автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Исследование акустических свойств межтрубного пространства добывающих скважин для контроля уровня жидкости

На правах рукописи

Стрижак Виктор Анатольевич

УДК 620.179.16

ИССЛЕДОВАНИЕ АКУСТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МЕЖТРУБНОГО ПРОСТРАНСТВА ДОБЫВАЮЩИХ СКВАЖИН ДЛЯ КОНТРОЛЯ УРОВНЯ ЖИДКОСТИ

Специальность 05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ижевск 2004

Работа выполнена на кафедре «Приборы и методы контроля качества» Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Ижевский государственный технический университет» (г. Ижевск)

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Буденков Гравий Алексеевич.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Ясовеев Васих Хаматович кандидат технических наук, с.н.с. Кадров Александр Васильевич

Ведущая организация: Институт проблем прикладной экологии и природопользования (г. Уфа)

Защита состоится « Ю » (^¿¿^¿^А-

2004 г. в'ч а сов на заседании диссертационного совета ДМ 004.013.02 при Институте прикладной механики УрО РАН по адресу

426067, г. Ижевск, ул. Т. Барамзиной, 34

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института прикладной механики

Автореферат « разос лан^1_2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета:

доктор технических наук, профессор Тарасов В. В.

пор б-ч

аиб*

Общая характеристика работы

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 акустического метода измерения уровня.

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 пространства в зависимости от рабочей частоты зондирующего импульса и геометрических 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.

2. Аналитические зависимости дисперсии скорости и затухания акустической волны, обусловленные трением о стенки скважины, от частоты зондирующего импульса и размеров межтрубного пространства.

3. Результаты расчетов основных параметров сигналов, отраженных от муфт и раздела газ - жидкость, в зависимости от характеристик межтрубного пространства.

4. Научно обоснованная методика инженерного проектирования приборной части устройств измерения уровня жидкости, учитывающая особенности распространения и отражения акустической волны в межтрубном пространстве скважины.

Научная новизна

1. 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.

2. 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.

3. Выбраны и рекомендованы основные частоты спектров зондирую -щих 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.

4. Предложена научно обоснованная методика калибровки приборов измерения уровня жидкости по эхо-сигналам от муфт, используемых в качестве реперных элементов.

5. 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 межтрубного 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 ИжГТУ (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 ИжГТУ (Ижевск, 2003); XXI Уральской конференции «Контроль технологий, изделий и окружающей среды физическими методами» (г. Тюмень, 2003 г.).

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем диссертации составляет 140 страниц. Работа содержит 46 рисунков и 23 таблицы. Список литературы содержит 105 наименований.

Содержание работы

введение

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования и приведены научные положения, выносимые на защиту.

Глава 1. Охрана подземных вод. Методы и средства кон троля

В первой главе произведен анализ нормативных и законодательных актов и показано, что на основании законов землепользования и «Водного кодекса» все землепользователи, в чьей собственности находятся скважины минеральных, термальных, питьевых, промышленных вод или скважины иных назначений, обязаны производить мониторинг уровня жидкости в пространстве между насосно-компрессорной и обсадной трубами (межтрубное пространство).

Основные требования по рациональному использованию и охране недр состоят в соблюдении стандартов (правил, норм) установленных для использования, охраны и геологического изучения недр. К ним относятся «Правила разработки и охраны месторождений лечебных минеральных вод» (утверждены постановлением Госгортехнадзора СССР от 27.08.87 №28). Правила направлены на обеспечение гидрогеологически рациональной, технически правильной и экономически эффективной разработки месторождений лечебных минеральных вод; создания условий, исключающих их преждевременное истощение, загрязнение и порчу. Таким образом, замер уровня воды является обязательной нормативной частью технологической схемы разработки месторождений лечебных минеральных вод. Периодичность и содержание измерений определяются технологической схемой месторождения, учитывающей гидрологические особенности скважин, определяемые условиями залегания и формирования подземных вод.

Определяющее значение при оценке перспектив использования подземных вод имеют эксплуатационные запасы. Они формируются не в течение геологического времени, а непосредственно в процессе их отбора водозаборными сооружениями и могут изменяться в процессе эксплуатации. Оценка эксплуатационных запасов сводится к определению количества воды, которое может извлекаться на месторождении в течение заданного срока эксплуатации при сохранении стабильности ее химического состава, физических свойств, санитарного состояния окружающей среды. При отборе воды в объеме, превышающем величины возобновления, происходит невосполнимая выработка

запасов подземных вод, что с течением времени неизбежно приводит к их истощению. Комплекс режимных наблюдений, проводимых при контроле работы скважины, включает в себя: измерение дебита объема воды, выдаваемой скважиной в единицу времени; измерение температуры; измерение степени минерализации; измерение уровня воды.

Наблюдения за уровнем воды в скважине осуществляется в следующем порядке. Измеряется динамический уровень в скважине до отключения насоса. Динамическим называется уровень подземных вод, снизившийся вследствие откачки или повысившийся в результате нагнетания воды в водоносный горизонт, т.е. это уровень воды работающей скважины. После отключения насоса производятся наблюдения за восстановлением уровня путем последовательных замеров через 1, 2, 3, 5, 7, 10, 15,20, 30, 45 минут и т.д. В случае, когда насос простаивает долгое время (ремонтные работы), или еще перед спуском в скважину производят замер статического уровня (уровень покоя, естественный, не нарушенный откачкой или нагнетанием уровня подземных вод). Эти нормы устанавливаются для каждой скважины и оговариваются в лицензии, выдаваемой на них.

Измерение уровня является стандартной технической задачей. Оборудование для проведения измерений уровня изготавливается всеми фирмами -производителями датчиков. Например, фирма «8гтет» выпускает ультразвуковые, радарные, емкостные, лопастные, вибрационные уровнемеры. Значительная глубина скважины ограничивает количество возможных методов замера уровня воды. Применительно к скважинам используются:

1. Уровнемеры с датчиком предельного уровня: гидрогеологическая рулетка, электроуровнемер, поплавковый уровнемер.

2. Уровнемеры с датчиком давления: пневматический уровнемер, гидростатическая система.

3. Акустические уровнемеры.

В отличие от других методов, акустический метод принципиально позволяет измерять уровень воды в большом диапазоне. Этот метод особенно рационален при наблюдениях за колебаниями уровня воды в скважинах с амплитудой в несколько десятков метров. Принцип действия акустического эхолота состоит в излучении звукового импульса и его приеме после отражения, и измерении времени прохождения звуком пути от излучателя до поверхности воды (или дна) и обратно к приемнику. Это стало возможным после того, как была решена задача измерения малых интервалов времени.

К недостаткам это группы приборов следует отнести низкую разрешающую способность - 1 метр. Приемником акустического импульса является стандартный датчик, позволяющий использовать прибор при значительных давлениях (до 20 атм), что существенно снижает чувствительность датчика и снижает его рабочую частотную полосу.

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.

Глава 2. Моделирование процессов распространения акустических волн в межтрубном пространстве

Во второй главе рассмотрена математическая модель процесса распространения акустической волны в межтрубном пространстве и факторы, влияющие на распространение акустического импульса. Межтрубное пространство при распространении по нему акустической волны можно рассматривать как волновод (Рис. 1).

При моделировании прохождения акустического импульса по волноводу, которым является межтрубное пространство, необходимо учитывать следующие явления:

1) особенности распространения звука в воздухе;

2) явления отражения и прохождения волны на границе воздух-вода;

3) явления отражения и прохождения волны через муфты;

4) затухание волны, связанное с внутренними потерями в газе и трением о стенки волновода.

При распространении звука в узкой трубе наблюдается дисперсия скорости, обусловленная потерями вследствие трения о стенку трубы. Межтрубное пространство в поперечном сечении можно представить в виде эллипса с полуосями а и Ь , изогнутого вокруг насосно-компресорной трубы.

В этом случае дисперсия скорости выражена формулой:

В процессе распространения импульса часть его энергии идет на отражения от муфт, число которых в нефтедобывающих скважинах может достигать несколько сотен, парафиновых отложений и других неоднородностей, оказавшихся в межтрубном пространстве скважин. В данной работе учитывается только наличие соединительных муфт.

0)

с10 - внутренний диаметр обсадной труб^, - внешний диаметр насосно-

компрессорной трубы^ - внешний диаметр муфты, к - длина муфты, / -расстояние между муфтам^ - сечение волновода вне муфгь& - сечение волновода в районе муфй&а - давление падающей Рщгшгрты - давление акустической волны, отраженной от перепада сечения в районе муфты, Р„рош через муфту - давление акустической волны, прошедшей через перепад сечения в районе муфщ, от она - давление акустической волны, отраженной от раздела газ - жидкость

Известно, что коэффициенты отражения Я и прохождения Б в трубе со скачком поперечного сечения с 51, до могут быть вычислены по формулам для плоской волны, падающей по нормали на границу раздела двух сред с различными волновыми сопротивлениями при усло-

вии замены и Т.-^ на 5"2 и 5"]. Этот же результат можно получить, подставляя в формулу для коэффициентов отражения и прозрачности границы раздела сред вместо импедансов их выражения через акустическое давление

Р и объемную колебательную скорость V в соответствии с определением механического импеданса:

(2)

где £ - площадь поперечного сечения волновода. Таким образом, коэффициент отражения по давлению:

К =

(3)

В формуле (3) учтено, что в волноводе р,С( = /?2С2 - удельный акустический импеданс газа межтрубного пространства. Необходимость замены на 52 И на Б1 указывает на тот факт, что большим механическим импедансом обладает волновод с меньшей площадью поперечного сечения.

Учитывая описанную выше аналогию, задачу о прохождение волны через участок межтрубного пространства с соединительной муфтой длиной к, сопровождающийся перепадом поперечного сечения, следует рассматривать, подобно задаче о прохождении плоских волн, падающих по нормали из среды с волновым сопротивлением 2Х = рхСх, на пластину толщиной к с волновым

сопротивлением . Это позволяет для расчета акустических свойств

межтрубного пространства использовать формулы Релея, которые после соответствующих подстановок принимают следующий вид для - коэффициента отражения от муфты Я :

коэффициента прозрачности участка с муфтой Б:

где СО = 2я/", = Ж • (с10 — йн), 52 = Я• {й0 — йи) , к -длинамуфты.

При распространении звука в узкой трубе наблюдается затухание, вызванное не только поглощением в газе, но и потерями, обусловленными трением о стенку трубы, описываемое следующей формулой для коэффициента затухания 8:

где; - отношение удельных теплоемкостей; - плотность; - зависимость между коэффициентом теплопроводности К, удельной вязкостью и удельной теплоемкостью при постоянном объеме

Согласно формулам (4)-(6) процесс распространения акустического импульса в межтрубном пространстве является частотно зависимым. Принимая коэффициент отражения от границы раздела газ - жидкость за 1, амплитудно-частотную передаточную функцию процесса можно представить следующим образом:

- спектральная плотность эхо - импульса отраженного от границы раздела газ - жидкость 30(б)):

SD(co) = D{cof" -е-

\2п 0-S (и) /2л I q>{a}l 2п ' >

■ спектральная плотность эхо сигналов от муфт^ (со) :

S*(со) = ВД • D(û)){2"-2} • е'5(ш),1п ■ е'v[a)l 2",

(7)

(8)

где - спектральная плотность зондирующего импульса, - коэф-

фициент прозрачности участка с муфтой, - коэффициент отражения от

муфты, - коэффициент затухания, - номер муфты от поверхности

ввода до границы раздела газ - жидкость, (отсчитывается от верхней муфты), / - расстояние между муфтами насосно-компрессорной трубы.

Коэффициент 2 в показателе формул (7) - (8) обусловлен тем, что акустический импульс дважды проходит через каждую муфту, распространяясь в

глубь скважины, и после отражения от «дна», распространяясь в направлении к поверхности.

Спектр сигнала отраженного от границы раздела газ-жидкость может быть получен как произведение спектра зондирующего импульса на переходную характеристику межтрубного пространства S0 (<у) • SD (й>). Спектр сигнала, отраженного от к муфты, получен произведением So{0))-S^(ü)) . Для расчета импульса отраженного от муфты и импульса, отраженного от

раздела газ-жидкость Pp(f), во временной области может быть использован интеграл Фурье:

Полученные интегралы не могут быть вычислены с использованием элементарных функций и могут быть рассчитаны с использованием быстрого преобразования Фурье.

Глава 3. Исследование основных закономерностей распро странения акустической волны в межтрубном пространстве

В главе 3 рассмотрены результаты моделирования акустических свойств межтрубного пространства в программной среде Mathcad. В расчетах используется быстрое преобразование Фурье (БПФ) на 4096 точек дискретеза-ции. Длина временной оси выбрана длиной в 20 периодов зондирующего сигнала.

Сравнительные зависимости коэффициентов затухания, вызванных поглощением (вязкость и теплопроводность), и коэффициентов затухания, возникающих при трении о стенки трубы, в зависимости от частоты f представлены на Рис. 2.

Частота/ Гц

1 10 100 1000 10000 100000

Рис. 2. Зависимость коэффициентов затухания д от частоты / акустической волны, обусловленные поглощением (1) и трением (2)

Расчет коэффициента затухания произведен для наиболее часто используемого в добывающих скважинах межтрубного пространства с размерами й=0,508 м, йн=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 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 Ге = 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.

Дисперсия скорости вносит фазовую поправку, определяемую как параметрами сечения межтрубного пространства, так и глубиной. На Рис. 3 показана погрешность вносимая дисперсией скорости , в зависимости от частоты / для различных глубин Ь. Значения погрешности ниже уровня 0,1 м на рисунке не показаны как несущественные.

Частота/ Гц

1 10 100 200

^ 00 |-> н" N ГО (О Ы Ы ¿ь

О О Ы О оомоо

8 8 8 8 8888 Глубина I, м

Рис. 3. Погрешность Д£, вносимая дисперсией скорости с(/), в зависимости от частоты / для различных глубин I в межтрубном пространстве - (1Н =0,134 м

Существенный выигрыш в разрешающей способности имеют приборы определения динамического уровня жидкости в межтрубном пространстве. В этом случае, погрешность определения динамического уровня определяется только величиной изменения уровня жидкости в межтрубном пространстве (на частоте 30 Гц измерение динамического уровня в 100 метров будет сопряжено с погрешностью в 0,04 м на любой глубине скважины).

На Рис. 4. представлены результаты расчетов амплитуд эхо-сигналов от дна и эхо-сигналов от муфт при различной глубине скважины с размером

обсадной трубы й0 =114,3. Пунктирная линия между семейством эхо-сигналов

дна и семейством эхо-сигналов муфт определяет значение ВРЧ (временной

регулировки чувствительности) в каждый момент времени после зондирующего сигнала. Для уверенного разделения эхо-сигналов от дна и эхо-сигналов муфт необходимо усиливать напряжение, регистрируемое уровнемером в соответствии с линией ВРЧ.

Глубина Ь, м

О 200 400 600 800 1000

0 1,2 2,4 3,6 4,8 6,01

Время сек

Рис. 4. Амплитуды эхо-сигналов муфт Р0 и дна Р^ при разных глубинах межтрубного пространства для различных частот зондирующего импульса:

1 - 5 Гц, 2 -10 Гц, 3 - 20 Гц, 4 - 50 Гц, 5 -100 Гц, 6 - 200 Гц, ВРЧ - уровень временной регулировки чувствительности разделяющий эхо-импульсы дна и эхо - импульсы муфты

Спектры Брр (/) рассматриваемых донных эхо-сигналов представлены на Рис. 5. Спектры донных эхо-сигналов на глубине 500 метров еще имеют выраженную основную частоту, соответствующую основной частоте зондирующего импульса. Спектры донных эхо-сигналов на глубине 2000 метров не отличаются друг от друга до уровня -60 Дб. На больших глубинах (более 1000 метров) затухание эхо-сигнала происходит в одинаковой пропорции, независимо от частотных параметров зондирующего сигнала. На малых глубинах (менее 1000 метров) отличия в степени затухания определяются основной частотой зондирующего сигнала.

Частота / Гц

1 2 3 4 5 10 20 30 40 100

ю -Ю 1 -- [ММ--- 1М11

Рис. 5. Спектры донных эхо-сигналов на глубине 500 м (1,2) и 2000 м (3,4) при различных частотах зондирующего импульса

1,3- частота зондирующего импульса 20 Гц; 2,4 - частота зондирующего импульса 5 Гц

Форма эхо-сигнала от дна определяется расстоянием, пройденным по межтрубному пространству скважины. Чем больше пройдено расстояние, тем большие потери в высокочастотной составляющей претерпевает донный эхо-сигнал по сравнению зондирующим импульсом. На глубине 1000 метров форма донного эхо-сигнала при зондирующем импульсе частотой 20 Гц почти не отличима от формы донного эхо-сигнала при зондирующем импульсе частотой 5 Гц. Таким образом, форма эхо-сигнала от дна на глубинах более 1000 метров определяется глубиной скважины, а на малых глубинах (менее 1000 метров) форма эхо-сигнала от дна определяется основной частотой зондирующего сигнала.

На Рис. 6 представлена обобщающая эхограмма межтрубного пространства скважины с уровнем жидкости 80 метров при частоте зондирующего импульса 200 Гц. На эхограмме можно видеть в начальный момент времени / =0 зондирующий импульс (находится в ограничении), 9 отражений от муфт и донный эхо-импульс, отраженный от границы воздух-жидкость (находится в ограничении).

ч 0,02 <1>

| 0,015

| 0,01

§ 0,005 <

о

-0,005 -0,01

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5

Время t, сек

Рис. 6. Эхограима межтрубного пространства размером d0 — dH =0,134 и глубиной 80 м

На Рис. 7. приведена зависимость отношения амплитуды донного эхо-импульса PD к амплитуде эхо-сигнала от ближайшей ко дну муфты Ри для разных основных частот зондирующего импульса.

Видно, что для сигналов с основной частотой 20 Гц и ниже для всего диапазона глубин это отношение не превышает 23 Дб. Для водных скважин, в частности, минеральных вод, характерны сложные условия ввода акустического импульса (негерметичность арматуры, наличие дополнительных отводов). Это значительно (как правило, непредсказуемо) уменьшает амплитуду зондирующего импульса. По зависимости амплитуды эхо-импульса от муфт от глубины можно оценить реальный зондирующий импульс и предсказать амплитуду донного импульса, что может быть использовано при разработке эхолота с подстройкой к условиям ввода.

Глава 4. Приборы контроля уровня жидкости в межтрубном пространстве

В главе 4 установлены требования к приборам измерения уровня; описаны уровнемеры, разработанные при участии автора и эксплуатируемые на водных добывающих скважинах; рассмотрена структурная схема универсального автоматического уровнемера. На основании моделирования и изучения основных закономерностей процесса распространения волны в межтрубном

, 1 1 1 i А

1 J 1г V ir ч ЧГ 1

пространстве сформированы технические требования к аппаратуре и разработаны функционально облегченные приборы измерения уровня жидкости: акустический эхолот «ЭХО-1» и акустический эхолот «ЭХО-2» (Рис. 8). Оба прибора имеют разрешающую способность измерения уровня 0,1м.

Эхолот «ЭХО-2» состоит из акустической и электронной частей. Акустическая часть содержит механический излучатель зондирующих импульсов и пьезоэлектрический приемник акустических эхо-импульсов. Электронная часть содержит аналоговую и цифровую схемы, выполненные на соответствующих платах. Акустическая и электронная части смонтированы в цилиндрическом пластмассовом корпусе 1, торцы которого армированы дюралюминиевыми кольцами 2 и 3. На кольце 2 расположена уплотнительная резиновая шайба 4, обеспечивающая герметичность соединения прибора с входом измеряемого волновода. На кольце 3 смонтирован резиновый гофр 5, используемый оператором для генерации акустических зондирующих импульсов.

Приборы «ЭХО-2» внедрены и эффективно эксплуатируются в течение трех лет в санаториях Удмуртии «Металлург», «Варзи-Ятчи», «Ува» и санатории «Ключи» Пермской области. На Рис. 9 графически представлен результат режимных наблюдений скважины минеральных вод №3/75 санатория «Металлург» в 2003 году.

7 6

Рис. 8. Внешний вид прибора «ЭХО-2»

Лучи диаграммы соответствуют номеру месяца. Величины уровня на момент прекращения водозабора измерены прибором «ЭХО-2» и на Рис. 9 обозначены точками. Скважина имеет постоянный статический уровень 52 м. В момент водозабора образуется воронка депрессии, и уровень понижается. Величина уровня указывает на мощность водного пласта, питающего скважину. Понижение динамического уровня в зимние и весенние месяцы (реакция на изменение сезонных факторов происходит с опозданием) указывает на уменьшение питания водного пласта в районе скважины.

Приборы «ЭХО-1» и «ЭХО-2» были разработаны для водных скважин. Целевые потребители этих приборов относятся к категории недропользователей, для которых затруднительны покупки дорогостоящих приборов. Поэтому цена приборов была одним из важных параметров устройства. Появление новых недропользователей, эксплуатирующих водные запасы (бутилирование воды и др.), с одной стороны, ужесточение ответственности за бесконтрольную эксплуатацию водных скважин («Водный кодекс») - с другой, приведут к созданию федеральной службы контроля уровня подземных вод. В этом случае на смену локальному контролю скважины (группы скважин) на уровне юридического лица, встанет необходимость наблюдения за уровнем вод во всем регио-

не (вводном бассейне). Данная экологическая потребность приведет к необходимости создания региональной (всероссийской) системы наблюдения за уровнем воды. Так как ежедневный контроль уровня воды необходим только в случае резкого изменения объема водозабора или изучения возможной производительности скважины, то на практике используют регулярный (еженедельный, ежемесячный) обмер уровня воды в скважине. На основании вышесказанного требования к прибору контроля уровня жидкости в скважине расширяются в сторону автоматизации и накопления результатов измерений.

1

Рис. 9. Диаграмма максимального динамического уровня на скважине минеральных вод №3/75 санатория «Металлург» в 2003 году

Предложенная в диссертации структурная схема автоматического уровнемера отличается от разработанных устройств тем, что управляющая часть прибора выполнена на микроконтроллере. Микроконтроллер самостоятельно, по программе, управляет измерениями уровня воды (запуском генератора зондирующего импульса). Возможные режимы работы: одиночный импульс - измерение статического уровня; серия импульсов - измерение динами-

ческого уровня. Использование в эхолоте таблиц поправок позволят оператору для каждой скважины выбрать коэффициенты, характеризующие газовую среду, дисперсию скорости, избыточное давление. Таблица расстояний между муфтами сводит измерение уровня воды в межтрубном пространстве к измерению расстояния между разделом газ - жидкость и ближайшей муфтой, расположенной выше уровня жидкости. Результат сложения полученного значения и табличной глубины расположения последней обнаруженной муфты является точным расстоянием от устья скважины до раздела газ - жидкость.

Заключение

В диссертации на основе математического моделирования процесса распространения акустической волны в межтрубном пространстве добываю-щцх скважин разработаны научно обоснованные технические и технологические решения для разработки и совершенствования акустических методов измерения уровня жидкости с целью обеспечения эффективной эксплуатации месторождений подземных вод без повреждения основных параметров источников воды.

1. Показана необходимость мониторинга статического и динамического уровней жидкости в межтрубном пространстве добывающих скважин, включая сезонные, недельные, погодные колебания уровня и поведения воронки депрессии при различных режимах водозабора.

2. Разработана математическая модель распространения акустических волн в межтрубном пространстве, учитывающая явления дисперсии скорости звука, затухания звуковой волны вследствие трения о стенки труб, а также, отражения и прохождения волны через муфты, позволяющая рассчитать эхо-граммы межтрубного пространства в зависимости от геометрических размеров скважины и спектра зондирующего импульса.

3. Исследована зависимость амплитуды и спектрального состава эхо-импульсов, отраженных соединительными муфтами и границей раздела газ -жидкость, от основных частот зондирующего импульса при различных глубинах и геометрических размерах межтрубного пространства. Установлено, что:

- амплитуда эхо-сигнала, отраженного от муфт и границ газ - жидкость уменьшается с увеличением уровня жидкости и уменьшением размера межтрубного пространства;

- затухание акустического импульса в основном обусловлено отражением от муфт и трением газа о стенку волновода, что значительно превышает потери за счет вязкости и теплопроводности (на частоте 10 Гц - в 106 раз);

- в процессе распространения по межтрубному пространству акустический импульс искажается за счет потери преимущественно высокочастотной части спектра;

- амплитуда эхо-сигналов от муфт вблизи устья скважины превышает сигналы от дна при глубине скважины более 500 метров, что требует введения временной регулировки чувствительности в схему эхолота.

4. Сформулированы рекомендации по проектированию аппаратуры акустического контроля уровня жидкости в межтрубном пространстве:

- основная частота спектров зондирующего импульса определяется глубиной добывающей скважины (200 Гц - для скважин глубиной до 500 м, 20 Гц - для скважин глубиной до 1000 м);

- рассчитаны значения погрешности определения уровня, обусловленные дисперсией скорости;

- рассчитаны параметры временной регулировки чувствительности с глубиной для частоты зондирующего импульса 20 Гц (100 м - 40 Дб, 300 м - 50 Дб, 600 м - 70 Дб, 1000 м - 90 Дб);

- обоснована методика, позволяющая использовать эхо-сигналы от муфт в качестве реперных элементов межтрубного пространства для калибровки приборов по скорости;

- обоснована методика измерения уровня с переходом от измерения абсолютного значения глубины к измерению расстояний между дном и ближайшей ко дну муфтой.

5. На базе сформулированных рекомендаций реализованы устройства контроля уровня жидкости в межтрубном пространстве «ЭХО-1» и «ЭХО-2», отличающиеся от известных устройств сбалансированными параметрами - высокой разрешающей способностью при достаточном диапазоне измеряемых глубин. Приборы «ЭХО-2» в количестве 4 штук внедрены и эффективно эксплуатируются на скважинах минеральных вод в санаториях Удмуртии и Пермской области. Эксплуатация прибора показала, что он обеспечивает достаточную разрешающую способность и функциональность, необходимую для гидрологических исследований скважин минеральных вод. Результаты испытания приборов на действующих водозаборных скважинах подтверждают адекватность теоретических и расчетных данных.

6. На базе исследованных закономерностей показаны целесообразность и перспективность создания автоматических систем контроля эксплуатационных параметров водозаборных скважин. Это позволит использовать подземные пресные, лечебно-минеральные, минерально-промышленные и термальные воды в безопасном для природной среды режиме. Результаты экспериментального измерения динамического и статического уровней жидкости в межтрубном пространстве водозаборных скважин, полученные за время эксплуатации приборов, могут рассматриваться как реальная основа для создания региональной (всероссийской) системы наблюдения за состоянием подземных вод.

Положения и основные результаты работы изложены в следующих публикациях:

1. Буденков Г. А., Стрижак В. А., Пряхин А. В. и др. Импульсный метод измерения скорости ультразвука // Дефектоскопия. -1998. - № 9. - С.3-8.

2. Стрижак В. А., Коршунов Я. Ю., Пряхин А. В. Повышение точности измерения скорости ультразвука импульсным методом в материалах с дисперсией скорости // Тез.докл. XXXI научно-технической конференции ИжГТУ 1998 г.: В 2-х ч. - Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 1998. - Ч. 2. - С.72.

3. Буденков Г. А., Недзвецкая О. В., Стрижак В. А. и др. Измерение масс ультразвуковым способом // Тез.докл. XXXI научно-технической конференции ИжГТУ 1998 г.: В 2-х ч. - Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 1998. - Ч. 2. - С.61.

4. Недзвецкая О.В., Булатова Е.Г., Буденков Г.А., Стрижак В. А. Поля смещений в волнах, излучаемых изгибными колебаниями пластин // Дефектоскопия. - 2000. - № 6. - С.54-63.

5. Недзвецкая О.В., Буденков Б.А., Стрижак В. А. и др. Новый метод акустического контроля насосных штанг // Тез.докл. 3-й Международной конференции "Диагностика трубопроводов". - М., 2001. - С.180.

6. Стрижак В. А., Недзвецкая О.В., Буденков ГА и др. Акустический эхолот для измерения уровня жидкости в затрубном пространстве добывающих скважин // Тез.докл. 3-й Международной конференции "Диагностика трубопроводов". - М., 2001. - С. 185.

7. Буденков ГА, Недзвецкая О.В., Буденков БА, Стрижак В. А. и др. Использование волн в стержнях для решения некоторых задач акустического контроля и диагностики // Тез.докл. XX Уральской региональной конференции "Контроль технологий, изделий и окружающей среды физическими методами". - Екатеринбург, 2001. - С. 102-103.

8. Буденков Г. А., Стрижак В. А., Пряхин А. В. К вопросу измерения уровня жидкости в затрубном пространстве добывающих скважин. Информационные технологии в инновационных проектах // Труды IV Международной научно-технической конференции. Часть 4. - Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2003. -С.89-91.

9. Буденков Г. А., Недзвецкая О. В., Стрижак В. А. Акустика затрубно-го пространства добывающих и нагнетательных скважин // Дефектоскопия. -2003.-№8.-С.9-13.

10. Буденков Г.А., Пряхин А.В., Стрижак В.А. Прибор контроля уровня жидкости в затрубном пространстве // Дефектоскопия. - 2003. - № 9. - С.З-11.

11. Стрижак В.А Проблемы автоматизации магнитных измерений // Ученые Ижевского Механического института - производству: Тезисы докладов научно-технической конференции. - Ижевск, 1992. - С.36.

12. Стрижак ВА Микропроцессорный прибор на эффекте Баркгаузена // Эффект Баркгаузена и аналогичные физические явления: Сборник статей школы сем.- Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 1995. - С.154-158.

Стрижак Виктор Анатольевич УДК 620.179.16

Исследование акустических свойств межтрубного пространства добывающих скважин для контроля уровня жидкости

Специальность 05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Отпечатано в типографии ИМП УрО Ран. Подписано в печать 15-10-2004. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,56. Тираж 100 экз.

»21750

РНБ Русский фонд

2005-4 21168

Оглавление.

Введение.

Глава 1. Охрана подземных вод. Методы и средства контроля.

1.1. Нормативные документы по использованию подземных вод.

1.2. Гидрологические особенности подземных вод.

1.2.1. Свойства подземных вод.

1.2.2. Условия залегания и формирования подземных вод.

1.3. Эксплуатация водозаборных сооружений.

1.3.1. Эксплуатационные запасы подземных вод.

1.3.2. Наблюдение за уровнем подземных вод.

1.4. Приборы контроля уровня.

1.4.1. Методы измерения уровня.

1.4.2. Гидрогеологические рулетки.

1.4.3. Электроуровнемеры.

1.4.4. Пневматический уровнемер.

1.4.5. Гидростатические системы (пьезометрические уровнемеры).

1.4.6. Поплавковые уровнемеры.

1.4.7. Акустический метод.

1.4.8. Приборы, применяемые для наблюдения уровня подземных вод за рубежом.

1.5. Выводы к главе 1.

Глава 2. Моделирование процессов распространения акустических волн в межтрубном пространстве.

2.1. Акустическая модель скважины.

• 2.2. Скорость звука в воздухе.

2.3. Отражение и преломление звуковых волн на границе раздела сред.

2.4. Явление затухания звука.

2.5. Модель процесса распространения акустической волны в межтрубном пространстве.

2.6. Выводы к главе 2.

Глава 3 Исследование основных закономерностей распространения акустической волны в межтрубном пространстве.

3.1. Программа расчета межтрубного пространства.

3.2. Коэффициент затухания в межтрубном пространстве.

3.3. Коэффициенты прозрачности и отражения от муфт.

3.4. Поправка на дисперсию скорости.

3.5. Передаточные функции межтрубного пространства.

3.5.1. Передаточная функция межтрубного пространства для донного импульса.

3.5.2. Передаточная функция межтрубного пространства для эхо-импульса от муфты.

3.6. Задание зондирующего импульса.

3.7. Свойства донного импульса.

3.8. Свойства сигнала от муфты.

3.9. Эхограмма межтрубного пространства.

3.10. Выводы к главе 3.

Глава 4. Приборы контроля уровня жидкости в межтрубном пространстве.

4.1. Требования к прибору контроля уровня жидкости в межтрубном пространстве

4.2. Описание прибора контроля уровня жидкости.

9 4.2.1. Прибор контроля уровня жидкости «ЭХО-1».

4.2.2. Прибор контроля уровня жидкости «ЭХО-2».115^

4.2.3. Порядок проведения измерений прибором «ЭХО-2».

4.2.4. Эксплуатационные ограничения.

4.3. Результаты внедрения.

4.4. Перспективы устройств измерения уровня жидкости.

4.5. Выводы к главе 4.

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. Особенно острым является вопрос обеспечения водой населения для хозяйственно-питьевых нужд.

Во всех случаях эксплуатация запасов подземных вод должна соотноситься с величинами их возобновления в естественных или нарушенных условиях. При отборе воды в объёме, превышающем возобновление, происходит невосполнимая выработка запасов подземных вод, что с течением времени неизбежно приводит к их истощению. Для предупреждения истощения проводят комплекс гидрологических работ, в который входят стационарные наблюдения за режимом подземных и поверхностных вод. В связи с этим на каждом водозаборе должна существовать контрольная сеть. В ее задачи входит систематический контроль за качеством воды; размерами водозабора, который не должен превышать установленных эксплуатационных запасов, а также контроль за уровнями подземных вод.

Вопросы использования подземных вод определяются «Водным кодексом» [6, 7, 17, 18]. Для решения вопросов охраны подземных вод существует дополнительный ряд законодательных актов как федерального уровня (Федеральный Закон о природных лечебных ресурсах, лечебно - оздоровительных местностях и курортах [4, 8, 9, 16]), так и местного уровня (Закон Удмуртии о недрах [1,15]).

Одним из основных методов определения истощения подземных вод является измерение и систематический контроль за уровнем воды в скважине. Скважиной называется цилиндрическая горная выработка, сооружаемая без доступа в нее человека и имеющая диаметр во много раз меньше длины [72 - 79]. Скважина, снабженная глубинным насосом, состоит из обсадной трубы, насосно-компрессорной трубы, фильтра. Внутри насосно-компрессорной трубы находится штанга. Поступательно - возвратное движение штангового насоса через штангу передает усилие на глубинный насос. Жидкость под действием глубинного насоса засасывается через фильтр, поднимается внутри насосно-компрессорной трубы и изливается из скважины. Обсадную трубу окружают грунт и во-донасыщенные породы. Область между обсадной трубой и насосно-компрессорной трубой называется межтрубным пространством. Насосно-компрессорные трубы соединены между собой муфтами. Если поверхность раздела газ - жидкость расположена на глубине 2-3 км, число муфт ориентировочно равно 200-400. Соотношения между линейными параметрами насосно-компрессорной трубы и обсадной трубы определены ГОСТом 632-80 [71].

Для измерения уровня жидкости в скважине существуют специальные приборы -уровнемеры. На сегодняшний день существующие приборы не удовлетворяют требованиям пользователей по следующим причинам:

- большинство приборов - стационарные, что требует специальных охранных сооружений;

- для погружных приборов необходим большой зазор между стенкой обсадной трубы и водоподъёмным оборудованием (особенно для поплавковых уровнемеров);

- погружные переносные уровнемеры отнимают много времени на проведение измерения;

- все известные приборы (кроме эхолотов) предполагают контакт с водой, в результате чего происходит коррозия корпуса, и, как следствие, ухудшение свойств воды.

В отличие от других методов, акустический метод принципиально позволяет измерять уровень воды в большом диапазоне [33, 39-46]. Этот метод особенно рационален при наблюдениях за колебаниями уровня воды в скважинах с амплитудой в несколько десятков метров.

Принцип действия акустического эхолота состоит в излучении звукового импульса и его приеме после отражения. Глубина L определяется по времени t прохождения звука от излучателя до поверхности воды (или дна) и обратно к приемнику при известной скорости звука: L=tc. Создание акустического эхолота стало возможным после того, как была решена задача измерения малых интервалов времени.

Существенная погрешность метода обусловлена скоростью распространения волны с, значение которой зависит от физических свойств, химического состава газа, температуры, давления и т. д. [30]. Поэтому скорость распространения звуковой волны определяют косвенным путем по известному расстоянию и времени прохождения звукового импульса [32. 33]. Иногда уровень жидкости в эксплуатационной скважине измеряют с помощью гидрологической рулетки и по результату измерений настраивают прибор на действительную скорость звука.

На скважинах с избыточным внутренним давлением создание акустического импульса производится автоматическим или ручным выпускным клапаном. Кратковременный выпуск газовой среды из скважины вызывает акустическую волну в межтрубном пространстве. Для скважин без избыточного давления используется резиновая гармошка или ручной насос, с последующим выпуском избыточного давления. [46].

К недостаткам этой группы приборов следует отнести низкую разрешающую способность - 1 метр (МИКОН-101М-01) [46А]. Приемником акустического импульса является стандартный датчик, позволяющий использовать прибор при значительных давлениях (до 20 атм), что существенно снижает чувствительность датчика и снижает его рабочую частотную полосу. Для приборов характерен необоснованный выбор узлов и блоков устройства, что приводит к избыточной функциональности и завышенной цене, и перекладывает на оператора определение адекватности проведенных измерений по распечатанной на принтере эхограмме. Современные акустические уровнемеры разработаны на базе интуитивно- экспериментального подхода и не учитывают особенности распространения и искажения акустических импульсов в межтрубном пространстве. Существующая ручная методика интерпретации эхограммы, получаемой с акустического уровнемера, требует от оператора значительных навыков. Настройка акустических уровнемеров по муфтам на-сосно-компрессорной трубы не получила серьезного развития.

Из всего вышесказанного можно сделать вывод, что остро стоит вопрос о создании нового прибора для измерения уровня воды в скважинах обладающего следующими особенностями:

- повышенная точность;

- быстродействие;

- простота в эксплуатации;

- портативность.

Разработка акустической модели скважины и исследование закономерностей распространения акустической волны по межтрубному пространству позволит оперативно и наглядно оценить влияние различных факторов на параметры регистрируемых эхо-сигналов и выработать научно-обоснованные технические требования к параметрам аппаратуры, реализующей метод эхолокации уровня жидкости в межтрубном пространстве.

В главе 1 рассмотрены особенности эксплуатации скважин минеральных вод; нормативная база, регламентирующая правила эксплуатации водных скважин; особенности и методы измерения уровня жидкости и приборы, их реализующие. На основании рассмотренных вопросов, обосновывается необходимость измерения уровня жидкости в межтрубном пространстве скважины, формируются требования к приборам, реализующим акустический метод измерения.

Во главе 2 межтрубное пространство добывающей скважины при распространении по ней зондирующего импульса рассматривается как волновод с многократными перепадами сечения на ограниченной длине, обусловленными наличием соединительных муфт.

При моделировании прохождения акустического импульса по волноводу учитываются следующие явления:

1) особенности распространения звука в воздухе;

2) явления отражения и прохождения волны на границе воздух-вода;

3) явления отражения и прохождения волны через муфты;

4) затухание волны, связанное с внутренними потерями в газе и трением о стенки волновода.

В главе 4 рассмотрены результаты расчетов условий прохождения акустической волны по межтрубному пространству; обоснован выбор структурной схемы эхолота; определены технические параметры узлов и блоков. Для выбора частоты зондирующего импульса, и определения параметров усилительного тракта прибора (значение коэффициента усиления, поведение коэффициента усиления в процессе измерения), рассмотрены свойства эхограммы в зависимости от геометрических размеров сечения межтрубного пространства, глубины залегания раздела газ - жидкость, при различных частотах зондирующего импульса.

В той же главе 4 описаны приборы измерения уровня жидкости в межтрубном пространстве, разработанные по результатам исследования акустической модели. Приведены результаты внедрения прибора «ЭХО-2» в санатории «Металлург». Обоснована необходимость наблюдения за уровнем вод во всем регионе (водном бассейне). Выдвинуты требования к прибору контроля уровня жидкости в скважине, расширенные в сторону автоматизации и накопления результатов измерений.

Цель диссертации - 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 пространства в зависимости от рабочей частоты зондирующего импульса и геометрических 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.

На защиту выносятся:

1. Математическая модель процесса распространения акустических волн в межтрубном пространстве добывающих скважин, основанная на волноводных свойствах межтрубного пространства и определяемая совокупностью его характеристик: геометрическими параметрами скважины, акустическими параметрами скважины (затухание, скорость звука), волновыми свойствами муфты.

2. Аналитические зависимости дисперсии скорости и затухания акустической волны, обусловленные трением о стенки скважины, от частоты зондирующего импульса и размеров межтрубного пространства.

3. Результаты расчетов основных параметров сигналов, отраженных от муфт и раздела газ - жидкость, в зависимости от характеристик межтрубного пространства.

4. Научно обоснованная методика инженерного проектирования приборной части устройств измерения уровня жидкости, учитывающая особенности распространения и отражения акустической волны в межтрубном пространстве скважины.

Научная новизна

1. 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.

2. 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 насосно-компрессорных труб, соединительных муфт.

3. 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.

4. Предложена научно обоснованная методика калибровки приборов измерения уровня жидкости по эхо-сигналам от муфт, используемых в качестве реперных элементов.

5. Обоснована методика, позволяющая перейти от измерения абсолютного значе-глубины к измерению расстояния между разделом газ - жидкость и ближайшей муф

4.5. Выводы к главе 4

1. На основе теоретических исследований процессов распространения акустических волн по межтрубному пространству добывающих скважин, сформулированы технические требования к аппаратуре контроля уровня жидкости.

2. Разработанные акустические эхолоты «ЭХО-1» и «ЭХО-2» отличаются от прочих устройств сбалансированными параметрами разрешающая способность (0,1 м) и диапазон измеряемых глубин (до 1000 м). Результаты испытаний приборов подтверждают правильность теоретических предположений.

3. Приборы «ЭХО-2» внедрены и эффективно эксплуатируются в течение 3-х лет на скважинах минеральных вод в санаториях Удмуртии и Пермской области. Эксплуатация прибора показала, что он обеспечивает достаточную разрешающую способность и функциональность, необходимую для гидрологических исследований.

4. Результаты экспериментального измерения уровня жидкости в межтрубном пространстве водозаборной скважины, полученные при эксплуатации приборов, могут рассматриваться как реальная основа создания региональной (всероссийской) системы наблюдения за состоянием подземных вод.

Заключение

В диссертации на основе физико-математического моделирования процесса распространения акустической волны в межтрубном пространстве добывающих скважин разработаны научно обоснованные технические и технологические решения для разработки и совершенствования акустических методов измерения уровня жидкости с целью обеспечения эффективной эксплуатации месторождений подземных вод без повреждения основных параметров источников воды.

1. Показана необходимость мониторинга статического и динамического уровней жидкости в межтрубном пространстве добывающих скважин, включая сезонные, недельные, погодные колебания уровня и поведения воронки депрессии при различных режимах водозабора.

2. Разработана математического модель распространения акустических волн в межтрубном пространстве, учитывающая явления дисперсии скорости звука, затухания звуковой волны вследствие трения о стенки труб, а также, отражения и прохождения волны через муфты, позволяющая рассчитать эхо-граммы межтрубного пространства в зависимости от геометрических размеров скважины и спектра зондирующего импульса

3. Исследована зависимость амплитуды и спектрального состава эхо-импульсов, отраженных соединительными муфтами и границей раздела газ - жидкость, от основных частот зондирующего импульса при различных глубинах и геометрических размерах межтрубного пространства. Установлено, что:

- амплитуда эхо-сигнала, отраженного от муфт и границ газ - жидкость уменьшается с увеличением уровня жидкости и уменьшением размера межтрубного пространства;

- затухание акустического импульса в основном обусловлено отражением от муфт и трением газа о стенку волновода, что значительно превышает потери за счет вязкости и теплопроводности (на частоте 10 Гц - в 10б раз);

- в процессе распространения по межтрубному пространству акустический импульс искажается за счет потери преимущественно высокочастотной части спектра;

- амплитуда эхо-сигналов от муфт вблизи устья скважины превышает сигналы от дна при глубине скважины более 500 метров, что требует введения временной регулировки чувствительности в эхолот.

4. Сформулированы рекомендации по проектированию аппаратуры акустического контроля уровня жидкости в межтрубном пространстве:

- основная частота спектров зондирующего импульса определяется глубиной добывающей скважины (200 Гц - для скважин глубиной до 500 м, 20 Гц - для скважин глубиной до 1000 м);

- рассчитаны значения погрешности определения уровня, обусловленные дисперсией скорости;

- рассчитаны параметры временной регулировки чувствительности с глубиной для частоты зондирующего импульса 20 Гц (100 м - 40 Дб, 300 м - 50 Дб, 600 м - 70 Дб, 1000 м -90 Дб);

- обоснована методика позволяющая использовать эхо - сигналы от муфт в качестве реперных элементов межтрубного пространства для калибровки приборов по скорости;

- обоснована методика измерения уровня с переходом от измерения абсолютного значения глубины к измерению расстояний между дном и ближайшей ко дну муфтой.

5. На базе сформулированных рекомендаций реализованы устройства контроля уровня жидкости в межтрубном пространстве «ЭХО-1» и «ЭХО-2», отличающиеся от известных устройств сбалансированными параметрами - высокой разрешающей способностью при достаточном диапазоне измеряемых глубин. Приборы «ЭХО-2» в количестве 4 штук внедрены и эффективно эксплуатируются на скважинах минеральных вод в санаториях Удмуртии и Пермской области. Эксплуатация прибора показала, что он обеспечивает достаточную разрешающую способность и функциональность, необходимую для гидрологических исследований скважин минеральных вод. Результаты испытания приборов на действующих водозаборных скважинах подтверждают адекватность теоретических и расчетных данных.

6. На базе исследованных закономерностей показаны целесообразность и перспективность создания автоматических систем контроля эксплуатационных параметров водозаборных скважин. Это позволит использовать подземные пресные, лечебно-минеральные, минерально-промышленные и термальные воды в безопасном для природной среды режиме. Результаты экспериментального измерения динамического и статического уровней жидкости в межтрубном пространстве водозаборных скважин, полученные за время эксплуатации приборов, могут рассматриваться как реальная основа для создания региональной (всероссийской) системы наблюдения за состоянием подземных вод.

1. Водный кодекс Российской Федерации. Государственная Дума 18 октября 1995 года // "Собрание законодательства РФ", 20.11.1995, N 47, ст. 4471, "Российская газета", N 227,23.11.1995, N 229,25.11.1995.

2. Федеральный закон "О внесении изменений и дополнений в закон российской федерации "О недрах". Государственная Дума 8 февраля 1995 года// "Собрание законодательства РФ", 06.03.1995, N 10, ст. 823, "Российская газета", N 52, 15.03.1995

3. Боголюбов С.А. В д.р. Комментарий к Водному кодексу Российской Федерации. М.: Юридический Дом "Юстицинформ", 1997.

4. Федеральный закон "О природных лечебных ресурсах, лечебно-оздоровительных местностях и курортах". Государственная Дума 27 января 1995 года // "Собрание законодательства РФ", 27.02.1995, N 9, ст. 713, "Российская газета", N 44,01.03.1995.

5. Закон Удмуртской Республики "О недрах" // "Известия Удмуртской Республики", N 28, 10.03.1992. Ижевск, 1992.

6. Федеральный закон "Об особо охраняемых природных территориях". Государственная дума 15 февраля 1995 год // "Собрание законодательства РФ", 20.03.1995, N 12, ст. 1024.

7. Правила охраны недр при составлении технологических схем разработки месторождений минеральных вод постановление Госгортехнадзора РФ от 01.12.1999 № 88 // "Бюллетень нормативных актов федеральных органов исполнительной власти", N 2, 10.01.2000.

8. Постановление Госгортехнадзора РФ от 06.06.2003 N 72 "Об утверждении "Правил разработки и охраны месторождений минеральных вод и лечебных грязей" // "Российская газета", N 118, 19.06.2003.

9. Словарь по гидрогеологии и инженерной геологии / Под ред. А.А. Маккавеева. -М.: Недра, 1971.-216 с.

10. Постановление правительства Российской Федерации от 16 июня 1997 г. № 716 "Об утверждении положения об осуществлении государственного контроля за использованием и охраной водных объектов" // Собрание законодательства РФ", 23.06.1997, N 25, ст. 2938.

11. Куликов Г.В., Жевлаков А.В., Бондаренко С.С. Минеральные лечебные воды СССР. М.: Недра, 1989. - 197 с.

12. ГОСТ 13273-88, Воды минеральные питьевые лечебные и лечебно-столовые

13. ГОСТ 2874-82, Вода питьевая. Гигиенические требования и контроль за качеством

14. Боревский Б.В., Дробноход Н.И., Язвин JI.C. Оценка эксплуатационных запасов подземных вод. — К.: Вьпца шк., Головное изд-во, 1989. 407 с.

15. Всеволожский В.А. Основы гидрогеологии. М.: изд-во МГУ, 1991. - 351 с.

16. Гордеев П.В., Шемелина В.А., Шулякова O.K. Руководство к практическим занятиям по гидрогеологии. М.: Высш. Школа, 1981 . - 152 с.

17. Ковалевский B.C. Исследования режима подземных вод в связи с их эксплуатацией. М.: Недра, 1986. - 198 с.

18. Скабалланович И.А., Осауленко В.Т. Инженерная геология, гидрогеология и осушение месторождений. М.: Недра, 1989. - 197 с.

19. Уист Р., Девис С. Гидрогеология М.: Недра, В21970.

20. Солодухин М. А. Справочник техника-геолога по инженерно-геологическим и гидрогеологическим работам. М.: Недра, 1982.

21. Петров А. И. Глубинные приборы для исследования скважин. М.: Недра, 1980.

22. Уровнемеры. Сравнительные характеристики // Сайт ООО "КЦ ТП-Автоматика": http://www.metrex.hotmail.ru/index.html.

23. Средства измерений уровня жидкости. // Сайт ЗАО "ВАТСОН": http://www.watson.ru/izm/izm3-4.htm.

24. Башкатов Д. Н. Тесля А. Г. Гидрологические наблюдения при бурении скважин на воду. М., "Недра", 1970

25. Технические характеристики датчиков уровня УДУ-25, УДУ-25В, УДУ-25К, УДУ-25С. Продукция // Сайт Предприятия "АКУСТИКА": http://www.acoustics.ru/production/index.html.

26. Интеллектуальный многоточечный уровнемер для условий сильных производственных акустических помех // Сайт Красноярского государственного технического университета: http://www.kgtu.runnet.ru/indexr.html.

27. Уровнемер дистанционный восьмиканальный УД8 // Научно-производственное предприятие "ТЕХНЭС-ПРИБОР": http://www.texnes.chel.ru/products.htm.

28. ДУУ1-09. КИП. Каталог продукции // АО "ТАиС": http://www.taiscom.ru/products/08/04.html.

29. Уровнемеры. КИП. Каталог продукции // АО "ТАиС": http://www.taiscom.ru/products/08/04.html.

30. SH4A Echometer // Jianghan Petroleum Group Corporation: http://www.jpgc.com/pip/echometer/sh4a.htm

31. Стационарный эхолот MC-401.Комплекс МС-2000. Контрольно-измерительные комплексы // ООО "Маркетинг-Сервис": http://www.ms-oil.ru.

32. Saab. Радарные уровнемеры // ЗАО "Комбит": http://www.kombit.ru.

33. Micropilot FMR 240 // УП БЕЛОРГСИНТЕЗ: http://energocentre.nsys.by.

34. Уровнемер "Струна-М" // "ООО АМТ": http://www.e-amt.ru/e5.html#struna

35. Уровнемеры серии Prosonic // Сайт фирмы "Теплоприлад-Украша": http://teploprilad.mn.ru/html/levelindicator/levelindicator.html,

36. ВМ700А. Радарные уровнемеры. // ООО "Стелла": http://www.ste.ru/krohne/pdfibml 00-r.pdf.

37. Радарный уровнемер УЛМ-11 // Сайт АОЗТ «Лимако»: http://www.limaco.ru/products.html

38. Уровнемер ультразвуковой поплавковый РУ-ПТЗ // Центр лабораторного оборудования "Спецхимтех": http://www.clo.ru/Catalog/Opisaniya/RUPT3.htm.

39. Поплавковые уровнемеры // Сайт "КСК-Автоматизация": http://www.csc-a.com.ua/bm24 .htm.

40. Автоматизированная система бесконтактного определения объемов жидких, вязкопластичных и сыпучих материалов в промышленных емкостях на базе уровнемера "ЛАЗУРЬ-2" КПНЛ 407 552 ООО ООО ТУ // НТЦ "Технология XXI": http://www.litif.spb.ru.

41. Уровнемер ПОУН-1М // АО "ВАТСОН": http://www.watson.ru/izm/index.htm.

42. Deltapilot. Гидростатический уровнемер // ООО "Метрэкс": http://www.metrex.hotmail.ru/html/levelindicator/levelindicator.html

43. Автономные приборы контроля уровня жидкости в скважинах: Каталог // Сайт Томского научно-производственного и внедренческого общества "СИАМ": http://www.siam.tomsk.ru/catalog

44. Прибор измерения уровня жидкости в баках и определения дальности до поверхностей УДУ-25 // Федеральная интегрированная база данных "Контрагент-М®": http://kontragent.rU/base/kms/ru/spec-voc/12/28/l/index.htm.

45. Ультразвуковые уровнемеры ST/SB-200 // Электронный каталог продукции 2000 фирмы "EXPORTRONIC": http://www.et.hl.ru/urovnemer.html.

46. Ультразвуковые уровнемеры "Корвет" // Федеральное унитарное государственное предприятие "Центральный Научно-Исследовательский Институт "МОРФИЗПРИ-БОР": http://www.vimi.ru/mfjp

47. Климентов П. П., Кононов В. М. Методика гидрогеологических иследований. -М.: Высшая школа, 1989

48. Димаксян А. М. Гидрологические приборы. Л.: Гиброметеоиздат, 1972

49. Плотников Н. И. Эксплуатационная разведка подземных вод. М.: Недра, 1979

50. Бакаленко В. И. Оробей И. О. Температурная компенсация в акустических измерителях уровня жидкости в скважинах. Статья депонирована в ВИНИТИ 13.11.96, per. 3314-В96.

51. Буденков Г. А., Недзвецкая О. В., Стрижак В. А. Акустика затрубного пространства добывающих и нагнетательных скважин // Дефектоскопия. 2003. - № 8. - С.9-13.

52. Уровнемер СУДОС автомат. Техническое описание и инструкция по эксплуатации изм 2.787.013 то 2001 // Томское научно - производственное и внедренческое общество СИАМ.

53. Гидрологические исследования за рубежом. Под редакцией Н. А. Маринова. М.: Недра, 1982

54. ГОСТ 632-80, Трубы обсадные и муфты к ним. Технические условия

55. Буденков Г. А., Стрижак В. А., Пряхин А. В. и др. Импульсный метод измерения скорости ультразвука // Дефектоскопия. 1998. - № 9. - С.3-8.

56. Буденков Г.А., Пряхин А.В., Стрижак В.А. Прибор контроля уровня жидкости в затрубном пространстве // Дефектоскопия. 2003. - № 9. - С.3-11.

57. Скучик Е. Основы акустики/ Пер. с англ. М.: Мир, 1976. - Том 2. - 520 с.

58. Стрижак В. А., Недзвецкая О.В., Буденков Г.А. и др. Акустический эхолот для измерения уровня жидкости в затрубном пространстве добывающих скважин // Тез.докл. 3-й Международной конференции "Диагностика трубопроводов". М., 2001. - С. 185.

59. Ржевкин С.Н. Курс лекций по теории звука. М.: Изд-во МГУ, 1960.-216 с.

60. Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике. М.: Изд-во иностранной литературы, 1957. - 727 с.

61. Ландау Л. Д. Лифшиц Е. М. Теоретическая физика: Учебное пособие. В 10 т. Т. VI. Гидродинамика. 4-е изд., стер.-М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1988. - 736 с.

62. Акустика в задачах: Учеб. рук-во для вузов/ Под ред. С.Н. Гурбатова и Руденко О.В. М.: Наука, Физматлит, 1996. - 336 с.

63. Седов Л. И. Механика сплошной среды, т.2. М.: Гл. ред. физ.мат. лит., 1970.568 с.

64. Красильников В. А. Введение в акустику: Учебное пособие. М.: Издательство МГУ, 1992.- 152 с.

65. Новиков Б. К., Руденко О. В., Тимошенко В. И. Нелинейная гидроакустика. Л.: Судостроение, 1981. 264 с.

66. Налимов Г. П. и д.р. Контроль параметров проблемных добывающих скважин уровнемером динамографом «Судос - комплекс». // Нефтяное хозяйство. - 2000. - №8. -С.107-108

67. Фарлиев Р. Г. и д.р. Скорость звука в газе межтрубного пространства механизированных скважин. // Нефтяное хозяйство. 2000. - №7. - С.55-58

68. Дж. Б. Келлер, Дж. С. Пападакис, Распространение волн и подводная акустика. -М.:Мир, 1980. -231 с.

69. Исакович М. А. Общая акустика. Гл. ред. физ.мат. лит., М.: Наука, 1973. - 495с.

70. Лэмб Г. Динамическая теория звука. М.:Физматгиз. 1960

71. Шутилов В. А. Основы физики ультразвука. Л.:ЛГУ, 1980

72. Бреховских Л.М., Годин О.А. Акустика слоистых сред. М.: Наука, 1989. - 416с.

73. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Гидродинамика. М.: Наука, 1986. - 116 с.

74. Бреховских Л.М. Волны в слоистых средах. М.: Наука, 1973. - 344 с.

75. Шендеров Е. Л. Волновые задачи гидроакустики. Л.: Судостроение, 1972

76. Лепендин Л. Ф. Акустика. М. Высшая школа, 1978

77. Сташкевич А. П. Акустика моря. Л.: Судостроение, 1978

78. Урик Р. Дж. Основы гидроакустики. Л.: Судостроение, 1978

79. Бреховских Л. М. Гончаров В. В. Введение в механику сплошных сред. М.: Наука, 1982. - 235 с.

80. Корн Г. Корн Т.Справочник по математике для научных работников и инжене-ров.-М.: Наука, 1984. 832 с.

81. Светлицкий В. А., Стасенко И.В. Сборник задач по теории колебаний. -М.: Высшая школа, 1973. -454 с.

82. Гоноровский И. О. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Сов. Радио, 1971

83. Марпл.-мл. С. JL Цифровой спектральный анализ и его приложения: Пер. с англ. М.: Мир, 1990, - 584 с.

84. Харкевич А. А. Спекторы и анализ. М.: Физмат, 1962

85. Недзвецкая О.В., Буденков Б.А., Стрижак В. А. и др. Новый метод акустического контроля насосных штанг // Тез.докл. 3-й Международной конференции "Диагностика трубопроводов". М., 2001. - С. 180.

86. Недзвецкая О.В., Булатова Е.Г., Буденков Г.А., Стрижак В. А. Поля смещений в волнах, излучаемых изгибными колебаниями пластин // Дефектоскопия. 2000. - № 6. -С.54-63.

87. Буденков Г. А., Недзвецкая О. В., Стрижак В. А. и др. Измерение масс ультразвуковым способом // Тез.докл. XXXI научно-технической конференции ИжГТУ 1998 г.: В 2-х ч. Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 1998. - Ч. 2. - С.61.

88. Ультразвуковые преобразователи для неразрушающего контроля/ Под ред. И. Н. Ермолова. М.: Машиностроение, 1986. - 278 с.

89. Хекл М., Мюллер X. А., Справочник по технической акустике. -JI.: Судостроение, 1980. В87439 с.

90. Ломаев Г. В. Малышев B.C. Стрижак В.А. Автоматизированный комплекс магнитных характеристик и параметров. Отчет по теме НИР; рег.№ 01880028400.

91. Стрижак В.А. Микропроцессорный прибор на эффекте Баркгаузена // Эффект Баркгаузена и аналогичные физические явления: Сборник статей школы сем. Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 1995. - С. 154-158.

92. Стрижак В.А. Проблемы автоматизации магнитных измерений // Ученые Ижевского Механического института производству: Тезисы докладов научно-технической конференции. - Ижевск, 1992. - С.36.

93. Программа "Расчёт акустики межтрубного пространства" представляет собой математическую модель распространения акустического импульса в межгрубном пространстве скважин.пп := 1. 8

94. Наружный диаметр насосно-компрессорной трубы м. Dni := 0.033 Dn2 := 0.042 Dn3 := 0.048 Dot := 0.060 Dns := 0.073 Dn6 := 0.089 Dn7 := 0.102 Dne := 0.114

95. Внутренний диаметр обсадной трубы м. Do-| := 0.1143 D02 := 0.146 D03 := 0.172 D04 := 0.1937 D05 := 0.2731 Doq := 0.3397 D07 := 0.4069 Do8 := 0.508

96. Константы и исходные данные для расчета.

97. Скорость звука в воздухе м/с. С := 331.36 м/с

98. Средняя длина трубы L1 := 8 м

99. Максимальное количества муфт: п := 500

100. Время от муфты до муфты kkk := — kkk = 0.024С

101. Минимальный уровень жидкости в скважине L:= (п 1) -L1 м

102. Шкала муфт: nl:= 1. n L = 3.992 х 1035

103. Коэффициент вязкости для воздуха при t=0C г> := 1.71-10 кг/м сек Плотность воздуха р := 1.293 кг/м

104. Модуль объемной упругости: х:=1-94

105. Коэффициент объемной вязкости: £,:= 1.4

106. Задается зондирующий импульс как функция: ^tj

107. Рабочая частота (Гц): f := 20 Р3

108. Циклическая частота: wf := 2 f n Р

109. Задаются масштабы для временной и спектральной областей: ®I1. N 3 ^

110. Разрядность БПФ; N:=12 Число точек в массиве: 1:= 2 1 = 4.096x 10 Фл1. Mvf

111. Маштаб временной оси в периодах Mvf := 20 Длина временой оси: kk :=-; kk = 1 сек.f О