Устройство для определения динамического уровня жидкости в буровых и т. п. скважинах

СССР 9 6 МИ СПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУЗарегистрировано в Бюро изобретений Госпано СССРгг,н;"си 31инеи ,сиА А. А. Захаров Устройство для определения динамического уровня жидкости в буровых и т. п. скважинахЗаявлено 21 марта 1944 года в Народный комиссариат нефтяной промышленности СССР аа242 (331889)Опубликовано 31 июля 1947 года Изобретение касается устройств для определения динамического уровня жидкости в буровых и т. п. скважинах путем создания в затрубном пространстве скважины импульсов упругой волны и регистрации промежутка времени от момента отправки волны до момента прихода отраженных от жидкости волн,Согласно изобретению, к затрубному пространству скважины присоединен цилиндр с подпружиненным поршнем, создающим при своем перемещении в цилиндре импульсы упругой волны. Частота непрерывно возбуждаемых импульсов упругой волны в затрубном пространстве скважины определяется временем прохождения импульса от устья скважины до уровня жидкости и обратно. Подпружиненный поршень управляется связанным с ним сердечником соленоида, питаемого током через контакты, замыкаемые действием отраженных импульсов упругой волны,Для управления замыканием контактов цепи соленоида применен жидкостный контактный манометр, Одним коленом контактный манометр соединен с затрубным пространством скважины и включает в цепь тока реле, замыкающее контакты цепи соленоида,Оба колена манометра соединены между собой трубкой с цельюпредотвращения влияния на показания манометра постоянного медленно-изменяющегося давления.Предлагаемое устройство снабжено регистрирующим механизмом с электромагнитным приводом для вращения барабана механизма.С целью регистрации уровня жидкости в прямолинейной системе координат и равномерном масштабе применен инвентор Поселье,На фиг. 1 схематически изображен общий вид предлагаемого устройства, на фиг, 2 - примерный вид диаграммы, получаемой помощью прибора, на фиг, 3 - схема шарнирного инвертора устройства.Предлагаемое устройство состоит из двух основных частей: возбудителя импульсов и регистрирующего механизма, Составными частями возбудиЭтОля явлиотся цилиндо I с подпружиненным поршнем 2, соленоидом 3 и якорем 4 и контактный манометр 5 с компенсатором б и реле 7.Действие предлагаемого устройства Основано на отсчете и записи) в заранее выбранный промежуток времени суммарного числа волнообразных прохождений импульсов сжатия газа, распространяющихся в межтрубном пространстве от устья скважины до уровня жидкости и обратно,При прохождении электрического тока от батареи через соленоид 3 последним втягивается якорь 4, и поршень 2, связанный с якорем 4, производит в цилиндре 7 резкое сжатие газов. Сжатый газ, вырываясь из отверстия 77 в межтрубное пространство, образует импульс, волнообразно распространяющийся по стволу скважины.Первоначальное включение тока в цепь соленоида 3 пульсатора производится при помощи контакта возбуждения 9. Последующие включения соленоида происходят при помощи реле под действием импульсов упругой волны. Реле включается жидкостным контактным манометром 5, представляющим собой стеклянную Ч/-образную трубку, наполненную ртутью. В верхнем перегибе %-образной трубки находится пузырек инертного газа - азота и там же впаян контакт 73. В нижнем перегибе в ртути впаян второй контакт И, Контактный манометр 5 соединяется с устьем скважины резиновой трубкой 72. Под действием импульса давления ртуть в перегибе перемещается и соединяет контакты 73 и И,Для устранения действия на контактный манометр 5 постоянного и медленно изменяющегося давления применяется компенсатор 6. Компенсатор представляет собой длинную резиновую трубку, соединяющую оба конца Ч 7-образной трубки. Постоянное и медленно изменяющееся давление благодаря соединению концов манометра через компенсатор не дает какого-либо отклонения ртутного столба. Резкий же импульс, распространяясь по длинной резиновой трубке компенсатора 6, частичнО за тухает, а кроме того, приходит во второе колено с опозданием (сдвигом фазы), а потому не мешает импульсу, пришедшему непосредственно в первое колено, замкнуть контакты 73 и И. Длина трубки компенсатора должна быть такова, чтобы импульс, прошедший по ней, воздействовал на ртуть во втором колене не раньше окончания действия прямог, импульса в первом колене. Чувствительность контактного манометра 5 легко регулируется путем изменения наклона %-образной трубки.При замыкании тока в соленоиде возникший импульс давления распространяется волнообразно в межтрубном пространстве и воздействует на первичный контакт. При движении поршня 2 вниз последний сжимает пружину 75 и, достигнув крайнего положения, размыкает контакт 7 б цепи соленоида. Поршень 2 при этом под действием сжатой пружины 75 начинает дрижение назад и образует некоторое разряжение, под действием которого ртуть в контактном манометре перемещается в обратную сторону и размыкает контакты 73, 74.Волнообразно распространяющийся импульс достигает уровня жидкости, отражается от нее и, дойдя до устья скважины, воздействует на контактный манометр 5, при замыкании контактов которого реле 7 срабатывает и пульсатор возбуждает новый импульс и т. д.Время между возникновением двух последующих импульсов равняется времени прохождения импульса от устья скважины до уровня жидкости и обратно. Зная скорость распространения импульсов по стволу скважины, - а она близка к скорости звука в тех же условиях, - по частоте чередования импульсов не трудно определить глубину уровня.В предлагаемом устройстве это делается автоматически и непрерывно при помощи регистрирующей части устройства,Регистрирующий механизм устройства состоит из импульсного счетчика, барабана 77 с лентой для записи, механизма вращения барабана и контакта времени 78 с часовым механиз68841мом 79 или моторчиком Уоррена, вслучае питания прибора от сети переменного тока,Импульсный счетчик состоит из храпового колеса 20, приводимого в движение при помощи электромагнита 22,включенного во вторичную цепь реле 7 соленоида 3 через контакты 8,За каждый импульс храповое колесо 20 поворачивается на один зуб.Связанная с ним зубчатая рейка 23перемещается вверх и при помощипишущего ролика 27 чертит на ленте,расположенной на барабане 77, вертикальную линию.Механизм времени 79 определяеттот промежуток времени, в течениекоторого происходит счет импульсов,и получаются последующие точкикривой положения уровня, Механизмвремени при помощи кулачка замыкает контакт 78, в цепь котороговключен спусковой электромагнит 24,Последний притягивает направляющую 25 зубчатой рейки 23.Под действием силы тяжести рейка 23 с роликом 27 скользит по направляющей и опускается до крайнего нижнего положения.В ту же цепь, параллельно спусковому электромагниту 24, включен механизм вращения барабана. При замыкании контакта времени 78 одновременно с отрывом пишущего ролика27 от ленты барабан 77 перемещаетсяна один шаг,При размыкании контакта времени78 рейка 23 опять сцепляется с зубчатым колесом 20 и под действием импульсов начинает шаговое движениевверх, проводя новую вертикальнуюлинию на ленте.Таким образом, длина вертикальных линий на диаграмме соответствует числу импульсов за выбранныйпромежуток времени,Примерный вид диаграммы эхографа представлен на фиг. 2. Слева наоси ординат расположены цифры, соответствующие числам импульсов и.Вертикальные прямые линии соответствуют записи прибора. Каждаяследующая вертикальная линия даетчисло импульсов за выбранный промежуток времени - 5 минут,15 Свод в. 7. Перевод величин ординат в глубину уровня жидкости производится делением произведения скорости распространения с и выбранного промежутка времени на двойное число импульсов 2 п. Значение уровня в этом случае получается не для данного момента, а среднее за выбранный промежуток времени- с 12 пПо оси ординат с правой стороны расположены шкалы глубин из расчета с = 300 м/сек, 7 = 5 минут,Точность определения уровней зависит от числа импульсов, записанных в выбранный промежуток времени, так как само определение происходит с точностью до /, импульса. Если уровень в выбранный промежуток времени определяется 10 импульсами, то, очевидно, относительная погрешность изменения составит 5 о Из этих соображений видно, что наиболее точно будут определяться высокие уровни. Увеличения точности определения уровней можно достигнуть путем дополнительного возбуждения импульсов.В промежутке между двумя основными импульсами можно успеть 1 - 2 раза нажать контакт возбуждения 9 и тем самым создать еще 1 - 2 дополнительных импульса, совершенно идентичных первоначальным, которые также распространяются по стволу скважины и так же воздействуют на контактный манометр. Вся система при этом начинает пульсировать с удвоенной или утроенной частотой. В этом случае точность определения естественно возрастает в 2 - 3 раза и масштаб глубины изменится,Формула глубины уровня примет вид:сй71 с = -2 пгде В - число импульсов, приходящихся на один период. Выбор и изменение промежутка времени может легко осуществляться сменой кулачков, придавая им различную койфигурацию.Приданием кулачку механизма времени соответствующего профиля мож 225но получать движение рейки с пишущим роликом не в течение всего времешл, а со значительной паузой, в течение лишь доли выбранного промежутка времени,Скорость волнообразного распространения импульссв по стволу скважины необходимо определять заранее для исследуемой скважины илипо отражению от башмака оосаднойколонны, или путем определения относительной скорости звука в газепри помощи акустического интерферометра и введением поправок надиаметр труб скважины. При анализекислотной обработки измерение относительной скорости звука в газе необходимо производить несколько разво время обработки.Так как отрезки на диаграмме(фиг. 2) по оси ординат являютсявеличинами, обратными времени распространения импульса от устья доуровня и обратно, а следовательно,и обратно пропорциональными самойглубине, и шкалы глубин, нанесенныес правой стороны, получаются такжеобратными и неравномерными, то непосредственное чтение глубин по этимшкалам весьма затруднительно. Дляточного определения каждого значения глубины требуется вычислениепо приведенным формулам,Для устранения этого недостатканеобходимо ввести такое приспособление, которое давало бы запись глубины в нормальной и равномернойкоординатной сетке, т. е. вместо записи непосредственного счета импульсов автоматически давало бы записьвеличины обратной и в равномерноммасштабе.Принципиально такое преобразование можно произвести, введя в систему промежуточное звено, изменение параметров которого происходило бы по тому же закону обратнойпропорциональности.Из механических шарнирных систем, удовлетворяющих таким условиям, можно остановиться на инверторе Поселье (фиг, 3), Удобное свойство этого механизма заключаетсяв том, что для него в любом положении произвеение расстояний а игг Ь остается постоянным,12 2 (; Нетрудно устроить так, что изменение одного из этих расстояний будет пропорционально импульсам, скажема =тп, (2) где т - цена одного импульса в мл. Подставив значения а из формул (2) и (1), определим п через параметры системы:2 у 2п=Ьтзаменив полученным значением Й восновном выражении для глубиныИсЬ= =глполучим;Ис Ьт- г(р )т. е. изменение линейного отрезка в будет пропорционально глубине Ь, Таким образом, шкала глубин окажется прямой и равномерной,Масштаб записи глубины И по формуле (4) определится следующим образом:А =тЬ,откуда Этот масштаб зависит от выбранных при определении уровней й и Р, от параметров системы 1, г, т, также от скорости с распространения импульса по стволу скважины, определяемой интерферометром. Наиболее удобно получать значение М в виде простых целых чисел для того, чтобы глубину отсчитывать непосредственно по миллиметровой бумаге. Но для этого необходимо один из параметров изменять плавно, так как с может принимать (в известном интервале) любые значения, Для плавного изменения масштаба необходимо плавно изменять величину перемещения толкателя под действием отдельного импульса, т. е. изменять цену импульса. В предлагаемой схеме это достигается не изменением величины перемещения зубчатой рейки счетно-импульсного механизма, а наклоном всего счетно-импульсного механизма отно68841 227 сительно оси инвертора на некоторый угол а, Тогда во все формулы мы можем подставить т сов а вместо т, и формула (б) приобретает видЕсш сОЯ ссгр )шарнирном механизме измеениявеличин естественно ограничены линейными размерами самих звеньевмеханизма, поэтому масштаб записиМ следует выбирать так, чтобы предполагаемые изменения глубины уложились между крайними значениями.Для крайних значений имеем0 =1 - Г, 0 --Р - Г",Е-- тиз формулы (1) О, =- значенияа,а, и а, определяют крайние значениядля импульсов Мо, и Мд, значениедля глубин. Так как при включенииустройства счет импульсов начинается с нуля, а инвертор имеет крайнее значение для импульсов равноеа то, очевидно, первые импульсыдолжны пройти вхолостую. Для этогонеобходимо, чтобы зубчатая рейкав нулевом положении отстояла оттолкателя, находящегося в крайнемположении, на расстоянииа,=1 - г = л,ш соя а. Предмет изобретения 1, Устройство для определения динамического уровня жидкости в буровых и т. п. скважинах путем создания в затрубном пространстве скважины импульсов упругой волны и регистрации промежутка времени от момента очправки волны до момента прихода отраженных от жидкости волн, от л и ч ающее с я тем, что, с целью непрерывного возбуждения импульсов упругой волны в затрубном пространстве скважины с частотой, определяемой временем прохождения импульса упругой волны от устья скважины до уровня жидкости и обратно, применен присоединенный к затрубному пространству скважины цилиндр с подпружиненным поршнем, создающим при своем перемещении в цилиндре импульсы упругой волны и управляемый связанным с ним сердечником соленоида, питаемого током через контакты, замыкаемые действием отраженных импульсов упругой волны,2, Форма выполнения устройства по п. 1, отличающачся тем, что для управления замыканием контактов цепи соленоида применен жидкостный контактный манометр, соединенный одним коленом с затрубным пространством скважины и включающий в цепь тока реле, замыкаюшее контакты цепи соленоида.3, Форма выполнения устройства по п. п. 1 - 2, отличающаяся тем, что, с целью предотвращения влияния на показания манометра постоянного медленно изменяющегося давления, колены его соединены между собой трубкой,4. В устройстве по п. п. 1 - 3 применение регистрирующего механизма с электрсмагнитным приводом для вращения барабана механизма.5. В устройстве по п, 1 - 4 применение инвертора Поселье в регистрирующем механизме, с целью регистрации уровня жидкости в прямолинейной системе координат в равномерном масштабе.