Контроль, управление и оптимизация нагнетания пара с использованием околоустьевых датчиков
MONITORING, CONTROL AND OPTIMIZATION OF STEAM INJECTION USING NEAR-MOUTH SENSORS

Ссылки на связанные заявки
[001] Настоящая заявка претендует на приоритет заявки США №62/301,512 зарегистрированной 29 февраля 2016 г. и озаглавленной «Контроль, управление и оптимизация нагнетания пара с использованием околоустьевых датчиков», все содержание которой включено в настоящий документ путем ссылки.
Область техники
[002] Настоящее изобретение в целом относится к добыче углеводородов из подземных формаций с использованием пара, а более конкретно, но не ограничиваясь этим, к усовершенствованной системе и способу для контроля, управления и оптимизации подачи пара в нефтеносный слой.
Уровень техники
[003] В течение многих лет пар используют для облегчения добычи углеводородов из подземных нефтеносных слоев. Пар используется совместно с несколькими методами увеличения нефтеотдачи (enhanced oil recovery, EOR), включая самотечный дренаж с помощью пара (steam-assisted gravity drainage, SAGD), нагнетание пара и парациклическую обработку добывающих скважин (также известную как «Huff and Puff»). В каждом случае пар способствует нагреванию тяжелой нефти и битума, что уменьшает вязкость углеводородов и повышает скорость и количество добычи.
[004] Как правило, пар производят на парогенераторной станции и доставляют в скважину по паропроводам. Котлы и парогенераторы на парогенераторной станции производят пар с заданным давлением и температурой. Изменения температуры и давления пара могут сильно повлиять на эффективность добычи. Точно так же качество пара (сухость пара и чистота пара) может сильно влиять на процесс нагнетания пара. Поэтому существует необходимость в эффективном контроле параметров пара, используемого в операциях по добыче нефти.
Сущность изобретения
[005] В одном из вариантов осуществления настоящее изобретение содержит систему для добычи углеводородов с помощью пара для использования в связи со стволом скважины. Эта система добычи углеводородов с помощью пара содержит устье скважины, связанное со стволом скважины, и парогенераторную станцию. Парогенераторная станция содержит по меньшей мере один парогенератор, один или более паропроводов, соединяющих парогенератор и устье скважины, и околоустьевой измерительный модуль для измерения параметра пара в паропроводе около устья. Система добычи углеводородов с помощью пара может также содержать механизированную систему подъема, которая содержит скважинный измерительный модуль. Измерения, произведенные измерительными модулями, могут использоваться для оптимизации производства пара и работы механизированной системы подъема.
Краткое описание чертежей
[006] На фиг. 1 показан вид в перспективе системы для добычи углеводородов с помощью пара в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.
Подробное описание
[007] В соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения на фиг. 1 показан вид в перспективе системы 100 для добычи углеводородов с помощью пара. Система 100 используется для обеспечения возможности извлечения углеводородов из нефтеносного слоя 102 через одну или более скважин 104 (на фиг. 1 показана одна скважина 104). Скважина 104 имеет на поверхности устье 106, которое связывает скважину 104 с находящимися ниже по потоку средствами хранения или очистки.
[008] Система 100 для добычи углеводородов с помощью пара содержит парогенераторную станцию 108 и механизированную систему 110 подъема. В варианте осуществления, показанном на фиг. 1, механизированная система 110 подъема содержит электрическую погружаемую систему 112 накачки, прикрепленную к насосно-компрессионной колонне 114. Система 112 накачки и насосно-компрессионная колонна 114 расположены в скважине 104. Насосно-компрессионная колонна 114 соединяет систему 112 накачки с устьем 106, расположенным на поверхности.
[009] В контексте настоящего изобретения термин «углеводород» охватывает все минеральные углеводороды, такие как тяжелая сырая нефть, битум, газ и комбинация нефти и газа. Несмотря на то что на фиг. 1 изображена механизированная система 110 подъема в наклонной (или невертикальной) скважине 104, механизированная система 110 подъема и способы, раскрытые в настоящем описании, применимы и в традиционных вертикальных скважинах. Кроме того, несмотря на то что механизированная система 110 подъема на фиг. 1 является электрической погружаемой системой 112 накачки, очевидно, что в других вариантах осуществления настоящего изобретения механизированная система 110 подъема содержит различные механизмы накачки. Альтернативные механизированные системы 110 подъема содержат расположенные на поверхности штанговые насосы, многоступенчатые насосы и плунжерные подъемные системы.
[010] Механизированная система 110 подъема содержит наземное оборудование 116, которое управляет системой 112 накачки. Наземное оборудование 116 может содержать контроллер 118 двигателя, трансформатор 120 и источник 122 питания. Источник 122 питания содержит одно или оба из следующего: электрическую сеть общего пользования и независимый генератор электричества. Электричество подается из источника 122 питания в контроллер 118 двигателя. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения контроллер 118 двигателя является приводом переменной скорости (variable speed drive, VSD), выполненный с возможностью управления работой системы 112 накачки путем регулировки частоты или скорости электродвигателя 124 в системе 112 накачки. При подаче электроэнергии электродвигатель 124 приводит в действие насос 126, который откачивает текучие среды из скважины 104 через насосно-компрессионную колонну 114. Питание в двигатель 124 подается через силовой кабель 128.
[011] Парогенераторная станция 108 содержит парогенератор 130, паропроводы 132, по меньшей мере один околоустьевой измерительный модуль 134 и источник 144 подпиточной воды. Опционально парогенераторная станция 108 содержит продувочный клапан 136. Парогенератор 130 содержит котел или аналогичное устройство, которое генерирует пар путем нагревания воды. Пар из парогенератора 130 подается в устье 106 скважины через паропроводы 132. Парогенератор 130 может быть удален от устья 106 на значительное расстояние. Хотя паропроводы 132 показаны над землей, очевидно, что паропроводы 132 могут также быть изолированы и заглублены под поверхностью, чтобы уменьшить теплоотдачу в окружающую среду. Продувочный клапан 136 может использоваться для очистки от распавшихся твердых тел и других накопленных примесей или конденсата, поступающих из паропровода в устье 106.
[012] В отличие от известных систем парообразования, околоустьевой измерительный модуль 134 системы 100 помещен около устья 106. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения околоустьевой измерительный модуль 134 размещен в пределах 50 м от устья 106. В других вариантах осуществления настоящего изобретения околоустьевой измерительный модуль 134 размещен в пределах 25 м от устья 106. Околоустьевой измерительный модуль 134 содержит один или более датчиков, предназначенных для измерения параметров пара, когда он приближается к устью 106. Околоустьевой измерительный модуль 134 может измерять удельную проводимость, температуру и, опционально, давление и рН-показатель потока пара. На основе результатов этих измерений можно вычислить общую минерализацию (total dissolved solids, TDS) для потока пара около устья 106.
[013] В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения общую минерализацию пара сначала измеряют на выходе парогенератора 130 в парогенераторной станции 108 или на входе воды в генератор. Затем повторно оценивают параметры пара около устья 106 с использованием околоустьевого измерительного модуля 134. По измерениям общей минерализации в устье 106 и на выходе парогенератора 130 или в подпиточной воде 144 можно оценить качество нагнетаемого пара как:
in
WH
где TDS - общая минерализация пара, измеренная в источнике подпиточной воды парогенератора 144, и TDS - общая минерализация в устье 106, k представляет собой системную переменную, связанную с обработкой воды и/или энтальпией и/или размером трубы;
или
GO
где TDS - общая минерализация на выходе генератора, GOQ - качество на выходе генератора.
Следует отметить, что
где σ - удельная проводимость в мкСм/см и  - коэффициент преобразования.
[014] Качество может быть измерено путем погружения зонда проводимости или общей минерализации в паропровод или в конденсатоотводчик без считывания значений давления или температуры. Таким образом, вместо того чтобы полагаться на измерения качества пара, сделанные только в удаленном парогенераторе 130, околоустьевой измерительный модуль 134 позволяет оценивать пар в режиме реального времени и в непосредственной близости к устью 106. Это уменьшает погрешности измерения, относящиеся к изменениям качества пара между парогенератором 130 и устьем 106. Размещение околоустьевого измерительного модуля 134 вблизи устья 106 обеспечивает значительное преимущество перед известными решениями.
[015] В частности, околоустьевой измерительный модуль 134 может использоваться для оптимизации производства пара и работы механизированной системы 110 подъема. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения околоустьевой измерительный модуль 134 связан с парогенератором 130 посредством первой сигнальной линии 138. Информация о качестве пара около устья 106 подается околоустьевым измерительным модулем 134 в парогенератор 130 в режиме реального времени. На основе информации, выдаваемой околоустьевым измерительным модулем 134, парогенератор 130 может отрегулировать параметры пара, выходящего из парогенератора 130. Парогенератор 130 регулирует температуру, давление и общую минерализацию пара на основе обратной связи с околоустьевым измерительным модулем 134.
[016] Работой продувочного клапана 136 можно управлять с использованием информации, выдаваемой околоустьевым измерительным модулем 134. Околоустьевой измерительный модуль 134 связан с продувочным клапаном 136 посредством второй сигнальной линии 140. Продувочный клапан 136 может производить автоматическую регулировку с использованием результатов измерений околоустьевого измерительного модуля 134 для удаления сконденсированной жидкости и твердых частиц из паропровода 132 для поддержания пара в заданном диапазоне значений качества и дифференциального давления. Система управления, содержащая околоустьевой измерительный модуль 134, парогенератор 130 и продувочный клапан 136, обеспечивает более точное соответствие качества пара проектным параметрам, необходимым для нагнетания пара.
[017] В еще одном варианте осуществления настоящего изобретения околоустьевой измерительный модуль 134 связан с контроллером 118 двигателя посредством третьей сигнальной линии 142. Очевидно, что в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения механизированная система 110 подъема содержит расположенный на поверхности двигатель. Результаты измерений качества пара и других его параметров вблизи устья 106 могут быть поданы в контроллер 118 двигателя для регулировки работы механизированной системы 110 подъема до того, как пар войдет в скважину 104. Например, на основе желательных параметров пара (например, качества, давления и скорости потока), измеренных отклонений в параметрах пара, приближающегося к устью 106, от целевых параметров, и результатов измерений, сделанных в скважине 104 (давление в скважине, температура и целевая скорость потока), работу механизированной системы 110 подъема можно автоматически отрегулировать согласно заранее заданным алгоритмам для оптимизации эффективности и скорости добычи углеводородов из нефтеносного слоя 102.
[018] В еще одном варианте выполнения настоящего изобретения система 112 накачки содержит скважинный измерительный модуль 146, который предназначен для измерения параметров скважины 104 около системы 112 накачки. В частности, скважинный измерительный модуль 146 измеряет температуру и давление пара, находящегося в скважине 104 вблизи системы 112 накачки. Сравнивая результаты измерений температуры и давления в скважине с результатами измерений температуры и давления, полученными околоустьевым измерительным модулем 134, можно определить, насколько изменилось качество пара при его прохождении из устья 106 к скважинной системе 112 накачки. Поскольку операции по добыче углеводородов с помощью пара смоделированы на основе теоретического или предсказанного качества пара в скважине 104, определение любых отклонений от целевых параметров пара в скважине 104 позволяет оператору отрегулировать эксплуатационные параметры, используемые для производства пара в парогенераторной станции 108, так, чтобы они более точно соответствовали расчетным в скважине 104.
[019] Настоящее описание является только иллюстративным, многочисленные характеристики и преимущества различных вариантов осуществления настоящего изобретения, а также подробности конструкции и функции различных вариантов осуществления настоящего изобретения даны в настоящем описании в качестве иллюстративного примера. Очевидно также, что детали могут быть модифицированы, в особенности в структуре и расположении частей и шагов в пределах принципов настоящего изобретения, в полном объеме описанным с учетом широкого толкования терминов, в которых сформулированы пункты формулы изобретения. Для специалиста в данной области техники очевидно, что идея настоящего изобретения может быть применена к другим системам без выхода из объема и духа настоящего изобретения.