СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ СКОРОСТИ ПОТОКА ЖИДКОСТЕЙ
PROCEDURE FOR AUTOMATIC CONTROL OF FLUID FLOW RATE

-4
-1
-1
Изобретение относится к области нефтегазодобывающей промышленности и предназначено для автоматического контроля скорости потока закачиваемых в скважину по напорной магистрали жидкостей, преимущественно буровых и тампонажных растворов. Широко известны различные способы автоматического контроля скорости потока жидкостей, основанные на тех или иных физических принципах (Кремлевский П.П. Расходомеры. - М.-Л., 1963). Большинство из этих способов вследствие необходимости использования для их реализации поплавковых, вращающихся, упругих чувствительных элементов, сужающих устройств с манометрическими системами и др. по условиям обеспечения безопасности и надежности контроля из-за наличия в напорной магистрали высокого давления (порядка 30-40 МПа) не нашли широкого применения либо ограниченно используются в буровой практике. Наибольшее распространение получил способ автоматического контроля скорости потока жидкостей, основанный на явлении электромагнитной индукции (Абдурахманов Г.С. Контроль технологических процессов в бурении. - М., «Недра», 1974, с.176-180 и с.248-250). Однако реализующие этот способ электромагнитные (индукционные) расходомеры непригодны для измерения скорости потока жидкостей с удельной электрической проводимостью менее 10 Oм·м требуют острой настройки для компенсации паразитных эдс, имеют большие весогабаритные характеристики и низкую надежность из-за наличия введенных в область высокого давления напорной магистрали электрически изолированных от нее электродов.
Наиболее близким к предлагаемому является способ автоматического контроля скорости потока жидкостей, преимущественно буровых и тампонажных растворов, при помощи ультразвукового доплеровского расходомера, включающий градуировку расходомера на поверочной установке по одной точке шкалы путем приведения ее показаний к показаниям шкалы образцового прибора, последующее измерение скорости потока жидкости в контролируемой напорной магистрали и обработку результатов контроля вычислительным устройством (см., например, «Стационарный бесконтактный ультразвуковой расходомер DFM 5.0», Internet: www.artvik.com, Artvik, Inc., 2008). Целесообразность промышленного внедрения расходомеров, основанных на эффекте Доплера (Физический энциклопедический словарь: В 5-ти т./Науч. совет. изд. «Сов. Энциклопедия». - М.: «Сов. Энциклопедия», 1966. - T.1, с.657), в процессе проведения работ в нефтегазовых скважинах в условиях присутствия неравномерности давления нагнетания, сопровождающегося вибрацией трубопроводов, объясняется необходимостью иметь высоконадежную аппаратуру, позволяющую с высокой точностью контролировать расход буровых и тампонажных растворов при минимальных весогабаритных характеристиках датчика без введения его чувствительных элементов вовнутрь напорной магистрали (нагнетательного трубопровода) высокого давления. Однако, несмотря на очевидные преимущества, указанный способ автоматического контроля скорости потока жидкостей имеет и серьезный недостаток, заключающийся в отсутствии возможности коррекции показаний на изменение плотности среды, что при отклонениях плотности закачиваемых в скважину растворов от плотности раствора, используемого для градуировки расходомера, приводит к значительным погрешностям его измерений.
Изобретением решается задача повышения точности автоматического контроля скорости потока закачиваемых в скважину по напорной магистрали жидкостей, преимущественно буровых и тампонажных растворов.
Для достижения названного технического результата в предлагаемом способе автоматического контроля скорости потока жидкостей, преимущественно буровых и тампонажных растворов, при помощи ультразвукового доплеровского расходомера, включающем градуировку расходомера на поверочной установке по одной точке шкалы путем приведения ее показаний к показаниям шкалы образцового прибора, последующее измерение скорости потока жидкости в контролируемой напорной магистрали и обработку результатов контроля вычислительным устройством, перед проведением градуировки осуществляют приготовление двух порций жидкости с минимальным и близким к максимальному опорными значениями плотности в пределах ее допустимых колебаний, после чего с использованием порции жидкости, имеющей меньшую плотность, на поверочной установке создают поток, имеющий скорость, близкую к среднему значению диапазона ее измерения, получают в принятом масштабе градуировочную характеристику в виде прямо пропорциональной функциональной зависимости с коэффициентом пропорциональности, равным единице, затем повторяют данную операцию с использованием второй порции жидкости и по полученной градуировочной характеристике расходомера определяют скорость потока, величину которой и принятые в процессе градуировки исходные данные заносят в память вычислительного устройства для проведения последующих математических операций, при этом измерение текущего значения скорости потока жидкости в контролируемой напорной магистрали осуществляют в зависимости от определяемого в ней текущего значения плотности жидкости, а фактическую скорость потока устанавливают по формуле:
где  - текущее значение скорости потока жидкости, определяемое расходомером;
- текущее значение плотности жидкости в напорной магистрали;
- соответственно минимальное и максимальное опорные значения плотности порций жидкости, используемых в процессе градуировки расходомера;
- скорость потока жидкости с максимальным опорным значением плотности, определенная по градуировочной характеристике при заданной на поверочной установке скорости потока
- скорость потока жидкости, близкая к среднему значению диапазона ее измерения.
Отличительными признаками предлагаемого способа автоматического контроля скорости потока жидкостей от указанного выше наиболее близкого к нему являются приготовление перед проведением градуировки расходомера двух порций жидкости с минимальным и близким к максимальному опорными значениями плотности в пределах ее допустимых колебаний, использование порции жидкости, имеющей меньшую плотность, для создания на поверочной установке потока, имеющего скорость, близкую к среднему значению диапазона ее измерения, получение в принятом масштабе градуировочной характеристики в виде прямо пропорциональной функциональной зависимости с коэффициентом пропорциональности, равным единице, повторение данной операции с использованием второй порции жидкости и определение по градуировочной характеристике расходомера скорости потока, занесение ее величины и принятых в процессе градуировки исходных данных в память вычислительного устройства для проведения последующих математических операций, измерение текущего значения скорости потока жидкости в контролируемой напорной магистрали в зависимости от определяемого в ней текущего значения плотности жидкости и установление фактической скорости потока по алгоритму (1).
Предлагаемый способ поясняется графиками, представленными на фиг.1 и 2.
L
На фиг.1 показана зависимость доплеровского изменения частоты ν от скорости  и плотности ρ потока жидкости.
На фиг.2 - зависимость углов наклона прямых α к оси  на фиг.1 от плотности ρ потока жидкости.
Сущность способа состоит в следующем.
L
Как известно, принцип действия ультразвукового доплеровского расходомера заключается в измерении (регистрации) приемником сигналов сдвига частоты генерируемых источником ультразвуковых волн при их отражении от присутствующих в жидкости твердых частиц или газовых пузырьков. Частота отраженного сигнала отличается от исходной из-за движения жидкости и возрастает, если вектор скорости вторичного источника излучения (частиц, пузырьков) направлен к приемнику, и убывает при изменении скорости распространения волн на противоположное направление. Величина изменения частоты ν отраженного сигнала пропорциональна скорости  сближения или удаления вторичного источника и приемника ультразвуковых колебаний и позволяет вычислить скорость потока раствора по известной формуле:
где  - частота ультразвука, генерируемого источником;
- скорость движения в потоке раствора твердых частиц или газовых
пузырьков;
φ - угол между вектором скорости вторичного источника и радиус-вектором, соединяющим приемник с вторичным источником;
- скорость ультразвука в растворе.
L
После осуществления градуировки расходомера, заключающейся в приведении показаний измеряемой частоты ν в соответствие с показаниями скорости  возникает возможность определения объемного расхода жидкости по формуле:
а при необходимости - и массового расхода жидкости по формуле:
где S - площадь сечения потока раствора;
ρ - плотность раствора;
- скорость потока раствора в сечении.
3
3
3
3
3
Выражение (2) показывает, что для точного определения скорости  потока раствора необходимо иметь достаточно точные, а после проведения градуировки и стабильные во времени данные о скорости υ ультразвуковой волны в исследуемой среде. Скорость звука в общем случае определяется сжимаемостью и плотностью ρ среды, выдерживание которой при работах на скважине даже в пределах нормированных колебаний плотности является достаточно сложной технической задачей из-за несовершенства смесительного оборудования. По этой причине возникает задача учета влияния колебаний плотности раствора на показания отградуированного ультразвукового доплеровского расходомера, который, как обычно, градуируется на поверочной установке по одной точке шкалы при использовании слабого глинистого раствора неопределенной плотности. Однако при бурении скважин применяются как легкая промывочная жидкость удельного веса 1090-1120 кг/м так и утяжеленные буровые растворы с плотностью до 2100-2350 кг/м. При цементировании скважин применяют с учетом геологических условий растворы от жидких цементных суспензий с плотностью 1200-1300 кг/м до утяжеленных тампонажных растворов с плотностью 1800-2200 кг/м при наличии в их составе соответственно от 50 до 25% воды. Сжимаемость воды весьма незначительна и достигает своего минимума при температуре около 50°C. По компонентному составу цементные растворы за исключением вяжущей основы до загустевания можно приблизительно считать близкими буровым растворам. Это при отсутствии экспериментальных данных о сжимаемости цементных растворов и акустических измерениях в них скоростей упругих волн позволяет для грубой оценки зависимости  воспользоваться результатами изучения акустических свойств промывочных жидкостей. Установлено, что скорость распространения упругих волн в промывочных жидкостях находится в пределах 1500-1700 м/с (Дьяконов Д.И., Леонтьев Е.И., Кузнецов Г.С. Общий курс геофизических исследований скважин. - М.: «Недра», 1977. 432 с. С ил., с.268). Основываясь на допущении пропорциональности между относительно малыми приращениями скорости звука υ и соответствующими им изменениями плотности промывочной жидкости в диапазоне 1100-2300 кг/м с учетом плотности воды, весьма приблизительно выберем три образца раствора со следующими параметрами:
0
1
2
0
Принимая во внимание технические характеристики выпускаемого промышленностью ультразвукового доплеровского расходомера, например DFM 5,0 (Artvik, inc), используем полученные исходные данные для построения графиков функции (2) при υ=1517 м/с, υ=1584 м/с, υ=1650 м/с и ν=1 МГц.
S
X
Y
0
0
0
Y
ср
Для упрощения расчетов примем cosφ=1. Графическая зависимость  при реально существующем выполнении условия υ<<υ показана на фиг.1 и представляет собой пучок лучей, выходящих из начала координат. При этом масштабные коэффициенты К и К, относящиеся соответственно к осям абсцисс и ординат. выбраны таким образом, чтобы по отношению к последним луч МР, построенный для минимальных значений скорости звука υ и плотности ρ, располагался под углом α=45°. В частности, в используемой для построения графиков масштабно-координатной сетке,  является произвольно взятой величиной, а нахождение К осуществляется следующим образом. Определяется среднее значение приращения частоты  при среднем в диапазоне измеряемых скоростей значении υ=6 м/с, что обусловлено целесообразностью минимизации погрешности расчета вследствие имеющей место незначительной нелинейности лучей рассматриваемой графической зависимости.
После чего масштабный коэффициент, относящийся к оси ординат, вычисляется по формуле:
L
1
2
Далее, после вычисления значений ν при υ и υ и получения двух остальных лучей в заданном выше масштабе определяются углы их наклона к оси абсцисс при  по формулам:
0
нк
2
3
После чего строим график функции , изображенный на фиг.2 и представляющий собой прямую, выходящую под углом γ=45° к оси ординат из расположенной на ней точки А с численным значением функции, равным α=45°, до пересечения с точкой В на оси абсцисс. Как видно из графика, ось ординат, исходя из минимально возможного значения угла α для заданного диапазона плотностей раствора, ограничена снизу перенесенной в начало координат точкой О с численным значением, равным α=40°. При этом, что вполне закономерно, указанной точке на оси абсцисс будет соответствовать численное значение плотности, равное 1200 кг/м. Уяснив это, определим масштабные коэффициенты  относящиеся соответственно к осям абсцисс и ординат. Для этого произвольно выберем  а для нахождения  воспользуемся, например, ранее полученным значением угла  (см. фиг.1). Тогда, учитывая, что на графике (см. фиг.2) ОА=ОВ и tgγ=tg45°=1, найдем точку К и получим:
i
i
1
1
3
Для того чтобы убедиться, что совокупность отдельных точек K (где i=1, 2, 3, … - порядковый номер точки, соответствующий номеру угла α) на прямой АВ находится в области определения функции  найдем численное значение ординаты для точки K при значении аргумента, соответствующего изменению плотности раствора до величины ρ=1600 кг/м:
i
i
Аналогично можно найти и другие численные значения α функции при иных значениях аргумента ρ. При этом максимальное значение аргумента для представленной на фиг.2 графической характеристики равно:
S0
S1
S2
i
S0
S2
Возвращаясь к графикам на фиг.1, обратим внимание на то, что параллельно оси V расположены шкалы Vи Vизмерений расходомером скоростей потока раствора. Очевидно, что каждая шкала соответствует вполне определенной плотности ρ раствора. При этом ось абсцисс является шкалой скоростей, задаваемых потоку раствора поверочной установкой (или иначе градуировочным устройством). Условимся шкалы Vи Vсчитать полученными в результате градуировки расходомера. Тогда их построение можно осуществить по формуле в общем виде:
где j=1, 2, 3, … - порядковый номер измерений, выполненных расходомером.
s
2
1
3
3
Отсюда, например, при показании расходомера , ранее соответствующего скорости потока раствора υ=9 м/с, при ρ=2000 кг/м, с изменением плотности раствора до величины ρ=1600 кг/м получим реальное значение скорости, равное:
S0
S2
S1
На координатной плоскости графической зависимости  величина этой скорости одновременно является численным значением абсциссы для точки С (см. фиг.1), что свидетельствует об автоматическом введении поправки в результаты измерений, равной  Таким образом, осуществляется переход от полученных при градуировке шкал Vи V к реальной шкале измерений V, связанной с новым измеренным с помощью плотномера значением плотности.
S1
На практике приходится иметь дело с расходомером, в котором результаты градуировки и измерений исключают возможность учета  и представляются только в виде показаний скорости потока раствора при введенном в базу исходных данных численного значения площади сечения S. В этом случае получение реальной величины скорости V может быть обеспечено с помощью формулы:
т.е.
s1
2
1
2
3
3
Величина этой откорректированной скорости хорошо согласуется с полученным выше численным значением V, а учтенная погрешность  составляет 3% от максимальной скорости, контролируемой расходомером. При этом, например, для насосно-компрессорной трубы диаметром 60,3 мм, имеющей внутреннее проходное сечение S=0,002 м, реальный объемный расход раствора вместо измеренного без учета поправки значения Q=0,018 м/с составит в соответствии с формулой (3) Q=0,017 м/с.
S1
Исходя из того, что скорость потока жидкости V является искомой величиной, несложно установить общий алгоритм (1) ее определения путем преобразований выражения (12) с учетом формул (7), (8) и (9) и принятием следующих обозначений: ;
Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.
x
Sфак
Перед проведением измерений скорости потока жидкости ультразвуковым доплеровским расходомером в подлежащей контролю на скважине напорной магистрали осуществляют в лабораторных условиях градуировку расходомера на поверочной установке. Для этого готовят две порции раствора требуемого состава с минимальным  и близким к максимальному  опорными значениями плотности в пределах ее допустимых (возможных) колебаний в процессе выполнения скважинных операций. После чего с использованием порции раствора, имеющего меньшую плотность, на поверочной установке создают поток, имеющий скорость  близкую к среднему значению диапазона ее измерения (по шкале расходомера). Приводят полученное точечное показание шкалы расходомера путем введения необходимой поправки к показанию образцового прибора поверочной установки, что равнозначно получению в принятом масштабе градуировочной характеристики в виде прямо пропорциональной зависимости с коэффициентом пропорциональности, равным единице, или иначе - градуировочным коэффициентом tg45°=1. Затем с использованием второй порции жидкости при прежнем значении скорости потока  получают на отградуированной выше шкале расходомера показание измеренной скорости . Величину этой скорости и принятые в процессе осуществленной таким образом градуировки расходомера исходные данные заносят в память вычислительного устройства для проведения последующих математических операций. Далее датчик отградуированного расходомера устанавливают на контролируемой напорной магистрали, имеющей введенный в ее состав измеритель плотности раствора (плотномер). Обычно наличие плотномера при закачке жидкости в скважину является необходимым условием для выполнения качественных технологических операций. Благодаря этому, измерение текущего значения скорости потока раствора в контролируемой напорной магистрали осуществляют в зависимости от определяемого в ней текущего значения плотности раствора ρ, а фактическую скорость потока V устанавливают по алгоритму (1), обрабатываемому вычислительным устройством, являющимся в данном случае устройством для автоматической коррекции показаний расходомера на изменение плотности раствора, позволяющим с более высокой точностью определять как объемный (3), так и массовый (4) расход жидкости.
Предлагаемый способ автоматического контроля скорости потока жидкостей позволит при контроле технологических процессов бурения и цементирования скважин получать более достоверные результаты измерений.