Устройство для измерения дебита нефтедобывающих скважин
Предложенное изобретение относится к области разработки и эксплуатации нефтяных месторождений, в частности к устройствам, предназначенным для измерения дебита нефтедобывающих скважин. Источником электромагнитных колебаний служит тахометрический генератор переменного тока, частота которого пропорциональна дебиту скважины. Информационный сигнал от тахометрического генератора, расположенного непосредственно в скважине вблизи добывающего насоса, передается на поверхность к измерительному прибору по цепи, содержащей последовательно соединенные с тахометрическим генератором индуктивность и емкость. Измерительный прибор подключен параллельно к емкости. Техническим результатом является повышение точности измерения дебита нефтедобывающих скважин. 1 ил.
Изобретение относится к области разработки и эксплуатации нефтяных месторождений, в частности к устройствам, предназначенным для измерения дебита нефтедобывающих скважин.
Дебит жидкости является одним из основных параметров, характеризующих продукцию нефтедобывающих скважин. Для измерения дебита скважин используются автоматизированные групповые замерные установки (АГЗУ) типа «Спутник А» и «Спутник Б» [1, с.314-323]. Принцип действия АГЗУ заключается в следующем: с помощью многоходового переключателя скважин каждая из скважин, подключенная к АГЗУ, поочередно по заданной программе подключается к измерительному блоку, в котором происходит отделение газа от жидкости и накопление жидкости до определенного объема, которая затем с постоянной скоростью пропускается через турбинный счетчик объемного расхода.
К недостаткам устройства для измерения дебита с помощью АГЗУ следует отнести:
- измерение дебита скважин производится периодически не чаще одного раза в сутки, что не позволяет обеспечить оперативный контроль и регулирование процессом разработки месторождения;
- измерение дебита добываемой продукции на начальном этапе разработки месторождения не производится, т.к. АГЗУ устанавливают в процессе обустройства месторождения.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству, одновременно являющимся базовым является глубинная станция для измерения параметров добывающих нефтяных и газовых скважин [2]. В [2] предлагается производить измерение дебита непосредственно в скважине вблизи расположения добывающего насоса. Предполагается, что в этой области потока давление превышает давление насыщения, и среда представляет собой поток водонефтяной смеси с растворенным в нефти газом. Измерение дебита осуществляют с помощью тахометрического генератора переменного тока.
Основным недостатком известного устройства [2] является малая мощность тахометрического генератора переменного тока, т.к. постоянные магниты возбуждают слабое магнитное поле. Большое сопротивление соединительных проводов приводит к ослаблению информационного электрического сигнала, вырабатываемого тахометрическим генератором переменного тока. Это приводит к сложности выделения информационного сигнала, поступающего от тахометрического генератора.
Целью изобретения является повышение точности измерения дебита нефтедобывающих скважин.
Указанная цель достигается тем, что информационный сигнал, вырабатываемый тахометрическим генератором, передается измерительному прибору по цепи, содержащей последовательно соединенные с ним индуктивность и емкость. Электромагнитные колебания в этой цепи создает тахометрический генератор переменного тока, включенный последовательно с индуктивностью и емкостью. Использование явления резонанса в этой цепи позволяет усилить электромагнитные колебания частоты, генерируемой тахометрическим генератором.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что измерение дебита нефтедобывающих скважин осуществляется с помощью тахометрического генератора, система передачи сигнала которого содержит последовательно соединенные с ним индуктивность и емкость. Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию «новизна». Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями в данной области техники не позволило выявить в них признаки, отличающие заявляемое решение. Это позволило сделать вывод о соответствии технического решения критерию «существенные отличия».
Техническая сущность изобретения поясняется принципиальной схемой устройства, приведенной на чертеже.
Устройство для измерения дебита нефтедобывающих скважин содержит тахометрический генератор переменного тока ТГ, соединенный проводами, имеющими активное сопротивление R, с катушкой индуктивности L и переменной емкостью С.
Измерение дебита скважины с помощью описанного устройства осуществляется следующим образом. Тахометрический генератор ТГ, расположенный в скважине вблизи добывающего насоса, генерирует информационный сигнал переменного тока, частота которого пропорциональна дебиту скважины. По соединительным проводам, имеющим активное сопротивление R, информационный сигнал передается на поверхность. Кабель с соединительными проводами может размещаться внутри колонны НКТ, как это реализуют при бурении скважин с помощью электробуров [3, с.78]. Кабель внутри колонны НКТ состоит из секций, длина которых равна длине НКТ, что позволяет без проблем осуществлять спуско-подъемные операции. В качестве соединительных проводов можно также использовать, например, колонну НКТ и один из проводов, питающих центробежный насос. На поверхности в цепь тахометрического генератора включены катушка индуктивности L и переменная емкость С. Тахометрический генератор ТГ, активное сопротивление подводящих проводов R, индуктивность L и емкость С образуют последовательно соединенную цепь. Информационный сигнал от емкости С передается к измерительному прибору ИП.
Электрическая цепь, состоящая из последовательно соединенных конденсатора емкостью С, катушки с индуктивностью L и электрического сопротивления R, называется колебательным контуром [4, с.483]. Вынужденные электромагнитные колебания в этой цепи можно осуществить, если включить последовательно с элементами цепи источник переменного напряжения, изменяющегося по закону гармонических колебаний [4, с.485-490]:
,
где Ua - амплитудное значение напряжения, ω - частота вынуждающих колебаний, t - время. Дифференциальное уравнение вынужденных электромагнитных колебаний в такой цепи имеет вид:
,
где q - заряд, протекающий по цепи, β=R/(2L) - коэффициент затухания.
Частное решение этого дифференциального уравнения для заряда q имеет вид:
.
Продифференцировав последнее уравнение по времени, найдем силу тока в контуре:
,
где qa - амплитудное значение заряда, α - сдвиг фаз между силой тока и приложенным напряжением,
-
амплитудное значение силы тока в контуре. Следовательно, величина силы тока в колебательном контуре зависит от амплитуды вынуждающего напряжения Ua, параметров контура R, С, L и частоты ω. Амплитуда силы тока достигает максимального значения
при 
, т.е. при частоте 
.
Явление резонанса наблюдается в том случае, когда собственная частота колебательного контура ω0 совпадает с частотой вынуждающих колебаний ω.
Точность выделения вынуждающей частоты (определяется добротностью колебательного контура [4, с.490]:
,
где 
- волновое сопротивление колебательного контура. Возможность изменения волнового сопротивления Rв, а следовательно, добротности колебательного контура, позволяет с большой точностью определять частоту вынуждающих колебаний. При резонансе амплитудное значение напряжения на конденсаторе Uac больше амплитуды входного вынуждающего напряжения Ua:
,
т.е. Uac=Ua·D.
Добротность колебательных контуров достигает значений, равных нескольким десяткам и даже сотням.
Устройство, включающее последовательно соединенные тахометрический генератор переменного тока, индуктивность и емкость, представляет собой колебательный контур. Источником вынуждающих электромагнитных колебаний служит тахометрический генератор, который генерирует информационный сигнал, частота которого пропорциональна дебиту скважины. Для определения частоты, генерируемой тахометрическим генератором, используется явление резонанса, которое достигается изменением емкости или индуктивности колебательного контура. При резонансе амплитуда напряжения на конденсаторе превышает амплитуду напряжения информационного сигнала, генерируемого тахометрическим генератором. Точность определения частоты информационного сигнала зависит от величины усиления сигнала и от остроты резонансной кривой, т.е. от добротности колебательного контура.
Источники информации, принятые во внимание
1. Исакович Р.Я., Логинов В.И., Попадько В.Е. Автоматизация производственных процессов нефтяной и газовой промышленности. Учебник для вузов. - М.: Недра, 1983. - 424 с.
2. Патент RU №2246003. 10.02.05. Бюл. №4. Белов В.Г., Иванов В.А., Соловьев В.Я. Глубинная станция для измерения параметров добывающих нефтяных и газовых скважин.
3. Середа Н.Г., Муравьев В.М. Основы нефтяного и газового дела. Учебник для вузов. - М.: Недра, 1980. - 287 с.
4. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. - М.: Наука, 1977. - 942 с.
Устройство для измерения дебита нефтедобывающих скважин, содержащее тахометрический генератор переменного тока, установленный в скважине на расстоянии одной насосно-компрессорной трубы от добывающего насоса, отличающееся тем, что информационный сигнал от тахометрического генератора переменного тока передается на поверхность, где в цепь тахометрического генератора последовательно включены катушка индуктивности L и переменная емкость С, а измерительный прибор подключается параллельно к емкости С.
