ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ СТЕНД ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ РАБОТЫ ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ НЕФТЕГАЗОВЫХ СКВАЖИН

Полезная модель относится к области геофизики, предназначена для моделирования реально наблюдаемых в горизонтальных скважинах процессов течения трехфазных потоков флюида (вода, нефть, газ и их смеси) и может быть использована для изучения структуры потока в горизонтальном стволе скважины, изучения взаимодействия потока с различными датчиками и скважинной аппаратурой, тестирования и усовершенствования специализированной скважинной аппаратуры, предназначенной для проведении геофизических исследований горизонтальных скважин.
Известен гидродинамический стенд для моделирования работы горизонтальных нефтегазовых скважин, содержащий горизонтальную трубу в виде последовательно соединенных между собой отдельных секций стеклянных труб, модуль интервала перфораций состоящий из корпуса, трубы с равномерно распределенными по ее поверхности сквозными отверстиями, наполнителя во внутренней полости корпуса и вводов для подачи воды, углеводородной жидкости и газа, систему подачи и регулирования расхода воды, углеводородной жидкости и газа, состоящую из емкостей с водой, углеводородной жидкостью и газом, насосов, компрессора, трубопроводов, запорпо-регулирующих устройств, расходомеров воды, углеводородной жидкости и счетчиков газа, датчики температуры, домкраты, видеорегистратор и информационно-измерительного комплекс (Яруллин Р.К. Гидродинамический стенд для изучения особенностей потоков в горизонтальных скважинах // НТВ «Каротажник». Тверь: Изд. АИС, 2004, вып.127, с.118-123).
Недостатками известного гидродинамического стенда являются:
- невозможность сформировать ламинарный режим течения потока в трубе при относительно больших расходах воды, углеводородной жидкости и газа на входе в горизонтальную трубу;
- невозможность получить две разнородные жидкие фазы с отличающимися друг от друга значениями температуры, т.е. смоделировать неизотермический процесс;
- отсутствие измерительного прибора, позволяющего установить траекторию трубы требуемой конфигурации;
- невозможность получить визуальную картину внутренней структуры потока по сечению трубы в любой ее точке, поскольку в данном устройстве видеорегистратор выполнен конструкцией, позволяющей вести наблюдение и делать запись только снаружи трубы;
- невозможность получить визуальную картину структуры потока в интервале перфорационных отверстий и осуществить ее запись из-за того, что короб модуля интервала перфораций и размещенный в нем перфорированный сегмент обсадной трубы выполнены из металла.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является гидродинамический стенд для моделирования работы горизонтальных нефтегазовых скважин, содержащий горизонтальную трубу в виде последовательно соединенных отдельных секций труб из оптически прозрачного материала, модуль интервала перфораций состоящий из корпуса, трубы с равномерно распределенными по ее поверхности сквозными отверстиями, наполнителя во внутренней полости корпуса и вводов для подачи воды, углеводородной жидкости и газа, соединительные муфты, съемную крышку-заглушку на входе в горизонтальную трубу с вводами для раздельной подачи воды, углеводородной жидкости и газа, систему подачи и регулирования расхода воды, углеводородной жидкости и газа, состоящую из емкостей с водой, углеводородной жидкостью и газом, насосов, компрессора, трубопроводов, запорно-регулирующих устройств, расходомеров воды, углеводородной жидкости и счетчиков газа, датчики температуры, домкраты и информационно-измерительный комплекс (Валиуллин Р.Α., Яруллин Р.К., Яруллин А.Р., Шако В.М., Паршин А.В. Разработка критериев выделения работающих интервалов в низкодебетных горизонтальных скважинах на основе физического эксперимента и скважинных исследований // SPE 136272 Доклад на Российской нефтегазовой технической конференции и выставке SPE по разведке и добыче. 26-28 октября 2010 г., ВВЦ Москва. DOI 12.2118/136272-RU). Недостатками гидродинамического стенда, выбранного в качестве прототипа, являются:
- невозможность сформировать ламинарный режим течения потока при относительно больших расходах воды, углеводородной жидкости и газа на входе в горизонтальную трубу;
- невозможность получить две разнородные жидкие фазы с отличающимися друг от друга значениями температуры, т.е. смоделировать неизотермический процесс;
- отсутствие измерительного прибора, позволяющего установить траекторию трубы требуемой конфигурации;
- невозможность получить визуальную картину внутренней структуры потока по сечению и длине трубы из-за отсутствия в данном устройстве видеорегистратора;
- невозможность получить визуальную картину внутренней структуры потока в интервале перфорационных отверстий и осуществить ее запись из-за того, что, во-первых, короб модуля интервала перфораций и размещенный в нем перфорированный сегмент обсадной трубы выполнены из металла и, во-вторых, из-за отсутствия видеорегистратора;
- низкая химическая стойкость материала соединительных муфт к углеводородной жидкости.
Задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение, заключается в усовершенствовании известного гидродинамического стенда, а также повышении его эксплуатационной надежности.
Данная задача достигается за счет того, что в известный гидродинамический стенд для моделирования работы горизонтальных нефтегазовых скважин, содержащий горизонтальную трубу в виде последовательно соединенных отдельных секций труб из оптически прозрачного материала, модуль интервала перфораций состоящий из корпуса, трубы с равномерно распределенными по ее поверхности сквозными отверстиями, наполнителя во внутренней полости корпуса и вводов для подачи воды, углеводородной жидкости и газа, соединительные муфты, съемную крышку-заглушку на входе в горизонтальную трубу с вводами для раздельной подачи воды, углеводородной жидкости и газа, систему подачи и регулирования расхода воды, углеводородной жидкости и газа, состоящую из емкостей с водой, углеводородной жидкостью и газом, насосов, компрессора, трубопроводов, запорно-регулирующих устройств, расходомеров воды, углеводородной жидкости и счетчиков газа, датчики температуры, домкраты и информационно-измерительный комплекс, дополнительно введены линеризатор потока жидкости, два проточных электронагревателя жидкости, переносной электронный уровнемер и видеорегистратор, при этом в модуле интервала перфораций корпус, труба с равномерно распределенными по ее поверхности сквозными отверстиями и наполнитель выполнены из оптически прозрачного материала, линеризатор потока жидкости размещен на входе внутри горизонтальной трубы, проточные электронагреватели жидкости включены в подводящие к модулю интервала перфораций и съемной крышке-заглушке на входе трубопроводы подачи воды и углеводородной жидкости таким образом, что обеспечивают возможность нагрева одной жидкости относительно другой, переносной электронный уровнемер размещен на верхней поверхности горизонтальной трубы, видеорегистратор выполнен конструкцией, позволяющей разместить его в потоке жидкости внутри горизонтальной трубы, датчики температуры размещены в трубопроводах подачи воды и углеводородной жидкости в местах их соединения с модулем интервала перфораций и съемной крышкой-заглушкой на входе в горизонтальную трубу, а соединительные муфты выполнены из эластичного материала стойкого к углеводородной жидкости.
Кроме того, корпус модуля интервала перфораций выполнен в виде прогонного тела, в торцы которого насквозь вставлена труба с равномерно распределенными по ее поверхности сквозными отверстиями, на противоположных боковых поверхностях прогонного тела размещены вводы для подачи воды, углеводородной жидкости и газа, каждый выход ввода во внутреннюю полость прогонного тела соединен с трубкой, на боковой поверхности которой выполнены сквозные отверстия, торец самой трубки заглушен, в местах сопряжения трубы с торцами прогонного тела выполнены уплотнения, внутренняя полость прогонного тела заполнена наполнителем, а внутренний диаметр трубы модуля выполнен равным внутреннему диаметру горизонтальной трубы.
Кроме того, линеризатор потока жидкости содержит набор трубок, ориентированных по оси трубы и плоскую прямоугольную пластину, один торец плоской прямоугольной пластины закреплен на торцевой поверхности набора трубок, а противоположный ее торец закреплен на внутренней поверхности крышки-заглушки на входе в горизонтальную трубу, набор трубок в поперечном сечении имеет вид окружности с диаметром, равным внутреннему диаметру горизонтальной трубы, ширина плоской прямоугольной пластины равна диаметру окружности поперечного сечения набора трубок, боковые поверхности плоской прямоугольной пластины прилегают к внутренней поверхности трубы и находятся на одинаковом расстоянии от нижней образующей трубы, а длина каждой трубки не менее чем в 10 раз превышает ее внутренний диаметр.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является создание конструкции гидродинамического стенда, обеспечивающего большее приближение к процессам в действующих горизонтальных скважинах и повышение информационной отдачи от гидродинамического стенда за счет обеспечения визуального наблюдения за структурой потока в интервале перфорационных отверстий и по сечению трубы.
Требуемый технический результат обеспечен наличием в совокупности вышеуказанных отличительных признаков при несомненной применимости в нефтедобывающей промышленности, а отсутствие в известных заявителю источниках патентной и технической информации эквивалентных технических решений с теми же свойствами позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критериям «полезной модели».
Полезная модель поясняется рисунками, где на фиг.1 представлена схема гидродинамического стенда, на фиг.2 изображен линеризатор потока жидкости на входе внутри горизонтальной трубы, а на фиг.3 изображен модуль интервала перфораций.
Горизонтальный стенд для моделирования работы горизонтальных нефтегазовых скважин содержит горизонтальную трубу 1 в виде последовательно соединенных отдельных секций труб 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, выполненных из оптически прозрачного материала, например, стекла или органического стекла, модуль интервала перфораций 10. Трубы 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 и модуль интервала перфораций 10 соединены с помощью муфт 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, выполненных из масло-бензостойкого материала.
Съемная крышка-заглушка 19 на входе в горизонтальную трубу содержит ввод 20 для подачи воды, ввод 21 для подачи углеводородной жидкости и ввод 22 для подачи газа. Датчики температуры 23, 24 размещены в трубопроводах для подачи воды и углеводородной жидкости в местах их соединения с вводами 20, 21 съемной крышкой-заглушкой 19.
Съемная крышка-заглушка 27 расположена на выходе из горизонтальной трубы. Линеризатор потока жидкости 28 размещен на входе внутри горизонтальной трубы 1, (9) и содержит набор трубок 73, ориентированных по оси трубы и плоскую прямоугольную пластину 74. Один торец плоской прямоугольной пластины закреплен на торцевой поверхности 75 набора трубок, а противоположный ее торец закреплен на внутренней поверхности 76 съемной крышки-заглушки 19 на входе в горизонтальную трубу. Набор трубок 73 в поперечном сечении имеет вид окружности с диаметром, равным внутреннему диаметру горизонтальной трубы. Ширина плоской прямоугольной пластины 74 равна диаметру окружности поперечного сечения набора трубок. Боковые поверхности 77, 78 плоской прямоугольной пластины 74 прилегают к внутренней поверхности трубы 1, (9) и находятся на одинаковом расстоянии от нижней образующей 79 трубы. Длина каждой трубки не менее чем в 10 раз превышает ее внутренний диаметр. Пластина 74 разделяет внутреннюю полость трубы на две изолированные друг от друга полости 80 и 81, что исключает смешивание воды и углеводородной жидкости до их подхода к набору трубок 73.
Видеорегистратор 29 размещен внутри горизонтальной трубы, помещен в герметичный водо-масло-бензостойкий корпус и может располагаться на любом участке трубы. Ввод видеорегистратора во внутреннюю полость трубы осуществляется через горловины 30, 31.
Домкраты 33, 34, 35, 36. 37, 38, 39, 40, 41 размещены на стойке-основании стенда и с их помощью устанавливается требуемая траектория ствола горизонтальной трубы.
Переносной цифровой уровнемер 32 располагается на верхней поверхности трубы.
Система подачи и регулирования расхода воды, углеводородной жидкости и газа 42 состоит из емкости с водой 43, емкости с углеводородной жидкостью 44, емкости с газом 45, насосов 46 и 47 для подачи соответственно воды и углеводородной жидкости, компрессора 48 для подачи газа, трубопровода канала воды 49, трубопровода канала углеводородной жидкости 50, трубопровода газа 51, первого проточного электронагревателя жидкости 71 и второго проточного электронагревателя жидкости 72, запорно-регулирующих устройств 54, 55, 56, 57 канала подачи воды, запорно-регулирующих устройств 58, 59, 60, 61 канала подачи углеводородной жидкости, запорно-регулирующих устройств 62, 63, 64 канала подачи газа, расходомеров воды 65, 66, расходомеров углеводородной жидкости 67, 68 и счетчиков газа 69, 70.
Проточные электронагреватели жидкости 71 и 72 включены в подводящие к модулю интервата перфораций 10 и съемной крышке-заглушке на входе 19 трубопроводы подачи воды и углеводородной жидкости таким образом, что обеспечивают возможность нагрева одной жидкости относительно другой
На выходе из горизонтальной трубы смесь воды и углеводородной жидкости по трубопроводу 52 поступает в емкость с водой 43, где расслаивается и углеводородная жидкость, как менее плотная, по трубопроводу 53 поступает в емкость 44.
В качестве углеводородной жидкости могут быть использованы жидкости близкие к нефти по удельному весу и вязкости, например, дизельное топливо, различные масла. В качестве газа может быть использован атмосферный воздух.
Модуль интервала перфораций 10 содержит корпус, выполненный из органического стекла в виде прогонного тела 86, например, прямоугольного параллелепипеда. В торцы 84 и 85 прогонного тела 86 насквозь вставлена труба 82 из органического стекла с равномерно распределенными по поверхности трубы сквозными отверстиями 83. В местах сопряжения трубы 82 с торцами 84 и 85 прогонного тела выполнены соответственно уплотнения 87 и 88. Внутренний диаметр трубы 82 выполнен равным внутреннему диаметру горизонтальной трубы 1.
На противоположных боковых поверхностях 89 и 90 прогонного тела 86 размещены соответственно вводы 91 и 92 для подачи воды, углеводородной жидкости и газа. Выходы вводов 91 и 92 во внутреннюю полость 93 прогонного тела соединены соответственно с трубками 94 и 95, на боковых поверхностях трубок выполнены сквозные отверстия 96 и 97, а на торцах трубок поставлены заглушки 98 и 99. Внутренняя полость 93 прогонного тела заполнена прозрачным наполнителем, например, стеклянными шариками различного диаметра (на фиг.3 не показано). С помощью внешних шлангов вводы 91 и 92 соединены между собой в нужную конфигурацию (на фиг.3 не показано). Датчики температуры 25, 26 размещены в трубопроводах подачи воды и углеводородной жидкости в местах их соединения с модулем интервала перфораций 10. Гидродинамический стенд работает следующим образом.
Предварительно домкратами 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41 устанавливается требуемая траектория ствола горизонтальной трубы. Траектория ствола может быть задана горизонтальной, нисходящей, восходящей, волнообразной и комбинированной, включающей в себя несколько перечисленных выше видов. Контроль наклона трубы в целом и отдельных ее участков осуществляется переносным цифровым уровнемером 32.
С помощью компрессора 48 емкость 45 заполняется газом (в данном случае атмосферным воздухом) до определенного давления. При включении насосов 46, 47 и открытии запорно-регулирующих устройств 54, 55, 58, 59, 62 компоненты нефтегазового потока вода, углеводородная жидкость и газ по трубопроводам 49, 50, 51 подводятся, но еще не поступают в модуль интервала перфораций 10 и на вход горизонтальной трубы 1.
При открытии запорно-регулирующих устройств 57, 61, 64 вода, углеводородная жидкость и газ через раздельные вводы 20, 21, 22 в съемной крышке-заглушке 19 поступают во внутреннюю полость горизонтальной трубы 1. Пластиной 74 линеризатора потока жидкости 28, внутренняя полость на входе в горизонтальную трубу 1 разделена на две изолированные друг от друга полости: нижнюю 81, куда поступает вода и верхнюю 80, куда поступают углеводородная жидкость и газ. Пластина 74 исключает смешивание подводимых компонентов и обеспечивает раздельный их подвод к набору трубок 73. Выполнение каждой трубки в наборе длиной не менее чем в 10 раз превышающей ее диаметр позволяет выравнить поле скоростей жидких компонентов на входе и тем самым обеспечить ламинарный режим течения потока при относительно больших расходах воды и углеводородной жидкости.
Датчиками 23, 24, которые размещены в трубопроводах подачи воды и углеводородной жидкости в местах их соединения со съемной крышкой-заглушкой 19, контролируется температура воды и углеводородной жидкости на входе в горизонтальную трубу. Расход жидкостей контролируется с помощью расходомеров 65, 67, а расход газа контролируется счетчиком газа 69. Сигналы с датчиков температуры 23, 24, расходомеров 65, 67 и счетчика газа 69 поступают в информационно-измерительный комплекс (на фиг.1 не показано).
При открытии запорно-регулирующих устройств 56, 60, 63 вода, углеводородная жидкость и газ через вводы 91, 92 поступают в трубки 94, 95 модуля интервала перфораций 10. Проходя через отверстия 96, 97 в трубках 94, 95 компоненты нефтегазового потока распределяются по всей длине модуля и далее, проходя через слой прозрачного наполнителя в полости 93, поступают через перфорационные отверстия 83 во внутреннюю полость прозрачной трубы 82, где смешиваются с потоком флюида, поступающего с входа в горизонтальную трубу.
Использование модуля интервала перфораций позволяет моделировать внедрение одной из трех компонент потока или их комбинацию с заданным расходом. Выполнение корпуса модуля интервала перфораций, трубы с перфорационными отверстиями и наполнителя из оптически прозрачного материала позволяет визуально наблюдать за структурой потока по всей длине модуля, а также при необходимости делать видеозапись.
Датчиками 25, 26, которые размещены в трубопроводах подачи воды и углеводородной жидкости в местах их соединения с модулем интервала перфораций 10, контролируется температура воды и углеводородной жидкости. Расход жидкостей контролируется с помощью расходомеров 66, 68, а расход газа контролируется счетчиком газа 70. Сигналы с расходомеров 66, 68 и счетчика газа 70 поступают в информационно-измерительный комплекс (на фиг.1 не показано).
При обесточенных проточных электронагревателях 71 и 72 протекающие через них вода и углеводородная жидкость не будут нагреваться. При подаче напряжения питания к проточным электронагревателям будет осуществляться нагрев жидкостей. Установка и поддержание заданной температуры нагрева жидкости осуществляется с помощью терморегулятора, встроенного в проточный электронагреватель.
В заявляемом техническом решении возможны четыре варианта включения проточных электронагревателей жидкости 71 и 72. При этом важным остается обеспечение перегрева одной жидкости относительно другой, подаваемых как в модуль интервала перфораций, так и на вход в трубу, т.е. моделирование неизотермического процесса протекания разнородных жидкостей. Так первый вариант предполагает включение по схеме на фиг.1, где электронагреватели 71 и 72 изображены сплошными линиями. Второй вариант предполагает включение по схеме на фиг.1, где электронагреватели 71∗ и 72∗ изображены пунктирными линиями. Третий вариант предполагает включение по схеме на фиг.1, где электронагреватель 71 изображен сплошной линией, а электронагреватель 71∗ пунктирной линией. Четвертый вариант предполагает включение по схеме на фиг.1, где электронагреватель 72∗ изображен пунктирной линией, а электронагреватель 72 сплошной линией.
Путем впрыскивания оптически контрастной жидкости в подводящие патрубки модуля интервала перфораций и съемной крышки-заглушки на входе в трубу можно исследовать структуру потока и визуально наблюдать за распределением и продвижением окрашенной жидкости в модуле интервала перфораций, на отдельных участках трубы и по всей трубе в целом.
Наличие видеорегистратора 29, помещенного в герметичный водо-масло-бензостойкий корпус и размещенного внутри горизонтальной трубы, позволяет получить визуальную картину внутренней структуры потока по сечению трубы. Так, например, ввод видеорегистратора через горловину 31 и размещение его в секции 5 трубы позволяет наблюдать и при необходимости делать запись картины структуры потока по сечению трубы на входе в модуль интервала перфораций, а ввод видеорегистратора через горловину 30 и размещение его в секции 4 трубы позволяет делать тоже самое, но только на выходе потока из модуля 10, где поток, проходящий через перфорационные отверстия смешивается с потоком, поступающим с входа в трубу. В качестве видеорегистратора может быть использована, например, WEB-камера.
Выполнение соединительных муфт 11, 12, 13. 14, 15, 16, 17, 18 из эластичного материала стойкого к углеводородной жидкости позволяет при прочих равных условиях повысить гибкость компоновки трубы в целом и увеличить срок эксплуатации гидродинамического стенда и за счет этого повысить его эксплуатационную надежность.
Гидравлическая система стенда выполнена таким образом, что позволяет многократно использовать воду и углеводородную жидкость по замкнутому циклу.
Таким образом, заявляемое техническое решение по сравнению с известным наиболее полно отображает процессы, происходящие в действующих горизонтальных скважинах, имеет большую информационную отдачу и к тому же обладает повышенной эксплуатационной надежностью.