Прогресс в нефтедобывающей промышленности связан с применением все более сложных систем разработки нефтяных месторождений, основанных на заводнении и других способах воздействия на пласт. Высокая эффективность таких систем, имеющих целью повышение нефтеотдачи пласта и темпов разработки месторождений, достигается регулированием процесса добычи нефти. Такое регулирование в свою очередь немыслимо без соответствующего контроля за разработкой месторождений, основанного на применении различных промыслово-геофизических методов исследования скважин. Одним из таких методов контроля за процессами разработки и эксплуатации месторождений, которое получило широкое применение, является расходометрия. Расходометрия скважин заключается в измерении скорости перемещения жидкости по скважине приборами, получившими название расходомеров.
Расходометрия является одним из основных методов исследования динамики отбора и поглощения жидкости в эксплуатационных и нагнетательных скважинах. Методы расходометрии позволяют выделить интервал притока или поглощения жидкости в действующих скважинах, выявить наличие перетока жидкости по стволу скважины, определить суммарный дебит (расход) жидкости отдельных пластов, построить профиль притока (приемистости) как по отдельным участкам пласта, так и для пласта в целом и провести разделение добычи жидкости из совместно эксплуатируемых пластов.
В зависимости от решаемой задачи, внешних условий и требований к точности измерения, могут использоваться различные способы преобразования параметров потока в величину расхода. При этом любой из преобразователей имеет свою область применения, где он актуален, но не пригоден для других условий.
1.1. Измерения скорости потока на основе перепада давления
Для измерения расхода жидкости, газа и пара, протекающих по трубопроводам, широкое применение получили расходомеры с сужающим устройством. Принцип их действия их основан на изменении потенциальной энергии измеряемого вещества при протекании через искусственно суженное сечение трубопровода. Расходомер состоит из сужающего устройства, устанавливаемого в трубопроводе и служащего для местного сжатия струи (первичный преобразователь), дифференциального манометра, предназначенного для измерения разности статических давлений протекающей среды до и после сужающего устройства (вторичный прибор) и соединительных линий (двух трубок), связывающих между собой оба прибора. При прохождении потока через сужающее устройство происходит изменение потенциальной энергии вещества, часть которой вследствие местного сжатия струи и соответствующего увеличения скорости потока преобразуется в кинетическую энергию. Изменение потенциальной энергии приводит к появлению разности статических давлений (перепада давления), который определяется при помощи дифманометра. Так как согласно закону сохранения энергии суммарная энергия движущейся среды уменьшается только на величину потерь, то по переменному перепаду давлений может быть определена кинетическая энергия потока при его сужении, а по ней — средняя скорость и расход вещества.
Недостаток этого метода состоит в том, что скорость потока оказывается пропорциональной квадратному корню из перепада давлений, т. е. эти приборы являются нелинейными.
Расходомеры переменного перепада давления, в зависимости от вида преобразователя расхода делятся на:
– расходомеры с сужающими устройствами;
– расходомеры с гидравлическим сопротивлением;
– центробежные расходомеры;
– расходомеры с напорными устройствами;
– расходомеры с напорными усилителями;
– ударно-струйные расходомеры.
1.2. Механическая расходометрия (пакерная и беспакерная)
Наиболее распространенными методами определения расхода являются методы с использованием механических элементов, в которых поток перемещает или вращает твердое тело.
Принцип работы такого расходомера основан на использовании механической турбины, вращающейся под действием потока скважинного флюида. При вращении турбинка приводит в действие магнитный прерыватель тока, по показаниям которого определяют частоту ее вращения. Чем выше дебит, тем быстрее вращается турбинка и тем больше импульсов в единицу времени поступит в измерительный канал. Частота импульсов преобразуется блоком частотомера в пропорциональную ей величину напряжения и по линии связи поступает на поверхность, где фиксируется регистрирующим прибором.
Преимуществами турбинных расходомеров по сравнению с расходомерами других типов являются:
– линейная зависимость их выходного сигнала от скорости потока в установленном для прибора диапазоне (прямое измерение);
– простота электрической схемы, а также относительная простота механической части.
Механические расходомеры бывают двух типов: беспакерные и пакерные.
Измерение скорости потока с помощью беспакерных турбинных расходомеров основано на использовании кинетической энергии потока, т. к. глубинный прибор без пакера практически не создает перепада давления в скважине и измеряет истинную скорость движения потока. Особенностью беспакерных расходомеров является его конструкция, которая обеспечивает измерение скорости потока флюида, свободно обтекающего прибор. Беспакерные расходомеры применяют для исследований высокодебитных скважин, а также нагнетательных скважин при сравнительно больших расходах воды.
Отличительной особенностью пакерного расходомера является наличие пакерного устройства, предназначенного для направления всего или некоторой части потока через канал, в котором размещен чувствительный элемент (чувствительным элементом прибора является вращающаяся турбинка). Пакерные приборы более сложны, но позволяют измерять расход с большей точностью, чем беспакерные. Преимущество пакерных приборов сказывается также при измерениях многофазных потоков, когда требуется определять физические величины и соотношение воды и нефти в потоке.
1.3. Термокондуктивная расходометрия
Термокондуктивный расходомер представляет собой один из видов термоанемометра (термокондуктивный анемометр), работающего в режиме постоянного тока. Принцип работы таких расходомеров основан на зависимости температуры подогреваемого термодатчика от скорости потока. Термодатчиком в приборе служит резистор, нагреваемый током до температуры, превышающей температуру окружающей среды.
Термокондуктивные расходомеры с термодинамическим датчиком СТД основаны на зависимости степени охлаждения нагреваемого сопротивления, помещенного в поток, от средней линейной скорости потока. Они предназначены для исследования фонтанирующих скважин через насосно-компрессорные трубы и глубинно-насосных скважин через межтрубное пространство.
Измерительная установка термокондуктивного расходомера состоит из помещенной в поток непрерывно подогреваемой электрическим током спирали и скважинного термометра для измерения ее температуры. Место притока флюида в скважину отмечается уменьшением температуры. Термокондуктивные расходомеры (СТД) достаточно чувствительные к притокам с малым дебитом, надежны в эксплуатации и нечувствительны к выносу песка потоком жидкости. Однако, наряду со скоростью потока на показания термокондуктивных расходомеров влияют факторы (теплофизические свойства) среды, режим течения, геометрия обтекания датчика потоком и т. д., которые не могут быть учтены при интерпретации полученных результатов. Это обстоятельство не позволяет использовать данные этих расходомеров для получения количественной информации о дебитах отдельных интервалов, в случае многофазного потока. Профиль притока можно получить только при однокомпонентной жидкости.
Были рассмотрены различные виды измерительных преобразователей расхода жидкости. Определение наиболее перспективного вида расходомера является сложной задачей, так как каждый из них обладает собственными достоинствами и недостатками.
Зная преимущества и недостатки каждого из методов, можно повышать точность исследований, уместно их применяя.
Литература:
- Сковородников И. Г. Геофизические исследования скважин: Курс лекций. — Екатеринбург: УГГГА, 2003. — 294 с.
- Геофизические исследования и работы в скважинах: в 7 т. Т. 3. Исследования действующих скважин / Сост.: Р. А. Валиуллин, Р. К. Яруллин. — Уфа: Информ-реклама, 2010. — 184 с.
- Справочник геофизика. Геофизические методы исследования скважин. Под редакцией В. М. Запорожца. — Недра, Москва. — 1983.
- Скважинный термокондуктивный дебитомер СТД. И. Г. Жувагин, С. Г. Комаров, В. Б. Черный. — Недра, Москва. — 1973.
- Абрукин А. Л. Потокометрия скважин. — Москва. Недра, 1978. — 257 с.
