Способ исключения влияния механических примесей на измеряемый резистивным датчиком сигнал Российский патент 2025 года по МПК G01N27/403 G01N27/02 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Изобретение относится к газодобывающей отрасли и может быть использовано при контроле за разработкой газовых и газоконденсатных месторождений.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Появление воды любого типа в интервале перфорации газовых и газоконденсатных скважин способствует разрушению прискважинной зоны пласта и снижению продуктивности [1, 2].

Известен способ оперативного непрерывного контроля обводнения скважин (под обводнением понимается появление в продукции скважины пластовой или иной воды), основанный на мониторинге в трубопроводе удельного электрического сопротивления и температуры попутной жидкости с использованием резистивного датчика, расположенного в углублении на нижней образующей горизонтального трубопровода [3, 4, 5].

Работа датчика основана на следующем физическом принципе: - измеряемая на частоте 1 кГц величина электрического сопротивления между электродами А и B (сигнал датчика) однозначно связана с удельным электрическим сопротивлением жидкости ρ, находящейся в измерительной ячейке. Удельное сопротивление, в свою очередь, определяется степенью минерализации раствора и температурой жидкости в момент измерения.

Описываемый датчик успешно испытан в производственных условиях при апробации способа контроля за обводнением скважин [5]. Недостатком известного способа контроля за обводнением скважин [5] с использованием резистивного датчика является отсутствие научно-технического обоснования оценки степени влияния механических примесей на показания резистивного датчика. Эти примеси, представляющие собой частицы породы коллектора, не проводят электрический ток.

Технической проблемой заявляемого изобретения является устранение вышеуказанного недостатка, а техническим результатом - научно обоснованный способ исключения влияния механических примесей на измеряемый резистивным датчиком сигнал.

РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Теоретическое обоснование получения технического результата

В результате статических и динамических экспериментов со смесями, представленными солевым раствором и кварцевым песком размером 0,05 мм, установлено, что содержание механических примесей в газовом потоке практически не влияет на значения электрического сопротивления и расчетной минерализации при доле механических примесей в жидкой фазе газожидкостного потока до 10% по объему [5].

Результаты этого эксперимента с одним гранулометрическим составом оставляют без ответа следующие важные вопросы. Как влияют размеры включений на окончательные выводы? Остаются ли справедливыми выводы при малой доле примеси, но превышающей 10%?

Для достоверного ответа на сформулированные выше вопросы предлагается научно обоснованный подход к получению технического результата, основанный на теории эффективной среды Максвелла Гарнетта [6, 7]. Эффективной называют среду, состоящую из вмещающей среды с включениями простой геометрической формы. В теории предполагается, что объемная доля включений мала. В предлагаемой модели в качестве вмещающей среды выступает скважинная жидкость, а включениями являются элементы механической примеси (например, отдельные песчинки).

В литературе имеются данные о применимости теории эффективной среды для объемной доли включений, достигающей 30% [11, 12].

Пусть γ_е, ε_е - электрическая проводимость и диэлектрическая проницаемость вмещающей среды. Поскольку рабочая частота датчика мала (1кГц), под диэлектрической проницаемостью будем понимать статическую (низкочастотную) диэлектрическую характеристику среды. Соответствующие параметры сферических включений, произвольно расположенных во вмещающей среде, обозначим через γ_j, ε_j. Теория эффективной среды рассматривает среду с включениями как однородную, с эффективными параметрами γ_eƒƒ, ε_eƒƒ, и устанавливает следующие соотношения между истинными и эффективными параметрами:

В формулах (1) коэффициент ƒ₁ обозначает объемную долю включений, т.е. объем пространства, занятого материалом включений. Для величин γ_ie,ε_ie справедливы следующие неравенства:

Поскольку ƒ₁<1, abs(γ_ie)<1, abs(ε_ie)<1, то из (1) можно получить следующее приближенное соотношение для ρ_eƒƒ, ε_eƒƒ, и их произведения ρ_eƒƒ⋅ε_eƒƒ:

Диэлектрическая проницаемость жидкости ε_е много больше диэлектрической проницаемости включения ε_i, а проводимость включения γ_i много меньше электропроводности вмещающей среды γ_e. Поэтому, справедливы оценки γ_ie ≈ -0,5, ε_ie ≈ -0,5, а соотношения (3) допускают следующие представления:

Выводы из соотношений (1) - (4):

1. Если известна априорная информация об объемной доле включений, то можно пренебречь влиянием примесей на измеряемое сопротивление (ƒ₁ << 1), либо оценить это влияние, используя соответствующую формулу из (4).

2. Если в процессе работы с датчиком удается получить не только значение эффективного удельного сопротивления, но и величину эффективной диэлектрической проницаемости, то произведение этих параметров свободно от влияния механических примесей (формулы (4)).

Связь диэлектрической проницаемости с другими электрофизическими параметрами датчика удобно описывать на основе решения задачи о конденсаторе с утечкой [8]. Пусть конденсатор с обкладками произвольной формы, заполнен однородной и изотропной средой с диэлектрической проницаемостью ε и удельным сопротивлением ρ. На конденсатор подано постоянное напряжение U, его емкость равна С, а омическое сопротивление - R. Доказывается, что между параметрами ε, ρ, С и R существует соотношение, не зависящее от формы конденсатора:

Произведение CR называется постоянной времени конденсатора. В рассматриваемом датчике имеется такой конденсатор, его обкладки - это электроды А и В.

Проверка предложенных решений (первый эксперимент)

Применим соотношение (5) для обоснования технического решения. Если конденсатор заполнен однородной эффективной средой с параметрами ρ_eƒƒ, ε_eƒƒ, то его измеряемые емкость и сопротивление также будут эффективными, обозначим их через C_eƒƒ и R_eƒƒ, соответственно. Используя (4), можно связать эти параметры с электрофизическими параметрами вмещающей среды:

Зависимости электропроводности и диэлектрической проницаемости е жидкого проводящего диэлектрика от температуры и солености описаны в [9]. Пример такой зависимости приведен в Таблице 1 для температуры 25°С.

При увеличении солености раствора в 20 раз (от 1 до 20 г/л), диэлектрическая проницаемость жидкости уменьшается всего на 9%, среднее значение проницаемости в этом диапазоне ε_ср=75,5.

Пусть для резистивного датчика, погруженного в жидкость с примесью, известны межэлектродное сопротивление R_eƒƒ и межэлектродная емкость C_eƒƒ тогда величина удельного сопротивления ρ_е чистой жидкости, без примеси, может быть определена из соотношения:

Проиллюстрируем применение соотношения (7) на примере.

1. В результате эксперимента с чистым раствором соленостью 1 г/л были, с помощью резистивного датчика, определены межэлектродное сопротивление и удельное сопротивление раствора:

R_eƒƒ=1247 Ом, ρ_е=4,93 Ом ⋅ м

2. Поскольку измерение межэлектродной емкости не производилось, оценили параметр C_eƒƒ, используя формулу для емкости двух цилиндров конечных размеров, погруженных в однородное пространство с диэлектрической проницаемостью ε_ср [8]:

Применение модели однородного пространства обосновывается высокой пространственной локальностью методов измерений, основанных на измерении электрической емкости датчиков [10].

3. В результате математического моделирования показаний датчика установили, что значение измеренного межэлектродного сопротивления R_eƒƒ можно пересчитать в соответствующий сигнал для однородного пространства. Коэффициент пересчета K_tr равен 0,88 и не меняет своего значения во всем диапазоне соленостей, представляющем практический интерес:

4. Подставили полученные числовые значения в соотношение (7):

Убеждаемся, что соотношение (7) выполняется с погрешностью ~3%, что экспериментально подтверждает достоверность заявляемого подхода. Следует подчеркнуть, что демонстрируется достижение технического решения без инструментального измерения межэлектродной электрической емкости. Оказалось, возможным заменить измеряемую емкость виртуальной емкостью, синтезированной на основе модели однородного пространства.

Вывод первый: подход, основанный на теории эффективной среды, и формула (7), проверенные экспериментально, позволяют предложить научно обоснованный метод исключения влияния механических примесей на измеряемый резистивным датчиком сигнал.

Проверка предложенных решений (второй эксперимент)

В эксперименте резистивный датчик встраивается в дно емкости, в емкость наливается суспензия, состоящая из кварцевого песка фракцией 0,05 мм и водного раствора хлорида натрия с различными концентрациями (0,3; 1,0; 5,0; 10,0; 20,0 и 50,0 г/л). Регистрируются показания датчика, в отдельной емкости измеряется удельная электропроводность этих суспензий кондуктометром WTW Cond315i с датчиком TetraCon 325 и автоматической термокомпенсацией на 25°С. В процессе эксперимента соотношение вода/порода в суспензии изменяется в диапазоне 10000 - 10.

Исходя из физических соображений, при увеличении доли непроводящего песка в проводящем растворе, монотонно снижается проводимость суспензии (замер кондуктометром) и монотонно растет ее сопротивление (замер резистивным датчиком). Согласно этому критерию, часть экспериментов признаны некондиционными: для кондуктометра - измерения для соленостей 0,3, 1 г/л; для резистивного датчик - измерения для соленостей 0,3, 10, 20, 50 г/л.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

На Фиг. 1 представлены данные измерений - зависимость показаний кондуктометра (проводимость) и резистивного датчика (сопротивление) от соотношения «раствор : песок» для различных значений солености раствора.

Представленные на Фиг. 1 данные иллюстрируют степень влияния песчаной примеси на результаты измерений. Так, например, показания кондуктометра для соотношения вода/порода 10000 и 10 равны 74500 мкСм/см и 69500 мкСм/см, соответственно (соленость 50 г/л). Вычислим отношение проводимостей чистого раствора и суспензии: γ_е/γ_eƒƒ=74500/69500=1.072. Аналогичные данные приведены на Фиг. и для других значений солености.

Для кондуктометра экспериментально определенные значения параметра γ_е/γ_еƒƒ практически не зависят от солености, среднее значение этого параметра в диапазоне соленостей 5-50 г/л равно 1,06.

Для резистивного датчика значения отношения ρ_еƒƒ/ρ_e практически не зависят от солености и его среднее значение в диапазоне соленостей 1-5 г/л равно 1,05.

Применим для описания данных эксперимента теорию эффективной смеси и воспользуемся первой формулой из (4), переписав ее в следующем виде:

Представим, что в емкость наливают 10 частей раствора и добавляют 1 часть примеси, заполненную песчинками шарообразной формы. Всего в емкости находится 11 частей. Оценим параметр ƒ₁ следующим образом:

где k - коэффициент заполнения объема материалом песчинок. Определим этот коэффициент как отношение объема сферической песчинки радиусом а к объему куба, описанного вокруг этой сферы:

Вычисляем параметр ƒ₁=0,523/11=0,0475 и отношение

Сравнивая полученный теоретический результат (γ_e/γ_eƒƒ=1,07) с экспериментальными данными для кондуктометра (γ_e/γ_eƒƒ=1,06) и, убеждаемся в правомерности применения теории эффективной среды для количественной оценки влияния примесей на измеряемые сигналы.

Для описания влияния примеси на сигналы резистивного датчика следует пользоваться следующей формулой:

Для данных датчика, представленных на Фиг., параметр ρ_eƒƒ/p_e=1,05.

Вывод второй: подход, основанный на теории эффективной среды с использованием формул (9) и (10) позволяет количественно оценить степень влияния механических примесей на измеряемый резистивным датчиком сигнал.

Предлагаемый способ исключения влияния механических примесей на измеряемый резистивным датчиком сигнал реализуется следующим образом:

1. Выполняют калибровку резистивного датчика, заключающуюся в измерении электрического сопротивления и температуры солевых растворов заданной минерализации в лабораторных условиях с применением герметизированной кондуктометрической ячейки, имитирующей условия измерения в обвязке скважины. В качестве калибровочных используют солевые растворы и прямые эмульсии с различной долей пластовой воды.

2. После калибровки резистивный датчик устанавливают на нижней образующей трубопровода в цилиндрической выемке глубиной 8 мм и внутренним диаметром 20 мм, являющейся одновременно пробоуловителем и измерительной ячейкой, при этом прямая, соединяющая электроды, ориентирована перпендикулярно направлению газожидкостного потока. Проводят измерения электрического сопротивления R_eƒƒ попутной жидкости, содержащей механические примеси.

3. Выполняют обработку полученных данных, заключающуюся в пересчете измеренного межэлектродного сопротивления R_eƒƒ в сигнал , соответствующий однородному проводящему пространству: Коэффициент пересчета K_tr равен 0,88, определяется конструктивными параметрами датчика и не меняет своего значения во всем диапазоне электрофизических параметров, представляющем практический интерес.

4. Оценивают межэлектродную емкость датчика , используя формулу для емкости двух цилиндров конечных размеров, погруженных в однородное пространство с диэлектрической проницаемостью ε_aν. Параметр ε_aν слабо зависит от солености раствора и выбирается на основе табличных данных [9].

5. Вычисляют удельное сопротивление ρ_е чистой жидкости без примесей, используя соотношение

Литература

1. Гасумов, Р.А. Техника и технология ремонта скважин: в 2 т./ Р.А. Гасумов, В.З. Минликаев. - М.: ООО «Газпром Экспо», 2013. - Т. 1. - 360 с.

2. Ли, Дж. Эксплуатация обводняющихся газовых скважин. Технологические решения по удалению жидкости из скважин / Дж. Ли, Г. Никенс, М. Уэллс: Пер. с англ. - М.: ООО «Премиум Инжиниринг». 2008. - 384 с.

3. Пермяков B.C. и др. Контроль за обводнением газовых скважин по удельной электрической проводимости жидкой фазы водогазового потока // Геология, геофизика и разработка нефтяных и газовых месторождений. - 2020. - №5. - С. 52-57.

4. Контроль за обводнением газовых скважин по удельной электрической проводимости жидкой фазы водогазового потока / B.C. Пермяков, А.К. Манштейн, И.И. Ельцов, И.В. Юркевич // Геология, геофизика и разработка нефтяных и газовых месторождений. - Москва: ОАО «ВНИИОЭНГ», 2020. - №5 (341). - С. 52-57.

5. Патент РФ №2789259, Опубликовано: 31.01.2023 Бюл. №4.

6. Garnett М. Colors in metal glasses and in metallic films. Phil. Trans. R. Soc. bond. A 203, 385 (1904).

7. Альтовский M.E. Гидрогеологические показатели нефтегазоносности. Недра, 1967. 290 с.

8. Бондарев Б.В. Курс общей физики. Книга 2. Электромагнетизм. Волновая оптика. Квантовая физика - М.: Высшая школа, 2005. - 438 с.

9. Садовский И.Н. и др. Обзор моделей комплексной диэлектрической проницаемости водной среды, применяемых в практике дистанционного зондирования. Исследования Земли из клсмоса, 2014, №6, с. 79-92.

10. Дашевский Ю.А., Дашевский О.Ю. Метод емкостного зондирования: физические основы, математическое моделирование, полевой эксперимент: Учеб. пособие / Новосиб. гос. ун-т. Новосибирск, 2009. 142 с.

11. Ефимова А.И. и др. Инфракрасная спектроскопия систем пониженной размерности: Учебное пособие, - Санкт-Петербург: Изд-во «Лань», 2016. - 246 с.

12. Тимошенко В.Ю. Оптика наносистем. Лекция 6. Московский государственный Университет. Физический факультет. Научно-образовательный центр по нанотехнологиям, 2009.

Изобретение относится к газодобывающей отрасли и может быть использовано при контроле за разработкой газовых и газоконденсатных месторождений. При этом предварительно выполняют калибровку резистивного датчика, заключающуюся в измерении электрического сопротивления и температуры солевых растворов заданной минерализации в лабораторных условиях с применением герметизированной кондуктометрической ячейки, имитирующей условия измерения в обвязке скважины. В качестве калибровочных используют солевые растворы и прямые эмульсии с различной долей пластовой воды, затем устанавливают калиброванный резистивный датчик в цилиндрической выемке трубопровода, являющейся одновременно пробоуловителем и измерительной ячейкой, измеряют величину электрического сопротивления попутной жидкости, содержащей механические примеси. По измеренной величине электрического сопротивления попутной жидкости, содержащей механические примеси, определяют величину электрического сопротивления cоответствующего однородному проводящему пространству, по формуле: Коэффициент пересчета равен 0,88. Определяют величину межэлектродной емкости датчика используя формулу для емкости двух цилиндров конечных размеров, погруженных в однородное пространство с диэлектрической проницаемостью Используя соотношение: определяют удельное сопротивление чистой жидкости без примесей. Техническим результатом при реализации заявленного решения является научно обоснованный способ исключения влияния механических примесей на измеряемый резистивным датчиком сигнал. 1 ил., 1 табл.

Способ измерения удельного сопротивления жидкости резистивным датчиком, включающий калибровку резистивного датчика в герметизированной кондуктометрической ячейке с использованием солевых растворов и прямых эмульсий с различной долей пластовой воды, установку калиброванного резистивного датчика на нижней образующей трубопровода в цилиндрической выемке глубиной 8 мм и внутренним диаметром 20 мм, являющейся одновременно пробоуловителем и измерительной ячейкой, таким образом, чтобы прямая, соединяющая электроды, ориентирована перпендикулярно направлению газожидкостного потока, измерение электрического сопротивления попутной жидкости, содержащей механические примеси, пересчёт измеренной величины в , соответствующий однородному проводящему пространству, по формуле: , оценку межэлектродной емкости датчика , используя формулу для емкости двух цилиндров конечных размеров, погруженных в однородное пространство с диэлектрической проницаемостью , вычисление удельного сопротивления чистой жидкости без примесей, используя соотношение: