Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Охрана подземных вод. Методы и средства контроля 12
1.1. Нормативные документы по использованию подземных вод 12
1.2. Гидрологические особенности подземных вод 14
1.2.1. Свойства подземных вод 14
1.2.2. Условия залегания и формирования подземных вод 19
1.3. Эксплуатация водозаборных сооружений 24
1.3.1. Эксплуатационные запасы подземных вод 24
1.3.2. Наблюдение за уровнем подземных вод 28
1.4. Приборы контроля уровня 33
1.4.1. Методы измерения уровня 34
1.4.2. Гидрогеологические рулетки 36
1.4.3. Электроуровнемеры 37
1.4.4. Пневматический уровнемер 37
1.4.5. Гидростатические системы (пьезометрические уровнемеры) 39
1.4.6. Поплавковые уровнемеры; 39
1.4.7. Акустический метод 40
1.4.8. Приборы, применяемые для наблюдения уровня подземных вод за рубежом 44
1.5. Выводы к главе 1 45
Глава 2. Моделирование процессов распространения акустических волн в межтрубном пространстве 47
2.1. Акустическая модель скважины 4S
2.2. Скорость звука в воздухе 51
2.3. Отражение и преломление звуковых волн на границе раздела сред 56
2.4. Явление затухания звука 60
2.5. Модель процесса распространения акустической волны в межтрубном пространстве 67
2.6. Выводы к главе 2 70
Глава 3 Исследование основных закономерностей распространения акустической волны в межтрубном пространстве 71
3.1. Программа расчета межтрубного пространства 71
3.2. Коэффициент затухания в межтрубном пространстве 74
3.3. Коэффициенты прозрачности и отражения от муфт 77
3.4. Поправка на дисперсию скорости 80
3.5. Передаточные функции межтрубного пространства 83
3.5.1. Передаточная функция межтрубного пространства для донного импульса 83
3.5.2. Передаточная функция межтрубного пространства для эхо-импульса от муфты 85
3.6. Задание зондирующего импульса 89
3.7. Свойства донного импульса 89
3.8. Свойства сигнала от муфты 95
3.9. Эхограмма межтрубного пространства 98
3.10. Выводы к главе 3 102
Глава 4. Приборы контроля уровня жидкости в межтрубном пространстве 104
4.1. Требования к прибору контроля уровня жидкости в межтрубном пространстве 104
4.2. Описание прибора контроля уровня жидкости 111
4.2.1. Прибор контроля уровня жидкости «ЭХО-1» 111
4.2.2. Прибор контроля уровня жидкости «ЭХО-2» 115~
4.2.3. Порядок проведения измерений прибором «ЭХО-2» 118
4.2.4. Эксплуатационные ограничения 120
4.3. Результаты внедрения 121
4.4. Перспективы устройств измерения уровня жидкости 123
4.5. Выводы к главе 4 126
Заключение
Список литературы
- Условия залегания и формирования подземных вод
- Отражение и преломление звуковых волн на границе раздела сред
- Коэффициенты прозрачности и отражения от муфт
- Прибор контроля уровня жидкости «ЭХО-2»
Введение к работе
Актуальность
В настоящее время важнейшим видом природных ресурсов, без которых невозможна жизнь, являются природные и особенно подземные воды. Подземные воды используются в народном хозяйстве для хозяйственно-питьевого и производственного водоснабжения; орошения; энергетических целей и теплофикации; лечебных целей; в качестве столовых минеральных вод и как сырье для извлечения ценных компонентов.
Одним из основных методов контроля параметров источников подземных вод является измерение статического и динамического уровней жидкости в пространстве между насосно-компрессорной и обсадной трубами (в межтрубном пространстве). Для вододобывающих скважин измерение уровня особенно важно при определении дебета скважины. Превышение дебета скважины приводит к истощению водного горизонта, осушению примыкающих пространств, нарушению экологии прилегающих территорий. При нефтедобыче уровень жидкости в межтрубном пространстве и затрубное давление являются исходными данными для расчета забойного давления, прямые измерения которого затруднены, в особенности при использовании глубинных штанговых насосов. Измерение уровня необходимо производить без влияния на преимущественно важные параметры скважины или добываемого компонента. Среди технических и технологических средств, обеспечивающих эффективный контроль уровня источников подземных вод, наибольшее распространение получили акустические методы и приборы измерения уровня.
Используемые на сегодняшний день в нефтяной промышленности акустические уровнемеры разработаны на базе интуитивно-экспериментального .подхода и не учитывают особенности распространения и искажения акустических импульсов в межтрубном пространстве. Существующая методика интерпретации эхограммы, получаемой с акустического уровнемера, требует от оператора значительных интуитивных навыков. Настройка акустических уровнемеров по муфтам насосно-компрессорной трубы не получила серьезного развития. Создание приборов, адаптированных к акустическим свойствам межтрубного пространства, требует предварительного исследования акустических процессов измерения уровня жидкости добывающих скважин, учета и анализа большого количества факторов, влияющих на распространение акустических импульсов.
В связи с этим является необходимым развитие научно обоснованных
технических и технологических решений для совершенствования акустическо
го метода измерения уровня.
РОС, НАЦИОНАЛЬНА* | ЬИЬИНОТЕКА I
Цель и задачи диссертационной работы
Целью данной работы является создание и научное обоснование математической модели процесса распространения акустических волн в межтрубном пространстве добывающих скважин и исследование его акустических свойств для разработки рекомендаций по проектированию приборов контроля уровня жидкости.
В соответствии с поставленной целью в работе были сформулированы и решены следующие задачи:
обоснование необходимости контроля уровня жидкости добывающих скважин и целесообразности использования для контроля акустического метода;
разработка математической модели процесса распространения акустических волн в межтрубном пространстве добывающих скважин;
- исследование основных акустических свойства межтрубного про
странства в зависимости от рабочей частоты зондирующего импульса и гео
метрических параметров скважины;
разработка рекомендации по методологии контроля и проектирования приборов контроля уровня жидкости в межтрубном пространстве;
разработка акустического эхолота для контроля уровня жидкости в межтрубном пространстве и анализ результатов его внедрения.
Объект исследования и методы исследования
Объектом исследования являются акустические свойства межтрубного пространства добывающих скважин.
Метод исследования - математическое моделирование процессов прохождения акустического импульса в пространстве между насосно-компрессорной и обсадной трубами в зависимости от частотных спектров зондирующего импульса при различных геометрических размерах межтрубного пространства с учетом скорости и затухания акустической волны в газе и потерями, связанными с трением о стенку волновода.
На защиту выносятся
1. Математическая модель процесса распространения акустических волн в межтрубном пространстве добывающих скважин, основанная на волно-водных свойствах межтрубного пространства и определяемая совокупностью его характеристик: геометрическими параметрами скважины, акустическими
параметрами скважины (затухание, скорость звука), волновыми свойствами муфты.
Аналитические зависимости дисперсии скорости и затухания акустической волны, обусловленные трением о стенки скважины, от частоты зондирующего импульса и размеров межтрубного пространства.
Результаты расчетов основных параметров сигналов, отраженных от муфт и раздела газ - жидкость, в зависимости от характеристик межтрубного пространства.
Научно обоснованная методика инженерного проектирования приборной части устройств измерения уровня жидкости, учитывающая особенности распространения и отражения акустической волны в межтрубном пространстве скважины.
Научная новизна
Межтрубное пространство скважины рассмотрено как сложный акустический волновод, учитывающий явления дисперсии скорости звука, затухания звуковой волны вследствие трения о стенки труб, отражения и прохождения акустической волны через муфты.
На основании предложенной модели исследованы зависимости амплитуды и спектрального состава эхо-импульсов, отраженных соединительными муфтами и границей раздела газ - жидкость, от частотных спектров зондирующего импульса при различных геометрических размерах обсадных и на-сосно-компрессорных труб, соединительных муфт.
Выбраны и рекомендованы основные частоты спектров зондирующих импульсов в зависимости от глубины добывающих скважин при проектировании акустических эхолотов. Оценены значения поправок при измерении расстояний в межтрубном пространстве скважин, обусловленные дисперсией скорости вследствие трения газа о стенку скважины.
Предложена научно обоснованная методика калибровки приборов измерения уровня жидкости по эхо-сигналам от муфт, используемых в качестве реперных элементов.
Обоснована методика, позволяющая перейти от измерения абсолютного значения глубины к измерению расстояния между разделом газ - жидкость и ближайшей муфтой.
Практическая ценность
На основании акустической модели межгрубного пространства скважины разработаны алгоритм и программа расчета, позволяющая оперативно и наглядно оценить влияние различных факторов (размеров скважин, частоты и длительности зондирующего импульса) на эхо-сигнал от муфты и от поверхности жидкости и выработать научно-обоснованные технические требования к параметрам аппаратуры, реализующей метод эхолокации уровня жидкости.
Приборы, разработанные на основе результатов расчетов, содержат средства временной регулировки чувствительности и отличаются от известных устройств сбалансированными параметрами: разрешающая способность (0,1 м) и диапазон измеряемых глубин (до 1000 м).
Результаты экспериментального измерения уровня жидкости в межтрубном пространстве водозаборной скважины, полученные при эксплуатации приборов, следует рассматривать как реальную основу создания региональной (всероссийской) системы наблюдения за состоянием подземных вод.
Апробация работы
Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 12 печатных работах, в том числе 4 статьи в журнале «Дефектоскопия».
Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на XXXI научно-технической конференции ИжПУ (Ижевск, 1998); 3-й Международной конференции «Диагностика трубопроводов» (Москва, 2001); XX Уральской региональной конференции «Контроль технологий, изделий и окружающей среды физическими методами» (Екатеринбург, 2001); IV Международной научно-технической конференции ИжПУ (Ижевск, 2003); XXI Уральской конференции «Контроль технологий, изделий и окружающей среды физическими методами» (г. Тюмень, 2003 г.).
Структура и объем диссертации
Условия залегания и формирования подземных вод
При характеристике условий залегания подземных вод используют следующие понятия [15]: - Водоносные породы - пласты водопроницаемых пород, содержащих подземную воду. - Водоносный горизонт - часть пласта или пласт, заполненный водой. -Грунтовые воды - подземные воды первого от поверхности земли постоянно существующего водоносного горизонта, расположенного на первом водонепроницаемом слое. Атмосферные осадки или поверхностные воды, просачиваясь в поры и пустоты пород, достигают на какой-то глубине водоупорного слоя и начинают скапливаться, образуя грунтовые воды.
Межпластовые подземные воды - воды, которые приурочены к водоносному го ризонту, подстилаемому и перекрьшаемому водоупорными породами. Эти воды могут быть напорными и безнапорными. В случае, когда все поры и пустоты водоносного пласта заполнены, и вода в водоносном горизонте находится под гидростатическим давлением, образуются напорные воды. Напорные подземные воды, приуроченные к водоносным го ризонтам, залегающим на значительной глубине, называются артезианскими. При вскры тии скважиной водоносного пласта с напорной водой уровень воды в ней поднимается выше водоупорной кровли водоносного горизонта. Водонепроницаемые породы, подсти лающие водоносный горизонт, называются водоупорным ложем, а перекрывающие его водоупорной кровлей.
В случае водоносной системы, состоящей из двух водоносных горизонтов, разделенных слабопроницаемыми отложениями (Рис. 1.3), наблюдаются следующие особенности [23]. При отборе подземных вод из водоносных горизонтов, питание последних происходит за счет поверхностного водоема {Рис. 1. 3, а). Уровень нижнего горизонта в естественных условиях находится выше уровня верхнего, благодаря чему происходит перетекание подземных вод нижнего горизонта в верхний горизонт через слабопроницаемый слой под действием разницы напоров между этими горизонтами (Рис. 1. 3, б). При эксплуатации нижнего водоносного горизонта, в нем формируется воронка депрессии, и его уровень устанавливается ниже, чем уровень вышележащего (Рис. 1. 3, в). Разгрузка под земных вод снизу вверх прекращается и в эксплуатируемый горизонт начинает поступать вода из верхнего горизонта.
Образование воронки депрессии скважины с постоянным дебитом на водоносном пласте, не получающем питания, поясняет (Рис. 1, 4, а). Через некоторое время после начала откачки кривая депрессии заняла положение А (Рис. 1. 4, а). Дебит скважины в этот период формировался благодаря осушению пласта, т.е. за счет емкостных запасов по площади круга воронки депрессии. При дальнейшем водозаборе депрессионная воронка развивается дальше и в какой-то момент времени достигает до уровня В. Расширение воронки депрессии обязательно вызовет снижение уровня в скважине, так как в противном случае стал бы уменьшаться дебит. Поскольку водозабор обеспечивается только за счет выработки емкостных запасов, расширение депрессионнои воронки и снижение уровня воды будут продолжаться весь период эксплуатации, причем заданный постоянный расход может поддерживаться только до тех пор, пока он будет обеспечиваться остаточной мощностью водоносного горизонта в скважине. Скорость понижения уровня определяется фильтрационными и емкостными параметрами водоносных пластов. Чем больше водо проводимость пласта, тем быстрее распространяется влияние откачки и медленнее становится темп снижения уровня воды в скважине.
Схема формирования воронки депрессии при работе водозаборных сооружений: а - уровень подземных вод в естественных условиях, б - уровень подземных вод эксплуатируемого горизонта, I - уровень воды без водозабора, 2 - кривые депрессии, а -кривая депрессии в начале водозабора, б - кривая депрессии в середине водозабора, с - кривая депрессии в конце водозабора
В реальных условиях, как правило, происходит питание водоносного пласта. Питание осуществляется либо за счет атмосферных осадков, т.е. пополнения емкостных запасов пласта, либо путем постоянной подпитки из водоемов (Рис. I. 4, б). В начале эксплуатации формирование эксплуатационных запасов происходит за счет выработки емкостных запасов подземных вод. Кривая депрессии займет положение А, показанное на момент времени, определяемого расстоянием от водозаборного сооружения до реки. Чем меньше расстояние до реки, тем меньше продолжительность периода, на протяжении которого река не будет оказывать влияния на формирование эксплуатационных запасов подземных вод. По истечении этого периода начнется поступление поверхностных вод к водозаборному сооружению. Темп падения уровня замедлится (положение уровня депрессии В), и через определенное время уровень стабилизируется (положение уровня депрессии С). В таких условиях со временем будет уменьшаться роль емкостных запасов, и расти значение привлекаемых ресурсов. После установления стационарного режима источником формирования эксплуатационных запасов будут только привлекаемые ресурсы (поверхностный сток).
Взаимодействие двух скважин определяется расстоянием 2а между ними (Рис. 1. 5) [24]. Если скважины расположены на расстоянии, меньшем радиуса влияния R, при откачке воды из скважины 1 и понижении в ней уровня до А, произойдет снижение уровня в скважине 2 на величину В, и наоборот, при понижении уровня воды в скважине 2 уровень воды в скважине 1 снизится также.
Схема взаимодействия двух скважин: А - снижение уровня в скважине 1 при водозаборе, В - снижение уровня в скважине 2 при водозаборе в скважине 1, исходный уровень воды, уровень воды при одновременном водозаборе в двух скважинах
При одновременной откачке воды из обеих скважин депрессионные воронки нало-жатся одна на другую, уровень воды между скважинами значительно снизится, и депрес-сионная кривая займет положение, указанное штрих-пунктиром (Рис. 1. 5). Чем ближе расположены скважины, тем большее понижение будет достигнуто.
Отражение и преломление звуковых волн на границе раздела сред
Падающая на границу раздела двух сред (воздух-вода) акустическая волна частично проходит через границу, а частично отражается. Интенсивность отраженных и прошедших волн, характеризуемая коэффициентами отражения R и прохождения D, зависит от степени различия акустических сопротивлений граничащих сред рс.
Рассмотрим случай нормального падения плоской волны Рпш), па гладкую границу воздух-вода (фронт волны, падающей по волноводу - плоский) [78, 79]. Тогда от границы идет плоская отраженная волна Р0Щ1, и прошедшая волна Р (Рис. 2. 4).
Явления на границе раздела сред Для количественной оценки отраженной волны используем выражение для коэффициента отражения Rr, как отношение давления в падающей волне Рвай к давлению в отраженной волне Р [71,81]: R _Р щ _р2С2 Р\С\ О-Щ С Pic2 + P где с, - скорость звука в воздухе, р) - плотность воздуха, с2 - скорость звука в жидкости, /3, - плотность жидкости. Подставив в формулу (2. 10) значения акустических импедансов 2воздух= PjCt = 430 кг/(м2с), ZBOM = р2с2 - 1,49 I06 кг/(м2с), получаем RP — 1.
Таким образом, плоская звуковая волна почти полностью отражается от границы раздела воздух-вода. Причем, падающая и отраженная волны находятся в одинаковой фазе, т.к. коэффициент отражения положительный. Формула (2. 10) может использоваться при вычислении эхо-импульсов от поверхности жидкости в межтрубном пространстве.
При изучении распространения акустических волн в трубах и волноводах могут быть использованы известные решения гидродинамики [64, 67,69, 72, 82, 83, 95].
При рассмотрении процессов распространения волн в волноводах, наряду с понятием акустического импеданса ZQK пользуются понятием механического импеданса Z . Под ZaK понимается комплексное сопротивление, равное отношению амплитуды звукового Р Р давления Р к объемной колебательной скорости V0 - ZaK= — = . Удельный акустиче V0 VK-S ский импеданс Z связан с 2"от формулой ZaKyd. S-Zar и для плоской волны равен произведению плотности среды на скорость звука - Zmyd=p-c, Механический импеданс волновода, зависит как от параметров волновода (площади его сечения S), так и от свойств среды - скорости звука с и плотности р. Механический импеданс волновода есть произведение удельного акустического импеданса волновода на площадь сечения трубы: ZMei=p-cS. (2-11)
В простейшем случае при переходе от первого волновода с механическим импедансом Zi=Sl-pl-cl к достаточно длинному второму волноводу с механическим импедансом Z2 =S2 P2 -с2 коэффициент отражения R плоской волны от скачка механического импеданса определяется формулой, аналогичной (2.10): R = S2p2c2-S]p]c, (2.12) S2p2c2 +Slplcl Таким образом, в соответствии с закономерностями распространения плоских акустических волн в волноводах [67], отражение от перепада сечения определяется изменением его поперечного сечения S, скорости волны с и плотности р (механическим импедансом плоской волны Z = S-р-с).
В случае, если свойства материала волновода не меняются (p-c = const, свойства газа межтрубного пространства постоянны), а меняется лишь его сечение, коэффициент отражения RP определяется аналогично случаю перехода плоской волны из волновода сечения Si В волновод сечения S;, если сечения волноводов не сильно различаются, по формуле [67]:
При увеличении поперечного сечения волновода (5j 52) наблюдается смена фазы отраженного от неоднородности сигнала, что аналогично случаю отражения плоской волны от плоской границы раздела сред при переходе от акустически более жесткой к акустически более мягкой среде ( р2 с2 рх с,).
Необходимость замены рхсх на S2 и р2с2 на S, указывает на то, что большим импедансом обладает волновод с меньшей площадью поперечного сечения,
При прохождении волны по волноводу, которым является межтрубное пространство, происходит отражение волны от соседних муфт и прохождение волны через них. Это явление можно рассматривать аналогично явлению в тонких пленках [70, 84, 85]. Тонкой пленкой является слой, в котором могут интерферировать прошедшие и отраженные волны. Таким образом, муфта может быть представлена, с точки зрения волновода, перепадом поперечного сечения ограниченной длины в области муфты. В непрерывном режиме любой слой может быть тонкой пленкой, однако в случае импульсного режима, тонкой пленкой будет считаться слой, в котором выполняется условие [72]: x l-hlc, (2.15) где г -длительность импульса. В Табл. 2. 4 рассмотрены типовые размеры муфт и межтрубного пространства их соответствия условию (2. 15). Таким образом, для частоты 1000 Гц, наличие муфты любой насосно-компрессорной трубы внутри обсадной трубы можно вычислить отраженные и прошедшие волны по формулам, полученным для тонких пленок между двумя средами с одинаковыми импедансами, но отличными от импеданса пленки. Табл. 2.4, Соответствие различных типоразмеров муфт требованию тонкой пленки Диаметр обсадной трубы dQ, мм 114,3 146 172 193,7 273 339,7 406,9 508 Длина муфты h, мм 84 90 96 ПО 132 146 150 156 Минимальная частота, соответствующая условию (2. 15), Гц 1964 1833 17І9 1500 1250 ИЗО 1100 1058
Если изменение сечения волновода происходит на ограниченной длине, то скачок механического импеданса волновода может быть смоделирован формулами коэффициента отражения и передачи энергии из одного волновода в другой при наличии промежуточного волновода длиной А [72]. Отметим, что формулы находятся по аналогии с коэффициентами передачи и отражения для плоского тонкого слоя толщиной h (формулы (2. 16), (2. 17)), где вместо волновых сопротивлений сред подставлены эквивалентные им для случая волновода механические импедансы участков волновода с муфтой и без муфты [82,84].
Если акустическое сопротивление р с волновода не меняется, то скачок поперечного сечения волновода с 5/ до 5 на ограниченной длине h может выражаться следующими формулами для коэффициентов отражения и прозрачности: (Sf-Sl)sm(a h/c) (2-16) 45,2 + (,2 - S22 )2 sin2 (ah / c) 25,5, (2-17) д/45,2 2 + (S2 -2)2 sina(fflA/c) где & = 2ж f - циклическая частота волны; с - скорость звука в воздухе.
Анализ формул (2. 16), (2, 17) показывает, что зависимости R и D являются гармоническими функциями параметра а - hi С. При фиксированной скорости условию максимума отражения соответствует скачок поперечного сечения протяженностью Л = Л/4,А = 4 мна частоте 20 Гц в воздухе (Л- длина волны в среде межтрубного пространства). Отражение равно нулю, если k = Л/2 .
Выражения (2. 16), (2. 17) справедливы для гармонического режима и позволяют вычислить амплитуды отдельных спектральных составляющих прошедшего и отраженного импульсов. В импульсном режиме формулы для R(w) и D(co) представляют собой передаточные амплитудно-частотные функции процессов отражения и прозрачности акустической волны от муфты и могут быть использованы для расчетов эхо-импульсов как от муфт, так и совместно с (2. 10) от поверхности жидкости в межтрубном пространстве.
Коэффициенты прозрачности и отражения от муфт
Использование в расчетах быстрого преобразования Фурье (БПФ) [90 - 96] требует использования массивов данных длиной, кратной 2s. При расчетах размер массива РТІШ описывающего зондирующий импульс принят равным 2 2 = 4096 точек. Длина временной оси выбрана из расчета, чтобы на ней укладывалось 20 периодов зондирующего сигнала. Для зондирующего сигнала с основной частотой /=20 Гц, длина временной оси составляет 1 сек. Таким образом, зондирующий импульс задан значениями амплитуды РТШе и временной шкалой t me. После применения БПФ к зондирующему импульсу РПяс находится его спектральная плотность как массив комплексных чисел SZFreqt где Freq- индекс массива. Массив FFfbeq содержит шкалу отсчетов по частоте. По шкале частот рассчитываются значения прозрачности участка с муфтой DFreq, значения отражения для участка с муфтой RFreq, значения коэффициента затухания PF, значения фазового сдвига, определяемого дисперсией скорости ф_СРгед.
Для удобства расчетов и увеличения производительности создается двухмерные массивы промежуточных результатов: DFrtq л, - суммарная прозрачность участка с и/ муфтами, b_nlFre4 t - суммарное затухание на участке с я муфтами, $_CF м - фазовый сдвиг, вызванный дисперсией скорости. Индекс Freq задает шкалу частоты, а индекс пі указывает номер муфты в межтрубном пространстве. Массивы DFreqnt и b_nlFreqn( заполняются действительными числами, а фі _CFre4ja заполняется комплексными числами. Спектр эхо-сигнала от раздела газ — жидкость рассчитываются по формуле: SDno_otrFKqn! = SZFm D_ b_nlFr4nt фі (3.1) Спектр эхо сигнала от муфты рассчитываются по формуле: SM _ otrFreq ы = SDno _ otrFraf „, RFreq . (3.2) Каждая строка в массиве SM_otrFnqnJ и SDno _otrFreq п1 является спектром сигнала, отраженного от раздела газ - жидкость или муфты, расположенной на глубине L = «/ XI, где LX -расстояние между муфтами. Обратным БПФ рассчитываются массивы амплитуд эхо-сигналов от раздела газ -жидкость PDTmejd, от муфты PMTime ы. Эхограмма межтрубного пространства глубиной L получается сложением зондирующего импульса, сигналов от муфт РМЛте1- PMTimeLlLX и сигнала от раздела газ жидкость PDrimcL/L]. Причем каждое слагаемое сдвигается по времени
Коэффициент затухания в межтрубном пространстве Сравнительные зависимости коэффициентов затухания [59], вызванных поглощением (вязкость и теплопроводность) и возникающих при трении о стенки трубы, в зависимости от частоты / представлены на Рис. 3.1.
Расчет коэффициента затухания произведен для межтрубного пространства с размерами: da - 0,508 м, du = 0,114 м. Видно, что на средних и низких частотах (до 500 Гц) потери, обусловленные вязкостью и теплопроводностью, на 3 - 4 порядка меньше по сравнению с потерями вследствие трения о стенки трубы. Так, при отсутствии трения о стенки на частоте / =500 Гц расстояние ге, на котором амплитуда уменьшается в е раз, составляет 296 км. Затухание, вызванное трением о стенку трубы, приводит к значению ге =206 м. На частоте 20 Гц суммарный коэффициент затухания существенно убывает и приводит к значению rt = 1000 метров.
Таким образом, при рассмотрении основных закономерностей распространения акустической волны в межтрубном пространстве коэффициент затухания в диапазоне частот до 5000 Гц, в основном, обусловлен трением о стенку трубы.
В Табл. 3. 1 приведена сравнительная оценка коэффициента затухания S для разных значений частоты в межтрубном пространстве с насосно-компрессорной трубой размерами d0 =0,194 м и dH = 0,06 мив межтрубном пространстве без насосно-компрессорной трубы размером dQ =0,194 м. Наличие насосно-компрессорной трубы в межтрубном пространстве скважины приводит к увеличению - в 2 раза коэффициента затухания, вызванного трением о стенки. Заметим, что случай межтрубного пространства без насосно-компрессорной трубы встречается в водных скважинах небольшой глубины или в скважинах, предназначенных для наблюдения за уровнем грунтовых вод. Табл. 3.1. Оценка влияния наличия насосно-компрессорной трубы в межтрубном пространстве на коэффициент затухания Вид межтрубного пространства f,Tu 20 200 1000 без насосно-компрессорной трубы, с/0 = 0,194 м V„„ 10"3,1/M 2,54 8,03 ге,м 394 125 56 с насосно-компрессорной трубой, d0 =0,194 м, dH =0,06 м W 10"3б1/м 5,27- 17 re, м 190 59 27
Оценим влияние размеров межтрубного пространства на коэффициент затухания S на частоте /=20 Гц (Табл. 3. 2). С увеличением размера межтрубного пространства da dH коэффициент затухания падает. На трубе с размером межтрубного пространства d0 - =0,394 м расстояние rf=1110 м, что в 4,8 раза больше расстояния ге для межтрубного пространства размером dQ -dH =0,081 м. Табл. 3.2. Коэффициент затухания при различных размерах межтрубного пространства
Прибор контроля уровня жидкости «ЭХО-2»
На Рис. 3. 26. приведено отношение донного эхо-сигнала Рп к амплитуде ближайшей муфты Рм от глубины в зависимости от размера межтрубного пространства для основной частоты зондирующего импульса 20 Гц. Разница амплитуд эхо-сигналов от муфт, располо женных на одной глубине, для всех типоразмеров скважин не превышает 13 Дб. Это позволяет разработать универсальный прибор измерения уровни жидкости, работающий при любом размере межтрубного пространства.
1. Разработанная модель межтрубного пространства позволяет решать задачи определения условий прохождения акустического импульса по волноводу, образованному насосно-компрессорной и обсадной трубами. Программа, созданная на основе разработанной модели, позволяет оперативно и наглядно оценить влияние различных факторов (размеров скважин, частоты и длительности зондирующего импульса) на эхо-сигналы от муфты и от поверхности жидкости и выработать научно обоснованные технические требования к параметрам аппаратуры, реализующей метод эхолокации уровня жидкости.
1. Акустические сигналы в межтрубном пространстве подвержены затуханию. Затухание акустического импульса в процессе распространения по межтрубному пространству происходит за счет потери высокочастотной составляющей. Наибольшее затухание акустического сигнала происходит в межтрубном пространстве малых размеров. Прибор, удовлетворительно регистрирующий сигналы в скважинах с минимальными геометрическими размерами межтрубного пространства, будет уверенно работать и на скважинах больших размеров.
3. Перепады сечения межтрубного пространства в районе соединительных муфт на-сосно-компрессорной трубы порождают эхо-сигналы от муфт. Эхо сигнал от раздела газ-жидкость значительно больше эхо-сигнала от ближайшей к разделу муфты (около 60 Дб). Эхо-сигнал от муфты с глубиной ослабляется значительнее по сравнению с эхо-сигналом от раздела газ - жидкость. Сигнал от муфт, расположенных вблизи устья скважин, превышают донный эхо сигнал, удаленный от устья скважины, что приводит к необходимости использования временной регулировки чувствительности в акустических эхолотах.
4. В межтрубном пространстве существует дисперсия скорости, приводящая к ошиб кам в измерении глубины межтрубного пространства. С уменьшением частоты эхо-сигнала и увеличением поперечных геометрических размеров межтрубного пространства ошибка оп ределения глубины межтрубного пространства возрастает.
5, Регистрация эхо-сигналов от муфт возможна только на малых глубинах (менее 500 метров). На больших глубинах происходит частотная деградация акустического эхо - им пульса, это приводит к уменьшению коэффициента отражения от муфты и, как следствие, сильному ослаблению сигнала. На Рис. 4. 1. изображена эхограмма скважины глубиной 109 метров. Эхограмма получена прибором «Уровнемер СУДОС» (Томское научно - производственное и внедренческое общество СИАМ). На эхограмме видны затухающие многократные отражения от дна. Зондирующий импульс на эхограмме занимает 40 метров (частота /=8,2 Гц). Низкая частота зондирующего импульса снижает разрешающую способность прибора по глубине (гарантированная паспортом точность 1 метр). Для уверенного измерения уровня жидкости разработчики предлагают пользователю прибора определить (проверить) уровень по распечатке эхограммы, записанной в память уровнемера. Методика определения уровня по графику состоит из следующих действий: 1) Определить на графике зондирующий и отраженный(-е) импульсы и взять любую пару отраженных импульсов. 2) Измерить расстояние между соответствующими полуволнами импульсов (например, с помощью циркуля и линейки). 3) Используя метки глубины, определить масштаб записи. 4) По измеренному расстоянию и масштабу определить уровень.
Таким образом, используемые на сегодняшний день в нефтяной промышленности акустические уровнемеры разработаны на базе интуитивно - экспериментального подхода и не учитывают особенности распространения и искажения акустических импульсов в межтрубном пространстве. Существующая методика интерпретации эхограммы, получаемой с акустического уровнемера, требует от оператора значительных интуитивных навы 105 ков. Настройка акустических уровнемеров по муфтам насосно-компрессорной трубы не получила серьезного развития
На основании анализа методик и принципов наблюдения за гидродинамическим режимом скважин минеральных и пресных вод (глава 1) следует выделить следующие основные эксплуатационные требования к прибору определения уровня жидкости в межтрубном пространстве: - портативность, малогабаритность, - ориентация на скважины без избыточного давления глубиной до 1000 метров, разрешающая способность определения глубины 0,1 ы, - отстройка от эхо-сигналов муфт, - прямая индикация уровня жидкости, - простая установка на скважины разных диаметров, - невысокая цена.
Требования к приборам, измеряющим уровень жидкости в межтрубном пространстве скважины, определяются сферой их применения. Скважины используются для добы чи нефти или газа и для добычи минеральных или других вод. Также существует группа геодезических скважин, предназначенных для наблюдения за уровнем грунтовых вод. Для создания акустического импульса в скважинах с избыточным давлением используется клапанный узел, в скважинах без избыточного давления используется узел типа «гармошка». Организации нефтегазовой промышленности, которым принадлежат скважины добычи нефти, газа или нагнетательные скважины, как правило, имеют приборы для гидродинамических исследований (МИКОН - 101М, СУ ДОС) [45,46]. Такие приборы решают следующие задачи: контролируют статический и динамический уровень жидкости в нефтедобывающих скважинах; производят регистрацию кривых падения и восстановления уровня жидкости; измеряют давление в межтрубном пространстве; позволяют оператору по эхограмме определять наличие и расположение парафиновых пробок; записывают зарегистрированные эхограммы в энергонезависимую память блока регистрации, а затем переносят ее на компьютер; обрабатывают введённые данные на компьютере. Кроме того, возможен визуальный просмотр зарегистрированных эхограмм непосредственно на скважине; ввод и энергонезависимое хранение эхограмм в блоке регистрации; учет зависимости скорости распространения акустических сигналов от величины межтрубного давления по таблице поправок. Все эти важные достоинства прибора резко увеличивают его цену. Для многих недропользовательских организаций, кроме предприятий нефтегазовой промышленности, стоимость прибора может стать существенным препятствием для его применения. Поэтому необходим функционально облегченный и недорогой прибор.
