СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ ВОДЫ В СКВАЖИНЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF MEASURING THE LEVEL OF WATER IN THE WELL AND THE DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Группа изобретений относится к акустическим методам измерения и контроля и может быть использована для определения уровня жидкости в скважинах, колодцах и резервуарах.
Известно устройство для измерения уровня воды в скважине по патенту РФ на полезную модель №2115892, МПК Е21В 47/04, опубл. 10.01.2004 г.
Это устройство для измерения уровня жидкости в скважине содержит барабан, гальванометр, источник питания, измерительный градуированный кабель, контакт заземления и наконечник с расположенной на его переднем торце звукообразующей поверхностью и вмонтированным в него электродом, отличающееся тем, что звукообразующая поверхность выполнена в виде открытой колоколообразной полости, внутри которой размещен электрод, при этом острие электрода углублено относительно переднего торца наконечника.
Недостатки: необходимость применения геофизического кабеля, что значительно увеличивает время проведения измерения и стоимость аппаратуры.
Известны способ и устройство для измерения уровня воды в скважине по патенту РФ на изобретение №2115892, МПК G01F 23/296, опубл. 20.076.1998 г.
Способ предусматривает излучение акустического зондирующего импульса и регистрацию сигналов, отраженных от муфтовых соединений труб и от поверхности жидкости в скважине. При этом муфты выполняют функцию фиксированных отражателей-реперов. Глубина расположения любой из муфт определяется согласно паспорту скважины по известной длине плеча буровых труб, находящихся выше данного муфтового соединения. Акустический уровнемер содержит последовательно соединенные генератор импульсов, усилитель, коммутатор и обратимый акустический преобразователь, который располагают на обвязке фонтанной арматуры скважины. Коммутатор через фильтр нижних частот соединен с блоком сравнения. Выходы блока сравнения соединены с регистрирующим блоком и микропроцессором. Микропроцессор соединен с генератором импульсов, фильтром нижних частот, и блоком сравнения. Предлагаемые способ и устройство существенно упрощают процесс измерения при сохранении высокой точности и надежности определения уровня.
Недостатки: относительно низкая точность измерения уровня жидкости в скважине из-за влияния колебаний температуры и давления воздуха в межтрубном пространстве на скорость звука и помех от муфт и переводников, изменяющих диаметр скважины, на результаты измерений. Также применялось данное устройство чаще всего в нефтяных скважинах с зарытым от атмосферного воздуха внутренним пространством, в результате чего могут создаваться условия разрежения газовой смеси в измеряемом объеме пространства, создающим дополнительные погрешности. Также неудобством данного метода является его узкоспециальное применение, так как сообщение с внутренним пространством скважины происходит через узкую герметичную врезку в колонне. К тому же определяется уровень в основном по привязке к отражениям от муфтовых соединений, так как в измеряемом пространстве может изменяться давление непредсказуемым образом.
Задачи создания изобретения: увеличение точности измерения уровня жидкости в скважине и уменьшение влияния помех на результаты измерений и расширение номенклатуры средств определенного назначения (измерителей уровня воды).
Технический результат: повышение точности измерения уровня жидкости в скважине за счет устранения влияния помех от муфт и переводников, изменяющих диаметр скважины на результаты измерений.
Решение указанных задач, а именно, измерение уровня в гидрогеологических скважинах широкого распространения, достигнуто в способе измерения уровня воды в скважине при помощи уровнемера звукового бесконтактного, включающем подачу звукового сигнала через открытое устье скважины, прием отраженного сигнала и расчет по времени прохождения сигнала глубины зеркала воды, тем, что перед использованием уровнемера звукового бесконтактного производят его калибровку высокоточным уровнемером, например, контактного типа, и осуществляют коррекцию введением корректирующего множителя, а из принятого отраженного звукового сигнала выделяют сигнал, имеющий наибольшее время прохождения с наибольшей амплитудой, и расчет глубины уровня производят, используя этот сигнал.
Решение указанных задач достигнуто в устройстве для измерения уровня воды в скважине, содержащем приемник - излучатель, расположенный в общем корпусе, и основной прибор, содержащий контроллер, к которому присоединены каналами связи индикатор и генератор зарядки, к выходу которого присоединена схема излучения, выход усилителя приемного сигнала и коммутатор, тем, что контроллер содержит таймер и АЦП, соединенные между собой, и память, а выходы из коммутатора соединены с входами в генератор зарядки и в схему излучения.
Устройство для измерения уровня воды в скважине может содержать источник питания в корпусе основного прибора, соединенный электрическими проводами с контроллером, генератором импульсов и усилителем приемного сигнала. Устройство для измерения уровня воды в скважине может содержать кнопку включения режима измерения, размещенную на корпусе. Устройство для измерения уровня воды в скважине может содержать две кнопки коррекции для увеличения и уменьшения корректирующего множителя. Устройство для измерения уровня воды в скважине может содержать кнопку записи в память контроллера.
Сущность изобретения поясняется чертежами (фиг. 1-8), где:
- на фиг. 1 приведена общая блок-схема устройства,
- на фиг. 2 приведена подробная блок-схема генератора зарядки,
- на фиг. 3 приведена конструкция приемника-излучателя,
- на фиг. 4 приведен вид А на фиг. 3,
- на фиг. 5 приведен алгоритм работы измерителя уровня воды,
- на фиг. 6 приведена схема установки устройства в скважине, первый вариант,
- на фиг. 7 приведена схема установки устройства в скважине, второй вариант,
- на фиг. 8 приведена диаграмма отраженного сигнала.
Устройство для измерения воды в скважине (фиг. 1) представляет собой приемник-излучатель 1, выполненный в общем корпусе 2 и основной прибор 3. Приемник-излучатель 1 и основной прибор 3 соединены кабелем 4.
Основной прибор 3 содержит контроллер 5, в состав которого входят АЦП 6 (аналого-цифровой преобразователь), таймер 7 и память 8. Кроме того основной прибор 3 имеет индикатор 9, подсоединенный к контроллеру 5 линией связи 10.
К контроллеру 5 также присоединены вход генератора зарядки 11 и выход усилителя 12. К выходу генератора зарядки 11 присоединена схема излучения 13. В состав основного прибора 3 входит коммутатор 14 который своими выходами соединен с входом в контроллер 5, в генератор зарядки 11 и в схему излучения 13.
Приемник-излучатель 1 содержит динамик 15 и микрофонный блок 16.
В состав основного прибора 3 входит блок питания 17 (батарея типа Крона). Блок питания 17 электрическими проводами 18 соединен с контроллером 5, усилителем 12, генератором зарядки 11 и коммутатором 14.
Основной прибор 3 имеет четыре кнопки:
Кнопка управления 19,
Кнопка коррекции «-» 20,
Кнопка коррекции «+» 21,
Кнопка записи 22.
Кнопки коррекции 20-22 предназначены для уменьшения и увеличения поправочного коэффициента в процессе периодически проводящейся калибровки устройства и введения его в память. Генератор зарядки 11 (фиг. 2) содержит высоковольтный генератор 23, к выходу которого подключен конденсатор 24, а к входу по питанию переменный резистор 25.
На фиг. 3 и 4 приведена более детально конструкция приемника-излучателя 1, который содержит корпус 2 конической формы с крышкой 26 параболической формы, на которой закреплены динамик 15 и микрофонный блок 16.
На фиг. 5 приведен алгоритм работы устройства.
На фиг. 6 приведена схема установки устройства, точнее излучателя-приемника 1, в скважине, первый вариант. В скважине 27 установлена обсадная колонна 28, имеющая муфты 29. На поверхности 30 выполнено устье 31. Уровень воды показан поз. 32.
На фиг. 7 приведена схема установки устройства в скважине 27, второй вариант. Обсадная колонна 28 имеет переходник 33 с большого диаметра на меньший.
На фиг. 8 приведена диаграмма отраженного сигнала 34 по времени.
Видны пики 35 отраженных от муфт 29 сигналов и сигнал с максимальной амплитудой 36, отраженный от поверхности воды.
РАБОТА УСТРОЙСТВА
Прибор с рабочим названием - «УЗБК-250» - уровнемер звуковой бесконтактный предназначен для измерения уровня жидкости в скважинах в диапазоне 5-250 м по отраженному звуковому сигналу. При разработке прибора решалась задача создания компактного, удобного прибора для измерений уровней в гидрогеологических скважинах. Основную рабочую функцию выполняет контроллер 5. В схему контроллера 5 входят также таймер 7 и АЦП 6. Устройство состоит из приемника - излучателя 1 и основного прибора 3, которые соединены многожильным кабелем 4 длиной 3 м (фиг. 6). Приемник-излучатель 1 устанавливают в устье 31 скважины 27 (фиг. 6 и 7).
Питание основного прибора 3 осуществляется от батарейки «Крона» напряжением 9В - блок питания 17 (фиг. 1).
Ток потребления составляет 3 мА в режиме просмотра значений и 100 мА в режиме зарядки конденсатора 24 (фиг. 2). Управление рабочими функциями прибора осуществляется посредством кнопок управления 19-22 (фиг. 1). Для включения режима измерения служит кнопка 19 - работа.
При нажатии на нее выполняется рабочий цикл измерений и контроллер 5 на 2 сек. подает питание на высоковольтный генератор - 23, а затем производит излучение импульса и в течение 2-х сек принимает все отраженные сигналы.
Контроллер 5 рассчитывает расстояние до уровня воды по формуле Н=0,5 Т×С,
где: Н - расстояние до зеркала воды - уровня,
Т - время прохождения сигнала,
С - скорость звука в воздухе.
Скорость звука зависит от температуры воздуха и может быть определена из табл. 1.
Для исключения температурной погрешности и введена функция калибровки, при этом исходим из предположения, что температура воздуха во всех скважинах гидрогеологического назначения постоянна.
Мощность излучения регулируется посредством управления величиной тока заряда в пределах 20-100 мА, для чего используется переменный резистор 25, включенный в цепь питания высоковольтного генератора 23 (фиг. 2). Измерения следует начинать с минимальной или близкой к ней мощности излучения до получения уверенных повторяемых показаний. После зарядки конденсатора 24, подается импульс управления на схему излучения -13 и высоковольтный импульс напряжения поступает на динамик 15. Динамик 15 расположен в металлическом корпусе 2 конусообразной формы, для уменьшения электромагнитных помех. В этом же корпусе 2 расположен и приемник отраженных сигналов - микрофонный блок 16, представляющий собой чувствительный микрофонный усилитель порогового типа. Излучатель в момент измерения располагается на уровне устья скважины. После излучения рабочего импульса, контроллер 5 в течение 2 сек. фиксирует и записывает в память 8 времена и амплитуды всех отражений от неоднородностей в скважине. Для просмотра всего массива измеренных значений предназначена кнопка коррекции 20, последовательное нажатие на которую будет приводить к отображению на экране глубины расположения всех отражений и значений их амплитуд, начиная с последнего. Согласно заложенному алгоритму, контроллер 5 выбирает из массива измеренных значений последнюю поверхность с наибольшим коэффициентом отражения и выдает значение на экран как измеренное значение расстояния до зеркала воды в сантиметрах. Существует также функция коррекции глубины, которая заключается в подгонке показаний уровнемера к контрольным значениям путем введения и записи в память дополнительного множителя. Диапазон коррекции глубины выбран +/-5 м. Для введения корректирующего множителя служат кнопки коррекции 20 и 21, соответственно для увеличения и уменьшения множителя. Для проведения операции калибровки - коррекции необходимо знать точную величину уровня воды в данной скважине, измеренную уровнемером контактного типа. Нажимаем на кнопку коррекции 21 и на экране индикатора 9 отображается увеличение поправочного коэффициента. Для осуществления операции коррекции следует всегда сначала нажимать на кнопку коррекции 21, так как кнопка 20 также служит для просмотра массива измерений. Останавливаемся на некотором значении и производим измерение. Выполняем операцию до полного совпадения измеренного значения с контрольным. По окончании операции нажимаем на кнопку записи 22 и записываем поправочный коэффициент в память контроллера. В дальнейшем потребность в коррекции отпадает и можно использовать кнопку коррекции 20 только для просмотра массива измерений, если в этом есть необходимость.
Использование такого прибора существенно упрощает процесс замера уровней в скважинах при достаточной точности, не требует намоточного оборудования. А также позволяет получить результат в условиях, когда контактный уровнемер бессилен, например, при разгерметизации колонны и наличия перетоков внутри полости скважины или переходов диаметров труб в сухой части скважины.
Применение группы изобретений позволило:
- повысить точности измерения уровня жидкости в скважине за счет периодической тарировки прибора и внесения в его память корректирующего множителя,
- устранения влияния помех от муфт и переводников, изменяющих диаметр скважины, на результаты измерений, за счет введения в алгоритм управления выбора сигнала, имеющего максимальное время прохождения.
- уменьшить энергопотребление устройства за счет применения современных микросхем,
- расширить номенклатуру измерителей уровня воды в скважине.
Изготовлен и испытан опытный образец устройства - «УЗБК-250».