СИСТЕМА КОНТРОЛЯ СОДЕРЖАНИЯ ВОДЫ Российский патент 1996 года по МПК E21B47/10 B01D17/00 

Настоящее изобретение относится к устройствам контроля и, в частности, к устройствам контроля с обеспечением выдачи сигнала, соответствующего процентному содержанию воды в потоке.

Настоящее изобретение обеспечивает создание устройства контроля относительного содержания воды в потоке жидкости, которое включает отстойную емкость или отстойник, в котором накапливается определенное количество жидкости, получаемой от действующей нефтяной скважины. Жидкость удаляется из отстойника путем слива после определенной выдержки в отстойнике, в результате чего происходит ее разделение на три разнородных компонента: свободную воду, смесь воды с нефтью и нефть с включением воды. Устройство обеспечивает измерение расхода жидкости, генерацию сигнала в зависимости от величины расхода, а также измерение температуры с выдачей сигнала, соответствующего температуре жидкости в потоке. Контрольное устройство наличия воды включает серию электродов, находящихся в контакте с жидкостью. Электронный блок, соединенный с по крайней мере одним из указанных электродов, обеспечивает наличие потенциала и ток в соединительной цепи, а также обеспечивает появление электрических сигналов, соответствующих потенциалу, току в цепи и фазовому углу между их векторами. При этом осуществляется измерение потенциала в потоке и напряжение сигнала. Вычислительное устройство определяет границу раздела воды в потоке нефти с учетом сигналов, соответствующих температуре в потоке, потенциалу, фазовому углу, а также измеренному напряжению выходного сигнала.

Цели и преимущества настоящего изобретения очевидны из следующего ниже описания со ссылками на прилагаемые рисунки и двух примеров осуществления изобретения, приведенных для иллюстрации. Следует подчеркнуть, что предлагаемые рисунки служат только целям иллюстрации осуществления изобретения и не могут быть истолкованы как ограничивающие его объем.

На рис. 1 представлены устройство и способ контроля наличия включений воды в потоке жидкости в соответствии с настоящим изобретением.

На рис. 2 представлена диаграмма последовательности операций контрольного устройства, представленного на рис. 1.

На рис. 3 представлены частичная упрощенная блок-диаграмма и структурная схема одного из примеров осуществления изобретения контрольного устройства, представленного на рис. 1.

На рис. 4 представлена частичная упрощенная блок-диаграмма и частичная структурная схема еще одного примера осуществления контрольного устройства, представленного на рис. 1.

Добыча нефти определяется параметрами: ежедневной добычей количества нефти, выраженного в баррелях /BORD/ и количества полученной сопутствующей воды в день в баррелях /BWPD/. Эти количественно выраженные параметры могут быть определены измерением расхода жидкости и содержащейся воды. На рынке существует значительное число расходомеров, обеспечивающих удовлетворительное измерение расхода жидкостей. Аналогично на рынке имеются устройства для измерения количества содержащейся в потоке жидкости воды. Большинство этих измерительных устройств имеют конструкцию, делающую их использование возможным только в том случае, если нефть в водно-нефтяном потоке представляет собой сплошную среду, т.е. если вода присутствует в нефти во взвешенном состоянии. Эти измерительные устройства работают как устройства с датчиком емкостного типа и работают удовлетворительно, когда пространство между измерительными электродами заполнено нетокопроводящей (т.е. имеющей высокое сопротивление) средой. В эмульсиях с присутствием воды в виде сплошной среды в чувствительном элементе существуют токопроводящие зоны, которые приводят к короткому замыканию /КЗ/, исключая таким образом возможность использования датчиков емкостного типа. Эффект КЗ проявляется в наибольшей степени при изменениях содержания растворенной соли и температуры, делая применение датчиков емкостного типа бесполезным в водных эмульсиях, содержащих даже небольшое количество соли. Настоящее изобретение недорогое и способно работать при концентрациях воды в диапазоне от 0 до 100% даже при высокой засоленности эмульсии, содержащей тяжелые фракции нефти.

Как видно из рис. 1, позицией 3 обозначена испытываемая скважина, обеспечивающая производственный расход к отстойному баку 10 по трубопроводу 14. После закачки определенного количества рабочей жидкости в отстойный бак 10 его заполнение прекращается. В течение определенного периода времени жидкость в отстойном баке 10 частично разделяется на слои, при этом вода скапливается на дне бака 10, над ней располагается слой водонефтяной эмульсии со значительным содержанием воды, и, наконец, верхний слой представляет собой эмульсию со значительным содержанием нефти, вплоть до сплошной нефти. По истечении заданного периода времени жидкость со дна бака 10 перекачивается насосом 20, который управляется устройством 21 AWT через линию 23 с расходомером 25 и устройством 30 контроля расхода воды в технологическую систему.

Устройство контроля 30 обеспечивает подачу пяти сигналов к процессору 22, соответствующих потенциалу V_i, току I_i, фазовому углу РН, измеренному напряжению V_s и температуре Т. Прием и использование этих сигналов будут пояснены ниже.

Первоначальная порция перекачиваемой жидкости со дна бака 10 представляет собой практически всегда воду. Система контроля содержания воды в соответствии с настоящим изобретением осуществляет измерение сопротивления воды (Z воды), и его величина фиксируется в памяти системы. В момент, когда через контрольное устройство 30 начнет подаваться эмульсия с высоким содержанием воды, сопротивление рабочей среды /Z эмульсии/ возрастает. Отношение сопротивления эмульсии /Z_эм/ к сопротивлению воды /Z_в/ пропорционально содержанию воды в эмульсии. Когда по мере расходования рабочей жидкости из бака 10 происходит смена эмульсии с преимущественным содержанием воды на эмульсию с преимущественным содержанием нефти, фазовый угол между векторами V_i и I_i резко увеличивается.

Это увеличение используется для изменения способа измерения, при котором происходит инверсия соотношения между сопротивлением среды и процентным содержанием воды. Устройство, соответствующее настоящему изобретению, способно переходить с режима работы на эмульсию, обогащенную водой, на эмульсию, обогащенную нефтью, и обратно без уменьшения точности. В случае, когда в баке отсутствует свободная вода, устанавливается сопротивление Z, характерное для скважин, дающих нефть с низким содержанием воды.

На рис. 2 с картой процесса под поз. 50 представлен насос 20, включаемый сигналом к насосу. Этот сигнал к насосу используется для фиксации начальных значений всех коэффициентов и параметров, используемых в вычислениях, представленных поз. 51 с надписью "обнуление". При этом фиксируются следующие исходные значения: коэффициенты A, B, C, D и Е, используемые при работе на обедненной нефтью эмульсии, коэффициенты F, G и Н, используемые при работе на обогащенных эмульсиях, параметр КА, характеризующий сопротивление среды, параметры AA и BB, характеризующие температурную характеристику, и параметр SWINT, характеризующий исходное сопротивление рабочей среды.

От элемента 51 диаграммы мы переходим к элементу 53, обозначенному подписью "Сontinue mode", что означает, что процессор 22 (см. рис. 1) переводит систему к выполнению следующего этапа, обозначенного позицией 55. Этап, отмеченный поз. 55 "Acquire data" (прием данных), состоит в приеме сигналов, представляющих параметры V_i, I_i, PH, V_s и температуру среды. Элементом 59 диаграммы процесса обозначен этап, в результате которого осуществляется вычисление средних значений принятых данных. От элемента 59 мы переходим к этапу поз. 62 логической диаграммы, в процессе выполнения которого задается вопрос: соответствует ли число образцов десяти? Если ответ "нет", система возвращается к элементу, обозначенному поз. 53 ("Continue"), и измерения повторяются, повторяются и вычисления, пока не будет накоплено 10 значений параметров, которые осредняются, после чего в поз. 62 формируется ответ "да", который передается на элемент 63, который формирует вопрос "больше ли по величине фазовый угол 80^o?". Если PH>80^o, в качестве рабочей жидкости мы имеем обогащенную нефтью эмульсию и в элементе 88 логической диаграммы осуществляется вычисление сопротивления среды Z_i, а элемент 90 обозначает вычисление содержания воды с использование уравнения:
1. WC F + G(Z_i) + H(Z_i)².

Если PH<80^o, то поз. 65 обозначено вычисление текущего значения сопротивления Z_s из соотношения:
2. Z_s (V_s/I_i) x KA.

Полученное значение сопротивления Z_s затем корректируется по изменению температуры среды с использованием уравнений:
3. Z_scor Z_s + KB x Z_s x /DEGC-40/,
4. DEGC AA + BB x Temp.

Выполнение этих операций представлено элементом 67, снабженным надписью "Корректировка параметра Z_s по температуре". От элемента поз. 67 логикой системы предусмотрены переход к элементу поз. 72, которым обозначено логическое утверждение: если скорректированная величина Z_s меньше, чем Z воды, установить величину воды, равную скорректированному значению Z_s. Этой процедурой определяется сопротивление Z воды как наименьшее измеренное сопротивление среды. Если скорректированное значение Z_s больше величины Z воды, значение Z воды не меняется и следующий этап представлен элементом 75 с указанием "Вычисленное соотношение сопротивлений Z_rat". Вычисленное соотношение сопротивлений Z_rat равно отношению скорректированного сопротивления Z_scor среды к сопротивлению воды Z воды.

Наконец, поз. 78 обозначен этап, на котором значение Z_rat используется для вычисления содержания воды /WC/ в обедненной эмульсии с использованием уравнения 5:
5. WC A + B(Z_rat) + C(Z_rat)² + D(Z_rat)³ +E(Z_rat)⁴
Это вычисленное значение параметра WC генерируется процессором 22 в виде сигнала WC к контроллеру 21 /AWT/.

Элементом поз. 83 обозначен вопрос: включен ли насос?
Если ответ положительный, процессор возвращает к элементу поз. 53, который обозначает выполнение новых измерений. Если же насос выключен, процесс измерений приостанавливается (элемент поз. 95 логической диаграммы).

Коэффициент уравнения при работе на обедненных эмульсиях определяются опытным путем фиксации значений Z_rat при отборе проб жидкости. Пробы затем анализируются для определения действительного процентного содержания воды. График зависимости параметра WC от параметра Z_rat получают, используя имеющееся программное обеспечение аппроксимации данных. Это программное обеспечение позволяет получить кривую, соответствующую нанесенным точкам, и коэффициенты полинома результирующей кривой. Данные отбираются для воды с разной степенью солености, и определяется кривая, которая наиболее соответствует всем точкам. Коэффициенты аппроксимирующей кривой используются для получения уравнения в виде полинома, соответствующего режиму работы с обедненными эмульсиями.

Коэффициенты уравнения по содержанию воды в обогащенных эмульсиях определяются аналогичным образом с одновременной фиксацией значений сопротивления среды Z_i и отбором проб продукта, о котором известно, что он представляет собой обогащенную нефтью эмульсию. Кривую, соответствующую зависимости экспериментальных значений WC-Z_i, получают с помощью программы, при этом определяются коэффициенты. Эти коэффициенты затем вводятся в уравнение 1.

В одном из примеров осуществления настоящего изобретения контрольное устройство 30 имеет вид, представленный на рис. 3. Испытуемая камера 100 включает корпус 101 со спрямляющими участками трубопровода 103. Корпус 101 имеет прямоугольную в поперечном сечении форму. Спрямляющие участки 103 обеспечивают подсоединение корпуса 101 к магистрали 23. Испытуемая камера 100 оборудована тремя электродами 104, 105, и 106, установленными параллельно изолятору 108 и образующими чувствительный элемент 110 с кольцевыми посадочными местами 119. Электронная схема возбуждения 125 включена между заземлением 118 и электродом 104.

Схема возбуждения 125 включает генератор, создающий переменное напряжение между электродом 104 и землей, благодаря наличию которого внутри потока жидкости возникает ток. Хотя в соответствии с настоящим изобретением может использоваться переменное напряжение как относительно низких, так и высоких частот, предпочтительным частотным диапазоном является диапазон частот от 1 до 50 МГц. Электронная схема возбуждения 125 обеспечивает формирование сигналов V_i и I_i, соответствующих напряжению и току в цепи датчика. Электрический сигнал, поданный на электрод 104, создает электрическое поле в потоке жидкости. Электроды 105 и 106 соединены с электронным преобразователем 130, который воспринимает разность потенциалов между электродами 105 и 106 и обеспечивает выдачу соответствующего выходного сигнала V_s. Датчик температуры 137 измеряет температуру в потоке жидкости внутри трубопровода 23 и выдает соответствующий температуре сигнал Т.

На рис. 4 представлен другой пример осуществления контрольного устройства 30 неинтрузивного типа. В этом случае электроды, устройство которых будет рассмотрено ниже, не располагаются в потоке жидкости. Как видно из рис. 4, контрольная камера 150 имеет внутреннее соединение с магистралью 23. Соединительные узлы (фитинги) не показаны, но очевидно, что контрольная камера 150 снабжена узлами плавного подсоединения к магистрали 23.

Контрольная камера, за исключением особо оговоренных случаев, изготовлена из металла. В этом отношении следует отметить, что контрольная камера 150 снабжена четырьмя электродами 152, 154, 156 и 157, установленными таким образом, что их внутренняя поверхность оказывается заподлицо с внутренней поверхностью трубопровода 23. Как видно из рис. 4, электроды 152-157 выполнены в виде колец и находятся в непосредственном контакте с жидкостью, протекающей по тракту контрольного устройства. Электроды 152-157 отделены (заизолированы) от металлического корпуса 160 контрольной камеры 150 политетрафлуоретиленовыми (тефлоновыми) шайбами 165-171, которые концентрично расположены внутри тефлоновой втулки 180, заключенной внутри металлического цилиндра 185. В цилиндре 185 выполнены отверстия 190, через которые осуществлено электрическое соединение электродов 152 и 154 с электронной схемой возбуждения 125, а также соединение электродов 156 и 157 с преобразователем 130. Кроме того, между каждым изоляционным кольцом и электродом установлены кольца 195 круглого сечения внутри металлического корпуса 160. Работа контрольного устройства в соответствии со вторым примером его осуществления аналогична первому с той лишь разницей, что ток между электродами 152 и 154 создает электрическое поле, параллельное потоку жидкости, в отличие от первого примера, в котором электрическое поле перпендикулярно потоку.

Температура жидкости в потоке измеряется датчиком температуры 137, как это было описано ранее для другого примера осуществления изобретения.

Сущность изобретения: жидкость от работающей скважины собирают в накопителе и разделяют на слой свободной воды, эмульсии с повышенным содержанием воды и эмульсии с повышенным содержанием нефти; разделенная жидкость протекает через контрольное устройство, имеющее электроды, обращенные к жидкости; источник питания обеспечивает переменные напряжения и ток через электроды и формирование /надевание/ сигнала напряжения V_i и сигнала наведенного тока I_i, генератор обеспечивает формирование сигнала pН, соответствующего фазовому углу; датчик, подсоединенный к другому указанному электроду, обеспечивает измерение сигнала напряжения V_s; датчик обеспечивает сигнал Т, соответствующий температуре в жидкости; процессор обеспечивает формирование сигнала WC /содержание воды/ с учетом сигналов V_i, I_i, PH, V_s и Т и зависящего от того, является ли рабочая жидкость эмульсией с преимущественным содержанием воды или нефти. 9 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Система контроля содержания воды, включающая датчик температуры, расходомер, устройство контроля содержания воды, установленные в водонефтяном потоке, процессор, соединенный с датчиком температуры, отличающаяся тем, что она содержит накопитель-отстойник для накопления определенного количества жидкости из работающей скважины, который обеспечивает частичное разделение жидкости на три слоя: свободную воду, эмульсию с преимущественным содержанием воды и эмульсию с преимущественным содержанием нефти, насос, установленный после накопителя-отстойника и обеспечивающий подачу водонефтяного потока через определенный промежуток времени, необходимый для процесса разделения жидкости на слои, причем устройство контроля содержания воды включает семь электродов, помещенных в водонефтяной поток, источник питания, подсоединенный к первому, четвертому и пятому электродам для обеспечения сигналов наведенного напряжения Vi и наведенного тока Ii, фазогенератор, обеспечивающий генерацию сигнала РН, соответствующего фазовому углу между векторами наведенных напряжения и тока, датчик напряжения, подсоединенный к второму, третьему, шестому и седьмому электродам для формирования сигнала Vs, соответствующего измеряемому напряжению, процессор, соединенный с источником питания, фазогенератором и измерителем напряжения для формирования сигнала, соответствующего содержанию воды в водонефтяном потоке с учетом температурного сигнала Т, сигнала наведенного напряжения Vi, сигнала наведенного тока Ii, сигнала фазового угла РН и сигнала измеряемого напряжения Vs. 2. Система по п.1, отличающаяся тем, что процессор обеспечивает преобразование сигнала, соответствующего величине сопротивления в водонефтяном потоке Zi, в соответствии с сигналом наведенного напряжения Vi, сигналом наведенного тока Ii в сигнал, соответствующий содержанию воды WС в потоке эмульсии с преимущественным содержанием нефти в соответствии с математическим выражением
WС F + G(Zi) + H(Zi)²,
где F, H и G коэффициенты, определенные опытным путем. 3. Система по пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что процессор обеспечивает измерение сопротивление Zs в соответствии с сигналом измеряемого напряжения Vs и сигналом наведенного тока Ii для формирования скорректированного значения сопротивления Z scor с учетом температурного сигнала Т и определяет отношение сопротивлений Z rat в соответствии с математическим выражением
Z rat (Z scor)/(Z wtr),
где Z wtr сопротивление свободной воды,
которое может быть измерено, либо определено заранее. 4. Система по п.3, отличающаяся тем, что процессор обеспечивает формирование сигнала содержания воды WС в эмульсии с преимущественным содержанием воды в соответствии с математическим выражением
WC A + B (Z rat) + C (Z rat)² + D (Z rat)³ + E (Z rat)⁴,
где A, B, C, D и E коэффициенты. 5. Система по пп.1 4, отличающаяся тем, что процессор обеспечивает формирование сигнала фазового угла для установления, имеет ли место случай эмульсии с преимущественным содержанием нефти или эмульсии с преимущественным содержанием воды, в первом случае сигнал фазового угла больше заданного значения, во втором случае меньше заданного значения. 6. Система по пп.1 5, отличающаяся тем, что расходомер обеспечивает формирование сигнала, соответствующего расходу водонефтяного потока из накопителя-отстойника, процессор обеспечивает формирование сигнала, соответствующего расходу водонефтяного потока и сигнала WС, соответствующего содержанию воды, для определения суммарного количества воды в жидкости в накопителе-отстойнике. 7. Система по пп.1 6, отличающаяся тем, что источник питания обеспечивает питание переменным током с частотой в диапазоне частот от 1 до 50 МГц. 8. Система по пп.1 7, отличающаяся тем, что устройство контроля содержания воды включает контрольную камеру, соединенную с трубопроводом от насоса и имеющую установленные в ней семь электродов. 9. Система по пп.1 8, отличающаяся тем, что источник питания соединен с четвертым и пятым электродами для получения наведенного тока в поле водонефтяного потока между этими электродами, а измеритель напряжения соединен с шестым и седьмым электродами, расположенными в стороне от четвертого и пятого электродов, и обеспечивает измерение напряжения в водонефтяном потоке между шестым и седьмым электродами. 10. Система по пп.1 8, отличающаяся тем, что источник питания соединен с первым электродом и заземлением для получения наведенного тока в водонефтяном потоке от первого электрода к заземлению, а датчик напряжения подсоединен к второму и третьему электродам, расположенным в стороне от первого электрода и заземления, и осуществляет измерение напряжения в водонефтяном потоке между вторым и третьим электродами.