УДК 622.279.5.001.42
Казахстанско –
Британский Технический университет, Алматы, Казахстан
ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЙ И
РАЗРАБОТКИ ДИНАМИКИ МНОГОФАЗНЫХ ПОТОКОВ ЖИДКОСТИ ДЛЯ ПОДДЕРЖАНИЯ
ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ДОБЫВАЮЩИХ СКВАЖИН
Чтобы выявить полный потенциал существующих
коллекторов и сделать малопродуктивные месторождения более производительными,
приходится усложнять строительство новых скважин. Для многих горизонтальных
скважин и скважин, пробуренных под большим углом, характерно сложное поведение
жидкости. Сама по себе природа многофазного потока ставит серьёзные задачи по
разработке новых датчиков.
За последние годы достигнутов существенное улучшение в
понимании многофазных течений в добывающих нефтяных скважин (рис.1) Режим
течения определятся числом фаз в потоке (двухфазная система – нефть и вода, или
газ и нефть; трёхфазная система –нефть, газ и вода), а также расходом каждой
фазы и геометрией ствола скважины, особенно её отклонением от вертикали. Понимание
воздействия режимов потоков нефти, воды и газа в вертикальных, горизонтальных и
искривлённых скважинах способствовало разработке улучшенной технологии
промыслового каротажа для оценки потоков фаз в скважине в наиболее сложных
условиях. Обычные датчики промыслового каротажа в расходомерах вертушечного
типа или плотномерах улавливают только суммарное или осредненное по сечению
скважины физическое воздействие жидкости и реологических свойств. Интерпретация
результатов, полученных расходомерами вертушеченого типа и приборами
радиоактивного каротажа, оказывается чувствительной к геометрии и распределению
потока жидкости по сечению. Эти датчики обеспечивают проведение большого объёма
осредненных измерений вдоль ствола скважины. Для того, чтобы интерпретировать должным
образом отклик каждого датчика, необходима осреднённая гидродинамическая модель в течения в
скважине. Однако, такие модели всё ещё находятся в состоянии первоначальной
разработки и опробования, вследствия чего для получения величин расходов по результатам
осреднённых измерений используют компьютерные программы, предназначенные для
решения систем уравнений.
По
мере усложнения условий, в которых проводится каротаж, анализ жидкостных
потоков становится все более трудным. Так, в стволе скважины происходит
сегрегация фаз, и традиционные прибор, применяемые для проведения осреднённых
измерений характеристик жидкости, реагируют по-разному на отдельные фазы,
перемещающиеся с разными скоростями. Традиционные модели интерпретации,
приближения и предположения относительно характера режима становятся
непригодными. Например, в горизонтальных скважинах может произойти полное
разделение фаз, и отдельные фазы, перемещающиеся с различными скоростями,
делают непригодными традиционные модели жидкостных потоков (рис.2) Поэтому
необходим новый подход к проведению измерений и использованию моделей для
интерпретации таких данных.
Были
разработаны новые методы измерения с применением небольших датчиков, которые
могут быстро обнаружить изменения в локальной структуре потока жидкости. Эти
подходы объединяют проведение новых локальных измерений в сочетании с уже
хорошо известными осредненными измерениями, что позволяет лучше понять
гидродинамику течений. Например, внедрение небольших электрических зондов для
пространственного определения водосодержания и содержания углеводородной фазы в
стволе скважины сделало промысловый каротаж в сильно отклоняющихся и почти
горизонтальных скважинах в большей степени количественным. Небольшой размер
датчиков позволяет получать данные в масштабе долей диаметра пузырька, что
устраняет потребность применения закона перемешивания для интерпретации
измерений.
Исследование
динамики многофазных потоков жидкости в скважинах положило начало захватывающим
новым разработкам в области технологии промыслового каротажа. Прибор PLFlagship
(самый современный комплекс приборов по оценке потоков в скважинах),
разработанный совместно компанией Бритиш Петролеум ЭксплорейшнКампани, Лтд.и
Кембриджским научно-исследовательским центром Шлюмберже, Кембридж, Англия –
первый комплекс датчиков промыслового каротажа для дианостирования проблем,
связанных с потоками жидкостей в сильно искривленных и горизонтальных
скважинах. Прибор различает воду и углеводороды, изменение структуре потока,
определяет величины содержания отдельных фаз и расходы каждой фазы. Измеряются
также давление и температура с применением комбинируемой сборки приборов
промыслового каротажа CPLT, скорость потока
добываемой жидкости с применением расходомера вертушечного типа, содержание
трёх фаз и перемещение жидкости RST, режим потока и
содержание воды посредством электрических импедансных зондов в приборах FloView
и скорость жидкой фазы прибором PVL. Целый ряд концепций,
разработанных и проверенных в рамках комплекса PLFlagshipвоплощены в комплексе
приборов нового поколения для промыслового каротажа – PSPlatform. Это прибор используется
для оценки расхода нефти, газа и воды, а также для анализа данных в реальном
времени на буровой.Комплекс PSPlatform – новейшая разработка
многофазного прибора промыслового каротажа Шлюмберже. Он может работать
телеметрическим каротажным (как одножильным, так и коаксиальным) или в процессе
измерений посредством приборов, спускаемых на проволоке в вертикальных и
наклонно-направленных скважинах. В последнем случае каротажные данные
регистрируют в скважине в память и считывают на поверхности посредством портативного
компьютера. Длина прибора сокращается главным образом благодаря высокому уровню
интеграции: в одном приборе FCIT (Flow-CaliperImagingTool)
размещают датчики для измерения двухфазного потока и профиля колонны, который
может производить необходимые измерения скорости потока и оценивать содержание
фазы на расстоянии всего лишь 41 см от нижнего конца сборки приборов (рис.3).
Имея разрешение по глубине 15 см, этот прибор может точно определять вход
жидкости в самой нижней части буровой скважины. Совокупность результатов
измерений, интерпретируемых на месте, в сочетании с результатами замеров
осреднённых параметров позволяет провести анализ поведения сложной многофазной
жидкости. Преимущество использования нескольких небольших датчиков, помещённых
на разных точках, состоит в том, что специфическая компоновка датчиков
позволяет получать характеристики жидкости в одной плоскости ствола скважины.
Положение этих датчиков может быть в этом случае соотнесено с положением других
осредненных датчиков таких, как вертушечный расходомер, для проведения замеров
на одной и той же глубине. Этот подход значительно увеличивает разрешение по
глубине на входе жидкости. Эта новая платформа промыслового каротажа успешно
опускалась в сильно-искривленных скважины без применения гибких НКТ (ГНКТ).
Новый, компактный
комплексный прибор промыслового каротажа для проведения исследований в
эксплуатационных скважинах PSPlatformсочетает в себе
надёжность и современную конструкцию датчиков. Электрические датчики объёмного
содержания воды были объединены с расходомером вертушечного типа и двухосевым
профилемером для точного определения притока жидкостей глубоко в стволе
скважины. Длина сборки приборов может изменяться в зависимости от требуемой
компоновки датчиков. С применением основной (из трёх приборов) сборки можно
провести трёхфазную диагностику в вертикальных и искривлённых скважинах (рис.4)
Длина этой компоновки – 5,6 м. Сборка состоит (начиная снизу) из комплексного
прибора для измерения двухфазного потока и внутреннего профиля колонн FCIT,
плотномера Gradiomanometerи основного измерительного прибора.
С применением новых методов довольно
просто измерить содержание многофазного потока в вертикальных и искривленных
скважинах. Скорость вертушечного расходомера коррелируется – непосредственно
через величины калиброванного шага вертушечного расходомера, эффективного и
пороговых параметров – со скоростью течения смеси. Размер ствола скважины
(определяемый каверномером) и скорости смеси (определяемой вертушечным
расходомером) используют для того, чтобы определить расход смеси и сделать
поправки с учётом общей плотности флюида, измеренной плотномер.
Пузырьки нефти и газа
поднимаются быстрее, чем вода из-за их плавучести. Скорость скольжения нефти,
представляющая собой разницу между средними скоростями нефти и воды, является
функцией плотности нефти, плотности воды, водосодержания, режима потока и
отклонения трубы. Скорость скольжение газа, представляющая собой разницу между
средним содержанием газовой и жидкостной фаз, является функцией содержания
газовой фазы, режима потока и отклонения трубы.
Литература:
1. Boisnault JM, Guillot D., Bourahla A. Tirlia T., Dahl T, Holmes C., Raiturkar
AM, Maroy P., Moffett C., Genaro Perez Mejta, Ignacio Ramirez Martinez, Revil P
and Roemer R: “Concrete Developments in Cementing Technology” Oil Review 11,
no.1 (Spring 1999); 16-29.
2. Вакулин А.А., Хамов Е.А.
Экспериментальный стенд для изучения течения много- фазных потоков при
различных температурах // Вестник ТюмГУ. 2010. №6. C. 75-79
3.
Брилл
Дж. П., Мукерджи X. Многофазный поток в скважинах. М.-Ижевск, 2006.384 с.