Многоэлементные электроемкостные преобразователи для систем управления в нефтедобыче

Одна из актуальных проблем нефтедобывающей отраслиповышение эффективности оперативного учета и контроля добываемой продукции на нефтегазовых скважинах, групповых замерных установках (ГЗУ), дожимных насосных станциях (ДНС) и установках подготовки промысловой нефти.

Кроме нефти в продукции скважины всегда присутствует две других фазы: пластовая вода и газ. Для оценки эффективности эксплуатации скважины и управления процессом нефтедобычи необходимо измерять содержание отдельных фаз в добываемой продукции, то есть количество нефти, воды и газа.

Оперативный контроль обводненности промысловой нефти дает возможность управлять процессом эксплуатации месторождения: следить за продвижением водо — нефтяного контакта в контуре заводнения, организовывать предварительный сброс воды из продукции нефтяных скважин, оптимизировать технологию подготовки промысловой нефти.

В задачах поточной влагометрии промысловой нефти наибольшее распространение получили электромагнитные измерительные преобразователи, входящие в состав двухфазных и трехфазных расходомеров газоводонефтяных потоков, автоматизированных групповых замерных установках (ГЗУ), узлов учета сырой нефти (УУН) и других, предназначенных для измерения дебита нефти и воды.

Вопросами измерения расхода и концентрации многофазных потоков и сред занимались как отечественные, так и зарубежные ученые: М. А. Берлинер, П. П. Кремлевский, Р. Г Джексон и др.

Объектом контроля электромагнитных методов и средств является водонефтяная эмульсия — сложная дисперсная система, в которой содержание воды может достигать 98% и более. Сложность контроля водонефтяной эмульсии состоит в том, что в зависимости от объемного содержания в ней воды эмульсия может находиться в двух состояниях: прямая — «нефть в воде» или обратная «вода в нефти». При инверсии смеси, то есть переходе от прямой эмульсии к обратной, происходит резкое изменение электрофизических свойств, что часто приводит к снижению эффективности средств контроля, особенно при больших значениях обводненности.

Кроме того, на результаты контроля значительное влияние оказывает гидродинамическая структура многофазного потока и условия размещения в нем первичных измерительных преобразователей — датчиков.

Диагностика водонефтяной смеси электромагнитным методом возможно по двум параметрам: диэлектрической проницаемости и удельной электрической проводимости. Однако основной наиболее устойчивой характеристикой является диэлектрическая проницаемость физических сред образованных двухфазными и трехфазными газоводонефтяными потоками.

Для зондирования этих физических сред наиболее целесообразно использовать электромагнитные поля электрического типа, то есть использовать электроемкостные преобразователи — диэлькометрический метод.

В отечественных и зарубежных влагомерах нефти используются в основном двухэлектродные электроемкостные преобразователи с коаксиальными или накладными электродами. Их недостаток — в отсутствии адаптации к состоянию водонефтяной эмульсии (прямая или обратная), жесткая схема электромагнитного зондирования многофазного потока, не позволяющая получать информацию об отдельных зонах этого потока, а следовательно влияние гидродинамической структуры потока на результат измерений.

Таким образом, актуальной задачей электромагнитного контроля продукции нефтегазовых скважин является разработка новых, более эффективных схем построения электроемкостных преобразователей, их комплексирование, многократное увеличение объема измерительной информации о параметрах двухфазных и трехфазных газоводонефтяных потоков, алгоритмов идентификации и контроля водонефтяных эмульсий, позволяющих повысить надежность и достоверность процессов оперативного диагностирования качества промысловой нефти.

Работа выполнялась по следующим научным программам:

1. Программа «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» («УМНИК-2007») (Министерство образования и науки Российской Федерации Фонд содействия развитию малых форм предприятия в научно — технической сфере. Федеральное агентство по науке и инновациям. Федеральное агентство по образованию) по теме «Электроемкостная компьютерная томография многофазных потоков»;

2. Государственное задание высшим учебным заведениям на 2012 год (№ 7.2083.2011) по теме «Разработка методов и средств полнопоточного оперативного контроля продукции нефтедобывающих скважин на основе электроемкостной компьютерной томографии многофазных потоков в трубопроводах»;

3. Федеральная целевая программа «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009 — 2013 годы» (№ 14.В37.21.1855 от 04.10.2012) по теме «Разработка нового поколения аппаратно-программных средств полнопоточного контроля для систем управления в нефтедобыче».

Реализация и внедрение результатов работы:

Представленные в работе исследования и разработки реализованы и внедрены в следующих организациях:: ОАО «Гипровостокнефть», ООО «Сервис — центр — Автоматика», что подтверждено актами внедрения.

Так же основные результаты диссертационной работы используются в лекционных курсах, в лабораторном практикуме, в курсовом и дипломном проектировании в Самарском государственном техническом университете на кафедре «Автоматизация и управление технологическими процессами».

Апробация работы:

Основные положения и результаты работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на расширенном заседании кафедры «Автоматизация и управление технологическими процессами», а также на следующих конференциях, семинарах, форумах:

1. Четвертая международная научная конференция «Математическое моделирование и краевые задачи» г. Самара, 29−31 мая 2007 год;

2. Международная научно-техническая конференция «Проблемы автоматизации и управления в технических системах» г. Пенза, 17−19 апреля 2007 год;

3. Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых. «Современные техника и технологии» г. Томск, 26−30 марта 2007 год;

4. Международная научно — практическая конференция «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики и экономики», г. Сочи, 1 -5 октября 2007 год;

5. Конкурс инновационных проектов молодых ученых Самарской области. 1−3 декабря 2011 год;

6. Всероссийский молодежный форум «Селигер-2012», смена «Инновации-2012». 1−10 июля 2012 год.

7. Конкурс инновационных проектов «Умник на Старт» г. Рязань, 9−14 сентября 2012 год.

Цель диссертационной работы:

Повышение эффективности (точности, надежности и достоверности) средств электромагнитного контроля продукции нефтегазовых скважин за счет создания многоэлектродных электроемкостных преобразователей (МЭП) обеспечивающих возможность электрического сканирования многофазного потока, реализацию комплексирования первичных преобразователей.

В соответствии с целью работы в ней решается следующие задачи: 1. Разработка конструктивных схем многоэлектродных электроемкостных преобразователей (МЭП), обеспечивающих возможность электрического сканирования поперечного сечения многофазного потока, реализацию комплексирования первичных преобразователей, многократное увеличение объема измерительной информации о параметрах контролирующего потокаповышение на этой основе эффективности оперативного диагностирования качества продукции нефтегазовых скважин.

2. Разработка математической модели многоэлектродного электроемкостного преобразователя (МЭП) с целью оптимизации режимов электрического сканирования поперечного сечения водонефтяных потоков и алгоритмов обработки многомерной измерительной информации.

3. Экспериментальные исследования закономерностей формирования выходных сигналов и характеристик МЭП при контроле водонефтяных потоков. Разработка алгоритмов идентификации и контроля водонефтяных эмульсий в широком диапазоне водосодержания в условиях комплексирования электроемкостных преобразователей.

4. Разработка установки с многоэлектродным электроемкостным преобразователем, реализующий основные алгоритмы комплексирования, идентификации и контроля водонефтяных потоков.

Методы исследованиябазируются на теории электромагнитного поля и электронных цепей, дифференциального и интегрального исчислений, теории информационно — измерительных и управляющих систем.

Научная новизна работы:

1. Предложен способ измерения параметров водонефтяного потока с использованием многоэлектродных электроемкостных преобразователей (МЭП), обеспечивающих возможность электрического сканирования поперечного сечения многофазного потока, реализацию комплексирования первичных преобразователей, многократное увеличение объема измерительной информации о параметрах контролирующего потока, что позволяет повысить эффективность поточной влагометрии нефти.

2. Разработана математическая модель МЭП, позволяющая оценить размеры зон контроля при различных схемах электрического зондирования многофазного потока, рассчитать выходные сигналы МЭП в квазистатическом приближении и разработать алгоритмы обработки измерительной информации.

3. Установлены на основе экспериментальных исследований закономерности формирования функции преобразования МЭП зависимостей его выходных сигналов от фазового состава водонефтяной смеси в диапазоне водосодержания от 0 до 100%, при различных режимах работы преобразователя и состояниях водонефтяной эмульсии: прямая («нефть в воде») — обратная («вода в нефти»),.

4. Разработаны алгоритмы идентификации и контроля параметров водонефтяных эмульсий:

— алгоритм автоматической идентификации типа водонефтяной эмульсии: обратная — прямая и вида физической среды в зоне контроля МЭП (газ, жидкость);

— алгоритмы калибровки и обработки выходных сигналов МЭП, позволяющий определить фазовый состав контролируемого потока во всем диапазоне обводненности с погрешностью не более 1%.

Практическая ценность работы:

1. Конструкция шестиэлектродного электроемкостного преобразователя, функциональные и принципиальные электрические схемы блока коммутации и управления процессом измерения выходных сигналов МЭП.

2. Методики обработки выходных сигналов МЭП с использованием разработанных алгоритмов идентификации позволяющие более чем в 2 раза повысить точность измерения влажности нефти в потоке.

3. Методика экспериментальных исследований выходных сигналов и характеристик МЭП в функции фазового состава двухфазной смеси «нефтьвода» при различных режимах работы преобразователя.

4. Алгоритм температурной коррекции показаний влагомера в заданном диапазоне температур многофазной среды при сплайн — аппроксимации статических функций преобразования МЭП.

Основные положения, выносимые на защиту;

1 Конструктивные схемы многоэлектродных электроемкостных преобразователей (МЭП), реализующих комплексирование первичных преобразователей, электрического сканирования различных областей многофазного потока.

2. Математическая модель МЭП, позволяющая оптимизировать режимы электрического сканирования контролируемых потоков и алгоритмы обработки многомерной измерительной информации.

3. Экспериментально установленные закономерности формирования выходных сигналов и характеристик МЭП при контроле водонефгяных потоков.

4. Алгоритмы идентификации и контроля водонефтяных эмульсий в широком диапазоне водосодержания в условиях комплексирования электроемкостных преобразователей.

5. Устройство с многоэлектродным электроемкостным преобразователем, реализующее основные алгоритмы комплексирования, идентификации и контроля водонефтяных потоков, позволяющее повысить эффективность контроля продукции нефтегазовых скважин.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 работ, в том числе 8 в изданиях, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией для публикации результатов кандидатских и докторских диссертаций, в том числе патент на способ и устройство по влагометрии водонефтяной эмульсии.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав. Заключения, перечня используемых источников, приложений. Работа содержит 220 страниц машинописного текста, 40 таблиц, 50 иллюстраций, 9 страниц библиографического списка из 98 наименований и 6 страниц приложений.

Основные результаты работы:

1. Проведен сравнительный анализ конструктивных схем электр о ем костных преобразователей существующих влагомеров нефти с двумя цилиндрическими коаксиальными электродами и многоэлектродных систем первичных преобразователей с точки зрения информативности измерительных сигналов и точности определения влажности нефти в потоке.

Предложены конструктивные схемы многоэлектродных электроемкостных преобразователей (МЭП), обеспечивающие возможность электрического сканирования поперечного сечения многофазного потока, реализацию комплексирования первичных преобразователей, резкое увеличение объема измерительной информации о параметрах контролируемого потока, что и позволяет получить более высокую точность и надежность работы поточного влагомера нефти.

2. Показано, что при использовании многоэлектродного электроемкостного преобразователя (МЭП) число независимых измерений в одном цикле опроса электродов составляет п=Ы (Ы-1)/2, где N — число измерительных электродов преобразователя. Так, применение восьмиэлектродного преобразователя (N=8) позволяет реализовать 28 основных схем электрического зондирования и соответственно 28 независимых измерений параметров многофазного потока. Из них:

— четыре взаимно ортогональных поперечно — сквозных зондирования;

— четыре наклонно — сквозных зондирования;

— восемь схем продольно азимутально — локального зондирования;

— четыре схемы поперечного радиально — локального зондирования;

— восемь схем зондирования электродами с аксиально — угловым пространственным смещением этих электродов.

3. Показано, что расчетно — теоретические модели МЭП определяются соответствующими схемами электрического зондирования потока и каждая пара измерительных электродов позволяет сформулировать независимый информационный сигнал.

Рассмотрены условия применимости квазистатического приближения для расчета электромагнитных полей и параметров МЭП при полнопоточном контроле водонефтяных эмульсий. С использованием следующего критерия: /<0,1Л, где / - определяющий размер МЭПЛ — длина волны в системе измерительных электродов преобразователя с водонефтяной эмульсией.

Показано, что определяющим размером «/» МЭП является длина измерительных электродов, вдоль которых возможно распространение электромагнитных волн Е — типа.

Проведен численный анализ длин волн, которые могут образовывать газоводонефтяную смесь: воздух (газ), нефть и пластовая вода с различным уровнем минерализации в диапазоне частот от 1,0кГц до 2,0 мГц.

4. Установлено, что компонент газоводонефтяной смеси, определяющей конструктивные ограничения на МЭП, является пластовая вода, причем с ростом минерализации пластовой воды длина волн резко уменьшается и на частотах 1 и 2 мГЦ составляет 10 м и 7,1 м соответственно при минерализации 0,1%- 1,83 м и 1,3м — при минерализации 3%- 1,22 м и 0,61м — при минерализации 5%. Это необходимо учитывать при создании полнопоточных влагомеров нефти на диаметрах трубопроводов от 100 до 500 мм.

Показано, что при этом необходимо учитывать и ограничения на рабочую частоту. Так, при условии минерализации пластовой воды 5% уже на частоте ЮОкГц длина электродов не может превышать 386 мм.

5. На основе классической задачи Дирихле для круга разработана математическая модель Ыэлектродного преобразователя при поперечносквозном и азимутально — локальном зондировании потока при условии, что ширина конструктивных зазоров между электродами стремиться к нулю. Получены аналитические выражения для потенциалов и компонент напряженности электрического поля, в зоне контроля, разработаны алгоритмы их расчета, на их основе проведен анализ распределениязондирующих полей, позволяющий оценить размеры зоны контроля и закономерности формирования выходных сигналов преобразователей при поперечно — сквозном зондировании потока. Разработан алгоритм исключения особых точек электрического поля при расчете его интегральных параметров — межэлектродных емкостей в различных режимах зондирования потока.

6. На основе моделирования электростатической системы в виде двух компланарных бесконечно длинных пластин, с приложенным к ним напряжением, исследовано влияние конструктивных зазоров между электродами МЭП при продольно — локальном азимутальном зондировании потока. Предложена методика оценки глубины проникновения X электрического поля зазора в контролируемую среду, получено уравнение для расчета величины X от ширины зазора и размеров электродов.

Установлено, что для зазора шириной 1 мм глубина проникновения электрического поля составляет А,=0,037Ь, Ь — размер электродадля зазора в.

2 мм — X = 0,075Ь. В случае Ь->со глубина проникновения Л = Ил1е2 -1, где е=2,718- И — половина ширины зазора. Показано, что локальность зоны контроля в плоскости электродов (горизонтальной плоскости) определяется шириной зазора 2Ь, размер этой зоны составляет (3 -^4)2Ь. Так, на расстоянии от центра зазора равном удвоенной его величине, поле уменьшается более чем в 10 раз относительно оси симметрии.

7. На основе электростатической модели виде 2-х бесконечно длинных цилиндрических оболочек с бесконечно узкой щелью, между ними с приложенным к ним напряжением проведено исследование распределения потенциалов и напряженности электрического поля в области торцевых границ соседних электродов МЭП для схемы поперечного радиальнолокального зондирования потока.

Установлено, что осевой размер зоны контроля при таком зондировании потока составляет примерено один диаметр МЭП. Так, на расстоянии Z=R от центра зазора по оси МЭП напряженность электрического поля уменьшается в 3,4 раза относительно максимального значения. Показано, что для электродов с меньшими угловыми размерами эта величина может служить оценкой сверху размеров зон электрического зондирования контролируемого потока.

8. Разработана экспериментальная установка для исследования выходных сигналов и характеристик МЭП в функции фазового состава двухфазной смеси «нефть — вода», включающая: макетный образец шестиэлектродного преобразователя (N=6) — устройство, моделирующее турбулентный режим многофазного потока с равномерным перемешиванием фазустановку для реализации двух режимов работы преобразователярежима К1, при контроле водонефтяная смесь не заземлена, то есть гальванически изолирована от корпусной точки измерительного устройства и режима К2, при котором контролируемая смесь заземлена, то есть соединена с корпусной точкой измерительного устройства.

9. Экспериментально получены и исследованы функции преобразования МЭП — зависимости его выходных сигналов от фазового состава водонефтяной смеси в диапазоне водосодержания, а от 0 до 100%.

Установлено, что статические функции преобразования МЭП имеют существенно различный характер в двух диапазонах изменения водосодержаня а: при ае[0- 0,7] и ае[0,8- 1]. Так, в диапазоне ае[0−0,7], соответствующем обратной эмульсии («вода в нефти») интегральная чувствительность МЭП к водосодержанию, а велика и составляет от 3-х до 10-и относительных единиц как в режиме К1, так и в режиме К2. В диапазоне ае [0,8- 1,0], соответствующем прямой эмульсии («нефть в воде»), интегральная чувствительность МЭП к изменениям, а значительно изменяется в режимах К1 и К2: в режиме К1 чувствительность низка и составляет от 0,002 до 0,011 относительных единицв режиме К2 чувствительность составляет от 0,2 до 19 относительных едениц, то есть превышает на два и более порядка чувствительность режима К1.

10. Установлено, что в диапазоне ае[0,7−0,8] происходит фазовый переход, то есть обратная эмульсия («вода в нефти «) переходит в прямую («нефть в воде»).

Показано, что в точке фазового перехода происходит существенное изменение характера функций преобразования МЭП, что необходимо учитывать при разработке алгоритмов контроля водонефтяных эмульсий в потоке.

11. В результате анализа экспериментальных данных и установленных закономерностей изменения выходных сигналов МЭП разработаны следующие алгоритмы идентификации и контроля параметров водонефтяных эмульсий:

— Алгоритм автоматической идентификации типа водонефтяной эмульсии: обратная — «вода в нефти» или прямая — «нефть в воде»;

— Алгоритм идентификации вида физической среды в зоне контроля МЭП: газ (воздух) или жидкость (нефть, вода, эмульсия);

— Алгоритм калибровки МЭП — формирование статических функций преобразователя, калибровочных характеристик в нормированном виде и логарифмическом масштабе с использованием сплайн аппроксимации;

— Алгоритм обработки выходных сигналов МЭП в рабочем режиме и определение фазового состава контролируемых потоков.

12. Проведена оценка эффективности многоэлектродного электроемкостного преобразователя как комплексного измерительного устройства.

Показано, что комплексирование электроемкостных преобразователей при контроле обводненности нефти в потоке позволяет повысить точность измерений по меньшей мере в ^[Щ раз, где Мо — число независимых измерений элементов МЭП.

13. Выполнен анализ влияния мешающих факторов: давления, темпертуры и наличия свободного газа в водонефтяной эмульсии на результаты измерений МЭП. Показано, что изменение давления в трубопроводе в диапазоне от 1,0 МПа до 6,0 МПа погрешность измерения обводненности нефти не превосходит от 0,5% в диапазоне влагосодержания ав от 0,2 до 1,0.

Наличие дисперсной газовой фазы в водонефтяной смеси может приводить к значительным погрешностям, достигающим 9,7% при объемном содержании газа до 10%. Для схем поперечно — сквозного и наклонносквозного зондирования многофазного потока. В то же время для схем азимутально и радиально — локального зондирования влияние дисперсной фазы может отсутствовать из-за ограниченности зоны контроля соответствующих элементов МЭП, что открывает возможности определения факта наличия свободного газа в водонефтяном потоке.

14. Исследованы температурные погрешности измерения ав в диапазоне температур контролируемой среды 2−5°С до 60 °C.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате выполненных работ в диссертации теоретических и экспериментальных исследований разработано микропроцессорное устройство с многоэлектродным электроемкостным преобразователем для контроля водонефтяных эмульсий в потоке, а также алгоритмы автоматической идентификации параметров контролируемой среды и обработки сигналов МЭП.