Способ измерения скорости потока жидкости в скважине и устройство для его осуществления
Владельцы патента RU 2280159:
Открытое акционерное общество Научно-производственное предприятие "Научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт геофизических исследований геологоразведочных скважин (ОАО НПП "ВНИИГИС") (RU)
Закрытое акционерное общество Научно-производственная фирма "ТЗС" (ЗАО НПФ "ТЗС") (RU)
Изобретение относится к области геофизических исследований действующих нефтяных скважин и может быть использовано для определения скорости потока жидкости в скважине. Техническим результатом является повышение точности измерения скорости потока жидкости в скважине за счет исключения тепловой инерционности нагревателя при создании тепловых волн. Для этого способ включает импульсный нагрев потока жидкости, измерение температуры жидкости датчиками температуры и сравнение сигналов двух датчиков температуры, расположенных в одном направлении от нагревателя, а скорость потока жидкости находят путем корреляции сигналов первого и второго датчиков, определения времени запаздывания тепловых волн на расстоянии от ближнего к дальнему датчику и расчета по математической формуле. Причем длину тепловых волн устанавливают и поддерживают примерно вдвое большей, чем расстояние между датчиками, а скважность серии импульсов непрерывно изменяют с периодом, в 3-5 раз превышающим выбранный период тепловых импульсов. Устройство для осуществления способа содержит импульсный нагреватель потока жидкости, генератор токовых импульсов нагревателя, усилители, демультиплексор, аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер, блок приема-передачи, блок автоматической регулировки периода импульсов тока нагревателя в соответствии со скоростью потока, одну или несколько пар датчиков температуры, установленные в одном направлении от нагревателя, а расстояние между датчиками не более, чем в 2 раза отличается от расстояния между нагревателем и ближним к нему датчиком. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к области геофизических исследований действующих нефтяных скважин и может быть использовано для определения скорости потока жидкости в скважине.
Существуют различные способы измерения скорости потока жидкости в скважине, используемые для изучения профиля притока и дебита, например измерение скорости с помощью вращающегося элемента механической турбинки.
Известен скважинный расходомер, реализующий этот метод, в котором используются гидродинамические турбинки и преобразователи числа оборотов турбинки в электрический сигнал (авт. св. СССР № 1270311, М. кл. Е 21 В 47/10, опубл. в БИ № 42, 1986).
Основным недостатком турбинного расходомера являются частые его отказы в нефтяных скважинах с отложением парафина на стенках, который вызывает остановку вращения турбинки.
Механическая вертушка имеет минимальный порог скорости, ниже которого вращение прекращается. Например, расходомер РЭТС-4 имеет нижний порог чувствительности определения дебита 0,4 м3/ч, или 9,6 м3/сутки. Таким образом, для измерения скорости ниже определенного предела необходимо привлекать другие методы. Достоинством механического метода измерения скорости потока является возможность проведения непрерывного каротажа.
Другим способом измерения потока является термокондуктивный метод, в котором измеряется температурное сопротивление подогреваемого датчика температуры.
Здесь предполагается, что температурное сопротивление перехода «датчик-среда» зависит от скорости прохождения жидкости мимо датчика.
Известен комплексный дебитомер ТМД-42, включающий, в частности, термокондуктивный преобразователь притока (Термокондуктивный дебитомер. Каталог ВДНХ СССР, 1978 г.).
Измерение температурного сопротивления датчика также дает возможность проведения непрерывного каротажа. Однако возможность количественного определения притока ограничивается тем, что для сред с разной теплоемкостью, теплопроводностью и плотностью существуют разные коэффициенты для вычисления скорости потока по тепловому сопротивлению. Это приводит к тому, что при изменении состава среды кажущаяся скорость изменяется.
Таким образом, измерение температурного сопротивления датчика обеспечивает только качественную индикацию притока.
Известен другой способ, в котором нет зависимости от свойств среды, - метод кратковременного нагрева проходящей жидкости и считывания тепловой волны датчиками температуры, что позволяет проводить измерение в жидкостях разного состава (Пат. США № 5226333, М. кл. G 01 F 1/704).
Этот способ является наиболее близким к предлагаемому. По способу патента № 5226333 измеряется разность показаний двух термометров, расположенных по разные стороны от нагревателя на равном расстоянии от него. Изменение в дифференциальном сигнале свидетельствует о появлении теплового импульса на одном из термометров, а полярность дифференциального сигнала указывает направление потока.
Недостатком способа является влияние тепловой инерционности нагревателя на измеряемое время прохождения теплового импульса от нагревателя до термометра, что снижает точность измерений и требует корректировки этого времени.
Целью предлагаемого изобретения является повышение точности измерения скорости потока в скважине за счет исключения тепловой инерционности нагревателя при создании тепловых волн.
Предлагается способ измерения скорости потока в скважине, включающий нагрев потока жидкости последовательностью импульсов переменного периода и скважности, измерение температуры двумя датчиками, расположенными вдоль скважины в одну сторону от нагревателя, проведение корреляционного анализа кривых температуры первого и второго датчиков, определение времени запаздывания тепловых волн, зафиксированных удаленным датчиком относительно ближнего датчика и вычисление скорости потока, причем длину тепловой волны устанавливают и поддерживают примерно в 2 раза большей, чем расстояние между датчиками, а период изменения скважности в 3-5 раз превышает выбранный период следования импульсов тока.
Кроме того, корреляцию сигналов первого и второго датчиков производят по величине производной температуры по времени dT1/dt и dT2/dt,
где dT1/dt - производная температуры по времени первого датчика температуры,
dT2/dt - производная температуры по времени второго датчика температуры.
При этом способе, в отличие от прототипа, тепловая инерционность нагревателя и термометров не влияет на точность измерений, так как созданные нагревателем тепловые волны сравниваются с помощью двух датчиков, имеющих одинаковую инерционность и находящихся в одинаковых условиях, поэтому нет необходимости отсчитывать время прохождения импульса от момента создания импульса нагревателем.
На фиг.1 схематично показаны импульсы тока нагревателя J и графики температуры T1 и T2.
На фиг.2 представлено устройство с нагревателем и двумя датчиками температуры.
На фиг.3 показан расходомер с несколькими комплектами нагревателей.
На фиг.4 изображены графики двух датчиков для потока нефти и потока воды.
Суть способа иллюстрирует фиг.1.
На фиг.1 схематично показаны импульсы тока нагревателя J и графики температуры T1 и Т2, измеренной датчиками температуры соответственно при двух различных скоростях потока, причем пунктиром показаны графики при пониженной скорости. Период колебаний тока и соответственно колебаний температуры обозначен t0, расстояние между датчиками l0. Бортовой компьютер проводит корреляцию сигналов датчиков температуры T1 и Т2.
Вначале вычисляются средние значения температуры первого и второго датчиков на заданном в программе интервале времени обработки, включающем n отсчетов температуры:
,
,
где T1mid - средняя температура по первому датчику,
T2mid - средняя температура по второму датчику,
T1(k), T2(k) - значения температуры первого и второго датчиков в k-й точке интервала обработки.
Затем вычисляется корреляционная функция
,
где S(kτ) - значение корреляционной функции при сдвиге графика функции T2(k) на kτ точек.
Вычисление функции корреляции S(kτ) выполняется в интервале от kτ=0 до kτmax, где kτmax=2t0/Δt, Δt - интервал дискретизации отсчетов по времени, с.
Аналогичным образом может быть вычислена функция корреляции S1(kτ) по значению производной температуры по времени dT1/dt и dT2/dt:
.
Абсцисса максимума на графиках функции корреляции S(kτ) и S1(kτ) соответствует времени запаздывания тепловых волн, зафиксированных удаленным датчиком относительно ближнего датчика. Время запаздывания определяется по формуле
τ0=kτmax·Δt,
где τ0 - время запаздывания, с,
kτmax - абсцисса максимума,
Δt - интервал дискретизации отсчетов по времени, с.
Затем вычисляется скорость движения жидкости по формуле:
V=l0/τ0,
где V - скорость движения жидкость, м/с,
l0 - расстояние между датчиками, м,
τ0 - время запаздывания, с.
С целью увеличения точности определения скорости потока период импульсов тока нагревателя регулируется так, чтобы длина тепловой волны ориентировочно соответствовала расстоянию от нагревателя до ближнего датчика и расстоянию между датчиками, превышая их примерно в 2-3 раза. Регулировка осуществляется следующим образом. Производятся измерения температуры при начально установленных периода импульсов тока t0 и длительности токового импульса. Вычисляется длина тепловой волны L по формуле:
L=V·t0,
где L - длина тепловой волны, м,
V - скорость движения жидкости, м/с,
t0 - период колебания температуры, с.
При необходимости выполняется корректировка длительности следующего периода импульсов тока.
Кроме того, в каждый очередной период производится изменение скважности за счет изменения длительности паузы между импульсами, чтобы избежать ошибки на целый период при корреляции сигналов двух термометров.
Ближайшим аналогом (прототипом) предлагаемого устройства является расходомер, использующий тепловые волны по патенту США № 5226333, М. кл. G 01 F 1/704 и содержащий пульсирующий нагреватель в виде плоской сетки, расположенной перпендикулярно потоку жидкости, и два датчика температуры, например термистора, расположенных сверху и снизу от нагревателя. Центраторы удерживают датчики температуры по оси скважины, где скорость потока наиболее близка к средней скорости на данной глубине. Термоимпульс обеспечивается разрядом высоковольтного конденсатора через сетку-нагреватель. Сетка и датчики помещены в трубу, открытую с обеих сторон.
Недостатком устройства является быстрое затухание теплового импульса из-за его малой длительности, затрудняющее точные измерения, а также влияние тепловой инерционности нагревателя на результаты измерений.
Заявляемое устройство эти недостатки исключает.
В устройство для измерения скорости потока жидкости в скважине, содержащем импульсный нагреватель потока жидкости, генератор токовых импульсов нагревателя, одну или несколько пар датчиков температуры, усилители, демультиплексор, аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер, блок приема-передачи, дополнительно введен блок автоматической регулировки периода импульсов тока нагревателя в соответствии со скоростью потока, пара датчиков температуры установлена в одном направлении от нагревателя, а расстояние между датчиками не более, чем в 2 раза отличается от расстояния между нагревателем и ближним к нему датчиком. Кроме того, оно может быть оснащено в n-количестве комплектами из нагревателя и пары температурных датчиков, установленных на n-выносных рычагах. Нагреватель может быть выполнен в виде сетки цилиндрической формы, ось которой параллельна оси скважины.
Устройство может содержать две пары датчиков, одна из которых расположена выше нагревателя и измеряет скорость восходящего потока жидкости, а другая пара расположена ниже нагревателя и измеряет скорость нисходящего потока.
Предлагается устройство (фиг.1), содержащее нагреватель 1 (Наг.), генератор токовых импульсов 2 (Г), регулятор длительности токовых импульсов 3 (Рег.), пару датчиков температуры 4 и 5, размещенных в одной стороне от нагревателя 1, усилители 6 и 7, демультиплексор 8, аналого-цифровой преобразователь 9, микроконтроллер 10 (Pic), блок приема-передачи 11. Пара датчиков температуры может быть расположена выше или ниже нагревателя 1, что позволяет оценивать восходящий или нисходящий потоки жидкости. Расстояние между ближним и дальним датчиками, обозначенное l0, примерно равно расстоянию от нагревателя 1 до ближайшего к нему датчика 4 и в 2-3 раза меньше, чем длина тепловой волны при данной скорости потока и периоде импульсов.
Устройство работает следующим образом.
В импульсном нагревателе 1 периодически включается и выключается ток. Например, в течение 5 с нагреватель включен и 5 с выключен. Если при этом происходит движение жидкости, то после прохождения мимо нагревателя образуются слои нагретой и холодной жидкости.
Изменение температуры в движущейся жидкости фиксируется датчиками 4 и 5.
Сигналы от датчиков температуры поступают на усилители 6 и 7, затем на демультиплексор 8, АЦП 9 и микроконтроллер 10. После предварительной обработки в микроконтроллере 10 через блок приема-передачи 11 данные о температуре передаются по кабелю в компьютеризированную каротажную станцию.
Затем бортовой компьютер каротажной станции посылает команду на включение очередного импульса тока требуемой длительности. Пройдя через блок приема-передачи 11 и микроконтроллер 10, команда реализуется регулятором длительности импульсов 3. Импульсы измененной длительности и периода усиливаются генератором 2 и подаются на нагреватель 1. Процесс повторяется до тех пор, пока длина тепловой волны станет равной 2÷3 расстояниям между датчиками 4 и 5, т.е. L=(2÷3)·l0. Далее в процессе измерений длительность токового импульса корректируется в соответствии с изменением скорости потока. При уменьшении скорости потока до нижнего предела измерений прибора и еще ниже устанавливается заданная программой наибольшая допустимая длительность импульса тока.
Возможно использование предлагаемого расходомера по более сложной схеме, показанной на фиг.3. Расходомер содержит несколько, например четыре, комплекта нагревателей 1 и пар датчиков температуры 4 и 5, каждый из которых размещен на выносном рычаге. Данная модификация расходомера особенно полезна при исследовании горизонтальных скважин, в которых скорость потока весьма неоднородна по поперечному сечению ствола скважины.
Амплитуда тепловых волн зависит от скорости потока и длительности импульсов тока, а также от теплофизических свойств среды: теплоемкости, теплопроводности, плотности. Это может послужить указанием на состав флюида в скважине (нефть или вода).
На фиг.4 схематично показаны графики температуры двух датчиков для случая, когда движется поток нефти (сплошная кривая) и поток воды (пунктир), причем жидкости движутся с одинаковой скоростью.
Предлагаемые способ и устройство могут быть применены как для точечных замеров, так и для непрерывного каротажа, как в обсаженных скважинах, так и в открытом стволе.
Преимущества предлагаемых способа и устройства.
1. По сравнению с турбинным расходомером, снижается порог чувствительности при измерении скорости потока в скважине; не требуется применения непрочной и капризной турбинки, что особенно важно при наличии парафина на стенках скважины, останавливающего вращение турбинки.
2. По сравнению с термокондуктивным индикатором притока, появляется возможность количественного определения скорости потока, поскольку данные определения скорости по запаздыванию тепловой волны не зависят от свойств среды.
3. По сравнению с расходомером по патенту США №5226333, возможно увеличение точности измерения скорости потока, так как, в отличие от прототипа, отсутствует влияние тепловой инерционности нагревателя, поскольку созданные нагревателем тепловые поля сравниваются с помощью двух датчиков, имеющих одинаковую инерционность и находящихся в одинаковых условиях, и поэтому нет необходимости отсчитывать время прохождения импульса от момента создания импульса нагревателем. Кроме того, нагреватель может быть выполнен в виде сетки цилиндрической формы, зона нагреваемой жидкости занимает больший объем, что уменьшает влияние турбулентности на точность измерений.
1. Способ измерения скорости потока жидкости в скважине, заключающийся в импульсном нагреве потока жидкости, измерении температуры жидкости датчиками температуры, разнесенными вдоль оси скважины, и сравнении сигналов двух датчиков температуры, отличающийся тем, что в процессе измерения производят запись температуры во время прохождения тепловой волны жидкости, сформированной после прохождения нагревателя, с помощью двух датчиков температуры, расположенных в одном направлении от нагревателя, а скорость потока жидкости находят путем корреляции сигналов первого и второго датчика, определения времени запаздывания тепловых волн на расстоянии от ближнего к дальнему датчику и расчета по формуле
V=l0/τ0,
где V - скорость потока жидкости;
τ0 - время запаздывания тепловой волны;
l0 - расстояние между датчиками,
причем длину тепловых волн устанавливают и поддерживают примерно вдвое большей, чем расстояние между датчиками, а скважность серии импульсов непрерывно изменяют с периодом, в 3-5 раз превышающим выбранный период тепловых импульсов.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что корреляцию сигналов первого и второго датчика производят по величине производной температуры по времени dT1/dt и dT2/dt,
где dT1/dt - производная температуры по времени первого датчика температуры;
dT2/dt - производная температуры по времени второго датчика температуры.
3. Устройство для измерения скорости потока жидкости в скважине способом по п.1, содержащее импульсный нагреватель потока жидкости, генератор токовых импульсов нагревателя, одну или несколько пар датчиков температуры, усилители, демультиплексор, аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер, блок приема-передачи, отличающееся тем, что в него дополнительно введен блок автоматической регулировки периода импульсов тока нагревателя в соответствии со скоростью потока, пара датчиков температуры установлена в одном направлении от нагревателя, а расстояние между датчиками не более чем в 2 раза отличается от расстояния между нагревателем и ближним к нему датчиком.
4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что оно оснащено в n-количестве комплектами из нагревателя и пары температурных датчиков, установленных на n-выносных рычагах.
5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что нагреватель выполнен в виде сетки цилиндрической формы, ось которой параллельна оси скважины.
6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что оно содержит две пары датчиков, одна из которых расположена выше нагревателя и измеряет скорость восходящего потока жидкости, а другая пара расположена ниже нагревателя и измеряет скорость нисходящего потока.
