СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ПОТОКА ЖИДКОСТИ В СКВАЖИНЕ
METHOD FOR DETERMINING CHARACTERISTICS OF LIQUID FLOW IN WELL

Изобретение относится к области геофизических исследований нефтяных и газовых скважин и предназначено, в частности, для определения характеристик потока жидкости в скважине.
Для обеспечения добычи нефти и газа скважины бурят до заданного забоя. Далее углеводороды поступают из коллектора на поверхность через установленную в скважине систему труб. Как правило, нефтяные скважины позволяют добывать углеводороды на протяжении многих лет.
Установка в скважину специального измерительного оборудования для проведения различных исследований представляет собой сложный и дорогостоящий процесс. Подобные измерения могут потребовать значительных затрат времени по причине сложности самой установки и переустановки.
Стандартные методы исследования скважин предусматривают спуск и подъем измерительного оборудования на кабеле (см., например, патент США №4860581). Однако таким способам присущ целый ряд проблем при исследовании добывающих скважин, поскольку спуск и подъем измерительного оборудования на кабеле является сложным процессом, особенно когда он проводится в истощенных и горизонтальных скважинах с многоствольным заканчиванием.
Известны способы исследования скважин, основанные на применении каротажных устройств без применения кабеля. Так, в патенте США №6845819 описан автономный блок для измерения параметров скважины, предпочтительно параметров потока. Автономный блок содержит средства передвижения - секции гусеничного хода, обеспечивающие перемещение в стволе скважины, средства определения параметров в скважине -измерительную систему и систему обработки данных для управления блоком.
Способ исследования скважин, предусматривающий использование оснащенной роботами спусковой колонны раскрыт в заявке на патент США №20130186645. Данная спусковая колонна включает в себя несколько роботов, способных раскрывать приводные устройства для перемещения вдоль скважины. Роботы могут общаться друг с другом с помощью электромагнитных, оптических или вибрационных сигналов, образуя коммуникационную сеть. Роботы дополнены набором датчиков для измерения скорости потока, температуры, давления или вязкости, а также передачи распределения параметров через коммуникационную сеть на поверхность. Данный способ предполагает, однако, наличие спусковой колонны, выступающей в роли носителя роботов, что сильно ограничивает область применимости способа, так, например, метод неприменим в труднодоступных или необсаженных секциях скважины. Кроме того, необходимость в спусковой колонне ограничивает время применения системы роботов временем нахождения колонны в скважине, если только данная колонна не является элементом постоянной компоновки добывающей скважины.
В обоих случаях (США №6845819, США №20130186645), измерения свойств потока предполагается производить стандартными сенсорами, установленными на роботах. Одним из недостатков такого решения является громоздкость внешней геометрии роботов, что может привести к недоступности для исследований больших областей скважины.
Кроме того, длительное взаимодействие внешних сенсоров с потоком скважинной жидкости может привести к преждевременному выходу сенсоров из строя. Это приводит к ограничению времени применимости систем роботов.
Технический результат, достигаемый при реализации изобретения, заключается в обеспечении возможности измерений характеристик потока жидкости в течение долгого времени (вплоть до нескольких лет) с использованием автономных устройств малого размера простой формы, что открывает возможность построения систем долговременного мониторинга скважин, включая разветвленные скважины и скважины с несколькими интервалами добычи в одном стволе.
В соответствии с предлагаемым способом в скважине размещают по меньшей мере одно автономное самоходное устройство, содержащее внутренние средства передвижения, обеспечивающие перемещение устройства в скважине, и по меньшей мере один встроенный внутренний датчик определения параметров движения устройства в потоке. В процессе перемещения устройства посредством встроенных датчиков определяют параметры, характеризующие движение устройства в потоке, на основе которых определяют характеристики потока жидкости в скважине.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения устройство может быть дополнительно снабжено по меньшей мере одним датчиком, измеряющим воздействие потока на различные области внешней поверхности корпуса устройства. По результатам измерений такого датчика определяют параметры, характеризующие воздействие потока на различные области внешней поверхности корпуса устройства.
В качестве датчика, измеряющего воздействие потока на различные области внешней поверхности корпуса устройства, может быть использован расположенный в центре масс устройства акселерометр или микрофон.
В другом варианте осуществления изобретения в качестве датчика, измеряющего воздействие потока на различные области внешней поверхности корпуса устройства, может быть использован акселерометр или сейсмоприемник, установленный на внутренней поверхности корпуса устройства.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения параметром, характеризующим движение устройства в потоке, является ускорение устройства, внутренним встроенным датчиком определения параметров движения устройства в потоке является акселерометр, а параметром потока является вязкость.
В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения параметром, характеризующим движение устройства в потоке, является ускорение устройства, внутренним встроенным датчиком определения параметров движения устройства в потоке является акселерометр, а параметром потока является скорость потока жидкости.
В соответствии с еще одним вариантом осуществления изобретения параметром, характеризующим движение устройства в потоке, является угловая скорость устройства, внутренним встроенным датчиком определения параметров движения устройства в потоке является гиродатчик, а параметром потока является вязкость.
Перемещение устройства в скважине может представлять собой по меньшей мере один вид перемещений из группы, включающей перемещение вдоль оси скважины, перемещение перпендикулярно оси скважины, вращение, колебательное перемещение, спонтанное перемещение.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения устройство дополнительно снабжено тензометром, закрепленным на внутренней поверхности корпуса устройства, посредством которого дополнительно определяют давление жидкости в потоке. Устройство может быть дополнительно снабжено датчиком температуры.
Устройство может быть дополнительно снабжено блоком памяти для хранения полученных данных, а также блоком обработки полученных данных.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан пример размещения сферического устройства в потоке жидкости в скважине, на фиг. 2 приведен пример осуществления измерений в многофазном потоке, на фиг. 3 приведены примеры устройств, обеспечивающих регистрацию столкновений потока пузырьков, капель или твердых частиц с поверхностью корпуса устройства посредством внутреннего акселерометра (фиг. 3а), микрофона (фиг. 3b) и системы сейсмоприемников (фиг. 3с), на фиг. 4 показан пример устройства с размещенным на внутренней поверхности корпуса устройства тензометром.
Настоящее изобретение предлагает уйти от громоздких решений за счет того, что автономные устройства (роботы) имеют небольшой размер, простую форму (например, сферическую) и производят все измерения только внутренними сенсорами. Таким образом, тело устройства само является тестовым объектом, а особенности его взаимодействия с окружающей средой записываются внутренними датчиками ускорения, момента сил, температуры, давления и т.д. Последние данные должны быть интерпретированы в терминах свойств жидкости и потока жидкости в скважине.
В соответствии с предлагаемым способом самоходное автономное устройство, способное контролировать свое местоположение и параметры перемещения в потоке, такие, как скорость или ускорение в потоке, используют в качестве тест-объекта для измерения характеристик потока. Измерение характеристик потока осуществляется посредством интерпретации влияния потока на движение объекта как целого, а также за счет использования внешней поверхности корпуса устройства как распределенного сенсора. Это устройство может быть оснащено внутренним приводным механизмом и использовать его для перемещения вдоль скважины, доступа к ее различным частям и определения структуры потока жидкости в различных положениях в скважине в какое угодно время.
Примерами реализации подобного устройства могут служить сферические роботы, описанные, например, в патентах США №6289263, №8099189, №911483 и др. Очевидно, что у подобного робота должен быть ударопрочный корпус, защищающий его от больших давлений и агрессивных сред для того, чтобы использовать его в скважинных условиях.
Первым примером осуществления способа определения характеристик потока жидкости в скважине является измерение вязкости потока жидкости.
Автономное устройство, имеющее сферическую форму, устанавливают внутри цилиндрической скважины, заполненной покоящейся однофазной жидкостью (см. Фиг. 1.). Стрелка на Фиг. 1 показывает направление силы тяжести. В простейшем случае внутренний приводной механизм устройства выключен, и устройство движется под действием силы тяжести. Сначала скорость устройства равна нулю, затем она растет и через некоторое время становится практически постоянной. Она может быть измерена следующим образом. С помощью встроенного внутреннего акселерометра измеряют ускорение устройства  вдоль оси скважины. Интегрируя ускорение по времени, определяют скорость . Обозначим предельное значение скорости . С другой стороны, согласно второму закону Ньютона, движение данного объекта описывается следующим уравнением (для простоты рассмотрено одномерное движение):
s
b
s
ƒ
e
s
ƒ
где m - масса объекта,  - его ускорение, контролируемая встроенным приводным механизмом, а  - сила реакции жидкости, в которую основной вклад вносят лобовое сопротивление и вязкое напряжение. F зависит от таких характеристик устройства, как радиус сферы R, радиус скважины R, вязкость жидкости η, плотность сферы ρ и плотность жидкости ρ, скорость  устройства. F=(ρ-ρ)gV есть сила Архимеда, где g - ускорение свободного падения, а V - объем устройства, например  для сферы.
Так, например, для ламинарного обтекания сферы в неограниченной среде
Рассмотрим движение сферы в вертикальной скважине, заполненной покоящейся жидкостью. Пусть в начальный момент времени сфера была неподвижна. Тогда сила реакции жидкости F в начальный момент времени равна нулю. Следовательно, второй закон Ньютона принимает следующий вид в начальный момент времени:
Ускорение  может быть измерено встроенным в устройство
акселерометром. Следовательно, плотность жидкости может быть определена по формуле
Через некоторое время устройство станет практически равной , так как сила реакции жидкости уравновесит гравитационные эффекты. Ускорение  станет малой величиной, которой можно пренебречь в уравнении (1). В результате получим
Откуда определим вязкость жидкости
при этом плотность жидкости считается известной. Данное измерение является основой известной техники, которая носит название Falling Ball Viscometry [см., например, A.V. Singh et al., Studies on Falling Ball Viscometry, https://arxiv.org/abs/1202.1400].
Аналогичная процедура позволяет измерить скорость потока жидкости. Рассмотрим пример горизонтальной скважины, когда компонента силы тяжести вдоль оси скважины равна нулю. Пусть так же, как и в предыдущем примере, скважина заполнена однофазной жидкостью, которая на этот раз движется вдоль скважины со скоростью W (в этом примере мы считаем для простоты, что неоднородностью распределения скорости жидкости по радиусу скважины можно пренебречь). Пусть в потоке находится сферический объект с теми же параметрами, что и выше. Опять, для простоты считаем, что объект не вносит значительных изменений в профиль потока, и что поток обтекает его ламинарно. Пусть сначала положение объекта относительно стенок скважины фиксировано, например, объект может быть прикреплен к стенке скважины механически или посредством электромагнитного сцепления. В этом случае, если перейти в систему отсчета, движущуюся вместе с потоком, обнаружится, что система поток + устройство выглядит так же и описывается теми же уравнениями, что и в примере выше, при этом вместо скорости объекта  нужно подставить скорость потока W. Следовательно, если мгновенно отключить сцепление объекта со стенками скважины (например, путем выключения электромагнитного сцепления), на объект будет действовать сила, компонента которой вдоль оси скважины равна
В соответствии со вторым законом Ньютона, в начальный момент времени объект получит ускорение вдоль оси скважины, равное
Данной ускорение будет измерено внутренним акселерометром, таким образом, скорость потока будет определена по формуле
если известно отношение вязкости жидкости к ее плотности, то есть кинематическая вязкость жидкости.
Следующий пример осуществления изобретения иллюстрирует возможность измерения вязкости при вращении устройства вокруг своей оси в жидкости. Вязкость окружающей жидкости можно рассчитать путем управления мощностью приводного механизма и измерения угловой скорости гиродатчиком (датчиком угловой скорости). Пусть внутренний привод заставляет устройство вращаться вокруг фиксированного направления, с постоянной угловой скоростью Ω, измеряемой гиросенсором. При этом момент сил вязкого сопротивления жидкости равен [U. Lei et al., Viscous torque on a sphere under arbitrary rotation, Applied Phys. Letters 89, 181908 (2006)]
Электродвижущая сила привода тратится на преодоление этого вязкого сопротивления, таким образом, имеем,
где I - ток в обмотке электродвигателя, к - постоянный коэффициент, зависящий только от внутренней механической и электрической структуры устройства, который может быть определен калибровочными тестами в лаборатории, до помещения устройства в поток. Ток в обмотке электродвигателя может быть измерен внутри устройства. Таким образом, определяем вязкость жидкости по формуле
Во всех описанных примерах измерения параметров жидкости (плотности, вязкости, скорости) физическим элементом, чувствительным к свойствам потока, является само устройство как целое, при этом используются только внутренние сенсоры (акселерометр, гиродатчик, измеритель силы тока в обмотке электромотора).
Способ может быть реализован в стационарном многофазном потоке, где все фазы отделены друг от друга из-за разницы в плотности (см. фиг. 2). Устройство позволяет, например, определить вязкость или скорость потока в одной фазе (посредством встроенного акселерометра, как описано выше), после чего устройство перемещается на противоположную по отношению к оси скважины сторону в область другой фазы, определяя наличие разных фаз по разнице вязкости и(или) скорости потока. Находясь на границе между двумя фазами, устройство испытывает воздействие крутящего момента из-за разницы сил вязкого сопротивления в каждой из фаз, вследствие чего начинает вращаться относительно оси, проходящей в плоскости раздела фаз перпендикулярно оси скважины. Возникновение такого вращения можно определить, например, с помощью гиродатчика. Таким образом можно определить местоположение границы фаз относительно стенок скважины и, следовательно, определить объемную долю каждой фазы. С другой стороны, если у двух соседних фаз разная скорость течения, это приводит к разной скорости движения объекта вместе с потоком, а следовательно, к ускорению объекта при его переходе через границу фаз. Этот эффект также может быть использован для определения местоположения границы раздела фаз относительно стенок скважины.
Следующий пример представляет собой измерение содержания фазы в пузырьковом режиме двухфазного потока, который можно представить и как по большей части поток с газовой фазой с капельками жидкой фазы, и как жидкость с пузырьками газа, перемещающимися вдоль основного потока. Устройство может определять удары пузырьков/капелек, достигающих его корпуса, а также частоту самих столкновений различными способами, проводя таким образом оценку объемной доли фаз, представленных в форме пузырьков/капелек, а также распределения общего потока по фазам (обводненность и т.п.).
Так, например, устройство может быть снабжено встроенным акселерометром, расположенным в центре масс.(см. фиг. 3а) для измерения вибрационного ускорения устройства вследствие удара капелек.
В другом варианте осуществления устройство может быть снабжено встроенным микрофоном (см. фиг. 3b) для определения внутренних акустических волн, генерируемых в результате ударов капелек о корпус устройства.
В еще одном варианте реализации на внутренней поверхности корпуса устройства может быть установлен по меньшей мере один акселерометр или сейсмоприемник, измеряющий поверхностные волны от столкновений капелек (см. фиг. 3с).
Устройство может быть также использовано для определения окружающего давления. Вариант конструктивной схемы показан на фиг. 4. При перемещении вниз в скважине автономное устройство подвергается воздействию гидростатического давления жидкости, таким образом, его корпус оказывается в напряженном состоянии, и можно измерить соответствующее значение напряжения с помощью тензометра, закрепленного на внутренней поверхности устройства. Тензометр может, например, представлять собой проводник, изменяющий свое электрическое сопротивление под действием деформации. Проводник прикреплен к оболочке устройства изнутри и претерпевает деформацию вследствие деформации оболочки устройства. Измерение электрического сопротивления регистрируется внутренней электроникой устройства. Предпочтительным условием для проведения данных измерений является отсутствие каких-либо отверстий в корпусе, что позволяет увеличить надежность устройства и его устойчивость к воздействию высокого давления. Для надлежащей калибровки измерений давления с учетом влияния температурного расширения может понадобиться датчик температуры.