Способ определения удельного веса компонентов жидкости в скважине

 

Использование: для исследования скважин в нефтяной промышленности. Сущность изобретения: способ определения удельного веса компонентов жидкости в скважине включает измерение контролируемого параметра в процессе эксплуатации скважины, в качестве которого используют вес колонны насосных труб в точке их подвеса, периодическую остановку добычи жидкости из скважины, измерение через заданный промежуток времени веса колонны насосных труб и раздельное определение удельного веса флюида и воды в скважине расчетом по формулам, приведенным в описании изобретения. 2 ил.

Изобретение относится к нефтяной промышленности, а именно к способам исследования скважин, и позволяет определять раздельно удельный вес флюида и воды в затрубном пространстве скважины.

Известен способ определения удельного веса жидкости в насосных трубах по данным нагрузок в точке подвеса колонны штанг, заключающийся в вычислении отношения расстояния между линиями статических нагрузок, умноженного на масштаб усилий записи динамограммы к площади плунжера, умноженного на глубину подвески насоса (Шарипов А.Х. Энергетический анализ глубиннонасосной добычи. Уфа, 1969, с. 13).

Недостатком указанного способа является невозможность определения удельного веса нескольких компонентов добываемой жидкости.

Известен способ определения плотности жидкости, основанный на определении выталкивающей силы, действующей на поплавок, погруженный в жидкость (а.с. N 500493, кл. G 01 N 9/00, 1978).

Недостатком указанного способа является невозможность его применения в скважине.

Цель изобретения расширение функциональных возможностей путем раздельного определения удельного веса флюида и воды в скважине.

Поставленная цель достигается тем, что в качестве контролируемого параметра используется значение нагрузки в точке подвеса колонны насосных труб.

Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается от известного тем, что измеряют нагрузку в точке подвеса колонны насосных труб и по ее значению определяют удельный вес компонентов жидкости в скважине. Таким образом, заявляемый способ соответствует критерию "новизна".

Сравнение заявляемого решения не только с прототипом, но и с другими решениями в данной области техники показало, что они не основаны на измерении нагрузки в точке подвеса колонны насосных труб, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию "существенные отличия".

На фиг. 1 показаны: а, б, в, г схемы скважин с разными значениями уровня жидкости; д график зависимости уровня жидкости в скважине L(t), выталкивающей силы F(t) и нагрузки P(t) в точке подвеса колонны насосных труб. Схема содержит устьевую арматуру А, датчик Б измерения нагрузки в точке подвеса колонны насосных труб, колонну В насосных труб, поплавок Г, участок колонны насосных труб Д с насосом, поплавок Е. На фиг. 1 приняты следующие обозначения: P вес колонны насосных труб; F выталкивающая сила; L_г длина поплавка Г; L_д длина участка Д; L_Е длина поплавка Е; L глубина погружения колонны насосных труб в жидкость, м.

На фиг. 2 показана блок-схема устройства, реализующего предлагаемый способ.

Рассмотрим случай, когда продукция нефтяных скважин содержит воду. В процессе продолжительной непрерывной откачки уровень жидкости в скважине достигает определенного значения, называемого динамическим уровнем. Этот уровень длительное время не изменяется. В скважине при длительной эксплуатации происходит разделение жидкости на нефть (флюид) и воду. Граница раздела флюида и воды в скважине всегда находится на приеме насоса. Если насосную установку остановить, то уровень жидкости начнет повышаться и достигнет максимально возможного значения, называемого статическим уровнем. После включения насосной установки уровень жидкости достигнет динамического, и опять настанет равновесие, то есть объем притока жидкости из пласта в скважину будет равен отбору.

Из физики известно, что на тело, погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила, равная весу жидкости, вытесненной телом, и направленная вертикально вверх. Таким образом, на колонну насосных труб с насосом и поплавками, помещенную в откачиваемую жидкость, действует выталкивающая сила F, величина которой зависит от объема и удельного веса вытесненной жидкости. Выталкивающая сила облегчает колонну насосных труб, и чем глубже погружена колонна в жидкость, и чем выше удельный вес этой жидкости, тем она легче. Зависимость веса колонны насосных труб (нагрузка в точке подвеса) от глубины L погружения ее в жидкость и от удельного веса этой жидкости можно выразить формулой: P = P_м-LSγ (1), где P вес колонны насосных труб, погруженной в жидкость, Н; P_м вес колонны насосных труб, не погруженной в жидкость, Н; L глубина погружения колонны насосных труб в жидкость, м; S площадь сечения колонны насосных труб, м²; γ удельный вес жидкости в скважине, Н/м³.

Способ осуществляется следующим образом.

На колонну насосных труб выше динамического уровня, но ниже статического устанавливается поплавок Г объемом V_г, и ниже приема насоса устанавливается поплавок Е объемом V_Е. В установившемся режиме динамический уровень находится между двумя поплавками, а граница флюида и воды на приеме насоса, то есть поплавок Е полностью погружен в воду. При этом значения глубины L погружения колонны насосных труб, выталкивающая сила F и вес колонны Р будут равны соответственно: L_o, F_o, P_o. Отключаем насосную установку, уровень жидкости в скважине повышается. Возрастает и выталкивающая сила, действующая на колонну насосных труб (см. участок I фиг. 1, д). Графики выталкивающей силы F(t) и нагрузки P(t) на участке I соответственно имеют вид: F k₁t (2), P P_м k₁t (2"), где k₁ коэффициент пропорциональности, k₁= S_дγ_фL(t);
S_д площадь сечения участка Д, м²;
γ_ф удельный вес флюида, Н/м³.

С момента, когда уровень жидкости (флюида) достигнет поплавка Г (точка 1), значения L, F, P будут равны L₁, F₁, P₁, удельное значение выталкивающей силы изменится и графики выталкивающей силы F(t) и нагрузки P(t) соответственно будут иметь вид (см. участок II фиг. 1, д):
F k₂t (3);
P P_м k₂t (3"),
где k₂ коэффициент пропорциональности, k₂= S_гγ_фL(t);
S_г площадь сечения поплавка Г, ².

Так как S_г > S_д, то и k₂ > k₁, и график выталкивающей силы будет иметь более крутой подъем. С момента, когда уровень жидкости достигнет верхней границы поплавка Г (точка 2), значения L, F, P будут равны L₂, F₂, P₂ и графики выталкивающей силы F(t) и нагрузки P(t) соответственно будут иметь вид согласно формулам 2 и 2", так как площади сечения на этих участках равны (см. участок III фиг. 1, д). Таким образом, зафиксировав моменты излома графика нагрузки P(t) на концах поплавка Г (точки 1 и 2 графика) и принимая во внимание формулу (1), удельный вес флюида можно вычислить по формуле:
(4),
где P₁ значение нагрузки в точке подвеса колонны насосных труб в точке 1, Н;
P₂ значение нагрузки в точке подвеса колонны насосных труб в точке 2, Н.

Включаем насосную установку. В процессе откачки уровень жидкости в скважине будет снижаться и достигнет нижней части поплавка Г (точка 3) (см. участок IV фиг. 1, д). В этот момент значения L, F, P будут равны L₄, F₄, P₄. При этом, предполагая, что участок Д колонны насосных труб объемом V_д полностью погружен во флюид, а граница флюида и воды находится у приема насоса, и принимая во внимание формулу (1), можно вычислить удельный вес воды по формуле:
(5)
Далее уровень снижается до динамического, значения L, F, P равны соответственно L₅, F₅, P₅ (участок V, фиг. 1, д).

Определение моментов прохождения уровнем жидкости начала и конца поплавка Г на дневной поверхности осуществляется следующим образом. С шагом Δt вычисляются значения по формуле:
(6),
где P_i(t) значение нагрузки в точке подвеса колонны насосных труб в момент времени t, H;
Δt интервал времени, мин;
P_i+1(t+Δt) значение нагрузки в точке подвеса колонны насосных труб в момент времени t+Δt, H.

Проверяется равенство k_i+1 k_i. В случаях, когда k_i ≠ k_i+1, мы имеем точку излома графика нагрузки P(t). Запоминаем значения P_j и P_η, соответствующие точкам излома графика P(t). Затем, подставляя значения P_j и P_η в формулу (4), вычисляем значение удельного веса флюида в скважине. Затем в процессе снижения уровня жидкости в скважине аналогичным путем находится точка излома графика P(t), соответствующая моменту прохождения уровнем жидкости нижней точки поплавка Г. Значение нагрузки в точке подвеса колонны, полученное в этот момент, подставляется в формулу (5) и позволяет вычислить значение удельного веса воды в скважине.

Значение максимальной нагрузки P_м можно получить расчетным или экспериментальным путем. Соотношение длин L_г и L_д зависит от степени обводненности продукции.

Устройство, реализующее данный способ, включает в себя датчик 1 нагрузки, блоки 2, 8 логический элемент "И", таймер 3, блоки 4, 6, 9, 11 памяти, арифметические блоки 5, 10, блок 7 сравнения, блок 12 индикации, блок 13 ввода данных, блок 14 пуска и сброса.

Способ определения удельного веса флюида и воды в скважине заключается в выполнении следующих операций: ввода значений Dt, P_м, V_г, V_д, V_Е через блок 13 и остановки насосного оборудования. Через время, равное Δt, в блок памяти 4 и арифметический блок 5 через блок 2 поступает значение нагрузки P с датчика 1. В арифметическом блоке 5 реализуется функция . Вычисленное значение k_i поступает в блок памяти 6 и в блок сравнения 7, туда же одновременно поступает ранее вычисленное значение k_i-1. В случаях, когда k_i ≠ k_i-1, в блок памяти 9 через блок 8 поступает значение P_i(t). В арифметическом блоке 10 вычисляется значение удельного веса флюида по формуле:

Вычисленное значение хранится в блоке памяти 11 и поступает в блок индикации 12. При пуске насосного оборудования в схеме устройства происходит сброс, и процесс определения удельного веса воды происходит в аналогичной последовательности, только ранее полученное значение γ_ф сохраняется в блоке памяти 11.

Пусть оператор ввел для данной скважины следующие данные: Δt = 7,5 мин,, P_м 150000 H, V_д 0,183 ³, V_г 2,43 м³, V_Е 2,43 м³ и остановил насосное оборудование. В процессе накопления были получены следующие значения: P₁ 120000 Н, P₂ 98400 H. Тогда по формуле (4) удельный вес флюида будет равен:

После пуска насосного оборудования уровень жидкости упал, и в точке излома графика P(t) получили значение P₄ 12000 H. Тогда по формуле (5) удельный вес воды будет равен:

Предлагаемый способ позволяет определить удельный вес флюида и воды в скважине, не прибегая к отбору проб для проведения лабораторного анализа.

Экономический эффект предложенного способа заключается в оперативности определения параметров жидкости, в снижении трудоемкости и затрат на проведение исследования скважин и возможности автоматизации этого процесса.

Формула изобретения

Способ определения удельного веса компонентов жидкости в скважине, включающий измерение контролируемого параметра в процессе эксплуатации скважины и расчет удельного веса компонентов, отличающийся тем, что для раздельного определения удельного веса флюида и воды в скважине в качестве контролируемого параметра используют вес колонны насосных труб в точке их подвеса, при этом периодически осуществляют остановку добычи жидкости из скважины, измерение через заданный промежуток времени веса колонны насосных труб и определяют удельный вес флюида по формуле

где V_г объем верхнего поплавка, установленного выше динамического уровня жидкости в скважине, но ниже статического, м³;
P^u_н- вес колонны насосных труб при достижении уровня жидкости нижней границы верхнего поплавка, Н;
P^u_в- вес колонны насосных труб при достижении уровня жидкости верхней границы верхнего поплавка, Н,
при этом удельный вес воды определяют по формуле

где Р_м максимальный вес колонны насосных труб не погруженной в жидкость, Н;
V_e объем нижнего поплавка, установленного ниже приема насоса, м³;
V_д объем участка колонны насосных труб между поплавками, м³.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2