Прибор для измерения скорости и расхода флюида в горизонтальной скважине

Полезная модель относится к области геофизических исследований действующих горизонтальных и наклонных нефтяных скважин с малым дебитом и может быть использована для определения скорости и расхода расслоенного двухфазного потока флюида.
Известен комплексный прибор для исследования нефтяных горизонтальных скважин, содержащий цилиндрический корпус, рычажный центратор в головной и хвостовой части прибора, датчики температуры потока флюида, термоиндикаторы притока и датчики состава флюида, размещенные на рычагах центраторов и распределенные по периметру ствола скважины на одной линии параллельно оси прибора (патент РФ №2442891, кл. E21B 47/00, 2012 г.).
Недостатком известного прибора являются:
- значительная дискретность и связанная с ней неточность в послойном измерении скорости потока флюида в силу того, что датчики, ответственные за определение скорости потока флюида, размещены не по всей длине поперечного сечение ствола скважины, а расположены локально по периферии и по оси ствола скважины, а в промежутке между ними и вовсе отсутствуют;
- ограничения и даже исключение возможности количественного определения скорости потока флюида по показаниям термоиндикаторов притока (датчики СТИ) для сред с разной плотностью, теплопроводностью и теплоемкостью, коей является расслоенный двухфазный поток.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является прибор для измерения скорости потока жидкости в скважине, содержащий цилиндрический корпус, рычажный центратор, импульсный нагреватель потока жидкости, электронный блок и датчики температуры, установленные на рычагах в одном направлении от нагревателя и ориентированные вдоль продольной оси корпуса прибора (патент РФ №2280159, кл. E21B 47/10, G01P 5/18, 2006 г.).
Недостатками известного прибора, выбранного в качестве наиболее близкого аналога, являются:
- значительная дискретность и связанная с ней неточность в послойном определении скорости потока флюида в силу неопределенности положения комплектов из нагревателя и пары датчиков температуры, установленных на выносных рычагах, относительно поперечного сечения ствола скважины;
- невозможность точного определения границы раздела фаз и состава флюида, поскольку отсутствуют датчики, регистрирующие состав, а используемый в данном приборе принцип определения состава флюида по таким физическим параметрам среды, как плотность, теплопроводность и теплоемкость, дает весьма неточные результаты;
- невозможность точного определения расхода по каждой фазе флюида в силу причин, изложенных в предыдущих двух пунктах.
Задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение, состоит в повышении:
- разрешающей способности;
- точности определения скорости течения потока флюида по всему сечению ствола скважины;
- точности определения границы раздела фаз расслоенного потока флюида;
- точности определения состава флюида, расхода по каждой фазе и суммарного расхода.
Данная задача достигается за счет того, что в предлагаемом приборе для измерения скорости и расхода флюида в горизонтальной скважине, содержащем цилиндрический корпус, рычажный центратор, импульсный нагреватель потока жидкости, электронный блок и датчики температуры, установленные на рычагах в одном направлении от нагревателя и ориентированные вдоль продольной оси корпуса прибора, введены второй рычажный центратор и датчики состава флюида, при этом первый центратор расположен в цилиндрическом корпусе головной части прибора, второй центратор расположен в цилиндрическом корпусе хвостовой части прибора, импульсный нагреватель размещен в цилиндрическом корпусе головной части прибора и выполнен в виде индукционного нагревателя, средняя часть корпуса прибора выполнена из рычагов в виде равнобедренной трапеции, у которой на боковом рычаге, ближнем к головной части прибора, размещена первая группа датчиков температуры, на боковом рычаге, ближнем к хвостовой части прибора, размещены датчики состава флюида, а на дополнительном рычаге, параллельном рычагу ближнему к головной части прибора и исходящем к нижнему рычагу трапеции из вершины угла, образованного верхним рычагом трапеции и рычагом, ближним к хвостовой части прибора, размещена вторая группа датчиков температуры, причем датчики на боковых рычагах и дополнительном рычаге размещены равномерно по всей длине рычага и соосно, а нижний и верхний рычаги средней части корпуса прибора скользят соответственно по нижней и верхней образующей внутренней поверхности ствола скважины.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является повышение достоверности получаемой информации о динамических параметрах расслоенного двухфазного потока.
Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена схема конструкции прибора, а на фиг. 2 изображена схема расположения средней части прибора, датчиков температуры и датчиков состава флюида в плоскости поперечного сечения ствола горизонтальной скважины.
Прибор содержит корпус, состоящий из трех составных частей - головной 1, средней 2 и хвостовой 3. В головной и хвостовой частях цилиндрического корпуса прибора расположены соответственно подпружиненные рычажные центраторы 4 и 5, которые в рабочем положении центрируют прибор по оси горизонтальной или наклонной скважины. Сама скважина обсажена металлической трубой 6, обладающей магнитными свойствами. В кожухе 7 корпуса головной части 1 прибора, выполненного из изоляционного немагнитного материала, размещены индукционная катушка 8 и магнитопровод 9 импульсного индукционного нагревателя потока жидкости. В кожухе корпуса хвостовой части 3 прибора размещены функциональные элементы электронного блока: первичные преобразователи датчиков, усилители, аналого-цифровой преобразователь, контроллер, генератор импульсов, регулятор длительности импульсов и т.д. (на фиг. 1 не показано). Электропитание элементов электронного блока и импульсного индукционного нагревателя осуществляется по геофизическому кабелю.
Средняя часть 2 прибора выполнена из рычагов 10, 11, 12 и 13 в виде равнобедренной трапеции BCDE. На боковом рычаге 10, ближнем к головной части прибора, по всей длине рычага равномерно размещена первая группа датчиков температуры 14, на боковом рычаге 12, ближнем к хвостовой части прибора, по всей длине рычага равномерно размещены датчики состава флюида 15. На дополнительном рычаге 16, параллельном рычагу 10 и исходящем к рычагу 13 из вершины угла D, равномерно по всей длине рычага 16 размещена вторая группа датчиков температуры 17. Поскольку дополнительный рычаг 16 совместно с рычагами 10, 11 и 13 образует параллелограмм BCDF, то все датчики температуры 14 на рычаге 10 и все датчики температуры 17 на рычаге 16 будут находиться на одинаковом базовом расстоянии L друг от друга. Сама средняя часть 2 корпуса прибора выполнена с возможностью раскрытия/закрытия, при этом в рабочем положении (раскрытие) датчики 14, 15 и 17 расположены вдоль продольной оси прибора и соосно, а нижний рычаг 13 и верхний рычаг 11 скользят соответственно по нижней и верхней образующей внутренней поверхности обсадной трубы 6, выполняя роль дополнительного центратора.
Прибор для измерения скорости и расхода флюида в горизонтальной скважине работает следующим образом.
Перед спуском прибора в скважину самораскрывающиеся рычажные центраторы 4 и 5, а также среднюю самораскрывающуюся рычажную часть 2 прибора складывают и прижимают к продольной оси прибора. В сложенном виде прибор спускают в скважину. Транспортировка прибора по горизонтальному стволу осуществляется штатными устройствами, предназначенными для проведения работ в горизонтальных скважинах. По достижении прибором области исследований и приведения его в рабочее состояние происходит раскрытие центраторов 4, 5 и рычажной части 2 прибора.
При пропускании импульсного тока высокой частоты по обмоткам катушки 8, когда имеет место периодическое включение и выключение тока, создается периодически действующее электромагнитное поле, концентрирующееся на металле трубы 6. Это поле индуцирует на соответствующем участке трубы вихревые токи, вызывающие ее периодический нагрев. Тепло, выделяющееся в импульсе на локальном участке трубы 6, создает тепловое поле. Если при этом по трубе движется двухфазный расслоенный поток флюида, то после его прохождения мимо локальной области нагрева образуются слои нагретой одной и второй фазы потока. Формируется своего рода периодическая тепловая метка - движущаяся волна флюида с температурой, превышающей исходную. С помощью наземной аппаратуры изменяют период и длительность импульсов, подаваемых на индукционный нагреватель и, тем самым, регулируют нагрев трубы, частоту и амплитуду тепловой метки.
Для определения скорости течения двухфазного потока по всей вертикали трубы 6 используют группу датчиков температуры 14 и 17. Поскольку эти датчики в рабочем положении расположены вдоль продольной оси прибора, соосно и на одинаковом базовом расстоянии L друг от друга, то измеряя сдвиг фаз тепловой волны, регистрируемый датчиком 14 и датчиком 17, можно послойно определить скорость течения флюида по формуле
i
i
V=L/t,
i
где V - скорость потока в i-м слое флюида;
L - базовое расстояние между датчиками температуры;
i
t - сдвиг фаз тепловой волны между датчиками температуры в i-м слое флюида;
i - количество регистрируемых слоев флюида (соответствует количеству датчиков температуры на каждом из рычагов).
Переход от фиксации момента прихода тепловой метки по фронту к измерению сдвига фаз позволяет существенно повысить точность определения времени прохождения тепловой метки, т.к. при одиночном импульсе и работе с фронтом тепловой метки точность определения времени зависит от формы и амплитуды тепловой метки, а также от корректности задания критерия прихода фронта. Сравнительный анализ погрешности измерения времени прихода фронта и сдвига фазы по серии меток показал, что погрешность определения времени прохождения метки по фронту достигает 25%, а по сдвигу фазы - не превышает 2,5% и может быть оптимизирована путем изменения периода следования импульсов с учетом реальной ситуации на скважине.
Для определения состава флюида и границы раздела его фаз, а также для определения суммарного расхода флюида и расхода по каждой его фазе используют группу датчиков состава 15. В качестве датчиков состава 15 могут быть использованы однотипные датчики, принцип действия которых основан на измерении электрических параметров флюида, например электропроводности или диэлектрической проницаемости.
Определив состав расслоенного двухфазного потока (например, вода и нефть), границу раздела фаз и зная внутренний диаметр трубы 6 в месте исследований, можно рассчитать площадь сегмента, занимаемую каждой фазой. Затем по ранее измеренной скорости каждого i-го слоя, рассчитывают расход по каждой фазе и суммарный расход флюида.
С увеличением количества датчиков температуры и датчиков состава, при прочих равных условиях, увеличивается количество сканируемых слоев расслоенного потока и уменьшается расстояние между слоями, вследствие чего повышаются разрешающая способность, точность определения границы раздела фаз, точность определения скорости и расхода каждой фазы, т.е. обеспечивается получение достоверной информации о динамических параметрах расслоенного двухфазного потока.