броня кабеля.

Электропроводящий кабель (разрез А-А на фиг.1) состоит из одножильного проводника (металл или полупроводник) 4, неэлектропроводящей оболочки (наполнителя) 12 с теплопроводящей способностью и защитного покрытия (брони) 13. В качестве наполнителя можно использовать эффективные материалы фирмы Номакон типа КПТД, имеющие высокие значения коэффициента теплопроводности на уровне 1,1 Вт/(м⋅К), что вдвое выше аналогичного показателя для воды.

Общее сопротивление электрической цепи R_общ, приведенной на фиг. 1, выразим формулой, соответствующей последовательному соединению трех сопротивлений, два из которых являются условными с границей по уровню воды в скважине.

где:

R₀ - резистор, выполняющий функцию дополнительного сопротивления для неглубоких водозаборных скважин;

R₁ - сопротивление кабеля, находящегося в газовой среде;

R₂ - сопротивление кабеля, находящегося в воде;

Н_ур - уровень воды в скважине от устья;

Н - длина сложенного вдвое кабеля в скважине от устья до насоса или водонасыщенного пласта.

Из формулы 2 выразим уровень жидкости (воды) в скважине:

В выражении 2 параметры R₀, R₁, R₂ - постоянные величины, особенно для неглубоких водозаборных скважин, параметр Н - также неизменная величина. Общее сопротивление в цепи выразим как отношение напряжения к силе тока: _Rобщ=U/I, поэтому уравнение 3 характеризует обратную зависимость между уровнем жидкости H_yp в скважине и силой тока в электрической цепи I:

где: а и b - постоянные величины.

Для глубоких скважин температура горных пород вокруг скважины будет повышаться с ее глубиной с учетом геотермического градиента. Это будет влиять и на температуры газовой и водной среды, на их теплоотводящие способности. Надо заметить и то, что и вода, которая поднимается по колонне насосно-компрессорных труб, будет вносить свою долю тепла в верней части скважины. Рассчитать эти процессы для скважины практически невозможно, поэтому по изобретению предложено на ранней стадии эксплуатации водозаборной скважины получить калибровочную зависимость уровня воды от силы тока в электрической цепи.

Изменение уровня воды в скважине для получения калибровочной зависимости можно выполнить несколькими способами, например, изменением производительности глубинного насоса. После каждого изменения уровня воды необходимо замерить глубину этого уровня приемлемым способом, например, традиционным акустическим способом, и одновременно замерить силу тока в электрической цепи из множества терморезистров.

В сравнении с прототипом - патентом РФ на изобретение №2559979 -рассмотренная заявка экономически выгодна для нефтедобывающих предприятий, так как предлагаемая по изобретению электрическая схема состоит лишь из одного одножильного кабеля и не имеет таких дорогостоящих элементов как датчики давления.

По мнению авторов, новизной и существенным отличием по изобретению являются следующие положения, отраженные в заявке:

- уровень жидкости (воды) определяется дистанционно с необходимой частотой по показанию амперметра (сила тока в цепи);

- показание амперметра снимается через определенное время, необходимое для стабилизации температуры и сопротивления электрического кабеля, которые могут находиться в разных средах в зависимости от уровня воды в скважине.

Способ определения уровня жидкости в водозаборной скважине, заключающийся в установке электрических устройств равномерно от устья скважины до глубинного насоса, отличающийся тем, в качестве устройства в единственном числе используют электропроводящий одножильный кабель в неэлектропроводящей оболочке с теплопроводящей способностью, сложенный вдвое кабель в U-образной форме прокладывают стационарно от устья до глубинного насоса или продуктивного пласта с помощью нетеплопроводящих центраторов так, чтобы кабели оказались в центральной части межтрубного пространства скважины, сложенный вдвое кабель соединяют последовательно через резистор (электрическое сопротивление) и амперметр в электрическую цепь, а глубину уровня жидкости (воды) в скважине определяют по показанию амперметра через определенный интервал времени после подключения электрической цепи к источнику напряжения постоянной величины и предварительно полученной калибровочной зависимости силы тока в цепи от глубины раздела газовой и жидкой сред как фактора общего сопротивления электрической цепи.