Устройство двухкомпонентного расходомер
Главное звено технологии эксплуатации скважин многопластовых обводненных нефтяных месторождений, обеспечивающее работоспособность, информативность и качество системы мониторинга – это описываемый здесь двухкомпонентный расходомер нефти и воды.
На сегодняшний день до предлагаемого прибора не существовало ни одного скважинного расходомера, сертифицированного как средство измерения расходов смеси нефти и воды в заводненных скважинах. И только описываемый двухкомпонентный расходомер, учитывая физику потоков в таких скважинах, может проводить измерения в полном смысле этого слова.
Использованный в нем способ измерения расхода и найденное техническое решение реализованы впервые, двухкомпонентный расходомер запатентован.
Почему такой расходомер появился только сейчас?
Причин, по нашему мнению, две.
Первая причина заключается в том, что вопросы измерения расхода потока в скважине рассматривались большей частью для водяной и нефтяной компонент, движущихся с одинаковыми или близкими скоростями, поскольку считалось, что такие типы потоков являются основными в скважинах. Режим движения, когда скорости нефтяной и водной компонент значительно различались, обычно только упоминался, как один из видов структуры потока в стволе, и вопросам теории и практики измерений таких расходов внимания почти не уделялось. Авторы исследований, теоретики и практики расходометрии микшировали эту область измерений фразами типа «для приближенного определения параметров потока будем считать его эквивалентным однокомпонентному…».
Но внедрение в практику современных приборов малого диаметра и технологий проведения ГИС по межтрубью показало, что большинство обводненных скважин работает именно с механизмом всплывания глобул нефти в столбе воды. Вторым, очень важным доказательством того, что потоки этого типа являются преобладающими в скважинах, стали видеосъемки оптическими телевизорами (видео из скважин фирмы Халлибертон, российской фирмы ООО «КАРОТАЖ»), где хорошо видны струйки и капли нефти, буквально летящие вверх под действием архимедовой силы. Кстати, повторяющийся кадр из фильма Халлибертон является визуальной визитной карточкой страниц нашего сайта.
Вторая причина разработки расходомера сейчас, в общем-то, тривиальна.
Работа расходомера основана на измерении разности текущей плотности потока водонефтяной смеси и плотности той же самой воды. Измерение плотностей производится путем измерения давления столбов этих жидкостей на заданном интервале. Но, эта полезная измеряемая величина даже на интервале 10 м – крайне мала, менее 30-40 паскалей. До недавнего времени таких манометров не существовало.
Сейчас они появились.
Работа двухкомпонентного расходомера основана на следующем.
В вертикальных обводненных нефтяных скважинах структура потока представляет собой быстрое всплывание глобул нефти в медленно движущейся воде, что с большой точностью приводит к линейной зависимости разности давлений на дне измерительной емкости и вне ее на той же глубине от количества нефти, находящейся в интервале длины измерительной колонки. Дифференциальный манометр, измеряя эту разность, определяет текущее значение массы нефти в интервале длины измерительной колонки.
Для определения текущего значения расхода прибор измеряет скорость движения нефти. Принцип измерения скорости нефти показан на рисунке 2 для идеального случая всплывания четырех глобул нефти в воде.
Всплывая в интервале 0–L, глобулы создают импульсы изменения давления вне измерительной емкости. Дифференциальный манометр измеряет сумму (М) этих импульсов. Производная по времени сигнала М включает в себя положительные и отрицательные импульсы, совпадающие с моментами входа и выхода глобул нефти в измерительный интервал 0-L.
И коррелятор-вычислитель, найдя корреляцию между положительными и отрицательными импульсами, определяет время прохождения глобулами нефти длины измерительной колонки и рассчитывает текущий расход нефти и воды:
QH = m/&t, (1),
где QH – массовый расход нефти;
m – текущее значение массы нефти в интервале длины измерительной колонки;
&t – время прохождения глобулами нефти длины измерительной колонки.
Теоретически может быть рассчитан и расход воды:
QВ = (L/– VH0) · S, (2),
где QВ – объемный расход воды;
L – длина измерительной колонки;
VH0 – скорость всплытия глобул нефти в стоячей пластовой воде;
S – проходное сечение для воды на длине измерительной колонки:
S = SПОЛН – SУ – SНЭФ
где SПОЛН – внутреннее сечение колонны скважины;
SУ – сечение измерительной колонки;
SНЭФ – эффективная площадь сечения потока нефти.
SНЭФ = (QH/ρH)/(L/&t)
где ρH – удельная плотность нефти.
Но, этот вариант расчета расхода воды, вероятно, будет применяться крайне редко, т.к. величина скорости движения воды в большинстве скважин даже в случае большой обводненности продукции скважины будет значительно меньше скорости всплывания глобул нефти и будет находиться в области погрешностей данного метода.
Более точным будет способ измерения, при котором ствол скважины заполняется нефтью, прибор переворачивается для заполнения измерительной колонки нефтью, а описанный способ измерения расхода будет относиться уже к воде в структуре потока «глобулы воды, опускающиеся в столбе нефти».
Повышение точности измерения скорости движения глобул
В описываемом способе измерения расхода есть небольшое внутреннее противоречие.
С одной стороны для повышения точности измерения текущей массы нефти (воды) на длине измерительной колонки необходимо увеличивать величину L. Но с другой стороны при этом ухудшается разрешающая способность и точность измерения скорости движения нефти: чем больше длина, тем большее количество глобул входит и выходит в интервал 0-L, тем больше разброс значений &t(i).
Поэтому, для измерения скорости может быть использован малый измерительный интервал L-L*, а в качестве дифманометра – акселерометр 5, задачей которого будет регистрация только моментов изменения давления вне измерительной колонки при прохождении глобул начала и окончания интервала L-L* В этом случае малое количеств глобул на интервале L-L* и гораздо большее совпадение скоростей глобул будут определять более четкое измерение времени &t.