Параметричний ехолот для вимірювання рівня рідини в нафтових свердловинах

Корисна модель належить до галузі акустичних вимірювань і може бути використаний для вимірювання рівня рідини в міжтрубному просторі нафтови х, газових і артезіанських свердловин. Відомі пристрої для вимірювання рівня рідини в свердловинах, в основу яких покладено принцип ехолокації в міжтрубному просторі з визначенням часової затримки між моментами збудження та прийому ехо-сигналу [1, 2]. Недоліками цих пристроїв є низькі завадостійкість і точність вимірювань, а також застаріла структура, яка не дозволяє вести прийом і обробку ехо-сигналів оптимальними алгоритмами. Найбільш близьким до того, що пропонується по технічній суті та ефекту, який досягається, є акустичний пристрій для вимірювання рівня рідини в свердловинах, вибраний за прототип, який як і пристрій, що пропонується, містить акустичний приймач, з'єднаний через підсилювач сигналу та фільтр з сигнальним входом обчислювального блоку, генератор відео-імпульсів, вхід якого з'єднано з виходом обчислювального блоку, а ви хід через автоматичний регулятор підсилення - з керуючим входом підсилювача сигналу, а також підсилювач потужності, вихід якого з'єднано з широкосмуговим випромінювачем [3]. Особливістю відомого пристрою, яка відрізняє його від того, що заявляється, є традиційний метод ехолокації, що полягає у випромінюванні та прийманні акустичних сигналів на низьких частотах, які відповідають умовам вузької труби. За умови використання складних сигналів та їх оптимальної обробки, це дозволяє отримати їх стиснення в часі і таким чином забезпечити виявлення і розрізнення ехо-сигналів, відбитих не тільки від рівня, а й від максимальної кількості з'єднувальних муфт, що знаходяться на насосно-компресорних труба х (НКТ). При відомій відстані до з'єднувальних муфт з'являється можливість в процесі вимірювання з необхідною точністю обчислити середню швидкість звуку на максимальній дистанції від гирла свердловини і таким чином досягти максимальної точності рівня рідини. Проте в умовах нафтової свердловини, де статичні тиски сягають більше 10МПа, створення широкосмугового випромінювача в низькочастотному діапазоні являє собою надто складну і досі не вирішену проблему. У всіх відомих пристроях для цього використовують механічні клапани-збуджувачі, та вони не спроможні випромінювати детерміновані сигнали з заданими характеристиками модуляції. Ця обставина не дозволяє ефективно використати прототип в якості ехолокатора, оскільки практично виключає можливість оптимальної ехолокації, обмежуючи кількість виявлених з'єднувальних муфт і, як наслідок - гранично-досяжну точність вимірювання рівня рідини. Це є головним недоліком прототипу при використанні його в нафтови х свердловинах. В основу корисної моделі поставлено задачу удосконалити пристрій для контролю рівня рідини у нафтових свердловинах шляхом використання параметричного режиму ехолокації, що дозволяє за рахунок випромінювання двохчастотного ультразвукового сигналу у відносно високочастотному діапазоні отримати в газовому середовищі свердловини сигнали їх биття, які відповідають різниці випромінюваних частот. Шляхом відповідної частотної модуляції ультразвукових сигналів досягається необхідна функція модуляції та частота випромінюваного таким чином низькочастотного сигналу. Завдяки цьому з'являється можливість повноцінного використання складних сигналів при ехолокації в нафтових свердловинах, що дозволяє в кінцевому результаті виявити максимальну кількість з'єднувальних муфт і відповідно підвищити точність вимірів рівня рідини. Поставлена задача вирішується тим, що в акустичному пристрої для вимірювання рівня рідини в свердловинах, що містить акустичний приймач, з'єднаний через підсилювач сигналу та фільтр з сигнальним входом обчислювального блоку, генератор відео-імпульсів, вхід якого з'єднано з виходом обчислювального блоку, а вихід через автоматичний регулятор підсилення - з керуючим входом підсилювача сигналу, а також підсилювач потужності, вихід якого з'єднано з широкосмуговим випромінювачем, згідно корисної моделі новим є те, що в нього введено перший і другий генератори частотно-модульованого сигналу, керуючі входи яких з'єднано з виходом генератора відео-імпульсів, суматор, ви хід якого під'єднано до входу підсилювача потужності, перший вхід суматора з'єднано з виходом першого генератора частотно-модульованого сигналу, а другий вхід суматора з виходом другого генератора частотно-модульованого сигналу, перемножувач сигналів, вихід якого через фільтр нижніх частот з'єднано з опорним входом обчислювального блоку, а входи - відповідно зі входами суматора, обчислювальний пристрій, керуючий вхід якого з'єднано з керуючим входом генератора відео-імпульсів і, крім того, перший вихід обчислювального пристрою з'єднано з сигнальним входом першого генератора частотномодульованого сигналу, а др угий його ви хід - з сигнальним входом другого генератора частотно-модульованого сигналу. Таке функціональне вирішення параметричного ехолоту для вимірювання рівня рідини в нафтових свердловинах за рахунок використання ультразвукового випромінювача та параметричного ефекту в газовому середовищі дозволяє збуджувати в свердловині низькочастотні сигнали з заданими характеристиками модуляції і таким чином реалізувати режим ехолокації складними сигналами. Це значно підвищує кількість виявлених муфт на НКТ, по яким обчислюється середня швидкість звуку в свердловині і є головною умовою підвищення точності вимірювання рівня рідини. На Фіг. зображено структурн у схему параметричного ехолоту для вимірювання рівня рідини в нафтови х свердловинах. Пристрій складається з акустичного приймача 1, який через підсилювач сигналу 2 та фільтр 5 з'єднано з сигнальним входом обчислювального блоку 7, генератора відео-імпульсів 3, вхід якого з'єднано з виходом обчислювального блоку 7 та входом обчислювального пристрою 13, а вихід - 3 керуючими входами першого 8 і другого 9 генераторів частотно-модульованого сигналу та через автоматичний регулятор підсилення 4 - з керуючим входом підсилювача сигналу 2. Пристрій містить також суматор 10, вихід якого з'єднано з входом підсилювача потужності 6. Перший вхід суматора 10 з'єднано з виходом першого 8 генератора частотномодульованого сигналу, а др угий вхід суматора 10 - з виходом другого 9 генератора частотно-модульованого сигналу. Крім того пристрій містить перемножувач сигналів 11, вихід якого через фільтр нижніх частот 12 з'єднано з опорним входом обчислювального блоку 7, а входи - відповідно зі входами суматора 10. Перший вихід обчислювального пристрою 13 з'єднано з сигнальним входом першого 8 генератора частотно-модульованого сигналу, а др угий його ви хід - з сигнальним входом другого 9 генератора частотно-модульованого сигналу. Конструктивно параметричний ехолот для вимірювання рівня рідини в нафтови х свердловинах виконано у вигляді автономного портативного модуля, який встановлюється на вхідному патрубку свердловини і в діалоговому режимі виконує вимірювання рівня рідини, швидкості звуку, а також запам'ятовування отриманих даних в енергонезалежній пам'яті. Пристрій, що пропонується, працює наступним чином. По команді з обчислювального блоку 7 генератор відео-імпульсів 3 формує на своєму ви ході відео-імпульси з заданим періодом повторення Т та тривалістю t. Генератори частотно-модульованих сигналів 8 і 9 на протязі дії відеоімпульсу формують частотно-модульовані електричні сигнали, частоти котрих змінюються відповідно заданим функціям – f1(t) f2(t). Ці функції обчислюються і задаються обчислювальним пристроєм 13, який здійснює через сигнальні входи керування частотою першого і другого генераторів частотно-модульованих сигналів 8 і 9. Сформовані на їхніх вихода х електричні сигнали U1(t) і U2(t) сум уються суматором 10 і через підсилювач потужності 6 подаються на ультразвуковий випромінювач 14, що перетворює електричний в аналогічної форми ультразвуковий сигнал. Розповсюджуючись в газовому середовищі такий двохчастотний ультразвуковий сигнал зазнає нелінійних перетворень, за рахунок чого виникає низькочастотний сигнал, що дорівнює за частотою різниці частот первинних ультразвукових сигналів: Df ( t ) = f 1( t ) - f2 ( t ) . Далі робота пропонованого пристрою аналогічна прототипу. Сигнал відбиття від рівня рідини 16 (ехо-сигнал) приймається акустичним приймачем 1 і через підсилювач сигналу 2 та фільтр 5 подається на перший вхід обчислювального блоку 7. Обчислювальний блок 7 виконано аналогічно прототипу. Він несе функцію корелятора, обчислювача швидкості звук у по з'єднувальних муфта х 15 та індикаторного пристрою. На другий вхід обчислювального блоку через фільтр нижніх частот 12 подається опорний сигнал, який являє собою копію випромінюваного низькочастотного сигналу. Він формується шляхом перемноження вихідних сигналів першого і другого генераторів частотно-модульованих сигналів 8 і 9 перемножувачем 11 і виділення низькочастотної складової фільтром 12. Обчислювальний блок 7, використовуючи інформацію про кількість виявлених муфт, N h MH = å Dh , i i=1 обчислює відстань до останньої виявленої муфти по формулі за якою визначає середню швидкість звуку: сзв=2hMN/NM, де NM - числове значення затримки ехо-сигналу від останньої виявленої муфти. Після цього за вже відомою для даної свердловини швидкістю звуку визначається точне значення відстані до рівня рідини: Np h = hMN × , NM де N - числове значення затримки ехо-сигналу від рівня рідини. P Підвищення точності вимірювання рівня рідини в нафтових свердловинах досягається за рахунок того, що за допомогою введених в пристрій першого і другого генераторів частотно-модульованих сигналів 8 і 9, обчислювального пристрою 13, та суматора 10 в свердловині забезпечується випромінювання двохчастотного ультразвукового сигналу з заданою функцією модуляції різниці частот. Завдяки не лінійності середовища (параметричний ефект) в свердловині виникає низькочастотний детермінований сигнал, що має відому функцію модуляції частоти. Це дозволяє забезпечити в умовах нафтової свердловини режим ехолокації на складних сигналах і відповідно підвищити якість виявлення з'єднувальних муфт та точність вимірювання рівня до граничнодосяжної величини. Використання елементної бази передових фірм з мікроспоживанням дозволяє створити портативний акустичний пристрій, який можна застосовувати для вимірювання рівня рідини в нафтових, газових та артезіанських свердловинах. В якості обчислювального блоку 7 та обчислювального пристрою 13 використовується елементна база фірми Texas Instruments, а саме, мікроконтролер MSP430, флеш-пам'ять АТ450В1 фірми Atmel, в якості широкополосного випромінювача 14 - спеціальні ультразвукові згинні перетворювачі. Таким чином використання пропонованої структури та технології обробки акустичних сигналів дозволяє створити для нафтови х свердловин параметричний ехолот нового покоління, що характеризується підвищеною точністю і ймовірністю вимірів, автономністю, гнучкістю програмного забезпечення та розширеними функціональними можливостями. Прилад дозволяє вести точні вимірювання рівня навіть у надскладних умовах, наприклад, в перехідному режимі роботи свердловини, коли відомості про часову зміну швидкості звуку практично відсутні. Головні його ланки було успішно випробувано в роботі на артезіанських і нафтових свердловинах України. Джерела інформації 1. Патент России №2030577, МКИ Е21В47/04, 1995., БИ №7. 2. А.с. СССР №1781422, МКИ Е21В47/04, 1992., БИ №46. 3. Патент України №68307 А, МКВ Е21В47/04, 2004., Бюл. №7.