Для визначення відношення швидкостей руху звуку в газовому і повітряному середовищі по трубці Кундта знахо-дять довжину півхвилі в газі (λг) і в повітрі (λп).
Швидкість руху звуку в газовому середовищі ви-значається за формулою:
, (13.5)
де 332 – швидкість звуку в повітрі, м/с; 
- середня температура газу в свердловині (від динамічного рівня до гирла), К; 
= 273 К (температура, що відповідає нормаль-ним умовам); 
- коефіцієнт, що враховує опір руху газу в затрубному просторі, що залежить від співвідношення між діаметрами експлуатаційної колони та колони НКТ( = 0,94).
1 – термофон; 2 – манометр; 3 – патрубок; 4 – кінцевий кран;
5 – центральний кран; 6 – фланець або з’єднювальна муфта.
Рисунок 13.3 – Схема імпульсатора для хвилеметрії
13.2.2 Загальні принципи експлуатації ехолота
Проведення вимірювань рівня в свердловинах пов’язане з необхідністю дотримання певних правил. Гирло свердло-вини і введення корпусу хлопавки повинні бути герметични-ми, оскільки навіть незначні витоки газу можуть вплинути на якість вимірювання. Газ, що виходить із свердловини, ство-рює звуковий фон, що сприймається приладом, і спотворює запис на діаграмі.
Проведення вимірювань за допомогою ехолота повинно проводитися із строгим дотриманням правил техніки безпеки, викладених в інструкції з експлуатації.
Перед установкою хлопавки обов’язково відключають газову лінію і спускають газ із затрубного простору. Час між установкою хлопавки і пострілом повинен бути мінімальним для того, щоб проводити вимірювання при низьких над-лишкових тисках. Для отримання більш достовірних резуль-татів необхідно провести декілька вимірювань рівня. Як правило, для кожної свердловини готують не менше трьох зарядів і відповідно трьох стрічок для реєстрації імпульсів. Точність вимірювань рівня звукометричним методом за-лежить, в основному, від похибки визначення швидкості роз-повсюдження звукової хвилі в газовому середовищі та точності реєстрації часу її проходження. При установці реперів в затрубному просторі можливі помилки у визначенні відстані реперів до гирла свердловини. Ці помилки будуть джерелом систематичної похибки вимірювання рівня рідини.
Для проведення вимірювань без установки реперів за-пропонований спосіб визначення швидкості розповсюдження звукової хвилі за допомогою рухомого звуковловлювача, що спускається в затрубний простір свердловини на глибину 50 – 100 м. Звуковловлювач – це пристрій, подібний до термофону хлопавки, змонтований в запобіжному кожусі, нижній кінець якого відкритий і з’єднується з газовим середовищем. Звукові імпульси в цьому випадку сприймаються термофоном звуко-вловлювача. Перший імпульс буде зафіксований у момент про-ходження прямої хвилі через термофон, другий відповідатиме моменту проходження хвилі, відбитої від рівня рідини, і третій − моменту проходження через термофон звуко-вловлювача хвилі, відбитої від план-шайби гирла свердло-вини. За виміряним часом проходження відбитої хвилі від звуковловлювача до план-шайби можна визначити швидкість розповсюдження звуку в газовому середовищі, а потім за часом проходження хвилі від звуковловлювача до рівня і назад (відстань між першим і другим імпульсами) обчислити рівень рідини в свердловині.
13.2.3. Опис конструкції та принципу роботи
Ехолота ЭМ-52
Ехолот ЭМ-52 дозволяє заміряти рівень рідини в глибиннонасосних свердловинах. Максимальна глибина рівня, який можна відбити, – 1000 – 1200 м.
Прилад можна використовувати для:
- вимірювання динамічного рівня;
- вимірювання статичного рівня;
- дослідження свердловин методом сталих відборів.
У комплект ехолота входять наступні вузли:
- порохова хлопавка з гільзами і пристроєм для їх зарядження;
- акумулятор;
- реєстратор-підсилювач;
- з’єднювальні проводи.
Схема ехолота ЭМ-52 є аналогічною до схеми ехолота ЭС-50 (рис. 13.2).
Схема підсилювача та реєструючого механізму ехолота ЭМ-52 показана на рис. 13.4.
Порохова хлопавка являє собою трійник, зварений з труб. Відкритий кінець прямого коліна служить для з’єднання із затрубним простором свердловини. На протилежному кінці коліна є замок-патронник з гільзою, зарядженою порохом. По-стріл здійснюється ударом бійка по ударнику. Усередині цього ж коліна встановлюється сітка – полум’ягасник.
В іншому коліні вмонтований термофон, клеми якого з’єднуються шнуром з відповідними клемами реєстратора-підсилювача. Для живлення термофона струмом до під-силювача-реєстратора підключається акумулятор (рис. 13.2). Термофон являє собою вольфрамову нитку, по якій протікає постійний струм від акумулятора. Струм в колі термофон – акумулятор вимірюється міліамперметром “струм термофона” і повинен бути рівним 200-300 ма (в межах червоної мітки). Під дією цього струму термофон нагрівається до температури 100 °С.
Звукові імпульси, діючи на вольфрамову нитку, охолоджують її і викликають короткочасні зміни її омічного опору, внаслідок чого в електричному ланцюзі термофона від-буваються короткочасні зміни сили струму. Зміна сили струму в колі термофона, підсилена двокаскадним підсилювачем, передається реєструючому механізму. Для регулювання величини ступеня підсилення передбачений регулятор під-силення. Нормальний загальний струм підсилювача по мілі-амперметру “Струм підсилювача” повинен бути 10-15 ма (в межах червоної мітки).
Реєструючий механізм складається з реєстратора (пера) і стрічко-протяжного пристрою.
Реєстратор (перо) – це магнітна система, в кільцевому зазорі якої розміщена рамка з обмоткою. При проходженні через обмотку електричного імпульсу рамка приходить в коливання, а приєднане до неї перо записує ці коливання на рухомій паперовій стрічці. Стрічка поміщається на стрічко-протяжному пристрої, який складається з двох роликів. Верхній ролик насаджений безпосередньо на вал синхронного електродвигуна змінного струму, нижній, − вільно висить, що забезпечує натягнення стрічки. Для включення двигуна, що пересуває стрічку, передбачено тумблер “ВКЛ. МОТОР”. Кількість обертів двигуна, а отже швидкість руху стрічки (100 мм/с) не залежить від зміни напруги в мережі змінного струму.
Звуковий імпульс (постріл порохової хлопавки) по-силається в затрубний простір свердловини. Діючи на термо-фон, вмонтований всередині хлопавки, звуковий імпульс ви-кликає в ньому імпульс струму. Останній підсилюється і реєструється на стрічці у вигляді піків.
Звуковий імпульс відбивається від рівня рідини і знову попадає на хлопавку, викликаючи в термофоні імпульс струму, що записується на стрічці перописця.
Таким чином, на стрічці з’являються два піки, перший з яких відповідає самому звуковому імпульсу (пострілу), а другий – відбиттю імпульсу від рівня.
Якщо прийняти, що відстань між піками на ехограмі дорівнює 300 мм, то при швидкості руху стрічки 100 мм/с, 300 мм відповідає 3 секундам. Отже, звук пройшов від гирла свердловини до рівня рідини і назад протягом Т =3 с.
Час проходження звуку Трівн тільки до рівня рідини в одному напрямку дорівнюватиме Трівн = 1,5 с.
На рис. 13.5 і 13.6 наведено ехограми вимірювання рівня рідини в глибинно-насосній свердловині, не обладнаній і обладнаній репером.
Для того, щоб знайти відстань від гирла свердловини до рівня рідини в ній в метрах, необхідно додатково визначити швидкість звуку в свердловині. Це можна зробити, якщо на колоні труб на визначеній глибині встановити відбивач звуку, так званий репер 2 (див. рис. 13.1).
1 – запобіжники; 2 – змінний валик; 3 – акумулятор;
4 – реєстратор; 5 – регулятор сили притискання пера;
6 – ведучий валик; 7 – запобіжний кожух стрічко-протягувального пристрою; 8 – захисний ковпак радіоламп; 9 – міліамперметр, що контролює струм підсилювача; 10 – міліамперметр зарядного кола;
11 – ручка плавного регулювання підсилювача;
12 – увімкнення запалювання; 13 – увімкнення двигуна стрічкопротягувального механізму; 14 – ступінчасте регулювання підсилювача; 15 – під’єднання мережі змінного струму; 16 – увімкнення термофона;
17 – здвоєний тумблер для переходу від режиму живлення термофона до режиму живлення акумулятора; 18 – натяжний валик; 19 – кришка приладу; 20 – корпус
Рисунок 13.4 – Схема підсилювача та реєструючого
механізму ехолота ЭМ-52
Рисунок 13.5 – Ехограма вимірювання рівня рідини в
глибинно-насосній свердловині, не облад-
наній репером
При вимірюванні рівня рідини в свердловині, обладнаній репером, ехограма набуває вигляду (рис. 13.6):
Рисунок 13.6 – Ехограма вимірювання рівня рідини
в глибинно-насосній свердловині,
обладнаній репером
Відстань до рівня рідини в метрах визначається з пропорції, яка містить такі величини:
Треп – час проходження звуку до репера і назад (визначається з ехограми);
Трівн – час проходження звуку до рівня рідини і назад (визначається з ехограми);
Нреп – відстань до репера в метрах (вимірюють при встановленні репера).
Нрівн – рівень рідини в свердловині (невідома величина).
, (13.6)
де 
− швидкість звуку в свердловині.
При вимірюваннях низьких рівнів рідини в глибоких свердловинах з урахуванням того, що швидкість роз-повсюдження звуку внаслідок суттєвої відмінності умов по довжині стовбура свердловини є величиною змінною, в затрубному просторі встановлюють два репери. Це дозволяє дещо підвищити точність визначення швидкості звуку.
Обробка ехограм
Нехай в глибинно-насосній свердловині необхідно ви-значити за допомогою ехолота Сниткіна (ЭС-50) відстань від гирла до динамічного рівня рідини. Репер встановлено на глибині 
м.
В результаті вимірювань отримано таку ехограму (рис. 13.7, а).
Оскільки відстані від гирла до репера і від гирла до рівня рідини є пропорційними довжинам відповідних відрізків ехо-грами 
і 
, то динамічний рівень рідини становить:
м.
Цю задачу можна розв’язати також за загальною формулою:
, (13.7)
де 
− середня швидкість звуку в міжтрубному просторі свердловини, яка залежить від температури, тиску, густини і складу газового середовища; 
− час руху звукової хвилі до рівня рідини, с.
Середня швидкість звуку дорівнює:
, (13.8)
де 
= 
= 2,7 с – час руху звукової хвилі до репера (цифрою 2 враховано подвійний шлях, пройдений звуковою хвилею від гирла до репера і назад, оскільки термо-фон сприймає хвилі, відбиті від репера; 100 мм/с – швидкість руху стрічки.
Отже, 
м/с, а тому 
м, ( = 
с).
Оскільки застосування реперів пов’язане з певними труд-нощами (необхідність точного вимірювання довжини всіх насосно-компресорних труб до репера,а також зняття електроключа для пропуску репера), то часто вимірювання динамічних рівнів рідин в насосних свердловинах проводять за відсутності реперів. У таких випадках швидкість звуку в затрубному просторі можна визначити одним з наступних способів.
1. Після підйому насосних штанг з плунжером або вставним насосом за допомогою лебідки АЗИНМАШ-11 заміряють рівень рідини в насосно-компресорних трубах 
і одночасно ехолотом Сниткіна визначають час руху звукової хвилі до знайденого рівня.
За цими даними знаходять середню швидкість звуку в затрубному просторі:
, м/с, ( = 
).
Рисунок 13.7 – Ехограма вимірювання динамічного
рівня рідини в глибинно-насосній сверд-
ловині, обладнаній репером (а), та при
визначенні динамічного рівня рідини по
відбиттю звукової хвилі від верхніх муфт
насосних труб (б)
Динамічний рівень рідини заміряють після пуску насоса в роботу і встановлення усталеного режиму роботи свердло-вини. Якщо за виміром = 775 м, а по ехограмі = = 500 м, то = 
= 2,5 с.
Отже, середня швидкість звукової хвилі в газовому середовищі затрубного простору свердловини:
м/с.
Знаючи середню швидкість руху звукової хвилі в за-трубному просторі даної свердловини, далі після спуску насоса і встановлення усталеного режиму роботи свердловини ехолотом Сниткіна визначають , час руху звукової хвилі до динамічного рівня рідини ( = с) та глибину динамічного рівня м.
Даний спосіб дає досить точні результати в свердло-винах з великим коефіцієнтом продуктивності.
2. У свердловинах з невеликим кільцевим зазором між експлу-атаційною колоною та колоною насосно-компресорних труб глибину динамічного рівня рідини можна визначати за від-биваннями звукової хвилі від верхніх муфт насосно-компре-сорних труб (див. рис. 13.7, б)
, м, (13.9)
де 
− загальна довжина верхніх труб, муфти яких дали відбивання, м.
Так, якщо довжина десяти верхніх труб, що дали від-бивання від муфт, дорівнює = 77,5 м, а по ехограмі відрізок 
= 50 мм, то:
930 м.
Цей спосіб дає наближені результати, оскільки середня швидкість руху звукової хвилі визначається на невеликій ділянці верхньої частини колони насосно-компресорних труб при температурі газу, близькій до поверхневої.
3. У свердловинах з приблизно однаковим і низьким газовим фактором динамічний рівень рідини можна визначати за величинами дослідних коефіцієнтів, отриманих раніше для аналогічних свердловин, обладнаних реперами.
Так, якщо 1 мм запису ехограми відповідає 
=
= 837:540 = 1,55 м глибини рівня, то відстань до динамічного рівня рідини становить:
м.
метод визначення рівня рідини за середньою швидкістю руху звукової хвилі в газовому середовищі затрубного простору має низку недоліків, найголовнішим з яких є те, що швидкість звуку v в міжтрубному просторі залежить від тиску, температури і густини газу, що заповнює цей простір. Похиб-ка у визначенні v безпосередньо впливає на шукану величину глибини рівня Нрівн рідини.
Усунути цю проблему можна встановленням репера, що виключає необхідність визначення швидкості звуку в кільцевому просторі. Для більшої точності репер встановлю-ють поблизу рівня рідини.
Сучасні високочутливі ехолоти не потребують встанов-лення репера, оскільки фіксують на паперовій стрічці сигнали, відбиті від кожної муфти колони НКТ. У цьому випадку глибина вимірюваного рівня рідини визначається підрахунком за ехограмою числа піків до сигналу, що відповідає рівню рідини, і множенням числа піків на довжину однієї труби.
Типові ехограми, зняті за допомогою триканального ехо-лота, показано на рис. 13.8.
У сучасних ехолотах є електронний підсилювач з три-канальним фільтром для глушіння перешкоди і виділення вимірюваного сигналу. Підсилювач живиться від батареї постійного струму і не потребує наявності на свердловині освітлювальної електролінії для свого живлення. Підсилювач має регулятор чутливості і стрічкопротягувальний механізм для забезпечення сталої швидкості руху паперової стрічки.
Три канали, що встановлюються поворотом три-позиційного перемикача, за допомогою електричних фільтрів
забезпечують виділення сигналів: відбитих від верхніх муфт; від муфт, що знаходяться на великій глибині, і від рівня ріди-ни при великих глибинах (див. рис. 13.8).
Рисунок 13.8 – Типові ехограми, зняті за допомогою
триканального ехолота
Окрім цього, на відміну від ехолота ЭС-50 в хлопавці ехолотів нових конструкцій або в її бічному відводі замість термофона є кварцовий чутливий мікрофон. Мікрофон пере-творює звукові сигнали на електричні, які, в свою чергу, по-ступають на підсилювач.
отримання чіткого відбитого сигналу від рівня рідини утруднюється наявністю в міжтрубному просторі свердловини спіненої рідини. Це є загальним недоліком вимірювання рівнів рідин ехолотом. Тому дуже важливо перед вимірюванням не проводити розрядки газу з міжтрубного простору, щоб уникнути спінювання. Проте це не завжди є можливим, оскільки деякі конструкції хлопавок передбачають її з’єднання через спеціальний отвір в гирловій план-шайбі, що за-кривається гвинтовою пробкою. Необхідно також відзначити, що для визначення за рівнем вибійного тиску, що відповідає даному відбору рідини, треба знати середню густину стовпа рідини від її рівня до вибою. Проте визначити середню густину стовпа рідини, що залежить від ступеня її обвод-неності і газовмісту, дуже складно.
13.2.5 Підготовка приладу для проведення
вимірювань на свердловині
Для проведення вимірювань необхідно:
- перевірити напругу акумуляторів;
- скласти схему відповідно до монтажної схеми;
- перевірити струм підсилення і термофона;
- підготувати в необхідній кількості стрічки для запису ехограм;
- зарядити необхідну кількість гільз для хлопавки;
- підготувати чорнило і піпетку для заправки пера.
Стрічку виготовляють з міліметрового паперу, який роз-різають на смуги шириною 20–22 мм і довжиною 600–700 мм, після чого смуги склеюють у кільце.
Гільзи після запресовування пістона заряджають без-димним мисливським порохом і закривають щільно картон-ним пижом.
13.2.6 Підготовка свердловини до проведення вимірювань
Для визначення швидкості звуку в свердловині встановлюють на визначеній глибині репер, який виготовля-ють з обрізків труб. При встановлюванні реперів необхідно дотримуватись таких правил та вимог:
- кільцевий простір між обсадною колоною і насосними трубами повинен перекриватися репером на 50–70 %;
- довжина репера повинна бути 300–400 мм;
- відстань від гирла свердловини до репера повинна бути виміряна з точністю до 0,5–1 м.
хлопавку ехолота під’єднують до план-шайби свердло-вини або до бічного газопроводу. У випадку під’єднання хлопавки до бічного газопроводу необхідно звернути увагу на те, щоб у газовідводі не було звужень або голчастого вентиля. Якщо на газовідводі є засувка, її необхідно повністю відкрити.
Перед під’єднанням хлопавки до свердловини необхідно випустити із затрубного простору газ, що там накопичується.
13.2.7 Визначення динамічного рівня рідини
Визначення динамічного рівня рідини в лабораторії про-водиться умовно.
Для одержання піків “постріл”, “репер”, “рівень рідини” ударяють долонею через відповідні проміжки часу по отвору хлопавки. При цьому між ударом “постріл” і “репер” дають витримку протягом 4 – 5 с, а між ударом “репер” і “рівень рідини” – 3 – 4 с.
13.3 Обладнання і прилади
Ехолот ЭС-50, ехограми.
13.4 Самостійна робота студента
Ознайомитися з призначенням, будовою, принципом роботи ехолота (на прикладі ехолота ЭС-50 або ЭМ-52), послідовністю розшифровки ехограми по даному методич-ному посібнику і списку рекомендованої літератури. Під-готувати звіт зі схемою вимірювання рівня рідини в сверд-ловині з допомогою ехолота, рисунками ехолота ЭС-50, схемою підсилювача та реєструючого механізму ехолота ЭМ-52 і ехограмами.
Порядок проведення роботи
При проведенні лабораторної роботи необхідно:
- ознайомитися з будовою ехолота;
- ознайомитися з порядком зняття ехограми.
13.5.1 Реєстратор ставлять на стіл і з'єднують дротом з лінією 127 В (через трансформатор).
13.5.2 Регулятор підсилення ставлять на мінімум (по-воротом ручки ліворуч до упору).
13.5.3 Перо піднімають поворотом перописця.
13.5.4 Тумблер “двигун” і “підсилювач” вимкнені.
13.5.5 Хлопавку і акумулятор з'єднують дротами з від-повідними клемами підсилювача. Правильність під’єнання акумулятора перевіряють за показами міліамперметра “струм термофона”. Для нормальної роботи термофона необхідний струм становить 200 – 300 мА.
13.5.6 Тумблер “підсилювач” ставлять в положення “вкл”, через 60 с стрілка міліамперметра “струм підсилювача” повинна зупинитися на показах в межах 10 – 15 ма. Після цього перевіряють справність ехолота. При ударах долонею по отвору хлопавки перо перописця повинно коливатися в такт ударів. Одночасно з пером повинні коливатися стрілки міліамперметра. При проведенні цієї перевірки регулятор підсилення необхідно поставити на максимум. В проміжках між ударами перо і стрілки міліамперметрів повинні бути нерухомими. Після перевірки справності приладу регулятор підсилення необхідно знову поставити на мінімум.
13.5.7 На ведучий ролик надягають стрічку і на-правляють її вільним натяжним роликом.
13.5.8 Перо за допомогою піпетки заправляють чорнилом.
13.5.9 Тумблер “двигун” ставлять в положення “вкл.”
13.5.10 Регулятор “ру” ставлять на максимум.
13.5.11 Перо опускають на стрічку, що обертається, і одночасно за командою один із студентів ударом долоні по хлопавці робить “постріл”.
13.5.12 Через 4 – 5 с дають другий, легший удар, що імітує відбиття сигналу від репера і через 3 – 4 с після другого удару роблять третій удар (відбиття сигналу від рівня рідини).
13.5.13 Піднімають перо.
13.5.14 Регулятор ставлять на мінімум.
13.5.15 Тумблер “двигун” вимикають.
13.5.16 Отриману ехограму знімають з ролика.
Після проведення вимірювань обидва тумблери “двигун” і “підсилювач” повинні бути вимкнені. Підсилювач від’єдну-ють від мережі, а акумулятор і хлопавку – від підсилювача. Після цього проводять обробку отриманої ехограми.
Обробку ехограми проводять у такій послідовності:
- вимірюють відстань між піками “постріл” − “репер” і “репер” − “рівень рідини”.
- за швидкістю руху стрічки (100 мм/с) визначають час проходження звуку до репера Треп і рівня рідини Трівн;
- за заданою викладачем глибиною репера Hреп ви-значають швидкість проходження звуку і положення динаміч-ного рівня рідини за співвідношеннями:
, 
.
13.6 Оформлення звіту
У звіті з лабораторної роботи наводять наступні дані:
13.6.1 Прилади і обладнання, що використовуються при проведенні лабораторної роботи.
13.6.2 Порядок проведення роботи.
13.6.3 Дані обробки ехограм.
13.6.4 Результати розрахунків середньої швидкості звуку і динамічного рівня рідини.
13.6.5 Отриману ехограму додають до звіту.
13.7 Контрольні запитання
13.7.1 Для чого призначений ехолот?
13.7.2 Зобразити схему ехолота.
13.7.3 в якій послідовності проводять обробку (роз-шифровку) ехограми?
13.7.4 Яких правил та вимог необхідно дотримуватись при встановлюванні реперів?
13.7.5 Назвіть основні правила експлуатації ехолота.
13.7.6 З якими труднощами пов'язане застосування репе-рів? Якими способами визначають швидкість звуку в затруб-ному просторі глибинно-насосних свердловин за відсутності реперів?
13.7.7 В чому полягає суть різновиду ехометричного методу – методу хвилеметрії?
13.8 Рекомендовані джерела:
[1, 3 – 6, 9, 18, 22, 25]
ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 14
Дослідження роботи глибинних насосів динамографом ГДМ-3 та розшифровка типових практичних динамограм
Тривалість виконання роботи – 2 години.
Мета роботи
14.1.1 Вивчення конструкції та принципу дії динамо-графа.
14.1.2 Розшифровка типових практичних динамограм.
Теоретична частина
14.2.1 Контроль за роботою глибинних насосів в свердловинах
Контроль за роботою глибинних насосів в свердловинах здійснюється за допомогою динамометрії глибинно-насосних установок, яка полягає у визначенні за індикаторними діаграмами (динамограмами) штангових глибинних насосів навантажень на штанги, а також технічного стану і порушень в роботі підземного устаткування (насос, труби).
Динамограма штангового насоса є графічним записом зміни зусиль у полірованому штоку (по його ходу) за одне гойдання балансира. Діаграма записується в прямокутній системі координат. По осі абсцис відкладають шлях або положення точки підвісу, по осі ординат – зусилля в полірованому штоку.
Розміри і форма динамограми залежать від довжини ходу полірованого штока і зусиль, що діють на нього, які, в свою чергу, залежать від глибини підвіски насоса, його діаметра, числа гойдань, а також від низки порушень у роботі підземного обладнання і умов припливу рідини в свердло-вину.
динамометрію здійснюють за допомогою приладів для запису та візуального спостереження динамограм – динамо-графів і динамоскопів.
