Способ контроля изменений уровней дебитов твердых включений и капельной влаги в газовом потоке в трубопроводе Российский патент 2018 года по МПК G01N29/00 E21B47/107 

Изобретение относится к области измерительной техники, телемеханики, в частности к акустическим методам измерения и контроля содержания твердых и жидких примесей в газожидкостном потоке скважин. Оно может быть использовано в газовой, нефтяной промышленности, в частности, при добыче и подземном хранении газа, для контроля изменений уровней содержания и количества различных компонент взвесенесущего потока при эксплуатации скважин.

Известен способ контроля изменений уровней дебитов твердых включений и капельной влаги в газовом потоке в трубопроводе на устье скважины, заключающийся в приеме и преобразовании акустических сигналов, пропорциональных уровням дебитов твердых включений и капельной влаги в газовом потоке с помощью пьезодатчика акустического, эмиссионного, резонансного типа, с последующей фильтрацией и детектированием выходных сигналов с пьезодатчика и дальнейшей их оцифровкой с помощью аналого-цифрового преобразователя, при этом для отдельных выборок сигнала по времени, полученных на одной или нескольких кратно-разнесенных рабочих частотах, из оцифрованных выборок сигнала строят распределения дискретизированных по времени точек этого сигнала по его величине с заданным шагом дискретизации, образующим шкалу уровней сигнала, затем определяют максимумы в построенных распределениях и от максимумов вверх по величине сигнала определяют крутизну спадов полученных распределений и сравнивают ее с наперед заданными порогами крутизны спадов для различных компонент контролируемого потока и по результатам сравнения диагностируют наличие твердых включений и капельной влаги в газовом потоке по выносу песка и влаги (ВПВ), при этом количественные значения уровней дебита твердых включений и капельной влаги в контролируемом потоке, а также влияние внешних воздействий на трубопровод определяют по положению максимумов построенных распределений на шкале уровней сигнала при использовании градуировочных зависимостей, предварительно полученных при метрологических испытаниях трубопроводов однотипной конфигурации в натурных условиях /Патент RU 2389002, кл. G01F 1/74, G01N 29/00, H04R 29/00, 2009/.

Данный способ принят за прототип.

Недостатком прототипа является отсутствие в нем возможности контроля рисков гидратообразования на устье скважины и в трубопроводах при резких изменениях термобарических параметров газовой смеси, которое может привести как к ее остановке, так и к нарушению режима работы газопровода. Гидратные образования, также как и выносимый пластовый песок, представляют собой твердую фазу в потоке газа. Гидратообразования обусловлены аварийными ситуациями, связанными с вероятностью накопления гидратов и возникновением пробок на определенных участках газотранспортной системы, влекущие за собой прекращение подачи газа. Убытки от рисков определяются потерями в добыче газа из-за простоя скважин и материально- техническими затратами, связанными с ликвидацией гидратных пробок.

Техническим результатом, получаемым от внедрения изобретения, является обеспечение дополнительного контроля уровня гидратообразования в фонтанной арматуре скважины путем использования и синхронной обработки информативного сигнала с датчика акустического в части упругости ударов твердых частиц и дополнительной информации о текущих термобарических параметрах газовой смеси с датчиков температуры и давления.

Данный технический результат достигают за счет того, что в известном способе контроля изменений уровней дебитов твердых включений и капельной влаги в газовом потоке в трубопроводе на устье скважины, заключающемся в приеме и преобразовании акустических сигналов, пропорциональных уровням дебитов твердых включений и капельной влаги в газовом потоке с помощью пьезодатчика акустического, эмиссионного, резонансного типа, с последующей фильтрацией и детектированием выходных сигналов с пьезодатчика и дальнейшей их оцифровкой с помощью аналого-цифрового преобразователя, при этом для отдельных выборок сигнала по времени, полученных на одной или нескольких кратно-разнесенных рабочих частотах, из оцифрованных выборок сигнала строят распределения дискретизированных точек этого сигнала по его величине с заданным шагом дискретизации, образующим шкалу уровней сигнала, затем определяют максимумы в построенных распределениях и от максимумов вверх по величине сигнала определяют крутизну спадов полученных распределений, и сравнивают ее с наперед заданными порогами крутизны спадов для различных компонент контролируемого потока и по результатам сравнения диагностируют наличие твердых включений и капельной влаги в газовом потоке, при этом количественные значения уровней дебита твердых включений и капельной влаги в контролируемом потоке, а также влияние внешних воздействий на трубопровод определяют по положению максимумов построенных распределений на шкале уровней сигнала при использовании градуировочных зависимостей, предварительно полученных при метрологических испытаниях трубопроводов однотипной конфигурации в натурных условиях, в моменты контроля дебитов твердых включений и капельной влаги в газовом потоке в трубопроводе на устье скважины дополнительно синхронно измеряют перепады температуры и избыточного давления потока, обусловливающие фазовые превращения в газовой смеси, по значению которых контролируют уровни образования гидратных структур и оценивают уровень гидратообразования на устье скважины, а контроль изменений уровней дебитов фаз проводят, когда уровень гидратообразования на устье скважины не превышает наперед заданного порогового значения.

Измерение перепада температуры проводят на стенке и внутри канала фонтанной арматуры скважины.

При оценке уровня гидратообразования на устье скважины при обнаружении ударов твердых частиц на кратно разнесенных частотах проводят сравнение амплитуд и дисперсии сигналов, по результатам которого выделяют неупругие удары частиц гидрата.

Уровень гидратообразования на устье скважины оценивают в соответствии с термобарическими условиями образования и появления гидрата в газожидкостном потоке.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 представлена схема реализации способа, на фиг. 2…9 - диаграммы, поясняющие существо способа.

На выходном трубопроводе 1 устья скважины смонтирован датчик 2 акустический (ДА), эмиссионный, резонансного типа (как в прототипе).

Выход датчика 2 соединен с блоком обработки 3, содержащим входной усилитель 4, узкополосный фильтр 5 с низкочастотным детектором, АЦП 6 и амплитудный дискриминатор, и анализатор на основе микроконтроллера 7, осуществляющего также обработку показаний датчиков температуры 8 и давления 9 газа.

Таким образом, согласно фиг. 1 в схему дополнительно включены датчик температуры 8 и датчик избыточного давления 9, выходы которых также соединены с соответствующими каналами в блоке обработки 3.

Реализация способа с помощью представленной на фиг. 1 схемы основана на следующем.

Фазовое состояние взвесенесущего газового потока определяется расходом газа (дебитом), влажностью и термобарическими параметрами: Р_г - давление газа в трубопроводе, Т_г - температура газа, Т_в - температура окружающей среды, ветровая нагрузка (скорость ветра) - V_в. При изобарическом процессе охлаждения газа ниже значений температуры фазового перехода возникают условия для конденсации паров влаги. При этом возможен переход паровой влаги как в капельное состояние, так и в твердое с образованием гидратных структур (десублимация). При конденсации пара выделяется теплота фазового перехода (скрытая теплота парообразования), поэтому процесс конденсации неразрывно связан с конвективным теплообменом в поперечном и продольном сечении трубопровода.

Температура фазового перехода (точка росы) и количество конденсата зависят от влагосодержания газовой смеси. При этом:

- чем ниже влажность, тем точка росы ниже фактической (текущее значение) температуры;

- чем выше влажность, тем точка росы выше и ближе к фактической температуре;

- если относительная влажность составляет 100%, то точка росы совпадает с фактической температурой.

Поэтому в отличие от прототипа на устье скважины для контроля термобарических параметров газовой смеси в блок обработки сигналов 3 дополнительно включены каналы приема и синхронной обработки показаний температуры и давления газа с соответствующими датчиками 8 и 9.

При этом способ обработки сигналов отличается тем, что акустический канал, работая на двух кратно разнесенных частотах, контролирует моменты проявлений упругих (песок) и неупругих (гидрат) ударов твердых включений и капельной влаги, а каналы контроля температуры и давления регистрируют перепады этих параметров в моменты проявлений твердых включений и капельной влаги, величина и знак изменений которых позволяет идентифицировать уровень гидратообразования на устье скважины, оценивая его в соответствии с термобарическими условиями образования гидратных структур.

Когда измеренные таким образом пороговые уровни содержания частиц гидрата на устье скважины превышают наперед заданный порог, блок обработки 3 (фиг. 1) по интерфейсу RS45 передает верхней телеметрической системе управления по оптимизации добычи газа сигнал превышения, по которому принимается решение о подаче на устье скважины соответствующей уровню гидратообразования порции ингибитора.

Лабораторными исследованиями установлен характер отличия импульсов-откликов воздействия упругих ударов песка и упругопластических ударов частиц гидрата. Имитатором гидрата служил при этом пористый селикагель, по физическим свойствам близкий к частицам гидрата. На фиг. 2 приведен фрагмент хронограммы ударов селикагеля (гидрата) о металлическую стенку трубопровода, на фиг. 3 - ударов частиц песка (на частоте 200 кГц и на частоте 640 кГц). По оси X - отложено время в секундах, а по оси Y - уровень сигнала в дБ.

Из приведенных хронограмм видно, что задний фронт импульсов от ударов гидрата существенно положе, чем от ударов песка. Практически каждый удар частиц песка является упругим, т.к. имеет отклик на обеих частотах, в то время как упругопластические удары селикагеля (гидрата) имеют отклик чаще только на более низкой частоте. Сравнительная статистика откликов на двух частотах позволяет выделить из общего количества импульсов отклики - импульсы упругопластических ударов частиц гидрата о стенку трубопровода в потоке газа на скважине.

На фиг. 4 представлен фрагмент показаний датчика 2 (фиг. 1) при изменяющихся метеоусловиях (отрицательной температуре наружного воздуха и скорости ветра). Из графика видно, что наблюдается прямая зависимость понижения температуры с началом регистрации превышения первого, а затем и второго уровня содержания твердых включений, которое связано с началом образования гидратных структур при прохождении пластовой смеси по каналу фонтанной арматуры. Постепенное снижение температуры окружающей трубопровод среды при неизменной ветровой нагрузке (3÷5) м/с усиливает теплообменные процессы на поверхности фонтанной арматуры, что приводит к понижению температуры внутреннего приповерхностного слоя газового потока.

На фиг. 5 представлена графическая интерпретация динамики изменения соотношения «давление - температура» ((Р/Т) - как безразмерного параметра) и зарегистрированные датчиком 2 (фиг. 1) уровни образования твердых включений - гидратных структур.

Пунктирная линия термодинамического параметра (Р/Т) условно делит значения уровней содержания гидрата в потоке газа на две области. Значениям соотношения (Р/Т), находящимся ниже величины 4,95, соответствует 1-й уровень выноса твердых фракций и воды (на графике уровни ВПВ). Значениям (Р/Т), находящимся выше величины 4,95, - 2-й уровень ВПВ. Таким образом, можно представить механизм образования гидратных структур при прохождении потока газа по каналу фонтанной арматуры как результат интенсификации теплообменного процесса в условиях воздействия наружной конвекции.

На фиг. 6 и 7 представлены показания датчика 2 по наличию твердых включений и воды в потоке газа, а также скачок давления как результат фазовых превращений с выбросом продуктов деструкции гидрата в виде капельной влаги.

Из приведенных диаграмм видно, что перепады температуры газа, провоцирующие процесс гидратообразования, могут составлять от (0,5÷0,7)°С до нескольких град. С, а длительность их зависит от динамики изменения значений температуры поверхности трубы и метеоусловий. Провоцируемые при этом выбросы ВПВ сопровождаются перепадами давления от 0,5 кг/см² до (1,5÷2) кг/см². Зафиксированные значения перепадов и их продолжительность практически могут быть использованы для оценки уровня гидратообразования как в режиме текущего мониторинга показаний ВПВ, так и при анализе архивированных данных.

Фазовые превращения, наблюдаемые при переменных значениях термобарических параметров газожидкостного потока под влиянием резких изменений метеоусловий (см. фиг. 8), приводят, как правило, к образованию, и выносу гидрата. Это, в свою очередь, вызывает резкое изменение режима работы скважины (см. фиг. 9), вплоть до полной ее остановки. Наиболее вероятным местом начала образования гидрата в фонтанной арматуре скважины является внутренний канал углового штуцера (см. фиг. 1). Это обусловлено наличием дополнительных негативных факторов для начала образования гидратных структур: сужение проходного сечения канала (100/60 мм), повышенная зона турбулентности и изменения направления потока газа (90°), увеличенная поверхность теплообмена. Из приведенных на фиг. 9 данных видно, что при достижении лавинообразного выноса гидрата датчик 2 (фиг. 1) регистрирует пиковые значения содержания твердых включений до 5-го уровня. Накопление гидрата в канале фонтанной арматуры и выходном газопроводе вызвало снижение устьевого давления газа в течение 9 часов и привело к остановке скважины. На фиг. 9 видно, что продувка и прогрев скважины через газофакельную установку (ГФУ) сопровождались выносом гидратного массива (до 5-го уровня по твердым включениям) и двух пачек воды (до 4-го уровня по капельной фракции). После пуска скважины в работу ее параметры были выведены на рабочий режим.

Промысловыми исследованиями скважин с использованием предложенного способа установлено, что в осенне-зимний-весенний периоды требуется постоянный мониторинг и контроль гидратообразования с целью оптимизации режима работы скважин, газосборной сети и экономии ингибитора. При обработке сигналов предложенным способом акустический канал, работая на двух кратно разнесенных частотах, контролирует моменты проявлений упругих (песок) и неупругих (гидрат) ударов твердых включений и капельной влаги, а каналы контроля температуры и давления синхронно регистрируют перепады этих параметров в периоды фазовых превращений на фоне проявлений твердых включений и капельной влаги, величина и знак изменений которых позволяет идентифицировать уровень гидратообразования на устье скважины, оценивая уровень в соответствии с термобарическими условиями образования гидратных структур.

Изобретение относится к области газодобывающей промышленности и может быть использовано для контроля изменений уровней дебитов различных компонент взвесенесущего газового потока в эксплуатационных условиях газовых скважин. Техническим результатом, полученным от внедрения изобретения, является дополнительный контроль уровня гидратообразования на скважине путем использования информативного сигнала с датчика акустического, резонансного, эмиссионного типа и дополнительной информации о газодинамических условиях, в которых получается информация датчика. Для достижения поставленного технического результата в известном способе контроля изменений уровней дебита твердых включений и капельной влаги в газовом потоке в трубопроводе на устье скважины в моменты контроля дебитов твердых включений и капельной влаги в газовом потоке в трубопроводе на устье скважины дополнительно синхронно измеряют перепады температуры и избыточного давления потока, обусловливающие фазовые превращения в газовой смеси, по значению которых контролируют уровни образования гидратных структур и оценивают уровень гидратообразования на устье скважины, а контроль изменений уровней дебитов фаз проводят, когда уровень гидратообразования на устье скважины не превышает наперед заданного порогового значения. 3 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Способ контроля изменений уровней дебитов твердых включений и капельной влаги в газовом потоке в трубопроводе на устье скважины, заключающийся в приеме и преобразовании акустических сигналов, пропорциональных уровням дебитов твердых включений и капельной влаги в газовом потоке с помощью пьезодатчика акустического, эмиссионного, резонансного типа, с последующей фильтрацией и детектированием выходных сигналов с пьезодатчика и дальнейшей их оцифровкой с помощью аналого-цифрового преобразователя, при этом для отдельных выборок сигнала по времени, полученных на одной или нескольких кратно-разнесенных рабочих частотах, из оцифрованных выборок сигнала строят распределения дискретизированных точек этого сигнала по его величине с заданным шагом дискретизации, образующим шкалу уровней сигнала, затем определяют максимумы в построенных распределениях и от максимумов вверх по величине сигнала определяют крутизну спадов полученных распределений, и сравнивают ее с наперед заданными порогами крутизны спадов для различных компонент контролируемого потока, по результатам сравнения диагностируют наличие твердых включений и капельной влаги в газовом потоке, при этом количественные значения уровней дебита твердых включений и капельной влаги в контролируемом потоке, а также влияние внешних воздействий на трубопровод определяют по положению максимумов построенных распределений на шкале уровней сигнала при использовании градуировочных зависимостей, предварительно полученных при метрологических испытаниях трубопроводов однотипной конфигурации в натурных условиях, отличающийся тем, что в моменты контроля дебитов твердых включений и капельной влаги в газовом потоке в трубопроводе на устье скважины дополнительно синхронно измеряют перепады температуры и избыточного давления потока, обусловливающие фазовые превращения в газовой смеси, по значению которых контролируют уровни образования гидратных структур и оценивают уровень гидратообразования на устье скважины, а контроль изменений уровней дебитов фаз проводят, когда уровень гидратообразования на устье скважины не превышает наперед заданного порогового значения.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что изменение перепада температуры проводят на стенке и внутри трубопровода.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при оценке уровня гидратообразования на устье скважины при обнаружении ударов твердых частиц на кратно разнесенных частотах проводят сравнение амплитуд и дисперсии сигналов, по результатам которого выделяют неупругие удары частиц гидрата.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что уровень гидратообразования на устье скважины оценивают в соответствии с термобарическими условиями образования гидратных структур с учетом метеорологических условий.