СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПАРАМЕТРА ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ В СКВАЖИНЕ
METHOD AND DEVICE TO MEASURE TECHNOLOGICAL PARAMETER OF FLUID MEDIUM IN WELL

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0001] Настоящее изобретение относится к измерениям, выполняемым в скважинах. Конкретнее, настоящее изобретение относится к измерению технологических параметров текучей среды в зоне забоя в скважине.
[0002] Глубокие скважины являются известным сооружением для добычи текучей среды из недр земли. Техника бурения скважины относится к самой передовой технике, и разработано много методик увеличения глубины скважин и также много их конфигураций.
2
[0003] Во время бурения и эксплуатации глубоких скважин, таких как нефтяные скважины, часто возникает необходимость измерения технологических параметров текучей среды на месте заложения "в зоне забоя" скважины. Такие технологические параметры включают в себя давление и температуру. Вместе с тем, зона забоя глубокой скважины может иметь весьма неблагоприятную окружающую среду. Давления могут превышать 15000 фунт/дюйм (105 МПа) и температуры могут достигать 375 градусов Фаренгейта (191°С). Кроме того, расстояние от поверхности до места заложения в зоне забоя глубокой скважины может быть значительным, например более 15000 фут (4575 м). Таким образом, установка измерительного оборудования в глубоком месте заложения в зоне забоя вызывает значительные трудности, и любое такое оборудование должно иметь достаточно прочную конструкцию, чтобы выдерживать неблагоприятные условия окружающей среды. Кроме того, данные любых измерений, проводящихся на месте заложения в зоне забоя скважины, должны передаваться на поверхность.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0004] Система датчиков для измерения технологического параметра текучей среды в первом местоположении, включающая в себя резонатор параметра, расположенный в первом местоположении и имеющий частоту резонанса, изменяющуюся в зависимости от технологического параметра текучей среды, который в ответ формирует резонансный акустический сигнал на частоте резонанса, указывающей технологический параметр. Акустический датчик, расположенный во втором местоположении, разнесенном с резонатором параметра, выполнен с возможностью приема резонансного акустического сигнала, передаваемого из резонатора параметра. Схема измерения, соединенная с акустическим датчиком, выполнена с возможностью передачи выходного сигнала технологического параметра, соответствующего технологическому параметру текучей среды, реагируя на принятый резонансный акустический сигнал.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0005] На Фиг.1 показана упрощенная схема сечения скважины.
[0006] На Фиг.2 показана схема ответного резонанса.
[0007] На Фиг.3 показана блок-схема устройства согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения для измерения параметра текучей среды в местоположении в зоне забоя в скважине.
[0008] На Фиг.4 показано сечение одного примера варианта осуществления резонатора параметра.
[0009] На Фиг.5 показан другой пример резонатора параметра, встроенного в стенку трубы.
[0010] На Фиг.6 показана схема камертона.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЛЛЮСТРАТИВНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
[0011] Скважины используются для извлечения текучих сред, таких как добываемая нефть, из мест заложения скважин под землей. Во время бурения скважин и во время других операций, может являться целесообразным измерение свойств текучей среды ("технологических параметров") на местах заложения "в зоне забоя" скважин. Технологические параметры включают в себя давление и температуру. Вместе с тем, измерение данных свойств может представлять значительную техническую проблему. Размещение электронного оборудования на месте заложения в зоне забоя скважины является возможным, но может быть дорогостоящим и ненадежным. Электроника часто теряет работоспособность при высоких температурах и давлениях, присутствующих во многих скважинах. Помещение электроники в герметичный корпус должно обеспечивать защиту электронных блоков от воздействия высоких давлений. Высокие температуры либо выводят батареи из строя или значительно сокращают срок службы батарей. Проводка с поверхности для электропитания и передачи данных является дорогостоящей и ненадежной.
[0012] Настоящим изобретением создана пассивная скважинная система измерения технологических параметров текучей среды. В одной конфигурации на месте заложения в зоне забоя скважины создается резонатор параметра, имеющий частоту резонанса, изменяющуюся в зависимости от технологического параметра скважинной текучей среды. Данную частоту резонанса можно измерять с использованием любой подходящей методики. В одном примере акустический источник на поверхности или удаленном местоположении направляет акустическую энергию в скважину на местоположение в зоне забоя. В другом примере акустическая энергия вырабатывается в самой скважине, например, потоком текучей среды в скважине. Резонансный акустический сигнал с резонатора параметра затем передается на поверхность. Резонансный сигнал имеет частотную составляющую, связанную с частотой резонанса резонатора параметра. Акустический датчик в местоположении на поверхности принимает резонансный сигнал. Электронная схема измерения выполнена с возможностью измерения резонансного сигнала, например частоты или амплитуды резонансного сигнала и создания выходного сигнала, соответствующего технологическому параметру скважинной текучей среды. Данная конфигурация обеспечивает измерение в режиме реального времени свойств скважинной текучей среды как во время бурения, так и во время эксплуатации скважины.
[0013] На Фиг.1 показана без соблюдения масштаба схема сечения конструкции скважины. В качестве примера ствол диаметром 40 дюймов (102 см) бурится до глубины 1000 футов (305 м), и ствол диаметром 16 дюймов (41 см) бурится до глубины 15000 футов (4575 м). Стальную трубу обсадной колонны 12 диаметром 30 дюймов (76 см) устанавливают до глубины 1000 футов (305 м), и стальную трубу обсадной колонны 14 устанавливают до глубины 15000 фут (4575 м). Цемент 16 заливается внутрь обсадных колонн на дно скважины (забой). В обсадных колоннах затем нагнетается давление, выдавливающее цемент вверх в кольцевое пространство между обсадной колонной и скважиной. Цемент 16 затвердевает и герметизирует скважину. Труба 20 затем устанавливается внутри обсадной колонны до забоя скважины. Пакер 22 устанавливается на забое скважины между трубой 20 и обсадной колонной 14. Пространство от пакера до поверхности заполняется надпакерной жидкостью 24 (например, водой или дизельным топливом). Заряды взрывчатого вещества 26 затем подрываются на месте установки под пакером для создания прохода через обсадную колонну и, например, в нефтяной пласт.
2
2
[0014] Как рассмотрено выше, среда на месте заложения в зоне забоя скважины может являться весьма неблагоприятной. В новых скважинах давление в забойной зоне может превышать 15000 фунт/дюйм (105 МПа). Если скважиной не управлять, это должно обуславливать "открытый фонтан под высоким давлением", поскольку давление в забойной зоне превышает гидростатическое давление, составляющее приблизительно 4000 фунт/дюйм (28 МПа). Кроме того, температуры в забойной зоне могут превышать 375°F (191°С).
[0015] Установка датчика на месте заложения в зоне забоя представляет серьезную техническую проблему. Весьма сложной является передача информации на поверхность с использованием проводов, оптоволоконного кабеля или беспроводных методик, таких как связи на радиочастотах. Питание электроэнергией устройств с поверхности может также являться проблемным, поскольку необходимо прокладывать длинные провода. Можно использовать автономные источники питания, такие как батареи, но они должны быть способны работать в тяжелых условиях. Само измерительное устройство также сложно разработать, поскольку оно должно выдерживать высокие давления и температуры.
[0016] В настоящем изобретении используется передача звука и характеристики акустического сигнала для определения параметра или технологических параметров скважинной текучей среды, таких как давление или температура. Скорость звука в газах, жидкостях и твердых телах является, в общем, прогнозируемой на основе плотности материала и его упругих свойств, называемых объемным модулем упругости. Упругие свойства вещества определяются количеством вещества, сжимающимся при данной величине наружного давления. Отношение изменения давления к доле объема сжатия называется объемным модулем упругости материала. Обычные скорости передачи акустического сигнала (скорости звука) в различных материалах являются следующими: в воде скорость распространения звука составляет 1482 м/с при 20°C, в нефти скорость распространения звука составляет 1200 м/с, в стали скорость распространения звука составляет 4512 м/с, и в сухом воздухе скорость распространения составляет 343 м/с при 20°C.
[0017] Ответный резонанс является гармоническим явлением, в котором пассивное тело реагирует на наружные вибрации, с которыми имеет сходство гармоники. Это можно продемонстрировать на простом примере, в котором имеются два аналогичных камертона. Один из камертонов установлен на твердом теле. Если другой камертон ударяется и вводится в контакт с твердым телом, вибрации передаются через тело, и установленный камертон должен резонировать. Данный пример показывает способ передачи и сохранения энергии между колебательными системами.
[0018] На Фиг.2 показана упрощенная схема передающего камертона 50 и принимающего камертона 52, соединенных с продолговатым корпусом 54, который можно считать трубой для использования в бурении. В данном примере камертоны 50 и 52 являются идентичными и соединяются с трубой 54, например, с помощью сварки. Если передающий камертон 50 ударить, аксиальная вибрация "A" должна вызывать одновременную радиальную вибрацию "R". Данная акустическая волна должна распространяться вдоль трубы 54, обуславливая резонирование принимающего камертона 52, как показано стрелками "R" и "A". Если передающий камертон 50 глушится, принимающий камертон 52 должен продолжать вибрировать и обуславливать передачу акустической волны обратно на принимающий камертон 50, обуславливая вновь резонирование принимающего камертона 50.
[0019] На Фиг.3 показана упрощенная блок-схема одного варианта осуществления изобретения системы 100 измерений в забойной зоне скважины, включающей в себя электронную схему 102 измерения, соединенную со скважиной 104, проходящей через породу 108 к месту 106 установки в зоне забоя трубы 107. Резонатор 110 параметра устанавливается на месте 106 в зоне забоя скважины и принимает акустический сигнал 112, генерируемый акустическим преобразователем 114. Акустический преобразователь 114 включает в себя акустический источник 116 и акустический датчик 118.
[0020] Резонатор 110 параметра принимает передаваемый акустический сигнал 112 и начинает резонировать в зависимости от технологического параметра текучей среды на местоположении 106 в зоне забоя. Это обуславливает возврат отраженного акустического сигнала 122 по длине скважинной трубы 107. Акустический датчик 118 преобразователя принимает отраженный акустический сигнал 122. Электронная схема 102 измерения соединяется с преобразователем 114. Электронная схема 102 предпочтительно включает в себя микропроцессор 130, соединенный с запоминающим устройством 132, и устройство 134 вывода. Цифроаналоговый преобразователь 136 соединяется с микропроцессором 130 и обеспечивает цифровой вывод на усилитель 138. Аналого-цифровой преобразователь 140 принимает сигнал с усилителя 142 и создает цифровой выходной сигнал для микропроцессора 130.
[0021] Во время работы в данном варианте осуществления микропроцессор 130 обеспечивает генерирование акустическим преобразователем 114 акустического сигнала 112, передавая цифровой сигнал в цифроаналоговый преобразователь 136. При этом получается аналоговый сигнал, который усиливается усилителем 138 и преобразуется в акустический сигнал акустический источник 116. Как описано выше, резонатор 110 параметра генерирует отраженный акустический сигнал 122, который принимается акустическим датчиком 118 преобразователя 114. Датчик 118 передает аналоговый сигнал на усилитель 142, который передает усиленный сигнал на аналого-цифровой преобразователь 140. Аналого-цифровой преобразователь 140 оцифровывает усиленный сигнал и передает цифровой выходной сигнал в микропроцессор 130. Микропроцессор 130 работает согласно программам, хранящимся в запоминающем устройстве 132, и выполнен с возможностью создания выходного сигнала с использованием электронной схемы 134 вывода. Выходной сигнал показывает технологические параметры текучей среды на местоположении 106 в зоне забоя. Информация на выходе электронной схемы 134 может отображаться, например, на локальном дисплее или локальном устройстве вывода, или может передаваться на удаленное местоположение с использованием, например, методик проводной или беспроводной связи. Одним примером методики беспроводной связи является двухпроводной контур управления технологическим процессом, в котором передача данных и электропитание передается по одной паре проводов. Например, током в 4-20 мА можно управлять в двух проводах выводной электронной схемы 134 и использовать для создания индикации измеряемых технологических параметров текучей среды. В другом примере цифровая информация может модулироваться на двухпроводном контуре. Двухпроводной контур может соединяться с локальным местоположением, таким как пост управления и контроля или т.п., и также выполняться с возможностью электропитания системы. Альтернативно различные решения по беспроводной связи можно использовать.
[0022] Согласно одному варианту осуществления микропроцессор 130 выполнен с возможностью создания акустического сигнала 112, меняющегося в диапазоне частот. С помощью мониторинга отраженного акустического сигнала 122 пик в отраженном сигнале 122 можно идентифицировать относительно конкретной частоты группы частот. Данную информацию можно коррелировать с измеряемым технологическим параметром текучей среды на местоположении 106 в зоне забоя. Резонатор 110 параметра может быть выполнен согласно любой подходящей технологии, где частота резонанса резонатора 110 изменяется как функция одного или нескольких параметров текучей среды. Примеры включают в себя давление, температуру, химический состав, вязкость или др. При использовании в данном документе термин "акустический" и "акустический сигнал" относится к любому типу сигнала вибрации и не ограничивается конкретным частотным диапазоном.
[0023] На Фиг.4 показано сечение примера резонатора 200 параметра. Резонатор 200 параметра может быть установлен на месте заложения 106 в зоне забоя скважины и использоваться, как в данном примере, для измерения температуры и давления. В варианте осуществления Фиг.4 резонатор 200 включает в себя герметичный вакуумируемый объем 202, в котором установлены консольные балки 204 и 206. Балка 204 является измеряющей температуру консольной балкой и балка 206 является измеряющей давление консольной балкой. Например, балка 204 может иметь биметаллический состав, при этом изменения температуры вызывают изменение напряжения балки 204 и тем самым изменение частоты резонанса балки 204. Консольная балка 206 включает в себя внутреннее пространство 210, соединенное с технологической текучей средой снаружи вакуумируемого объема 202 через отверстие 212. Изменение давления технологической текучей среды должно обуславливать изменение напряжения в балке 206, при этом изменяется частота резонанса балки 206. Предпочтительно, диапазоны частот резонанса балок 204 и 206 являются достаточно разнесенными, так что их индивидуальные акустические сигнатуры можно обнаруживать и разделять на поверхности.
[0024] На Фиг.5 показано сечение другого примера варианта осуществления резонатора 220 параметра, в котором резонирующие компоненты встроены в стены трубы 226. Данная конфигурация может являться предпочтительной, поскольку оставляет внутреннее пространство трубы 226 свободным для транспортировки текучей среды. Резонатор 220 параметра включает в себя вакуумируемые пространства 222 и 224, выполненные в стенках 226. Пространство 224 несет измеряющую температуру консольную балку 230, и пространство 222 несет измеряющую давление консольную балку 232. Как рассмотрено выше, балка 230 может содержать биметаллический материал с частотой резонанса, зависящей от температуры. Аналогично, балка 232 включает в себя внутреннее пространство 236, соединенное с технологической текучей средой через отверстие 234, и имеет частоту резонанса, изменяющуюся в зависимости от давления в технологической текучей среде. Вакуумируемые объемы 222 и 224 могут располагаться на внутреннем или наружном диаметре трубы 226.
[0025] В другом примере конфигурации элементы 204, 206, 230 и 232, показанные на Фиг.4 и 5, содержат камертоны вместо консольных балок. В некоторых конфигурациях камертон является предпочтительным, поскольку создает более эффективную конструкцию, в которой сохраняющаяся резонансная энергия дольше остается в структуре вследствие постоянного центра масс.
[0026] На Фиг.6 показан упрощенный камертон 250, служащий резонирующим компонентом согласно другому примеру конфигурации настоящего изобретения. Камертон 250 содержит участок 252 вилки, соединенный с ножкой 254. Если вилка 250 выполнена из биметаллического материала, частота резонанса вилки 250 должна меняться в зависимости от температуры. В другом примере конфигурации вилка 250 включает в себя внутреннее пространство 256, которое может быть заполнено, например, изолирующей текучей средой, такой как нефть. Изоляционная диафрагма 258 соединяется с технологической текучей средой, как рассмотрено выше для компонентов 206 и 232. Когда технологическая текучая среда оказывает давление на изоляционную диафрагму 258, давление во внутреннем объеме 256 изменяется, при этом изменяется частота резонанса вилки 250.
[0027] В одной конфигурации резонирующий компонент располагается в вакуумируемом объеме для уменьшения любого демпфирования, которое может возникать. Основная частота резонанса камертона, являющая частотой в отсутствии приложения давления к диафрагме 258, может быть вычислена с использованием следующего уравнения:
F
F = Основная частота = 432,4 Гц
0
K = Константа = 3,52
i
-3
R = Радиус отверстия трубы = 4*10м
0
-3
R = Радиус трубы = 6*10м
-1
L = Длина ножки камертона = 1,5*10м
11
2
E = Модуль Юнга = 1,93*10 кг/мс
3
3
ρ = Плотность = 8*10 кг/м [0028] Принимается, что камертон выполнен из нержавеющей стали и в результате основная частота составляет 432,4 Гц.
[0029] Частота резонанса как функция давления может быть вычислена с использованием следующего уравнения:
Р = внутреннее давление в камертоне.
[0030] Во многих случаях является необходимым измерение давления или температуры без вторжения внутрь в таких сосудах, как трубы или резервуары в технологическом процессе переработки или процессе в химической установке. Измерение технологических параметров традиционными способами обычно требует прохода через стенки сосуда. Данный проход может являться дорогостоящим и потенциально небезопасным в некоторых условиях, таких как высокое давление, высокие температуры, или технологические процессы повышенной опасности. Варианты осуществления, рассмотренные выше и показанные Фиг.3, 4, 5 и 6 для измерений в зоне забоя скважины, являются применимыми для любых таких измерений, в сосудах на поверхности, таких как трубы и резервуары.
[0031] Хотя настоящее изобретение описано для предпочтительных вариантов осуществления, специалисты в данной области техники должны понимать, что можно выполнять изменения формы и деталей без отхода от сущности и объема изобретения. В одной конфигурации место заложения "в зоне забоя скважины", рассмотренное выше, представляет собой место, удаленное или иначе отнесенное от электронной схемы измерения, установленной на местоположении работ.