Способ детектирования зон выноса твердых частиц через непроницаемый барьер в скважине
METHOD FOR DETECTING ZONES OF SOLIDS DISCHARGE THROUGH AN IMPERMEABLE BARRIER IN A WELL

Область техники
Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности. В частности, настоящее изобретение относится к способу, позволяющему детектировать зоны выноса твердых частиц (песка, пропанта) в скважине, выносимых потоком жидкости и газа, в случае, когда зона выноса твердых частиц расположена за непроницаемым барьером.
Уровень техники
Наличие песка в потоке транспортируемого газа или жидкости приводит к повышенному износу фасонных деталей. Своевременное обнаружение факта выноса песка из скважины позволяет оперативно изменить режим работы скважины и тем самым предотвратить негативные последствия, заключающиеся в разрушении призабойной зоны скважины, необходимости дополнительных затрат на текущий и капитальный ремонты скважины.
В патенте США №20070047867А1 «Скважинный оптоволоконный акустический детектор песка» от 1 марта 2007 года описан способ детектирования песка с помощью оптоволоконной системы. Данная система представляет собой одну или несколько секций акустического датчика, которые сформированы в оптическом волокне и образуют интерферометр с помощью волоконной брэгговской решетки. Акустический сигнал вызывает изменение длины оптического пути волокна в интерферометре, что приводит к изменению оптической интенсивности света, которая далее обнаруживается с помощью подходящего электронного оборудования. Когда песок проникает в ствол скважины, звуковой профиль, присутствующий в стволе, изменяется. Данное изменение анализируется и идентифицируется с помощью подходящей электроники.
Недостатками являются низкая чувствительность оптоволоконной системы, за счет дополнительной защиты от среды скважины, отсутствия эталонного звукового профиля скважины без песка и информации о количестве выносимых частиц.
В патенте Канады №3020223 «Детектирование зон выноса скважинного песка» от 12 октября 2017 года описан метод, основанный на обнаружении широкополосного сигнала и сравнении его с эталонным сигналом, замеренных с помощью оптоволоконных систем. Обнаружение широкополосного сигнала включает в себя частотную фильтрацию, нахождение спектрального центроида и спектрального разброса. Определение наличия притока песка в ствол скважины основано на определении того, что центроид и разброс больше пороговых значений. Количество притока песка в ствол скважины на определенной глубине определяется на основе спектральной энергии.
Недостатками являются низкая чувствительность оптоволоконной системы, трудность в выборе оптимального порога и неточность в подсчете количества выносимого песка.
Патент США №6672131 «Метод работы измерительного инструмента» от 6 января 2004 года раскрывает способ регистрации песка с помощью устьевого прибора, который содержит активный датчик для передачи акустических сигналов и пассивный датчик для приема сигналов. Затем сравнивается переданный импульс с принятым, и определяются настройки усиления для получения желаемого соотношения между переданным и принятым сигналом. Сигнал от датчика подключается к одному или нескольким частотным фильтрам. Шум от потока флюида по трубе определяется с помощью выборочных испытаний, измерительной системы, вручную или автоматически. Детектирование выноса песка основано на резком увеличении шума потока в стволе.
Недостатками является отсутствие информации о зоне выноса и количестве выносимого песка.
Патент США №5257530 «Акустический детектор песка для потока флюида» от 2 ноября 1993 года раскрывает способ регистрации песка с помощью металлического зонда, который помещается в поток флюида и генерирует акустические импульсы при взаимодействии с песчинками. Снаружи трубопровода устанавливается детектор, который принимает акустические сигналы, сгенерированные зондом, и имеет максимальную чувствительность в диапазоне 300-800 кГц.  Для детектирования песчинок рассчитывается акустическая энергия принятого сигнала, которая затем сравнивается с пороговым значением. Масса песчинок рассчитывается от энергии их акустического удара.
Недостатками является трудность в выборе оптимального порога и отсутствие информации о зоне выноса.
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ обнаружения песка при попадании песчинок на пьезоэлектрический элемент (патент США №4240287 «Детектирование песка» от 23 декабря 1980 года). После соответствующего усиления сигнал фильтруется частотным фильтром для прохождения только тех компонент усиленного сигнала, которые имеют частоту от 50 - 500 кГц. Пиковое значение результирующего электрического выходного сигнала обнаруживается в дискриминаторе высоты импульса. Когда пиковое значение превышает предварительно установленный уровень дискриминации, генерируется стандартный выходной импульс с длиной, превышающий типичную длительность удара песчинки. За определенный промежуток времени подсчитывается количество импульсов. При заданной скорости потока, может быть проведена дифференциация по размеру песчинок за счет различных диапазонов высот импульсов в дискриминаторе.
Недостатками являются неточность определения размеров частиц, а также неточность в определении зоны выноса песка, вследствие отсутствия метода для разделения песчинок, движущихся по стволу скважины, и песчинок, выносимых из пласта.
Сущность изобретения
Задачей, решаемой с помощью заявленного изобретения, является детектирование зоны выноса твердых частиц в скважине через барьер, отделяющий детектирующий прибор от непосредственного контакта с твердыми частицами, например через эксплуатационную колонну или насосно-компрессорную трубу (НКТ).
Техническим результатом заявленного изобретения является повышение достоверности определения зон выноса твердых частиц в скважине в случае отсутствия непосредственного контакта выносимых твердых частиц с детектирующим прибором.
Технический результат заявленного изобретения достигается за счет того, что способ детектирования зон выноса твердых частиц в скважине, включающий этапы на которых устанавливают по меньшей мере один рабочий режим скважины, характеризующийся наличием потока флюида с твердыми частицами как по стволу скважины, так и в одном или более пластах; спускают или поднимают по скважине на постоянной скорости или со стоянками по меньшей мере одно устройство для объективного измерения амплитуды акустического сигнала; измеряют амплитуду акустического сигнала в скважине во время стоянки или во время спуска или подъема по скважине по меньшей мере одним устройством для объективного измерения амплитуды акустического сигнала; получают и обрабатывают акустические данные измерений амплитуды акустического сигнала в скважине; при этом детектируют всплески амплитуды в регистрируемом акустическом сигнале; на каждой глубине сравнивают полученную в процессе измерений форму всплесков с эталонной и распознают только те всплески, которые соответствуют ударам твердых частиц; подсчитывают количество твердых частиц; и обнаруживают зону с выносом твердых частиц в ствол скважины.
В частном случае реализации заявленного технического решения при измерении в скважине во время спуска или подъема количество твердых частиц подсчитывают с периодичностью в одну секунду.
В частном случае реализации заявленного технического решения при измерении в скважине на стоянках подсчитывают количество твердых частиц для каждой стоянки.
В частном случае реализации заявленного технического решения продолжительность стоянки во время измерения составляет от 10 секунд и выше.
В частном случае реализации заявленного технического решения расстояние между стоянками равно длине устройства для объективного измерения амплитуды акустического сигнала.
В частном случае реализации заявленного технического решения измеряют амплитуду акустического сигнала одновременно тремя устройствами измерения амплитуды акустического сигнала, при этом шаг между стоянками соответствует увеличенной в три раза длине устройства для объективного измерения амплитуды акустического сигнала.
В частном случае реализации заявленного технического решения спуск или подъем по скважине устройства для объективного измерения амплитуды акустического сигнала на постоянной скорости осуществляют при скорости не выше шести метров в минуту для устройства длиной один метр, при этом дополнительно используют резиновые центраторы.
В частном случае реализации заявленного технического решения дополнительно устанавливают поверхностный датчик для контроля выноса твердых частиц.
Отличительной особенностью изобретения является распознавание ударов твердых частиц о барьер, отделяющий источник твердых частиц от измерительного прибора, от других ударов (пузыри газа или воздуха, механические удары) во временной области, за счет чего удается отсеять ложные всплески, тем самым повышая достоверность определения наличия твердых частиц в скважине.
Второй особенностью изобретения является способность отличить удары твердых частиц, выносимых с флюидом из пласта, и скрытых от прибора барьером, от ударов частиц, движущихся по стволу скважины и непосредственно ударяющихся в корпус измерительного прибора, тем самым повышая достоверность определения зоны выноса твердых частиц в скважине, обеспечивая достижение поставленного технического результата.
Краткое описание чертежей
Детали, признаки, а также преимущества настоящего изобретения следуют из нижеследующего описания вариантов реализации заявленного технического решения с использованием чертежей, на которых показано:
Фиг.1 – схематичное представление развертывания измерительного устройства в скважине;
Фиг. 2 – блок-схема способа детектирования твердых частиц по изобретению;
Фиг. 3 – пропант фракции 30/60;
Фиг. 4 – осциллограмма сигнала от удара одной частицы пропанта фракции 30/60 о барьер, отделяющий корпус измерительного устройства от детектируемых твердых частиц;
Фиг. 5 – пропант фракции 20/40;
Фиг. 6 – осциллограмма сигнала от удара одной частицы пропанта фракции 20/40 о барьер, отделяющий корпус измерительного устройства от детектируемых твердых частиц;
Фиг. 7 – осциллограмма сигнала схлопнувшегося пузырька воздуха о корпус измерительного устройства;
Фиг. 8 – схема лабораторной установки;
Фиг. 9 – результат работы предлагаемого способа детектирования зон выноса твердых частиц на лабораторной установке;
Фиг. 10 – результат работы предлагаемого способа детектирования зон выноса твердых частиц на лабораторной установке;
На фигурах обозначены следующие позиции: 1- измерительное устройство; 2 – скважина; 3 - кабель; 4 - шкив; 5 – откидной механизм; 6 – измерительное устройство;
- труба; 8 – емкость с частицами; 9 - мотор; 10 – трубка подачи потока чистого флюида (жидкости или газа); 11 - диспенсер; 12 – отверстие в трубе; 13 - шумометрия; 14 – панель энергии; 15 – низкоэнергетические частицы; 16 – колонка количества твердых частиц.
7
Раскрытие изобретения
Способ детектирования зон выноса твердых частиц в скважине осуществляется на основе распознавания ударов частиц о барьер, отделяющей источник песка от измерительного прибора, от других ударов (пузыри газа или воздуха, механические удары) во временной области. Таким барьером может служить насосно-компрессорная труба или эксплуатационная колонна, если источник песка расположен за такой трубой.
Предлагаемый новый способ детектирования зон выноса твердых частиц в скважине включает:
установку по меньшей мере одного рабочего режима скважины, характеризующегося наличием потока флюида с твердыми частицами (песок, пропант) как по стволу скважины, так и в одном или более пластах;
измерение амплитуды акустических сигналов от потока флюида по пласту;
детектирование всплесков амплитуды в регистрируемом акустическом сигнале;
сравнение на каждой глубине полученную в процессе измерений форму всплесков с эталонной
и распознание только тех всплесков, которые соответствуют ударам твердых частиц; и подсчет количества твердых частиц и обнаружение зоны с выносом твердых частиц в ствол скважины.
Увеличение количества режимов до более чем одного только повышает точность результатов.
Для дополнительного контроля выноса твердых частиц и оптимального выбора рабочего режима скважины дополнительно устанавливают поверхностный датчик контроля выноса твердых частиц.
Отличительной особенностью изобретения является распознавание ударов твердых частиц о барьер, отделяющий источник твердых частиц от корпуса измерительного прибора, от ударов нетвердых частиц - пузыри газа или жидкости, механических ударов прибора о стенки скважины, ударов частиц и пузырьков непосредственно о корпус прибора во временной области, за счет чего удается отсеять ложные всплески, тем самым повышая достоверность определения искомых твердых частиц в скважине. Распознавание ударов твердых частиц во временной области происходит за счет сравнения эталонных всплесков от ударов твердых частиц (песок, пропант) и всплесков, которые были обнаружены на данных, с использованием методов машинного обучения.
Сбор эталонных всплесков от ударов твердых частиц (песок, пропант) осуществляют заранее в лабораторных условиях.
Более детально способ детектирования зон выноса твердых частиц в скважине включает установление по меньшей мере одного рабочего режима, характеризующегося наличием потока флюида с твердыми частицами (песок, пропант) как по стволу скважины, так и в одном или более продуктивных пластах.
Измерения с помощью устройства для объективного измерения амплитуды акустических сигналов производятся во время спуска, остановки или подъема по скважине устройства.
На фиг. 1 изображено схематическое представление развертывания измерительного устройства (1) в скважине (2). Положение устройства (1) внутри скважины (2) регулируется кабелем (3), который расположен над шкивом (4) и прикреплен к откидному механизму (5).
Измерения также могут производиться во время движения устройства на спуске или во время движения устройства на подъеме, при этом во время спуска или подъема возможно осуществить измерения во время стоянок устройства. Более предпочтительным являются измерения со стоянками, так как тем самым шумы от движения будут исключены естественным образом.
При измерении со стоянками стоянки могут иметь длительность от 10 секунд и больше. От длительности стоянки зависит минимальное детектируемое количество песка. Временной интервал в 10 секунд – минимальное время стоянки, обеспечиваемое существующим, на текущий момент, подъемным оборудованием. При этом количество твердых частиц, уверенно детектируемое данным устройством, составит от 1 частицы в 10 секунд (0.1 частица в секунду).
Рекомендуемым расстоянием между стоянками является длина измерительного оборудования для возможности исследования всего интервала глубин, однако это расстояние может быть сделано и меньше, и больше, в зависимости от общего времени исследования. Так как измерительное оборудование регистрирует удары твердых частиц всем своим корпусом. Стоит отметить, что одновременно в исследовании могут принимать участие несколько устройств амплитуды акустического сигнала, тогда шаг между стоянками может быть увеличен пропорционально числу устройств (например, при использовании одновременно трех устройств шаг между стоянками должен быть увеличен до трех размеров измерительного оборудования).
При исследованиях на постоянной скорости (на протяжке) требуется соблюдать ограничение по скорости, например, не выше шести метров в минуту. Скорость протяжки также влияет на минимальное регистрируемое количество твердых частиц. Допустимая скорость протяжки определяется длиной измерительного оборудования. Например, для устройства длиной 1 метр скорость протяжки 6 метров в минуту эквивалентна 10 секундной стоянке для того, чтобы уверенно детектировать количество твердых частиц в потоке скважинного флюида от 0.1 частица в секунду. При этом допускается использование резиновых центраторов для уменьшения акустического шума, возникающего при трении корпуса устройства о стенки скважины.
Исходные данные, зарегистрированные устройством для объективного измерения амплитуды акустического сигнала, должны быть обработаны во временной области для детектирования зоны выноса твердых частиц в скважине.
Блок-схема предлагаемого способа представлена на фиг. 2. Изначально исходные данные поступают на блок предобработки. Блок предобработки может включать в себя детектирование всплесков или извлечение признаков, или все сразу, и детектирование всплесков, и извлечение признаков.
При соударении твердых частиц (песчинки, пропанта) о барьер, отделяющий источник твердых частиц от корпуса измерительного прибора, генерируется всплеск. На фиг. 4 и фиг. 6. представлены всплески от удара о барьер одной частицы пропанта разной фракции, 30/60 (фиг. 3) и 20/40 (фиг. 5), соответственно. Детектирование всплесков находит начальную и конечную точки всплеска в большом объеме акустических данных. Оно позволяет сегментировать и изолировать интересующие всплески. Детектирование может быть выполнено разными способами: на основе фрактального анализа, вейвлет-преобразования или спектрального анализа (акустическая энергия, выделенная полоса частот). Этот этап может быть пропущен, тогда на блок распознавания будут поданы все замеренные акустические данные.
Акустические характеристики всплесков могут быть извлечены и представлены в компактном виде, посредством выделения признаков. В качестве признаков могут выступать такие характеристики как мел-кепстральные коэффициенты, пары линейного спектра, кепстральные коэффициенты линейного предсказания, спектральный центроид и разброс, коэффициенты авторегрессионной модели, кратковременная энергия, формантные частоты, частота основного тона или частота пересечения нуля. При пропуске этого пункта на блок распознавания будут поданы исходные акустические данные. В блоке распознавания происходит процесс выполнения распознавания звука от удара песчинки, который проводится, например, с помощью машинного обучения. Этот блок является важной частью способа детектирования, т.к. он отделяет всплески удара твердых частиц (песчинок, пропанта) (фиг. 4 и 6) о корпус измерительного прибора от других всплесков (пузыри газа или воздуха, механические удары) (фиг. 7). Распознавание может происходить с помощью метода опорных векторов, метода ближайших соседей, искусственных нейронных сетей или скрытых марковских моделей.
После распознавания производится подсчет зарегистрированных твердых частиц, которые визуализируются в виде кривой, где по вертикали отложена глубина, по горизонтали – количество частиц в секунду. Если измерения в скважине производились на протяжке, то количество частиц считается для каждой секунды. Если измерения проводились на стоянках, то количество частиц считается для каждой стоянки.
Если замеры проходили на стоянках для точного детектирования зоны выноса частиц может быть построена панель энергий, которая визуализируется в виде цветной панели, где по вертикали отложена глубина, по горизонтали – время, а цветом отображена энергия частиц (от светлого – низкая энергия, до темного – высокая энергия). Для каждого задетектированного всплеска от удара твердой частицы рассчитывается энергия. Далее рассчитанные энергии усредняются в пределах одной секунды.
Такую процедуру следует провести для каждого из режимов работы скважины.
Пример 1.
Детектирование зон выноса твердых частиц на лабораторной установке, имитирующей поток флюида с твердыми частицами.
Схема лабораторной установки представлена на фиг. 8. Она представляет собой 2 помещенные одна в другую трубы (7) диаметром 88,9 мм и 150 мм и длиной 6 м. Во внутреннюю трубу помещается измерительное устройство (6). Из емкости с частицами (8) с помощью мотора (9) в диспенсер (11) с определенной скоростью попадает необходимое количество частиц. Там частицы смешиваются с потоком жидкости или газа, поступающего из трубки подачи потока чистого флюида (10). Далее частицы с флюидом через 14 мм отверстие в трубе (12), имитирующее скважинную перфорацию, поступают в межтрубное пространство.
По внутренней трубе двигался поток воды с расходом 25 л/мин и из отверстия в межтрубное пространство подавалась смесь воды и твердых частиц (пропанта) фракции 20/40 с расходом 1 л/мин. При этом песчинки ударялись о внешнюю поверхность внутренней трубы. Скорость выноса в среднем составляла 20 песчинок в секунду.
В качестве устройства для объективного измерения амплитуды акустического сигнала был использован скважинный шумомер. Согласно технологии, на первом этапе были проведены измерения скважинным шумомером на стоянках. Далее, на втором этапе, были обработаны исходные акустические данные (фиг. 9).
На спектральной панели с замером шумометрии (13) видны низкочастотный шум от потока воды, двигающегося вдоль трубы, и пик шума напротив отверстия, откуда поступает вода с твердыми частицами. В результате панель энергии (14) показала, что самые частые и высокоэнергетические всплески от удара твердых частиц о корпус скважинного шумомера находились напротив отверстия с выносом. Колонка количества твердых частиц (16) указала на зону выноса частиц напротив отверстия с выносом.
Пример 2.
Детектирование зон выноса твердых частиц на лабораторной установке, имитирующей поток флюида без частиц (фиг. 10).
По стволу трубы двигался поток воды со скоростью 25 л/мин. А из отверстия подавалась струя чистой воды со скоростью 1 л/мин.
Согласно изложенному в примере 1 плану, были проведены измерения скважинным шумомером на стоянках и обработаны исходные акустические данные. На спектральной панели с замером шумометрии (13) также видны низкочастотный шум от потока воды, двигающегося вдоль трубы, и пик шума напротив отверстия, откуда поступает чистая вода без частиц. Предложенный метод в данном эксперименте частиц не обнаружил. Колонка количества твердых частиц (16) на всех стоянках равна нулю, а панель энергии (14) – пустая.