устройство для измерения параметров флюида притока скважины

Формула изобретения

1. Устройство для измерения параметров флюида притока скважины, снабженное прижимным элементом и содержащее корпус, выполненный с возможностью протекания через него флюида притока и обеспечивающий изоляцию флюида притока от скважинного флюида, причем внутри корпуса размещены датчики для измерения параметров флюида притока, отличающееся тем, что корпус выполнен открытым с двух смежных сторон и содержит слабодеформируемую, теплоизолирующую заднюю стенку, а также выполненные из упругодеформируемого теплоизолирующего материала крышку и боковые стенки, внутри корпуса с зазором относительно его задней стенки установлена ячеистая структура из упругодеформируемого теплоизолирующего материала, в изолированных друг от друга сквозных ячейках которой расположены датчики для измерения параметров флюида притока, причем указанные ячейки с одной стороны ячеистой структуры образуют входные отверстия устройства, а с другой стороны соединены с зазором между ячеистой структурой и задней крышкой устройства, при этом общая площадь входных отверстий устройства значительно превышает площадь поверхности стороны структуры, на которой они расположены.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что задняя стенка, крышка и боковые стенки герметично соединены между собой.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что корпус дополнительно снабжен днищем с, по меньшей мере, одним отверстием для выхода флюида.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что ячеистая структура выполнена в виде решетки, образованной перпендикулярно пересекающимися перегородками.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что измерительные ячейки имеют форму n-угольника, где n - количество его углов.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что измерительные ячейки имеют одинаковые размеры.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что измерительные ячейки соединены с зазором посредством отверстий, размеры которых много меньше входных отверстий ячеек.

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в измерительных ячейках расположены датчики температуры, а датчики, измеряющие расход, химический и фазовый состав флюида притока, расположены в непосредственной близости от открытой стороны корпуса.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области геофизических исследований нефтяных и газовых скважин и может быть использовано, в частности, при определении параметров продуктивных пластов и параметров околоскважинного пространства (параметры зоны перфорации, параметры загрязнений призабойной зоны) и др.

В результате работы заявленного устройства могут быть измерены, в частности, следующие параметры: температура притока, локальный дебит, химический и фазовый состав притока.

Так, измерение температуры в нефтяных/газовых скважинах позволяет, в частности:

- оценить расположение продуктивных зон в добывающих скважинах и зон поглощения флюида в нагнетательных скважинах;

- оценить дебит различных продуктивных зон на основе закона сохранения энергии для смешивающихся потоков;

- выделить зоны заколонного перетока и др.

Для оценки дебита различных продуктивных зон (определения профиля притока) на основе закона сохранения энергии для смешивающихся потоков требуется высокая точность измерения температуры флюида в скважине и необходимо знать температуру притока (температуру флюида втекающего в скважину из продуктивного пласта). До настоящего времени температура притока рассчитывается как сумма температуры пород пласта и термодинамического значения эффекта Джоуля Томона. В целом точность оценки температуры притока порядка 1 К, что явно недостаточно для количественного определения профиля притока, поэтому термометрия используется только для качественной оценки профиля притока. Более точные результаты должны быть получены из комплексных температурных данных, а именно таких данных, которые наряду с температурой потока, получаемой в процессе стандартного температурного каротажа, включают также измерение температуры флюида, поступающего в скважину из продуктивных пластов.

С другой стороны, из уровня техники известно (см. Чекалюк Е.В. Термодинамика нефтяного пласта. М., Недра, 1965, стр.238), что температура втекающего в скважину флюида, даже из изначально изотермического пласта, изменяется со временем (в технической литературе этот эффект именуется нестационарным эффектом Джоуля-Томсона). Информация о скорости изменения температуры притока со временем может быть использована для определения параметров загрязненной околоскважинной области с пониженной проницаемостью (см. Yu.A.Popov, V.P.Pimenov, V.V.Tertychnyi. Developments of Geothermal Investigations of Oil and Gas Fields, Oilfield review, spring 2001, pp.4-11).

Таким образом, заявленное в изобретении устройство для измерения параметров флюида притока скважины, в частности температуры притока, позволяет с высокой точностью определять как температуру, так и другие параметры флюида, втекающего в скважину из продуктивного пласта.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному устройству для измерения температуры, втекающего в скважину флюида, является устройство для измерения температуры, фазового состава и расхода флюида, притекающего в скважину или закачиваемого в пласт, по патенту US 5551287, кл. E21B 47/00, опубл. 3.09.1996. Основным элементом устройства по указанному патенту является фрагмент толстостенного цилиндра, радиус кривизны которого совпадает с внутренним радиусом обсадной скважины. Полость в центральной части этого устройства содержит множество тонких пластин, расположенных перпендикулярно поверхности обсадной скважины. В процессе реализации способа измерения температуры флюида притока с использованием данного устройства осуществляют размещение данного устройства на внутренней стенке скважины в зоне притока и его прижатие. Таким образом, флюид из перфорационных каналов имеет возможность свободно течь между указанными пластинами в центральную часть скважины. В устройстве предусмотрена возможность изоляции потока флюида от потока скважинного флюида. Температура флюида измеряется датчиками, расположенными в этих пластинах.

Недостатком указанного технического решения является низкая точность измеренных значений температуры флюида, поскольку реализованные в устройстве средства (крышка на задней части устройства) не предотвращают должным образом массо- и теплообмен между пластовым и скважинным флюидом, что оказывает влияние на точность полученных измерений параметров флюида, и полученные значения не отражают своих действительных значений.

Целью настоящего изобретения является устранение указанных недостатков, а именно повышение точности измерения параметров втекающего в скважину флюида притока.

Заявленный технический результат достигается за счет того, что корпус устройства для измерения параметров втекающего в скважину флюида притока выполнен открытым с двух сторон и содержит заднюю стенку, крышку и боковые стенки. Задняя стена выполнена из слабодеформируемого, теплоизолирующего материала, а крышка и боковые стенки выполнены из упругодеформируемого теплоизолирующего материала. В целом, корпус обеспечивает тепловую и гидродинамическую изоляцию флюида притока от скважинного флюида.

Корпус устройства может быть дополнительно снабжен днищем с, по меньшей мере, одним отверстием для выхода флюида.

Внутри корпуса устройства с зазором относительно его задней стенки установлена ячеистая структура из упругодеформируемого теплоизолирующего материала, в изолированных друг от друга сквозных ячейках которой расположены датчики для измерения параметров флюида притока. Указанные ячейки с одной своей стороны образуют входные отверстия устройства, а с другой стороны соединены с зазором между ячеистой структурой и задней крышкой устройства.

Общая площадь входных отверстий устройства значительно превышает суммарную площадь тех элементов ячеистой структуры, которые прижимают к поверхности обсадной колонны, что обеспечивает беспрепятственное поступление флюида, притекающего из перфорационного канала (расположенного в области ячеистой структуры), в любую из измерительных ячеек, т.е. общая площадь входных отверстий устройства значительно превышает площадь поверхности стороны структуры, на которой они расположены.

Ячеистая структура может быть выполнена в виде решетки, образованной перпендикулярно пересекающимися перегородками. Измерительные ячейки могут также иметь форму n-угольника, где n - количество его углов. Все измерительные ячейки имеют одинаковые размеры.

Для улучшения изоляции флюида притока от скважинного флюида, который заполнял ячейки до того, как устройство было прижато к стенке скважины, измерительные ячейки могут быть соединены с зазором посредством отверстий, размеры которых много меньше входных отверстий ячеек.

В измерительных ячейках располагают датчики температуры, а датчики, измеряющие расход, химический и фазовый состав флюида притока, могут быть расположены в зазоре между ячеистой структурой и задней стенкой устройства в непосредственной близости от открытой стороны или днища корпуса.

Заявленные изобретения поясняются следующими чертежами:

Фиг.1 - Вариант размещения двух устройств для измерения параметров флюида в скважине.

Фиг.2 - Устройство для измерения параметров флюида притока (вертикальный разрез).

Фиг.3 - Устройство для измерения параметров флюида притока (горизонтальный разрез и вид устройства со стороны обсадной колонны).

Устройство для измерения параметров флюида притока состоит из корпуса 1, который содержит заднюю стенку 4, крышку 6 и боковые стенки 5, которые выполнены сплошными и герметично соединенными между собой. Задняя стена 4 выполнена из слабодеформируемого, теплоизолирующего материала; крышка 6 и боковые стенки 5 выполнены из упругодеформируемого теплоизолирующего материала, например упругого пластика или из резины. Корпус 1 может быть дополнительно снабжен днищем 7 с, как минимум, одним отверстием 8.

Внутри корпуса 1 расположена объемная сетчатая структура измерительных ячеек 2 из упругодеформируемого теплоизолирующего материала, например пластика или резины, и может также иметь металлический каркас. Каждая измерительная ячейка содержит датчик 3 и является независимым измерительным элементом.

Устройство снабжено прижимным элементом 9.

Устройство работает следующим образом.

Устройство опускают в скважину 10 и располагают на уровне продуктивного пласта в зоне поступления флюида притока в скважину 10 (флюид притока поступает в скважину через перфорационные отверстия, выполненные в стенке обсадной колонны). Осуществляют плотное прижатие устройства к стенке 11 обсадной колонны 10 с помощью прижимного элемента 9. В качестве прижимного элемента 9 может быть использована, например, пневмопружина или иное устройство с пневмо-, гидро- или электроприводом, способное осуществить плотное прижатие устройства к внутренней поверхности обсадной колонны 10. Радиус кривизны устройства в прижатом к стенке 11 обсадной колонны 10 состоянии совпадает с внутренним радиусом кривизны обсадной колонны 10. Возможным является использование нескольких таких устройств одновременно. В случае использования устройств в количестве свыше одного их располагают в скважине симметрично относительно ее оси (Фиг.1).

В момент начала работы устройства все измерительные ячейки заполнены скважинным флюидом, и измеренные датчиками 3 параметры, например температура флюида в ячейках (в случае использования устройства для измерения температуры флюида притока), будут иметь приблизительно значения, равные температуре скважинного флюида.

Далее, в те измерительные ячейки, которые оказались напротив перфорационных каналов, будет поступать флюид продуктивного пласта, вытесняя тем самым находящийся в них скважинный флюид. Температура в таких измерительных ячейках изменится, причем такое изменение произойдет достаточно быстро, за счет малого объема флюида, содержащегося в каждой ячейке. Такое изменение будет зафиксировано датчиками 3 температуры, расположенными в каждой измерительной ячейке. В остальных же ячейках за счет того, что они выполнены из теплоизолирующего материала, изменение температуры не будет меняться достаточно продолжительное время.

Таким образом, реализуется возможность выявить и определить те ячейки, которые будут измерять непосредственно температуру (или иной параметр) втекающего в скважину флюида.

«Отработавший» в соответствующих ячейках флюид проходит через зазор между сетчатой структурой и задней стенкой корпуса и покидает устройство из его верхней части, вливаясь вверх по потоку основного скважинного флюида. Именно при таком месторасположении выхода флюида из устройства скважинный флюид не будет поступать в зазор между сетчатой структурой и задней стенкой устройства, поскольку флюид притока имеет давление, превышающее давление скважинного флюида.

Выполнение корпуса (стенок корпуса) из теплоизолирующего материала позволяет получить тепловую изоляцию флюида притока от основного потока флюида в стволе скважины, т.е. исключить влияние процессов передачи тепла точность измерения параметров флюида притока.

Выполнение измерительных ячеек также из теплоизолирующего материала позволяет обеспечить теплоизоляцию каждой измерительной ячейки путем исключения процессов теплопередачи через стенки ячеек (в процессе реализации способа соседние ячейки могут быть заполнены разными флюидами - флюидом протока и скважинным флюидом, которые имеют разные температуры), что позволяет измерять температуру втекающего флюида с высокой точностью.

С другой стороны, выполнение стенок корпуса (в частности, боковых, крышки) и измерительных ячеек из упругодеформируемого материала обеспечивает гидроизоляцию флюида притока от общего потока скважины, что реализуется следующим образом.

Сетчатая структура представляет из себя набор равных по высоте измерительных ячеек (в случае, например, ее прямоугольной формы, когда структура может быть выполнена в виде решетки, образованной перпендикулярно пересекающимися перегородками, в пространственном, объемном выражении это - параллелепипед). Такая сетчатая структура устанавливается в полость корпуса таким образом, что через эту структуру и осуществляется поступление флюида притока в устройство (сетчатая структура с одной своей стороны является передней стенкой (стороной) устройства, а измерительные ячейки - входные отверстия устройства). Вместе с тем противоположная указанной стенка структуры образует между корпусом (задней стенкой устройства) зазор для свободного выхода флюида из измерительных ячеек. Таким образом, приложение усилия на корпус устройства в виде прижимающего усилия совместно со свойством гибкости (упругой деформации) материала корпуса и ячеек структуры обеспечивает гидроизоляцию флюида притока от основного потока флюида в скважине.

Форма измерительных ячеек и, следовательно, сетчатой структуры может быть достаточно многообразной. Измерительные ячейки могут иметь форму n-угольника, где n - количество его углов (квадрат, пентагон, гексагон и др.). В любом случае, их размеры должны быть рассчитаны исходя из соразмерности с перфорационными отверстиями, а размеры сетчатой структуры - с учетом количества n_p перфорационных отверстий, приходящихся на 1 метр длины скважины.

В среднем на одно перфорационное отверстие приходится площадь s_p поверхности обсадной колонны

,

где r_c - радиус обсадной колонны.

Для того, чтобы в зону измерения попало не менее N_m перфорационных каналов, площадь сетки измерительных ячеек должна превышать N_m·s_p. Если принять, что сетка измерительных ячеек перекрывает долю периметра скважины (ширина сетчатой структуры b_t = ·2 ·r_c), ее высота h_t должна составлять

Для r_c=0.1 м, N_m=3, =0.3 и n_p=15 м^-1 находим размер сетчатой структуры b_t·h_t=0.2 м·0.6 м.

Постоянная времени t устройства определяется временем, за которое скважинный флюид вытесняется из измерительной ячейки объемом V_cell пластовым флюидом, поступающим из одного перфорационного канала

где

- средний дебит одного перфорационного канала, Р - разность между давлением в пласте и давлением в скважине, - математическая константа, равная 3,14159, - вязкость флюида, k_e - проницаемость пласта, r_c и r_e - радиус обсадной колонны и радиус внешней границы пласта. Для ячейки размером 3 см·3 см·1 см имеем V_cell 10^-5 м³. При k_e=10 ^-13, Р=20 Бар, =10^-2 Па·с, S+ln(r_e/r_c ) 9 имеем q_p 10^-6 м³/с, т.е. постоянная времени устройства в данном случае равна 10 с.