СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГРАНИЦ РАЗДЕЛА СРЕД В СЕПАРАТОРАХ СЫРОЙ НЕФТИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD OF DETERMINING MEDIA INTERFACE BORDER IN CRUDE OIL SEPARATORS AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для определения границ раздела сред газ-нефть, нефть-вода, вода - тяжелые битумы с песком в сепараторах скважинного флюида (сырой нефти).
Известен способ подготовки и измерения дебита продукции нефтяных скважин [патент РФ №2415263 МПК E21B 47/10 «Способ подготовки и измерения дебита продукции нефтяных скважин и устройство для его осуществления (варианты)»]. Способ состоит в разделении скважинного флюида на нефть, воду и газ в сепараторе, сбросе газа в отдельный объем, определении плотности жидкости при сливании из сепаратора и определении объема нефти и воды при прохождении измерительных емкостей.
Недостатком известного технического решения является необходимость слива разделенного флюида для определения границ раздела сред.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ определения фракций фаз текучей среды с использованием рентгеновских лучей, оптимизированный для неосушенного газа [патент РФ №2479835 МПК G01N 23/06 «Устройство и способ определения фракций фаз текучей среды с использованием рентгеновских лучей, оптимизированный для неосушенного газа»]. В известном способе облучают образец флюида с содержанием газа более 90% гамма-квантами высокой и низкой энергии, производят детектирование гамма-квантов в выбранных энергетических диапазонах и определяют объемные фракции газа, нефти и воды по различному поглощению гамма-квантов высокой и низкой энергии в слое флюида.
Недостатком данного способа является его неприменимость для определения границ раздела сред в сепараторах сырой нефти при концентрациях газа менее 90%.
Задача изобретения состоит в исключении указанного недостатка, а именно в расширении диапазона концентраций газа при определении границ раздела сред в сепараторах сырой нефти.
Для исключения указанных недостатков в способе определения границ раздела сред в сепараторах сырой нефти, включающем облучение сепаратора с отстоявшимся скважинным флюидом, регистрацию гамма-квантов и анализ полученных спектров гамма-квантов, предлагается:
- проводить пошаговое перемещение сверху вниз вдоль сепаратора лежащей в горизонтальной плоскости сканирующей системы;
- облучение проводить входящим в состав системы источником быстрых нейтронов при фиксированном положении системы;
- дополнительно регистрировать тепловые нейтроны;
- анализировать спектр гамма-квантов на наличие двух энергетических пиков 6,13±0,62 МэВ от кислорода и 1,78±0,18 МэВ от кремния для каждого положения системы;
- делать заключение о наличии границы газ-нефть по факту регистрации тепловых нейтронов, заключение о наличии границы нефть-вода по факту обнаружения гамма-квантов от кислорода, заключение о наличии границы вода-битумы с песком по факту обнаружения гамма-квантов от кремния.
Сущность способа определения границ раздела сред в сепараторах сырой нефти заключается в следующем.
Производят пошаговое перемещение сверху вниз вдоль сепаратора лежащей в горизонтальной плоскости сканирующей системы. Система состоит из источника быстрых нейтронов 4, блока детектирования гамма-квантов 1 и блока детектирования тепловых нейтронов 2.
Элементы сканирующей системы располагаются в одной горизонтальной плоскости для точного определения границ раздела сред, сформировавшихся под действием гравитационного поля.
При фиксированном положении системы облучают сепаратор 7 быстрыми нейтронами. Регистрируют гамма-кванты и тепловые нейтроны.
Тепловые нейтроны - это замедленные в насыщенных водородом средах (нефть, вода, битумы) быстрые нейтроны.
16
16
1/2
Активация ядер кислорода-16 (99,762% в природной смеси изотопов) быстрыми нейтронами в реакции O(n,p)N приводит к образованию азота-16, имеющего период полураспада T=7,1 секунды. В результате бета-распада ядер азота-16 образуются возбужденные ядра кислорода-16, которые снимают возбуждение, испуская гамма-кванты (вероятность 69%) с энергией 6,13 МэВ,
28
28
Активации ядер кремния (Si - 92,23% в природной смеси изотопов) быстрыми нейтронами, приводит к образованию Al с периодом полураспада 2,26 мин:
28
28
Продукт распада Al это Si*, образующийся в возбужденном состоянии, которое с 100% вероятностью снимается гамма-квантами с энергией 1,78 МэВ.
Указанные гамма-кванты будут формировать пики с спектре с положением вершин пиков 6,13±0,62 МэВ и 1,78±0,18 МэВ соответственно (при точности определения энергии гамма-квантов в 10%).
Анализируют спектр гамма-квантов на наличие двух энергетических пиков 6,13±0,62 МэВ от кислорода и 1,78±0,18 МэВ от кремния. Повторяют процедуру в следующем положении сканирующей системы. Делают заключение о наличии границы газ-нефть по факту регистрации тепловых нейтронов. Заключение о наличии границы нефть-вода делают по факту дополнительного обнаружения гамма-квантов от кислорода. Заключение о наличии границы вода-битумы с песком делают по факту обнаружения гамма-квантов от кремния дополнительно к уже перечисленным. Появление сигналов наглядно проиллюстрировано в таблице.
Пример конкретного использования способа
8
-1
Длительность облучения составляла 22 с. Измерения проводились в течение облучения и после него, длились 60 секунд. Таким образом, определение среды в одном положении (облучение + измерение) занимало 1 минуту. Облучение производилось быстрыми нейтронами с энергией 14 МэВ. Поток нейтронов составлял 10 нейтрон·секунду. В спектре были выделены пики с вершинами 6,14 МэВ и 1,79 МэВ. Перемещение сверху вниз производилось с шагом 10 см.
В качестве модели сепаратора 7 была использована цилиндрическая емкость внутренним диаметром 165 мм. На дно емкости помещена битумно-песчанная смесь, затем вода, затем бензин АИ-80, сверху воздух. Эксперименты показали гарантированное определения слоя среды толщиной 10 см.
Устройство для реализации предложенного способа рассмотрено далее.
Известно устройство подготовки и измерения дебита продукции нефтяных скважин [патент РФ №2415263 МПК E21B 47/10 «Способ подготовки и измерения дебита продукции нефтяных скважин и устройство для его осуществления (варианты)»]. Устройство для подготовки и измерения дебита продукции нефтяных скважин содержит систему эффективного отделения газа из пробы скважинного флюида, систему разделения водонефтяной смеси с выпускной жидкостной линией, имеющей вертикальный мерный участок с двумя датчиками уровня по концам, обеспечивающими определение плотности проходящей жидкости для определения содержания воды в нефти в пробе флюида, с дальнейшим смешиванием всех компонент для определения общего дебита скважины.
Недостатком известного технического решения является необходимость пробоотбора с установкой дополнительных измерительных емкостей, систем перекачки отстоявшегося флюида, емкостей для газа.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является устройство определения фракций фаз текучей среды с использованием рентгеновских лучей, оптимизированное для неосушенного газа [патент РФ №2479835 МПК G01N 23/06 «Устройство и способ определения фракций фаз текучей среды с использованием рентгеновских лучей, оптимизированный для неосушенного газа»]. Устройство для определения фракционных количеств каждой фазы многофазной текучей среды содержит генератор рентгеновского излучения; камеру для образца, выполненную с возможностью приема образца текучей среды для анализа и размещенную на пути выхода излучения из генератора; фильтр, размещенный на пути излучения между выходом генератора и входом излучения камеры для образца, и детектор излучения, установленный на пути проходящих через камеру для образца гамма-квантов. Причем толщину и материал фильтра выбирают для оптимизирования разрешения по излучению, регистрируемому детектором, и так, чтобы сформировать гамма-кванты высокой и низкой энергии. Энергии гамма-квантов формируют для измерений в объемных фракциях нефти и воды в образце текучей среды, когда объемная фракция газа составляет между около 90-100 процентов.
Недостатками данного устройства является неприменимость для определения границ раздела сред в сепараторах сырой нефти при концентрациях газа менее 90%. Неприменимость обусловлена размытием пика в спектре от гамма-квантов высокой энергии и неразличимостью пика от гамма-квантов низкой энергии от фона (слишком плотная среда для гамма-квантов).
Задача изобретения состоит в исключении указанного недостатка, а именно в расширении диапазона концентраций газа при определении границ раздела сред в сепараторах сырой нефти.
Для исключения указанных недостатков в устройстве для определения границ раздела сред в сепараторах сырой нефти, включающем источник облучения сепаратора, блок детектирования гамма-квантов и источники электропитания, предлагается:
- в качестве источника облучения использовать источник быстрых нейтронов;
- дополнительно снабдить устройство блоком детектирования тепловых нейтронов;
- использовать защиту из свинца для экранирования блоков детектирования гамма-квантов и тепловых нейтронов от быстрых нейтронов;
- расположить в одной горизонтальной плоскости с угловым смещением относительно друг друга источник быстрых нейтронов и отделенные свинцовой защитой блоки детектирования гамма-квантов и тепловых нейтронов;
- объединить источник быстрых нейтронов, с отделенными свинцовой защитой блоками детектирования гамма-квантов и тепловых нейтронов, в сканирующую систему;
- установить систему с возможностью фиксации положения и вертикального перемещения относительно внешней поверхности сепаратора;
- подключить комплекс анализа данных к сканирующей системе для анализа спектров и обмена информацией.
Сущность устройства для определения границ раздела сред в сепараторах сырой нефти состоит в следующем.
Блок-схема сканирующей системы и один из вариантов ее исполнения показаны на фигуре 1, а блок-схема одного из вариантов исполнения устройства представлена на фигуре 2, где приняты следующие позиционные обозначения: 1 - блок детектирования гамма-квантов, 2 - блок детектирования тепловых нейтронов, 3 - защита от быстрых нейтронов, 4 - источник быстрых нейтронов, 5 - источники электропитания, 6 - комплекс анализа данных, 7 - сепаратор.
Устройство включает источник быстрых нейтронов 4, защиту от быстрых нейтронов 3, блок детектирования гамма-квантов 1, блок детектирования тепловых нейтронов 2, комплекс анализа данных 6 и источники электропитания 5.
Блок детектирования гамма-квантов 1 и блок детектирования тепловых нейтронов 2 отделены от источника быстрых нейтронов 4 защитой от быстрых нейтронов 3 для экранирования от быстрых нейтронов.
Названные элементы 1, 2, 3, 4 расположены в одной горизонтальной плоскости с угловым смещением относительно друг друга и формируют сканирующую систему.
Блок детектирования гамма-квантов 1 и блок детектирования тепловых нейтронов 2 подключены к комплексу анализа данных 6.
Сканирующая система и комплекс анализа данных 6 подключены к источникам электропитания 5. Расположенная горизонтально сканирующая система установлена с возможностью вертикального перемещения относительно внешней поверхности сепаратора 7.
Пример конкретного устройства.
8
В качестве блока детектирования гамма-квантов 1 выбран сцинтиблок СНБ.08 - цилиндр кристалла NaJ(Tl) (⌀ 150 мм, высота 100 мм), смонтированный на ФЭУ-173. Рабочее напряжение 880 В. В качестве источника быстрых нейтронов 4 использован нейтронный генератор (дейтрон по тритию). Поток нейтронов - 10 нейтрон/с. Защита от быстрых нейтронов 3 представляет собой пластины из свинца (толщина 10 см). В качестве комплекса анализа данных 6 использован персональный компьютер с АЦП (USB) и комплектом программ.
Режимные параметры, относящиеся к конкретному исполнению устройства, представлены ранее в примере конкретного исполнения способа определения границ раздела сред в сепараторах сырой нефти.
Технический результат - расширение диапазона концентраций газа при определении границ раздела сред в сепараторах сырой нефти.