СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ МНОГОФАЗНОГО ПОТОКА С ПРИМЕНЕНИЕМ ОДНОГО ВЫСОКОАКТИВНОГО И ОДНОГО ИЛИ БОЛЕЕ НИЗКОАКТИВНЫХ РАДИОАКТИВНЫХ ИСТОЧНИКОВ
METHOD FOR CHANGING MULTI-PHASE FLOW USING ONE HIGH-ACTIVE AND ONE OR MORE LOW-ACTIVE RADIOACTIVE SOURCES

Изобретение относится к способам мониторинга параметров добычи нефтяных и газовых скважин, в частности к измерительным устройствам, имеющим источники гамма-излучения.
В настоящее время нефтегазовая промышленность использует сложные и дорогие устройства для измерения расхода всех трех компонентов добываемой продукции - нефти, воды, газа; такие приборы известны как многофазные расходомеры. Эти устройства могут работать как с предварительной сепарацией двух или трех фаз, так и без предварительной сепарации. Установки первого типа востребованы на российском рынке: это групповые автоматические измерительные установки (ГАМИ) "Спутник AM 25-N-1500","Спутник AM 40-N-1500", "Спутник AM 40-8-400 КМ"), блочная автоматизированная замерная установки "БИУС" 40-50, разработанные компанией НПП ОЗНА-Инжиниринг, автоматические групповые замерные установки (АГЗУ) "Спутник М", установка измерительная мобильная (УЗМ), выпускаемая компанией «Сибнефтеавтоматика», и т.д. Многофазные расходомеры второго типа обычно используют радиоактивный источник (для измерения коэффициента ослабления гамма-излучения) как в сочетании с различными электромагнитными приборами для измерения фазового состава потока, так и без них, и также различными датчиками (датчик перепада давления) или устройств, где используются кросс-корреляционные методы для измерения электромагнитных свойств смеси в различных точках. На рынке доступны такие устройства, как Vx Phase Watcher™ и Vx Phase Tester™, выпускаемые компанией Schlumberger, MPFM Roxar™ от компании Roxar, MPFM Agar™ (компания Agar), и т.д.
Расходомеры первого типа обычно используют для измерения параметров добычи для группы скважин с периодическим переключением между отдельными скважинами. Такая организация позволяет в течение суток измерять поток со всех скважин одного куста скважин (типично 8-14 скважин), но при этом поток с каждой скважины также измеряется лишь периодически, без постоянного мониторинга, что приводит к неизбежной потери данных в периоды между измерениями.
Второй класс расходомеров также может применяться для мониторинга добычи с группы скважин, хотя его обычное применение - измерение добычи с отдельной скважины. Для этого используются мобильные расходомеры, что занимает несколько часов или дней. В редких случаях такие расходомеры устанавливаются для постоянных измерений; обычно это практикуют только на высокодебитовых скважинах, где требуется отслеживать расход всех трех фаз непрерывно. Например, прибор Vx PhaseWatcher™ (Schlumberger) дает очень точные данные и часто используется для постоянного мониторинга высокодебитовых скважин (особенно на шельфовых месторождениях). В таком расходомере установлен радиоактивный источник, что диктует минимально необходимые меры физической защиты (из соображений радиационной безопасности). Кроме того, для использования устройств с радиоактивными источниками требуется получение лицензии Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору (Ростехнадзор), санитарно-эпидемиологическое разрешение Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека (Роспотребнадзор) и ряд прочих разрешительных документов. Это ограничивает применение этого класса многофазных расходомеров.
В патентах RU 2247239 и RU 2265122 описаны различные способы системы мониторинга добычи группы скважин и измерения общего ежедневного дебита. Согласно этому способу, дебит для группы скважин вычисляется через измерение средней скорости расхода (с усреднением по разумному промежутку времени), последовательно для каждой отдельной скважины в группе скважин (используя программируемый контроллер) с помощью главного измерительного устройства; это позволяет пересчитать измеренные расходы в суточный дебит скважин. Недостатком таких способов является использование расходомеров низкой точности, что создает нерегулярность в результатах и низкое временное разрешение; такие измерительные приборы не могут отслеживать быстрые изменения в параметрах добычи каждой отдельной скважины. Это снижает информационную ценность и надежность полученных данных.
В патентах RU 2338874 и RU 2334288 раскрывается способ непрерывного мониторинга группы скважин с помощью периодических высокоточных измерений. К сожалению, этот вид непрерывного мониторинга (с помощью датчиков давления, температуры, дифференциальных датчиков давления) не позволяет сохранить всю информацию о потоке со скважины. Например, перепад давления (на трубке Вентури) в основном дает данные об общей скорости расхода (в предположении постоянной плотности). Рост температуры может свидетельствовать как о повышении относительной доли воды, так и об увеличении общего дебита (благодаря системе поддержки давления пласта или других других мер, направленных на интенсификацию добычи). В патентной заявке US 20080234939 описан похожий способ мониторинга дебита скважины: установка различных датчиков (давления, температуры, перепада давления), то также описывается применение компьютерных моделей скважины, которые строятся на уже накопленных данных. Изменение давления на датчике давления может интерпретироваться как изменение соотношения газ/нефть, температуры скважинной продукции и является показателем изменения общего дебита. Однако все эти данные тесно связаны с моделями, включенными в описанный способ, и результаты получаются скорее качественными, чем количественными.
133
В известной статье (Continuous Gamma-Ray Densitometry in a Borehole Flow Meter, J.B.Fitzgerald, K.E.Stephenson, IEEE Nuclear Science Symposium Conference Record, Volume 2, 2003, Article number N26-64, pp.732-736) описывается способ применения радиоактивного источника для непрерывного измерения обводненности в скважине. В устройстве используется источник с изотопом Ва, который помещается в стальной корпус. Из-за ослабления излучения сталью для измерений пригоден только один энергетический уровень с окном возле 356 кэВ, а большие пики на 31-35 кэВ и 81 кэВ полностью поглощаются стальным корпусом. Таким образом, можно измерить плотность смеси и вычислить долю воды в двухфазной смеси (считается, что доля газовой фазы очень мала в скважинных условиях):
Описанный инструмент не применим для трехфазных измерений: для этого требуются другие (дополнительные) энергетические уровни, для которых необходима процедура калибровки. Провести полноценную калибровку практически невозможно, используя радиоактивный источник низкой активности, предпочтительно использование высокоактивного источника.
Предлагаемое изобретение позволяет соединить две важные функции многофазных расходомеров: измерение дебита скважины с помощью переносного высокоточного расходомера один раз за определенный промежуток времени (например, раз в месяц) и непрерывный мониторинг всех скважин в остальное время, при котором используется тот же набор датчиков и устройств, и при этом исключается использование высокоактивного (регулярного) радиоактивного источника: этот источник с высокой активностью заменяется источником (на основе того же или иного радионуклида) с активностью ниже МЗА (минимально значимая активность). Экономическая эффективность повышается, поскольку такие источники не требуют разрешения надзорных органов, отсутствует необходимость в специально обученном и подготовленном персонале (такой персонал будет появляться на скважине лишь периодически), возникновение любой внештатной ситуации приводит к гораздо менее серьезным последствиям, нежели в случае с высокоактивным источником.
Краткое изложение изобретения
Данное изобретение относится к области непрерывного полевого мониторинга нефтяных и газовых скважин. Изобретение может применяться к измерению дебита отдельных скважин или куста скважин, а также для мониторинга эксплутационных или нагнетательных скважин. Устройство включает многофазный измеритель фазового состава добываемой продукции, использующий два или более уровня энергии в спектре радионуклида источника (что дает объемные доли нефти, воды и газа в потоке), и набор датчиков для определения общего массового потока, рассчитанного на данных по объемным потокам. В отличие от приборов, которые постоянно установлены на скважине или кусте скважин, техническое решение предлагает установку устройства с нерегламентируемым радиоактивным источником для мониторинга потока и периодическое проведение измерений расхода многофазного потока с помощью обычного радиоактивного источника с высокой точностью (изотоп имеет активность выше МЗА). Калибровка измерительного устройства проводится командой квалифицированных полевых инженеров раз в несколько недель, а в промежутке между этими измерениями продолжается автоматическое измерение (мониторинг) с помощью низкоактивного источника. Данные, получаемые периодически с помощью высокоактивного источника, дают полный набор данных по многофазному потоку: массовые и объемные доли всех трех фаз, давление, температура, плотности скважинной продукции и жидкости и т.д. Кроме того, измерения калибровки с помощью высокоактивного источника дают коэффициенты ослабления гамма-квантов различных энергетических уровней в нефти, воде и газе, которые используются для автоматических измерений с помощью низкоактивного источника. Применение нерегламетируемого (низкоактивного с активностью ниже МЗА) источника снимает проблему с получением лицензии для полевых операций с применением радиоактивных источников. Нерегламентируемый источник достаточно безопасен и имеет умеренную внешнюю защиту по сравнению с высокоактивными изотопами.
Подробное описание изобретения
Описанный далее многофазный расходомер включает следующие главные компоненты: определитель фазового состава многофазного потока, работающий на принципе измерения состава по двум энергетическим уровням излучения, а также набор датчиков для измерения скорости потока всех трех фаз. Такие измерительные приборы обычно применяются для периодического измерения дебита (PhaseTester) данной скважины или для непрерывного мониторинга (PhaseWatcher). Измеритель состава по двум энергиям излучения использует радиоактивный источник, совмещенный с детектором для детектирования гамма- и рентгеновских лучей в энергетических окнах, соответствующих основным энергетическим уровням источника. В этих вариантах радиоактивные источники выбираются с любой разумной активностью, однако, на практике эти активности существенно выше минимально значимой активности (МЗА). Если источник имеет активность ниже МЗА, то отпадает необходимость получать разрешения (лицензии) от контролирующих органов (на работу и хранение, санитарное разрешение). Но если активность источника ниже уровня МЗА, то статистика счетов гамма-квантов слишком низкая для быстрых и надежных измерений. Чтобы показать это, следует принять во внимание стабильность работы детекторов излучения в устройствах типа Vx PhaseTester и PhaseWatchers: 0.01% (отсчетов в секунду) в течение длительного промежутка времени. Если нужно получить тот же уровень статистической неопределенности, то можно вычислить необходимое время для накопления статистики:
Здесь δ - относительная статистическая ошибка. Как будет показано далее, перед действительными измерениями надо провести четыре операции калибровки (четыре периода). Следоватетельно, общее время составляет (мы предполагаем, что количество подсчитанных импульсов одного порядка для всех четырех периодов):
133
Для обычного источника, который используется в устройствах класса Vx (Ва с активностью 370 МБк) обычная статистика зарегистрированных импульсов составляет , так что обычное время для полной калибровки составляет .
133
Если активность в 400 раз ниже (поскольку для t Ва уровень МЗА в 370 раз ниже), то такое время возрастает до 3 месяцев, что совершенно неприемлемо для полевых операций.
Однако сохраняется возможность использовать низкоактивные источники (меньше, чем МЗА) для мониторинга многофазного потока на скважинах. Это предполагает использование источников обоих классов: высокоактивный источник (с активностью выше, чем минимально значимая активность) для калибровок и нерегулируемый или низкоактивный источник (не требующий лицензиии) для постоянного мониторинга потока скважинной продукции. Подробности технического решения изложены далее.
Обычный порядок работы с измерительной установкой PhaseTester/PhaseWatcher
Процедура периодических измерений расхода на скважине включает следующие шаги:
- Подсоединение устройства PhaseTester к скважинному оборудованию
- Калибровка на пустой трубе
- Калибровка на воде
- Калибровка на нефти
- Калибровка на газе
- Измерение потока трех фаз
- Отсоединение от устья скважины.
После того как к устью скважины подсоединили измерительные устройства PhaseTester™ или PhaseWatcher™, для потока жидкости надо обеспечить обходной маршрут.Калибровка на пустой трубе означает подсчет количества импульсов от радиоизотопного источника. Это диктуется двумя причинами: корректировка на распад источника и корректировка на отклик детектора, который в общем случае может меняться со временем. Этапы калибровки на воде и нефти означают подсчет числа импульсов, когда рабочее пространство между источником и детектором заполнено водой /нефтью, отобранными из скважинной продукции и предварительно сепарированными.
133
Здесь мы рассматриваем источник с изотопом Ва только как в качестве неограничивающего примера (именно этот радионуклид используется в устройствах PhaseTester и PhaseWatcher компании Schlumberger), но также могут использоваться и радиоактивные источники на основе других радионуклидов.
133
Для источника Ва определяются коэффициенты ослабления для главных энергетических уровней (энергетических окон): 32 кэВ, 81 кэВ, 356 кэВ (каждое из окон имеет широкий энергетический интервал из-за разрешения детектора по энергии). Калибровка на газе выполняется для газа, сепарированного от скважинной жидкости. Во время измерительного периода проводится измерение коэффициентов ослабления для двух энергических уровней (например, для 32 и 81 кэВ) и вычисляются объемные доли трех фаз (нефть, вода, газ), решая следующую систему уравнений:
X
X
Здесь объемные доли различных фаз α (X - здесь и далее обозначает Oil (нефть), Water (вода) или Gas (газ)) вычисляются на основе определенных коэффициентов ослабления для разных энергетических уровней , которые связаны с массовым коэффициентом ослабления  через плотность фазы ρ.
Дополнительные измерения дифференциального давления на трубке Вентури с сочетании с данными по ослаблению дают объемный расход для всех трех фаз при условиях трубки Вентури. Данные по полному давлению и температуре дают объемные расходы, приведенные к стандартным условиям. В самом конце операции измерительное устройство PhaseTester отсоединяется от устья скважины. Продолжительность типичной работы на скважины - от одного до нескольких дней. Что касается устройства PhaseWatcher, оно остается на устье скважины для непрерывного мониторинга с периодическими калибровками. В это время нет необходимости следить за работой PhaseWatcher и можно передавать данные измерений клиенту по протоколу SCADA или иному протоколу. Преимущество такого подхода - постоянный мониторинг дебита скважины с возможностью оптимизации работы скважины. Например, своевременно обнаруженный рост обводненности может быть остановлен, если закрыть некоторые из перфорационных отверстий в заканчивании скважины или провести другие скважинные операции. Падение дебита может быть вызвано неисправностью работы насоса, которая может быть устранена с минимальным временем остановки скважины.
Вместе с тем, такой технологии присущи недостатки, например обеспечение надежной защиты для радиоактивного источника и необходимость получить специальную лицензию от контролирующего правительственного органа, или санитарное разрешение на использование радиоактивного источника, а также другие документы и разрешения на работу с радиоактивностью. Кроме того, источник с высокой активностью должен иметь надежное экранирующее покрытие. Кроме того, если произойдет утечка радиоактивного материала (например, из-за механического повреждения капсулы), то это может представлять опасность для работников на скважине или кусте скважин, даже если их работа не связана с радиоактивностью.
Согласно российскому законодательству (СанПиН 2.6.1.1015-01), устройство с радиоизотопным источником не требует получения разрешения (лицензии) и санитарного разрешения, если активность не выше МЗА. Если общая активность всех таких источников выше, чем 10 МЗА, то требуется санитарное разрешение (но не лицензия).
Мониторинг дебита скважины с устройством, оснащенным низкоактивным источником (ниже МЗА)
Настоящее изобретение представляет собой способ, состоящий из следующих этапов:
1. Четыре калибровочные процедуры с высокоактивным радиоактивным источником:
a) калибровка на пустой трубе;
b) измерения в точке водной среды;
c) измерения в точке чисто нефтяной среды;
d) измерения в точке чисто газовой среды.
2. Измерения дебита скважины с высокоактивным радиоактивным источником.
3. Замена этого высокоактивного радиоактивного источника источником малой активности.
4. Долгосрочный мониторинг дебита.
o,w,g
После установки расходомера на нем выполняется калибровка тем же образом, что и для устройств PhaseTester™ или PhaseWatcher™, или иного расходомера с радиоактивным источником. Во время калибровки определяются массовые коэффициенты ослабления для всех трех фаз и для всех трех уровней энергии в виде записи соотношения количества гамма- квантов в секунду для пустой трубы (Empty Pipe)  и для трех фаз отдельно (нефть, вода, газ) , с учетом пути пробега гамма-лучей d и плотности каждой отдельной фазы ρ:
Здесь , ,  - массовые коэффициенты ослабления по нефти,
воде и газу,
, - линейные коэффициенты поглощения также по нефти, воде и газу,
o,w,g
ρ - плотности соответствующих фаз, d - диаметр расходомера (длина пути гамма-квантов в веществе), a ln - натуральный логарифм. Далее рекомендуется продолжить измерения на откалиброванном приборе для получения высоконадежных данных по параметрам скважинной продукции. Далее этот радиоактивный источник заменяется низкоактивным источником и измерения возобновляются.
В современных измерительных устройствах (включая описанные в этом тексте) геометрическая сборка источника по отношению к системе измерения выполняется очень точно и это позволяет провести замену одного источника другим без дополнительной калибровки. Скажем, калибровка на пустой трубе в условиях низкоактивного источника может быть выполнена только один раз (в лабораторных условиях с получением методики пересчета данных калибровки на пустой трубе с регулярным и нерегулируемым источниками) и далее корректироваться только на известный распад радионуклида.
133
133
Для проверки того, как нерегулируемый источник может применяться в этом техническом решении, мы вычислим статистические ошибки для источников на примере источников с Ва. Источник в измерительных устройствах класса PhaseWatcher (обычный источник) имеет активность около 370 МБк (10 микрокюри), и МЗА для Ва составляет 1 МБк. Поэтому взяв источник с активностью в 400 раз ниже существующей, нам потребуется ждать в 400 раз дольше, чтобы достичь того же уровня статистической точности. Принимая во внимание, что измерительный период для устройств класса Vx, например PhaseTester или PhaseWatcher, составляет около 1 часа для обычного нефтяного потока (когда объемная доля газа в многофазном потоке не очень высока), мы получаем, что при тех же условиях необходимое время составит около 15 дней. Реально время можно сократить до 4 суток, если принять ошибку вдвое выше как удовлетворительную. В данном примере будут приведены более подробные оценки и вычисления. Следует подчеркнуть, что прямое применение источника уровня МЗА (без калибровки сильным источником) невозможно, поскольку потребуется слишком много времени на калибровку. Невозможно применить такой способ без надежных данных по дебиту, полученных с обычным источником (шаг 2 в описании процедуры). Как известно, прямое усреднение по длительному промежутку времени создает существенную ошибку из-за множества нелинейных факторов (патент GB 2410792). Этот патент раскрывает способ, основанный на идентификации различных интервалов, где интересуемый параметр (фазовые доли, газовое содержание или водосодерждание) не меняются существенно, и тогда можно проводить усреднение измерений внутри этого временного интервала.
Существуют и другие подходы, но для наших целей именно описанный способ является самым удобным, поскольку полный анализ данных (с определением типичных отрезков) может быть получен уже на этапе 2 (с применением обычного источника). Более того, если новые данные (коэффициенты ослабления), которые измеряются на этапе 4 (со слабым источником) и подвергаются правильной процедуре усреднения, отличаются от коэффициентов, полученных ранее (сильный источник), то просто проводится обычный сдвиг данных (можно назвать это дополнительной калибровкой) для приведение в соответствие новых и старых по фазовому составу скважинной продукции. Это разумно, поскольку для сильно различающихся источников мы можем получить различное отношение числа импульсов на разных энергиях (отношение HE/LE или 356 кэВ/LE), что вносит несовершенство в алгоритм обработки первичных данных.
Мониторинг дебита скважины с использованием другого радионуклида в качестве низкоактивного источника
153
153
Следует отметить, что в качестве низкоактивного источника можно выбрать иной радионуклид, нежели в основном источнике. Если используется техника измерения фракций по зарегистрированным гамма-квантам на двух энергиях, то можно взять другой источник, у которого имеется два или более явных пика в спектре (один из пиков находится ниже 40-50 кэВ), но при этом такой источник будет иметь лучшие параметры по МЗА. Среди различных радиоизотопов Gd может быть наилучшим выбором. Его время полураспада составляет около 240 дней (поэтому его не используют в качестве сильного источника в расходомерах), что делает его удобным низкоактивным источником (время полураспада для которого некритично, поскольку лицензия не требуется, а два пика позволяют применять технику определения коэффициентов ослабления для двух энергетических уровней, и высокий уровень МЗА позволяет получить нужную статистику). Важные параметры источника на основе Gd приведены в таблице 2.
Таблица 2
Время полураспада, сутки
240,4
Минимально значимая
10
активность, МБк
Нижняя энергия, кэВ
40 (основные пики между 40,902 и 48,386 кэВ)
Верхняя энергия, кэВ
100 (основные пики между 97,43 и 121,11 кэВ)
153
133
133
Коэффициенты ослабления для гамма-излучения радиоизотопа Gd могут измеряться для подобранных энергетических окон (вокруг 40 и 100 кэВ), но обычно это занимает много времени для источников с низкой активностью, поэтому эти коэффициенты можно пересчитать, экстраполируя данные по источнику Ва для его энергетических окон (32, 81, 356 кэВ). Это делается просто. Измерения с пустой трубой для низкоактивного источника делаются очень редко (раз в год) и в промежутках число импульсов для пустой трубы корректируется по экспоненте с известным временем полураспада. Этого достаточно для коррекции источника на распад изотопа, в предположении стабильности показаний детектора в период между калибровочными измерениями с регулярным источником; небольшой дрейф параметров может быть скорректирован с помощью измерений с активным источником. Как указывалось выше, массовый коэффициент ослабления (например, Ва) получается для трех энергетических окон: 32, 81, 356 кэВ. Формула для коэффициентов аппроксимируется 3-параметрической кривой (или любой другой аппроксимацией для получения коэффициентов ослабления на данных энергиях):
153
153
Здесь первый член описывает фотоэлектрический эффект, а второй отвечает за эффект Комптона. Все три коэффициента определяются для каждой субстанции (нефть, воды, газ) из трех независимо измеренных массовых коэффициентов ослабления. После этого можно пересчитать массовые коэффициенты ослабления, приспособленные к энергетическим окнам изотопа Gd. Таким образом, у нас имеются все необходимые переменные для решения системы уравнений, записанных для фазового состава скважинной продукции, если мы проводим мониторинг с применением гамма-источника на основе изотопа Gd.
153
153
Поскольку согласно существующим правилам МЗА для изотопа Gd составляет 10 МБк, то минимальное время измерения мониторинга для достижения прежнего уровня точности (для 1-часового исходного теста) составляет 40 часов (двое суток). Если мы уменьшим требования к точности вдвое, то время накопления счетов уменьшается в 4 раза (потребуется только 10 часов). Получается, что главным недостатком источника на Gd является сравнительно небольшое время жизни изотопа: источник придется заменять раз в 2-3 года. Иными словами, выгодно выбирать низкоактивный источник среди изотопов, имеющих более высокую минимально значимую активность.
133
153
В рассмотренных выше примерах изотопы Ва или Gd выбраны только для примера и поэтому другие радиоактивные гамма-источники с несколькими энергетическим пиками в спектре и достаточно высоким МЗА могут использоваться в рамках данного изобретения.
В другом варианте осуществления изобретения стандартный гамма-источник с высокой активностью может быть заменен на рентгеновскую трубку, когда для выбранных энергий вычисляются аналогичным образом коэффициенты ослабления, а потом они пересчитываются для энергетических пиков выбранного источника с низкой активностью. Таким низкоактивным источником излучения может быть не только радиоизотоп, но и рентгеновская трубка с низкой дозой рентгеновского излучения, что также позволяет работать без специальных лицензий и разрешений. Например, согласно Российскому законодательству (ОСПОРБ 99), рентгеновская трубка с внешней дозой (в рабочем режиме) ниже 1 мкЗв/ч (100 мкР/ч) не нуждается в санитарном разрешении для пользования.
Рассматриваемая система индивидуального мониторинга расходов может применяться для отслеживания работы всего куста скважин, где мониторинг производится по очереди, что позволяет проводить измерения только одной скважины за данный период времени и для этого требуется периодическое переключение (ручное или автоматическое) между различными скважинами, и при этом низкоактивный источник обеспечивает измерения для всего куста скважин, а не для отдельной скважины.
Рассмотренные выше источники с низкой активностью могут применяться для мониторинга всех скважин на кусте, так что каждая скважина оборудована измерительным устройством, оснащенным источником низкой активности и детектором (а также стандартным набором датчиков для измерения многофазного потока, таких как датчики давления, температуры, разности давлений); эти измерительные устройства установлены стационарно и не требуют переключения потоков от входных трубопроводов. В этом случае суммарная активность всех источников не должна превышать 10 МЗА, тогда нет необходимости получать лицензию или санитарное разрешение. Это позволяет проводить непрерывный мониторинг всех скважин на кусте, при этом достаточно производить высокоточные измерения для всех скважин куста раз в несколько недель или месяцев, а в промежутках продолжать мониторинг каждой скважины из куста скважин с использованием низкоактивного гамма-источника.
ПРИМЕР
Чтобы продемонстрировать работоспособность предложенного технического решения, мы приводим пример того как можно отслеживать изменения в параметрах потока со скважины в дополнении к обычной системе мониторинга потока (система включает измерение давления, температуры и разности давлений).
Таблица 1
LE /нижняя энергия/
НЕ /верхняя энергия/
Плотность при станд. усл., кг/м<sup>3</sup>
Давление: 20 атм, температура 57°С
Количество счетов для пустой трубы
40000
25000
Истинные величины:
Массовый
1050
доля газа
коэффициент ослабления для воды, v<sub>w</sub>, см<sup>2</sup>/г
0,4
0,17
GVF=0,9, доля воды WC=0,3
Массовый коэффициент ослабления для
820
Время изм. с обычным источником: 1 час;
нефти, v<sub>o</sub>, см<sup>2</sup>/г
0,25
0,17
Массовый коэффициент ослабления в газе v<sub>g</sub>, см<sup>2</sup>/г
0,8
Измеренные доли фаз:
0,26
0,18
WC=0,32
GVF=0,9
Количество импульсов
33542,64
22361,82
Скорость счета импульсов для пустой трубы (количество импульсов в секунду и пересчет на ослабление в воздухе) для первого вида гамма-источника для различных энергетических окон (соответствуют пику с низкой энергией (LE) и пику с высокой энергией (НЕ) в спектре), которые выставляются в типичном устройстве PhaseWatcher (с трубкой Вентури, имеющей горловину с диаметром 29 мм), составляет:
Выбирая типичные параметры для скважинной продукции и внешних условий (см. таблицу 1), можно вычислить скорость счета для реальной смеси (при заданном объемном содержании воды и газа), что позволяет оценить уровень неопределенности, связанный именно с пуассоновскими флуктуациями в статистике.
Максимальная погрешность в измерении объемной доли воды составляет 0,7% (абсолютная величина). А реальная погрешность измерений (по показаниям реального прибора) составляет 2%. Это означает, что другие вклады в погрешность, создаваемые флуктуациями потока скважинной продукции или систематической погрешностью прибора, не могут быть уменьшены методом накопления статистики. Напомним, что общая погрешность определяется как:
poisson
non-poisson
syst
fluid
Здесь δWC - пуассоновская или статистическая ошибка определения обводненности (water cut), δWC - ошибка, не связанная со статистикой. Сюда входят систематическая ошибка прибора δWC и ошибка, связанная с флуктуациями потока δWC.
Мы не можем гарантировать точность выше, чем эта точность измерений при существующей технике измерения параметров потока.
Если взять для измерений источник с активностью ниже МЗА, то есть равный 0,925 МБк (в 400 раз меньше, чем активность первого источника), то погрешность в определении доли воды WC (вклад пуассоновского шума) остается на том же уровне 0,7%, но если взять время мониторинга в 400 раз больше, то это составит 16-17 дней. Если накопление статистики сократить до 3 дней, то пуассоновский вклад в погрешность составит 1,9%. При этом общая погрешность в измерении параметра WC составит δWC=2.5%.
2
Такая технология позволяет обнаружить изменение в обводненности потока WC с погрешностью в несколько процентов в течение нескольких дней. Например, трехдневное накопление статистики дает результат для WC с погрешностью 2,5% и можно обнаружить любой тренд параметра, который превышает эту величину. Это позволяет быстро предсказать прорыв воды в скважине и предпринять нужные превентивные меры, например закрытие некоторых перфорационных зон. Отметим, что изменение в обводненности WC нельзя обнаружить просто по показаниям dP датчика на трубке Вентури, поскольку такой процесс может проявляться в виде изменения плотности смеси на уровне 0,5%. Предполагая, что общий массовый поток смеси более-менее постоянный (если общий дебит жидкости не изменился, а газосодержание пренебрежимо мало), то мы видим, что изменение в dP должно измеряться с точностью выше, чем 0,25%: dP~Q/ρ. Известно, что типичный датчик имеет точность около 0,2% для верхнего предела dP (например, 5 бар для ΔР датчиков на измерительных устройствах класса PhaseTester и PhaseWacther), или 10 мбар. Если перепад давления на трубке Вентури составляет 500 мбар, то это дает ошибку 2% (в восемь раз больше!).