Способ определения уровня жидкости в межтрубном пространстве скважины
METHOD FOR DETERMINING THE LIQUID LEVEL IN THE ANNULAR SPACE OF THE WELL

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, конкретно к области контроля уровня жидкости акустическим методом, и может быть использовано для определения уровня жидкости в скважинах.
Известен способ [1] определения уровня жидкости в трубе, в основе которого лежит кепстральный анализ шума, а именно: регистрация акустического шума в трубном пространстве, его последовательные первое преобразование Фурье, логарифмирование и второе преобразование Фурье, определение резонансной частоты шума путем нахождения частоты максимума функции второго преобразования Фурье, обратная величина которой умножается на скорость звука в газе межтрубного пространства и делится на два. Данный способ основан на исследовании резонанса акустических волн в трубчатом резонаторе, заполненном воздухом или другим газом. Прибор, реализующий данный способ, называется резонансным акустическим уровнемером.
Недостатком данного способа определения уровня жидкости является низкая точность определения уровня жидкости в межтрубном пространстве, особенно применительно к протяженным скважинам, так как не учитываются параметры межтрубного газа и конструкции конкретной скважины, влияющие на величину скорости распространения в газе межтрубного пространства скважины различных частотных составляющих шума.
Техническим результатом изобретения является повышение точности определения уровня жидкости в межтрубном пространстве скважины путем исследования резонанса акустических волн, распространяющихся в затрубном пространстве скважины за счет учета разной скорости распространения в газе межтрубного пространства скважины различных частотных составляющих шума.
Межтрубное пространство скважины герметично на устье для поддержания внутри избыточного давления. Таким образом, межтрубное пространство есть объемный резонатор с жесткими стенками, ограниченный сверху жесткой крышкой, а снизу - затрубной жидкостью.
В затрубном пространстве скважины регистрируется акустический шум. В скважине основными источниками возникновения шума являются элементы работающего насосного оборудования, течение жидкости по стенкам насосно-компрессорных труб, промышленные шумы и т.п. Составляющие шума претерпевают резонанс в свободной части затрубного пространств от жидкости, уровень которой подлежит определению. Спектральные составляющие регистрируемого сигнала зависят от длины этой полости, а, следовательно, от уровня жидкости, так как при укладывании на этой длине целого числа длин полуволн составляющей шума происходит формирование стоячей акустической волны.
n
Звуковые волны в газовой полости резонатора длиной L резонируют на частотах ƒ [1]:
где n - номер резонанса, С - скорость распространения волны в резонаторе.
В амплитудно-частотном спектре принятого сигнала формируются максимумы, образующие ряд с основанием ƒ=c/(2⋅L). Определив значение основной резонансной частоты ƒ, можно вычислить уровень жидкости L следующим образом:
Значение основной резонансной частоты ƒ определяют путем кепстрального анализа, заключающегося в следующих шагах [1]: регистрация акустического шума в трубном пространстве, его последовательные первое преобразование Фурье, логарифмирование и второе преобразование Фурье, определение резонансной частоты шума путем нахождения частоты максимума функции второго преобразования Фурье.
Однако формулы (1) и (2) справедливы в том случае, когда скорости распространения акустической волны каждого резонанса совпадают, или их различиями можно пренебречь. В случае, когда в качестве резонатора выступает затрубное пространство глубокой скважины, общая длина которой может достигать 3-х и более километров, нужно учитывать влияние стенок межтрубного пространства скважины, приводящее к различной скорости распространения акустических составляющих сигнала различной частоты [2].
Влияние стенок межтрубного пространства скважины на скорость звука можно выразить следующим образом [2]:
где:
С - скорость звука в газе затрубного пространства, м/с;
0
С - скорость звука в газе для открытого пространства, м/с;
η - вязкость газа, Па⋅с;
0
3
ρ - плотность газа, кг/м;
- угловая (циклическая) частота, рад/с;
ƒ - частота, Гц;
а
- условный радиус межтрубного пространства скважины, м.
Плотность газа можно выразить как [3]:
где:
ср
Р - среднее давление по стволу скважины, Па;
Μ - молярная масса газа, кг/моль;
R - газовая постоянная, 8,314 Дж/(K⋅моль);
ср
Т - средняя температура по стволу скважины, K.
Подставляя (4) в (3) получаем итоговую зависимость скорости распространения акустической волны определенной частоты ƒ в газе в межтрубном пространстве скважины от параметров газа и конструкции скважины, имеющую следующий вид:
Анализируя зависимость (5), учитывая, что частота сигнала ƒ есть величина обратная его периоду Т, который в свою очередь связан со скоростью звука следующим соотношением:  можно сделать вывод, что при кепстральном анализе акустического сигнала можно компенсировать влияние стенок межтрубного пространства скважины, приводящее к различной скорости распространения акустических составляющих сигнала различной частоты, изменив значения частот составляющих функции первого преобразования Фурье в соответствии с формулой
где:
- измененная частота i-й составляющей функции первого преобразования Фурье, Гц;
- частота i-й составляющей функции первого преобразования Фурье, Гц.
Список литературы
1. Патент РФ №2249186, G01F 23/28, опубл. 27.03.2005.
2. Акустика в задачах: Учеб. Рук-во для вузов / Под ред. С.Н. Гурбатова и О.В. Руденко - М.: Наука, Физматлит, 1996. - 336 с.