Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Экспериментальное исследование многофазных потоков на модели горизонтальной скважины

ВАК РФ 25.00.10, Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Экспериментальное исследование многофазных потоков на модели горизонтальной скважины"

На правах рукописи

ЯРУЛЛИН АЙРАТ РАШИДОВИЧ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МНОГОФАЗНЫХ ПОТОКОВ НА МОДЕЛИ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ СКВАЖИНЫ.

25.00.10 - Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

12 ДЕК 2(113

005543475

Уфа-2013

005543475

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Башкирский государственный университет» (ФГБОУ ВПО БашГУ).

Научный руководитель: Валиуллин Рим Абдуллович - доктор

технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Коровин Валерий Михайлович - доктор

технических наук, старший научный сотрудник, ОАО НПФ «Геофизика», главный геофизик

Баженов Владимир Валентинович -

кандидат технических наук, ООО «ТНГ-Групп», опытно-методическая партия научно-технического управления, начальник

Ведущая организация: Общество с ограниченной ответственностью

научно-производственная фирма «АМК ГОРИЗОНТ» (г. Октябрьский, Республика Башкортостан)

Защита состоится «20» декабря 2013 года в 14 часов в конференц-зале на заседании диссертационного совета Д 520.020.01 при Открытом акционерном обществе «Научно-производственная фирма «Геофизика» (ОАО НПФ «Геофизика») по адресу: 450005, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. 8-ое Марта, 12.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО НПФ «Геофизика».

Автореферат разослан «19» ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Хисаева Дилара Ахатовна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Актуальность темы.

Бурение горизонтальных скважин признано в нефтяной отрасли как один из эффективных методов повышения нефтеотдачи пластов. При этом горизонтальные скважины применяются не только на новых, но и на старых месторождениях с высокой степенью обводнения продукции и низкими пластовыми давлениями. Практика нефтедобычи показала, что эффективность выработки месторождений определятся информативностью и достоверностью методов контроля за работой пластов и скважины, где ведущая роль геофизических исследований неоспорима. Однако опыт первых исследований горизонтальных скважин свидетельствует о том, что переносить технологии геофизических исследований и алгоритмы интерпретации, хорошо отработанные в вертикальных скважинах, на горизонтальные нельзя. Важнейшие элементы технологии, определяющие эффективность промыслово-геофизических исследований (ПГИ) действующих горизонтальных скважин, -способы доставки скважинной аппаратуры в горизонтальный ствол; аппаратный комплекс, включающий набор регистрирующих модулей и конструкцию скважинного прибора; интерпретационные критерии и правила, используемые при анализе результатов ПГИ.

В настоящее время на практике отработаны и успешно применяются различные технологические комплексы по доставке скважинной аппаратуры в горизонтальный ствол для проведения ПГИ при контроле работы пласта и скважин. Однако результаты исследований с применением существующих приборов с традиционным набором датчиков и правил интерпретации данных не обеспечивают полноты решения поставленных задач, в особенности в условиях низких дебитов горизонтальных скважин (до 200 м3/сут) и высокой обводненности продукции (более 75%), что характерно для большинства месторождений РФ. Кроме того, физические процессы, происходящие в высокодебитных действующих горизонтальных скважинах с турбулентными потоками, что описано зарубежными исследователями, существенно отличаются от процессов, происходящих в низкодебитных скважинах с многофазными ламинарными потоками с немонотонной траекторией ствола.

Исходя из этого, очень важным является экспериментальное изучение особенностей многофазных неизотермических потоков на физической модели горизонтальной скважины и оптимизация набора регистрируемых параметров и конструктивных элементов скважинной аппаратуры, обеспечивающих существенное повышение результативности ПГИ действующих горизонтальных скважин в условиях низких дебитов и высокой обводненности продукции.

Цель работы

Создание научно-методических основ геофизических исследований действующих низкодебитных горизонтальных скважин на основе изучения

особенностей многофазных потоков и потокометрических датчиков на термогидродинамическом стенде.

Объект исследования

Многофазные потоки и их влияние на показания многодатчиковой аппаратуры.

Предмет исследования

Интерпретация и методическое обеспечение технологии исследования действующих горизонтальных скважин с многофазными потоками.

Основные задачи исследования

1. На основе обзора существующих экспериментальных установок выбор специализированного термогидродинамического стенда, позволяющего исследовать физические поля в условиях многофазного неизотермического потока, характерного для малодебитных горизонтальных скважин.

2. Разработка и тестирование датчиков и конструктивных элементов специальной скважинной аппаратуры, обеспечивающей повышение информативности геофизических исследований действующих горизонтальных скважин.

3.Экспериментальное изучение особенностей формирования многофазного неизотермического потока на термогидродинамическом стенде с учетом переменной траектории горизонтального ствола.

4. Экспериментальное изучение взаимодействия элементов скважинного прибора с многофазными неизотермическими потоками.

5. Разработка методики тестирования на стенде специальной скважинной аппаратуры, предназначенной для исследования горизонтальных скважин.

Методы решения поставленных задач

Анализ и обобщение существующих экспериментальных установок для изучения многофазных потоков. Физическое моделирование многофазных потоков на модернизированном термогидродинамическом стенде. Экспериментальные исследования эффективности потокометрических датчиков. Обработка и анализ результатов экспериментальных исследований на базе современных технических средств. Лабораторные и стендовые испытания существующей аппаратуры для исследования горизонтальных скважин.

Научная новизна

1. На основе физического эксперимента впервые установлены следующие особенности формирования многофазных неизотермических потоков, характерных для действующих горизонтальных скважин:

- возникновение застойных зон в экстремальных областях траектории ствола;

- наличие вертикального градиента температуры в потоке, приводящего к возникновению асимметрии профиля скоростей;

- эффект обратного внедрения потока при поступлении через интервал перфорации в горизонтальных стволах с переменной траекторией;

- избирательный теплообмен при смешении двухфазного потока в интервале перфорации.

2. Установлены возникновение обратных потоков на восходящих участках горизонтального ствола скважины и их влияние на показания механических расходомеров.

3. Разработан термоанемометр с оптимизированной конструкцией, в котором для увеличения диапазона скоростей потока и стабилизации выходных параметров нагрев й измерение температуры чувствительного элемента осуществляется в импульсном режиме.

4.Разработана методика комплексного тестирования специальной скважинной аппаратуры для горизонтальных скважин, обеспечивающая его эффективность в условиях многофазного неизотермического потока.

Основные защищаемые научные положения

1. Совместный учет эффектов термогравитационного расслоения потока с образованием вертикальных градиентов скорости, возникновения обратных потоков и избирательного теплообмена многофазных потоков в зоне смешения позволяют повысить достоверность выделения работающих интервалов в низкодебитных горизонтальных скважинах с многофазной продукцией.

2. Совместное использование датчиков температуры, термоанемометра и состава позволяет определять направление и скорость многофазных неизотермических потоков и выделять зоны их смешения.

Теоретическая значимость работы

На основе физического эксперимента на термогидродинамическом стенде с использованием визуального наблюдения и приборных измерений определены особенности формирования многофазных потоков в малодебитных горизонтальных скважинах с переменной траекторией.

Практическая значимость и реализация результатов работы

1. Использование многофункционального термогидродинамического стенда позволило изучить особенности многофазного неизотермического потока в условиях переменной траектории ствола, что повысило достоверность интерпретации данных геофизических исследований действующих горизонтальных скважин нефтяных компаний Башнефть, Роснефть, Татнефть и Др.

2. Разработанные специальные датчики состава и локальной скорости потока (термоанемометр), в условиях многофазного неизотермического потока в горизонтальных скважинах, позволяют получать информацию о фазовых расходах с более высокой точностью и в большем диапазоне скоростей потока. Достоверность результатов измерения скорости потока обеспечивается применением разработанного ротационного калибратора при градуировке датчиков термоанемометров.

3. Комплексное применение в скважинной аппаратуре датчиков температуры, термоанемометра и состава обеспечивает возможность достоверного определения интервалов притока в условиях многофазного потока в горизонтальных скважинах.

4. Разработанная методика комплексного тестирования специальной скважинной аппаратуры на термогидродинамическом стенде обеспечивает

оценку информативности и достоверности получаемых данных, что позволяет оценить возможность её промышленного использования в действующих горизонтальных скважинах с многофазной продукцией. Методика применялась для тестирования аппаратуры предприятий Уфы, Тюмени, Твери, Саратова и Бугульмы.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечена обобщением и анализом результатов отечественных и зарубежных разработок и исследований, использованием сертифицированного термогидродинамического стенда (№2661-10/13), эталонированных средств измерения, достаточным объемом экспериментальных исследований, сопоставлением их с теоретическими данными, объёмом накопленных сведений и повторяемостью результатов.

Личный вклад автора состоит в: постановке задач, их решении; проведении экспериментальных работ; анализе полученных результатов; разработке и внедрении методики комплексного тестирования специальной скважинной аппаратуры.

Апробация работы

Результаты и основные положения работы докладывались на:

Международной школе конференции для студентов, аспирантов и молодых ученых «Фундаментальная математика и её приложения в естествознании» (Уфа, 2009 г., 2010 г., 2011 г., 2013 г.);

Российской технической нефтегазовой конференции и выставка SPE по разведке и добыче (Москва, 2010);

Российской конференции, посвященной 70-летию академика Р.И.Нигматуллина «Многофазные системы: природа, человек, общество, технологии» (Уфа, 2010 г.);

Международной научно-практической конференции «Аппаратно-методические комплексы и технологии ГИС и ядерно-геофизические методы для исследования нефтегазовых и рудных скважин» (Октябрьский 2012 г);

Публикации

Основные результаты диссертации опубликованы в 16 научных трудах, в том числе 3 - в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ, получены 3 патента РФ на изобретения.

Структура и объем диссертационной работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка использованных источников, включающего 112 наименований. Работа изложена на 141 страницах машинописного текста, содержит 103 рисунка и 5 таблиц.

Автор глубоко благодарен своему научному руководителю, доктору технических наук, профессору Валиуллину P.A. за неоценимую помощь в организации, выполнении и оформлении результатов работы.

Автор выражает благодарность всем сотрудникам кафедры за

консультации и критические замечания при обсуждении результатов, а также сотрудникам Московского научно-исследовательского центра компании «Шлюмберже» Шако В.В, Паршину A.B. и руководителю центра Писаренко Д.В. за поддержку и координацию исследований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследований, приведены защищаемые положения, показаны научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе проведен анализ конструктивных особенностей действующих установок, предназначенных для работы с многофазными потоками и используемыми в нефтедобывающей отрасли для разработки технологии исследования действующих горизонтальных скважин.

Сделан обзор публикаций и сайтов существующих в мире аналогов. Установлен факт широкого применения физического моделирования на таких установках в Англии, Франции, Норвегии, США и Китае для изучения физических основ и развития техники измерения многофазного потока.

Обзор стендов показал, что большинство из них ориентировано на воспроизведение высоких расходов, не характерных для большинства старых месторождений РФ. Для большинства стендов характерна неизменяемая геометрия наклона ствола скважины или возможность наклона только всей конструкции целиком. Не предусмотрена возможность добавления макета интервала перфорации или реализация дополнительного радиального притока при моделировании работы фильтра.

По результатам анализа и с учетом задач, стоящих перед исследователями при разработке технологии промыслово-геофизических исследований действующих горизонтальных скважин, показана необходимость использования многофункционального термогидродинамического стенда, обеспечивающего возможность моделирования многофазных неизотермических потоков в области расходов от 0,05 до 16 м3/ч, с системой контроля и учета входных и выходных параметров рабочих флюидов и обеспечивающего возможность тестирования скважинной аппаратуры в условиях гидродинамического подобия потоков.

Исходя из выше изложенного, были сформулированы основные требования к термогидродинамическому стенду, в соответствии с которыми был сделан вывод, что наиболее подходящим для исследования особенностей неизотермических многофазных потоков, при соответствующей модернизации, является стенд, разработанный в Башкирском государственном университете.

Схема модернизированной установки приведена на рис.1. Стенд предназначен для изучения физических полей в многофазном неизотермическом потоке, характерном для действующих горизонтальных скважин со знакопеременной траекторией горизонтального ствола и

тестирования специальной скважинной аппаратуры в условиях

Угол наклона отдельных секций

Формирователь тактов глубины

Лебедочный I 151 механизм протяжки

[СПЕВ___®

лот

Рис.1. Внешний вид и схема термогидродинамического стенда

Наличие на стенде системы домкратов и гибких муфтовых соединений допускает произвольное изменение наклона отдельных секций стенда для моделирования вертикального отклонения ствола скважины от горизонта.

Специальная конструкция макета интервала перфорации с системой распределения и подогрева рабочих флюидов обеспечивает возможность моделирования локальных неоднородностей потока по скорости и температуре, характерных для действующих скважин в зоне притока.

Применение оптически прозрачного куба с системой штуцеров и герметичным люком обеспечивает тестирование исследуемых датчиков в многофазном потоке и визуальное наблюдение процесса смешения неоднородных потоков в зоне перфорационных отверстий с возможностью фото и видео фиксации без оптических искажений.

Для решения поставленных в данной работе задач, реализована система измерения термогидродинамических параметров потока на входе и в рабочей зоне стенда, обеспечивающая изучение поля температуры и поля скоростей по всей его длине с применением автоматизированных термосканеров, что позволяет с заданным шагом сканировать по температуре и составу всё внутреннее сечение стенда в вертикальном и горизонтальном положениях, одновременно на четырех разных участках стенда.

Для выполнения программы комплексного тестирования скважинной аппаратуры использована система протяжки и позиционирования скважинной аппаратуры и специальных датчиков по всей длине горизонтального стенда, обеспечивающая возможность их тестирования в неизотермическом

многофазном потоке, характерном для действующих горизонтальных скважин с регистрацией данных на каротажный регистратор в режиме реального времени.

Дополнительно к горизонтальному модулю термогидродинамического стенда разработан и создан наклонно-вертикальный модуль в единой системе подачи и контроля рабочих флюидов, предназначенный для тестирования скважинной аппаратуры в наклонных скважинах и позволяющий моделировать одно- , двух- и трехфазные потоки.

Стенд сертифицирован как средство измерения ГУП ЦМИ «Урал-Гео» по стандартам Российской системы калибровки.

Во второй главе приведены результаты исследований, направленных на разработку и исследование датчиков состава и локальной скорости потока, обеспечивающих получение достоверной картины о структуре многофазного потока и его параметрах. Исследования выполнялись на термогидродинамическом стенде в условиях горизонтального расслоенного течения, в наклонных и вертикальных потоках и на специальном устройстве, разработанном для сравнения метрологических параметров термоанемометров в жидкостном потоке (патент РФ на изобретение №2444739).

Практика геофизических исследований, выполняемых в добывающих скважинах с применением дистанционной скважинной аппаратуры и устьевых установок, показала, что количественные параметры по расходу фаз могут существенно различаться.

Одна из причин такого несоответствия - применение в скважинной аппаратуре датчиков, не рассчитанных на работу в условиях многофазного (нефть, вода, газ) течения. Кроме того, в действующих горизонтальных скважинах возможны различные режимы расслоенного течения, не учитываемые в алгоритмах обработки исходного сигнала, получаемого с датчика.

В настоящей работе экспериментально было установлено, что внедрение датчиков (или приборного комплекса) в поток существенно искажает режим расслоенного течения и не обеспечивает требуемой точности при измерении процентного содержания фаз в смешанном потоке. В связи с этим, для проведения исследовательских работ на стенде с многофазным потоком и с возможностью использования в скважинной аппаратуре, был разработан и изготовлен датчик состава с линейным чувствительным элементом, схематический и внешний вид которого изображены на рис. 2.

Рис.2. Схема и внешний вид чувствительного элемента устройства.

Конструкция и принцип работы чувствительного элемента следующий. Диэлектрическая пластина 1 с плоскими электродами 2 и 3 образуют открытый конденсатор, ёмкость которого определятся как сумма ёмкостей двух идентичных конденсаторов, образованных на противоположных сторонах диэлектрической пластины. Такое параллельное соединение конденсаторов при прочих равных условиях позволяет вдвое увеличить емкость измерительного конденсатора Сх и довести ее до нескольких сотен и даже тысяч пикофарад на воздухе, что более чем на порядок больше емкости внешних соединительных проводов.

Конструкция и принцип работы датчика обеспечивают измерение объемного фазосодержания в расслоенном потоке с погрешностью не более 5% и могут быть использованы в промысловой геофизике, в системах сбора и обработки информации при эксплуатации горизонтальных скважин (патент РФ №2439504).

Для определения расходных параметров потока в скважинной геофизике обычно используются механические турбинные расходомеры (РГД) и термоанемометрические индикаторы скорости потока (СТИ). Однако они не рассчитаны на работу в расслоенном потоке и не обеспечивают возможности расчета фазовых расходов в низкодебитных горизонтальных скважинах. Кроме того, из предыдущего опыта и экспериментальных работ известно, что помимо подверженности физическому загрязнению, работа механических расходомеров в условиях многофазного потока не обеспечивает требуемой точности для получения количественных параметров, особенно в условиях расслоенного течения при знакопеременной траектории наклона ствола. К недостаткам термоанемометрических датчиков относится их высокая чувствительность к составу флюида, что ограничивает область их применения как индикатора, не претендуя на количественные измерения. Однако анализ различных схем исполнения термоанемометрических датчиков, применяемых в газовых

потоках, показал возможность дальнейшего его развития с целью использования в качестве локального датчика скорости флюида в расслоенном потоке.

С целью проведения экспериментальных работ в лаборатории по улучшению технических свойств и расширению диапазона рабочих скоростей термоанемометров был проведен литературный обзор существующих коммерческих термоанемометров для измерений в жидкостях, анализ их ограничений и возможностей использования в лабораторных измерениях.

Предварительно были проведены исследования промышленных датчиков СТИ, используемых в скважинной геофизике, на специальном ротационном калибраторе, который обеспечивал идентичность внешних условий проведения эксперимента. В результате экспериментальных работ было показано, что традиционные датчики СТИ, работающие по схеме с косвенным подогревом, имеют малый диапазон (1.0 - 7.0 см/с) и низкую чувствительность на изменение скорости потока (менее 0.1 К/см/с).

В рамках настоящей работы была предложена конструкция датчика термоанемометра прямого подогрева на базе полупроводникового элемента (стабилитрон Д814), разработана схема измерения и режимы электропитания, обеспечивающие двукратное расширение диапазона рабочих скоростей потока (0,5 - 14 см/с) и значительное повышение чувствительности (до 0,3 К/см/с в воде и в масле) с возможностью корректировки выходных данных с учетом состава окружающего флюида. Был выполнен цикл исследований по оптимизации тока питания с целью снижения уровня собственных шумов, которые определяют погрешность измерения скорости потока. Исследования выполнялись на технической воде и гидравлическом масле (аналог нефти: плотность р=863кг/м3 при 25°С, кинематическая вязкость 29,67мм2/с*10~6 при 30°С). В результате установлено, что оптимальный режим тока питания датчика находится в диапазоне от 30 до 70мА, а погрешность оценки локальной скорости не превышает 25%. Установлено, что увеличение тока питания приводит к значительному увеличению перегрева датчика относительно температуры окружающей среды и к резкому увеличению уровня случайных шумов и погрешности измерения при скоростях потока менее 4 см/с. Снижение же тока питания - снижает его разрешающую способность и также увеличивает погрешность измерения скорости потока.

По результатам калибровки датчика подобраны функции преобразования, которые в дальнейшем использовались для оценки локальных скоростей потока при проведении экспериментов на термогидродинамическом стенде (рис.3).

—и.............. , "Г ' ' * М " " а

' ;. ] СТИ-пром. [.'; "ВйШГ,!!НЯ т грешности +■'- 0.05Град'

_г......... я—-——-*------ —_____

ч

'ч. ' *

|СТИ-д814| í | - вегдгшна погрешности +'- ОЛГрад

- . ---*-1-----

Скорость (см/с)

Рис.3. Величина перегрева датчиков СТИ (промышленного и на базе стабилитрона Д814) в зависимости от скорости потока воды.

В третьей главе приведены результаты экспериментов по исследованию особенностей многофазных неизотермических потоков на термогидродинамическом стенде.

Учитывая широкое применение и информативность метода термометрии в промысловой геофизике, а также то, что математически трудно описать структуру многофазного неизотермического потока и учесть всю полноту происходящих процессов в скважине, были изучены особенности формирования температурных полей на модели горизонтальной скважины с учетом траектории ствола и различных соотношений фаз.

В процессе проведенных экспериментальных исследований на термогидродинамическом стенде с однофазным неизотермическим ламинарным потоком (Яе < 2000, О~20м3/сут) впервые был зафиксирован эффект термогравитационного расслоения флюида. Наиболее ярко этот эффект проявляется в зоне поступления «горячего»/«холодного» флюида в ствол скважины, например, с торца стенда, либо через макет интервала перфорации. Эксперимент визуального наблюдения термогравитационного расслоения потоков был выполнен методом оптической метки с подкрашенной жидкостью (рис. 4).

Рис.4. Эффект термогравитационного расслоения неизотермического потока.

ЛТ=3 °С, Яе< 2000.

Работы по изучению поля температуры в потоке проводились с применением специально изготовленных под данный эксперимент сборки из вертикально распределенных датчиков температуры и двух плоскостного термо-сканера ДПТС-13 с тринадцатью совмещенными датчиками Т+термоанемометр.

Как показали эксперименты, термогравитационное расслоение однофазного потока в горизонтальной трубе наблюдается при числах Ке < 2000, что характерно для ламинарного режима течения. С переходом на турбулентный режим течения температурное поле в потоке выравнивается, приближаясь к «поршневому».

Была проведена экспериментальная оценка распределения линейной и вертикальной составляющей потока. Результаты эксперимента с регистрацией поля температуры и распределения локальных скоростей в потоке показали наличие существенного вертикального градиента как по температуре, так и по скорости. При этом более «горячая» (Т|) жидкость течет по верхней образующей, а «холодная»(Т2) - по нижней. Эффект термогравитационного расслоения наблюдался при ЛТ > 2°С (АТ= Т, - Т2).

При незначительном отклонении траектории ствола от горизонтали (± 1 - 0.5 град) локальная скорость течения «горячей»/«холодной» жидкости значительно превосходит среднюю скорость потока. С увеличением угла наклона локальная скорость увеличивается, а толщина подвижного слоя уменьшается. В точках перегиба траектории возникают застойные зоны «холодной» жидкости на нижнем перегибе и «горячей» - на верхнем. В интервалах между перегибами возможно возникновение обратных потоков с образованием замкнутых ячеек в застойной зоне (рис.6). Изучение структуры и локальных скоростей потока выполнялось с применением оптической метки по движению фронта окрашенной жидкости и положению границ раздела потоков. Погрешность измерения скорости потока, выполненная методом покадровой развертки видеоизображения, не превышала 25%.

При увеличении расхода с формированием турбулентного режима течения (11е>2000) вертикальный градиент скорости потока нивелируется за счет интенсивного вихреобразования и выравнивания температурного поля по сечению потока. Средняя скорость потока по сечению, оцененная по движению

фронта оптической метки, описывается классическим представлением структуры турбулентного течения.

С учетом основной задачи промысловой геофизики по выделению работающих интервалов в горизонтальных скважинах экспериментально было изучено температурное поле однофазного потока в интервале перфорационных отверстий. Исследования проводились на технической воде с применением оптических меток для наблюдения потоков и двумя вертикальными термосканерами (рис. 5), выполненными на базе термопар, расположенными до и после «интервала перфорации» (ИП).

Рис.5. Общий вид и составные части термосканера. 1 - общий вид на стенде, 2 - шаговый электродвигатель, 3 - концевой датчик ограничения перемещения, 4 - герметичный ввод, 5 - комплексный датчик «Т+состав».

Исходя из результатов наблюдения за движением оптической метки и распределения температуры до и после ИП, можно говорить о следующих особенностях формирования структуры неизотермического однофазного потока в зоне смешения.

«Горячая» вода, поступая через интервал перфорации в ламинарный поток, идущий с торца стенда, всплывает к верхней образующей трубы и дальнейшее движение «горячего» и «холодного» потоков идет в режиме расслоенного течения до выхода со стенда. В некоторых случаях часть «горячей» воды по верхней образующей трубы проникает против потока, образуя застойную зону в верхней части и уменьшая площадь сечения «холодного» потока в интервале от «забоя» до ИП. Мощность и глубина зоны проникновения зависят от расхода флюида, подаваемого через ИП и траектории трубы. Незначительное (менее 1 град) изменение угла наклона трубы существенно изменяет структуру потока как в зоне ИП, так и на концевых участках стенда. Схематично типичная картина неизотермических ламинарных потоков в скважине с переменой траекторией и локальным притоком через интервал перфорации (ИП), приведена на рис. 6.

устье

Рис.6. Типичное распределение потоков «горячей»/«холодной воды» при знакопеременной траектории горизонтального ствола скважины. ИП - интервал перфорации, через который подается «горячая» вода с дебитом О г, с забоя подается «холодная» вода с дебитом Ох. Стрелками указаны направления

локальных потоков.

При смене температуры воды, подаваемой через ИП, с «горячей» на «холодную», поступающая вода продолжает двигаться по нижней образующей. Площадь сечения, занимаемая «горячей» и «холодной» водой, определяется наклоном трубы. В режиме турбулентного потока в зоне перфорационных отверстий наблюдается калориметрическое смешивание потоков, а термогравитационного расслоения «горячей» и «холодной» жидкости не наблюдается.

Практически важные результаты получены при моделировании в двухфазном неизотермическом потоке в горизонтальном стволе скважины с переменной траекторией.

На первом этапе изучалось формирование двухфазного расслоенного течения (масло+вода) в трубе с постоянным углом наклона при различных соотношениях расхода воды и масла. В ходе эксперимента фиксировался наклон трубы и расход одной (пассивной) фазы. Расход другой (активной) фазы менялся в широких пределах и проводилось измерение площади сечения потока каждой из фаз по изменению положения границы раздела. Установлено, что незначительное изменение угла наклона трубы относительно горизонтали (± 0.5 град), при прочих равных условиях, приводит к существенному изменению структуры течения и доли фазы в общем потоке (рис. 7А). В тоже время значительное изменение соотношения расхода фаз не приводит к значимому изменению площади сечения, занимаемому потоком в наклонной трубе с постоянным углом относительно горизонтали (рис. 7 Б,В). Однако изменение расхода фаз приводит к существенному изменению средней и локальной скорости потока внутри активной фазы, практически не затрагивая параметры пассивной фазы.

(В)

Рис.7. Пример распределения заполнения сечения трубы от угла наклона Суммарный расход флюидов сохранялся неизменным £ С? = 2.0 мЗ/час

(С)в = 1.0 мЗ/час, С>м= 1.0 мЗ/час).

С>в = 1.5 мЗ/час; Ом = 0.5 мЗ/час

Ов=Ом=1.0 мЗ/чяс

1.5 мЗ/час

о о

Угол Уклона, гр«^3

Угол наклона, град

(А) ______________

С?в = 0.5 мЗ/час; Ом =

Таким образом, экспериментально показано, что при интерпретации данных ПГИ наличие данных о доле воды или нефти в потоке и угле наклона ствола скважины не является достаточным условием для определения фазовых расходов. При решении практических задач скважинной геофизики оценка фазовых расходов в расслоенном потоке возможна только при комплексировании датчиков состава и локальной скорости фаз в комплексе с данными о диаметре трубы и угле наклона.

Второй этап исследований выполнен в условиях локального поступления одной из фаз через ИП в установившийся поток с торца стенда. Данный эксперимент ориентирован на разработку критериев выделения зон притока воды или нефти в горизонтальном стволе скважины по результатам промысловых исследований с применением многодатчиковой скважинной аппаратуры.

Как показали результаты эксперимента, факт поступления воды или масла через ИП не всегда фиксируется по результатам сканирования состава с применением распределенных датчиков. В реальных скважинных условиях

температура флюида внутри ствола скважины и температура флюида, поступающего через ИП, различны. В связи с этим были выполнены комплексные исследования поля температуры, локальной скорости и состава флюида в зоне перфорационных отверстий в условиях неизотермичности потоков.

Как показали результаты эксперимента, неизотермический двухфазный поток (вода+масло) следует рассматривать как два независимых потока, практически не взаимодействующие между собой в пределах общей длины стенда. В ходе эксперимента можно было наблюдать, как масло, имеющее температуру более высокую, чем температура воды (ДТ= 3.5С ), движется по верхней образующей, не вовлекая в движение застойную воду. Разность температуры потока воды и масла сохранялась по всей длине стенда. При этом в потоке масла наблюдается незначительный градиент температуры по вертикали, а граница раздела фаз вода/масло совпадает с резким скачком температуры. Результаты измерения локальной скорости в потоке масла показывают, что максимальная скорость наблюдается на границе раздела вода/масло. При этом вода может быть практически неподвижна. Такое распределение характерно для условий, когда поток масла испытывает минимальное сопротивление на границе с водой и тормозится за счет трения о стенки скважины.

В зоне ИП был установлен эффект избирательного калориметрического смешения, при котором масло, поступающее через ИП, взаимодействовало только с потоком масла внутри трубы, и, наоборот, вода - с потоком воды в трубе. При этом перекрестный теплообмен практически не проявлялся по результатам приборных наблюдений, выполненных внутри двухфазного потока. Таким образом, экспериментально было установлено, что температурные аномалии в горизонтальной скважине с расслоенным потоком формируются избирательно: поступление нефти в ГС фиксируется датчиком температуры, движущимся по верхней образующей в потоке нефти; поступление воды - датчиком, движущимся по нижней образующей в потоке воды.

По результатам экспериментальных исследований неизотермических многофазных потоков на термогидродинамическом стенде определены основные закономерности формирования поля температуры, состава и локальных скоростей в условиях переменной траектории горизонтального ствола скважины, критерии выделения работающих интервалов.

Отмеченные выше эффекты накладывают дополнительные требования на конструкцию скважинного прибора для исследования действующих горизонтальных скважин в виде обязательных модулей распределенных датчиков состава, температуры и локальной скорости потока.

В четвертой главе разработана методика тестирования скважинной аппаратуры в условиях многофазного неизотермического потока и требования к конструктивным особенностям специальной скважинной аппаратуры.

Основная задача, решаемая при тестировании скважинной аппаратуры на гидродинамическом стенде, - изучение реакции датчиков на контролируемые независимыми методами физические поля. Традиционно скважинная аппаратура, передаваемая в производство, проходит метрологический контроль на специальных стендах, моделирующих температуру, давление, состав, расход и т.д. Однако, как правило, на метрологических установках реализованы стационарные или квазистационарные физические поля, не наблюдаемые в реальной скважине. Между тем, реакция комплекса датчиков на окружающие физические поля в скважинных условиях зависит от структуры потока, состава флюида, геометрии корпуса прибора и направления движения.

В связи с этим нами разработана программа комплексного тестирования скважинной аппаратуры, разработанной для исследования горизонтальных скважин.

Тестирование осуществляется с целью оценки информативности и разрешающей способности отдельных датчиков и комплекса в целом на термогидродинамическом стенде в условиях многофазного расслоенного потока. Программа работ зависит от типа тестируемых датчиков, их количества и расположения. Пример программы тестирования для приборного комплекса, состоящего из датчиков температуры, термоанемометра, расходомера, влагомера и резистивиметра, представлен ниже.

1. Исследование потокометрических датчиков скважинного прибора:

оценка порога страгивания, уровня шумов и разрешающей способности модуля механического расходомера и датчика СТИ в однофазном потоке, при замерах на точке и в режиме протяжки в интервале притока, в условиях горизонтального положения стенда;

отрабатывается режим поступления флюида через «интервал перфорации» с целью определения минимальной величины расхода, уверенно регистрируемой скважинным прибором;

замеры проводятся на воде или масле, в определенном диапазоне расходов и выполняются в режиме протяжки прибора навстречу потоку для устранения зоны нечувствительности датчика в покое;

2. Исследования реакции распределенных датчиков состава на 3-х фазный расслоенный поток водо/нефте/газовой смеси-.

оценка минимального расхода инородного флюида, поступающего через ИП в установившийся горизонтальный поток, регистрируемого комплексным скважинным прибором из методов определения состава флюида; замеры выполняются на горизонтальном стенде, при различных комбинациях расходов воды/нефти, воды/газа, нефти/газа; по результатам исследования определяется минимальный расход флюида, поступающего через интервал перфорации и уверенно регистрируемый распределенными датчиками состава тестируемого прибора;

исследование реакции датчика СТИ на приток газа/нефти/воды через перфорационные отверстия в режиме многофазного расслоенного течения;

по результатам исследования определяется минимальный расход флюида, поступающего через интервал перфорации и уверенно регистрируемый датчиком СТИ тестируемого прибора.

3. Исследование реакции датчиков температуры на неизотермические расслоенные двухфазные потоки в условиях притока через ИП:

оценка уровня собственных шумов и разрешающей способности канала температуры по замерам на точке; замеры на протяжке в строго горизонтальной скважине при подаче через ИП "горячей" воды в воду, "горячего" масла в воду; по результатам исследования определяется минимальный уровень температурной аномалии, возникающей в зоне смешения неизотермических потоков, уверенно регистрируемый датчиками температуры тестируемого прибора.

Некоторые результаты тестирования приведены ниже.

Результаты градуировки в условиях стенда на различных флюидах с изменением угла наклона скважины показали изменение коэффициента преобразования рабочей турбинки в модуле РГД. Таким образом, надо признать, что заявленные в паспорте прибора метрологические параметры модуля расходомера относятся только к условиям градуировки и не могут применяться в реальных скважинных условиях.

Необходимость тестирования приборов на стенде подтверждается следующим примером. В ходе ПГИ, выполняемых промышленной аппаратурой АГАТ КГ-42, разработанной ОАО НПФ Геофизика, в горизонтальных скважинах неоднократно отмечался высокий уровень пульсации выходных данных, трактуемый как загрязнение датчика. Однако стендовые исследования, показали, что причина высокого уровня шумов - неоптимальный алгоритм обработки исходного сигнала при малых расходах. По результатам эксперимента была доработана программа обработки исходного сигнала в скважинном модуле, что существенно повысило качество диаграмм и обеспечило повышение разрешающей способности метода в ГС до уровня 2.0 м3/сут, против 20 м3/сут в исходном варианте.

Одна из проблем скважинной геофизики - количественные измерения потока при наличии свободного газа в продукции. Для изучения этого вопроса было проведено исследование реакции датчика турбинного расходомера в колонне НКТ на газовую фракцию в потоке. Фазовые расходы и структура потока контролировались независимыми датчиками и визуально. Было установлено, что, несмотря на высокую скорость потока и турбулентный характер течения, реакция расходомера существенно зависит от соотношения фазовых расходов и угла наклона ствола скважины. При этом итоговая реакция датчика может сопровождаться как увеличением счета, так и снижением. Экспериментально установлено, что наличие газовой фазы в потоке существенно искажает градуировочную зависимость механического датчика расхода, что исключает возможность проведения количественных измерений в газожидкостном потоке с применением механических систем измерения.

Учитывая запросы производства о необходимости количественных измерений в многофазном потоке, в соответствии с программой комплексного тестирования, была проведена калибровка прибора с распределенными датчиками определения состава флюида и алгоритма обработки исходных данных в программном пакете «Прайм». Как показал эксперимент, результат работы алгоритма с применением стандартных калибровок датчиков состава, выполненных в статической воде и дизельном топливе, и применяемый в производственном режиме, не обеспечивает достоверности результатов. По результатам серии экспериментов на термогидродинамическом стенде в трубах различного диаметра и наклона подобраны критерии идентификации флюида в смешанном потоке и набор обязательных к регистрации параметров методами термометрии, СТИ, РГД, влагометрии, резистивиметрии. Результаты тестирования на стенде в виде градуировочных зависимостей внесены в алгоритм обработки в системе «Прайм» и использованы для получения количественных параметров при обработке полевых данных.

В ходе тестирования промышленной скважинной аппаратуры установлено, что прибор, внедренный в расслоенный поток, приводит к искажению его структуры и дополнительным ошибкам при количественных измерениях. При этом степень искажения потока зависит как от параметров потока, так и от конструкции скважинного прибора. Результаты экспериментов оформлены в виде минимальных требований по компоновке и количеству датчиков, необходимых для получения качественной информации по результатам ПГИ действующих горизонтальных скважин с многофазной продукцией.

Для исключения конструкторских просчетов и повышения достоверности результатов ПГИ рекомендовано производителям скважинной аппаратуры включить в цикл приемочных испытаний этап тестирования разрабатываемых приборов в условиях многофазного потока на гидродинамическом стенде по специальной программе комплексных испытаний. Результаты тестирования, выполняемые по данной программе, обеспечивают комплексную оценку функциональных возможностей скважинного прибора в условиях действующей горизонтальной скважины и используются при разработке критериев выделения работающих интервалов и состава притока. Критические параметры, регистрируемые прибором, и реакция отдельных датчиков закладываются в алгоритмы интерпретации при разработке программных средств сопровождения ПГИ с использованием тестируемого прибора.

Основные выводы

1. По результатам анализа существующих гидродинамических стендов сделан вывод, что наиболее подходящим для исследований является стенд, разработанный в БашГУ. На основе сформулированных требований проведена модернизация многофункционального термогидродинамического стенда, обеспечивающего возможность моделирования многофазных неизотермических потоков и тестирования специальной скважинной аппаратуры в условиях гидродинамического подобия при расходах от 0,05 до

16 м3/ч, с системой контроля и учета входных и выходных параметров рабочих флюидов. Стенд сертифицирован как средство измерения ГУП ЦМИ «Урал-Гео» по стандартам Российской системы калибровки. Сертификат о калибровке средства измерений №2661-10/13.

2. Для экспериментального сопоставления различных типов датчиков локальной скорости потока разработан и изготовлен специализированный ротационный калибратор, обеспечивающий идентичность внешних условий эксперимента при испытаниях датчиков термоанемометра. Калибратор позволяет проводить тестирование термоанемометрических датчиков при различных линейных скоростях в диапазоне от 0.2 до 16 см/с.

3. Для проведения исследовательских работ на стенде с многофазным потоком и с возможностью использования в скважинной аппаратуре разработан и изготовлен датчик состава с линейным чувствительным элементом (патент РФ №2439504), обеспечивающий измерение положения границы раздела фаз водонефтяного потока с погрешностью не более 5%.

4. В ходе серий исследований по изучению физики формирования и структуры одно- и многофазного неизотермического потока в условиях низкодебитных горизонтальных скважин с переменной траекторией горизонтального ствола установлено, что:

- в условиях ламинарного течения взаимодействие однофазных потоков с различной температурой в стволе скважины сопровождается термогравитационным расслоением с образованием застойных зон в областях перегиба траектории и возникновением обратных потоков;

- в двухфазном потоке определяющим в формировании расслоенного потока является траектория ствола скважины; незначительное изменение угла наклона относительно горизонтали (±0.5град) приводит к кардинальному изменению фазосодержания по сечению ствола при неизменных расходных параметрах;

- в интервале перфорации нефть поступает по верхней, вода по нижней образующей ствола скважины, при этом существенного изменения фазосодержания до и после ИП в потоке не отмечается, но наблюдается изменение средней скорости фаз пропорционально изменению расхода;

- применение механических турбинных расходомеров в скважинах с дебитом менее 50 м3/сут нецелесообразно в связи с высоким порогом страгивания турбинки.

5. Комплексное применение в скважинной аппаратуре датчиков температуры, термоанемометра и состава обеспечивает возможность достоверного определения интервалов притока в условиях многофазного потока в горизонтальных скважинах. Использование в приборе распределенных по сечению трубы датчиков состава, температуры и СТИ позволяет выделять притоки с дебитом менее 2 м3/сут за счет комплексного анализа температурного поля, идентификации состава флюида в расслоенном потоке и детектирования слабых радиальных потоков в зоне работающего фильтра.

6. Разработана методика комплексного тестирования скважинной аппаратуры, использование которой обеспечивает оценку информативности и разрешающей способности отдельных датчиков и комплекса в целом в условиях расслоенного потока. Методика применяется для тестирования аппаратуры предприятий Уфы, Тюмени, Твери, Саратова и Бугульмы

Основные результаты работы опубликованы в следующих научных трудах:

в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ:

1. Яруллин А.Р. Особенности геофизических исследований действующих горизонтальных скважин на поздней стадии эксплуатации нефтяных месторождений. [Текст] / А. Р. Яруллин, Р. А. Валиуллин, Н. К. Глебочева, А. Г. Тихонов. // Научно-технический вестник АИС «Каротажник». - 2010. - № 190.-С. 3-14.

2. Яруллин А.Р. Тестирование скважинной аппаратуры на стенде — как обязательный элемент испытания при разработке и передаче её в производство. [Текст] / Р. А. Валиуллин, Р. К. Яруллин, А. Р. Яруллин. // Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело». - 2012. - №3. - С. 300-308.

3. Yarullin A., Testing well tools on the stand as an obligatory checking stage of development and manufacturing application. [Text] / R. Valiullin, R. Yarullin, A. Yarullin. // Electronic scientific journal «Oil and Gas Business». - 2012. - Issue 3. -pp. 309-316.

патенты:

4. Пат. 2450277, Российская Федерация, МПК G 01 Р 5/12, G 01 К 13/02. Термоанемометр для измерения скорости потока жидкости или газа [Текст]/ Валиуллин Р.А., Яруллин Р.К., Яруллин А.Р.; патентообладатели Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Башкирский государственный университет». - 2009139884/28; заявл. 28.10.2009; опубл. 10.03.2012, Бюл. 7.

5. Пат. 2444739, Российская Федерация, МПК G 01 Р 21/00. Устройство для калибровки термоанемометрических датчиков скорости потока жидкости [Текст]/Валиуллин Р.А., Яруллин Р.К., Яруллин А.Р.; патентообладатели Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Башкирский государственный университет». - 2009139880/28; заявл. 28.10.2009; опубл. 10.05.2011, Бюл. 7.

6. Пат. 2439504, Российская Федерация, МПК G 01 F 23/26. Устройство для измерения положения границы раздела фаз в расслоенном водонефтяном потоке [Текст]/Валиуллин Р.А., Яруллин Р.К., Яруллин А.Р.; патентообладатели Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Башкирский государственный университет». - 2009139869/28; заявл. 28.10.2009; опубл. 10.01.2012, Бюл. 1.

в других изданиях:

7. Яруллин А.Р. Экспериментальное изучение формирования температурного поля в зоне притока в действующей горизонтальной скважине

[Текст] / А.Р. Яруллин // «Фундаментальная математика и её приложения в естествознании»: тезисы Международной школы-конф. для студентов, аспирантов и молодых ученых. 1-6 октября 2009 г. - Уфа: РИЦ БашГУ, 2009. -С. 180-181.

8. Яруллин А.Р. Экспериментальное исследование неизотермического многофазного потока в условиях горизонтальной скважины. [Текст] / А. Р. Яруллин // «Многофазные системы: природа, человек, общество, технологии»: тезисы докладов на Российской конференции посвященной 70-летию академика Р.И.Нигматуллина. 21 - 25 июня 2010 г. - Уфа: Изд-во Нефтегазовое дело, 2010.-С. 189-191.

9. Yarullin A., Development of bflow Profïling Criteria for Low-Rate Horizontal Wells on the Basis of Physical Lab Experiments and Field Studies [Text] / R. Valiullin, R. Yarullin, A. Yarullin, V. Shako, A. Parshin // SPE 136272: Russian Oil and Gas Exploration and Production Technical Conférence and Exhibition. All-Russian Exhibition Center, Moscow, Russia. 26-28 Oktober 2010. - p. 761 - 770

10. Яруллин А.Р. Стендовые исследования потокометрических методов скважинной аппаратуры в условиях горизонтальных скважин. [Текст] / А. Р. Яруллин // «Фундаментальная математика и её приложения в естествознании»: тезисы. Международной школы-конференции для студентов, аспирантов и молодых ученых 3 - 7 октября 2010 г. - Уфа: РИЦ БашГУ, 2010. - С. 80-81.

11. Яруллин А. Р. Применение датчика СТИ в условиях двухфазного потока жидкости [Текст] А. Р. Яруллин, P. X. Зинатуллин // «Фундаментальная математика и её приложения в естествознании»: тезисы. Международной школы-конференции для студентов, аспирантов и молодых ученых 3 - 7 октября 2010 г. - Уфа: РИЦ БашГУ, 2010. -С. 70.

12. Яруллин А.Р. Оптимизация конструкции датчиков скважинных термоанемометров на основе математического моделирования и физического эксперимента [Текст] / А.Р. Яруллин, К.Р. Низаева // «Фундаментальная математика и её приложения в естествознании»: тезисы Международной школы-конференции для студентов, аспирантов и молодых ученых 2-6 октября 2011 г. - Уфа: РИЦ БашГУ, 2011. - С. 81.

13. Яруллин А. Р. Временные методические рекомендации по проведению исследований и методике интерпретации результатов геофизических исследований действующих горизонтальных скважин многодатчиковой аппаратурой на объектах ОАО "Сургутнефтегаз" [Текст] Р. А. Валиуллин, Р. К. Яруллин, А. Р. Яруллин // Стандарт предприятия. ОАО "Сургутнефтегаз", трест "Сургутнефтегеофизика" Сургут, 2008 г. - 71 с.

14. Яруллин А. Р. Стендовые исследования информативности потокометрических методов в условиях горизонтальной скважины на примере аппаратуры «АГАТ-КГ-42» [Текст] А. Р. Яруллин, М. Ф. Закиров, Г.А. Белышев // «Проблемы геологии, геофизики, бурения и добычи нефти. Экономика и управление»: Сборник статей аспирантов и молодых специалистов Выпуск 4. 2007г. - Уфа: изд-во «Новый стиль», 2007 - С. 79-84.

15. Яруллин А. Р. Экспериментальная оценка области применения скважинной аппаратуры в условиях многофазного потока действующих скважин [Текст] А. Р. Яруллин // Аппаратно-методические комплексы и технологии ГИС и ядерно-геофизические методы для исследования нефтегазовых и рудных скважин: тезисы докладов Международной научно-практической конференции 2-5 октября 2012 г. - г. Октябрьский - М. : ВНИИгеосистем. -С. 167 - 170.

16. Яруллин А. Р. Результаты экспериментальных исследований и теоретического моделирования двухфазного расслоенного потока при знакопеременной траектории горизонтального ствола [Текст] А. Р. Яруллин, Т. Р. Хабиров // «Наука XXI века: проблемы и перспективы»: материалы Международной научно-практической конференции 29-30 мая 2013 г. - г. Уфа: РИЦ БашГУ, 2013г. - С. 124-128.

Подписано в печать 18.11.2013. Формат 60x84 1/8. Бумага писчая. Гарнитура «Тайме». Усл. печ. л. 1,4. Уч.-изд. л. 1,5. Тираж 100 экз. Заказ № 125.

Отпечатано с готовых авторских оригиналов на ризографе в издательском отделе Уфимского государственного университета экономики и сервиса 450078, г. Уфа, ул. Чернышевского, 145, к. 206; тел. (347) 241-69-85.

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Яруллин, Айрат Рашидович, Уфа

ФГБОУ ВПО «БАШКИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

г^си 734 Яруллин Айрат Рашидович

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МНОГОФАЗНЫХ ПОТОКОВ НА МОДЕЛИ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ СКВАЖИНЫ

25.00.10 - Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор Р.А. Валиуллин

Уфа-2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................. 4

ГЛАВА 1. ВЫБОР ТЕРМОГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО СТЕНДА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ МНОГОФАЗНЫХ НЕИЗОТЕРМИЧЕСКИХ ПОТОКОВ, ХАРАКТЕРНЫХ ДЛЯ ДЕЙСТВУЮЩИХ ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ СКВАЖИН................................................. 10

1.1. Конструктивные особенности гидродинамического стенда для исследования многофазных потоков в условиях горизонтального

20

ствола скважины..................................................................

1.2. Системы измерения и контроля параметров гидродинамического эксперимента.......................................................................

27

1.2.1. Система подачи и контроля расхода рабочих флюидов.................

1.2.2. Система протяжки и позиционирования приборов С АННА........... 28

1.2.3. Вертикально-наклонный модуль для исследования реакции геофизической аппаратуры на отклонение от вертикали и состав набегающего флюида...........................................................

1.2.4. Основные метрологические параметры, воспроизводимые

стендом............................................................................ 31

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА И ТЕСТИРОВАНИЕ СПЕЦИАЛЬНЫХ

ДАТЧИКОВ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ МНОГОФАЗНЫХ ПОТОКОВ...... 34

2.1 Датчики состава.................................................................... 35

2.2. Датчики локальной скорости потока.......................................... 40

2.3. Конструктивные особенности термоанемометра прямого подогрева

и схема измерения...................................................................... 52

ГЛАВА 3. СТЕНДОВЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МНОГОФАЗНЫХ

НЕИЗОТЕРМИЧЕСКИХ ПОТОКОВ............................................... 68

3.1. Исследование эффекта термогравитационного расслоения в

однофазном потоке..................................................................... 72

3.1.1. Оценка распределения линейной и вертикальной составляющей потока..................................................................................... 82

3.1.2. Температурное поле однофазного потока в интервале перфорационных отверстий.......................................................... ^

3.1.3. Температурное поле в потоке при наличии внешнего источника

тепла....................................................................................... 91

3.2. Двухфазный неизотермический поток..................................... 93

3.2.1. Исследование распределения температуры и локальной скорости

фаз в неизотермическом двухфазном потоке..................................... ^

ГЛАВА 4. ТЕСТИРОВАНИЕ СКВАЖИННОЙ АППАРАТУРЫ В УСЛОВИЯХ МНОГОФАЗНОГО НЕИЗОТЕРМИЧЕСКОГО ПОТОКА.... 110

4.1. Тестирование скважинной аппаратуры в условиях многофазного линейного потока в вертикальной, наклонной и горизонтальной скважине.................................................................................. 112

4.2. Тестирование скважинной аппаратуры в зоне смешения многофазного потока в интервале фильтра....................................... 120

4.3. Программа комплексных испытаний скважинной аппаратуры в

условиях неизотермического многофазного потока............................. 121

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................................................... 126

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ................................ 128

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы.

Бурение горизонтальных скважин признано в нефтяной отрасли как один из эффективных методов повышения нефтеотдачи пластов. При этом горизонтальные скважины применяются не только на новых, но и на старых месторождениях с высокой степенью обводнения продукции и низкими пластовыми давлениями. Практика нефтедобычи показала, что эффективность выработки месторождений определятся информативностью и достоверностью методов контроля за работой пластов и скважины, где ведущая роль геофизических исследований неоспорима. Однако опыт первых исследований горизонтальных скважин свидетельствует о том, что переносить технологии геофизических исследований и алгоритмы интерпретации, хорошо отработанные в вертикальных скважинах, на горизонтальные нельзя. Важнейшие элементы технологии, определяющие эффективность промыслово-геофизических исследований (ПГИ) действующих горизонтальных скважин, -способы доставки скважинной аппаратуры в горизонтальный ствол; аппаратный комплекс, включающий набор регистрирующих модулей и конструкцию скважинного прибора; интерпретационные критерии и правила, используемые при анализе результатов ПГИ.

В настоящее время на практике отработаны и успешно применяются различные технологические комплексы по доставке скважинной аппаратуры в горизонтальный ствол для проведения ПГИ при контроле работы пласта и скважин. Однако результаты исследований с применением существующих приборов с традиционным набором датчиков и правил интерпретации данных не обеспечивают полноты решения поставленных задач, в особенности в условиях низких дебитов горизонтальных скважин (до 200 м3/сут) и высокой обводненности продукции (более 75%), что характерно для большинства месторождений РФ. Кроме того, физические процессы, происходящие в высокодебитных действующих горизонтальных скважинах с турбулентными потоками, что описано зарубежными исследователями, существенно

отличаются от процессов, происходящих в низкодебитных скважинах с многофазными ламинарными потоками с немонотонной траекторией ствола.

Исходя из этого, очень важным является экспериментальное изучение особенностей многофазных неизотермических потоков на физической модели горизонтальной скважины и оптимизация набора регистрируемых параметров и конструктивных элементов скважинной аппаратуры, обеспечивающих существенное повышение результативности ПГИ действующих горизонтальных скважин в условиях низких дебитов и высокой обводненности продукции.

Цель работы

Создание научно-методических основ геофизических исследований действующих низкодебитных горизонтальных скважин на основе изучения особенностей многофазных потоков и потокометрических датчиков на термогидродинамическом стенде.

Объект исследования

Многофазные потоки и их влияние на показания многодатчиковой аппаратуры.

Предмет исследования

Интерпретация и методическое обеспечение технологии исследования действующих горизонтальных скважин с многофазными потоками.

Основные задачи исследования

1. На основе обзора существующих экспериментальных установок выбор специализированного термогидродинамического стенда, позволяющего исследовать физические поля в условиях многофазного неизотермического потока, характерного для малодебитных горизонтальных скважин.

2. Разработка и тестирование датчиков и конструктивных элементов специальной скважинной аппаратуры, обеспечивающей повышение информативности геофизических исследований действующих горизонтальных скважин.

3.Экспериментальное изучение особенностей формирования многофазного неизотермического потока на термогидродинамическом стенде с учетом переменной траектории горизонтального ствола.

4. Экспериментальное изучение взаимодействия элементов скважинного прибора с многофазными неизотермическими потоками.

5. Разработка методики тестирования на стенде специальной скважинной аппаратуры, предназначенной для исследования горизонтальных скважин.

Методы решения поставленных задач

Анализ и обобщение существующих экспериментальных установок для изучения многофазных потоков. Физическое моделирование многофазных потоков на модернизированном термогидродинамическом стенде. Экспериментальные исследования эффективности потокометрических датчиков. Обработка и анализ результатов экспериментальных исследований на базе современных технических средств. Лабораторные и стендовые испытания существующей аппаратуры для исследования горизонтальных скважин.

Научная новизна

1. На основе физического эксперимента впервые установлены следующие особенности формирования многофазных неизотермических потоков, характерных для действующих горизонтальных скважин:

- возникновение застойных зон в экстремальных областях траектории ствола;

- наличие вертикального градиента температуры в потоке, приводящего к возникновению асимметрии профиля скоростей;

- эффект обратного внедрения потока при поступлении через интервал перфорации в горизонтальных стволах с переменной траекторией;

- избирательный теплообмен при смешении двухфазного потока в интервале перфорации.

2. Установлены возникновение обратных потоков на восходящих участках горизонтального ствола скважины и их влияние на показания механических расходомеров.

3. Разработан термоанемометр с оптимизированной конструкцией, в котором для увеличения диапазона скоростей потока и стабилизации выходных параметров нагрев и измерение температуры чувствительного элемента осуществляется в импульсном режиме.

4.Разработана методика комплексного тестирования специальной скважинной аппаратуры для горизонтальных скважин, обеспечивающая его эффективность в условиях многофазного неизотермического потока.

Основные защищаемые научные положения

1. Совместный учет эффектов термогравитационного расслоения потока с образованием вертикальных градиентов скорости, возникновения обратных потоков и избирательного теплообмена многофазных потоков в зоне смешения позволяют повысить достоверность выделения работающих интервалов в низкодебитных горизонтальных скважинах с многофазной продукцией.

2. Совместное использование датчиков температуры, термоанемометра и состава позволяет определять направление и скорость многофазных неизотермических потоков и выделять зоны их смешения.

Теоретическая значимость работы

На основе физического эксперимента на термогидродинамическом стенде с использованием визуального наблюдения и приборных измерений определены особенности формирования многофазных потоков в малодебитных горизонтальных скважинах с переменной траекторией.

Практическая значимость и реализация результатов работы

1. Использование многофункционального термогидродинамического стенда позволило изучить особенности многофазного неизотермического потока в условиях переменной траектории ствола, что повысило достоверность интерпретации данных геофизических исследований действующих горизонтальных скважин нефтяных компаний Башнефть, Роснефть, Татнефть и Др.

2. Разработанные специальные датчики состава и локальной скорости потока (термоанемометр), в условиях многофазного неизотермического потока

в горизонтальных скважинах, позволяют получать информацию о фазовых расходах с более высокой точностью и в большем диапазоне скоростей потока. Достоверность результатов измерения скорости потока обеспечивается применением разработанного ротационного калибратора при градуировке датчиков термоанемометров.

3. Комплексное применение в скважинной аппаратуре датчиков температуры, термоанемометра и состава обеспечивает возможность достоверного определения интервалов притока в условиях многофазного потока в горизонтальных скважинах.

4. Разработанная методика комплексного тестирования специальной скважинной аппаратуры на термогидродинамическом стенде обеспечивает оценку информативности и достоверности получаемых данных, что позволяет оценить возможность её промышленного использования в действующих горизонтальных скважинах с многофазной продукцией. Методика применялась для тестирования аппаратуры предприятий Уфы, Тюмени, Твери, Саратова и Бугульмы.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций

обеспечена обобщением и анализом результатов отечественных и зарубежных разработок и исследований, использованием сертифицированного термогидродинамического стенда (№2661-10/13), эталонированных средств измерения, достаточным объемом экспериментальных исследований, сопоставлением их с теоретическими данными, объёмом накопленных сведений и повторяемостью результатов.

Личный вклад автора состоит в: постановке задач, их решении; проведении экспериментальных работ; анализе полученных результатов; разработке и внедрении методики комплексного тестирования специальной скважинной аппаратуры.

Апробация работы

Результаты и основные положения работы докладывались на:

Международной школе конференции для студентов, аспирантов и молодых ученых «Фундаментальная математика и её приложения в естествознании» (Уфа, 2009 г., 2010 г., 2011 г., 2013 г.);

Российской технической нефтегазовой конференции и выставке БРЕ по разведке и добыче (Москва, 2010);

Российской конференции, посвященной 70-летию академика Р.И.Нигматуллина «Многофазные системы: природа, человек, общество, технологии» (Уфа, 2010 г.);

Международной научно-практической конференции «Аппаратно-методические комплексы и технологии ГИС и ядерно-геофизические методы для исследования нефтегазовых и рудных скважин» (Октябрьский, 2012 г);

Публикации

Основные результаты диссертации опубликованы в 16 научных трудах, в том числе 3 - в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ, получены 3 патента РФ на изобретения.

Структура и объем диссертационной работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка использованных источников, включающего 112 наименований. Работа изложена на 141 страницах машинописного текста, содержит 103 рисунка и 5 таблиц.

Глава 1. ВЫБОР ТЕРМОГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО СТЕНДА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ МНОГОФАЗНЫХ НЕИЗОТЕРМИЧЕСКИХ ПОТОКОВ, ХАРАКТЕРНЫХ ДЛЯ ДЕЙСТВУЮЩИХ

ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ СКВАЖИН

Решение практических задач промысловой геофизики в действующих скважинах сводится к изучению физики потоков дистанционными методами с применением комплексной скважинной аппаратуры [18,46,52], оснащенной различными датчиками [2,96]. При этом достоверность решения задачи во многом зависит от того, насколько корректно будут проведены измерения физических параметров потока и какова точность решения обратной задачи -воссоздание структуры и параметров потока по реакции датчиков [26]. Сложность ситуации в скважинной геофизике усугубляется наличием в потоке нескольких фаз: нефть, вода, газ и их смеси в различном соотношении [38,51]. Причем, параметры каждого из флюидов существенно зависят от геолого-промысловых условий месторождения, давления, температуры, конструкции и режима эксплуатации скважины [23,30]. В сложившейся ситуации значительное место в изучении физики многофазного потока занимает прямое физическое моделирование на специальных гидродинамических стендах, воспроизводящих частично или полностью реальные скважинные условия [37].

В мировой практике изучения физики потоков важное место занимает натурное физическое моделирование, наравне с методами математического моделирования. Причем, как правило, математические модели корректируются с учетом физического эксперимента. С учетом решаемых задач к стендам предъявляются индивидуальные требования. Обзор публикаций и сайтов показал широкое применение таких установок в Англии, Франции, Норвегии, США и Китае. Они активно используются для изучения физических основ и развития техники измерения многофазного потока.

Рассмотрим примеры нескольких из них.

В Кембриджском исследовательском центре (Schlumberger Cambridge Research SCR) [55,92] компании Schlumberger в Англии, изготовлен наклонный

гидродинамический стенд, предназначенный для наблюдения расслоенных течений многофазных потоков. Принципиальная схема трубопроводов гидродинамического стенда приведена на рисунке 1.1.

Рис. 1.1. Внешний вид и схематическое изображение трубопроводов многофазного стенда компании БсЫитЬе^ег в Англии.

Основная труба, представляет собой секцию для тестовых испытаний и имеет длину 10,9 метра, внутренний диаметр 152мм, выполнена из прозрачного плексигласа. Суммарная длинна стенда составляет 30м. На стенде моделируются трехфазные потоки при максимально допустимом давлении 10 атм. Суммарный расход по трем фазам составляет около 1000 м3/сут. Подача рабочих флюидов осуществляется с помощью насосов и на выходе поступает в один большой сепаратор. В качестве альтернативы нефтяного флюида используется керосин (вязкость 1,5 сП при температуре 18°С и плотность 810 кг/м3). Расходы по флюидам задаются с помощью центрального пульта управления насосным оборудованием. Основные параметры, которые можно отслеживать на стенде:

- расход воды (три электромагнитных расходомера для измерения скорости потока);

- расход масла (три турбинных расходомера);

- расход газа (термально-массовый расходомер для прямого измерения массового и вычисления объемного расхода газа);

- цифровой измеритель угла наклона, термометр, дифференциальный манометр внутри трубы, а также регистрация абсолютного значение атмосферного давлени