СПОСОБ ИССЛЕДОВАНИЯ ГАЗОЖИДКОСТНЫХ ПОТОКОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF ANALYSIS OF GAS-FLUID FLOWS AND DEVICE TO THIS END

Группа изобретений относится к технике для исследования движения жидкостных потоков и сыпучих материалов, газожидкостных потоков, например процессов добычи газа в нефтегазовой отрасли, связанной с изучением процессов движения газожидкостных потоков в вертикальных, наклонных трубопроводах и отдельных устройствах.
Из уровня техники известен способ проведения газогидродинамических исследований скважин (патент РФ №2159850 C2, E21B 47/00, 27.11.2000), согласно которому осуществляют измерение давления, температуры, дебита на стационарных и нестационарных режимах фильтрации. В процессе последовательной смены режимов в рамках одного исследования непрерывно измеряют частоту сигналов первичного преобразователя, пропорциональную измеряемым параметрам газа, методом зависимого счета. При этом число импульсов измеряемой частоты, задающее длительность интервала счета импульсов опорной частоты, рассчитывают по математической формуле. Определяют начало и окончание каждого режима по трем и более последовательно поступающим сигналам и изменяют алгоритм обработки данных. Результаты обработки и измерений записывают. Вместе с сигналами об ошибках, вырабатываемых при выходе результатов за заданные пределы, результаты измерений подают на блок визуализации, откуда выводят информацию в режиме "реального времени".
Наиболее близким к предлагаемому решению является способ газогидродинамических исследований скважин (патент РФ №2232266 C1, E21B 47/00, 10.07.2004), который включает измерение давления, температуры и дебита газа на установившихся режимах работы скважины, обработку результатов и определение экспериментальных коэффициентов индикаторных линий. При этом рассчитывают дебиты для каждого режима по коэффициентам индикаторных линий текущего исследования и определяют показатель, характеризующий их отклонение от значений дебитов, полученных в результате измерений. Затем по коэффициентам индикаторных линий, полученным при обработке предыдущих исследований, рассчитывают для каждого режима дебиты и определяют показатель, характеризующий их отклонение от дебитов, рассчитанных по коэффициентам индикаторных линий текущего исследования. Если оба показателя меньше заданных значений, исследования завершают, а если один или оба показателя больше или равны заданным значениям, проводят дополнительные исследования для уточнения характеристик скважины. Недостаток известного способа состоит в том, что в нем отсутствует возможность определения количества жидкости, находящейся в скважине во время проведения исследований, особенно в режиме работы скважины без выноса жидкости к устью. Также известный способ не позволяет установить зависимость влияния находящейся в скважине жидкости на суммарные потери давления. Кроме того, отсутствует возможность визуального наблюдения процессов при проведении исследований.
Из уровня техники известен стенд для исследования условий подъема жидкости с использованием газа из скважин газовых, конденсатных и нефтяных месторождений (патент РФ 48580 U1, E21B 47/00, опубл. 27.10.2005). Известный стенд предназначен для изучения условий подъема газа и жидкости по лифтовым колоннам труб. Стенд включает одну или несколько колонн труб различного диаметра, узел подачи и регулирования расхода жидкости, средство подачи и регулирования расхода газа, в состав которого входит компрессор, устройство ввода в колонну и отвода из колонны газожидкостной смеси, сепаратор, имеющий выходы для жидкости и газа, средство отвода жидкости и газа из установки. Трубопровод снабжен патрубком избыточного давления газа и патрубком сброса газа. Известное решение не позволяет провести качественный анализ процессов, проходящих в объеме лифтовой колонны труб и по трубопроводу, что негативно отражается на достоверности, наглядности и точности результатов и полноте информации проводимых экспериментов.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому устройству является стенд для исследования газогидродинамических процессов (патент РФ 123454 U1, E21B 47/00, опубл. 27.12.2012). Известный стенд позволяет исследовать движения потоков и сыпучих материалов, газожидкостных потоков, например процессов добычи газа в нефтегазовой отрасли, связанной с изучением процессов движения газожидкостных потоков в вертикальных, наклонных трубопроводах и отдельных устройствах. Стенд состоит из лифтовой колонны труб, узла подачи и регулирования подачи жидкости, узла подачи и регулирования расхода газа, включающего компрессор, устройств ввода в колонну и отвода из колонны, источника излучения в диапазонах ультрафиолетового спектра, фоторегистратора, предназначенного для съемки изображений, полученных с помощью стенда под воздействием источника излучения в диапазонах ультрафиолетового спектра. Однако известное решение обладает недостатками, заключающимися в том, что полученные с помощью известного стенда изображения не обладают хорошим качеством, кроме того, в известном стенде отсутствует возможность применения полученных фотоснимков для определения газосодержания потока в лифтовой колонне труб в произвольный момент времени как вдоль всей колонны, так и в отдельно взятом сечении либо на произвольным образом выбранном ее участке из-за неравномерности по длине и по площади источника освещения и/или облучения.
Задачей группы изобретений является разработка способа исследований газожидкостных потоков, позволяющего одновременно измерять и обрабатывать данные при смене задаваемых режимов в рамках одного исследования с визуализацией результатов в режиме "реального времени" для контроля качества работ, и создание устройства, обеспечивающего осуществление предлагаемого способа.
Технический результат изобретений заключается в повышении качества проведения исследований газожидкостных потоков за счет повышения точности проведения экспериментов и в расширении функциональных возможностей за счет обеспечения возможности визуализации с улучшенным качеством происходящих в объеме и по длине лифтовой колонны труб и трубопровода процессов, а также за счет определения газосодержания потока как вдоль выбранного произвольно сечения, так и на ограниченном участке, выбранном произвольно, лифтовой колонны труб.
Сущность предлагаемого способа заключается в том, что способ исследования газожидкостных потоков включает измерение давления, температуры и дебита газа на установившихся режимах работы скважины и обработку результатов. При этом испытания проводят на устройстве, оборудованном лифтовой колонной труб, по крайней мере один участок которой выполнен из прозрачного материала. Лифтовая колонна труб предназначена для заполнения рабочей жидкостью. На лифтовую колонну труб устанавливают экран, обеспечивая минимальный зазор между лифтовой колонной труб и экраном. Перпендикулярно экрану за лифтовой колонной труб устанавливают импульсные вспышки и софтбоксы, обеспечивают нахождение фото-видеорегистратора на одной линии с импульсными вспышками, расположенными с противоположной стороны лифтовой колонны труб перпендикулярно экрану. Настройку фото-видеорегистратора и импульсных вспышек осуществляют в случайные моменты времени, обеспечивают съемку прозрачного участка лифтовой колонны труб с выключенным устройством для исследования газожидкостных потоков без жидкости и со столбом жидкости внутри лифтовой колонны труб и смену режимов работы, изменяя давление, расход воздуха и жидкости, подаваемых в колонну, а также в случае необходимости добавляя механические примеси. Обработку полученных изображений проводят посредством графического редактора, сохраняя результаты в блоке памяти компьютерного блока и сравнивая фотоснимки, полученные при различных режимах работы устройства, анализируют уровни отражающих и преломляющих эффектов лифтовой колонны труб на выбранном произвольном прозрачном участке лифтовой колонны труб, по результатам проведенных экспериментов составляют заключения о содержании газа внутри лифтовой колонны труб и потерях давления, полученных на концах лифтовой колонны труб в результате проведенных экспериментов.
Устройство для осуществления способа включает по крайней мере одну лифтовую колонну труб, выполненную из прозрачного материала, блоки ввода в колонну и отвода из колонны, установленные соответственно в нижней и верхней частях лифтовой колонны труб, измерительную аппаратуру. Входы подачи жидкости и газа блока ввода в колонну предназначены соответственно для подачи жидкости и газа и установлены на разной высоте с возможностью исключения перетекания жидкости из трубопровода подачи жидкости в трубопровод подачи газа. Блок ввода в колонну снабжен сливным патрубком. Выход блока отвода из колонны предназначен для вывода газожидкостной смеси. Фото-видеорегистратор предназначен для передачи и отображения изображений с последующей их обработкой. Устройство снабжено экраном, плотно прилегающим к лифтовой колонне труб, ось которой перпендикулярна оси экрана. Вдоль лифтовой колонны труб перпендикулярно оси экрана на расстоянии от нее размещены импульсные вспышки с установленными на них софтбоксами, ширина и суммарная высота которых не превышают соответственно ширину и высоту экрана, снабженного продолговатыми отверстиями различной формы, расположенными с обеих прилегающих к лифтовой колонне труб сторон экрана. Устройство дополнительно снабжено радиосинхронизатором фотовспышек, включающим источник сигнал, связанный с фото-видеорегистратором и приемником сигнала, предназначенным для подачи управляющего воздействия для кратковременного включения импульсных вспышек и софтбокса, объединенных разветвителем для синхрокорда. Причем фото-видеорегистратор расположен на одной оси с импульсными вспышками и софтбоксами с противоположной стороны экрана.
Работа устройства для исследования газожидкостных потоков поясняется чертежами. На фиг.1 представлена схема устройства для исследования газожидкостных потоков, фиг.2 демонстрирует схему расположения выбранного произвольным образом участка лифтовой колонны труб и экрана с размещенными в нем отверстиями. На фиг.3 отображена условная схема расположения экрана по отношению к лифтовой колонне труб (сечение A-A). На фиг.4 приведен пример обработки полученного снимка выбранного случайным образом участка вдоль поверхности лифтовой колонны труб при помощи программы Erdas Imagin 2013, на котором отражена пространственная яркостная характеристика происходящего в этой части колонны в случайным образом выбранный момент времени. Фиг.5 отображает пример обработки полученного в случайный момент времени снимка при помощи программы Erdas Imagin 2013, на котором отражена пространственная яркостная характеристика вдоль выбранного произвольным образом направления.
Устройство для исследования газожидкостных потоков (фиг.1-3) содержит:
- лифтовую колонну труб (1), выполненную из прозрачного материала и устанавливаемую в вертикальном или наклонном положении;
- в нижней и верхней частях лифтовой колонны устанавливают блок ввода в колонну (2) и блок отвода из колонны (3) соответственно;
- фото-видеорегистратор (4), который представляет собой переносную систему наблюдения высокой четкости с фото-видеозаписью событий, позволяет сделать удаленное наблюдение более простым, эффективным и полезным и удаленно контролировать наблюдения процессов, проходящих внутри лифтовой колонны труб в произвольные моменты времени;
- импульсные вспышки (5) с установленными на них софтбоксами (6), предназначенными для создания мягкого и равномерного света, которые представляют собой закрытую конструкцию, состоящую из двух частей: отражателя и рассеивателя, выполненного, например, из белой ткани;
- радиосинхронизатор фотовспышек, состоящий из источника сигнала (7), установленного на фото-видеорегистраторе, и приемника сигнала (8), использование которого позволяет быстро и удобно дистанционно осуществлять запуск вспышек по радиоканалу;
- экран (9) с имеющимися в нем отверстиями (10), расположенными на небольшом расстоянии друг от друга;
- сливной патрубок (11);
- разветвитель для синхрокорда (12), например, REKAM MST-01 (http://http://www.foto.ru/product.php?4d=28959&acc=l1);
- измерительную аппаратуру (расходомеры газа и жидкости, преобразователи разности давлений, датчики давлений, датчики температуры).
В предлагаемой группе изобретений для заполнения лифтовой колонны труб может использоваться любая жидкость.
Импульсные вспышки целесообразно устанавливать на одной линии с фото-видеорегистраторами с обратной стороны лифтовой колонны труб. Импульсная вспышка может быть выполнена на базе, например, импульсной студийной вспышки Jinbei DM2-400 (http:/www.pleer.ru/_64289_Jibei_DM2_400.html) в рассеивающих коробах (софтбоксах), например, Visico Soft Box SB-030 (http://pixel24.ru/vcd-465-l-9456/goodsinfo.html) неавтоматические, дающие заранее установленное количество света для получения равномерного мягкого освещения.
Радиосинхронизатор фотовспышек в предлагаемой группе изобретений предназначен для синхронизации импульсных вспышек в момент фотосъемки. Он может быть выполнен, например, на базе 4-канального радиосинхронизатора RRT-WT4-C (http://www.foto.ru/raylab_4-kh_kanalnyy_radiosinkhronizator_dlya_canon_rrt-wt4-c.html), который позволяет управлять вспышками либо посредством кабельного соединения с камерой, либо беспроводным способом (радио), обеспечивая одновременное управление несколькими вспышками и возможность освещения объекта с разных углов.
Установленный вдоль лифтовой колонны труб фото-видеорегистратор, фиксирующий изменения структуры потока в единицу времени, может быть представлен в виде, например, цифровых зеркальных фотоаппаратов, например Canon 1100 D (.canon.ru/For_Home/Product_Finder/Cameras/Digital_SLR/EOS_1100D/).
Вдоль колонны, перпендикулярно фото-видеорегистратору, устанавливают экран из материала, не пропускающего свет в момент срабатывания импульсных вспышек, который предназначен предотвратить попадание света, проходящего мимо лифтовой колонны, в объектив фото-видеорегистратора. Расположенные по обеим сторонам от лифтовой колонны труб экрана на небольшом (около 50 мм) расстоянии от нее вдоль всего экрана имеются отверстия, выполняющие роль:
- метрической шкалы для идентификации линейных размеров (газожидкостных пробок, сухих пробок, расстояний между ними и т.п.);
- «эталонных» отверстий для идентификации равномерности поступающего освещения с минимальной погрешностью в момент фотосъемки при последующей обработке фотоснимков.
Работа на стенде осуществляется следующим образом.
Перед началом работы фото-видеорегистратор настраивают таким образом, чтобы без использования импульсных вспышек получать абсолютно черное изображение.
Устанавливают на лифтовую колонну труб экран (9), закрепляя его, например, при помощи хомутов таким образом, чтобы предотвратить попадание проходящего мимо света от импульсных вспышек (5). Для этого зазор между лифтовой колонной (1) и экраном (9) делают минимальным. Вдоль лифтовой колонны труб (1) перпендикулярно экрану (9) за лифтовой колонной труб устанавливают импульсные вспышки (5) и софтбоксы (6). При этом края софтбоксов (6) не должны выступать за края экрана (9). При помощи разветвителя для синхрокорда (12) соединяют импульсные вспышки (5) с приемником сигнала радиосинхронизатора (8). После установки фото-видеорегистратора (4) на таком расстоянии, чтобы в объектив попадал необходимый участок лифтовой колонны, включают импульсные вспышки (5) и приемник сигнала радиосинхронизатора (8), обеспечивая нахождение фото-видеорегистратора на одной линии с импульсными вспышками, расположенными с противоположной стороны перпендикулярно экрану (9). Производя несколько пробных снимков, настраивают фото-видеорегистратор (4) таким образом, чтобы области в кадре, не освещенные импульсными вспышками (5), были абсолютно черными. Затем осуществляют настройку импульсных вспышек (5) необходимой мощности так, чтобы газожидкостная смесь отображалась на снимках с максимальной четкостью и контрастностью. Затем обеспечивают съемку колонны с выключенным устройством для исследования газожидкостных потоков без жидкости и со столбом жидкости внутри лифтовой колонны труб. Задавая необходимые режимы работы стенда, путем изменения расхода воздуха и жидкости осуществляют фото- и видеосъемку процессов, проходящих в лифтовой колонне труб, подавая в случае необходимости в стенд механические примеси (например, песок). Смешение газа и жидкости осуществляют в блоке ввода в колонну (2). Газожидкостная смесь поднимается по лифтовой колонне и через блок отвода (3) отводится из лифтовой колонны труб.
После окончания эксперимента жидкость с песком сливают через сливной патрубок (11) с запорным устройством, находящимся в нижней части лифтовой колонны труб.
Во время проведения конкретного эксперимента проводятся измерения давления на выбранных заранее произвольным образом участках лифтовой колонны труб (1) манометрами или дифференциальными манометрами. Выполнив требуемые измерения, изменяют технологические параметры режима работы стенда: давление, расходы газа и жидкости, или прекращают работу стенда, удалив жидкость и песок из колонны в систему утилизации.
Значения яркости в области отверстий (10) экрана (9) принимают за эталонные значения и служат для контроля погрешности обработки.
Проведение эксперимента завершают обработкой полученных с помощью фото-видеорегистратора фотоснимков. Для этого открывают требуемый снимок посредством растрового графического редактора, например Erdas Imagine 2013, предназначенного для обработки данных дистанционного зондирования и позволяющего строить пространственную яркостную характеристику вдоль выбранного произвольным образом профиля (линия или поверхность). Затем выбирают участок лифтовой колонны труб для обработки. По уровню яркости и уровню отраженного света лифтовой колонны труб без жидкости и со столбом жидкости внутри колонны определяют максимальное и минимальное значения. Полученные уровни яркости в отверстиях (10) экрана (9) позволяют контролировать погрешности обработки полученных данных. Газосодержание потока на исследуемых участках определяют как отношение среднего значения яркости на выбранном участке к разности яркостей между максимальным и минимальным значениями.
Работа стенда проводилась с использованием фото-видеорегистратора, длительность выдержки у которого составляет 1/320 с и обусловлена максимально возможной скоростью синхронизации фото-видеорегистратора (4) и импульсных вспышек (5); выбор значения величины диафрагмы определяют из условия оптимальной глубины резкости кадра, и она составляет 8. Значение светочувствительности ISO - 100 определяется оптимальной передаточной функцией всей системы фото-видеорегистратора (4).
Опыты проводились с использованием лифтовых колонн труб различного диаметра (мм): 48,3; 60,3; 73,0; 88,9; 101,6; 114,3; 127,0; 168,0; 219.
Отверстия справа и слева от лифтовой колонны выполняют продолговатыми, имеющими различную форму. Расстояние между отверстиями в экране выбирают равными от 5 до 10 см.
В эксперименте были использованы лифтовые колонны труб, высота которых составляет 4 метра.
Расстояние от фото-видеорегистратора до лифтовой колонны выбирают в зависимости от типа и возможностей фото-видеорегистратора при использовании различных объективов, при проведении эксперимента это расстояние составляло около 1,5 метров.
Зона визуализации (зона фиксации одним фото-видеорегистратором) также определяется параметрами объектива фото-видеорегистратора и может достигать от 2 до 4 метров при условии соблюдения необходимой четкости кадров.
В результате проведенных экспериментов было установлено, что оптимальное значение частоты кадров составляет 250 кадров в секунду с высоким разрешением.
После настройки оборудования для получения эталонных снимков фотосъемку колонны проводят с выключенным стендом сначала без жидкости внутри колонны, а затем со столбом жидкости для последующего сравнения с фотоснимками, полученными при работе на задаваемых режимах и для оценки уровня отражающих и преломляющих эффектов экспериментального участка колонны.
Во время проведения эксперимента на стенде с помощью фото-видеорегистратора проводилась фотосъемка газожидкостного потока внутри лифтовой колонны труб. Было сделано необходимое количество снимков для различных режимов работы стенда, при этом во время проведения экспериментов изменялись давление внутри лифтовой колонны труб, расход газа и жидкости, производились выключение и включение стенда.
С целью исключения негативного влияния (световые пятна вследствие зеркального или зеркально-диффузионного отражения на предмете) других источников освещения (например, ламп искусственного света, солнечного света) на процесс фотосъемки изменяют положение фото-видеорегистратора (4) и вспышек (5). После произведенного в результате эксперимента необходимого количества снимков, например 50, газожидкостного потока изменяют режим работы устройства, меняя расход газа и жидкости и повторяя фотосъемку, либо производят выключение стенда.
Радиосинхронизатор обеспечивает синхронную работу устройства: при нажатии кнопки фото-видеорегистратора источник 7 сигнала осуществляет его передачу приемнику 8 сигнала, который с помощью разветвителя для синхрокорда управляет кратковременным включением импульсных вспышек 5. Зафиксированные фото-видеорегистратором снимки переносят для дальнейшей обработки в память компьютерного блока.
После завершения эксперимента в работу включают растровый графический редактор, например Erdas Imagine 2013, установленный на компьютерном блоке (на фигурах не показан), с помощью которого осуществляют обработку полученных данных дистанционного зондирования, который позволяет выполнять расширенный анализ данных и пространственных моделей. Результаты работы могут быть представлены в 2D и 3D форматах, на картах и видеоматериалах. На основании полученных результатов строят пространственную яркостную характеристику вдоль выбранного произвольным образом профиля, например поверхности (фиг.4) или линии (фиг.5). Затем на базе полученных фотоснимков проводят анализ зависимостей яркости свечения, количества жидкости и газа, находящихся внутри лифтовой колонны труб, при различных заданных условиями эксперимента параметрах: расхода жидкости и газа, давления внутри лифтовой колонны труб.