СПОСОБ ПРОВЕДЕНИЯ ГАЗОГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF GAS-HYDRODYNAMIC SURVEY AND PLANT FOR ITS IMPLEMENTATION

Группа изобретений относится к области газовой промышленности и может быть использована для проведения газогидродинамических исследований движения газожидкостных потоков с включением механических примесей, например, процессов добычи газа в нефтегазовой отрасли, связанной с изучением процессов движения газожидкостных потоков в вертикальных, наклонных трубопроводах и отдельных устройствах.
Из уровня техники известен способ проведения газогидродинамических исследований скважин (патент РФ №2159850, Е21В 47/00, 27.11.2000), согласно которому осуществляют измерение давления, температуры, дебита на стационарных и нестационарных режимах фильтрации. В процессе последовательной смены режимов в рамках одного исследования непрерывно измеряют частоту сигналов первичного преобразователя, пропорциональную измеряемым параметрам газа, методом зависимого счета. При этом число импульсов измеряемой частоты, задающее длительность интервала счета импульсов опорной частоты, рассчитывают по математической формуле. Определяют начало и окончание каждого режима по трем и более последовательно поступающим сигналам и изменяют алгоритм обработки данных. Результаты обработки и измерений записывают. Вместе с сигналами об ошибках, вырабатываемых при выходе результатов за заданные пределы, результаты измерений подают на блок визуализации, откуда выводят информацию в режиме "реального времени".
Наиболее близким к предлагаемому решению является способ газогидродинамических исследований скважин (патент РФ №2232266, Е21В 47/00, 10.07.2004), который включает измерение давления, температуры и дебита газа на установившихся режимах работы скважины, обработку результатов и определение экспериментальных коэффициентов индикаторных линий. При этом рассчитывают дебиты для каждого режима по коэффициентам индикаторных линий текущего исследования и определяют показатель, характеризующий их отклонение от значений дебитов, полученных в результате измерений. Затем по коэффициентам индикаторных линий, полученным при обработке предыдущих исследований, рассчитывают для каждого режима дебиты и определяют показатель, характеризующий их отклонение от дебитов, рассчитанных по коэффициентам индикаторных линий текущего исследования. Если оба показателя меньше заданных значений, исследования завершают, а если один или оба показателя больше или равны заданным значениям проводят дополнительные исследования для уточнения характеристик скважины. Недостаток известного способа состоит в том, что в нем отсутствует возможность определения количества жидкости, находящейся в скважине во время проведения исследований, особенно в режиме работы скважины без выноса жидкости к устью. Также известный способ не позволяет установить зависимость влияния находящейся в скважине жидкости на суммарные потери давления. Кроме того, отсутствует возможность визуального наблюдения процессов при проведении исследований.
Из уровня техники известен стенд для исследования условий подъема жидкости с использованием газа из скважин газовых, конденсатных и нефтяных месторождений (RU 48580, U1, опубл. 27.10.2005). Известный стенд предназначен для изучения условий подъема газа и жидкости по лифтовым колоннам труб. Стенд включает одну или нескольких колонн труб различного диаметра, узел подачи и регулирования расхода жидкости, средство подачи и регулирования расхода газа, в состав которого входит компрессор, устройство ввода в колонну и отвода из колонны газожидкостной смеси, сепаратор, имеющий выходы для жидкости и газа, средство отвода жидкости и газа из установки. Трубопровод снабжен патрубком избыточного давления газа и патрубком сброса газа. В известном решении отсутствует возможность визуального наблюдения за проведением исследований что, в свою очередь, негативно отражается на достоверности и точности результатов проводимых экспериментов.
Из уровня техники известен стенд для исследования условий подъема жидкости с использованием газа (RU 118354, U1, опубл. 20.07.2012), который является наиболее близким к предлагаемому техническому решению. Известный стенд включает лифтовую колонну труб, узел подачи и регулирования подачи жидкости, средство подачи и регулирования расхода газа. В состав последнего входит компрессор, устройство ввода в колонну и отвода из колонны, сепаратор, приборы измерения давления в лифтовой колонне труб, установленные на входе в лифтовую колонну труб или на выходе из лифтовой колонны труб. Кроме того, в известном стенде входы жидкости и газа в устройстве ввода расположены таким образом, чтобы исключить перетекание жидкости из трубопровода подачи жидкости в трубопровод подачи газа за счет размещения входа жидкости ниже входа газа. Однако известный стенд также не позволяет провести качественный анализ процессов, проходящих в объеме и по длине лифтовой колонны труб и по трубопроводу, и не позволяет обнаружить детали и общие характеристики исследуемых в колонне потоков.
Задача, решаемая предлагаемой группой изобретений, заключается в разработке способа газогидродинамических исследований, проходящих в лифтовой колонне труб, и создании устройства для его осуществления, позволяющих оперативно контролировать характеристики потока рабочей среды и модели продуктивного пласта.
Технический результат группы изобретений заключается в обеспечении возможности наблюдения количественных изменений и улучшении качества визуализации происходящих в объеме и по высоте лифтовой колонны труб процессов, следовательно - повышении точности результатов проводимых газогидродинамических экспериментов и уменьшении времени их анализа.
Сущность способа проведения газогидродинамических исследований заключается в измерении давления, температуры, расхода вещества на установившихся режимах работы, и последующей обработке результатов проведенных измерений. Испытания проводят на установке, оборудованной лифтовой колонной труб, предназначенной для заполнения рабочим веществом с заданным составом, по крайней мере, один участок которой выполнен из прозрачного материала. После запуска установки и стабилизации режима работы синхронизируют снятия показаний измерительной аппаратуры и фоторегистрацию течения потока на, по крайней мере, одном прозрачном участке лифтовой колонны труб, получая панорамное изображение, и фиксируя показания измерительной аппаратуры. Обрабатывая полученные изображения, проводят идентификацию и определяют размеры газожидкостных и/или сухих пробок и/или расстояний между ними, и/или отдельных частиц, выявленных в лифтовой колонне труб, повторяют исследования при измененных условиях эксперимента.
Дополнительно рабочее вещество может быть обработано флуоресцентным материалом. При этом идентификацию и определение размеров газожидкостных и/или сухих пробок и/или расстояний между ними, и/или отдельных частиц, выявленных в лифтовой колонне труб, осуществляют по интенсивности и оттенкам свечения рабочего вещества.
При фоторегистрации течения потока, проходящего внутри лифтовой колонны труб, по крайней мере, один прозрачный участок облучают ультрафиолетовым источником излучения.
Обработку полученных изображений производят методом аддитивной цветовой модели RGB.
Установка для осуществления способа включает, по крайней мере, одну лифтовую колонну труб, узел подачи и регулирования подачи жидкости, узел подачи и регулирования расхода газа, связанный с устройствами ввода в колонну и отвода из колонны. Стенд дополнительно содержит, по крайней мере, один источник излучения, установленный с возможностью освещения лифтовой колонны труб в диапазонах видимого и/или ультрафиолетового спектра. По крайней мере, один участок лифтовой колонны труб изготовлен из прозрачного материала с нанесенными на нем делениями. По крайней мере, один фоторегистратор, предназначен для записи панорамных изображений в память блока обработки информации и передачи и отображения изображений, полученных на прозрачном участке лифтовой колонны труб, на экране монитора и/или люминесцентном экране с нанесенными на нем мерными шкалами. Блок обработки информации снабжен программой графического редактора и предназначен для задания режимов работы установки и обработки информации, синхронно получаемой через интерфейс передачи информации от измерительных приборов, установленных, по крайней мере, в верхнем, нижнем и на прозрачном участках лифтовой колонны труб и, по крайней мере, от одного фоторегистратора.
Установка дополнительно содержит устройство отвода из колонны газожидкостной смеси связано с узлом подачи и регулирования расхода газа через сепаратор, выход для жидкости которого соединен посредством трубопровода подачи жидкости с устройством ввода в колонну через узел подачи и регулирования подачи жидкости, выход для газа сепаратора посредством трубопровода подачи газа соединен с узлом подачи и регулирования расхода газа, который снабжен, по крайней мере, компрессором, одним патрубком избыточного давления газа и одним патрубком сброса газа. Входы жидкости и газа устройства ввода в колонну установлены на разной высоте с тем, чтобы исключить перетекания жидкости из трубопровода подачи жидкости в трубопровод подачи газа. Выход узла подачи и регулирования расхода газа связан трубопроводом подачи газа с устройством ввода в колонну. Сливной патрубок установлен на выходе устройства ввода в колонну.
Группа изобретений поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен пример осуществления установки для проведения газогидродинамических исследований, а на фиг.2 показан вид сверху предлагаемой установки, поясняющий расположение элементов установки относительно друг друга.
В состав установки (фиг.1, 2) для исследования газогидродинамических процессов, входят:
- лифтовая колонна труб (1), выполненная из прозрачного материала и устанавливаемая в вертикальном или наклонном положении;
- в верхней и нижней частях лифтовой колонны труб установлены устройства ввода в колонну (2) и отвода из колонны (3) соответственно;
- узел подачи и регулирования расхода газа (4), состоящий из компрессора (5) и запорно-регулирующей арматуры;
- сепаратор (6);
- узел подачи и регулирования подачи жидкости (7), работающий по замкнутому циклу;
- трубопроводы подачи газа (8) и жидкости (9) соответственно;
- источники излучения (10), которые могут работать как в диапазонах видимого, так и ультрафиолетового спектров, в качестве последнего могут быть использованы ультрафиолетовые лампы или лазерные излучатели;
- фоторегистратор (11), предназначенный для съемки изображений, полученных с помощью предлагаемого стенда под воздействием источника излучения (10) в диапазонах ультрафиолетового спектра, в качестве фоторегистратора (И) могут быть применены фотопленка, либо позиционно чувствительный детектор, либо люминесцентный экран, либо цифровая видеокамера;
- сливной патрубок (12);
- измерительная линейка (13) или люминесцентный экран (14) с нанесенными на них делениями, мерные шкалы линейки (13) экрана (14) обрабатывают люминесцентными веществами, линейка предназначена для обеспечения ее видимости при отсутствии источника внешнего освещения, а также для идентификации размеров газожидкостных пробок, сухих пробок, расстояний между ними с помощью движущихся трассеров;
- экран (14) предназначен для проецирования на нем изображений, полученных фоторегистраторами (11);
- блок (15) обработки информации (БОРГ), который может быть реализован с помощью персонального компьютера (ПК) и RS-232 - интерфейса передачи информации между двумя устройствами, с установленной на ПК программой графического редактора (например, GIMP, CorelDraw и др.);
- измерительная аппаратура (на чертежах не показана), включает расходомеры газа и жидкости, преобразователи разности давлений, датчики давлений, датчики температуры, которые могут быть установлены по высоте лифтовой колонны труб.
Во время работы стенд подключают к источнику газа высокого давления патрубком подачи избыточного давления газа. Затем открывают запорно-регулирующие устройства и заполняют все устройства стенда газом до установления заданного давления. Величину давления контролируют показаниями приборов для измерения давления, установленных на входе в лифтовую колонну труб (1) и/или на ее выходе, в нижней и/или верхней ее частях, и/или на каком-либо другом ее участке. После того, как давление газа в стенде достигнет заданного значения, включают в работу компрессор (5). При этом газ из сепаратора (6) всасывается в компрессор (5), а затем подается через прибор измерения расхода газа и устройство ввода в колонну (2) в нижнюю часть лифтовой колонны труб (1). Газ, поступивший в лифтовую колонну труб (1), поднимается по ней вверх и через устройство (3) отвода из колонны по трубопроводу поступает в сепаратор (6), а затем в компрессор (5). Газ, заполняющий стенд, начинает циркулировать по стенду в замкнутом цикле.
Работа на установке может выполняться в различных режимах: без жидкости - в «сухом» режиме, с песком или без него, или с жидкостью - в «мокром» режиме, с песком или без него.
В случае необходимости в установку также могут подаваться механические примеси, например, песок, обработанный флуоресцентными материалами (при наличии песка различных фракций, каждая фракция обрабатывается отдельным цветом), обеспечивая визуальное наблюдение распределения фракций песка в осевом и радиальном направлении в лифтовой колонне труб.
Для калибровки в статическом состоянии, в лифтовую колонну труб (1) засыпают или заливают фиксированное для конкретного эксперимента количество песка, или жидкости или их смеси. Включают источник излучения (10). При помощи фоторегистратора (11) производят съемку участка, заполненного песком, или жидкостью, или их смесью, захватывая в кадр часть прилегающего участка без песка, или жидкости, или их смеси соответственно. Полученные изображения участка лифтовой колонны труб, заполненного песком, или жидкостью, или их смесью соответственно, и прилегающих к нему участков передают в блок обработки информации (15). При помощи графического редактора сначала производят процедуру калибровки, а затем обработку первичного изображения методом аддитивной цветовой модели RGB (смешения красного, зеленого и синего), описывающей цвет сложением трех базовых цветов как в зоне наличия песка или жидкости, или их смеси, так и в прилегающих зонах, получая, таким образом, цветовую модель RGB в зоне, заполненной песком и в прилегающей зоне, где песок отсутствует. Для исследования потока в динамических условиях в нижнюю часть лифтовой колонны подают газ и/или песок, и/или жидкость, или их смесь. На входе в лифтовую колонну труб (1) посредством БОИ (15) задают необходимые технологические параметры работы стенда, такие как температуру, давление, расход газа или жидкости, или необходимое количество песка. Наблюдая за проводимым экспериментом и фиксируя минимальные изменения, происходящие в заданном диапазоне параметров, таких как давление, расход газа или жидкости, температуру внутри лифтовой колонны труб и окружающей среды, разность давлений в верхней и нижней частях лифтовой колонны труб, снимают и записывают показания приборов на входе, выходе и по всей высоте лифтовой колонны труб (1), до тех пор, пока в стенде не установится стабильный режим. Измерения технологических параметров - давление, расход газа или жидкости, температуру, разность давлений на входе, выходе и по всей высоте лифтовой колонны труб (1), проводят на протяжении всего эксперимента. Одновременно осуществляют фоторегистрацию процесса по всей высоте лифтовой колонны труб (1) с помощью фоторегистраторов (11) с частотой, например, от 1 до 1000 кадров в секунду. Частота предварительно рассчитывается с помощью блока обработки информации (15), исходя из условия, при котором между двумя зарегистрированными кадрами пройденное потоком расстояние составляет, например, не более, чем 1-2 см как для сонаправленных, так и для противоточных режимов течения. БОИ управляет синхронной работой измерительных приборов и фоторегистраторов. Зная диаметр лифтовой колонны труб, можно определить усредненную скорость движения потока на любом участке лифтовой колонны труб. Измеренные технологические параметры и отснятые графические изображения передаются в блок обработки информации (15) и сохраняются в памяти БОИ (15).
После получения необходимого количества измерений все параметры фиксируются в памяти БОИ, при этом проводится не менее 20 замеров. Затем либо изменяют с помощью БОИ (15) режимы заданных параметров эксперимента, например давления, расхода газа или жидкости, температуры или разности давлений в верхней и нижней частях лифтовой колонны труб, либо проводят дальнейшие наблюдения до тех пор, пока в стенде не установится стабильный режим, либо останавливают работу стенда и переходят к обработке полученной информации. При каждом режиме работы стенда, фиксируемые технологические параметры и графические изображения сохраняются в памяти БОИ (15).
Во время проведения конкретного эксперимента замеры давления на заданных участках лифтовой колоны труб (1) осуществляют манометрами или дифференциальными манометрами. По меньшей мере, отдельный участок лифтовой колонны труб или вся колонна может быть выполнена из прозрачного материала с нанесенными на нем делениями. Эксперименты могут проводиться при незначительном (либо полностью отсутствующем) источнике внешнего освещения. С помощью фоторегистратора при проведении фото- и/или видеорегистрации протекающего в стенде процесса синхронно проводят заданные протекающим экспериментом измерения параметров процесса. Излучатель располагают таким образом, чтобы излучение не передавалось на фоторегистратор (фиг. 2). Т.е. объектив (линза камеры) должен находиться «в тени». Установленный за лифтовой колонной труб экран, обработанный люминесцентными веществами, обеспечивает более контрастное представление происходящего процесса в рабочем устройстве. Цвет экрана подбирается таким образом, чтобы получить лучшее представление цветовой гаммы процесса, проходящего в лифтовой колонне труб. Сбоку вдоль лифтовой колонны труб может быть установлена измерительная линейка, шкала которой также обработана люминесцентными веществами, и/или экран, имеющий на своем поле вертикально и горизонтально расположенные деления. Шкала линейки может быть дополнительно обработана люминесцентными веществами для обеспечения ее видимости при отсутствии источника внешнего освещения, а также для идентификации размеров (газожидкостных пробок, сухих пробок, отдельных частиц, расстояний между ними и т.п.). В результате может быть получено изображение движущегося потока на фоне делений шкалы экрана и/или линейки. При проведении эксперимента могут быть исключены источники внешнего освещения (лампы, окна, естественное освещение и т.п.) и включены источники излучения. После этого могут быть произведены замеры фиксируемых параметров (давления, расходы, скорости, температуры).
По окончании требуемых измерений могут быть также изменены технологические параметры режима работы стенда: давление, расходы газа - с помощью компрессора (5), и жидкости - с помощью насоса. Можно прекратить работу стенда, удаляя жидкость и песок из колонны через сливной патрубок (12) с запорным устройством, находящиеся в нижней части лифтовой колонны труб в систему утилизации.
;
i
Для каждого из перечисленных выше режимов с помощью БОИ производят обработку полученных с помощью фоторегистраторов графических материалов. Определяя значения RGB вдоль лифтовой колонны труб (1) и сопоставляя полученные значения со значениями параметров, полученных при калибровке, определяют места нахождения пробок в лифтовой колонне (1). Проецируя данные участки на линейку (13) на графических изображениях, можно определять высоту каждого участка Н в лифтовой колонне труб (1). Суммируя высоту всех участков H, получают общую высоту пробки Н, находящейся в лифтовой колонне (1):
i
H=ΣH.
ж
С помощью БОИ вычисляют количество жидкости, песка или смеси, стекающей вниз вдоль лифтовой колонны труб (1), как разность между количеством жидкости, поступившей (Q) в лифтовую колонну труб (1), и количеством стекающей жидкости, занимаемой на общей высоте пробки Н.
<mrow><msub><mi>Q</mi><mrow><mi>с</mi><mi>т</mi><mi>е</mi><mi>к</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>Q</mi><mi>ж</mi></msub><mo>−</mo><mfrac><mrow><mi>π</mi><mo>⋅</mo><msup><mi>d</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mn>4</mn></mfrac><mo>⋅</mo><mi>H</mi><mo>,</mo></mrow>
cтeк
3
где Q - количество жидкости, стекающей вниз по внутренней стенке лифтовой колонны, (м или л);
ж
3
Q - количество жидкости, залитой в лифтовую колонну, (м или л);
d - внутренний диаметр лифтовой колонны труб, м;
H - общая высота пробки, м.
Таким образом, предлагаемая группа изобретений позволяет проводить наблюдения количественных изменений с улучшенным качеством визуализации происходящих в объеме и по высоте лифтовой колонны труб и трубопровода процессов, следовательно, - повысить точность результатов проводимых экспериментов.