УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ ПОТОКА ЖИДКОСТИ В СКВАЖИНЕ

Полезная модель относится к области исследования вертикальных, горизонтальных и наклонных скважин, в частности к устройствам для определения скорости потока и суммарного расхода жидкости (вода + нефть) в скважинах, и может быть использована при геофизическом сопровождении разработки нефтяных месторождений, контроле технического состояния скважины, а также для контроля суммарного расхода жидкости в магистральных трубопроводах.
Известно устройство для определения расхода жидкости в скважине, содержащее корпус с входными и выходными окнами для протекания скважинной жидкости, два преобразователя давления, дифференциальный манометр и электронный блок, размещенные во внутренней полости корпуса, два пакера на корпусе, при этом дифференциальный манометр и один из пакеров установлены между входными и выходными окнами корпуса, второй пакер установлен с возможностью продольного перемещения посредством привода и оба пакера размещены между преобразователями давления. Устройство позволяет с помощью дифференциального манометра и преобразователей давления определить герметичность интервала пласта, выделенного пакерами, наличие перетока между слоями, параметры нарушения цементного кольца или пропласка (SU 1618875, Е21В 47/10).
К недостаткам данного устройства следует отнести его относительно сложную конструкцию. Кроме того, оно не может быть использовано для определения скорости потока и суммарного расхода скважинной жидкости без существенной конструктивной доработки.
Известен также скважинный расходомер для определения объемного расхода жидкости, содержащий корпус, в котором размещена проточная часть в виде двух соосных съемных полых цилиндров одинакового диаметра, разделенных между собой промежутком, тело обтекания в виде пирамиды внутри одного из цилиндров, два манометрических приемника давления по обеим сторонам тела обтекания, дифференциальный манометр в виде двух датчиков давления и электронный блок во внутренней герметичной полости корпуса. Устройство позволяет определить объемный расход жидкости путем измерения перепада давления на теле обтекания, оно простое по конструкции и в нем отсутствуют подвижные узлы и механизмы (RU 155291, Е21В 47/10).
Недостатком данного устройства является выполнение тела обтекания с неизменяемой эффективной площадью поперечного сечения в виду отсутствия в составе устройства необходимых конструктивных элементов, обеспечивающих это изменение, что не позволяет менять функцию преобразования устройства и тем самым адаптировать его для работ в скважинах в широком диапазоне дебита. Чтобы адаптировать данное устройство необходимо будет его разобрать, заменить тело обтекания и снова собрать, что делает конструкцию данного устройства менее технологичной.
Кроме того, конструктивное выполнение данного устройства вызывает определенный скепсис его использования при проведении исследований, связанных со спуском устройства в интервал исследований через колонну насосно-компрессорных труб и в скважинах с большим и малым дебитом (расходом).
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является устройство для измерения расхода и плотности жидкости в скважине, содержащее корпус, пакер, управляющий блок раскрытия пакера, дифманометрический блок, первый и второй манометрические приемники давления, каждый из которых расположен по разные стороны от пакера и которые гидравлически соединенных с дифманометрическим блоком, электронный блок измерения перепада давления, вход которого кинематически связан с выходом дифманометрического блока. Устройство позволяет определить скорость потока и, соответственно, суммарный расход жидкости по перепаду давления на пакере (SU 407037, Е21В 47/10, G01F 1/00).
Одним из недостатков известного устройства является то, что в процессе измерения расхода жидкости предусматривается полное перекрытие поперечного сечения ствола скважины пакером по его внешнему диаметру и перевод потока жидкости на калиброванное отверстие, образованное между наружной поверхностью корпуса устройства и внутренним диаметром пакера. А это не позволяет изменить функцию преобразования устройства и тем самым адаптировать его для работ в скважинах в широком диапазоне дебита.
Другим недостатком известного устройства является то, что конструкция устройства предполагает проведение замеров по точкам путем перемещения устройства по длине ствола скважины с последовательным складыванием и раскрытием пакера. Это, во-первых, усложняет процесс измерения, а, во-вторых, перемещение устройства по стволу скважины без складывания пакера приводит к разрушению пакера с неконтролируемым изменением коэффициента пакеровки, что отражается на точности измерения расхода.
Еще одним недостатком является то, что при работе в скважинах с высоким дебетом известное устройство, зафиксированное на точке измерения, создает значительное гидродинамическое сопротивление, которое приводит к нарушению режима работы скважины.
Кроме того, в известном устройстве для внесения поправки на плотность жидкости необходимо обеспечить разность высот расположения приемников давления. Это обстоятельство ограничивает область применения известного устройства исключительно в вертикальных скважинах.
Задача, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, состоит в адаптации устройства для работ в нефтяных скважинах в широком диапазоне дебита за счет выбора эффективной площади раскрытия пакера и перехода на режим непрерывного измерения расхода в процессе движения прибора.
Данная задача достигается за счет того, что в предлагаемом устройстве для определения скорости потока жидкости в скважине, содержащем корпус, пакер, управляющий блок раскрытия пакера, дифманометрический блок, первый и второй манометрические приемники давления, каждый из которых расположен по разные стороны от пакера и которые гидравлически соединены с дифманометрическим блоком, электронный блок измерения перепада давления, вход которого связан с выходом дифманометрического блока, устройство дополнительно содержит два центратора, один из которых расположен в носовой части корпуса, а второй в хвостовой его части, пакер размещен между центраторами и выполнен с регулируемой площадью перекрытия поперечного сечения ствола скважины в виде эластичной полой оболочки, заполняемой жидкостью, причем одной поверхностью пакер полностью охватывает корпус и плотно примыкает к нему, а внешняя поверхность пакера не контактирует с внутренней поверхностью ствола скважины и отстоит от нее на некотором расстоянии, при этом эффективная площадь раскрытия пакера выбирается с учетом геометрических размеров ствола скважины, управляющий блок раскрытия пакера выполнен в виде гидропривода, обеспечивающего поступление, запирание и отвод жидкости из оболочки пакера, дифманометрический блок содержит два независимых датчика давления, при этом вход одного из датчиков подключен к манометрическому приемнику давления, расположенному по одну сторону от пакера, вход второго датчика подключен к манометрическому приемнику давления, расположенному по другую сторону от пакера, а выход датчиков давления электрически связан с входами электронного блока измерения перепада давления.
Техническим результатом заявляемого изобретения, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является обеспечение возможности определения скорости потока жидкости в нефтяных скважинах с малым и с большим дебитом в режиме перемещения устройства в интервале исследований с возможностью построения суммарного и поинтервального профиля притока (расхода).
Изобретение поясняется рисунками, на которых представлены:
- фиг. 1 - конструктивная схема устройства;
- фиг. 2 - вид устройства со стороны А;
- фиг. 3 - зависимость перепада давления на пакере от расхода скважинной жидкости при различных значениях коэффициента раскрытия пакера.
Устройство для определения скорости потока жидкости в скважине 1 содержит цилиндрический корпус 2, центратор 3 в носовой части корпуса, центратор 4 в хвостовой части корпуса, регулируемый пакер 5 между центраторами 3 и 4 в виде полой оболочки из термомаслостойкой резины, заполняемой скважинной жидкостью 13; манометрические приемники давления 6 и 7 по обеим сторонам пакера 5, датчик давления 8 и датчик давления 9, электронный блок измерения перепада давления 10 во внутренней герметичной полости корпуса 2. Манометрический приемник давления 6 гидравлически соединен со входом датчика давления 8, а манометрический приемник давления 7 гидравлически соединен со входом датчика давления 9. Выход датчиков давления 8 и 9 электрически связан с входами электронного блока измерения перепада давления 10. На внешней поверхности корпуса расположено окно 11. На поверхности корпуса и прилегающей к нему поверхности пакера расположено окно 12, выходящее во внутреннюю полость резиновой оболочки.
Управляющий блок раскрытия пакера выполнен в виде гидропривода и содержит электронасос, электроклапаны, дроссели, соединительные трубки (на рисунке не показаны).
Устройство работает следующим образом. С помощью геофизического подъемника известными способами устройство доставляют в исследуемую область скважины, раскрывают центраторы 3 и 4. По команде с наземной геофизической станции управляющий блок раскрытия пакера осуществляет забор скважинной жидкости через входное окно 11 в корпусе и доставку ее в полость резиновой оболочки пакера 5 через окно 12, при этом электроклапан отвода жидкости из оболочки пакера остается закрытым (на рисунке не показан). Поступление жидкости в полость полой оболочки пакера осуществляется до тех пор, пока не будет достигнута требуемая для проведения работ в данной скважине эффективная площадь раскрытия пакера. Внешняя поверхность пакера при этом не контактирует с внутренней поверхностью ствола скважины и отстоит от нее на некотором расстоянии. После этого электроклапан поступления жидкости перекрывает доступ жидкости в полость резиновой оболочки пакера (на рисунке не показан).
Выбор эффективной площади раскрытия пакера зависит от внутреннего диаметра ствола скважины и характеризуется коэффициентом раскрытия пакера k, представляющим собой соотношение
1
где S - площадь внутреннего сечения ствола скважины;
2
S - площадь сечения для прохода скважинной жидкости на месте перекрытия пакером.
Сужение проточной части ствола скважины 1 пакером 5 создает гидродинамическое сопротивление потоку скважинной жидкости Q и инициирует появление перепада давления ΔР=|Р1-Р2| на пакере.
2
На фиг. 3 представлены зависимости перепада давления ΔР на пакере в зависимости от расхода скважинной жидкости Q. Устройство находится в статическом положении. Положительное значение ΔР соответствует положению, когда поток скважинной жидкости Q направлен от носовой части устройства к хвостовой, а отрицательное значение ΔР соответствует потоку от хвостовой части к носовой. Чем больше площадь перекрытия поперечного сечения ствола скважины пакером 5, тем меньше площадь сечения для прохода скважинной жидкости S и тем больше приращение перепада давления.
Перепад давления ΔР на месте гидродинамического сопротивления определяется выражением
где ξ - коэффициент потерь напора;
ρ - плотность потока скважинной жидкости;
V - скорость потока в зоне гидродинамического сопротивления;
g - ускорение силы тяжести.
В общем случае коэффициент потерь напора ξ зависит от формы места гидродинамического сопротивления, эффективной площади раскрытия пакера, вязкости и плотности жидкости.
В предлагаемой конструкции устройства местное гидродинамическое сопротивление, реализуемое пакером, можно представить в виде симметричного тела шарообразной формы. Потерями давления за счет сил трения скважинной жидкости о корпус скважинного прибора можем пренебречь ввиду малой площади смоченной поверхности. В данном приближении, при обтекании тела шарообразной формы для числа Рейнольдса в пределах 500 < Re < 150000 коэффициент потерь напора составляет 0,44.
Исходя из реальной чувствительности современных скважинных манометров, которая составляет порядка 500 Па, для обеспечения необходимой информативности устройства скорость потока в зазоре между внутренней поверхностью ствола скважины и внешней поверхностью пакера должна быть не менее 0,9 м/мин. Это условие реализуется при протяжке устройства по стволу скважины в диапазоне скоростей от 0 до 20 м/мин. Указанный диапазон скоростей традиционно используется в процессе проведения промыслово-геофизических исследований в действующих скважинах.
Перепад давления на месте гидродинамического сужения измеряется двумя датчиками. Давление Р1 с одной стороны пакера измеряется с помощью датчика 8, давление Р2 с противоположной стороны измеряется датчиком 9. С выхода датчика 8 и с выхода датчика 9 электрические сигналы, функционально зависящие соответственно от давления Р1 и Р2, поступают на входы электронного блока измерения перепада давления 10, где преобразуются в сигнал, функционально связанный с разностью давлений Р1 и Р2. Этот разностный сигнал по геофизическому кабелю передается на наземную станцию.
Непосредственное измерение скорости потока скважинной жидкости осуществляют в динамическом режиме. Для этого с помощью геофизического подъемника осуществляют протяжку (движение) устройства вдоль ствола скважины. Наличие двух центраторов и того обстоятельства, что внешняя поверхность пакера не контактирует с внутренней поверхностью ствола скважины и отстоит от нее на некотором расстоянии, позволяет проводить протяжку устройства как по направлению потока, так и против него, не подвергая риску разрушить пакер.
Режим протяжки устройства, в свою очередь, выбирают в зависимости от поставленной цели исследования для конкретной скважины. Так для определения скорости потока жидкости в скважине, имеющую на протяженном участке постоянное внутреннее сечение, осуществляют протяжку устройства по направлению потока с положительным ускорением, а затем с отрицательным ускорением. Равенство нулю сигнала на выходе электронного блока измерения перепада давления 10 при протяжке устройства по направлению потока с положительным ускорением и с отрицательным ускорением будет означать, что перепад давления АР на пакере равен нулю и что скорость протяжки устройства совпадает со скоростью потока. Скорость протяжки, в свою очередь, контролируется и измеряется известными способами и устройствами наземной геофизической станции. Поэтому, зная моменты, когда сигнал, поступающий на наземную геофизическую станцию с выхода электронного блока измерения перепада давления, равен нулю, можно непосредственно инструментально определить скорость потока скважинной жидкости.
Для определения скорости потока жидкости в скважине, имеющую работающие интервалы с притоками/поглощениями, осуществляют серию протяжек устройства по направлению потока и против потока с различными постоянными скоростями. Равенство нулю сигнала на выходе электронного блока измерения перепада давления 10 будет означать, что перепад давления ΔР на пакере равен нулю и что скорость протяжки устройства совпадает с локальной скоростью потока жидкости между интервалами притока/поглощения. Скорость протяжки, в свою очередь, измеряется известными способами и устройствами наземной геофизической станции.
По завершении работ по команде с наземной геофизической станции управляющий блок раскрытия пакера осуществляет отвод скважинной жидкости из внутренней полости резиновой оболочки пакера.
Суммарный расход жидкости рассчитывается с учетом внутреннего диаметра ствола скважины и измеренной скорости устройства из выражения
Δр0
где V - скорость потока, измеренная в процессе движения устройства с перепадом давления на пакере, равном нулю.
Равенство давления до и после пакера реализуется при равенстве скорости движения устройства и потока. При этом движение флюида в зоне гидродинамического сопротивления отсутствует. Это обстоятельство позволяет говорить о том, что полученный результат не зависит от реологических свойств скважинной жидкости. Таким образом, данная конструкция устройства может использоваться в скважинах с однофазной и многофазной продукцией.
Предложенное устройство позволяет менять функцию преобразования устройства за счет выполнения пакера с регулируемой площадью перекрытия поперечного сечения ствола скважины, выбора его эффективной площади раскрытия, что позволяет адаптировать устройство для работ в скважинах в широком диапазоне дебита.