Информационная система эхометрирования многоимпульсными сигналами для определения уровня жидкости в нефтедобывающих скважинах

Данная работа посвящена решению задачи повышения достоверности контроля уровня жидкости (скважинного флюида) в нефтедобывающих скважинах. В нефтяной отрасли контроль уровня жидкости проводится, как с целью мониторинга нефтедобывающих скважин, оборудованных насосами различных типов (так называемый «механизированный фонд скважин»), так и с целью гидродинамических исследований (ГДИС) нефтедобывающих скважин с различными способами эксплуатации — механизированной и немеханизированной добычей, а также для получения оценок фильтрационно-емкостных свойств пластов углеводородного сырья.

В настоящее время одной из основных задач геолого-промысловых исследований является контроль уровня жидкости в межтрубном пространстве скважины, что является важнейшим параметром работы насосного оборудования. Для надлежащей работы, как для электроцентробежных установок, так и при штанговой эксплуатации, насос должен всегда быть полностью погружен в жидкость для нормальной работы и иметь «подпор» (столб жидкости над насосом), рекомендованный производителем^]. Фильтрационные свойства пласта не постоянны, поэтому приток жидкости из пласта постоянно изменяется, эти изменения могут произойти достаточно быстро, приводя к перегреву электродвигателя из-за недостаточного притока из пласта, и как следствие, срыву подачи. Согласно отраслевому регламенту контроль уровня жидкости для каждой добывающей скважины должен проводиться не реже двух раз в месяц, однако, нефтяные компании зачастую проводят технологический контроль чаще, особенно на высокодебптиых скважинах.

Кроме того, уровень жидкости в межтрубном пространстве часто служит для оценки забойного давления при ГДИС. Действительно, для абсолютного большинства ГДИС, проводящихся на механизированном фонде скважин основным параметром, по которому проводятся расчеты, является забойное давление, либо давление на приеме насоса. Существует 2 вида контроля забойного давления — это стационарные погружные системы телеметрии и оперативные исследования [2].

Системы телеметрии дают очень оперативный результат, поскольку непосредственно контролируют глубинные давления в режиме реального времени. Однако точности таких систем достаточно низкие, а затраты па их приобретение и эксплуатацию достаточно высоки, поскольку требуется эффективная защита от крайне агрессивной среды в которой они работают. Высокие температурные и вибрационные нагрузки, агрессивные компоненты скважинного флюида часто приводят к полному или параметрическому отказу датчиков системы телеметрии, даже в течение одного межремонтного периода скважины (6. 18 месяцев). Справедливости ради, необходимо сказать, что существуют высоконадежные системы телеметрии зарубежного производства, обладающие высокими точностными характеристиками и высокой надежностью, однако, стоимость таких систем очень высока, что ограничивает массовое использование таких систем, поэтому в основном они используются только на высокодебитных скважинах, расположенных на морских нефтедобывающих платформах[3].

Оперативные исследования можно также разделить на два типа: это глубинные, где непосредственное измерение давления осуществляется при помощи погружных скважшшых приборов на проволоке или кабеле (манометров-термометров) и опосредованная оценка глубинного давления путем пересчета поверхностно определенного уровня в значение давления.

Измерения, осуществляемые при помощи погружных манометров, как правило, либо не проводятся на механизированном фонде, либо проводятся крайне редко, так как требуют остановки скважины, подъема насосного оборудования, а это серьезные потери для нефтяной компании, связанные с недополученной нефтью и последующими затратами на проведение работ по установке насосного оборудования и выводу скважины на режим. Спуск погружных манометров возможен только при определенном типе подъема жидкости из скважины, при котором внутреннее пространство колонны насоспо-компрессорных труб (НКТ) свободно от оборудования[4].

Опосредованные оценки забойного давления путем пересчета данных уровня жидкости в межтрубном пространстве скважины и устьевого межтрубного давления, используются очень широко для механизированного фонда скважин. Этот метод дешев, не требует остановки добычи нефти и универсален по отношению к типу подъема жидкости из скважины.

Сегодня, для определения уровней раздела газ-жидкость в скважинах, применяются, как правило, методы эхометрироваиия, основанные на измерении времени прохождения звуковой волны в межтрубном пространстве скважины[5,6]. Современные электронные уровнемеры в автоматическом режиме проводят распознавание отражения от уровня жидкости, измерение времени прохождения сигнала и оценку скорости звука.

Существует две основных проблемы данного метода:

1. низкая точность оценок скорости звука в затрубном газе исследуемой скважины;

2. сложность распознавания временного положения на эхограмме отражения от уровня жидкости.

И если в последнее время в некоторых организациях предложили методы, которые позволяет получать оценки скорости звука, удовлетворяющие по точности и надежности современным требованиям, то падежных методов распознавания временного положения сигналов на эхограммах до сих пор нет.

Все существующие алгоритмы распознавания отраженного эхосигнала работают сегодня только во временной области, хотя и используют различные первоначальные данные о сигнале, его фазе, амплитуде, длительности. Это приводит к тому, что во многих практических случаях эти алгоритмы не позволяют получить надежные оценки временного положения отраженных сигналов, так как основная энергия шума может располагаться как раз в информационной, сигнальной части спектра сигнала, либо отношение сигнал/шум настольно низкое, что данный подход является недостаточно эффективным и не дает желаемых результатов. К сожалению, такие случаи не редки.

Поэтому одним из перспективных направлений увеличения точности и надежности определения уровня жидкости в межтрубном пространстве нефтедобывающей скважины является разработка новых методов и средств зондирования скважины на основе формирования более мощных энергетических посылок и применения более эффективных алгоритмов для оценки времени регистрации отраженных сигналов.

Целыо диссертационной работы является разработка и исследование эффективности системы многоимпульсного эхометрирования скважин для определения уровня жидкости в межтрубном пространстве при наличии высокого уровня шумов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести анализ существующих методов и средств для определения уровня жидкости в нефтяных скважинах;

2. Разработать систему определения уровня жидкости в нефтяных скважинах на основе применения многоимпульсного зондирующего сигнала;

3. Построить алгоритмы фазочастотного прослеживания эхограмм для надежного определения временного положения сигналов в системе многоимпульсного зондирования скважин;

4. Провести исследования эффективности разработанной системы на экспериментальной установке и действующих скважинах.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Дано аналитическое обоснование использования многоимпульсного зондирующего сигнала для определения уровня жидкости в нефтедобывающих скважинах.

2. Построена математическая модель многоимпульсной эхограммы и получены для нее оценки отношения сигнал/шум в зависимости от числа импульсов в пачке.

3. Разработаны методы и алгоритмы фазочастотного прослеживания для определения временного положения сигналов по коррелированным выборкам фазочастотных характеристик (ФЧХ) и функций группового запаздывания (ФГЗ) участков эхограмм.

4. Создана информационная система эхометрироваиия скважин многоимпульсными сигналами.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использованы методы системного анализа, теории вероятностей и математической статистики, теории случайных функций, цифровой обработки сигналов и полей, статистического моделирования.

Достоверность и обоснованность полученных в диссертационной работе теоретических результатов и формулируемых на их основе выводов обеспечивается строгостью математических выкладок, базирующихся на аппарате интегрального и дифференциального исчисления, теории вероятностей и математической статистике. Справедливость выводов относительно эффективности предложенной системы подтверждена статистическим моделированием и опытно-методической обработкой реальных эхограмм.

Практическая значимость. Разработанная система многоимпульсного зондирования скважин и методы фазочаетотного прослеживания эхограмм использованы для определения уровня жидкости на реальных нефтедобывающих скважинах, где традиционные методы моноимпульсного зондирования оказались не эффективными (акты внедрения прилагаются). На устройство для определения уровня жидкости получен патент.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Метод формирования многоимпульсного зондирующего сигнала.

2. Математическая модель эхограммы при многоимпульсном зондирующем сигнале.

3. Методы и алгоритмы определения временного положения сигналов, но коррелированным выборкам фазочастотных характеристик участков эхограмм.

4. Методы и алгоритмы определения временного положения сигналов по коррелированным выборкам функций группового запаздывания участков эхограмм.

5. Информационная система эхометрирования многоимпульсными сигналами для определения уровня жидкости в нефтедобывающих скважинах.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на VIII международном симпозиуме имени академика М. А. Усова (Томск, 2004 г.), 4 и 5 Всероссийских научно-технических конференциях «Современные технологии гидродинамических и диагностических исследований скважин на всех стадиях разработки месторождений» (Томск, 2005 г., 2006 г.), VII Международной научно-практической конференции «Интеллектуальные информационно-телекоммуникационные системы» (Томск, 2006 г.), 2-м Международном форуме «Актуальные проблемы современной науки» (Самара, 2006 г.).

Публикации. Полученные автором результаты достаточно полно изложены в 5 научных работах, одна из которых опубликована в журнале, рекомендованном ВАК, 1 патенте на устройство и 1 положительном решении на способ определения уровня жидкости в нефтяных скважинах.

Реализация результатов исследований. Результаты диссертационной работы внедрены в компаниях ООО Томское научно-производственное и внедренческое общество «Сиам», ООО «Сиам Мастер» при изготовлении и эксплуатации программно-аппаратного комплекса «СиамМастер4К», предназначенного для определения уровня жидкости в межтрубном пространстве нефтедобывающих скважин на основе многоимпульсного зондирующего сигнала.

Выводы.

1. На основе системы многоимпульсного зондирования разработан апиаратно программный комплекс, позволяющий производить измерение уровня жидкости в нефтяных скважинах.

2. Проведены испытания разработанного комплекса на действующих нефтяных скважинах Советского месторождения Томской области. Результат испытаний показал высокую эффективность применения многоимпульсного эхометрирования по сравнению с традиционным одноимпульсным зондированием, что выразилось в 10-кратном увеличении отношения сигнал/шум. Прогнозируемая экономическая эффективность при внедрении в ОАО «Юганск-нефтегаз» составит порядка 2,5 млн руб. в месяц.

3. Даны рекомендации и инструкции по использованию разработанного программно аппаратного комплекса для определения уровня жидкости в нефтедобывающих скважинах. В частности отмечено, что данный комплекс особенно эффективен при проведении долговременных технологических операций и ГДИС, связанных с многократным измерением уровня жидкости.

Заключение

.

Теоретические и экспериментальные исследования, проведенные в данной работе с целью разработки системы акустического эхометрироваиия скважин многоимпульсными сигналами для определения уровня жидкости в нефтяных скважинах позволяют сделать следующее заключение.

1. Проведенный анализ существующих геолого-промысловых и гидродинамических систем исследования скважин показал, что задача определения уровня жидкости в скважине имеет важное значение, так как неверные оценки этого параметра могут привести к перегреву и поломке дорогостоящего насосного оборудования.

2. В современных электронных уровнемерах определение уровня жидкости в затрубном пространстве скважины производится методами эхометрироваиия. При этом одна из основных проблем получения надежных оценок уровня связана со сложностью определения временного положения отраженного сигнала на эхограммах. Причинами этого являются, как правило, низкое отношение сигнал/шум, особенно при вводе скважины в эксплуатацию после ремонта. Одним из перспективных направлений увеличения точности и надежности определения уровня жидкости в межтрубном пространстве нефтедобывающей скважины состоит в разработке новых методов и средств зондирования скважины на основе формирования более мощных энергетических посылок и применения более эффективных алгоритмов для оценки времени регистрации отраженных сигналов.

3. Предложена информационная система локации уровня жидкости на основе многоимпульсного сигнала, в которой в течение одного измерения уровнемер генерирует не один, а серию импульсов. При этом автоматический клапан, генерирующий зондирующий сигнал, отрывается и закрывается по программе, задаваемой компьютером, которая обеспечивает генерацию отдельных импульсов, частота следования которых изменяется по линейному закону. На устройство определения уровня жидкости получен патент.

4. Показано, что для реально установленного времени регистрации отраженного сигнала, применение в качестве зондирующей посылки многоимнульсного сигнала с последующей процедурой сжатия, обеспечивает увеличение отношения сигнал/шум на регистрируемых эхограммах в 8 — 16 раз по сравнению с моиоимпульсным зондированием. Проведенные испытания разработанной системы на экспериментальной установке подтвердили существенное повышение отношения сигнал/шум на миогонмпульсной эхограмме.

5. Построена математическая модель эхограммы для многоимпульсного метода зондирования, представляющая собой аддитивную смесь пачки гауссовых импульсов, частота следования которых подчиняется линейному закону и нормального шума.

6. Получены оптимальные оценки временного положения сильного сигнала по коррелированной выборке ФЧХ и ФГЗ эхограммы. Показано, что наличие корреляции не меняет структуру алгоритмов определения временного положения сигнала, а изменяет только их весовые коэффициенты. Это особенно важно, так как основная энергия отраженного сигнала сосредоточена в узкой области частот и получить независимую выборку ФЧХ и ФГЗ затруднительно.

7. Разработаны методы и алгоритмы для определения временного положения сигналов по коррелированным выборкам фазочастотных характеристик и функций группового запаздывания эхограмм. Проведены исследования данных методов на модели многоимпульсной эхограммы и получены количественные оценки их эффективности. Результаты исследований показали, что данные методы обеспечивают высокую точность получаемых оценок, так как даже при отношениях сигнал/шум, близких к единице, смещение оценки и ее среднеквадратическое отклонение не превышает одной мс.

8. Построен программноаппаратный комплекс для реализации системы многоимпульсного зондирования и проведены промысловые испытания скважин на Советском месторождении Томской области. Применение данного комплекса позволило в среднем, более чем в 10 раз (для исследуемой площади) повысить отношение сигнал/шум в затрубном пространстве скважин, и тем самым получить более надежные оценки уровня жидкости. Даны рекомендации по использованию разработанной системы. В частности, отмечено, что ее внедрение в ОАО «Юганск-нефтегаз» позволит существенно снизить затраты на регламентные работы по определения уровня жидкости (ежемесячная экономия порядка 2,5 млн руб.), а также снизить риск поломки насосного оборудования при освоении скважин.

9. Даны рекомендации и инструкции по использованию разработанного программно аппаратного комплекса для определения уровня жидкости в нефтедобывающих скважинах. В частности отмечено, что данный комплекс особенно эффективен при проведении долговременных технологических операций и ГДИС, связанных с многократным измерением уровня жидкости.