СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РЕЖИМА ТЕЧЕНИЯ ВОДОГАЗОВОЙ СМЕСИ
METHOD AND DEVICE FOR DETERMINING THE FLOW REGIME OF WATER-AND-GAS MIXTURE

Изобретение относится к нефтегазодобывающей области, в частности к системе поддержания пластового давления, и может быть использовано для контроля качества мелкодисперсной смеси воды и газа при закачке смеси в пласт через систему поддержания пластового давления.
Высокие требования к качеству подготовки водогазовой смеси, в частности при транспортировке смеси через нагнетательные скважины в пласт, обуславливаются требованием непрерывной закачки однородной гомогенной мелкодисперсной смеси воды и газа.
Известен способ для определения дисперсности (RU 2191367, МПК G01N 13/00, опубл. 22.10.2002 г.), который предусматривает получение шести групп фотографий в камере, в основании которой лежит правильный шестиугольник со стороной 10 см, а высота камеры зависит от кратности пены. Недостатком данного изобретения является его практическая невозможность использования в условиях нефтяного промысла.
Известен способ определения дисперсности водогазовой смеси (RU 2522486, МПК Е21B 43/22, G01N 13/02, G01N 15/02, опубл. 20.07.2014 г.), который включает в себя получение водогазовой смеси под повышенным давлением, отбор пробы водогазовой смеси и перевод ее в измерительную емкость при том же давлении. Перед проведением измерения определяют объем измерительной емкости, а в процессе измерения непрерывно регистрируют изменение давления свободного газа внутри измерительной емкости и объем свободного газа, соответствующее изменению давления приращение объема свободного газа, определяют общее количество газа, содержащегося в отобранной пробе. После этого определяют зависимость давления от объема свободного газа в емкости, которую затем пересчитывают в зависимость изменения давления от относительной доли текущего значения массы свободного газа, и далее определяют по формуле радиус газовых пузырьков, содержащихся в доле текущего значения массы свободного газа, и вычисляют функцию распределения радиуса пузырьков. Недостатком данного способа является сложность его реализации, связанная с необходимостью отбора проб, транспортировки пробы в измерительную лабораторию и проведения косвенных измерений для оценки диаметров пузырьков газа.
Наиболее близким к предложенному изобретению является способ и устройство для определения режима течения газожидкостного потока (RU 2390766, МПК G01N 27/22, опубл. 27.05.2010 г.). Согласно данному способу осуществляют анализ параметров газожидкостного потока по всему вертикальному сечению трубопровода путем измерения диэлектрических характеристик смеси жидкость-газ с помощью пластинчатых электродов, подключенных к измерительной плате, которая измеряет значение диэлектрической проницаемости в шести горизонтальных слоях газожидкостного потока и передает измеренное значение в цифровом виде на вторичный прибор.
Устройство для реализации способа включает в себя вторичный прибор и размещенную в трубопроводе измерительную головку, внутри которой размещены пластинчатые электроды, подключенные к измерительной плате, которая измеряет значение диэлектрической проницаемости в шести горизонтальных слоях газожидкостного потока и передает измеренное значение в цифровом виде на вторичный прибор.
Недостатком известных способа и устройства является малая информативность, низкая точность определения параметров газожидкостного потока.
Задача, решаемая изобретением, заключается в разработке способа и устройства для определения параметров потока водогазовой смеси на основе распределенных замеров электропроводности, что позволяет идентифицировать режим течения водогазовой смеси.
Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в повышении точности идентификации режима течения потока водогазовой смеси и способности различать следующие режимы течения: мелкодисперсный режим, расслоенный режим и пробковый режим на основе измерения электропроводности смеси по всему поперечному сечению трубопровода, что позволяет повысить качество подготовки водогазовой смеси и обеспечивает бесперебойную закачку однородной мелкодисперсной водогазовой смеси в пласт.
Указанный технический результат в части способа достигается тем, что в способе определения режима течения водогазовой смеси, при котором осуществляют анализ параметров потока одновременно по всему вертикальному сечению трубопровода путем измерения электрических характеристик смеси с помощью датчиков, расположенных внутри трубопровода, измеряют электродвижущую силу в N точках смеси посредством N датчиков в виде пар электрических контактов, установленных по периметру поперечного сечения на внутренней поверхности трубопровода, к которым подводят заданный электрический ток, причем измерение проводят с частотой не менее 500 Гц, и по значению тока и замеренной электродвижущей силе посредством блока обработки результатов измерения определяют значения электропроводности водогазовой смеси в месте установки датчиков, которую затем передают в цифровом виде для построения графиков зависимости электропроводности от времени измерения для каждого датчика, после чего полученные графики сравнивают с экспериментальными графиками, построенными при известных режимах течения для различных потоков, а по результатам сравнения определяют режим течения водогазовой смеси.
Указанный технический результат в части устройства достигается тем, что в устройстве для определения режима течения водогазовой смеси, которое содержит измерительную головку с расположенными внутри нее датчиками электрических характеристик смеси и блок обработки результатов измерения, измерительная головка выполнена в виде участка трубопровода с присоединительными фланцами, а датчики электрических характеристик смеси, выполненные в виде N пар электрических контактов, установлены по периметру поперечного сечения измерительной головки на кольцеобразной электроизоляционной вставке и подключены к блоку обработки результатов измерения.
Изобретение обеспечивает автоматизированное определение режима течения водогазовой смеси посредством непрерывного измерения электропроводности смеси по всему поперечному сечению трубопровода непосредственно в процессе ее закачки через нагнетательную скважину в пласт в режиме реального времени. Измерения ведутся с высокой частотой, в результате чего образуется достоверная последовательность значений электропроводности водогазовой смеси. По данной последовательности значений электропроводности водогазовой смеси проводится анализ, и за счет большой разницы в значениях электропроводности для воды и для газа появляется возможность идентифицировать режим течения.
Оценка электропроводности проводится для каждого из датчиков измерения электрических параметров водогазовой смеси, которые расположены равномерно по всему поперечному сечению трубопровода, в результате чего появляется возможность формировать целостную картину режима течения водогазовой смеси.
Эффективность предложенного решения обусловлена: относительной простотой его реализации, возможностью установки устройства на эксплуатируемый участок трубопровода перед нагнетательной скважиной, что позволяет идентифицировать режим течения водогазовой смеси в режиме реального времени непосредственно перед его транспортировкой в пласт.
Благодаря наличию большого числа датчиков измерения параметров водогазовой смеси, имеется возможность идентификации режима течения водогазовой смеси по всему сечению трубопровода.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен продольный разрез устройства для определения режима течения водогазовой смеси; на фиг. 2 - сечение А-А фиг. 2; на фиг. 3 приведен график зависимости электропроводности от времени измерения, полученный экспериментально при прохождении через устройство чистой воды; на фиг. 4 - график зависимости электропроводности от времени измерения при прохождении через устройство чистого газа; на фиг. 5 и 6 приведены графики электропроводности, полученные при конкретной реализации изобретения, соответственно в пробковом режиме водогазовой смеси и в мелкодисперсном режиме.
Устройство для определения режима течения водогазовой смеси содержит измерительную головку 1 с присоединительными фланцами 2, посредством которых она крепится на участке трубопровода. Внутри измерительной головки 1 по всему периметру поперечного сечения расположены N датчиков в виде пар электрических контактов 3, которые закреплены на кольцеобразной электроизоляционной вставке 4 и подключены к блоку обработки результатов измерений 5.
Способ осуществляют следующим образом. Через устройство (фиг. 1, 2), врезанное в трубопровод, проходит поток водогазовой смеси. Посредством установленных по всему периметру поперечного сечения датчиков 3, к которым подводится электрический ток, производится непрерывное измерение электродвижущей силы (ЭДС). По заданному току и измеренной ЭДС в блоке обработки результатов измерения 5 определяют электропроводность водогазовой среды в месте установки каждого датчика 3. Измерения производятся с частотой не менее 500 Гц. При меньшей частоте измерения теряется информативность, недостаточно идентифицируются особенности режима течения смеси, связанные с размерами пузырьков.
Данные об электропроводности, преобразованные в блоке 5 в цифровой вид, подвергаются обработке для построения графиков зависимости электропроводности от времени измерения, причем для оптимизации процесса выбираются максимальные и минимальные значения измеренной электропроводности. Такие графики строятся для каждого из датчиков в отдельности. Каждый график анализируют посредством его сравнения с графиками, полученными экспериментально при известных режимах течения водогазовой смеси.
На фиг. 3-6 представлены графики для конкретного примера реализации устройства с 12 датчиками.
Известно, что при прохождении через датчик чистой воды (фиг. 3), значения электропроводности изменяются в пределах от 1400 до 1550 у.е., при прохождении чистого газа (фиг. 4) значения электропроводности изменяются в пределах от 0 до 200 у.е., поэтому при расслоенном режиме течения водогазовой смеси (в случае, когда газ проходит по верхней части трубопровода, а вода по нижней части трубопровода) датчики, расположенные выше границы раздела воды и газа, фиксируют значения электропроводности на уровне 1400-1550 у.е., датчики, расположенные ниже границы раздела газа и воды, фиксируют значения электропроводности на уровне 0-200 у.е. Также известно, что при пробковом режиме течения (фиг. 5) наблюдаются резкие скачки значений электропроводности от 350 до 1500 у.е. Также известно, что при прохождении через датчики водогазовой смеси с дисперсно-пузырьковым режимом течения (фиг. 6) значения электропроводности изменяются без существенных скачков от 600 до 1250 у.е. Это подтверждается представленными чертежами.
Примеры реализации изобретения
Пример 1. В процессе транспортировки водогазовой смеси в пласт с использованием данного изобретения были произведены синхронные замеры ЭДС со всех двенадцати датчиков. По полученным данным с каждого датчика были построены временные зависимости в соответствии с предложенным способом. Полученные зависимости электропроводности представлены на фиг. 5.
По представленному графику можно сделать следующий вывод: через датчики R1 и R12 проходит чистый газ, поскольку электропроводность с помощью этих датчиков фиксируется на уровне, близком к 0 у.е. Через датчики R3-R10 проходит чистая вода, поскольку электропроводность, измеренная на этих датчиках, составляет 1500 у.е. Значение электропроводности смеси в датчиках R2 и R12 изменяется во времени скачкообразно, с большой амплитудой, что означает попеременное прохождение через данные датчики воды и газа и характеризует пробковый режим течения. Таким образом, по результатам анализа графика электропроводности водогазовой смеси можно сделать вывод, что режим течения данной смеси расслоенный в средней части трубопровода, а также пробковый на границе раздела двух сред.
Пример 2. В процессе транспортировки водогазовой смеси в пласт были произведены замеры электропроводности со всех двенадцати датчиков. По полученным данным с каждого датчика были построены временные зависимости в соответствии с предложенным способом. Полученные зависимости электропроводности представлены на фиг. 6.
По представленному графику можно сделать следующий вывод: через датчики R1 и R12 проходит чистый газ, поскольку электропроводность с помощью этих датчиков фиксируется на уровне, близком к 0 у.е. Через датчики R3-R10 проходит чистая вода, поскольку электропроводность, измеренная на этих датчиках, составляет 1500 у.е. Значения электропроводности смеси в датчиках R2 и R11 принимают промежуточные значения от 600 до 1200 у.е., без явных скачков, что свидетельствует о мелкодисперсном режиме течения в области установки данных датчиков.
Таким образом, изобретение позволяет определять режим течения водогазовой смеси в реальном времени непосредственно в процессе ее закачки через нагнетательную скважину в пласт и обеспечивает точную идентификацию потока, что повышает качество подготовки водогазовой смеси до однородного мелкодисперсного состояния для бесперебойной закачки ее в пласт.