СПОСОБ МОНИТОРИНГА ВНУТРИСКВАЖИННЫХ ПАРАМЕТРОВ (ВАРИАНТЫ) И СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ДОБЫЧИ НЕФТИ
MONITORING METHOD OF INTER-WELL PARAMETERS (VERSIONS), AND OIL RECOVERY PROCESS CONTROL SYSTEM

Предлагаемые в качестве изобретений технические решения относятся к исследованиям скважин и могут быть использованы, например, для мониторинга внутрискважинных параметров, таких как: распределенная температура, изменение давления и вибрация в протяженных объектах и передачи их для последующего управления процессом добычи нефти.
В настоящее время для получения информации о внутрискважинных параметрах и свойствах пласта в т.ч. для измерения дебита скважины используют электронные средства регистрации данных, установленные в скважине. Данные снимают с датчиков, расположенных в скважине и осуществляют их передачу по отдельному электрическому каналу, например, по кабелю питания электроцентробежного насоса (ЭЦН) и/или геофизическому кабелю в устройство приема и обработки информации. Недостатком способа является сложность организации питания датчиков, сбора и передачи полезной информации на поверхность скважины. Кроме того, датчики работают в экстремальных условиях высоких давлений и температур, что ведет к их короткому сроку службы и сложности замены. Ограниченность информации, которая собирается с датчиков, расположенных в определенной локальной области, не дает возможность эффективно управлять процессом добычи нефти.
Наиболее близким является способ измерения температурного распределения, осуществленный в волоконно-оптическом устройстве (патент РФ на изобретение №2221225, G01K 11/32, E21B 47/06, 2003 г.), содержащем импульсный источник оптического излучения, включающий лазер, чувствительный элемент датчика в виде оптического волокна и узел обработки сигналов, включающий таймер, направленный оптический ответвитель, узел спектрального разделения и фотоприемные модули, фотоприемник синхронизации, оптическое волокно чувствительного элемента датчика выполнено многомодовым, лазер импульсного источника оптического излучения является одномодовым волоконным с накачкой от полупроводникового лазера, направленный оптический ответвитель выполнен связывающим одномодовое и многомодовое оптические волокна, причем импульсный источник оптического излучения связан с одномодовым входом направленного оптического ответвителя, узел спектрального разделения связан с многомодовым входом направленного оптического ответвителя, фотоприемник синхронизации связан с одномодовым выходом оптического ответвителя, узел обработки сигналов дополнительно содержит аналого-цифровые преобразователи и цифровые накопители сигналов, при этом фотоприемные модули связаны с выходами узла спектрального разделения и с аналого-цифровыми преобразователями, выходы которых связаны с входами цифровых накопителей сигналов, а таймер связан с аналого-цифровыми преобразователями. Способ измерения температурного распределения осуществляется следующим образом. Лазер под действием излучения накачки генерирует световые импульсы (зондирующие), которые по одномодовому оптическому волокну через направленный оптический ответвитель поступают в многомодовое оптическое волокно (волоконно-оптический кабель - он же чувствительный элемент датчика). При распространении зондирующего импульса по многомодовому оптическому волокну одна часть его рассеивается в каждой точке в каждый момент времени - излучение рассеяния, другая - проходя без рассеяния - отражается от грани волоконнно-оптического кабеля в обратном направлении - донный импульс. Излучение рассеяния вместе с донным импульсом, проходя через узел спектрального разделения, разделяется на спектральные компоненты (релеевскую и две компоненты комбинационного рассеивания), каждая из которых принимается индивидуальным фотоприемным модулем, где преобразуется в электрические сигналы, которые далее поступают в аналого-цифровые преобразователи оцифровываются и затем происходит синхронное цифровое накопление сигналов для повышения отношения сигнал/шум в цифровых накопителях. По объединяющей их цифровой шине эти накопители отправляют накопленную информацию в компьютер, где и вычисляется температурное распределение, обеспечивается удобное для пользователя представление измерительной информации и ее хранение. Аналого-цифровые преобразователи запускаются в работу по сигналам цифрового таймера, который синхронизируется по моменту генерации лазерного импульса фотоприемником синхронизации. Блок термостабилизации поддерживает постоянной температуру некоторого участка многомодового оптического волокна, играющего роль опорного канала. Способ обеспечивает высокую точность измерения температурного распределения при значительной длине чувствительного элемента за счет отношения сигнал/шум, вместе с тем, не позволяет измерить такой параметр, как изменение давления, имеющий отношение к информации о дебите скважины (притоке).
Известна интеллектуальная система мониторинга температуры оптического волокна серий ПТС (ООО "СЕДАТЭК"), в которой световой импульс, проходя через оптический кабель, рассеивается в обратном направлении на каждом участке кабеля (за счет эффекта Рамана). Рассеянный свет детектируется фотоприемником с аналого-цифровым преобразователем. Мощность рассеянного света зависит от температуры оптического волокна в точке рассеяния. За счет этой зависимости можно получить картину распределения температуры на всей протяженности оптического кабеля. Система позволяет осуществлять непрерывный мониторинг по данным о температурном профиле оптического волокна в реальном времени и на ранней стадии выявлять аварийные ситуации. Однако, она не предусматривает возможность получения других контролируемых параметров, кроме распределенной температуры и, следовательно, ограничена в возможности управления процессами добычи нефти.
Наиболее близкой является система передачи телеметрической информации (патент РФ на изобретение №2230187, 2004 г.), состоящая из подземного передающего устройства и наземного приемного устройства, представляющего собой станцию управления, содержащую источник питания, устройство приема и обработки информации с погружного блока, электронный ключ, два резистора, которое подключено между нулем «звезды» вторичных обмоток трехфазного трансформатора и его заземленным корпусом. Подземное передающее устройство содержит стабилизатор напряжения, устройство сбора и передачи телеметрической информации от датчиков, электронный ключ, два резистора и подключено между нулем «звезды» обмоток электродвигателя и его заземленным корпусом, а обмотки электродвигателя подключены к обмоткам трехфазного трансформатора через (электрический канал) кабель питания. Система позволяет снимать точечные (локальные) данные с датчиков погружного блока и осуществлять их передачу по электрическому кабелю. Однако, в системе не реализована возможность измерять по всей длине скважины распределенную температуру и изменение давления, в связи с чем затруднительна автоматизация процесса добычи нефти. Передача данных через электрический кабель питания двигателя ведет к зашумлению полезного сигнала, сложности его приема и анализа.
Целью изобретения является оптимизация, автоматизация, повышение эффективности процесса добычи нефти, в т.ч. за счет повышения скорости и достоверности мониторинга (в том числе получения и передачи информации) нескольких внутрискважинных параметров, которые автоматически контролируются непрерывно по всей длине скважины, и принятии на их основании решения об управлении процессом добычи.
Указанная цель достигается в способе мониторинга внутрискважинных параметров, заключающимся в том, что измеряют параметр изменение давления, характеризующий приток скважины, для чего формируют при помощи источника лазерного излучения заданной длительностью и частотой световой импульс (зондирующий), поступающий через ответвитель в оптоволоконный кабель, являющийся одновременно распределенным датчиком. Двигаясь по оптоволоконному кабелю, часть зондирующего импульса рассеивается по всей длине на каждом участке кабеля пропорционально температуре и изменению давления - излучение рассеяния (за счет эффекта Мандельштама-Брюльена). Часть светового импульса, пройдя по кабелю без рассеяния и достигнув его торца, отражается от него в обратном направлении - донный импульс. По времени прохождения донного импульса контролируют целостность кабеля (дает информацию о длине кабеля). Излучение рассеяния, поступает через ответвитель в блок обработки, где его сначала преобразуют в электрический сигнал и усиливают, соответственно, в фотоприемнике и усилителе, а затем из него в фильтре выделяют полезный сигнал, поступающий на вход второго контроллера для определения частоты смещения полезного сигнала относительно частоты генерации лазера (по типу доплеровского смещения - эффект Мандельштама-Брюльена) в каждой точке по всей длине оптоволоконного кабеля. По величине частоты смещения вычисляют изменение давления (распределение) при известной температуре в точках (может быть измерена любым известным способом). Так по распределению давления проводится расчет параметров скважины - динамический уровень, плотность, дебит жидкости и т.д. Таким образом, получают данные о состоянии среды, соответствующие времени прохождения зондирующего импульса. Далее данные поступают на первый контроллер, где для оптимизации процесса добычи нефти их сравнивают с заранее заданными значениями, при которых возможна оптимальная добыча в отношении конкретной скважины. В случае отклонения измеренных данных от заданных, первый контроллер по специальному алгоритму на основе частоты вращения двигателя и текущего дебита корректирует частоту работы двигателя с целью выхода на оптимальный режим эксплуатации скважины. Управление процессом добычи нефти производят автоматически в соответствии с изменением притока, определяемого путем непрерывного измерения изменения давления в скважине и соразмерного увеличения частоты вращения вала электродвигателя, при значении параметра изменения давления меньше заданного значения и, соответственно, уменьшения частоты вращения вала электродвигателя при значении параметра изменения давления больше заданного значения. Таким образом, система позволяет автоматизировать процесс добычи нефти за счет непрерывного мониторинга внутрискважинных параметров конкретной скважины и автоматического принятия решений на их основании об управлении процессом добычи нефти. Кроме того, полученные данные сравниваются также с заданными критическими значениями, определяющими аварийные ситуации. При локальных скачках давления, например, в случае разгерметизации системы, первый контроллер автоматически отключает электродвигатель и передает информацию на диспетчерский пункт и/или устройство ввода-вывода станции управления.
Указанная цель достигается так же за счет получения информации как минимум о двух параметрах: изменении давления и распределенной температуре, для чего полезный сигнал, выделенный вышеописанным способом, поступает во второй контроллер, где его разделяют на спектральные компоненты и по разнице амплитуд стоксовой и антистоксовой компоненты рассеяния Рамана определяют распределенную температуру, на основании которой для определения параметра изменение давления, используют дополнительный оптоволоконный кабель, по которому вышеописанным способом выделяют излучение рассеяния, поступающее через ответвитель в блок обработки, представляющий собой фотоэлектронный умножитель, усиливают, преобразуют в электрический сигнал. Далее описанным выше способом вычисляют параметр - изменение давления, на основании которого вышеописанным способом оптимизируют, автоматизируют и повышают эффективность процесса добычи нефти. Предложенный способ увеличивает точность и достоверность определения притока, поскольку оба параметра измеряют практически в одной точке.
Кроме того, указанная цель достигается так же за счет получения по одному оптоволоконному кабелю информации как минимум о двух параметрах: изменении давления и распределенной температуре. При этом, по полезному сигналу, полученному любым из вышеописанных способов, поступающему на второй контроллер, одновременно определяют тем или иным вышеописанными способами параметры распределенной температуры и изменение давления. Далее на основании измеренных параметров вышеописанным способом автоматизируют, оптимизируют процесс добычи нефти.
Указанная цель достигается так же за счет того, что измерение проводят измерение изменения давления и температуры с оптоволоконных датчиков, размещенных на оптоволоконном кабеле в области динамического уровня движения флюида. Для этого формируют при помощи источника лазерного излучения заданной длительностью и частотой световой импульс, который через ответвитель поступает через оптоволоконный кабель в каждый, по крайней мере, два, из оптоволоконных датчиков (решетки Брегга). Излучение рассеяния, полученное от каждого из датчиков через ответвитель попадает в блок обработки, выполненный в виде системного интерферометра, где по величине отклонения излучения рассеяния от светового импульса определяют требуемый параметр: изменение давления и/или распределенную температуру, который преобразуется в электрический сигнал. Далее на основании измеренных параметров вышеописанным способом автоматизируют, оптимизируют процесс добычи нефти.
Целью заявляемого технического решения также является расширение функциональных возможностей системы, реализующей способ, в частности, увеличение числа контролируемых параметров, несущих дополнительные сведения, которые позволяют автоматизировать процесс добычи нефти в оптимальном режиме эксплуатации скважины.
Указанная цель достигается в системе мониторинга внутрискважинных параметров и управления процессом добычи нефти (далее Система), тем, что Система состоит из соединенных линией связи (кабелем питания) подземного передающего устройства и наземного приемного устройства. Приемное устройство представляет собой станцию управления и включает: источник питания, первый контроллер, выполняющий функцию устройства получения и обработки информации от датчиков погружного блока, и дополнительно содержит источник лазерного излучения, соединенный с оптоволоконным кабелем, подключенное к первому контроллеру, к которому подключено устройство приема и обработки информации с оптоволоконного кабеля, включающее ответвитель, соединенный со вторым контроллером через блок обработки, включающий соединенные последовательно: фотоприемник, усилитель, фильтр. Подземное передающее устройство включает систему сбора и передачи телеметрической информации от датчиков погружного блока, содержащую электрический кабель питания, соединенный с электродвигателем и погружным блоком и дополнительно содержит устройство сбора и передачи оптоволоконной информации, представляющее собой, по крайней мере, один оптоволоконный кабель, подключенный к устройству приема и обработки информации с оптоволоконного кабеля и выполняющий функцию любых датчиков, в т.ч. изменения давления, распределенной температуры, вибрации и пр. Оптоволоконный кабель закрепляют вдоль насосно-каратажной трубы (НКТ), электроцентробежного насоса (ЭЦН), погружного электродвигателя (ПЭД) (либо внутри либо снаружи) любым известным способом. Управление в ручном режиме осуществляют при помощи устройства ввода-вывода и/или диспетчерского пункта, подключенных к станции управления. На требующие питания элементы схемы подают стабилизированное напряжение питания.
Целесообразно дополнительно снабдить систему источником лазерного излучения, соединенным через ответвитель с оптоволоконным кабелем, блоком обработки, соединенным со вторым контроллером.
Целесообразно снабдить оптоволоконный кабель, по крайней мере, двумя оптоволоконными датчиками.
Целесообразно станцию управления связать с диспетчерским пунктом и/или снабдить устройством ввода - вывода.
Далее в предпочтительных вариантах приведены описание способа и состав и работа системы мониторинга и управления процессом добычи нефти, служащей для осуществления этого способа.
На фиг.1 приведена функциональная схема Системы для осуществления способа в первом варианте. На фиг.2 приведена функциональная схема Системы для осуществления способа во втором варианте. На фиг.3 приведена функциональная схема Системы для осуществления способа, в котором оптоволоконный кабель снабжен датчиками.
Система, представленная на фиг.1, содержит соединенные линией связи наземное приемное устройство и подземное передающее устройство. Наземное приемное устройство представляет собой станцию управления и включает источник питания 1, предназначенный для подачи стабилизированного напряжения на требующие питания элементы схемы, первый контроллер 2, источник лазерного излучения 3, связанный с оптоволоконным кабелем 4 и устройством приема и обработки информации с оптоволоконного кабеля, подключенным к первому контроллеру 2 и включающим: ответвитель 5, соединенным со вторым контроллером 6 через блок обработки, включающий соединенные последовательно: фотоприемник 7, усилитель 8 и фильтр 9. Подземное передающее устройство включает подключенную к первому контроллеру 2 систему сбора и передачи телеметрической информации от датчиков погружного блока (на фиг.1 не показана), которая реализована любым известным способом, в частности, по патенту РФ на изобретение №2230187, 2004 г. и содержит: электрический кабель 10 питания, соединенный с погружным электродвигателем 11 и погружным блоком 12 и устройство сбора и передачи информации с оптоволоконного кабеля, представляющее собой оптоволоконный кабель 4, подключенный к устройству приема и обработки информации с оптоволоконного кабеля и выполняющий функцию датчиков. Кабель 10 питания осуществляет передачу телеметрической информации (в т.ч. локальный параметр - температуру окружающей среды в месте установки датчика) с датчиков погружного блока 12. Кроме того, получение информации и управление электродвигателем может быть осуществлено в ручном режиме через устройство 13 ввода - вывода станции управления и/или через диспетчерский пункт 14.
Система (на фиг.2) содержит соединенные линией связи наземное приемное устройство и подземное передающее устройство. Наземное приемное устройство представляет собой станцию управления и включает источник питания 1, предназначенный для подачи стабилизированного напряжения на требующие питания элементы схемы, первый контроллер 2, источник лазерного излучения 3, связанный с оптоволоконным кабелем 4 и устройством приема и обработки информации с оптоволоконного кабеля, подключенным к первому контроллеру 2 и включающим: ответвитель 5, соединенным со вторым контроллером 6 через блок обработки в виде фотоэлектронного умножителя 15, реализующего функции преобразования светового сигнала в электрический сигнал и его усиления. Подземное передающее устройство включает подключенную к первому контроллеру 2 систему сбора и передачи телеметрической информации от датчиков погружного блока (на фиг.1 не показана), которая реализована любым известным способом, в частности, по патенту РФ на изобретение №2230187, 2004 г. и содержит: электрический кабель 10 питания, соединенный с погружным электродвигателем 11 и погружным блоком 12 и устройство сбора и передачи информации с оптоволоконного кабеля, представляющее собой оптоволоконный кабель 4, подключенный к устройству приема и обработки информации с оптоволоконного кабеля и выполняющий функцию датчиков. Электрический кабель 10 питания осуществляет передачу телеметрической информации (в т.ч. локальный параметр - температуру окружающей среды в месте установки датчика) с датчиков погружного блока 12. Кроме того, получение информации и управление электродвигателем может быть осуществлено в ручном режиме через устройство 13 ввода - вывода станции управления и/или через диспетчерский пункт 14.
Система (на фиг.3) содержит соединенные линией связи наземное приемное устройство и подземное передающее устройство. Наземное приемное устройство представляет собой станцию управления и включает источник питания 1, предназначенный для подачи стабилизированного напряжения на требующие питания элементы схемы, первый контроллер 2, источник лазерного излучения 3, связанный с оптоволоконным кабелем 4 и устройством приема и обработки информации с оптоволоконных датчиков 16, установленных на оптоволоконном кабеле 4, подключенным к первому контроллеру 2 и включающим: ответвитель 5, соединенным со вторым контроллером 6 через блок обработки в виде системного интерферометра 17, реализующего функции: сравнение излучения рассеяния и светового импульса (зондирующего), определение искомого параметра по величине отклонения, преобразование светового сигнала в электрический сигнал. Подземное передающее устройство включает подключенную к первому контроллеру 2 систему сбора и передачи телеметрической информации от датчиков погружного блока (на фиг.1 не показана) и устройство сбора и передачи информации с оптоволоконных датчиков 16. Система сбора и передачи телеметрической информации от датчиков погружного блока может быть реализована любым известным способом, в частности, по патенту РФ на изобретение №2230187, 2004 г. и содержит: электрический кабель 10 питания, соединенный с погружным электродвигателем 11, погружным блоком 12. Устройство сбора и передачи информации с оптоволоконных датчиков 16 выполнено в виде оптоволоконного кабеля 4, предназначенного для передачи информации, снабженного оптоволоконными датчиками 16 для измерения различных параметров, расположенных на кабеле с некоторым интервалом и подключенного к устройству приема и обработки информации с оптоволоконных датчиков 16. Электрический кабель 10 питания осуществляет передачу телеметрической информации (в т.ч. локальный параметр - температуру окружающей среды в месте установки датчика) с датчиков погружного блока 12. Кроме того, получение информации и управление электродвигателем может быть осуществлено в ручном режиме через устройство 13 ввода - вывода станции управления и/или через диспетчерский пункт 14.
Система работает следующим образом. На требующие питания элементы схемы подается стабилизированное напряжение питания. По сигналу первого контроллера 2 через электрический кабель 10 питания происходит запрос параметров состояния среды (температура среды, давление жидкости в среде, вибрация и др.) с датчиков погружного блока 12. Полученные локальные данные передаются на первый контроллер 2. Также первый контроллер 2 формирует запрос на получение параметров с распределенного датчика температуры/изменения давления - с оптоволоконного кабеля 4, при этом источник лазерного излучения 3 формирует световой импульс заданный длительностью и частотой, который через ответвитель 5 попадает в чувствительный к изменению давления/температуры оптоволоконный кабель 4 и на всем его протяжении рассеивается пропорционально изменению давления/температуры, излучение рассеяния возвращаясь через ответвитель 5 попадает в блок обработки, где происходит усиление и преобразование светового сигнала в электрический сигнал, выделение полезного сигнала, который поступает на второй контроллер 6, где определяется значение текущих параметров изменения температуры/давления по всему стволу скважины. Эти данные пересылаются на первый контроллер 2, где для оптимизации процесса добычи нефти они сравниваются с заранее заданными значениями, при которых возможна оптимальная добыча в отношении конкретной скважины. В случае отклонения измеренных данных от заданных, первый контроллер по специальному алгоритму на основе частоты вращения двигателя и текущего дебита корректирует частоту работы двигателя с целью выхода на оптимальный режим эксплуатации скважины. Управление процессом добычи нефти производят автоматически в соответствии с изменением притока путем непрерывного измерения изменения давления в скважине и соразмерного увеличения частоты вращения вала электродвигателя при значении параметра изменения давления меньше заданного значения и, соответственно, уменьшения частоты вращения вала электродвигателя при значении параметра изменения давления больше заданного значения. Также и там же полученные данные сравниваются также с заданными критическими значениями, определяющими аварийные ситуации. При локальных скачках давления, например, в случае разгерметизации системы первый контроллер автоматически отключает электродвигатель и передает информацию на диспетчерский пункт и/или устройство ввода-вывода станции управления.