Способ измерения расхода текучего вещества
METHOD OF MEASURING FLOW RATE OF FLUID

Изобретение относится к области добычи жидких полезных ископаемых, в частности, углеводородов, и может быть использовано при эксплуатации скважин, работающих, предпочтительно, на нефтяных, газовых и газоконденсатных месторождениях.
Известен (SU, патент 1684491, опубл. 15.10.1991) способ исследования динамических процессов многопластового месторождения природных газов. Согласно известному способу вводят в пласт через нагнетательную скважину индикатор в носителе, отсутствующий в природном газе, преимущественно гелий, отбирают пробы из добывающей скважины, определяют время появления индикатора в продукции добывающей скважины, а также зависимость изменения во времени концентрации индикатора в последней и судят о сообщаемости объектов по наличию индикатора в продукции.
Недостаток указанного способа состоит в получении недостоверных данных ввиду неоднозначности интерпретации полученных результатов на многопластовых газовых, нефтяных с газовой шапкой месторождениях и ПХГ. Неэффективно применение известного способа одновременно в нескольких скважинах, вскрывающих один и тот же горизонт (пласт) или различные горизонты (пласты) ввиду неоднозначности интерпретации полученных результатов из-за невозможности идентификации прихода гелия от какой-либо конкретной нагнетательной скважины и возможностью пропуска (потери) части индикаторной волны, обусловленной дискретностью взятия проб флюида. Многократное применение способа на одном месторождении также невозможно из-за повышения фоновых (остаточных) содержаний гелия, волнообразного прихода индикатора со значительной временной задержкой. Невозможно применять известный способ для коллекторов трещинного типа ввиду фиксации только одного максимума прихода индикатора в продукции добывающей скважины. К тому же способ неприменим на газовых и нефтяных, с газовой шапкой, месторождениях с высоким содержанием гелия в добываемой продукции.
Известен (ЕА, патент 009055, опубл. 26.10.2007) способ обнаружения, характеристики и мониторинга углеводородных резервуаров. Способ обнаружения, характеристики или мониторинга источника углеводородов включает генотипический анализ образца (совокупность генетических методов по изучению клетки, зиготы и других микроорганизмов) для определения присутствия одного или нескольких термофильных или экстремофильных микроорганизмов и, в частности для образования микробиологических профилей образцов и для сравнение этих профилей с профилями из эталонных образцов. Кроме указанного в известном изобретении для использования в качестве объектов генотипического анализа микроорганизмов предусмотрено использование олигонуклеотидов (части дезоксирибонуклеиновых и рибонуклеиновых кислот).
Недостатком известного технического решения является не только необходимость создания коллекции эталонных образцов микроорганизмов, но и необходимость присутствия микроорганизмов в образцах, в силу чего известный способ является весьма дорогостоящим видом исследований, при этом требуется привлечение специалистов в области биологии и микробиологии.
Известен (US, патент 4742873, опубл. 05.10.1988) способ исследования динамических процессов газовой среды. Согласно известному способу в нагнетательные скважины вводят различные индикаторы в газовом носителе, из добывающих скважин отбирают пробы и определяют концентрации индикаторов во времени в добываемой продукции.
Недостаток указанного способа связан с тем, что различные индикаторы могут иметь различные свойства по отношению к пластовым условиям, что вносит значительную погрешность в определение объективной картины миграции газа при эксплуатации многопластового месторождения углеводородов.
Известен (RU, патент 2167288, опубл. 20.05.2001) способ исследования динамических процессов газовой среды подземного хранилища газа. Согласно известному способу в период максимального давления через разные центральные нагнетательные скважины закачивают индикаторы в газовом носителе, в каждую из них закачивают индикатор одного цвета в виде газонаполненных микрогранул со степенью дисперсности 0,5-0,6 мкм, а в период снижения давления до минимальной средневзвешенной по площади величины одновременно отбирают пробы газа из добывающих скважин, определяют изменения во времени концентрации индикаторов каждого цвета, находят суммарное количество индикатора каждого цвета, поступившего в каждую нагнетательную скважину, строят карты и по величине долей мигрирующего газа выявляют направление внутрипластовых и межпластовых перетоков и оконтуривают газодинамически различные зоны.
Недостаток этого способа связан с тем, что при отборе пробы нарушается технологический режим работы газовой скважины, заключающийся в том, что необходимо одновременно ежесуточно отбирать пробы газа из добывающих скважин в течение длительного времени, что вносит значительную погрешность в определение объемной картины миграции газа при эксплуатации ПХГ.
Наиболее близким аналогом разработанного технического решения можно признать (RU, патент 2482272, опубл. 20.05.2013) способ контроля за разработкой месторождения углеводородов с использованием трассера-метки, причем устанавливают на спускаемом оборудовании и затем опускают в скважину на заранее определенное расстояние от устья скважины, по меньшей мере, один контейнер, содержащий трассера-метки, с последующим контролем скважинного флюида или газа на содержание трассера-метки, причем корпус контейнера выполнен из материала, способного растворяться либо разлагаться под действием воды либо газа и устойчивого к действию углеводородной среды.
Недостатком известного способа следует признать его ограниченную информативность.
Техническая задача, решаемая посредством реализации разработанного способа, состоит в расширении номенклатуры способов контроля работы промысловых скважин.
Технический результат, достигаемый при реализации разработанного способа, состоит в увеличении информативности о расходе текучей среды через заданные сечения и, соответственно о скорости потока в режиме реального времени.
1
2
1
2
1
1
1
1
2
1
2
2
1
2
1
2
1
2
Для достижения указанного технического результата предложено использовать разработанный способ измерения расхода текучего вещества. Согласно разработанному способу в линии потока текучего вещества предварительно размещают средство подачи в поток, по меньшей мере, одного маркерного вещества в виде молекул или частиц или, по меньшей мере, частично в виде частиц, с заранее известным расходом q и известной концентрацией маркерного вещества в единице объема n, замеряют концентрацию n маркерного вещества в объеме текущего вещества, определяют расход текущего вещества как q(n/n-1), при условии, что п больше нуля. Количество частиц N в маркерном веществе равно nV, где V - объем поступившего маркерного вещества за известное время t. После поступления маркерного вещества в объем V текучего вещества и смешения, количество частиц маркерного вещества останется таким же, а объем, по которому распределятся эти частицы станет V+V. Концентрация же станет n=N/(V+V). Из этой формулы можем получить, что расход Q, который необходимо замерить, будет равен Q=q(n/n-1). Учитывая то, что объем маркерного вещества гораздо меньше, чем объем текущего вещества можем получить Q=q(n/n).
В качестве средства подачи в поток маркерного вещества используют емкость с отверстием калиброванного диаметра, через которое выделяется маркерное вещество в поток текущего вещества.
Также в качестве средства подачи в поток маркерного вещества используют матричное вещество, которое способно выделять маркерное вещество в поток текущего вещества за счет диффузии при контакте с потоком текущего вещества, или осмоса при взаимодействии с потоком текущего вещества, или за счет растворения вещества матрицы.
В качестве вещества матрицы могут быть использованы любые водорастворимые и малорастворимые в воде вещества (кристаллы неорганических солей, в которые при кристаллизации введены маркерные вещества, перфорированные емкости, заполненные смесью водорастворимых и малорастворимых в воде веществ, и маркерных веществ), а также растворимые и малорастворимые в неполярных растворителях вещества (парафины, смолы (натуральные и искусственные), твердые нефтепродукты). Их смешивают с маркерными веществами и помещают в перфорированные емкости.
В некоторых вариантах реализации разработанного способ используют маркерное вещество, помещенное в микрокапсулы, причем в качестве материала микрокапсул используют материал, не растворимый в компонентах текущего вещества, выделяют микрокапсулы из потока текущего вещества, растворяют микрокапсулы без повреждения маркерного вещества и определяют расход необходимого компонента текущего вещества. Указанные микрокапсулы могут быть переведены в раствор путем выделения из матрицы или емкости с калиброванным отверстием.
Микрокапсулы могут быть получены любым известным путем (https://studfiles.net/preview/3549726/page:2/). В качестве материала оболочки используют воск пчелиный, карнаубский воск, спермацет, полиэтилен, натуральные и синтетические парафины, продукты полимеризации, используя при анионной полимеризации в качестве мономеров могут быть использованы винилацетат, метакрилат, а в качестве катализаторов - цианид натрия, раствор гидроксидов щелочных металлов, в качестве растворителей применяют парафиновые или нафтеновые углеводороды. При катионной полимеризации в качестве мономеров могут быть использованы виниловые мономеры с положительным индукционным эффектом заместителя, например, виниловые эфиры, в этом случае в качестве катализатора - кислоты Льюиса.
При реализации разработанного способа в качестве маркерного вещества могут быть использованы фрагменты ДНК, кремнийорганические соединения, частицы полиорганосилоксанов (в том числе и замещенных, а также с различной молекулярной массой), полисахариды, в том числе, замещенные, частицы оксидов металлов, соли металлов. Приведенный перечень не ограничивает возможные примеры используемых маркерных веществ. Так же возможно использование комбинации различных маркерных веществ для кодирования необходимых последовательностей в двоичном преставлении, например. Используя только четыре маркера, например, можно построить как минимум пятнадцать комбинаций!
Разработанный способ может быть использован в различных вариантах. В случае использования в качестве маркерных веществ, диссоциирующих в воде на ионы, их наличие может быть определено по изменению электрического сопротивления воды с использованием кондуктометра, или по изменению ионного состава воды с использованием ионселективных электродов. В случае использования в качестве маркерных веществ, не взаимодействующих с водой, они могут быть выделены из потока любым известным способом, но предпочтительнее использовать метод концентрирования на мембранном беззольном фильтре. Ход дальнейшего анализа зависит от природы маркерного вещества. В любом случае анализ не должен повредить маркерное вещество.
Способ применительно к контролю работы скважин состоит в следующем. В процессе работы скважины трехфазная смесь проходит точки выделения маркерных веществ. Это могут быть емкости с маркерными веществами и калиброванными отверстиями или матрицы, в состав которых входит маркерное вещество, причем материал матриц начинает разлагаться/разрушаться и выделять маркерное вещество, смешиваясь с протекающим флюидом, а из калиброванных отверстий. По концентрации маркерного вещества, поступившего в анализируемый поток, можно однозначно определить расход воды, углеводородов или газа средства подачи в поток маркерного вещества. Для калибровки способа можно использовать лабораторные испытания, по результатам которых определяется соответствие концентрации высвободившегося маркерного вещества из средства подачи маркерного вещества. В одной скважине может быть установлено несколько средств выделения маркерных веществ с различными техническими характеристиками и/или различного состава, что позволит увеличении информативность сведений о расходе текучей среды через заданные сечения, поскольку известны места установки указанных средств и расчитано количество маркерного вещества в потоке.
В дальнейшем сущность разработанного способа будет раскрыта с использованием примеров его реализации.
1
2
1. В устье скважины установлена матрица из растворимого в нефти материала (парафина) в теле которой распределено маркерное вещество, не взаимодействующее с нефтью - фрагменты ДНК определенной молекулярной массы. Предварительно на модельных системах установлено соответствие скорости выделения из матрицы аналогичного типа фрагментов ДНК такой молекулярной массы (величина q). Заранее известна величина n. C использованием известного метода определения фрагментов ДНК в растворе («Пособие к практическим занятиям по молекулярной биологии. Часть 2. Методы молекулярной диагностики» Н. Новгород, Нижегородский государственный университет им. Н.Н. Лобачевского, 1915) определяют величину n и рассчитывают расход нефти.
1
2
2. В устье скважины установлена матрица из растворимого в воде материала (гидроксид кальция) в теле которой распределено маркерное вещество, не взаимодействующее с нефтью - селсисквиоксаны определенной молекулярной массы. Матрица представляет собой перфорированный сосуд, заполненный смесью гидроксида кальция и селсквиоксанов. Предварительно на модельных системах установлено соответствие скорости выделения из матрицы аналогичного типа селсесквиоксанов такой молекулярной массы (величина q). Заранее известна величина n. C использованием известного метода определения селсисквиоксанов (http://fizmathim.com/issledovanie-struktury-polimemyh-vinil-fenilsilseskvioksanov-i-poluchenie-razvetvlennyh-polimetallohelatosilseskvioksano) определяют величину n и рассчитывают расход нефти.
1
2
1
3. В устье скважины установлены две матрицы, содержащие полиорганосилоксаны различной молекулярной массы, причем одна матрица выполнена в виде перфорированной емкости, заполненной смесью битума и маркерного вещества - полиорганосилоксанов молекулярной массы m, а вторая матрица выполнена в виде перфорированной емкости, заполненной смесью сульфата свинца и маркерного вещества - замещенных полиорганосилоксанов молекулярной массы m. Предварительно на модельных системах установлено соответствие скорости выделения из матриц аналогичного типа полиорганосилоксанов обоих типов, (величина q). Заранее известна величина n. C использованием известного метода протонного магнитного резонанса провели определения содержания полиорганосилоксанов с определением их молекулярной массы. Высчитали содержание воды и нефти в скважинном флюиде.
В матрицу, выполненную из стеарина, поместили микрокапсулы, выполненные из желатина. В микрокапсулы помещен в качестве маркерного вещества крахмал. Предварительно в лабораторных условиях определили зависимость скорости выделения из матрицы аналогичного типа микрокапсул от расхода нефти. Матрицу установили в устье скважины. Под действием потока скважинного флюида стеариновая матрица постепенно растворилась, выделяя микрокапсулы. Микрокапсулы были выделены из жидкостного потока путем фильтрации через беззольный фильтр. Фильтр был сожжен без повреждения микрокапсул. Желатиновые оболочки растворили в уксусной кислоте и определили содержание крахмала по йодному тесту.
В алогичные микрокапсулы поместили в качестве маркерного вещества частицы оксида железа. Эксперимент проделан аналогично предыдущему. Выделившиеся частица оксида железа растворили в неорганической кислоте и определили спектрофотометрически содержание железа.
В матрицу, представляющую собой емкость калиброванным отверстие пометили твердую смесь малорастворимой в воде неорганической соли (сульфат кальция) и маркировочного вещества - хлорида кадмия (кадмий не встречается в скважинном флюиде), растворимого и диссоциирующего в воде. Ионы кадмия уловили ионообменными смолами и их количественное содержание определили хроматографически.