СИСТЕМА, СПОСОБ И УСТАНОВКА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МНОГОФАЗНОГО ПОТОКА
SYSTEM, METHOD AND INSTALLATION FOR MEASUREMENT OF MULTI-PHASE FLOW

Перекрестная ссылка на родственные заявки
Для настоящего изобретения испрашивается приоритет предварительной заявки №61/179832 на патент США (Bruno Pinguet et al.) под названием “System, method and apparatus for measuring multiphase flow”, поданной 20 мая 2009 года, все раскрытие которой включено в эту заявку путем ссылки.
Область техники, к которой относится изобретение
В общем это настоящее раскрытие относится в общем к области измерений свойств флюидов, а более конкретно, но не для ограничения, к измерению многофазного флюидного потока, содержащего четыре фазы.
Предпосылки создания изобретения
Как хорошо известно, возрастающее потребление углеводородов во всем мире приводит к тому, что нефтяные компании обращают внимание на разработку новых месторождений. Коллекторы углеводородов становятся менее легкими для добычи, поскольку многие обычно находятся в шельфовой зоне, ниже уровня моря, или в районах, в которых присутствие человека ограничено или невозможно. В дополнение к задаче трудной добычи имеются дополнительные расходы, связанные с добычей флюидов худшего качества, вследствие чего требуется надлежащая оптимизация расходов на разработку и добычу.
В общем, общее направление новых месторождений основывается как на добыче газа (например, с высоким значением API) или на добыче вязкого флюида, обычно называемого тяжелой нефтью, сверхтяжелой нефтью и битумом. Эти флюиды могут быть настолько вязкими, что большую часть времени они не могут протекать естественным образом вследствие трения, которое они создают относительно стенки трубы, вследствие чего необходимо добавлять разбавитель или химическую добавку к флюидам с тем, чтобы снижать вязкость и чтобы обеспечивать в результате этого протекание на сборные пункты для специфической регенерации и обработки.
В соответствии с этим имеется необходимость в системах и способах, которые направлены на разрешение упомянутых выше и других задач, связанных с системами и способами для обработки газа и высоковязких флюидов из предшествующего уровня техники.
Краткое изложение раскрытия
С учетом упомянутых выше недостатков, присущих системам и способам из предшествующего уровня техники, варианты осуществлений настоящего раскрытия направлены на решение добычи и мониторинга применительно к четырехфазному потоку. Поэтому примерными системами и способами предоставляется новый и полезный четырехфазный, многофазный расходомер, в котором исключены многие недочеты и недостатки систем и способов из предшествующего уровня техники и в который включены многочисленные новые признаки, которые не предполагаются, не представлены очевидным образом, не предлагаются или даже не подразумеваются в любой из систем и способов из предшествующего уровня техники как в одной (одном), так и в сочетании их.
В соответствии с аспектом настоящего раскрытия один или несколько вариантов осуществлений относятся к системам и способам для мониторинга добычи нефти, воды, газа и разбавителя.
Примерными системами и способами можно осуществлять мониторинг в реальном времени и можно делать это без дополнительных датчиков в системе. Способы систем могут быть основаны на новой технологии для ядерных измерений и могут быть основаны на разрешении фундаментальных задач из предшествующего уровня техники и использовании свойств ядерных измерений путем сочетания по меньшей мере трех уровней энергии гамма/рентгеновского излучения для измерения каждой фазы четырехфазного флюидного потока. Системы и способы могут использовать специализированную модель поведения флюидов для оценивания реальных свойств флюидов в условиях трубопровода. Системы и способы могут предоставлять доли и расходы для каждой из четырех фаз в любых подходящих условиях независимо от диапазона концентраций четырех фаз, протекающих по выкидной линии.
В соответствии с еще одним аспектом настоящего раскрытия один или несколько вариантов осуществлений относятся к системам и способам для мониторинга добычи четырехфазного флюидного потока на основании использования определенных ядерных свойств флюидов, позволяющих выполнять различение четырех фаз уникальным способом, в сочетании с одновременным использованием свойств поведения флюидов, и этими системами и способами может предоставляться в реальном времени расход каждой фазы. Системы и способы могут быть предусмотрены на любом подходящем трубопроводе, от дна моря до поверхности, и после установки вмешательство в их работу не требуется. Кроме того, системы и способы могут быть более компактными, чем системы и способы, используемые в обычном процессе, таком как использование сепаратора. Согласно вариантам осуществлений, системы и способы не имеют необходимости использовать какие-либо подвижные детали, и они могут быть независимыми от скорости нагнетания разбавителя. Кроме того, согласно аспекту настоящего раскрытия системы и способы не имеют необходимости использовать априорную информацию о расходе или использовать калибровку потока на месте расположения скважины. Системы и способы могут включать в себя сочетание новых ядерных измерений, анализ поведения свойств флюидов и использование любого подходящего оборудования, работа которого основана на принципе измерения дифференциального давления, такого как трубка Вентури, измерительная диафрагма, клапан, дроссель и т.п.
В соответствии с этим, согласно примерному аспекту предложена система для измерения свойств флюидов флюидного потока, имеющего четыре фазы, при этом система включает в себя устройство измерения доли, выполненное с возможностью нахождения соответствующих измерений доли каждой из четырех фаз флюидов, протекающих во флюидном потоке; и устройство моделирования поведения, выполненное с возможностью определения, на основании соответствующих измерений доли каждой из четырех фаз флюидов, соответствующих расходов для каждой из четырех фаз флюидов.
В соответствии с этим, согласно дальнейшему примерному аспекту предложен способ измерения свойств флюидов флюидного потока, имеющего четыре фазы, при этом способ включает в себя определение с помощью устройства измерения доли соответствующих измерений доли каждой из четырех фаз флюидов, протекающих во флюидном потоке; и определение с помощью устройства моделирования поведения, на основании соответствующих измерений доли каждой из четырех фаз флюидов, соответствующих расходов для каждой из четырех фаз флюидов.
В соответствии с этим, согласно примерному аспекту предложена установка для измерения свойств флюидов флюидного потока, имеющего четыре фазы, при этом установка включает в себя устройство измерения доли, выполненное с возможностью определения соответствующих измерений доли каждой из четырех фаз флюидов, протекающих во флюидном потоке; и устройство моделирования поведения, выполненное с возможностью определения, на основании соответствующих измерений доли каждой из четырех фаз флюидов, соответствующих расходов для каждой из четырех фаз флюидов.
Четыре фазы флюидов включают в себя водную фазу, газовую фазу, нефтяную фазу и фазу разбавителя.
Четыре фазы флюидов влияют на общее поведение флюидов в смеси фаз и включают в себя смесь водной фазы, газовой фазы, фазы сырой нефти и четвертой фазы, при этом четвертая фаза включает в себя фазу разбавителя или нефтяную фазу, имеющую другие свойства, чем фаза сырой нефти.
Устройство измерения доли основано на устройстве ядерного измерения.
Устройство моделирования поведения основано на устройстве измерения дифференциального давления, включающем в себя по меньшей мере одно из датчика, трубки Вентури, измерительной диафрагмы, клапана, дросселя, колена, коленчатого патрубка и сужения сечения.
Устройство ядерного измерения включает в себя бариевый источник, при этом бариевый источник включает в себя сочетание более чем 9 основных энергетических пиков, перегруппированных в по меньшей мере 4 основных пика, включающих в себя первый пик около 30 кэВ, второй пик около 80 кэВ, третий пик около 160 кэВ и четвертый пик от около 302 до около 383 кэВ.
Эти совместно с другими аспектами, признаками и преимуществами настоящего раскрытия, а также различными признаками новизны, которые характеризуют изобретение, особенно подчеркнуты в прилагаемой формуле изобретения и формируют часть этого раскрытия. Изложенные выше аспекты и преимущества не являются исчерпывающими и отдельно или совместно являются важными для сущности или осуществления на практике раскрытия. Другие аспекты, признаки и преимущества настоящего раскрытия станут без труда очевидными для специалистов в данной области техники из нижеследующего подробного описания в сочетании с сопровождающими чертежами. В соответствии с этим чертежи и описание следует считать иллюстративными, по природе, а не ограничивающими.
Краткое описание чертежей
Для содействия специалистам в соответствующей области техники при изготовлении и использовании предмета изобретения делаются ссылки на прилагаемые чертежи, на которых для единообразия одинаковые позиции могут относиться к аналогичным элементам. На чертежах:
фиг.1 - иллюстрирует систему предшествующего уровня техники, для измерения свойств флюидов четырехфазного флюидного потока при нагнетании разбавителя из скважины;
фиг.2 - иллюстрирует систему предшествующего уровня техники, для измерения свойств флюидов четырехфазного флюидного потока при нагнетании разбавителя с поверхности;
фиг.3 - график, иллюстрирующий ядерные взаимодействия в зависимости от уровня энергии;
фиг.4 - график, иллюстрирующий спектр гамма-излучения в зависимости от уровня энергии при взаимодействиях;
фиг.5 - график, иллюстрирующий плотность электронов в зависимости от теоретических взаимодействий;
фиг.6 - график, иллюстрирующий ослабление массой в зависимости от уровня энергии при взаимодействиях;
фиг.7 - используется для иллюстрации примерных систем и способов, предназначенных для измерения свойств флюидов в четырехфазном флюидном потоке независимо от уровня нагнетания разбавителя, согласно примерам осуществлений, раскрытым в этой заявке;
фиг.8 - график, иллюстрирующий изменение вязкости смеси нефть-разбавитель в зависимости от концентрации разбавителя, для иллюстрации примерных систем и способов, предназначенных для измерения свойств флюидов четырехфазного флюида, согласно вариантам осуществлений, раскрытым в этой заявке;
фиг.9 - используется для иллюстрации примерных систем и способов, предназначенных для измерения свойств флюидов четырехфазного флюидного потока при выполнении измерения трубкой Вентури и ядерного измерения в сопле трубки Вентури, согласно примерам осуществлений, раскрытым в этой заявке;
фиг.10 - используется для иллюстрации примерных систем и способов, предназначенных для измерения свойств флюидов четырехфазного флюидного потока при выполнении измерения трубкой Вентури и измерения полного дифференциального давления (ДД), и ядерного измерения в сопле трубки Вентури, согласно примерам осуществлений, раскрытым в этой заявке;
фиг.11 - используется для иллюстрации примерных систем и способов, предназначенных для измерения свойств флюидов четырехфазного флюидного потока при выполнении измерения трубкой Вентури и ядерного измерения не в сопле трубки Вентури, согласно примерам осуществлений, раскрытым в этой заявке;
фиг.12 - используется для иллюстрации примерных систем и способов, предназначенных для измерения свойств флюидов четырехфазного флюидного потока при наличии общего решения с использованием дифференциального давления (ДД) и ядерного измерения, близкого, но не сплетаемого, согласно примерам осуществлений, раскрытым в этой заявке;
фиг.13 - используется для иллюстрации примерных систем и способов, предназначенных для измерения свойств флюидов четырехфазного флюидного потока при наличии дифференциального давления (ДД) и датчиков ядерного измерения, объединенных в одном пространстве, согласно примерам осуществлений, раскрытым в этой заявке;
3
фиг.14 - график, иллюстрирующий характерную эволюцию значений коэффициента расхода при истечении совместно со шкалой вязкости для случая расхода 3000 баррелей в сутки (447000 л/сутки) при плотности смеси примерно 900 кг/м и при объемной доле газа примерно 50%, предназначенный для иллюстрации примерных систем и способов для измерения свойств флюидов четырехфазного флюидного потока согласно примерам осуществлений, раскрытым в этой заявке; и
фиг.15 - используется для иллюстрации примерных систем и способов ядерного измерения, предназначенных для измерения свойств флюидов четырехфазного флюидного потока, согласно примерам осуществлений, раскрытым в этой заявке.
Подробное описание
Теперь конкретные варианты осуществления настоящего раскрытия будут описаны подробно с обращением к сопровождающим чертежам. Кроме того, в нижеследующем подробном описании вариантов осуществлений настоящего раскрытия многочисленные характерные детали изложены для обеспечения более полного понимания изобретения. Однако специалисту в данной области техники должно быть понятно, что варианты осуществления, раскрываемые в этой заявке, можно применять на практике без этих характерных деталей. В других случаях хорошо известные признаки не будут описываться подробно, чтобы исключить необходимость в усложнении описания.
Терминология и формулировки, используемые в этой заявке, употребляются исключительно с описательными целями и не должны толковаться как ограничивающие объем. Выражения, такие как «включающий в себя», «содержащий», «имеющий», «вмещающий» или «касающийся», и разновидности их, предполагаются широкими и охватывающими предмет изобретения, излагаемый ниже, эквиваленты и дополнительный предмет изобретения, не излагаемый. В контексте настоящего раскрытия «разбавитель» может включать в себя любую подходящую вторичную нефть, используемую для смешивания с добываемой из коллектора нефтью, и как таковой включает в себя любой подходящий флюид, такой как нефть, используемая для смешивания с пластовой нефтью, и может также включать в себя любой подходящий флюид, используемый для предотвращения образования твердых веществ и/или веществ, похожих на лед (например, такой как метанол в качестве разбавителя и/или похожий на лед в качестве гидрата). В контексте настоящего раскрытия «нефть» может включать в себя тяжелые нефтяные остатки или любой подходящий конденсат и т.п.
Настоящее раскрытие включает в себя осознание того, что стоимость разбавителя является высокой, а соответствующее управление скоростью нагнетания и ее оптимизация могут привести к значительному снижению стоимости. В то же время контролирующие органы изыскивают оборудование, способное точно измерять различные фазы, втекающие в магистральную трубу, чтобы гарантировать, что роялти или налоги налагаются правильно. Это распространяется также на приемку-сдачу нефтяными компаниями, использующими один и тот же трубопровод при добыче с различных месторождений и обладающих возможностью точно определять каждый вклад из своих собственных вкладов. Наконец, нефтяные компании хотят иметь возможность оптимизировать управление коллектором. В этой прикладной задаче имеются как минимум четыре фазы, втекающие в магистральную трубу, включающие в себя вязкую нефть, воду, газ и разбавитель, каждая из которых может быть преобладающей в тот или иной момент добычи из скважины или во время ввода скважины в эксплуатацию. Например, в случае тяжелой нефти сначала обычно нагнетают 60-70% разбавителя, чтобы началось понижение столба и уменьшилось трение. Затем в зависимости от типа нефти и используемого разбавителя количество его можно значительно снижать, например, до 20-30%.
На данный момент на рынке отсутствует система (например, называемая многофазным расходомером), способная в настоящее время измерять в реальном времени добычу этих четырех фаз простым и компактным способом. До настоящего времени прагматическое решение заключалось в измерении скорости нагнетания разбавителя куда-либо в эксплуатационную трубу, например в точку А и в момент ТА времени, затем в предположении определенного процесса смешивания между точкой А и точкой В и после этого в измерении различных фаз в точке А и в момент ТВ времени. Примеры различных вариантов действий из предшествующего уровня техники, соответствующих описанным выше системам и способам, показаны на фиг.1 и 2. С теоретической точки зрения такие подходы могут быть корректными только при сохранении постоянными расходов нагнетания и флюида, добываемого из скважины. К сожалению, в скважине этого типа имеются большие флуктуации. Например, разбавитель распределяется между несколькими скважинами на месторождении, и в каждой точке нагнетания флуктуация больше чем ±15% является обычной. Как должно быть понятно, это может оказывать до некоторой степени сильное влияние на поведение флюидов. Кроме того, скорость нагнетания, определяемая в момент ТА времени, может быть иной по сравнению со скоростью, определяемой во время измерения трех фаз. Чтобы учитывать задержку между точками нагнетания и измерения, следует применять поправку, и поскольку расход в значительной степени является турбулентным и флуктуирующим, а информация о процессе между А и В является неизвестной, то, как можно понять из фиг.1 и 2, используют только среднюю скорость, основанную на измерении в точке В, которую можно применять, чтобы компенсировать время, которое затрачивается на протекание разбавителя от точки А до точки В. В любом случае реализовать такой процесс нелегко, при этом остается существенная необходимость в усовершенствовании.
Несколько гипотез, описываемых ниже, действуют совместно с упомянутыми выше способами и системами и, как будет показано, они не могут подтверждаться для всей без исключения добычи из скважин с тяжелой нефтью. В связи с этим существует необходимость в системах и способах, обеспечивающих возможность измерения в реальном времени четырех фаз в один и тот же момент времени и в одном и том же пространстве, и чтобы при этом можно было получать достаточную частоту сбора данных (например, чтобы можно было улавливать флуктуацию в скважинах), доли, расходы и поведение свойств флюидов в четырех фазах.
В настоящее время большая часть систем и способов из предшествующего уровня техники, предназначенных для решения задачи добычи и мониторинга, основана на использовании крупного сепаратора для оценивания, в лучшем случае расхода нефти и разбавителя, воды и газа. Затем путем отбора проб в таких системах и способах делается попытка идентификации доли добываемой нефти, или при использовании дополнительного измерительного оборудования в них может делаться оценка количества разбавителя в смеси нефть-разбавитель. Вследствие большого объема оборудования для таких систем и способов требуются большие инвестиции. В дополнение к этому, как будет описываться в дальнейшем, они имеют много ограничений в части точности и трудоемкости. Многофазные расходомеры становятся все более признаваемыми в нефтедобывающей промышленности в качестве альтернативы использованию сепаратора в предшествующем уровне техники. Кроме того, при добыче нефти все больше ориентируются на два экстремальных значения API (API - Американский нефтяной институт), высокое значение API (например, низкая плотность), при котором приходится разрабатывать некоторые специфические решения для газового конденсата, и низкое значение API, характерное для тяжелой нефти, сверхтяжелой нефти, битума. Считают, что последнее значение API представляет завтрашний день в нефтедобывающей промышленности во всем мире. Однако имеются некоторые фундаментальные проблемы при добыче флюида этого типа. Например, при холодной добыче необходимо добавлять разбавитель в эту смесь нефти, воды и газа, чтобы уменьшать трение основного потока относительно трубы. Эта добавляемая четвертая фаза создает проблемы для оборудования из предшествующего уровня техники, а также для новейшей многофазной технологии, имеющейся на рынке. Чтобы совладать с этой четвертой фазой, в одном предложенном решении добавляют датчики. Однако добавление датчиков само по себе может быть достаточно сложным.
В последние десять лет в промышленности по производству многофазных измерителей расхода достигнуты реальные успехи, но все еще имеется область, относящаяся к разработке новых идей, которая медленно воспринимается в нефтедобывающей промышленности. Консолидация промышленных предприятий привела к принятию нескольких технологий, которые, как показано, работают в случае общего многофазного потока, состоящего из трех фаз: нефти, воды и газа (например, без включения вязкого флюида). Можно сказать, что принятые технологии основаны на двухэнергетическом гамма-излучении (например, на ядерном измерении, связанном с ослаблением гамма-излучения, проходящего сквозь один протекающий флюид) или электромагнитном измерении (например, удельного сопротивления и удельной проводимости или в более общем смысле - измерения импеданса), которые в обоих случаях делают возможным различение 3 фаз. Кроме того, используют сочетания этих двух технологий. Большая часть этих технологий внедрена на газовых скважинах или на нефтяных скважинах с вязкостью жидкости (например, в условиях линии) обычно ниже чем 500-1000 сП (0,5-1 Па×с).
Вследствие ограниченного количества доступной обычной нефти и возрастающей скорости потребления существует необходимость в добыче тяжелой нефти, которая является более вязкой и для которой может требоваться дополнительный разбавитель в смеси нефти, воды и газа для снижения трения основного потока относительно трубы. Поэтому для содействия подвижности тяжелой нефти этого типа, которую можно сравнивать с арахисовой пастой или зубной пастой в части характеристики вязкости, примерные системы и способы настоящего раскрытия можно использовать в отрасли многофазных расходомеров для устранения упомянутых выше и других обнаруживаемых проблем, являющихся результатом дополнительной четвертой фазы. В дополнение к этому аспектом примерных систем и способов настоящего раскрытия разрешаются вопросы, связанные с отдаленностью запасов углеводородов, и вводится концепция поддержания свободного использования в сочетании с повышенной надежностью и робастностью. В примерных системах и способах нет необходимости использовать подвижные детали или калибровку расхода на месте расположения скважины, что является преимуществом.
Для некоторых коллекторов, из которых осуществляют добычу тяжелой нефти, существует еще один вопрос, связанный с песком из пласта. Например, содержание песка в таких продуктах может быть до 10%, что также может приводить к изменению характеристики вязкости относительно флюида без твердого продукта. Задачи и вопросы с мониторингом нефти и управлением коллекторами этих типов приводят к снижению интереса к продукту этого типа. Вплоть до настоящего времени надлежащее решение не было найдено.
Традиционный или обычный способ разрешения этой задачи заключается в использовании крупного сепаратора, посредством которого в случае наилучшего варианта определяется расход смеси нефть/разбавитель, а благодаря процессу разделения - расходы воды и газа. Однако большую часть времени жидкость является перемешанной и возможно только двухфазное разделение между газом и жидкостью (например, между водой, нефтью и разбавителем, совместно, или водой, нефтью и песком). На практике в сепараторе осуществляют только частичное разделение, и на самом деле жидкость включает в себя некоторое количество захваченных газовых пузырьков, которые в сепараторе не могут мигрировать к поверхности границы раздела газ/жидкость вследствие слишком короткого времени удержания или вследствие утраты подвижности газа, обусловленной присутствием жидкой эмульсии. Кроме того, без добавления деэмульгатора для осуществления попытки расслоения смеси нефть-разбавитель-вода трудно или даже невозможно получать отдельно углеводород и воду.
Как описывалось выше, для решений из предшествующего уровня техники требуются дополнительное количество химического флюида для различения добываемых фаз и использование крупного сепаратора. В дополнение к этому для снижения общих расходов на процесс следует выполнять некоторые специфические способы обработки, чтобы регенерировать некоторую часть деэмульгатора, используемого в процессе разделения.
Кроме того, как уже описывалось, многофазные измерители расхода для трех фаз разрабатываются и серийно выпускаются примерно в течение 15 лет, тогда как измерение четырех фаз стали рассматривать только недавно. Имеются многочисленные опубликованные патенты и патентные заявки, касающиеся конкретных аспектов этой разработки, которые будут обсуждаться в дальнейшем. Вообще говоря, наибольшее количество их направлено на измерение солености четырех фаз. Во многих из предложенных решений четвертая фаза рассматривается как растворенная в одной из других фаз и, исходя из поведения флюида, не оказывает влияния на поведение флюидов (например, как в случае, когда соль растворена в воде). Иначе говоря, предполагается, что четвертая фаза оказывает незначительное влияние на структуру потока или поведение смеси (например, на вязкость смеси). Это предположение учитывается в качестве исходного условия в большей части разработок или даже во всех разработках. Например, в Международной патентной заявке WO1997/042493, включенной в эту заявку путем ссылки, описано конкретное решение задачи измерения четырех фаз совместно с солью и показаны проблемы, связанные с измерением четырех фаз, для которого в некоторых случаях требуются продолжительные периоды усреднения, чтобы получать измерение солености. Еще один пример показан в патенте Великобритании №GB2316167, включенном в эту заявку путем ссылки, направленном на способ вычисления содержания соли в воде. Имеются несколько патентных публикаций Roux и соавторов (например, заявка № ЕР1862781 А1 на Европейский патент и заявка № 2007/0287190 А1 на патент США, переуступленные Schlumberger, включенные в эту заявку путем ссылки), в которых разрешаются вопросы, связанные с концентрацией солености в четырехфазном потоке. В последнее время в патентных публикациях Pinguet и соавторов (например, заявке № ЕР1970702 А1 на Европейский патент и Международной патентной заявке PCT/IB2009/050365, переуступленных Schlumberger, включенных в эту заявку путем ссылки, был раскрыт способ решения проблемы твердой фазы, втекающей в магистральную трубу вместе с тремя основными фазами, а также проблемы концентрации песка и осаждения асфальтена, или окалины, или воска внутри трубы.
Способ из предшествующего уровня техники четвертая фаза рассматривается как растворенная или как твердая фаза. Аспект настоящего раскрытия построен на предшествующем уровне техники, при этом четвертая фаза рассматривается как имеющая более значительное влияние на поведение флюида, и этот эффект учитывается. Другой аспект настоящего раскрытия разрешает вопросы, связанные с разбавителем, при наличии большого количества твердой фазы (например, 10% песка в нефти), которая может способствовать существенному изменению вязкости смеси жидкость/песок подобно случаю холодной добычи тяжелой нефти с песком, когда в ранний период эксплуатации скважины доля песка находится в пределах 10-40%.
Поэтому желательно создать способ и установку (например, которая в этой заявке также может называться «системой), в которых разрешаются упомянутые выше и другие задачи. Предложенное решение может включать в себя некоторые признаки из предшествующего уровня техники, упомянутые выше, но распространяется на некоторые свойства флюида и фактически на применения и случаи, когда присутствует большое количество четвертой фазы, не рассматривавшейся в предшествующем уровне техники. В настоящем раскрытии также обращается внимание на присутствие растворителя, который раньше никогда не учитывался и который обладает некоторой специфичностью в многофазном потоке. Кроме того, в настоящем раскрытии обращается внимание на применение тяжелой нефти, что делает такое решение исключительным и прогрессивным.
Системами и способами из предшествующего уровня техники невозможно измерять четыре фазы (например, как минимум) на одном и том же месте и в одно и то же время. Кроме того, тяжелую нефть обычно добывают в виде пены или эмульсии, и этим добавляется проблема еще и при измерении расходов. Чтобы иметь возможность решать эти первоочередные вопросы, примерные системы и способы находятся во взаимодействии с различными флюидами, проходящими через измерительный прибор, и работают при размерах, которые меньше, чем самая тонкая структура потока. Наименьшие структуры обычно представляют собой газовые пузырьки, захваченные внутри жидкости, и размер их можно оценивать диаметром, составляющем около 0,5 мм, который находится в соответствии с используемым коэффициентом безопасности, при этом примерные системы и способы могут находиться во взаимодействии с флюидом размером около сотни нанометров. Кроме того, примерные системы и способы регистрации могут быть чувствительными к нескольким различным свойствам смешанного флюида и могут включать в себя одно взаимодействие, ориентированное на конкретные свойства каждого флюида (например, разбавителя, нефти, воды и газа). Наконец, примерные системы и способы можно делать компактными, чтобы иметь возможность одновременно измерять различные доли многофазного потока, предпочтительно, без использования подвижных деталей и без необходимости калибровки на месте расположения скважины.
Такие примерные системы и способы могут быть основаны на оптических и/или ядерных технологиях с несколькими длинами волн или по аналогии - с несколькими уровнями энергии, которая, в частности, может специфически взаимодействовать с некоторыми внутренними свойствами флюида или некоторой конкретной сигнатурой выделенных свойств каждого флюида.
С учетом некоторых внутренних свойств, использованных при разрешении отмеченных выше и других проблем посредством систем и способов из предшествующего уровня техники, в варианте осуществления примерные системы и способы могут быть основаны на ядерном измерении. С физической точки зрения ослабление гамма-излучения, которое является результатом взаимодействия между проникающим излучением и веществом, не является простым процессом. Единственное событие, связанное с взаимодействием гамма-рентгеновского фотона и частицы вещества, обычно не приводит к превращению фотона в некоторую другую форму энергии и эффективному исчезновению. Обычно имеются несколько связанных с взаимодействием событий и суммарное ослабление является суммой затуханий, обусловленных взаимодействиями различных видов. Эти взаимодействия включают в себя фотоэлектрический эффект, рассеяние и парное рождение. На фиг.3 показано приближенное представление основного диапазона коэффициентов поглощения для каждого взаимодействия в зависимости от энергии излучения. Показано каждое из трех взаимодействий излучение-вещество, которые вносят вклад в полное поглощение, и представлены фотоэлектрический эффект (ФЭ), комптоновское рассеяние (К), парное рождение (ПР). В настоящее время типичные промышленные системы могут работать без всяких проблем в диапазоне от 0,01 до 1,5 МэВ. Из графика можно видеть, что фотоэлектрический эффект и комптоновское рассеяние являются причиной большей части обнаруженного ослабления.
2
Фотоэлектрическое (ФП) поглощение гамма-рентгеновского излучения происходит в случае, когда гамма-рентгеновский фотон поглощается, что приводит к испусканию электронов из внешней оболочки атома и, следовательно, к ионизации атома. Впоследствии ионизированный атом возвращается в нейтральное состояние с испусканием гамма-рентгеновского характеристического излучения из атома. Это последующее излучение низкоэнергетических фотонов обычно поглощается. Поглощение фотоэлектронов является преобладающим процессом при поглощении гамма-рентгеновского излучения до энергий около 500 кэВ. Поглощение фотоэлектронов также преобладает в случае атомов с большими атомными номерами, например, таких как HS, или в случае соли, присутствующей в воде.
Комптоновское рассеяние (К) происходит в случае, когда падающий гамма-рентгеновский фотон отклоняется от своего первоначального пути в результате взаимодействия с электроном. Энергия электрона возрастает, и он испускается с места на орбите. Гамма-рентгеновский фотон теряет энергию вследствие взаимодействия, но продолжает проходить через материал по измененному пути. Поскольку рассеянный гамма-рентгеновский фотон имеет меньшую энергию, он, следовательно, имеет большую длину волны, чем падающий фотон. Это событие также известно как некогерентное рассеяние, поскольку изменение энергии фотона в результате взаимодействия не всегда является упорядоченным и согласованным. Энергетический сдвиг зависит от угла рассеяния, но не от природы рассеивающей среды.
Парное рождение (ПР) может происходить в случае, когда энергия гамма-рентгеновского фотона больше чем 1,02 МэВ, но на самом деле оно становится значительным при более высоких энергиях (например, при примерно 10 МэВ). Парное рождение происходит в случае, когда электрон и позитрон создаются при аннигиляции гамма-рентгеновского фотона. Позитроны являются очень короткоживущими и исчезают (например, путем аннигиляции позитронов) с образованием двух фотонов с энергией 0,51 МэВ. Парное рождение является особенно важным, когда высокоэнергетические фотоны проходят через материалы с большим атомным номером.
Между тем с точки зрения безопасности при более высоком уровне энергии необходимо более сильное экранирование для исключения любого нежелательного излучения. Поэтому с чисто практической точки зрения лучше исключать использование излучения выше предельного, находящегося в границах диапазона от 0,5 до 1 МэВ, при котором затраты на экранирование сделают такое решение менее привлекательным и более опасным с точки зрения облучения, включая возникновение проблем, связанных с нарушением экологически благоприятной среды. Следовательно, имеется диапазон от 10 кэВ до 1000 кэВ, в котором ядерное устройство должно работать, и на первый взгляд это будет приводить к взаимодействиям двух видов: комптоновскому и фотоэлектрическому. Вследствие преобладания каждого взаимодействия в одной или другой области представляет интерес получать один уровень энергии как можно более низким, чтобы он был существенным для максимального взаимодействия в случае фотоэлектрического эффекта, при этом имеется в виду меньше чем 50 кэВ. Комптоновский эффект в большей степени преобладает выше 150 кэВ. Кроме того, наиболее интересная точка находится в диапазоне от 50 до 150 кэВ, в котором встречаются оба эффекта. Поэтому имеются три диапазона энергий с очевидным, хорошо определенным взаимодействием в каждый момент времени. Наличие одного уровня энергии в каждом диапазоне приводит к измерению некоторых специфических свойств смеси 4 фаз, протекающих по трубе. Следует отметить, что взаимодействий трех видов достаточно, чтобы сумма долей была равна 100%, и на самом деле это дает четвертую часть информации о потоке и достаточную информацию для решения системы из четырех уравнений с четырьмя неизвестными.
Полезно отметить, что при любом уровне энергии, выбираемой из диапазона от 200 до 1000 кэВ, будет осуществляться измерение одного и того же явления взаимодействия, и по этой причине неинтересно использовать с практической точки зрения и с точки зрения безопасности диапазон энергий выше чем 200-600 кэВ.
Основанные на таком физическом обзоре, каким образом примерные системы и способы могут генерировать такие различные уровни энергии. В одном аспекте примерные системы и способы могут быть основаны на использовании генератора рентгеновской установки с некоторыми конкретными уровнями энергии. Такое оборудование обладает преимуществом, заключающимся в высокой избирательности по отношению к типу создаваемой энергии, и может легко транспортироваться. Однако небольшой запас устойчивости таких систем и способов может делать решение более сложным и влиять на общую надежность всего многофазного расходомера, основанного на них. Дальнейшие примерные системы и способы могут быть основаны на смешанных рентгеновских излучениях и использовании радиоактивного источника с одной конкретным уровнем энергии или двумя конкретными уровнями энергии, такого как цезиевый. В примерных системах и способах могут использоваться до трех различных радиоактивных источников, например, с америцием, имеющих соответствующие уровни энергии, при этом создается по меньшей мере один основной и хорошо определенный уровень энергии. Наконец, в примерных системах и способах может использоваться специфический источник с несколькими уровнями энергии. Как должно быть понятно специалистам в соответствующей области техники, настоящее изобретение применимо к упомянутым выше и другим подходящим сочетаниям. При любом практическом решении в примерных системах и способах могут определяться три энергетических пика в соответствующих диапазонах, при этом два преобладающих явления связаны с фотоэлектрическим эффектом (ФЭ) и комптоновским рассеянием (К) и одно с сочетанием обоих. Предпочтительно использовать бариевый источник, в котором представлено сочетание более чем 9 основных энергетических пиков, и перегруппировывать их в по меньшей мере 4 основных пика: один около 30 кэВ, один около 80 кэВ, один около 160 кэВ, один в пределах от около 302 до около 383 кэВ.
Как описывалось ранее, отсутствует задача добавления нескольких пиков, связанных с одним и тем же явлением, например, в области высокой энергии. Это происходит потому, что в этом случае измерение зависит от одного конкретного взаимодействия, а такое суммирование нескольких пиков (например, в случае одного и того же диапазона энергий) выгодно повышает качество измерения в целом. Действительно, ядерное измерение основано на статистическом измерении счета (например, количества гамма-излучения, не ослабляемого флюидом) и повышение величины обнаруживаемого счета в одном заданном окне энергии обеспечивает лучшие статистические данные, которые являются полезными для общей точности измерения. Как представлено на фиг.4, вышеупомянутый пик около 160 кэВ является очень малым в значениях обнаруживаемого счета, даже в воздухе, и он приводит к плохим статистическим данным и по существу может быть исключен из использования при наличии такого источника. Наконец, в контексте ядерного измерения, которое основано на статистических измерениях, в каждом окне можно рассматривать только один энергетический пик. При использовании, например, бария предпочтительно получать три основных пика в трех различных диапазонах уровней энергии.
Однако примерные системы и способы описываются только с иллюстративными целями и не ограничены использованием только одного источника. В соответствии с этим примерными системами и способами только иллюстрируется, каким образом системы и способы могут быть реализованы с одним источником в виде радиоактивного элемента, например, для уменьшения сложности в целом систем и способов измерения расхода многофазного потока, что может быть выгодно при продаже.
В таком случае взаимодействие ядерной системы с флюидом, образованным из четырех компонент, можно кратко представить системой уравнений (1), например, показанной ниже (например, приведенной в Международной заявке WO1997/042493, направленной на обнаружение солености, включенной в эту заявку путем ссылки).
<mi>j</mi>
При такой формулировке, в которой
представляет нефть, воду, газ и разбавитель, четвертая неизвестная может быть доступной.
Другой аспект настоящего раскрытия заключается в использовании возможности моделирования третьей энергии в соответствии с приведенным ниже уравнением (2), которое выражает, что при наивысшем уровне энергии происходит существенное взаимодействие с плотностью смеси. Более конкретно (например, как описано в Европейском патенте ЕР1862781 А1 (Roux et al.), переуступленном Schlumberger, включенном в эту заявку путем ссылки), было установлено, что это взаимодействие можно связать с плотностью электронов в смеси:
Набор данных, подтверждающий релевантность уравнения (2), показан на фиг.5.
3
3
<mi>Z</mi>
<mi>A</mi>
Было показано, что общий результат сопоставления измерения плотности с теоретическим значением лучше чем ±1,5-2 кг/м во всем диапазоне тестировавшихся флюидов, начиная от чистого газа (например, при низком давлении), до значения в области 1300 кг/м. Как представлено ниже в уравнении (3), плотность электронов можно выразить как функцию классической плотности (например, в зависимости от массы) и отношения электронов (например, задаваемого в виде
) и числа протонов и нейтронов (например, задаваемых в виде
:
<mi>m</mi>
при этом нижний индекс
обозначает смесь из 4 фаз.
Используя определение плотности смеси, уравнение (3) можно выразить в соответствии с:
С математической точки зрения имеются два способа моделирования третьего энергетического взаимодействия с помощью уравнений (1) и (4), при этом с физической точки зрения один способ лучше другого, поскольку позволяет получать точные результаты, и он приводит к уравнению (5), приведенному ниже:
Одно интересное наблюдение, вытекающее из уравнения (5), заключается в том, что независимо от состава каждой фазы ослабление массой при третьем уровне энергии определяется как постоянная. Это противоречит теоретическому расчету, представленному на фиг.6. На фиг.6 элементами 602-606 представлены возможные окна регистрации в зависимости от различных уровней энергии. Окно 606 в области наиболее высоких уровней энергии более широкое и, как видно из фиг.6, ослабление массой является постоянным в этой области.
Если с математической точки зрения такая система уравнений может быть решена двумя способами, то из некоторых физических формулировок следует, что робастность системы четырех уравнений и четырех неизвестных лучше определяется только в одном случае. Например, при взгляде на систему уравнений (1) видно, что для этой системы уравнений требуются семь новых входных параметров, которые включают в себя три параметра ослабления массой при наивысшем уровне энергии для воды, нефти и газа, три параметра ослабления массой при различных уровнях энергии для четвертой фазы и, наконец, параметр, относящийся к плотности четвертой фазы. Это можно выразить с помощью приведенного ниже уравнения (6):
Во втором варианте, основанном на непосредственном измерении плотности, используются только три новых параметра, которые включают в себя ослабление массой четвертой фазы в случае низкой и высокой энергии и связанную плотность, и это можно выразить приведенным ниже уравнением (7):
Далее, имея в виду, что с физической точки зрения любые новые входные параметры имеют присущую им собственную ошибку, уменьшение числа входных параметров будет вносить меньшую неопределенность и тем самым будет получаться численное измерение с лучшим разрешением и меньшей неопределенностью. Поэтому предпочтительно выбирать решение, используя плотность электронов. В соответствии с этим набор уравнений (2) можно перезаписать в виде приведенных ниже уравнений (8) и (9):
и
<mrow><mn>2</mn><mi>Z</mi><mtext> </mtext><mo>/</mo><mtext> </mtext><mi>A</mi></mrow>
<mrow><mn>2</mn><mi>Z</mi><mtext> </mtext><mo>/</mo><mtext> </mtext><mi>A</mi></mrow>
Учитывая, что система уравнений (9) записана, знание нового параметра
используют для каждого флюида. Впрочем, этот параметр можно получать, поскольку он является доступным, например, во время натурного измерения при получении ослабления массой при двух первых уровнях энергии, или его можно определять на основании известного состава каждой фазы. Регистрация наивысшей энергии является возможной уже во время натурного измерения, при этом ее используют для линеаризации двух самых низких энергетических пиков и для коррекции линеаризации различных энергетических пиков. Эта процедура хорошо известна в области ядерной техники. Однако плотность флюида является входным параметром для двух параметров ослабления массой при самом низком уровне энергии. Поэтому, как представлено семейством уравнений (10) ниже, можно получать отношение
:
<mrow><mn>2</mn><mi>Z</mi><mtext> </mtext><mo>/</mo><mtext> </mtext><mi>A</mi></mrow>
<mrow><mn>2</mn><mi>Z</mi><mtext> </mtext><mo>/</mo><mtext> </mtext><mi>A</mi></mrow>
<mrow><mn>2</mn><mi>Z</mi><mtext> </mtext><mo>/</mo><mtext> </mtext><mi>A</mi></mrow>
<mrow><mn>2</mn><mi>Z</mi><mtext> </mtext><mo>/</mo><mtext> </mtext><mi>A</mi></mrow>
<mi>K</mi>
<mrow><mn>2</mn><mi>Z</mi><mtext> </mtext><mo>/</mo><mtext> </mtext><mi>A</mi></mrow>
3
Еще одно преимущество, основанное на физике и исследованиях настоящего раскрытия, подчеркиваемое в нескольких диаметрально противоположных примерах, заключается в том, что отношение
является до некоторой степени постоянным при изменении состава. Например, для нефти различных типов, от очень легкой до тяжелой,
флуктуирует в пределах от 1,141 до 1,155 (или, например, относительное изменение меньше чем 1,3%). Изменение
находится в диапазоне 1,110-1,080 (или, например, относительное изменение меньше чем 2,8%) при изменении солености от 0 до 20%, эквивалентной NaCl. Поскольку значение
является очень стабильным, его можно использовать в качестве первого показателя для уточнения на месте качества любой подходящей фазы (например, нефти, воды или газа). Кроме того, при наличии стандартного плотномера плотность жидкости каждой флюидной фазы обычно известна с точностью лучше чем ±1-2 кг/м, а множитель
(например, из уравнения (3)) известен с точностью лучше чем 0,2%. Поэтому относительная ошибка измерения
находится в пределах 0,2%. С достижением преимущества этим демонстрируется усовершенствованный способ измерения массовой плотности с использованием стабильности плотности электронов.
4
2
3
4
<mrow><mn>2</mn><mi>Z</mi><mtext> </mtext><mo>/</mo><mtext> </mtext><mi>A</mi></mrow>
Например, в случае газа с заданной концентрацией СН (например, 75%) и с другой частью состава, являющейся С, или С, или С, это приводит к изменению
газовой смеси в пределах от 1,234 до 1,227 или относительному изменению меньше чем 0,5%.
4
2
4
4
10
2
4
<mrow><mn>2</mn><mi>Z</mi><mtext> </mtext><mo>/</mo><mtext> </mtext><mi>A</mi></mrow>
<mrow><mn>2</mn><mi>Z</mi><mtext> </mtext><mo>/</mo><mtext> </mtext><mi>A</mi></mrow>
Если 10% С заместить 10%-ами HS (например, в случае состава из СН: 75%, СН: 15% и HS: 10%), это приведет к значению
смеси, изменяющемуся от 1,227 до 1,216 (например, к относительному изменению 0,9%). Этим показывается преимущество такого измерения параметра
независимо от изменения состава при заданной концентрации СН. Этим также демонстрируется новый способ измерения массовой плотности при использовании стабильности плотности электронов.
На основании приведенного выше описания использование примерных систем и способов при наличии гамма-излучения или рентгеновского излучения с тремя энергиями является выгодным для реализации в любых соответствующих системах и способах, в которых уже используются ядерные измерения. Это можно сделать добавлением наивысшего уровня энергии, например, сочетая несколько радиоактивных источников с различными уровнями энергии в трех областях, включая область ниже 50 кэВ, область между 50 и 150 кэВ и область выше 150 кэВ. Еще одно существенное преимущество примерных систем и способов заключается в том, что третий уровень энергии гамма-излучения позволяет без необходимости вычисления плотности непосредственно определять плотность смеси на основании измерений доли при наличии, например, приведенного ниже уравнения (11):
3
Примерные системы и способы с использованием третьего уровня энергии выгодно обеспечивают лучшую точность при измерении смеси (например, нефти, воды, газа и разбавителя), при этом выполненные исследования показали робастность и высокое качество измерения плотности в случае флюида любого подходящего типа и с хорошей точностью в пределах 1,5-2 кг/м. Как будет показано в дальнейшем, это примерно в 5 раз лучше по сравнению с неопределенностью в результате использования двух первых энергетических пиков.
2
Наконец, как показано на основании анализа чувствительности для нескольких диаметрально противоположных случаев, представленных ранее, плотность электронов флуктуирует очень незначительно при изменении составных частей, HS или соли, или любых соответствующих атомов, имеющих большое атомное число, которые могут присутствовать в потоке. Этим подчеркивается преимущество использования наивысшего энергетического пика для получения четвертой неизвестной в многофазном потоке.
Фиг.7 используется для иллюстрации примерных систем и способов, предназначенных для измерения свойств флюидов четырехфазного флюидного потока независимо от уровня нагнетания разбавителя, согласно примеру осуществления, раскрытому в этой заявке. Примерные системы и способы из фиг.7 могут включать в себя многофазный расходомер 702, который в случае скважины 706, имеющей устье 708 скважины, может обеспечивать информацию, относящуюся к четырем фазам флюида в эксплуатационной линии 704, и к тому же модель поведения флюидов, описанную ранее. Необходимо использовать только единственный момент ТВ времени в точке В, что дает преимущество по сравнению с системами и способами из предшествующего уровня техники, показанными на фигурах 1-2. Как показано на фиг.7, в линии 710 нагнетания нет необходимости использовать измеритель разбавителя. Продукт из многофазного расходомера 702 может подаваться по эксплуатационной линии 712 в сборный пункт (непоказанный).
Поэтому при наличии примерных систем и способов из фиг.7 путем решения системы уравнений (9) можно получать точное измерение четвертой фазы как преобладающей или не преобладающей фазы (например, концентрации) в сопоставлении с другими фазами. Кроме того, все фазы (например, доли их) могут измеряться в одном пространстве в одно и то же время и независимо от смеси или структуры потока (например, дисперсная фаза, эмульсия, пена и т.д.). Наконец, эту стратегию ядерного измерения можно осуществлять на удобной частоте сбора данных (например, в диапазоне нескольких десятков герц), чтобы иметь возможность захвата возможной флуктуации состава потока в зависимости от времени или хаотического поведения потока (например, прерывистого движения, перемежающегося скопления, закупоривания и т.д.). Примерными системами и способами, описанными выше, предоставляется наиболее компактный четырехфазный (многофазный) расходомер с большой робастностью, что является преимуществом. Преимущество примерных систем и способов заключается в том, что в них используется независимое измерение расхода нагнетания разбавителя и исключается проблема корреляции, существующая между скоростью нагнетания и потоком, измеряемым где-либо еще в магистральной трубе.
В дальнейшем примерном варианте осуществления примерными системами и способами может обеспечиваться общая высокая точность измерения расхода за счет добавления к ядерным измерениям некоторой дополнительной информации о поведении потока. Например, нагнетание и концентрация разбавителя могут коренным образом менять поведение флюидов. На фиг.8 показан пример графика значений вязкости нефти в зависимости от концентрации разбавителя. Как показано на фиг.8, большое изменение вязкости в зависимости от концентрации разбавителя получается по существу в пределах диапазона от 0 до 40%. В этом диапазоне концентрации разбавителя изменение концентрации на 15% может приводить в изменению вязкости в 10 раз.
Из фиг.8 также можно видеть, что прирост от большого нагнетания разбавителя является менее важным, например, когда свыше 40% разбавителя присутствует в нефти, и с экономической точки зрения и для вязкости любая концентрация свыше определенного значения (например, свыше примерно 60% в этом примере) не создаст какого-либо значительного повышения подвижности флюида. Это утверждение можно понять из того факта, что значение вязкости при определенном уровне, зависящем от методики, не оказывает влияния или оказывает очень небольшое влияние на общие характеристики многофазного расходомера. Прогрессивное решение, основанное на ядерной технологии, можно использовать для управления скоростью нагнетания разбавителя с очень высокой точностью, чтобы поддерживать оптимальное значение концентрации. Эта оптимизация может различаться в зависимости от свойств нефти, разбавителя и других явлений, связанных с поверхностным натяжением и определяемых на ранних стадиях добычи из скважины.
Фиг.9 используется, чтобы иллюстрировать примерные системы и способы, предназначенные для измерения свойств четырехфазного флюидного потока при наличии измерения трубкой Вентури и ядерного измерения в сопле трубки Вентури, согласно примерам осуществлений, раскрытым в этом заявке. На фиг.9 примерные системы и способы включают в себя многофазный расходомер 702, четырехфазную ядерную подсистему 902, двунаправленную систему 904 связи (например, для передачи информации на многофазный расходомер 702 и с него), встроенный блок 906 моделирования свойств флюидов, датчик 908 дифференциального давления (ДД) и трубку 910 Вентури. Как показано на фиг.9, ядерная подсистема 902 и датчик 908 дифференциального давления (ДД) могут быть расположены в сопле трубки 910 Вентури.
Фиг.10 используется, чтобы иллюстрировать примерные системы и способы, предназначенные для измерения свойств четырехфазного флюидного потока при наличии измерения трубкой Вентури, и измерения полного дифференциального давления (ДД), и ядерного измерения в сопле трубки Вентури, согласно примерам осуществлений, раскрытым в этой заявке. Примерные системы и способы из фиг.10 работают таким же образом, как системы и способы из фиг.9, за исключением того, что датчиком 908 дифференциального давления (ДД) измеряется полное дифференциальное давление на всей трубке 910 Вентури.
Фиг.11 используется, чтобы иллюстрировать примерные системы и способы, предназначенные для измерения свойств четырехфазного флюидного потока при наличии измерения трубкой Вентури и ядерного измерения, но без измерения в сопле трубки Вентури, согласно примерам осуществлений, раскрытым в этой заявке. Примерные системы и способы из фиг.11 работают таким же образом, как системы и способы из фиг.9, за исключением того, что четырехфазная ядерная подсистема 902 расположена перед соплом трубки 910 Вентури.
Фиг.12 используется, чтобы иллюстрировать примерные системы и способы, предназначенные для измерения свойств четырехфазного флюидного потока при наличии общего решения с использованием дифференциального давления (ДД) и ядерного измерения, близкого, но не сплетаемого, согласно примерам осуществлений, раскрытым в этой заявке. Примерные системы и способы из фиг.12 работают таким же образом, как системы и способы из фигур 9-11, за исключением того, что четырехфазная ядерная подсистема 902 расположена перед любым подходящим устройством 1210 дифференциального давления (например, трубкой Вентури, дросселем, коленчатым патрубком, измерительной диафрагмой и т.д.) и при этом датчиком 908 дифференциального давления (ДД) измеряется полное дифференциальное давление на всем устройстве 1210 и четырехфазной ядерной подсистеме 902.
Фиг.13 используется, чтобы иллюстрировать примерные системы и способы, предназначенные для измерения свойств четырехфазного флюидного потока при наличии датчиков дифференциального давления (ДД) и ядерного измерения, объединенных в одном и том же пространстве, согласно примерам осуществлений, раскрытым в этой заявке. Примерные системы и способы из фиг.13 работают таким же образом, как системы и способы из фиг.12, за исключением того, что четырехфазная ядерная подсистема 902 расположена в любом подходящем устройстве 1210 дифференциального давления (например, трубке Вентури, дросселе, коленчатом патрубке, измерительной диафрагме и т.д.) и при этом датчиком 908 дифференциального давления (ДД) измеряется полное дифференциальное давление на всем устройстве 1210.
Примерными системами и способами, описанными с учетом фигур 7-13, может осуществляться не только определение концентрации разбавителя, но также могут определяться в реальном времени основные свойства поведения флюидов, например, такие как вязкость смеси нефть-разбавитель и т.п., что является преимуществом.
Следует отметить, что вязкость жидкости также очень сильно зависит как минимум от температуры линии и концентрации воды. Поэтому примерной моделью 906 поведения флюидов из иллюстративных систем и способов могут моделироваться несколько параметров, которые могут быть выражены в формате матрицы или корреляции и которые задаются входными величинами для многофазного расходомера 702. Например, что касается вязкости, то в общем случае ее необходимо определять не только в зависимости от по меньшей мере разбавителя, воды и доли нефти, но также и в зависимости от температуры. Поведение вязкости в зависимости от этих параметров можно легко получать на основании измерений в лаборатории и затем интерполировать на рабочие условия с помощью полной матрицы измерения. Аналогично случаю с вязкостью эти параметры также можно моделировать на основании сведений о поведении вязкости в зависимости от температуры, смеси нефти и разбавителя, смеси воды и нефти и т.п.
В примерных системах и способах, описанных с учетом фигур 7-13, выгодно использовать предшествующие сведения о поведении флюидов в зависимости от нескольких параметров, либо известные сведения о флюиде и взаимодействии между компонентами, либо полученные в результате лабораторного анализа и т.п., исходя из реальной ситуации. Например, можно проводить моделирование данных любым подходящим способом и можно получать к ним доступ с помощью встроенного компьютера и затем использовать в реальном времени для получения точной информации о поведении флюидов с тем, чтобы достигать наивысшего уровня точности.
Аспекты примерных систем и способов, описанных с учетом фигур 7-13, в части измерений вязкости являются предпочтительными, поскольку на протяжении нескольких лет разработки многофазных измерительных приборов различными группами разработчиков были отобраны наиболее робастные и тщательно испытанные измерительные системы и способы, признанные в нефтедобывающей промышленности, и которые основаны на измерении массового расхода. В примерных системах и способах, описанных с учетом фигур 7-13, может использоваться датчик 908 дифференциального давления (ДД), устанавливаемый в сечении трубы, обычно в сужении, таком как сопло трубки 910 Вентури (например, он также может быть установлен в расширении трубы), и это дифференциальное давление может быть связано с суммарным массовым расходом через уравнение Бернулли (например, разработанное для трубки Вентури). Дальнейшие варианты осуществлений могут быть основаны не на конструкции трубки 910 Вентури, а, как должно быть понятно специалистам в соответствующей области техники, могут быть основаны на устройствах 1210 других типов, таких как V-образный расходомер, клиновидная или измерительная диафрагма, или любых других подходящих устройствах, которые создают достаточную величину давления, и т.п.
В развитие этого, как показано на фиг.10, дифференциальное давление можно получать на основании измерения полного дифференциального давления. Как отмечалось выше, дальнейшие примеры осуществлений можно применять к колену, или дросселю, или клапану, или любой подходящей подсистеме 1210 с потерей давления и имеющей четвертую фазу, протекающую через измерительный прибор. Как показано на фиг.7, измерение дифференциального давления выполняется в сопле трубки 910 Вентури, но, как должно быть понятно специалистам в соответствующей области техники, это измерение может выполняться в любом подходящем месте. Как должно быть понятно специалистам в соответствующей области техники, точно так же ядерное измерение посредством ядерной системы 902 может выполняться в сопле трубки 910 Вентури, выше по потоку или ниже по потоку относительно датчика 908 дифференциального давления или устройства 1210 и т.п., как показано на фигурах 9-13.
Для всех примерных систем и способов с использованием потери давления для измерения массового расхода уравнение можно записать в формулировке Бернулли, представленной ниже уравнением (12):
<mrow><msub><mi>C</mi><mrow><mi>v</mi><mi>i</mi><mi>s</mi></mrow></msub></mrow>
3
Коэффициент расхода при истечении, обозначенный
, который при тяжелой нефти может изменяться от значения меньше чем 0,1 до 0,8, показан на фиг.14. В соответствии с этим на фиг.14 представлен график, иллюстрирующий характерную эволюцию значений коэффициента расхода при истечении совместно со шкалой вязкости для расхода 3000 баррелей в сутки (477000 л/сутки) и в случае плотности смеси примерно 900 кг/м и объемной доле газа примерно 50%. Этот параметр, коэффициент расхода при истечении, зависит от вязкости смеси и может приближаться к вязкости жидкости. Примерные системы и способы можно использовать для измерения концентрации различных четырех фаз, протекающих через измерительный прибор 702, а встроенной моделью 906 поведения флюидов может предоставляться точная вязкость смеси. Можно показать, что в широком диапазоне вязкостей точность 10-20% (например, относительная ошибка) является минимальной, обеспечивающей значительное снижение влияния параметра вязкости на измерение общего расхода, представленного в уравнении (12). Исследованием на протяжении нескольких лет было показано, что поведение коэффициента расхода при истечении в зависимости от числа Рейнольдса можно моделировать общим способом даже в многофазной среде.
Число Рейнольдса и вязкость являются связанными, и при использовании адекватного определения многофазного числа Рейнольдса можно получать поведение коэффициента расхода при истечении в зависимости от числа Рейнольдса в многофазном потоке подобно получению поведения в монофазном потоке. Как показано ниже уравнениями (13)-(14), с теоретической точки зрения кривую, представленную на фиг.14, можно приближать, используя те же самые параметры, которые используются для определения числа Рейнольдса в монофазном потоке, и выполняя распространение аналогичным способом на многофазный поток:
где
<mi>Q</mi>
- объемный расход;
<mrow><mo><</mo><mtext> </mtext><mi>U</mi><mtext> </mtext><mo>></mo></mrow>
- средняя скорость в сопле трубки Вентури;
<mi>μ</mi>
<mi>d</mi>
- вязкость жидкости,
- диаметр сопла;
<mi>β</mi>
- корень квадратный из отношения сечения магистральной трубы и сечения сопла; и
<mrow><mi>S</mi><mi>f</mi></mrow>
- коэффициент формы (например, коэффициент многофазного расхода, зависящий от режима).
Следует отметить, что уравнение (13) представляет собой неявную формулировку и что итерацию можно использовать для получения конечного многофазного числа Рейнольдса.
В примерных системах и способах используется наивысший уровень энергии для получения высокой точности определения плотности смеси. Это приводит к следующим преимуществам: более высокой точности вычисления суммарного массового расхода с помощью уравнения (12), а точность вычисления числа Рейнольдса значительно повышается благодаря использованию такого же измерения плотности, какое представлено в уравнении (14).
<mrow><mi>R</mi><mi>e</mi></mrow>
Функцией любого подходящего вида, зависящей от числа Рейнольдса, можно математически приближать модель коэффициента расхода при истечении. В примерных системах и способах используется общая формулировка для различных диапазонов числа (
) Рейнольдса, представленного в уравнении (15) ниже:
<mi>А</mi>
<mi>В</mi>
<mrow><mi>R</mi><mi>e</mi></mrow>
где
и
являются экспериментально получаемыми постоянными со значениями между 0 и 1, зависящими от диапазона
. Эта модель представляет собой лишь пример и использована для иллюстрации решаемой задачи, так что настоящее раскрытие не ограничено только такой формулировкой.
<mrow><msub><mi>С</mi><mrow><mi>v</mi><mi>i</mi><mi>s</mi></mrow></msub><mtext> </mtext><mo>=</mo><mtext> </mtext><mn>1</mn></mrow>
При наличии вязкости, полученной на основании измерения доли четырех фаз с помощью примерных систем и способов, первую оценку числа Рейнольдса можно использовать в предположении, например, отсутствия трения и в таком случае в предположении
, что приводит к первой оценке расхода. В свою очередь, это значение можно повторно использовать при определении числа Рейнольдса. Затем оценивают новый коэффициент расхода при истечении и после этого новую скорость. Такую итерацию можно выполнять с помощью примерных систем и способов, и она представлена в уравнении (16) ниже, и может быть прекращена по достижении коэффициентом расхода при истечении устойчивого значения:
Затем решение уравнения (12) может быть выполнено с помощью примерных систем и способов и, наконец, с использованием результатов измерений различных долей и информации о поведении флюидов измерение расхода для каждого количества жидкости, протекающей за единицу времени, может быть получено с помощью примерных систем и способов в соответствии с представленным ниже уравнением (17):
Фиг.15 используется для показа примерных систем и способов ядерного измерения, предназначенных для измерения флюидных свойств четырехфазного потока флюидов, согласно примерам осуществлений, раскрытым в этой заявке. Примерные системы и способы ядерных измерений из фиг.15 можно использовать совместно с четырехфазной ядерной подсистемой 902 из фигур 9-13. На фиг.15 примерные системы и способы ядерных измерений включают в себя входные параметры 1502, в том числе некоторую основную информацию о плотности и свойствах каждого независимого флюида, которая является известной на основании состава, эксперимента, моделирования зависимости давление-объем-температура, измерений и т.п. Входные параметры 1502 компенсируют за влияние давления и температуры (например, измеряемые в реальном времени) и затем при параллельном измерении 1506 получают ослабление гамма-излучения при нескольких уровнях энергии (например, измеряемых в реальном времени) и на достаточно высокой частоте 1508 с тем, чтобы определить турбулентность и хаотическое поведение потока путем обработки 1510 данных.
На основании измерений входных параметров, скорректированных за влияние соответствующих давления и температуры, измерения и алгоритмический процесс, описанные в этом раскрытии, используют для получения в реальном времени долей четырех фаз. Затем эту информацию используют совместно со встроенной моделью 906 поведения флюидов для получения измерений расхода и выполнения любых надлежащих коррекций на основании четырехфазных измерений. Кроме того, подходящий алгоритм используют для получения среднего 1512 исходных выходных данных при высокой частоте обработки.
В заключение необходимо отметить, что примерными системами и способами решается проблема значительного присутствия четвертой фазы многофазного потока, к тому же осуществляется коррекция влияния этой фазы на свойство флюида, такое как вязкость, которое является важным в случае использования разбавителя, и повышается точность измерения плотности четвертой фазы в смеси. Наконец, в сочетании с измерителем дифференциального давления примерные системы и способы позволяют повышать точность вычисления числа Рейнольдса, вычисления коэффициента расхода при истечении, связанного с трением, и вычисления суммарного массового расхода.
В настоящем раскрытии описаны системы и способы, предназначенные для получения точного измерения каждой доли, протекающей в многофазном потоке, независимого от структуры потока и временного прерывания потока, для выполнения измерения четырех фаз измерительным устройством, взаимодействующим с флюидом в масштабе меньше миллиметра, и поэтому являющимся вполне общим. На самом деле тяжелая нефть или вязкий флюид обычно состоят из пены или эмульсии. Ядерные измерения и оптические измерения считаются наилучшим вариантом для работы в этих условиях и могут не зависеть от структуры потока. Взаимодействие имеет порядок нанометров или меньший и может отвечать метрологическим требованиям.
Кроме того, в настоящем раскрытии описаны системы и способы, основанные на ядерно-энергетических измерениях четырех фаз в один и тот же момент времени, в узком пространстве, при воздействии гамма-излучения или рентгеновского излучения, для получения на высокой частоте надлежащей корреляции различных долей с учетом хаотичного и прерывистого потока, присутствующего в многофазном потоке. Кроме того, представлено небольшое и наиболее компактное средство для такого измерения.
В настоящем раскрытии также описаны системы и способы, которые можно наиболее надежно устанавливать, например, не в непосредственном контакте с флюидом и по существу повышать надежность благодаря исключению эрозии, повреждения и т.п. Кроме того, такое решение позволяет осуществлять техническое обслуживание оборудования без перекрывания потока.
В настоящем раскрытии описаны системы и способы, которыми наглядно показывается, что на основании сведений о ядерных свойствах можно выбирать гамма-излучение с надлежащей энергией, которое будет находиться во взаимодействии различных видов с флюидом, проходящим через систему. Такая ядерная установка с тремя уровнями энергии представляет собой наилучший вариант для различения четырех фаз.
В настоящем раскрытии описаны системы и способы, в которых для нахождения решения может использоваться радиоактивная система, которая может включать в себя специализированный и специфический источник, такой как бариевый, который имеет несколько конкретных уровней энергии. Кроме того, источник можно получать сочетанием нескольких химических источников, которые обеспечивают несколько взаимодействий, основанных на эффекте Комптона, фотоэлектрическом эффекте, и к тому же с еще одним уровнем энергии, при этом оба взаимодействия смешивают, что приводит к решению проблемы четырех фаз и обращению матрицы 4×4 с четырьмя неизвестными.
Эти три различных диапазона энергии можно также получать путем использования рентгеновской трубки с подходящим набором энергий или сочетания рентгеновского излучения, создаваемого электрически, и химического источника.
В настоящем раскрытии описаны системы и способы, в соответствии с которыми можно получать предпочтительный способ решения изложенных выше проблем, используя свойства энергии наивысшего уровня для достижения максимальной точности, при этом плотность смеси измеряют непосредственно (например, четырех фаз совместно).
В настоящем раскрытии описаны системы и способы, в которых высокая точность, достигаемая в случае использования энергии наивысшего уровня, например, при измерении плотности может быть оптимальной вследствие оптимального числа параметров, вводимых в систему, что может обеспечивать меньшую неопределенность измерения в целом.
В настоящем раскрытии описаны системы и способы, в которых информацию, получаемую при четырехфазных измерениях, можно объединять с информацией компьютера, встроенного в измерительный прибор, и она может быть использована в сочетании со специализированной моделью поведения флюидов для получения вязкости смеси. Эта модель поведения флюидов может быть построена на основании измерений в лаборатории и исследования изменений различных параметров. Кроме того, ее можно получать, используя доступную корреляцию или сочетая оба способа.
В настоящем раскрытии описаны системы и способы, в которых использована система дифференциального давления, такая как трубка Вентури или аналогичные приборы, которая проявляет робастность в условиях многофазного потока. В настоящем раскрытии описаны системы и способы, в которых сведения о вязкости в реальном времени и информация о плотности, получаемая с помощью энергии наивысшего уровня от химического источника, позволяют получать массовый расход с помощью коэффициента расхода при истечении.
Коэффициент расхода при истечении можно получать с высокой точностью, используя измерение при энергии наивысшего уровня, используя плотность смеси, просто математической итерацией относительно оценок массового расхода и числа Рейнольдса.
В настоящем раскрытии описаны системы и способы, в которых измерение расхода четвертой фазы и доли ее может выполняться без необходимости в отдельном устройстве и основано на использовании дифференциального давления и источника гамма-излучения со многими уровнями энергии, например, включающего в себя один элемент, такой как барий и т.п., или сочетание различных нуклидов (например, ядерных источников, которые можно использовать для получения по меньшей мере 3 уровней энергии или большего количества) и т.п. Датчики давления и температуры могут быть добавлены, чтобы имелась возможность учитывать изменения поведения флюидов.
В настоящем раскрытии описаны системы и способы, в которых при выполнении измерений на месте расположения скважины сочетание массового расхода и информации относительно измерений различных долей предоставляется в реальном времени для фаз воды, нефти, газа и разбавителя, при этом любая из этих различных фаз может быть наиболее преобладающей фазой и без какого-либо соответствующего ограничения. В примерных системах и способах нет необходимости использовать информацию о том, какая фаза является непрерывной фазой, чтобы отличать одну фазу от другой.
В настоящем раскрытии описаны системы и способы, в которых представлено наиболее компактное решение без подвижных деталей и без всякой необходимости в датчике, находящемся в непосредственном контакте с флюидом, благодаря чему повышается надежность, упрощается техническое обслуживание и повышается робастность.
В настоящем раскрытии описаны системы и способы, которые можно применять прежде всего в многофазном потоке, в котором присутствие четвертой фазы изменяет поведение флюидов всей смеси. Это иллюстрируется применениями, включающими в себя ввод разбавителя в тяжелую скважинную нефть с низким значением API, нагнетание метанола в газовую скважину или добычу большого количества песка из скважины и т.п.
Хотя настоящее раскрытие описано применительно к использованию разбавителя, но, как должно быть понятно специалистам в соответствующей области техники, настоящее раскрытие также можно использовать в применениях, относящихся к добавлению первой сырой нефти во вторую сырую нефть и т.п.
Как должно быть понятно специалистам в соответствующей области техники, настоящее раскрытие найдет применение в различных областях, в том числе в области обеспечения бесперебойного режима подачи потока, в том числе найдет применение в любых соответствующих подводных и других условиях, в том числе при подготовке жирного газа, подготовке тяжелой нефти (например, включая конденсаты, конденсаты жирного газа, разбавители, такие как метанол, и т.д.), найдет применение для изменения вязкости (например, коррекции поведения флюидов и т.д.), при обработке газа и т.п.
Хотя настоящее раскрытие было описано применительно к вариантам осуществлений и реализаций его, настоящее раскрытие не ограничено такими вариантами осуществлений и/или реализаций. Точнее, в системах и способах настоящего раскрытия допускаются различные модификации, варианты и/или улучшения без отступления от сущности или объема настоящего раскрытия. В соответствии с этим настоящее раскрытие, безусловно, заключает в своем объеме все такие модификации, варианты и улучшения.