СИСТЕМА ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА И СВОЙСТВ БУРОВОГО И ЦЕМЕНТНОГО РАСТВОРА

Полезная модель относится к измерительной технике и может использоваться для измерения расхода и свойств растворов, в частности, в нефтегазодобывающей отрасли для контроля расхода и свойств бурового и цементного раствора при бурении скважин и их цементировании.
Качество строительства эксплутационных и разведочных скважин на нефть и газ в значительной мере зависит от свойств бурового раствора, на котором производится бурение скважин, а также от качества цементирования обсадных колонн. Контроль за параметрами бурового и цементного раствора производится путем отбора проб и анализа на существующих для полевых условий приборах по утвержденным методикам (Булатов А.И., Пенько, А.П., Проселков Ю.М., Справочник по промывке скважин, М.: Недра, 1984). При этом в лучшем случае только в течение 30% от общего времени циркуляции бурового раствора через скважину параметры этого раствора находятся под контролем (Черников Ц.Ц., Волченко Ю.А., Шевлюк В.В., и др., Повышение качества строительства скважин, «Газовая промышленность», октябрь, 2001, с.44-46). Для успешного и качественного проведения процесса бурения скважины необходимо в течение всего времени циркуляции раствора через скважину, непрерывно или дискретно, через каждые 5-10 минут измерять, а затем поддерживать в заданных пределах следующие параметры бурового раствора: плотность, температуру, минерализацию (электрическую проводимость), содержание твердой фазы, водоотдачу, вязкость, расход раствора через скважину, давление в манифольде, коэффициент гидравлических потерь в скважине.
Известны приборы наземного контроля в виде пультов контроля бурения ПКБ-3-160 и ПКБ-3-200 (Справочник инженера по бурению, Т. 1, под ред. Мищевича В.И., Сидорова Н.А., М.: Недра, 1973), в состав которых входит электромагнитный расходомер РГР-7 и измеритель давления в манифольде. Известна также система контроля и управления бурением СКУБ (Демихов В.И. Средства измерения параметров бурения скважин. Справочное пособие. М.: Недра, 1990). Известны станции геолого-технологических исследований (Лукьянов Э.Е., Стрельченко В.В. Геолого-технологические исследования в процессе бурения. М.: Нефть и газ, 1997). Недостатком всех известных систем является
то, что они не решают задачу оперативного контроля параметров бурового раствора. Кроме того, они имеют ограниченный набор определяемых параметров и не определяют такие параметры, как водоотдача, вязкость, концентрация твердой фазы, а также плотность под высоким давлением.
Известна станция контроля процесса цементирования СКЦ-2М (Справочник инженера по бурению. Т1. Под редакцией В.И.Мищевича, Н.А.Сидорова - М.: Недра, 1973), регистрирующая расход электромагнитным расходомером РГР-7 (РГР-100), давление в линии нагнетания и плотность, определяемую однозондовым компенсационным гамма-плотномером. В модификации станции СЩ-ЗМ гамма-плотномер заменен на вибрационно-массовый плотномер, плохо приспособленный для работы с цементными растворами. Данные станции контроля также имеют ограниченную область применения.
Наиболее близкими к предлагаемой системе измерения расхода и свойств бурового и цементного раствора являются: информационно-измерительный комплекс КИБР, осуществляющий контроль процесса бурения скважин и компьютеризированная информационно-измерительная станция контроля параметров процесса цементирования скважин КСКЦ-01 (Волченко Ю.А. Информационно-измерительные системы для экспрессного контроля процессов бурения и цементирования нефтегазопромысловых и нефтегазоразведочных скважин. // Изв. ТПУ, том 305, Томск, 2002, вып.5, с.58-66.). Данные измерительные системы содержат датчики давления и температуры, измеритель плотности раствора, расходомер, измеритель проводимости раствора, вычислительное устройство, информационное табло.
К недостаткам этих измерительных систем можно отнести наличие большого количества источников ионизирующего излучения, требующих регистрации в органах Санэпиднадзора (в комплексе КИБР содержится 3 источника гамма-излучения, 3 источника нейтронов; в станции КСКЦ-01 -5 источников гамма-излучения), что резко снижает их привлекательность у потенциальных потребителей, а также наличие большого количества измерительных блоков, что серьезно усложняет их монтаж при производстве работ и увеличивает стоимость системы
Задачей предлагаемой полезной модели является создание системы измерения расхода и свойств бурового и цементного раствора с расширенным комплексом измеряемых параметров по сравнению с известными системами, а также повышение надежности работы системы и снижение ее стоимости за счет упрощения конструкции.
Сущность предлагаемой полезной модели состоит в том, что в системе измерения расхода и свойств бурового и цементного раствора, содержащей датчики давления и
температуры, измеритель плотности раствора, расходомер, измеритель проводимости раствора, вычислительное устройство, информационное табло предлагается указанные датчики давления и температуры, измеритель плотности раствора, измеритель проводимости раствора, вычислительное устройство компактно разместить в одном измерительном модуле, устанавливаемом в основной трубопровод, при этом в измерительный модуль ввести измеритель перепада давления на сужающем устройстве, измеритель плотности раствора выполнить в виде двухзондового гамма-плотномера с низкофоновым источником гамма-излучения, обеспечить наличие в вычислительном устройстве функции определения и вычисления по заданному алгоритму объемного расхода раствора, массового расход раствора, плотности раствора, электропроводности или минерализации раствора, температуры раствора, давления в системе, содержания твердой фазы в растворе, коэффициента гидравлических потерь в скважине, измерительный модуль соединить через информационный кабель с информационным табло для контроля процесса бурения или цементирования.
Низкофоновый источник гамма-излучения двухзондового гамма-плотномера может быть выполнен в виде контейнера с засыпкой безопасного в радиационном отношении низкофонового природного материала-сильвина (КСl) или фосфорита.
Детекторы двухзондового гамма-плотномера с низкофоновым источником гамма-излучения могут быть выполнены в виде сцинтиляционных детекторов с фотоэлектронными умножителями, установлены на высокопрочной вставке из стеклопластика в измерительный модуль и защищены от влияния космического фона освинцованной резиной.
Измеритель перепада давления на сужающем устройстве может быть выполнен в виде датчика дифференциального давления.
Измеритель электрической проводимости раствора может быть выполнен в виде четырех кольцевых электродов, контактирующих с раствором, изолированных от корпуса измерительного модуля, два из которых (крайние) являются питающими, два средних - измерительными.
Измерители давления и температуры могут быть выполнены в виде одного комплексного высокоточного датчика давления и температуры.
Измерительный модуль может дополнительно содержать блок электроники, блок энергонезависимой памяти и блок аварийного аккумуляторного питания, обеспечивающий работоспособность системы при отключении питания на срок до 24 часов.
Измерительный модуль может быть выполнен в виде стального цилиндра переменного диаметра, содержащего в своем составе стеклопластиковую вставку, заканчивающуюся с обеих сторон фланцами или быстроразъемными соединениями для монтажа измерительного блока в линию высокого давления (манифольд) буровой установки или в линию высокого давления цементировочных агрегатов; во внутренней части измерительного блока расположены сужающее устройство в виде шайбы, внутренний диаметр которой равен внутреннему диаметру подводящего трубопровода, и четыре кольцевых электрода для измерения электрической проводимости раствора, на наружной поверхности измерительного модуля и в объеме между наружной поверхностью измерительного модуля и защитным кожухом, оборудованным съемными крышками, установлены контейнер с засыпкой сильвина (КСl) или фосфорита, детекторы гамма-излучения, датчики давления и температуры, блок электроники, вычислительное устройство (контроллер), блок твердотельной энергонезависимой памяти, блок аварийного аккумуляторного питания.
Измерительный модуль может дополнительно содержать каналы связи для записи информации в твердотельную энергонезависимую память и передачи информации на рабочее место бурового мастера (технолога), супервайзера и т.д. На фиг.1 представлена схема предлагаемой в качестве полезной модели системы
измерения расхода и свойств бурового и цементного раствора. На фиг.2 приведена схема работы двухзондового гамма плотномера.
Система измерения расхода и свойств бурового и цементного раствора, показанная на рисунке (фиг.1), содержит измерительный модуль 1 и информационное табло 2, соединенные между собой информационным кабелем 3.
Измерительный модуль 1 выполнен в виде стальной трубы 4 переменного диаметра с присоединительными патрубками 5 и 6, имеющей в средней части высокопрочную стеклопластиковую вставку 7 с металлическими законцовками 8, на концах трубы 4 установлены фланцевые соединения 9, 10, предназначенные для встраивания модуля в линию высокого давления (манифольд) буровой установки или в линию высокого давления цементировочной обвязки, идущей на цементировочную головку, внутренний диаметр присоединительных патрубков 5, 6 трубы 4 равен внутреннему диаметру линии высокого давления, внутренний диаметр средней части стальной трубы 4 и стеклопластиковой вставки 7 превышает внутренний диаметр линии высокого давления. В средней части трубы 4 установлено сужающее устройство 11 расходомера переменного
перепада давления в виде шайбы (дросселя), внутренний диаметр которого не превышает внутреннего диаметра соединительных патрубков 5, 6 и линии высокого давления.
Измерительный модуль 1 содержит измеритель электрической проводимости раствора в виде четырех тонких кольцевых электродов 12, 13, 14, 15, размещенных внутри трубы 4 в диэлектрическом стеклопластиковом цилиндре 16. имеющем с наружной стороны изоляцию 17, предотвращающую контакт электродов с поверхностью металлической трубы 4; двухзондовый гамма-плотномер, состоящий из источника 18 гамма-излучения в виде контейнера с засыпкой КСl или фосфорита и двух сцинтиляционных детекторов 19, 20 гамма-излучения, содержащих кристаллы NaJ (Т1) или CzJ и фотоэлектронные умножители (ФЭУ), и образующих по отношению к источнику 18 «малый» и «большой» зонды гамма-плотномера; три комплексных прибора 21, 22, 23, каждый из которых объединяет кварцевый высокоточный датчик давления и кварцевый высокоточный датчик температуры; блок 24 электроники, вычислительный блок 25 (контроллер), блок 26 энергонезависимой твердотельной памяти, блок 27 аварийного аккумуляторного питания.
Измерительный модуль 1 закрыт прочным герметичным кожухом 28, имеющим крышки 29, 30.
На стенке кожуха 28 установлены герметичный силовой разъем 31 для подачи питания от сети 220В, разъем 32, через который измерительный модуль 1 посредством информационного кабеля 3 связан с информационным табло 2 и разъем 33, через который информация передается на другие рабочие места на буровой или на верхний уровень управления.
Система измерения расхода и свойств бурового и цементного раствора работает следующим образом.
Измерительный модуль 1 фланцевыми или быстроразъемными соединениями 9, 10 монтируют в линию высокого давления (манифольд) буровой установки или в линию высокого давления цементировочной обвязки, идущей на цементировочную головку. При прохождении потока бурового и цементного раствора через трубу 4 (в направлении указанном на фиг.1 и фиг.2 стрелкой) на сужающем устройстве 11 создается перепад давления.
Комплексный прибор 21 измеряет значения давления и температуры потока. Аналогичные комплексные приборы 22 и 23, установленные в законцовке 8 и в трубе 4 измеряют давление и температуру до и после сужающего устройства 11. При этом в отличие от прибора 21, измеряющего мгновенные значения давления и температуры, частотные сигналы по давлению с приборов 22 и 23 с корректировкой по температуре,
измеряемой этими же приборами, накапливаются с постоянной времени от 100 до 600с, перепад давления определяется по разнице накопленных значений давления приборов 22 и 23 за время усреднения с обновлением показаний перепада давления через 10 с по правилу «скользящего среднего».
Для измерения электрической проводимости растворов на водной основе, являющейся функцией их минерализации, используют четырехэлектродную кондукто метрическую схему на базе тонких кольцевых электродов 12, 13, 14, 15. Электроды 12, 13, 14, 15, расположенные в диэлектрическом стеклопластиковом цилиндре 16, контактируют с раствором и в то же время отделены изоляцией 17 от трубы 4, при этом два крайние электрода 12 и 15 являются питающими, два средних электрода 13 и 14 - измерительными. Питание крайних электродов 12 и 15 производится переменным током с частотой 400-ЮООГц, а расстояния между кольцевыми электродами подбирают таким образом, чтобы сигнал, снимаемый со средних измерительных электродов 13 и 14, был прямо пропорционален проводимости раствора (или его минерализации).
3
m
б
Плотность раствора измеряют двухзондовым гамма-плотномером, схема работы которого показана на рисунке (фиг.2). В качестве источника 18 ионизирующего гамма-излучения используется контейнер с засыпкой безопасного в радиационном отношении низкофонового природного минерала - сильвина (КСl) или фосфорита. Измерение плотности производят бесконтактно через стенки высокопрочной стеклопластиковой вставки с низким коэффициентом поглощения гамма-излучения (плотность стеклопластика 1800-2000кг/м) по двухзондовой высокочувствительной помехоустойчивой схеме. Источник 18 гамма-излучения испускает гамма-кванты, которые проникают через стенки стеклопластиковой вставки 7, внутри которой протекает буровой или цементный раствор, ослабляются и регистрируются двумя детекторами 19, 20, размещенными на различных расстояниях L и L от источника 18 гамма-излучения.
Электрические сигналы с измерительных электродов 13,14, детекторов 19, 20 гамма-плотномера, комплексных приборов 21, 22, 23 поступают на вход блока 24 электроники, где происходит их усиление и преобразование в цифровой код. С выхода блока 24 электроники преобразованные сигналы поступают на вход вычислительного блока 25, в котором на основе калибровочных данных определяют температуру раствора, давление в системе, и вычисляют с использованием заданных алгоритмов плотность раствора, объемный расход раствора, массовый расход раствора, электропроводность или минерализацию раствора, коэффициент гидравлических потерь в скважине, содержание твердой фазы в растворе.
Вычисление плотности раствора производят по выражению:
где А - переходный коэффициент,
m
J - показания детектора 19 «малого» зонда гамма-плотномера,
б
L - показания детектора 20 «большого» зонда гамма-плотномера.
m
б
3
Например, для длины малого зонда L=170 мм и длины большого зонда L=400 мм плотность в диапазоне 1100-1800кг/м с погрешностью не более ±0,1% аппроксимируется выражением:
Вычисление объемного расхода производят по выражению:
где ΔР - перепад давления, зарегистрированный по разнице показаний комплексных приборов 21 и 22,
ρ - плотность, вычисленная по выражению (1),
m - модуль сужающего устройства 11,
2
m=(d/D),
где d - внутренний диаметр шайбы сужающего устройства 11,
D - внутренний диаметр трубы 4 до сужающего устройства 11,
o
k
α  - коэффициент объемного расхода, определяемый по результатам калибровки.
Массовый расход вычисляют по выражению:
m
k
где α  - коэффициент массового расхода, определяемый по результатам калибровки.
Вычисление коэффициента гидравлических потерь при циркуляции раствора в скважине производится по выражению:
где
Р - давление в системе, определяемое по показаниям прибора 20.
Вычисление содержания твердой фазы в растворе производят по выражению:
тф
тф
3
3
где ρ  -плотность твердой фазы (глина, цемент и т.д.), кг/м (например, для глины ρ=2600кг/м);
р
ρ - плотность раствора, вычисляемая по выражению (1);
ж
в
σ
3
ρ=ρ+Δρ-плотность жидкости, кг/м
в
3
где ρ=1000 кг/м - исходная плотность воды;
σ
σ
Δρ - добавка плотности жидкости к исходной плотности воды, появляющаяся за счет растворения в ней солей, определяемая по значению проводимости раствора на основе значений функции Δρ=f(σ), записанных в память контроллера. Результаты измерений и вычислений, полученные в вычислительном блоке 25 заносятся в блок 26 энергонезависимой твердотельной памяти и параллельно выводятся через разъем по информационному кабелю 3 на информационное табло 2, расположенное на рабочем месте бурильщика или руководителя работ по цементированию. На информационном табло 2 цифровые индикаторы отображают следующую информацию: объемный расход раствора, массовый расход раствора, плотность раствора, электропроводность или минерализацию раствора, температуру
раствора, давление в системе, содержание твердой фазы в растворе, коэффициент гидравлических потерь в скважине, календарное время. Система имеет два варианта программного обеспечения для вычислительного блока, соответствующих работе с буровым или цементным растворами, выбор режимов работы осуществляют переключением тумблера на информационном табло 2.
Одновременно с передачей данных на информационное табло 2, информация по требованию может быть передана по линиям связи через разъем 33 и соответствующий интерфейс на рабочее место бурового мастера, супервайзера, в станцию геолого-технологических исследований, в станцию контроля процесса цементирования и на верхний уровень управления буровыми работами (на фигурах не показано).
Прочный герметичный кожух 28, имеющий крышки 29 и 30 для доступа к измерительным приборам, обеспечивает надежную защиту измерительного модуля, и позволяет использовать систему, как для контроля процесса бурения, так и для контроля процесса цементирования.
Блок 27 аварийного аккумуляторного питания обеспечивает работоспособность системы при отключении питания на срок до 24 часов.
Таким образом, предложенная полезная модель обеспечивает возможность измерения расхода и свойств любых буровых и цементных растворов (в том числе и непроводящих, при использовании которых электромагнитный расходомер не работает) без применения высокоактивных источников ионизирующего излучения, требующих регистрации в органах Санэпиднадзора. Концентрация всех измерителей в одном измерительном модуле повышает надежность работы системы и существенно снижает ее стоимость.