ТЕРМОМАНОМЕТРИЧЕСКАЯ СИСТЕМА С РАСХОДОМЕРОМ И ВЛАГОМЕРОМ
THERMAL MANOMETRIC SYSTEM WITH FLOW METRE AND MOISTURE METRE

Изобретение относится к геофизической технике и может быть использовано в действующих нефтяных скважинах для проведения геофизических исследований. В частности, устройство предназначено для измерения, регистрации и передачи наземной аппаратуре данных о давлении флюида внутри насосно-компрессорной трубы, а также в обсадной колонне труб, о температуре и обводненности флюида, об объеме выкачиваемого насосом флюида.
Известен комплексный скважинный прибор, состоящий из двух соединенных между собой модулей: основного и модуля состава скважинной жидкости. Основной модуль, расположенный в верхней части прибора, содержит датчики расхода, давления, температуры, гамма-каротажа и локатора муфт и снабжен наконечником для соединения с каротажным кабелем. Модуль состава скважинной жидкости, расположенный в нижней части прибора, содержит датчики влагомера, индукционного резистивиметра и термоанемометра, а также снабжен разъемом для подсоединения дополнительных датчиков или модулей (см. патент RU 21415, МПК Е21B 47/10).
Однако данное изделие невозможно использовать в ходе непосредственной эксплуатации скважины, так как отсутствует возможность установки прибора в скважину вместе с насосной установкой. Кроме того, через чувствительный элемент расходомера (крыльчатку) проходит не весь объем жидкости (не полнопоточный расходомер), что ведет к проявлению большой погрешности между измеренным количеством жидкости и реально прошедшей через датчик расхода. При размещении данного прибора внутри насосно-компрессорной трубы (НКТ) отсутствует возможность проведения измерения параметров жидкости в затрубном пространстве, так как жидкость из затрубного пространства не контактирует ни с одним датчиком прибора.
Известен комплексный скважинный прибор, содержащий цилиндрический корпус, в котором установлены датчики локатора муфт (ЛМ), гамма-каротажа (ГК), давления (Р), температуры (Т), влагомера (W), термокондуктивного расходомера (СТИ) и резистивиметра (РИ). Корпус прибора выполнен составным из соединенных между собой верхней герметичной и нижней негерметичной частей. К нижней части корпуса прикреплен амортизирующий наконечник, а к верхней части корпуса прикреплена головка для соединения с геофизическим кабелем. В герметичной части последовательно сверху вниз размещены датчики ГК, ЛМ и Р, при этом чувствительная мембрана датчика Р соединена с окружающей средой гидропроводным каналом. Негерметичная часть составного корпуса содержит герметичные полости, в которых расположены датчики Т, W, СТИ и РИ, причем датчики Т и W расположены в одном месте и смещены относительно продольной оси прибора на равные расстояния. В корпусе, в месте размещения датчиков Т и W, выполнены две пары взаимно перпендикулярных разных по ширине сквозных окон, снабженных поперечными перемычками (см. патент RU 2292571, МПК G01V 5/12).
Однако данный скважинный прибор содержит ряд недостатков:
1. невозможность использования в ходе непосредственной эксплуатации скважины, так как отсутствует возможность установки прибора в скважину вместе с насосной установкой;
2. отсутствие центрирования прибора в скважине ведет к проявлению погрешностей при измерении расхода и обводненности флюида в случаях, когда весь корпус прибора смещен относительно центральной оси скважины (обсадной колонны или насосно-компрессорной трубы), особенно при горизонтальном расположении прибора в скважине;
3. использование термокондуктивного расходомера ведет к уменьшению динамического диапазона измерения расхода, так как при малой скорости потока жидкости (т.е. при малом расходе) данный тип расходомеров имеет большую погрешность;
4. при размещении данного прибора внутри насосно-компрессорной трубы (НКТ) отсутствует возможность проведения измерения параметров жидкости в затрубном пространстве, так как жидкость из затрубного пространства не контактирует ни с одним датчиком прибора.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является блок датчиков скважинной геофизической аппаратуры, корпус которого выполнен с двумя окнами и расположенной между ними перегородкой с индукционным датчиком измерения удельной электрической проводимости жидкости. В верхней части корпуса над верхним окном расположен датчик измерения давления, установленный по оси блока датчиков, при этом подвод скважинной жидкости к мембране датчика измерения давления осуществляется снизу через специальное боковое отверстие. В верхнем окне установлены датчик индикации содержания воды в нефти (влагомер) и датчик термоиндикации притока, а в нижнем окне размещен датчик измерения температуры. Нижняя часть блока датчиков выполнена в виде стыковочного узла для механического и электрического подсоединения дополнительных модулей приставок (см. патент RU 2304713, МПК Е21В 47/00).
Однако данное изделие также содержит ряд недостатков:
1. при размещении данного прибора внутри насосно-компрессорной трубы (НКТ) отсутствует возможность проведения измерения параметров жидкости в затрубном пространстве, так как жидкость из затрубного пространства не контактирует ни с одним датчиком прибора;
2. отсутствие центрирования прибора в скважине ведет к проявлению погрешностей при измерении расхода и обводненности флюида в случаях, когда весь корпус прибора смещен относительно центральной оси скважины (обсадной колонны или насосно-компрессорной трубы), особенно при горизонтальном расположении прибора в скважине
3. через чувствительный элемент расходомера (термоиндикатор) проходит не весь объем жидкости (не полнопоточный расходомер), что ведет к проявлению большой погрешности между измеренным количеством жидкости и реально прошедшей через датчик расхода;
4. наличие больших окон в корпусе прибора, в которых располагаются чувствительные элементы, ведет к образованию завихрений потока, проходящих через прибор, что в свою очередь приводит к появлению больших погрешностей при измерении расхода;
5. использование в качестве расходомера термоиндикатора расхода ведет к уменьшению динамического диапазона измерения расхода, так как при малой скорости потока жидкости (т.е. при малом расходе) данный тип расходомеров имеет большую погрешность.
Задачей заявляемого технического решения является создание системы, состоящей из наземного модуля и, по крайней мере, одного погружного прибора, обеспечивающей точные измерения параметров жидкости на разной глубине (при использовании более одного погружного прибора) как внутри насосно-компрессорной трубы, так и в затрубном пространстве.
Технический результат заключается в обеспечении условий полнопоточности измерений, уменьшении количества факторов, влияющих на изменение динамики потока жидкости (т.е. создающих завихрения потока), а также в создании условий для использования нескольких погружных приборов в одной скважине, соединенных в связку приборов, что особенно актуально при одновременно раздельной эксплуатации скважины, когда откачка флюида в скважине ведется сразу из нескольких пластов, расположенных на разной глубине.
Указанный технический результат достигается тем, что термоманометрическая система (ТМСРВ), содержащая корпус, в котором расположен, по крайней мере, один датчик давления и температуры жидкости, измерительная часть которого соединена с внешней поверхностью корпуса, влагомер, расходомер, согласно решению снабжена проточной цилиндрической муфтой, выполненной с возможностью сопряжения с насосно-компрессорными трубами и соединенной с корпусом, при этом в муфте расположен герметичный токоввод, выполненный с возможностью соединения с геофизическим кабелем, и, по крайней мере, один датчик давления и температуры жидкости, измерительная часть которого соединена с внешней поверхностью муфты. Термоманометрическая система снабжена блоком электроники, расположенным в корпусе и соединенным с токовводом муфты и датчиками ТМСРВ. Влагомер выполнен в виде цилиндрического электрода. В качестве датчиков давления и температуры использованы тензометрические преобразователи давления и температуры.
Заявляемое устройство поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена термоманометрическая система, общий вид, а на фиг.2 - заявляемая система в скважине, вид в разрезе. Позициями на чертежах обозначены:
1 - обсадная колонна труб (ОКТ);
3 - насосно-компрессорная труба (НКТ);
3 - соединительная муфта;
4 - геофизический кабель;
5 - токоввод;
6 - датчик давления и температуры в ОКТ;
7 - канал подвода жидкости из ОКТ;
8 - датчик давления и температуры в НКТ;
9 - канал подвода жидкости из НКТ;
10 - блок электроники;
11 - электронная плата;
12 - соединительный кабель;
13 - влагомер;
14 - расходомер;
15 - корпус.
Термоманометрическая система с расходомером и влагомером (ТМСРВ) содержит проточную цилиндрическую соединительную муфту 3 с внутренней резьбой, выполненной в углублениях на обоих торцах для соединения с насосно-компрессорными трубами 2 (НКТ). В муфте параллельно ее оси выполнено, по крайней мере, одно сквозное отверстие, соединяющее полости НКТ, расположенные выше и ниже муфты по месту ее установки. В центральной части муфты установлен тензометрический датчик 6, предназначенный для измерения давления и температуры жидкости, протекающей в затрубном пространстве, то есть между обсадной колонной труб (ОКТ) и НКТ. В муфте 3 выполнен канал 7, посредством которого обеспечивается контакт измерительной части датчика 6 с жидкостью затрубного пространства. Заявляемое устройство содержит цилиндрический корпус 15 для размещения измерительных датчиков 8, 13, 14, а также блока электроники 10. В конкретном варианте исполнения корпус 15 выполнен составным из цилиндрических корпусов датчиков 8, 13, 14 и блока электроники 10, выполненных с возможностью последовательного соединения. В муфте 3 под датчиком давления и температуры 6 выполнен стыковочный узел, обеспечивающий соединение муфты с полым цилиндрическим корпусом блока электроники 10. В корпусе блока электроники расположена электронная плата 11, соединенная при помощи соединительных кабелей 12 с контактами датчиков 6 и 8, электродом влагомера 13, расходомером 14 и токовводом 5, расположенным на муфте и обеспечивающим сопряжение ТМСРВ с геофизическим кабелем 4. К нижней части цилиндрического корпуса блока электроники при помощи резьбового соединения прикреплен цилиндрический корпус тензометрического датчика 8, предназначенного для измерения давления и температуры жидкости, протекающей внутри НКТ. Для обеспечения возможности измерения параметров жидкости, находящейся в НКТ, датчиком 8 его измерительная часть соединена с внешней поверхностью корпуса (полостью НКТ) при помощи канала 9, а контакты соединены с электронной платой 11 при помощи соединительных кабелей 12. В корпусе датчика 8 выполнено сквозное отверстие для размещения кабелей 12, соединяющих электронную плату 11 с измерительными датчиками, расположенными за датчиком давления и температуры в НКТ согласно технологии размещения датчиков. На фиг.2 представлен следующий вариант последовательности размещения датчиков: к нижней части корпуса датчика 8 при помощи резьбового соединения прикреплен влагомер 13, предназначенный для определения обводненности флюида, а к нижней части влагомера также при помощи резьбового соединения прикреплен расходомер 14. Влагомер представляет собой емкостный датчик, измерительная емкость которого образована металлическим цилиндром, расположенным в полом цилиндрическом корпусе из диэлектрического материала, изолирующего цилиндр от металлических корпусов соседних датчиков 8 и 14, и концентрично расположенной НКТ. В полости корпуса влагомера расположены соединительные кабели 12, выходящие из отверстия в корпусе датчика 8, один из которых соединен с металлическим цилиндром влагомера, а другой с расходомером 14.
В заявляемой термоманометрической системе с расходомером и влагомером в качестве расходомера возможно использование преобразователя расхода жидкости любого типа, например:
- турбинного (механического), принцип работы которого основан на преобразовании поступательного движения потока жидкости в движение вращения измерительной части (например, крыльчатки);
- электромагнитного, принцип работы которого основан на законе электромагнитной индукции;
- термокондуктивного, принцип работы которого основан на зависимости температуры подогреваемого термодатчика от скорости потока флюида;
- вихревого, принцип работы которого основан на измерении частоты образования вихрей, возникающих в потоке жидкости/газа при обтекании тела специальной формы, установленного в проточной части преобразователя расхода;
- ультразвукового, принцип работы которого основан на измерении разности времен прохождения импульсов ультразвукового колебания по направлению движения потока жидкости/газа и против него.
Термоманометрическая система работает следующим образом. С обеих сторон в муфту 3 вворачивают насосно-компрессорные трубы 2, а к токовводу 5 подключают геофизический кабель 4, соединенный с наземной аппаратурой (на чертежах не показана). Затем колонну НКТ опускают в обсадную колонну труб 1 до тех пор, пока вся система не будет расположена на требуемой глубине. Жидкость из НКТ, расположенной ниже муфты 3, свободно перетекает по сквозным продольным отверстиям муфты 3 в НКТ, расположенную выше муфты. После этого по геофизическому кабелю 4 подают питание на электронную плату 11 блока электроники 10, которая включает работу всех контрольно-измерительных приборов: тензометрических датчиков 6 и 8 давления и температуры, влагомера 13 и расходомера 14. Жидкость из ОКТ проходит по каналу 7 к чувствительной мембране, расположенной в измерительной части тензометрического датчика 6, преобразующего величину деформации чувствительного элемента, вызванную изменением давления и/или температуры жидкости, в электрические сигналы, передаваемые по соединительному кабелю 12 на электронную плату 11. Жидкость из НКТ проходит по каналу 9 к чувствительной мембране, расположенной в измерительной части тензометрического датчика 8, преобразующего аналогично датчику 6 величину давления и/или температуры жидкости в электрические сигналы, передаваемые по соединительному кабелю 12 на электронную плату 11. Вся жидкость, поднимающаяся по НКТ, проходит через кольцевой зазор между цилиндрическим электродом емкостного влагомера и расположенным напротив участком насосно-компрессорной трубы; следовательно, влагомер производит достоверное определение обводненности выкачиваемой нефтесодержащей жидкости (флюида) независимо от пространственного распределения компонентов различной плотности, например при горизонтальном расположении НКТ. Расходомер производит определение объема жидкости, проходящей внутри НКТ, и при этом создает малое сопротивление потоку. Сигналы от датчиков, соответствующие измеренным параметрам жидкости, поступают по соединительным кабелям 12 в электронную плату 11, где преобразуются и передаются по кабелю 12, соединяющему плату 11 с токовводом 5, токовводу и геофизическому кабелю 4 к наземной аппаратуре.
Конкретный вариант исполнения представляет собой систему, состоящую из наземного и подземного модулей. Подземный модуль (см. фиг.2) сдержит проточную цилиндрическую муфту 3 с внутренней резьбой, выполненной в углублениях на обоих торцах для соединения с насосно-компрессорными трубами 2, имеющими наружный диаметр 73 мм. В муфте параллельно ее оси выполнено 4 отверстия диаметром 23 мм, соединяющих полости НКТ, расположенные выше и ниже муфты по месту ее установки. В центральной части муфты установлен тензометрический датчик 6, предназначенный для измерения давления и температуры жидкости, протекающей в затрубном пространств. В муфте 3 выполнен канал 7, посредством которого обеспечивается контакт измерительной части датчика 6 с жидкостью затрубного пространства. Корпус 15 выполнен составным из цилиндрических корпусов датчиков 8, 13, 14 и блока электроники 10, соединенных последовательно. В муфте 3 под датчиком давления и температуры 6 выполнен стыковочный узел, обеспечивающий соединение муфты с полым цилиндрическим корпусом блока электроники 10. В корпусе блока электроники расположена электронная плата 11, соединенная при помощи соединительных кабелей 12 с контактами датчиков 6 и 8, электродом влагомера 13, расходомером 14 и токовводом 5, расположенным на муфте и обеспечивающим сопряжение ТМСРВ с геофизическим кабелем 4. К нижней части цилиндрического корпуса блока электроники при помощи резьбового соединения прикреплен цилиндрический корпус тензометрического датчика 8, предназначенного для измерения давления и температуры жидкости, протекающей внутри НКТ. Для обеспечения возможности измерения параметров жидкости, находящейся в НКТ, датчиком 8 его измерительная часть соединена с внешней поверхностью корпуса (полостью НКТ) при помощи канала 9, а контакты соединены с электронной платой 11 при помощи соединительных кабелей 12. В корпусе датчика 8 выполнено сквозное отверстие для размещения кабелей 12, соединяющих электронную плату 11 с измерительными датчиками, расположенными в следующей последовательности: к нижней части корпуса датчика 8 при помощи резьбового соединения прикреплен влагомер 13, выполненный в виде цилиндрического электрода и предназначенный для определения обводненности флюида, а к нижней части влагомера также при помощи резьбового соединения прикреплен расходомер 14. Влагомер представляет собой емкостный датчик, измерительная емкость которого образована металлическим цилиндром, расположенным в полом цилиндрическом корпусе из диэлектрического материала, изолирующего цилиндр от металлических корпусов соседних датчиков 8 и 14, и концентрично расположенной НКТ. В полости корпуса влагомера расположены соединительные кабели 12, выходящие из отверстия в корпусе датчика 8, один из которых соединен с металлическим цилиндром влагомера, а другой с расходомером 14. В конкретном варианте исполнения ТМСРВ использован расходомер турбинного типа.