Акустический метод измерения уровня в скважинах

Сущность акустического метода заключается в определении рас­стояния по времени прохождения упругой звуковой волны от устья скважины до уровня жидкости. В скважину посылают звуковой импульс, мощность которого достаточна, чтобы получить надежное отражение от уровня жидкости. Затем определяют скорость распро­странения звука в скважине и время, необходимое для прохождения его от устья до уровня жидкости.

Расстояние от устья до уровня жидкости в скважине определяют по формуле

где w_r — скорость распространения звуковой волны в газовом про­странстве скважины; Т—время пробега звуковой волны от устья скважины до уровня жидкости.

Скорость распространения звуковой волны в скважине зависит от физических свойств, температуры, давления, плотности и состава газа, заполняющего скважину. Исследования показали, что скорость распространения звуковой волны в скважинах лежит в весьма широ­ких пределах: 250—460 м/с, поэтому ее необходимо определять одно­временно с измерением уровня жидкости.

Акустический метод измерения уровня использован в эхолоте, ко­торый применяется для определения статического и динамического уровней жидкости в глубиннонасосных скважинах.

Принципиальная схема измерения уровня эхолотом приведена на рис. 8.5. В качестве импульсатора в эхолоте применяется поро­ховая хлопушка 1, создающая мощную звуковую волну при мгно­венном сгорании пороха. Для определения скорости распростране­ния звука в скважине на насосных трубах устанавливают репер на определенном расстоянии от устья.

Пороховая хлопушка, герметично соединенная открытым концом с устьем скважины, посылает звуковой импульс, который, дойдя до ре­пера 2 и уровня жидкости, отражается и воспринимается термофо­ном 3. Звуковой импульс представляет собой взрыв порохового за­ряда, заключенного в гильзу, который получается при ударе по кап­суле бойком пороховой хлопушки. Термофон представляет собой вольфрамовую нить, по которой протекает постоянный ток силой 02—0,3 А, нагревающий нить до температуры 100 °С. Звуковые г vt-пульсы (колебания воздуха) воздействуют на вольфрамовую нить, чем вызывают понижение ее температуры, а следовательно, и пони­жение электрического сопротивления.

При этом сила тока в цепи термофона увеличивается. Колебания тока в цепи термофона, усиленные двухкаскадным усилителем 4, пе­редаются регистратору 5, который записывает их на диаграммной ленте 6. Диаграммная лента перемещается с постоянной скоростью 50 или 100 мм/с. Изменение скорости движения ленты достигается сменой ведущих роликов. Для сменных лент может быть использова­на любая канцелярская рулонная бумага или калька. Бумагу наре­зают ровными лентами шириной 30 мм и длиной 650 мм, которые-склеивают кольцами. Наибольшая глубина, на которой можно изме­рить уровень жидкости современными эхолотами, 3000 м. Погреш­ность составляет ±0,5% от предела измерения.

Простейшая теоретическая диаграмма записи звукового импульса и его отражений от репера и уровня, называемая эхограммой, изо­бражена на рис. 8.6. На ней выделяются три пика. Пик В соответ­ствует звуковому импульсу (выстрелу пороховой хлопушки), пик Р — отражению звуковой волны от репера, а пик Ур — отражению звуковой волны от уровня.

Поскольку лента движется с постоянной скоростью (50— 100 мм/с), по расстоянию между пиками легко определить время прохождения звука от устья до репера и до уровня жидкости. Рас­стояние до уровня можно определить из соотношения

где Hyp и Ну—соответственно расстояния до уровня и до репера; Тур и Тр— время прохождения звуковой волны от устья до урбвня и от устья до репера.

Нетрудно заметить, что Нр/Тр является скоростью движения зву­кового импульса в скважине. Следовательно, формула (8.9) соот­ветствует формуле (8.7).

Действительная эхограмма отличается от теоретической, изобра­женной на рис. 8.6. На действительной эхограмме записаны много­численные колебания, получающиеся вследствие отражения звуковой волны от стыков труб, многократных повторных отражений от репера и от уровня. Эти колебания являются помехами и затрудняют рас­шифровку эхограмм. Поэтому операцию измерений уровня эхолотом следует выполнить несколько раз и, сопоставив несколько эхограмм, отбросить случайные помехи.

Репер, представляющий собой отражатель звуковых волн, уста­навливают на насосных трубах на известном расстоянии от устья скважины. Площадь репера должна перекрывать 50—70% попереч­ного сечения кольцевого межтрубного пространства, длина репера должна быть 300—400 мм.

Глубину установки репера выбирают в зависимости от притока жидкости и режима работы глубиннонасосной установки. Следует стремиться к тому, чтобы после пуска скважинного насоса расстоя­ние от динамического уровня до репера было в пределах 50—100 м.

Хлопушка монтируется в отверстии фланца, герметизирующего устье скважины. Если давление в межтрубном пространстве скважи­ны не превышает атмосферного, уровень можно измерить без гер­метизации места подключения хлопушки. При давлении газа выше атмосферного место подключения хлопушки следует герметизировать, так как вырывающийся из затрубного пространства газ будет вызы­вать шумы, воспринимаемые прибором и маскирующие на диаграмме запись отражения звуковой волны от уровня и от репера.

Контрольные вопросы

1. Расскажите о принципе действия поплавковых уровнемеров, назначение, устройство и модификации уровнемеров типа УДУ-5.

2. Объясните устройство буйковых преобразователей типа УБ-П для дистан­ционного измерения уровня.

3. Объясните пьезометрический метод измерения уровня и принципиальную схему системы дистанционного измерения массы жидкости типа <Радиус» в ре­зервуарах,

4. Какие технологические задачи решают измерением уровня жидкости в скважинах?

5. Как работает поплавковый (погружной) компенсационный пьезограф? Расскажите о его устройстве.

6. Объясните акустический метод измерения уровня в скважине.

Глава 9