Гидродинамический стенд моделирования работы горизонтальных нефтегазовых скважин

Полезная модель относится к геофизики, предназначена для моделирования реально наблюдаемых в горизонтальных скважинах процессов течения трехфазных флюидов (вода, нефть, газ и их смеси) и может быть использована для изучения структуры потока в горизонтальном стволе скважины, изучения взаимодействия потока с различными датчиками и скважинной аппаратурой, тестирования и усовершенствования специализированной скважинной аппаратуры, предназначенной для проведении геофизических исследований горизонтальных скважин. Технический результат, который может быть получен при использовании заявляемого технического решения, заключается в достоверности получаемой информации о параметрах моделируемого трехфазного потока, повышении точности измерения параметров потока за счет одновременного сканирования параметров потока в локальной области и в нескольких точках горизонтальной трубы, расширении эксплуатационных возможностей гидродинамического стенда за счет тестирования различного рода датчиков. Указанный технический результат достигается тем, что гидродинамический стенд для моделирования работы горизонтальных нефтегазовых скважин содержит оптически прозрачную горизонтальную трубу, систему подачи и регулирования расхода воды, углеводородной жидкости и газа, модуль интервала перфораций, оптически прозрачный модуль с датчиком и не менее двух сканеров потока жидкости. Каждый сканер состоит из эластичной муфты, основания, стойки, шагового электродвигателя, передаточного механизма, патрона, комплексного датчика параметров потока и системы концевых выключателей.

Полезная модель относится к устройствам, предназначенным для моделирования реально наблюдаемых в горизонтальных скважинах процессов течения трехфазных флюидов (вода, нефть, газ и их смеси) и может быть использована для изучения структуры потока в горизонтальном стволе скважины, изучения взаимодействия потока с различными датчиками и скважинной аппаратурой, тестирования и усовершенствования специализированной скважинной аппаратуры, предназначенной для проведении геофизических исследований горизонтальных скважин.

Известен гидродинамический стенд для моделирования работы горизонтальных нефтегазовых скважин, содержащий горизонтальную трубу в виде последовательно соединенных между собой секций стеклянных труб, модуль интервала перфораций, датчики, систему подачи и регулирования расхода воды, углеводородной жидкости и газа, состоящую из емкостей с водой, углеводородной жидкостью и газом, насосов, компрессора, трубопроводов, запорно-регулирующих устройств, расходомеров воды, углеводородной жидкости и счетчиков газа, домкраты и информационно-измерительный комплекс (Яруллин Р.К. Гидродинамический стенд для изучения особенностей потоков в горизонтальных скважинах // НТВ «Каротажник». Тверь: Изд. АИС, 2004, вып.127, с.118-123).

Недостатками известного гидродинамического стенда являются:

- отсутствие технических средств измерения, позволяющих отслеживать параметры многофазного потока в нескольких точках по длине горизонтальной трубы;

- отсутствие устройства в составе горизонтальной трубы, позволяющего, во-первых, оперативно вводить исследуемые датчики во внутреннюю полость горизонтальной трубы, во-вторых, исследовать реакцию датчиков на изменение параметров потока без нарушения его структуры и, в-третьих, проводить сопоставление реакции исследуемого датчика с реакцией эталонного на требуемом участке горизонтальной трубы.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является гидродинамический стенд для моделирования работы горизонтальных нефтегазовых скважин, содержащий горизонтальную трубу в виде последовательно соединенных отдельных секций труб из оптически прозрачного материала, модуль интервала перфораций, датчики, соединительные муфты, съемную крышку-заглушку на входе в горизонтальную трубу с вводами для раздельной подачи воды, углеводородной жидкости и газа, съемную крышку-заглушку на выходе из горизонтальной трубы, систему подачи и регулирования расхода воды, углеводородной жидкости и газа, состоящую из емкостей с водой, углеводородной жидкостью и газом, насосов, компрессора, трубопроводов, запорно-регулирующих устройств, расходомеров воды, углеводородной жидкости и счетчиков газа, домкраты и информационно-измерительный комплекс (Валиуллин Р.А., Яруллин Р.К., Яруллин А.Р., Шако В.М., Паршин А.В. Разработка критериев вьщеления работающих интервалов в низкодебетных горизонтальных скважинах на основе физического эксперимента и скважинных исследований // SPE 136272 Доклад на Российской нефтегазовой технической конференции и выставке SPE по разведке и добыче. 26-28 октября 2010 г., ВВЦ Москва. DOI 12.2118/136272-RU).

Недостатками гидродинамического стенда, выбранного в качестве прототипа, являются те же недостатки, что и у аналога, а именно:

- отсутствие технических средств измерения, позволяющих отслеживать параметры многофазного потока в нескольких точках по длине горизонтальной трубы;

- отсутствие устройства в составе горизонтальной трубы, позволяющего, во-первых, оперативно вводить исследуемые датчики во внутреннюю полость горизонтальной трубы, во-вторых, исследовать реакцию датчиков на изменение параметров потока без нарушения его структуры и, в-третьих, проводить сопоставление реакции исследуемого датчика с реакцией эталонного на требуемом участке горизонтальной трубы.

Задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение, заключается в усовершенствовании известного гидродинамического стенда за счет использования средств, позволяющих получить достоверную информацию о параметрах моделируемого трехфазного потока.

Данная задача достигается за счет того, что в известный гидродинамический стенд для моделирования работы горизонтальных нефтегазовых скважин, содержащий горизонтальную трубу в виде последовательно соединенных отдельных секций труб из оптически прозрачного материала, модуль интервала перфораций, датчики, соединительные муфты, съемную крышку-заглушку на входе в горизонтальную трубу с вводами для раздельной подачи воды, углеводородной жидкости и газа, съемную крышку-заглушку на выходе из горизонтальной трубы, систему подачи и регулирования расхода воды, углеводородной жидкости и газа, состоящую из емкостей с водой, углеводородной жидкостью и газом, насосов, компрессора, трубопроводов, запорно-регулирующих устройств, расходомеров воды, углеводородной жидкости и счетчиков газа, домкраты и информационно-измерительный комплекс дополнительно введены не менее двух сканеров потока жидкости и оптически прозрачный модуль, при этом сканеры потока жидкости и оптически прозрачный модуль соединены последовательно с трубами, входящими в состав горизонтальной трубы.

Кроме того, сканер потока жидкости содержит стойкую к углеводородной жидкости эластичную муфту с уплотнением на ее боковой поверхности, основание, стойку, шаговой электродвигатель, передаточный механизм, патрон, комплексный датчик параметров потока, систему концевых выключателей, причем основание выполнено конструкцией, позволяющей закрепить ее на эластичной муфте, к основанию крепится стойка с шаговым электродвигателем и системой концевых выключателей, шаговый электродвигатель через передаточный механизм соединен с патроном, в котором закреплен комплексный датчик параметров потока, комплексный датчик параметров потока через уплотнение на боковой поверхности эластичной муфты входит в ее внутреннюю полость, а диаметр внутренней полости эластичной муфты выполнен равным внутреннему диаметру горизонтальной трубы.

Кроме того, оптически прозрачный модуль выполнен в виде прогонного тела из оптически прозрачного материала со сквозным отверстием вдоль его большей стороны и патрубком на каждой его торцевой поверхности, в центре боковой поверхности прогонного тела выполнен проем до выхода в сквозное отверстие, в проеме размещена крышка-заглушка с уплотнением, по полупериметру боковой поверхности прогонного тела на одинаковом расстоянии в обе стороны от центра проема выполнены отверстия до выхода в сквозное отверстие для подачи воды, углеводородной жидкости и газа, а диаметр сквозного отверстия и внутренний диаметр патрубков выполнены равными внутреннему диаметру горизонтальной трубы.

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является повышение точности измерения параметров потока за счет одновременного сканирования параметров потока в локальной области и в нескольких точках горизонтальной трубы и расширении эксплуатационных возможностей гидродинамического стенда за счет тестирования различного рода датчиков.

Требуемый технический результат обеспечен наличием в совокупности вышеуказанных отличительных признаков при несомненной применимости в нефтедобывающей промышленности, а отсутствие в известных заявителю источниках патентной и технической информации эквивалентных технических решений с теми же свойствами позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критериям «полезной модели».

Полезная модель поясняется рисунками, где на фиг.1 представлена схема гидродинамического стенда, на фиг.2 представлено устройство сканирования потока жидкости, а на фиг.3 представлен оптически прозрачный модуль.

Горизонтальный стенд для моделирования работы горизонтальных нефтегазовых скважин содержит горизонтальную трубу 1 в виде последовательно соединенных отдельных секций труб 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 выполненных из оптически прозрачного материала, например, стекла или органического стекла, модуль интервала перфораций 11, оптически прозрачный модуль 12 и два сканера потока жидкости 13 и 14. Трубы 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, модуль интервала перфораций 11, оптически прозрачный модуль 12, сканеры потока жидкости 13 и 14 соединены с помощью муфт 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22 и эластичных муфт 23 и 24, входящих в состав сканеров потока жидкости.

Съемная крышка-заглушка 25 на входе в горизонтальную трубу содержит ввод 26 для подачи воды, ввод 27 для подачи углеводородной жидкости и ввод 22 для подачи газа.

Съемная крышка-заглушка 29 расположена на выходе из горизонтальной трубы.

Домкраты 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36 размещены на стойке-основании стенда и с их помощью устанавливается нужная траектория ствола горизонтальной трубы.

Система подачи и регулирования расхода воды, углеводородной жидкости и газа 37 состоит из емкости с водой 38, емкости с углеводородной жидкостью 39, емкости с газом 40, насосов 41 и 42 для подачи соответственно воды и углеводородной жидкости, компрессора 43 для подачи газа, трубопровода канала воды 44, трубопровода канала углеводородной жидкости 45, трубопровода газа 46, запорно-регулирующих устройств 49, 50, 51, 52, 53, канала подачи воды, запорно-регулирующих устройств 54, 55, 56, 57, 58 канала подачи углеводородной жидкости, запорно-регулирующих устройств 59, 60, 61, 62 канала подачи газа, расходомеров воды 63, 64, 65, расходомеров углеводородной жидкости 66, 67, 68 и счетчиков газа 69, 70, 71. На выходе из горизонтальной трубы смесь воды и углеводородной жидкости по трубопроводу 47 поступает в емкость с водой 38, где расслаивается и углеводородная жидкость, как менее плотная, по трубопроводу 48 поступает в емкость 39.

В качестве углеводородной жидкости могут быть использованы жидкости близкие к нефти по удельному весу и вязкости, например, дизельное топливо, различные масла. В качестве газа может быть использован атмосферный воздух.

Сканер потока жидкости 13 (14) содержит стойкую к углеводородной жидкости эластичную муфту 23 (24) с уплотнением 84 на ее боковой поверхности, основание 73, стойку 74 в виде двух цилиндрических стержней, шаговый электродвигатель 75, передаточный механизм «винт-гайка», состоящий из полого вала электродвигателя 77 с наружной резьбой на конце, втулки 78 с резьбой в сквозном и глухом отверстиях, шпильки 79, центрирующей планки 80 с резьбой в центральном отверстии и сквозными центрирующими отверстиями по краям, патрон 81 со сквозным отверстием, в котором с помощью винта 83 закреплен комплексный датчик параметров потока 82, систему концевых выключателей, состоящую из магнита 86, установленного на центрирующей планке 80 и датчиков Холла 87, 88, установленных на стойке 74.

Основание 73 выполнено конструкцией, позволяющей закрепить ее на эластичной муфте 23 (24), например, с помощью хомутов. Цилиндрические стержни стойки 74 одним концом жестко заделаны в основании, а к другому их концу крепится фланец 76 шагового электродвигателя. Комплексный датчик параметров потока 82 через уплотнение 84 в эластичной муфте входит во внутреннюю полость муфты. Диаметр внутренней полости эластичной муфты выполнен равным внутреннему диаметру горизонтальной трубы. Выводы от комплексного датчик параметров потока проходят через сквозное отверстие в патроне 81, спил 85 в нем и подключены к информационно-измерительному комплексу (на фиг.2 не показано). В зависимости от поставленных задач сканеры потока жидкости 13 (14) могут быть размещены в любом месте горизонтальной трубы в вертикальной, горизонтальной плоскости или под заданным углом к горизонту.

Оптически прозрачный модуль 12 выполнен из органического стекла в виде прогонного тела 89, например, прямоугольного параллелепипеда, со сквозным отверстием 90 вдоль его большей стороны и цилиндрическими патрубками 91 и 92 на его торцевых поверхностях. В центре прогонного тела на его боковой поверхности выполнен проем 93 до выхода в сквозное отверстие 90. В проеме 93 размещена крышка-заглушка 94 с уплотнением 95. В уплотнение 95 вставлен датчик 72. По полупериметру боковой поверхности прямоугольного параллелепипеда на одинаковом расстоянии в обе стороны от центра проема 93 выполнены отверстия 96, 97, 98, 99, 100 до выхода в сквозное отверстие 90 для подачи воды, углеводородной жидкости и газа.

Диаметр сквозного отверстия 90 и внутренний диаметр патрубков 91, 92 выполнены равными внутреннему диаметру горизонтальной трубы 1. Отверстия 96, 97, 98, 99, 100 заканчиваются на боковой поверхности вводами, которые с помощью внешних шлангов могут быть соединены в нужную конфигурацию (на фиг.3 не показано).

В качестве датчика 72, размещенного в оптически прозрачном модуле, может быть использован промышленный или разрабатываемый датчик, например, датчик температуры, термоанемометр, датчик состава жидкости, датчик измерения положения границы жидких фаз и другие датчики. Вместо датчика 72 может быть использован видеорегистратор в герметичном водо-масло-бензостойком корпусе. В зависимости от поставленных задач оптически прозрачный модуль 12 может быть размещен в любом месте горизонтальной трубы и в любом количестве.

Гидродинамический стенд работает следующим образом.

Домкратами 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36 устанавливается требуемая траектория ствола горизонтальной трубы. Траектория ствола может быть задана горизонтальной, нисходящей, восходящей, волнообразной и комбинированной, включающей в себя несколько перечисленных выше видов.

С помощью компрессора 43 емкость 40 заполняется газом (в данном случае атмосферным воздухом) до определенного давления. При включении насосов 41, 42 и открытии запорно-регулирующих устройств 49, 50, 54, 55, 59 компоненты нефтегазового потока вода, углеводородная жидкость и газ по трубопроводам 44, 45, 46 подводятся, но еще не поступают в модуль интервала перфораций 11, оптически прозрачный модуль 12 и на вход горизонтальной трубы 1.

При открытии запорно-регулирующих устройств 53, 58, 62 вода, углеводородная жидкость и газ через раздельные вводы 26, 27, 28 в съемной крышке-заглушке 25 поступают во внутреннюю полость горизонтальной трубы 1. Расход жидкостей контролируется с помощью расходомеров 63, 66, а расход газа контролируется счетчиком газа 69. Сигналы с расходомеров 63, 66 и счетчика газа 69 поступают в информационно-измерительный комплекс (на фиг.1 не показано).

При открытии запорно-регулирующих устройств 51, 56, 60 вода, углеводородная жидкость и газ поступают в модуль интервала перфораций 11, где распределяются по всей длине модуля. Проходя сквозь слой наполнителя во внутренней полости модуля 11 и далее через перфорационные отверстия в трубе модуля компоненты нефтегазового потока попадают во внутреннюю полость трубы, где смешиваются с потоком флюида, поступающего с входа в горизонтальную трубу. Расход жидкостей контролируется с помощью расходомеров 64, 67, а расход газа контролируется счетчиком газа 70. Сигналы с расходомеров 64, 67 и счетчика газа 70 поступают в информационно-измерительный комплекс (на фиг.1 не показано).

Использование модуля интервала перфораций позволяет моделировать внедрение одной из трех компонент нефтегазового потока или их комбинацию с заданным расходом.

При открытии запорно-регулирующих устройств 52, 57, 61 вода, углеводородная жидкость и газ поступают в оптически прозрачный модуль 12, где смешиваются с потоком флюида, поступающего с входа в горизонтальную трубу 1. Расход жидкостей контролируется с помощью расходомеров 65, 68, а расход газа контролируется счетчиком газа 71. Сигналы с датчика 72, расходомеров 65, 68 и счетчика газа 71 поступают в информационно-измерительный комплекс (на фиг.1 не показано).

Гидравлическая система стенда выполнена таким образом, что позволяет многократно использовать воду и углеводородную жидкость по замкнутому циклу.

Использование оптически прозрачного модуля в составе горизонтальной трубы позволяет оперативно вводить исследуемые датчики во внутреннюю полость горизонтальной трубы, исследовать реакцию датчиков на изменение параметров потока без нарушения его структуры, а также проводить сопоставление реакции исследуемого датчика с реакцией эталонного на требуемом участке горизонтальной трубы.

Сканеры потока жидкости 13(14) работают синхронно. Изменение скорости сканирования потока жидкости комплексным датчиком 82 осуществляется по программе, заложенной в информационно-измерительном комплексе. В этом случае команда с информационно-измерительного комплекса поступает в блок управления шаговым электродвигателем 75, который изменяет частоту вращения вала 77, что приводит к изменению скорости перемещения комплексного датчика 82. Система концевых выключателей, состоящая из магнита 86 и двух датчиков Холла 87, 88 ограничивает перемещение комплексного датчика 82 в плоскости поперечного сечения эластичной муфты 23(24). В качестве комплексного датчика параметров потока может быть использован, например, датчик, совмещающий в одном корпусе термометр, термоанемометр и резистивиметр, что позволяет одновременно измерять температуру, скорость и состав потока без внесения каких-либо нарушений в его структуру.

Использование не менее двух сканеров потока жидкости позволяет отслеживать параметры многофазного потока в нескольких точках по длине горизонтальной трубы.

Таким образом, заявляемое техническое решение по сравнению с известным позволяет получить достоверную информацию о параметрах моделируемого трехфазного потока, повысить точность измерения параметров потока за счет одновременного сканирования параметров потока в локальной области и в нескольких точках горизонтальной трубы, расширить эксплуатационные возможности гидродинамического стенда за счет тестирования различного рода датчиков.

1. Гидродинамический стенд для моделирования работы горизонтальных нефтегазовых скважин, содержащий горизонтальную трубу в виде последовательно соединенных отдельных секций труб из оптически прозрачного материала, модуль интервала перфораций, датчики, соединительные муфты, съемную крышку-заглушку на входе в горизонтальную трубу с вводами для раздельной подачи воды, углеводородной жидкости и газа, съемную крышку-заглушку на выходе из горизонтальной трубы, систему подачи и регулирования расхода воды, углеводородной жидкости и газа, состоящую из емкостей с водой, углеводородной жидкостью и газом, насосов, компрессора, трубопроводов, запорно-регулирующих устройств, расходомеров воды, углеводородной жидкости и счетчиков газа, домкраты и информационно-измерительный комплекс, отличающийся тем, что в него дополнительно введены не менее двух сканеров потока жидкости и оптически прозрачный модуль, при этом сканеры потока жидкости и оптически прозрачный модуль соединены последовательно с трубами, входящими в состав горизонтальной трубы.

2. Гидродинамический стенд для моделирования работы горизонтальных нефтегазовых скважин по п.1, отличающийся тем, что сканер потока жидкости содержит стойкую к углеводородной жидкости эластичную муфту с уплотнением на ее боковой поверхности, основание, стойку, шаговой электродвигатель, передаточный механизм, патрон, комплексный датчик параметров потока и систему концевых выключателей, причем основание выполнено конструкцией, позволяющей закрепить ее на эластичной муфте, к основанию крепится стойка с шаговым электродвигателем и системой концевых выключателей, шаговый электродвигатель через передаточный механизм соединен с патроном, в котором закреплен комплексный датчик параметров потока, комплексный датчик параметров потока через уплотнение на боковой поверхности эластичной муфты входит в ее внутреннюю полость, а диаметр внутренней полости эластичной муфты выполнен равным внутреннему диаметру горизонтальной трубы.

3. Гидродинамический стенд для моделирования работы горизонтальных нефтегазовых скважин по п.1, отличающийся тем, что оптически прозрачный модуль выполнен в виде прогонного тела из оптически прозрачного материала со сквозным отверстием вдоль его большей стороны и патрубком на каждой его торцевой поверхности, в центре боковой поверхности прогонного тела выполнен проем до выхода в сквозное отверстие, в проеме размещена крышка-заглушка с уплотнением, по полупериметру боковой поверхности прогонного тела на одинаковом расстоянии в обе стороны от центра проема выполнены отверстия до выхода в сквозное отверстие для подачи воды, углеводородной жидкости и газа, а диаметр сквозного отверстия и внутренний диаметр патрубков выполнены равными внутреннему диаметру горизонтальной трубы.