EA024819B1 - Device for determining a component composition of a downhole fluid - Google Patents

Device for determining a component composition of a downhole fluid Download PDF

Info

Publication number
EA024819B1
EA024819B1 EA201400525A EA201400525A EA024819B1 EA 024819 B1 EA024819 B1 EA 024819B1 EA 201400525 A EA201400525 A EA 201400525A EA 201400525 A EA201400525 A EA 201400525A EA 024819 B1 EA024819 B1 EA 024819B1
Authority
EA
Eurasian Patent Office
Prior art keywords
measuring
oil
gas
pipe
water
Prior art date
Application number
EA201400525A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
EA201400525A1 (en
Inventor
Константин Викторович ТОРОПЕЦКИЙ
Original Assignee
УЛЬЯНОВ, Владимир Николаевич
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by УЛЬЯНОВ, Владимир Николаевич filed Critical УЛЬЯНОВ, Владимир Николаевич
Publication of EA201400525A1 publication Critical patent/EA201400525A1/en
Publication of EA024819B1 publication Critical patent/EA024819B1/en

Links

Classifications

    • EFIXED CONSTRUCTIONS
    • E21EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21BEARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B49/00Testing the nature of borehole walls; Formation testing; Methods or apparatus for obtaining samples of soil or well fluids, specially adapted to earth drilling or wells
    • E21B49/08Obtaining fluid samples or testing fluids, in boreholes or wells
    • EFIXED CONSTRUCTIONS
    • E21EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21BEARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B47/00Survey of boreholes or wells
    • E21B47/06Measuring temperature or pressure
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01FMEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/66Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01FMEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/74Devices for measuring flow of a fluid or flow of a fluent solid material in suspension in another fluid
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/02Analysing fluids
    • G01N29/024Analysing fluids by measuring propagation velocity or propagation time of acoustic waves
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/02Analysing fluids
    • G01N29/032Analysing fluids by measuring attenuation of acoustic waves
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/34Generating the ultrasonic, sonic or infrasonic waves, e.g. electronic circuits specially adapted therefor
    • G01N29/348Generating the ultrasonic, sonic or infrasonic waves, e.g. electronic circuits specially adapted therefor with frequency characteristics, e.g. single frequency signals, chirp signals
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/02Indexing codes associated with the analysed material
    • G01N2291/024Mixtures
    • G01N2291/02433Gases in liquids, e.g. bubbles, foams

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Geology (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Mining & Mineral Resources (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Geochemistry & Mineralogy (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Geophysics (AREA)
  • Measuring Volume Flow (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

The invention relates to measuring technology and can be used, in particular, in the petroleum industry for measuring, in real-time mode, the fractional composition (percentage ratio of phases) of a flow of a multi-component two-phase medium comprising oil, gas and water, and, specifically, a flow of a downhole fluid, and also for determining the mass and volumetric flow rate of the oil in other measuring systems in petroleum-extracting and oil-refining installations. Claimed is a device for determining the component composition of a downhole fluid, the device comprising a pipe section with connecting flanges, within which temperature and pressure sensors are mounted, and also a system for measuring the electrophysical characteristics of the downhole fluid, wherein the outputs of the two sensors and of the system for measuring the electrophysical characteristics are connected to a computer. The novelty consists in that the system for measuring the electrophysical characteristics is equipped with units for measuring the dielectric constant and/or electrical conductivity, and one or more ultrasonic meters, the outputs of which are connected to the computer, are additionally inserted into the device, wherein each of the above-mentioned ultrasonic meters is intended for recording the propagation rate and the amplitude of a signal at a fixed acoustic oscillation frequency.

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано, в частности, в нефтедобывающей промышленности для измерения в режиме реального времени фракционного состава (процентного соотношения фаз) потока многокомпонентной двухфазной среды, включающей в себя нефть, газ и воду, а именно потока скважинной жидкости, а также для определения массового и объемного расхода нефти в составе других измерительных систем на объектах нефтедобычи и нефтеподготовки.The invention relates to measuring technique and can be used, in particular, in the oil industry for measuring in real time the fractional composition (percentage of phases) of a stream of a multicomponent two-phase medium, including oil, gas and water, namely, the flow of a well fluid, and also to determine the mass and volumetric flow rate of oil as part of other measuring systems at oil production and oil preparation facilities.

Предшествующий уровень техникиState of the art

Для обеспечения эффективного контроля и регулирования процесса нефтедобычи необходимо как можно точнее измерять количество нефти, извлекаемой из продуктивного пласта, что позволяет обеспечить оптимальный режим эксплуатации и наибольшую суммарную добычу в течение срока эксплуатации месторождения. Требуется производить измерение продукции отдельных скважин индивидуально, так как, например, резкое увеличение обводненности нефти в отдельной скважине трудно обнаружить при измерении общей добычи из нескольких скважин, и уж тем более из групповых замеров нельзя точно выявить, в какой конкретно скважине произошло увеличение обводнённости, чтобы провести на ней какие-либо работы для сокращения издержек добычи.To ensure effective control and regulation of the oil production process, it is necessary to measure as accurately as possible the amount of oil recovered from the reservoir, which allows for optimal operation and maximum total production over the life of the field. It is required to measure the production of individual wells individually, since, for example, a sharp increase in water cut in an individual well is difficult to detect when measuring the total production from several wells, and even more so from group measurements it is impossible to accurately determine in which particular well the water cut increased to carry out any work on it to reduce production costs.

Поэтому очень велика потребность в устройстве, удовлетворяющем следующему ряду требований: устройство должно обеспечивать непрерывное определение относительных количеств (концентраций) компонент в скважинной жидкости (вода, нефть и газ) в широком диапазоне значений, поскольку это является важной самостоятельной промысловой информацией;Therefore, there is a great need for a device that meets the following set of requirements: the device must provide continuous determination of the relative amounts (concentrations) of components in the well fluid (water, oil and gas) in a wide range of values, since this is important independent field information;

устройство должно обеспечивать измерение мгновенных удельных расходов газа и жидкости в широком диапазоне значений, т.е. предполагать простое масштабирование или универсальность решения, поскольку типичные месторождения находятся на поздних стадиях эксплуатации и могут иметь существенный разброс продуктивных параметров на соседних скважинах;the device should provide measurement of the instantaneous specific consumption of gas and liquid in a wide range of values, i.e. Assume simple scaling or universality of the solution, since typical fields are in the late stages of production and can have a significant variation in productive parameters in neighboring wells;

устройство должно допускать последовательное включение в трубопроводную систему, не оказывая заметного гидравлического сопротивления потоку скважинной жидкости, поскольку низкодебитные скважины могут быть не в состоянии обеспечить достаточного устьевого давления;the device must allow sequential inclusion in the pipeline system, without providing noticeable hydraulic resistance to the flow of the borehole fluid, since low-production wells may not be able to provide sufficient wellhead pressure;

измерительная часть устройства должна иметь простую конструкцию, обеспечивающую надёжность и отказоустойчивость в условиях непрерывного потока скважинной жидкости;the measuring part of the device should have a simple design that provides reliability and fault tolerance in a continuous flow of well fluid;

установка устройства должна быть экономически целесообразна из расчёта оборудования ими каждой скважины, а не групповых замеров для целого куста скважин;installation of the device should be economically feasible based on the calculation of the equipment of each well, and not group measurements for a whole cluster of wells;

обслуживание устройства должно производиться без использования высококвалифицированного персонала со специальными допусками, например, на работу с радиоактивными источниками и т.д., поскольку это приведет к существенному увеличению операционных расходов, неприемлемых для эксплуатации месторождений на поздних стадиях;device maintenance should be carried out without the use of highly qualified personnel with special approvals, for example, to work with radioactive sources, etc., since this will lead to a significant increase in operating costs that are unacceptable for the operation of deposits in the later stages;

от устройства требуется компактность и мобильность, что упрощает транспортировку и установку без применения специальной техники, ввиду недоступности ее на удаленных кустовых площадках и общей труднодоступности нефтегазовых месторождений в течение длительного периода времени года;the device requires compactness and mobility, which simplifies transportation and installation without the use of special equipment, due to its inaccessibility at remote cluster sites and the general inaccessibility of oil and gas fields for a long period of time of the year;

от устройства требуется универсальность подключения, допускающая направлять поток скважинной жидкости как в прямом, так и в обратном направлении, что бывает очень важно при коммутации потоков в ходе эксплуатации скважины.the device requires universality of connection, which allows directing the flow of well fluid in both forward and reverse directions, which is very important when switching flows during well operation.

Известно устройство для измерения продукции нефтедобывающих скважин, описанное в патенте КИ2168011, кл. Е21В 47/10, 2001 г. Установка содержит переключатель скважин, входной трубопровод, связывающий переключатель с сепаратором гравитационного типа, предназначенным для отделения газа, трубопроводы для отвода газа и жидкости из сепаратора. На газовой линии установлен газовый расходомер вихревого типа, а на жидкостной линии установлен массовый расходомер (являющийся также плотномером) кориолисового типа для измерения расхода и плотности водонефтяной эмульсии, а также устройство для непрерывного измерения содержания воды в водонефтяной эмульсии (емкостной, микроволновый, инфракрасный или радиочастотный влагомер). Установка снабжена контроллером, предназначенным для обработки данных от плотномера и влагомера для вычисления мгновенных значений обводненности, массового расхода нефти и пр. Устройство работает в широком диапазоне расходов, позволяет точно замерять массовые и объемные расходы газа и жидкости, идеально подходит для групповых замеров с целого куста скважин.A device for measuring the production of oil wells is described in patent KI2168011, class. ЕВВ 47/10, 2001. The installation includes a switch for wells, an inlet pipe connecting the switch with a gravity-type separator for separating gas, and pipelines for removing gas and liquid from the separator. A vortex-type gas flowmeter is installed on the gas line, and a Coriolis-type mass flowmeter (also a densitometer) is installed on the liquid line for measuring the flow rate and density of the oil-water emulsion, as well as a device for continuously measuring the water content in the oil-water emulsion (capacitive, microwave, infrared or radio frequency hydrometer). The unit is equipped with a controller designed to process data from the densitometer and moisture meter for calculating the instantaneous water cut, mass oil flow rate, etc. The device operates in a wide range of flow rates, allows accurate measurement of the mass and volumetric flow rates of gas and liquid, and is ideal for group measurements from a whole bush wells.

Однако известное устройство имеет ряд существенных недостатков.However, the known device has several significant disadvantages.

Во-первых, наличие гравитационного сепаратора предполагает накопительный режим работы, поэтому устройство может выполнять только дискретные замеры, выдавая значения расходов, усредненные за большой интервал времени (соответствует времени сепарации фаз, и для вязких нефтей может исчисляться десятками минут).Firstly, the presence of a gravitational separator assumes a cumulative mode of operation, therefore, the device can only perform discrete measurements, yielding flow rates averaged over a long time interval (corresponds to the phase separation time, and for viscous oils it can take tens of minutes).

Во-вторых, громоздкость устройства осложняет и удорожает доставку на месторождение, сложность и специфичность при первичной настройке и корректировке в процессе эксплуатации и требует наличие высококвалифицированных специалистов.Secondly, the bulkiness of the device complicates and increases the cost of delivery to the field, the complexity and specificity of the initial setup and adjustment during operation and requires the presence of highly qualified specialists.

В-третьих, устройство оказывает серьёзное гидравлическое сопротивление потоку и не допускает инверсию направления течения скважинной жидкости.Thirdly, the device provides serious hydraulic resistance to the flow and does not allow inversion of the flow direction of the well fluid.

- 1 024819- 1,024,819

Кроме того, стоимость устройства делает экономически нецелесообразным его применение для индивидуальных замеров на каждой скважине.In addition, the cost of the device makes it economically impractical to use it for individual measurements at each well.

Известно устройство для измерения продукции нефтедобывающих скважин, описанное в патенте КИ2270981, кл. Е21В 47/10, 2004 г. Установка содержит переключатель скважин, входной трубопровод, связывающий переключатель с сепаратором циклонного (вихревого) типа, предназначенным для отделения газа, трубопроводы для отвода газа и жидкости из сепаратора. На обеих линиях установлены однофазные расходомеры кориолисового типа, которые помимо расходов позволяют замерять плотность среды, а в жидкостной линии встроено устройство для непрерывного измерения содержания воды в водонефтяной эмульсии (емкостной, микроволновый, инфракрасный или радиочастотный влагомер). Установка снабжена контроллером, предназначенным для обработки данных от плотномера и влагомера для вычисления мгновенных значений обводненности, массового расхода нефти и пр. Устройство позволяет точно замерять мгновенные массовые и объемные расходы газа и жидкости, хорошо подходит для групповых замеров с целого куста скважин.A device for measuring the production of oil wells, described in patent KI2270981, class. ЕВВ 47/10, 2004. The installation includes a switch for wells, an inlet pipe connecting the switch with a cyclone (vortex) type separator designed to separate gas, pipelines for removing gas and liquid from the separator. Both lines are equipped with single-phase Coriolis type flow meters, which, in addition to expenses, make it possible to measure the density of the medium, and a device for continuously measuring the water content in the oil-water emulsion (capacitive, microwave, infrared or radio frequency moisture meter) is integrated in the liquid line. The unit is equipped with a controller designed to process data from the densitometer and moisture meter to calculate the instantaneous water cut, mass flow rate of oil, etc. The device allows you to accurately measure the instantaneous mass and volumetric flow rates of gas and liquid, well suited for group measurements from a whole wellbore.

Однако известное устройство также имеет ряд существенных недостатков.However, the known device also has several significant disadvantages.

Во-первых, наличие циклонного сепаратора накладывает ограничение на минимально допустимый расход, что исключает его применение для индивидуальных замеров на низкодебитных скважинах.Firstly, the presence of a cyclone separator imposes a restriction on the minimum allowable flow rate, which excludes its use for individual measurements on low-rate wells.

Во-вторых, громоздкость устройства осложняет и удорожает доставку на месторождение, сложность и специфичность при первичной настройке и корректировке в процессе эксплуатации требует наличие высококвалифицированных специалистов.Secondly, the bulkiness of the device complicates and increases the cost of delivery to the field, the complexity and specificity of the initial setup and adjustment during operation requires the presence of highly qualified specialists.

В-третьих, известное устройство тоже не допускает инверсию направления течения скважинной жидкости.Thirdly, the known device also does not allow inversion of the direction of flow of the well fluid.

В-четвертых, известное устройство, как и вышеприведенный аналог, делает экономически нецелесообразным его применение для индивидуальных замеров из-за стоимости устройства.Fourth, the known device, like the above analogue, makes it economically impractical to use it for individual measurements because of the cost of the device.

Наиболее близким к заявляемому устройству по технической сущности является устройство, взятое в качестве прототипа, описанное в патенте И84802361, кл. Ο01Ν 33/22, 1989 г. Устройство включает в себя подключаемую в разрыв трубопровода измерительную секцию для прохождения потока нефтеводогазовой смеси, на котором размещены гамма-радиационный плотномер (денситометр) для измерения мгновенного значения плотности нефтеводогазовой смеси (рж) и проточный влагомер электромагнитного типа для определения мгновенного значения диэлектрической проницаемости нефтеводогазовой смеси (еж). Устройство включает в себя также контроллер, выполненный с возможностью задания значения плотности чистой нефти (т.е. безводной разгазированной нефти), воды и свободного газа, а также определения объемной доли воды путем решения системы из трех уравнений, включающих в себя значения рж и еж в качестве постоянных коэффициентов, а значение объемной доли воды, нефти и газа - в качестве неизвестных в уравнениях указанной системы. Функционально устройство представлено патрубком, на котором установлены две соосных катушки индуктивности, работающих на частоте 400 МГ ц, между которым измеряется разность фаз, связанная с диэлектрической проницаемостью среды и как следствие, с относительным количеством воды в смеси, находящейся в трубе. Далее, на трубе расположены радиоактивный источник С§137, помещенный в свинцовый коллиматор, для создания узкого пучка гаммаквантов и приемник на основе сцинтилляционного преобразователя для регистрации интенсивности потока гамма-квантов, прошедших через смесь, находящуюся в трубе. Таким образом, осуществляется измерение плотности среды, и как следствие коэффициент ее газонасыщенности. Исходные значения коэффициентов газонасыщенности для чистых веществ получаются путем калибровочных замеров на образцовых смесях. Кроме того, на трубе расположен датчик температуры для измерения текущей температуры смеси, находящейся в трубе, поскольку диэлектрическая проницаемость водонефтяной смеси имеет хорошо выраженную температурную зависимость. В одном из вариантов реализации на трубе может быть установлен датчик давления для учета зависимости плотности газа от давления и коррекции расчёта относительного количества газа. Устройство работает в широком диапазоне расходов, позволяет точно замерять мгновенные массовые и объемные расходы газа и жидкости, обладает компактными размерами, оказывает минимальное гидравлическое сопротивление потоку и допускает инвертирование направления скважинной жидкости.Closest to the claimed device by technical nature is a device taken as a prototype described in patent I84802361, cl. Ο01Ν 33/22, 1989. The device includes a measuring section connected to the pipeline rupture for passing the oil-gas mixture flow, on which a gamma-radiation densitometer (densitometer) is located to measure the instantaneous density of the oil-gas mixture (hr) and an electromagnetic type flow meter for determining the instantaneous value of the dielectric constant of the oil-gas mixture (hedgehog). The device also includes a controller configured to set the density of pure oil (i.e., anhydrous, degassed oil), water and free gas, and also to determine the volume fraction of water by solving a system of three equations including the values of hw and hedgehog as constant coefficients, and the value of the volume fraction of water, oil and gas - as unknown in the equations of this system. The device is functionally represented by a pipe on which two coaxial inductors are installed, operating at a frequency of 400 MG c, between which the phase difference is measured, which is associated with the dielectric constant of the medium and, as a result, with the relative amount of water in the mixture in the pipe. Further, on the tube there is a radioactive source of Cg 137 placed in a lead collimator to create a narrow beam of gamma quanta and a receiver based on a scintillation transducer to record the intensity of the gamma ray flux passing through the mixture in the tube. Thus, a measurement of the density of the medium is carried out, and as a result, its gas saturation coefficient. The initial values of the gas saturation coefficients for pure substances are obtained by calibration measurements on reference mixtures. In addition, a temperature sensor is located on the pipe to measure the current temperature of the mixture in the pipe, since the dielectric constant of the oil-water mixture has a pronounced temperature dependence. In one embodiment, a pressure sensor can be installed on the pipe to take into account the dependence of gas density on pressure and correct the calculation of the relative amount of gas. The device operates in a wide range of flow rates, allows you to accurately measure the instantaneous mass and volumetric flow rates of gas and liquid, has compact dimensions, provides minimal hydraulic resistance to flow and allows inverting the direction of the well fluid.

Основным недостатком устройства является наличие радиоактивного источника, что накладывает серьёзные ограничения на эксплуатацию, требует высококвалифицированный персонал со специальными допусками при первичной настройке и корректировке в процессе эксплуатации.The main disadvantage of the device is the presence of a radioactive source, which imposes serious restrictions on operation, requires highly qualified personnel with special tolerances during initial setup and adjustment during operation.

Кроме того, известное устройство, как и вышеприведенные аналоги, делает экономически нецелесообразным его применение для индивидуальных замеров на каждой скважине месторождения из-за высокой стоимости самого устройства и мер, связанных с обеспечением радиационной безопасности функционирования устройства.In addition, the known device, as well as the above counterparts, makes it economically impractical to use it for individual measurements at each well of the field due to the high cost of the device itself and measures related to ensuring radiation safety of the device.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Задачей настоящего изобретения является устранение указанных недостатков, а именно создание такого устройства, которое бы сочетало в себе компактность прототипа, но имело бы простоту обслуживания, отсутствие необходимости в обеспечении охраны устройства, надежность получаемых результа- 2 024819 тов и их независимость от режимов течения и состава смеси.The objective of the present invention is to remedy these disadvantages, namely the creation of such a device that would combine the compactness of the prototype, but would have ease of maintenance, no need to ensure the protection of the device, the reliability of the results obtained - 2,024,819 tons and their independence from flow conditions and composition mixtures.

Указанная задача в устройстве для определения компонентного состава продукции нефтегазовой скважины, включающем отрезок трубы с присоединительными фланцами, внутри которого установлены датчики температуры и давления, а так же система измерения электрофизических характеристик скважинной жидкости, при этом выходы обоих датчиков и системы измерения электрофизических характеристик подключены к вычислительному устройству, решена тем, что система измерения электрофизических характеристик оборудована блоками измерения диэлектрической проницаемости и/или электропроводности, а в устройство дополнительно введены один или несколько ультразвуковых измерителей, выходы которых подключены к вычислительному устройству, при этом каждый из указанных ультразвуковых измерителей предназначен для регистрации скорости распространения и амплитуды сигнала на фиксированной частоте акустических колебаний.The specified task in the device for determining the component composition of oil and gas wells, including a pipe segment with connecting flanges, inside which temperature and pressure sensors are installed, as well as a system for measuring the electrophysical characteristics of the well fluid, while the outputs of both sensors and the system for measuring electrophysical characteristics are connected to the computational the device, it is decided that the system for measuring electrical characteristics is equipped with measuring units dielectric permeability and / or conductivity, and the apparatus additionally administered one or more ultrasonic gauges, whose outputs are connected to a computing device, each of said ultrasonic meters for registering the propagation velocity and amplitude of the signal at a fixed frequency acoustic oscillations.

Поскольку определение компонентного состава газожидкостной смеси без разделения фаз должно быть основано на измерении физических свойств среды, которые существенно отличаются для отдельно взятых компонент, то для определения удельного влагосодержания в заявляемом решении будут измеряться электрофизические свойства среды, наиболее сильно контрастирующие между водой и нефтьюгазом, такие как диэлектрическая проницаемость и электропроводность (электрический импеданс), а для определения удельного газосодержания - акустические свойства среды, наиболее сильно контрастирующие между газом и жидкость, такие как скорость акустических волн и коэффициент затухания акустических колебаний. Акустические свойства среды зависят от плотности, вязкости и теплофизических характеристик среды, поэтому акустические измерения могут определять газ не только в свободном, но и в растворенном виде по изменению вязкости жидкости. Для непосредственного измерения электрофизических свойств скважинной жидкости в заявляемом решении предлагается емкостной датчик проточной конструкции, у которого электрический импеданс зависит от электрофизических свойств протекающей через него газожидкостной среды.Since the determination of the component composition of a gas-liquid mixture without phase separation should be based on measuring the physical properties of the medium, which are significantly different for individual components, to determine the specific moisture content in the claimed solution, the electrophysical properties of the medium, which are most strongly contrasted between water and oil gas, will be measured, such as dielectric constant and electrical conductivity (electrical impedance), and for determining the specific gas content - acoustic properties and medium, most strongly contrasting between a gas and a liquid, such as speed of ultrasonic waves and attenuation coefficient of the acoustic oscillations. The acoustic properties of the medium depend on the density, viscosity and thermophysical characteristics of the medium; therefore, acoustic measurements can determine gas not only in a free, but also in a dissolved form by a change in the viscosity of a liquid. For direct measurement of the electrophysical properties of the well fluid, the claimed solution proposes a capacitive flow-through sensor, in which the electrical impedance depends on the electrophysical properties of the gas-liquid medium flowing through it.

Поскольку электрофизические и акустические свойства компонентов неизвестны априори и, более того, могут варьироваться для разных скважинных жидкостей, то перед измерениями необходимо выполнить калибровку устройства, которая предназначена для определения физических свойств составных частей смеси. По дискретным калибровочным точкам строится простая аналитическая функция, связывающая измеряемые свойства среды с компонентным составом. После чего, определение компонентного состава представляется собой решение обратной задачи по измеренным свойствам среды. Измерения компонентного состава необходимо корректировать с учетом режима течения газожидкостной смеси, поскольку электрофизические и акустические свойства существенным образом зависят не только от компонентного состава, но и степени их смешивания. Принципиально отличие заявляемого решения заключается именно в подходе к измерениям не одной физической характеристики среды, а сразу нескольких, а именно, электрического и акустического импеданса. Традиционные решения, как правило, для определения удельных содержаний компонент используется какой-либо один вид измерений, с большими ограничениями чувствительности в определенных частях диапазона. В заявляемом решении акустические измерения необходимы для определения удельного газосодержания, а электрофизические - для определения удельной доли воды в жидкости, что даёт полный компонентный состав скважинной жидкости. В области вода-в-нефти достаточно измерять абсолютную величину электрического импеданса емкостного сенсора, а при обращении фаз в режим нефть-в-воде, когда сильно падает зависимость импеданса от удельной доли воды, надёжнее всего переключиться на измерение фазового сдвига между током и напряжением на емкостном датчике.Since the electrophysical and acoustic properties of the components are unknown a priori and, moreover, can vary for different well fluids, before measurements it is necessary to calibrate the device, which is designed to determine the physical properties of the components of the mixture. Using discrete calibration points, a simple analytical function is constructed that relates the measured properties of the medium to the component composition. After that, the determination of the component composition is a solution to the inverse problem of the measured properties of the medium. Measurements of the component composition must be adjusted taking into account the gas-liquid mixture flow regime, since the electrophysical and acoustic properties substantially depend not only on the component composition, but also on the degree of their mixing. Fundamentally, the difference between the proposed solution lies precisely in the approach to measuring not one physical characteristic of the medium, but several, namely, electrical and acoustic impedance. Conventional solutions, as a rule, use one type of measurement to determine the specific contents of the components, with large sensitivity limitations in certain parts of the range. In the claimed solution, acoustic measurements are necessary to determine the specific gas content, and electrophysical measurements are necessary to determine the specific fraction of water in the fluid, which gives the full component composition of the well fluid. In the water-in-oil field, it is sufficient to measure the absolute value of the electric impedance of the capacitive sensor, and when the phases turn to oil-in-water mode, when the dependence of the impedance on the specific fraction of water drops, it is most reliable to switch to measuring the phase shift between current and voltage by capacitive sensor.

Для определения электрофизических характеристик скважинной жидкости в качестве измерителя диэлектрической проницаемости может быть использован емкостной датчик, выполненный в виде коаксиального конденсатора с одной обкладкой цилиндрической формы и второй обкладкой в виде центрального стержня или в виде цилиндрического конденсатора с обкладками в виде диаметрально расположенных сегментов цилиндра.To determine the electrophysical characteristics of the well fluid, a capacitive sensor made in the form of a coaxial capacitor with one cylindrical shell and a second shell in the form of a central rod or in the form of a cylindrical capacitor with plates in the form of diametrically located cylinder segments can be used as a dielectric permittivity meter.

Для определения электрофизических характеристик скважинной жидкости в качестве измерителя электропроводности среды может быть использована система индуктивных катушек, расположенных коаксиально друг к другу и к оси трубы или расположенных коаксиально друг к другу и ортогонально к оси трубы.To determine the electrophysical characteristics of the well fluid, a system of inductive coils located coaxially to each other and to the pipe axis or located coaxially to each other and orthogonal to the pipe axis can be used as a medium conductivity meter.

Для определения акустических характеристик скважинной жидкости в качестве измерителя относительного содержания газа может быть использован ультразвуковой датчик, выполненный в виде одного или нескольких пар пьезокерамических преобразователей источник-приемник, расположенных в поперечном сечении трубы, диаметрально противоположно друг другу.To determine the acoustic characteristics of the borehole fluid, an ultrasonic transducer made in the form of one or more pairs of piezoceramic source-receiver transducers located in the pipe cross section is diametrically opposite to each other as a relative gas content meter.

Для выполнения заявляемого устройства с широкими функциональными возможностями отрезок трубы, внутри которого установлены датчики, выполнен составным из нескольких герметично соединенных между собой секций-модулей, каждая из которых оборудована одним или несколькими типами измерителей. Модульность архитектуры устройства позволяет оперативно менять состав измерительных секций, расширять диапазоны работы устройства при необходимости. Это важно при долговременных работах на реальных нефтегазовых скважинах, когда в процессе эксплуатации режимы течения скважин- 3 024819 ной жидкости могут быть изменены в связи со сменой режимов эксплуатации скважины, применением оптимизирующих операций, таких как гидроразрыв пласта или кислотная обработка, спуск насосов различной конфигурации, изменениями штуцера и прочее. Поэтому работу модулей можно рассматривать независимо друг от друга.To perform the inventive device with wide functional capabilities, the pipe segment, inside which the sensors are installed, is made up of several module sections hermetically connected to each other, each of which is equipped with one or more types of meters. The modularity of the device architecture allows you to quickly change the composition of the measuring sections, expand the ranges of the device if necessary. This is important for long-term operations in real oil and gas wells, when during operation, the flow regimes of 3,048,819 fluids can be changed due to a change in the operating modes of the well, the use of optimizing operations, such as hydraulic fracturing or acid treatment, the launch of pumps of various configurations, fitting changes and stuff. Therefore, the operation of the modules can be considered independently of each other.

Для уменьшения габаритов устройства при одновременном повышении его быстродействия измерительное устройство выполнено на основе микроконтроллера, оборудованного входным интерфейсом для оцифровки сигналов с датчиков.To reduce the dimensions of the device while increasing its speed, the measuring device is made on the basis of a microcontroller equipped with an input interface for digitizing signals from sensors.

Для обеспечения возможности постоянного мониторинга за состоянием скважины, измерительное устройство оборудовано энергонезависимым накопителем для хранения измерений, источником автономного электропитания и внешним интерфейсом, подключенным к модулю радиоканала.To enable continuous monitoring of the state of the well, the measuring device is equipped with a non-volatile drive for storing measurements, an autonomous power supply and an external interface connected to the radio channel module.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

На фиг. 1 представлен вариант реализации заявляемого устройства с емкостным коаксиальным датчиком и одиночным ультразвуковым измерителем скорости распространения и амплитуды акустического сигнала, включающий: отрезок трубы 1, в котором установлен ультразвуковой измеритель, состоящий из источника 2а и приемника 2б, а также емкостной датчик, состоящий из наружной цилиндрической обкладки 3 и центрального стержня 4; датчики давления 5 и температуры 6; контроллер 7 с входным интерфейсом 8; фланцы крепления 9а и 9б.In FIG. 1 shows an embodiment of the inventive device with a capacitive coaxial sensor and a single ultrasonic meter for the propagation velocity and amplitude of the acoustic signal, including: a pipe section 1 in which an ultrasonic meter is installed, consisting of a source 2a and a receiver 2b, as well as a capacitive sensor, consisting of an external cylindrical plates 3 and the central rod 4; pressure sensors 5 and temperature 6; controller 7 with input interface 8; mounting flanges 9a and 9b.

На фиг. 2а-в представлен вариант реализации заявляемого устройства с емкостным датчиком, выполненным в виде двух пар диаметрально расположенных электродов 10а-10д и двумя диаметрально расположенными ультразвуковыми измерителями 2а-б и 2в-г.In FIG. 2a-c shows an embodiment of the inventive device with a capacitive sensor made in the form of two pairs of diametrically arranged electrodes 10a-10d and two diametrically located ultrasonic meters 2a-b and 2c-d.

На фиг. 3 представлен вариант реализации заявляемого устройства модульного типа с радиопередающим каналом, состоящий из четырех трубных модулей, соединенных между собой фланцами в единый блок, три модуля из которых оборудованы измерительными датчиками, а четвертый - является резервным. Устройство дополнительно включает: модуль акустических измерителей количества газа 11; модуль термобарометрии 12; модуль диэлькометрических измерителей содержания воды 13; резервный модуль 14; выходной интерфейс контроллера 15 (радиомодуль с антенной); модуль автономного питания 16.In FIG. 3 presents an embodiment of the inventive device of a modular type with a radio transmitting channel, consisting of four pipe modules interconnected by flanges in a single unit, three of which are equipped with measuring sensors, and the fourth is a backup. The device further includes: a module for acoustic meters of gas 11; thermobarometry module 12; module dielcometric measuring the water content 13; standby module 14; controller 15 output interface (radio module with antenna); autonomous power supply module 16.

На фиг. 4 представлен еще один вариант реализации модуля диэлькометрического измерителя содержания воды 13, включающий: соосные с трубой катушки 17а и 17б индукционного измерителя электропроводности 18.In FIG. 4 shows another embodiment of a module of a dielcometric meter for measuring the water content 13, including: coaxial with the pipe coil 17a and 17b of an induction conductivity meter 18.

На фиг. 5 представлен еще один вариант реализации модуля диэлькометрического измерителя содержания воды 13, включающий: катушки индуктивности 19а и 19б, расположенные на поверхности трубы диаметрально противоположно друг другу.In FIG. 5 shows yet another embodiment of a module of a dielcometric water content meter 13, including: inductors 19a and 19b located on the pipe surface diametrically opposite to each other.

На фиг. 6 представлены графики зависимостей электропроводности и диэлектрической проницаемости водно-нефтяной смеси от удельной доли воды, где: 21 - зависимость электропроводности воднонефтяной смеси; 22 - зависимость диэлектрической проницаемости водно-нефтяной эмульсии; 23 - область эмульсий типа вода-в-нефти; 24 - область эмульсий типа нефть-в-воде.In FIG. Figure 6 shows graphs of the dependences of the electrical conductivity and permittivity of the oil-water mixture on the specific fraction of water, where: 21 is the dependence of the electrical conductivity of the oil-water mixture; 22 - dependence of the dielectric constant of a water-oil emulsion; 23 - region of emulsions of the type water-in-oil; 24 is a region of oil-in-water emulsions.

На фиг. 7 представлены графики зависимостей амплитуды акустических колебаний после прохождения через газожидкостную смесь и скорости прохождения акустической волны от удельного газосодержания в среде, где 25 - зависимость амплитуды акустических колебаний; 26 - зависимость скорости акустической волны.In FIG. Figure 7 shows graphs of the dependences of the amplitude of acoustic vibrations after passing through a gas-liquid mixture and the speed of propagation of an acoustic wave on the specific gas content in a medium, where 25 is the dependence of the amplitude of acoustic vibrations; 26 - dependence of the speed of the acoustic wave.

Лучший вариант осуществления изобретенияThe best embodiment of the invention

Рассмотрим работу заявляемого устройства, представленного на фиг. 3. Смесь нефти, воды и газа в произвольных пропорциях (скважинная жидкость) поступает внутрь устройства через фланец 9а. Ультразвуковые волны излучаются с одного из диаметрально расположенных пьезокерамических преобразователей 2а проходят через протекающую смесь, изменяя свои характеристики в зависимости от свойств среды, и попадают на точно такой же преобразователь 2б, сигнал с которого поступает в контроллер 7 через входной интерфейс 8, где аналоговый сигнал преобразовывается в цифровой, и контроллер 7 вычисляет его параметры: скорость пробега ультразвуковой волны и ее амплитуду. На стенке трубы установлены датчики гидростатического давления 5 и температуры 6, сигнальные выходы которых так же присоединены к контроллеру 7 через входной интерфейс 8.Consider the operation of the inventive device shown in FIG. 3. A mixture of oil, water and gas in arbitrary proportions (well fluid) enters the device through the flange 9a. Ultrasonic waves are emitted from one of the diametrically located piezoelectric transducers 2a pass through the flowing mixture, changing their characteristics depending on the medium’s properties, and get on exactly the same transducer 2b, the signal from which is fed to the controller 7 through the input interface 8, where the analog signal is converted digitally, and the controller 7 calculates its parameters: the speed of the ultrasonic wave and its amplitude. The hydrostatic pressure sensors 5 and temperature 6 are installed on the pipe wall, the signal outputs of which are also connected to the controller 7 through the input interface 8.

Как уже было сказано выше, амплитуда акустической волны и скорость ее пробега зависят от свойств смеси, а главным образом, от ее средней плотности, т.е. соотношения между газовой фракцией и жидкостной. На фиг. 7 представлены качественные графики, отражающие характер поведения зависимости амплитуды акустической волны 25 и скорости распространения волны 26 от относительного содержания газа в жидкости. Из общей теории распространения акустических волн в газовых и жидкостных средах следует, что затухание акустического сигнала зависит множества параметров среды, в частности от ее плотности, вязкости, теплопроводности и т.д., в частности в газовой среде затухание существенно выше, чем в жидкости, график, полученный на экспериментальной установке, подтверждает этот факт, и мы видим значительное падение амплитуды сигнала в приемнике при повышении концентрации газовых пузырьков с жидкости, точка Ь - соответствует нулевому содержанию газа и является максимальной по амплитуде, точка а - наоборот, соответствует амплитуде в чисто газовой среде. Эти точки служат калиб- 4 024819 ровочными параметрами, исходя из которых, мы можем по измеренной амплитуде η определить соотношение между газовой и жидкостной фазами. Точно так же и скорость распространения акустической волны несет информацию о соотношении между газовой и жидкостной фракцией. Далее, смесь попадает в интервал работы измерителя содержания воды 13, который может быть реализован с помощью датчика диэлектрической проницаемости, состоящего из обкладок конденсатора 10а и 10б. Сигнальный выход измерителя так же присоединен к контроллеру 7, где происходит вычисление диэлектрической проницаемости среды, протекающей во внутреннем объеме устройства. Дальнейшая обработка данных заключается в вычислении параметров газонасыщенности по имеющимся калибровочным значениям скорости и амплитуды затухания ультразвукового сигнала с учетом температуры среды и гидростатического давления, вычислении водо-насыщенности жидкой части среды по имеющимся калибровочным значениям измерителя диэлектрической проницаемости (предварительно записанным в память контроллера 7). Заявляемое устройство в таком случае имеет ограничение по диапазону изменения концентрации воды, а именно чувствительность емкостного датчика к количеству воды имеет ограничение - не более 80% воды при нулевом содержании газа. Для преодоления этого ограничения измеритель содержания воды 13 может быть реализован с помощью датчика электропроводности 18 смеси (см. фиг. 4а) чувствительность которого, наоборот, находиться ниже точки обращения эмульсии, а именно при относительных количествах воды более 40%. Таким образом, использование обоих модулей (диэлектрической проницаемости и электропроводности) позволит вычислять электрический импеданс смеси, что при учете газосодержания позволяет достоверно (не хуже 5%) определить относительное содержание воды. Пример такой зависимости можно видеть на фиг. 6, на котором приведены качественные диаграммы диэлектрической проницаемости 22 и электропроводности смеси 21, в зависимости от содержания воды. Из этих диаграмм видно, что в области низкого водосодержания 23 высокой чувствительностью обладает именно емкостной метод вплоть до значений около 40 % воды, далее следует диапазон от 40 до 60% (в зависимости от свойств жидкостей и термобарических условий) в котором и один и другой метод не демонстрируют явных преимуществ, и верхний диапазон содержания воды 24, в котором концентрация капель нефти обуславливает значения удельного электрического сопротивления. Модуль, представленный на фиг. 4, дополнительно может быть введен в состав устройства, представленного на фиг. 3, вместо резервного модуля 14. Таким образом, комбинация этих двух характеристик называемая электрическим импедансом оказывается наилучшим показателем содержания воды во всем диапазоне.As mentioned above, the amplitude of an acoustic wave and its mean free path depend on the properties of the mixture, and mainly on its average density, i.e. the ratio between the gas fraction and the liquid. In FIG. 7 presents high-quality graphs reflecting the behavior of the dependence of the amplitude of the acoustic wave 25 and the propagation velocity of the wave 26 on the relative gas content in the liquid. It follows from the general theory of the propagation of acoustic waves in gas and liquid media that the attenuation of an acoustic signal depends on many parameters of the medium, in particular, on its density, viscosity, thermal conductivity, etc., in particular, the attenuation is much higher in a gas medium than in a liquid the graph obtained in the experimental setup confirms this fact, and we see a significant drop in the amplitude of the signal in the receiver with increasing concentration of gas bubbles from the liquid, the point b - corresponds to the zero gas content and i is maximal in amplitude, point a, on the contrary, corresponds to amplitude in a purely gaseous medium. These points serve as calibration parameters, based on which, from the measured amplitude η, we can determine the ratio between the gas and liquid phases. In the same way, the propagation velocity of an acoustic wave carries information about the relationship between the gas and liquid fractions. Further, the mixture falls into the interval of operation of the water content meter 13, which can be implemented using a dielectric constant sensor consisting of capacitor plates 10a and 10b. The signal output of the meter is also connected to the controller 7, where the dielectric constant of the medium flowing in the internal volume of the device is calculated. Further processing of the data consists in calculating the gas saturation parameters from the available calibration values of the speed and attenuation amplitude of the ultrasonic signal taking into account the temperature of the medium and hydrostatic pressure, calculating the water saturation of the liquid part of the medium from the available calibration values of the dielectric permittivity meter (previously recorded in the memory of controller 7). The inventive device in this case has a limitation on the range of changes in water concentration, namely, the sensitivity of the capacitive sensor to the amount of water has a limitation of not more than 80% of water at zero gas content. To overcome this limitation, the water content meter 13 can be implemented using the mixture conductivity sensor 18 (see Fig. 4a) whose sensitivity, on the contrary, is below the emulsion circulation point, namely, with relative amounts of water more than 40%. Thus, the use of both modules (permittivity and electrical conductivity) will allow us to calculate the electrical impedance of the mixture, which, when taking into account the gas content, allows us to reliably (not worse than 5%) determine the relative water content. An example of such a relationship can be seen in FIG. 6, which shows qualitative diagrams of the dielectric constant 22 and the electrical conductivity of the mixture 21, depending on the water content. It can be seen from these diagrams that in the region of low water content 23, it is the capacitive method that has high sensitivity up to values of about 40% water, followed by a range from 40 to 60% (depending on the properties of liquids and thermobaric conditions) in which one and the other method do not show obvious advantages, and the upper range of water content 24, in which the concentration of oil droplets determines the values of electrical resistivity. The module shown in FIG. 4 can additionally be incorporated into the device of FIG. 3, instead of the backup module 14. Thus, a combination of these two characteristics called electrical impedance is the best indicator of water content in the entire range.

Измерение температуры и давления одновременно с измерениями импеданса позволяет как вводить поправки, обусловленные температурными коэффициентами физических свойств, так и проводить пересчет относительных концентраций компонент к абсолютным значениям при нормальных условиях.Measurement of temperature and pressure simultaneously with impedance measurements allows both to introduce corrections due to temperature coefficients of physical properties and to recalculate the relative concentrations of the components to absolute values under normal conditions.

Техническая применимостьTechnical applicability

Для проверки работоспособности заявляемого устройства была собрана лабораторная установка из измерительной ячейки в виде вертикальной трубы, в которую заливалась испытуемая жидкость. Через нижнюю часть трубы подавался определённый поток воздуха от компрессора, чтобы создать движение пузырьков газа в жидкости с заданной концентрацией. В трубу заливались жидкости с различными электрофизическими свойствами: смеси воды с различными уровнями минерализации и трансформаторного масла для получения различных значений диэлектрической проницаемости и проводимости испытуемой среды. Воздух подавался только в водные растворы с разной минерализацией по причинам пожаробезопасности. Подача воздуха в измерительную ячейку регулировалась с помощью игольчатого клапана от малогабаритного компрессора с ресивером ΡΚΟΚΑΒ, обеспечивающим равномерную подачу воздуха с расходом до 350 л/мин.To test the operability of the claimed device, a laboratory setup was assembled from the measuring cell in the form of a vertical pipe into which the test liquid was poured. A certain air flow from the compressor was supplied through the lower part of the pipe to create the movement of gas bubbles in a liquid with a given concentration. Liquids with various electrophysical properties were poured into the pipe: mixtures of water with different levels of mineralization and transformer oil to obtain different values of the dielectric constant and conductivity of the test medium. Air was supplied only to aqueous solutions with different salinity for fire safety reasons. The air supply to the measuring cell was controlled using a needle valve from a small-sized compressor with receiver ΡΚΟΚΑΒ providing a uniform air supply with a flow rate of up to 350 l / min.

Электрические измерения проводились как с серийным диэлькометрическим датчиком ВАД-40 производства НПО Техноком, так и с лабораторной модельной установкой в широком частотном диапазоне с верхней границей 100 МГц. Модельная установка для определения электрофизических свойств представляла собой конденсатор с плоскопараллельными электродами, подключенными к генератору синусоидального напряжения с регулируемой частотой, собранному на частотном синтезаторе ΑΌ9957 (производства Апа1од Иеу1ее8) и токовому сенсору, между пластин которого помещались различные образцовые среды. Сигналы с генератора и токового сенсора подавались для сравнения на фазовый детектор, собранный на контроллере ΑΌ8302 (производства Апа1од Иеу1ее8), а затем на двухканальный быстродействующий АЦП, собранный на контроллере АИ9650 (производства Апа1од Иеу1ее8). В результате сравнения сигналов тока и напряжения на конденсаторе, вычислялись электрический импеданс и сдвиг фазы между током и напряжением на конденсаторе, которые зависят от электрофизических свойств среды, заполняющей пространство между обкладками - проводимости и диэлектрической проницаемости.Electrical measurements were carried out both with the VAD-40 serial dielcometric sensor manufactured by NPO Technokom and with a laboratory model setup in a wide frequency range with an upper limit of 100 MHz. The model setup for determining the electrophysical properties was a capacitor with plane-parallel electrodes connected to a sinusoidal voltage generator with an adjustable frequency assembled on a ΑΌ9957 frequency synthesizer (manufactured by Apaod Oeu1ee8) and a current sensor, between which plates various sample media were placed. The signals from the generator and the current sensor were supplied for comparison to a phase detector assembled on a ΑΌ8302 controller (manufactured by Apaod Oeu1ee8), and then to a two-channel high-speed ADC assembled on an AI9650 controller (manufactured by Apaod oeuuuuee8). As a result of comparing the current and voltage signals on the capacitor, the electrical impedance and phase shift between the current and voltage on the capacitor were calculated, which depend on the electrophysical properties of the medium filling the space between the plates - conductivity and permittivity.

Для акустических измерений была взята пара пьезокерамических преобразователей на титанате бария, герметично вмонтированных в стенку трубы диаметрально напротив друг друга в поперечном сечении трубы, сигнал измерялся как в прямом направлении потока, так и в обратном (путём обращения источника в приёмник и наоборот) для компенсации движения самой среды, на частотах ультразвука до 100 кГц. Измерялось как время пробега акустической волны от источника к приёмнику, так и амплитуда акустических колебаний после прохождения через среду. Один из пьезокерамических преобразователей выполнял роль источника ультразвука, на него подавались импульсы заданной частоты от регулируемогоFor acoustic measurements, a pair of piezoceramic transducers on barium titanate was taken, hermetically mounted in the pipe wall diametrically opposite to each other in the pipe cross section, the signal was measured both in the forward flow direction and in the opposite direction (by reversing the source to the receiver and vice versa) to compensate for the movement the medium itself, at ultrasound frequencies up to 100 kHz. We measured both the travel time of the acoustic wave from the source to the receiver and the amplitude of the acoustic vibrations after passing through the medium. One of the piezoceramic transducers acted as an ultrasound source; pulses of a given frequency from an adjustable

- 5 024819 генератора ультразвуковой частоты (УЗЧ), а второй - роль приёмника ультразвука, преобразующего акустические колебания среды, в электрические импульсы, поступающие для оцифровки на вход АЦП, подключенного к персональному компьютеру (ПК), для последующего анализа. Сравнение данных, полученных с источника и приемника ультразвука, позволяет вычислить как скорость распространения акустической волны, так и затухание амплитуды акустических колебаний. В свою очередь указанные характеристики зависят от плотности, вязкости и теплофизических свойств среды, что позволяет на основании простой физической модели вычислить компонентный состав.- 5,024,819 ultrasonic frequency generators (UHF), and the second is the role of an ultrasound receiver that converts acoustic vibrations of the medium into electrical pulses that are received for digitization at the input of an ADC connected to a personal computer (PC) for subsequent analysis. A comparison of the data obtained from the source and receiver of ultrasound allows us to calculate both the speed of propagation of the acoustic wave and the attenuation of the amplitude of the acoustic vibrations. In turn, these characteristics depend on the density, viscosity, and thermophysical properties of the medium, which allows one to calculate the component composition based on a simple physical model.

В качестве датчика температуры использовался термопарный преобразователь типа ТП008Е производства Термоавтоматика, подключаемый к низкочастотному многоканальному блоку АЦП Е14-440 производства Ь-Сагб. Для измерения гидростатического давления был выбран малогабаритный датчик давления типа ДМ5007 производства компании Манотомь с цифровым выводом результатов измерений. Акустические и диэлькометрические датчики подключались к блокам АЦП для оцифровки сигналов и передачи по шине И8В в ПК для дальнейших преобразования и вычислений.As a temperature sensor, a TP008E type thermocouple converter manufactured by Thermoautomatics was used, connected to a low-frequency multi-channel ADC E14-440 block manufactured by L-Sagb. To measure hydrostatic pressure, a small-sized pressure sensor of the DM5007 type manufactured by Manotom was selected with a digital output of the measurement results. Acoustic and dielcometric sensors were connected to the ADC units for digitizing signals and transmitting via the I8V bus to a PC for further conversion and calculations.

Для проверки работоспособности акустического и диэлькометрического измерителей проводились замеры на серии образцовых смесей известного состава. На фиг. 6 показана качественная зависимость проводимости и диэлектрической проницаемости по оси Υ от удельной доли воды в жидкости по оси X, а на фиг. 7 показана зависимость амплитуды акустического сигнала по оси Υ от удельной доли газа по оси X. Качественно с ростом удельной доли воды в жидкости проводимость и диэлектрическая проницаемость возрастают, а с ростом газосодержания падает амплитуда акустического сигнала. На этой же диаграмме приведена зависимость скорости акустической волны в газожидкостной среде от удельной доли газа в жидкости. Для практического определения удельной доли воды в жидкости и газосодержания в смеси требуются калибровочные измерения по эталонным смесям, например, на чистой воде, чистом трансформаторном масле, чистом воздухе, и нескольким смесям с характеристическими составами, по которым строятся аппроксимационные зависимости измеряемых величин от состава смеси. Имея такие зависимости легко решить обратную задачу, т.е. определить компонентный состав по измеренным электрофизическим и акустическим свойствам.To test the operability of acoustic and dielcometric meters, measurements were made on a series of model mixtures of known composition. In FIG. 6 shows the qualitative dependence of the conductivity and dielectric constant along the оси axis on the specific fraction of water in the liquid along the X axis, and in FIG. Figure 7 shows the dependence of the amplitude of the acoustic signal along the оси axis on the specific fraction of gas along the X axis. Qualitatively, with an increase in the specific fraction of water in a liquid, the conductivity and permittivity increase, and with an increase in gas content, the amplitude of the acoustic signal decreases. The same diagram shows the dependence of the speed of an acoustic wave in a gas-liquid medium on the specific fraction of gas in a liquid. For the practical determination of the specific fraction of water in a liquid and the gas content in a mixture, calibration measurements are required for reference mixtures, for example, pure water, pure transformer oil, clean air, and several mixtures with characteristic compositions, from which approximation dependences of the measured values on the composition of the mixture are constructed. Having such dependences, it is easy to solve the inverse problem, i.e. determine the component composition by the measured electrophysical and acoustic properties.

Таким образом, была проверена работоспособность двух методов для определения относительного количества газа в жидкости и количества воды в жидкости, испытания показали, что предложенное техническое решение обеспечивает определение долевого содержания компонентов нефти, газа и воды с точностью не хуже 5%.Thus, the operability of two methods for determining the relative amount of gas in a liquid and the amount of water in a liquid was tested; tests showed that the proposed technical solution provides the determination of the fractional content of oil, gas and water components with an accuracy of no worse than 5%.

Claims (9)

1. Устройство для определения фазового состава скважинной жидкости, включающее отрезок трубы с присоединительными фланцами, внутри которого установлены датчики температуры и давления, а так же система измерения электрофизических характеристик скважинной жидкости, при этом выходы обоих датчиков и системы измерения электрофизических характеристик подключены к вычислительному устройству, отличающееся тем, что система измерения электрофизических характеристик оборудована блоками измерения диэлектрической проницаемости и/или электропроводности, а в устройство дополнительно введены один или несколько ультразвуковых измерителей, выходы которых подключены к вычислительному устройству, при этом каждый из указанных ультразвуковых измерителей предназначен для регистрации скорости распространения и амплитуды сигнала на фиксированной частоте акустических колебаний.1. A device for determining the phase composition of the borehole fluid, including a pipe segment with connecting flanges, inside which temperature and pressure sensors are installed, as well as a system for measuring the electrophysical characteristics of the borehole fluid, while the outputs of both sensors and the system for measuring the electrophysical characteristics are connected to a computing device, characterized in that the system for measuring electrical characteristics is equipped with blocks for measuring the dielectric constant and / or electro conductivity, and one or more ultrasonic meters are additionally introduced into the device, the outputs of which are connected to a computing device, and each of these ultrasonic meters is designed to record the propagation velocity and signal amplitude at a fixed frequency of acoustic vibrations. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве блока измерения диэлектрической проницаемости используется емкостной датчик, выполненный в виде коаксиального конденсатора с одной обкладкой цилиндрической формы и второй обкладкой в виде центрального стержня.2. The device according to claim 1, characterized in that as the unit for measuring the dielectric constant, a capacitive sensor is used, made in the form of a coaxial capacitor with one lining of a cylindrical shape and a second lining in the form of a central rod. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве блока измерения диэлектрической проницаемости используется емкостной датчик, выполненный в виде цилиндрического конденсатора с обкладками в виде диаметрально расположенных сегментов цилиндра.3. The device according to claim 1, characterized in that as the unit for measuring the dielectric constant, a capacitive sensor is used, made in the form of a cylindrical capacitor with plates in the form of diametrically located segments of the cylinder. 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве блока измерения электропроводности среды использована система индуктивных катушек, расположенных коаксиально друг к другу и к оси трубы.4. The device according to claim 1, characterized in that as a unit for measuring the electrical conductivity of the medium used a system of inductive coils located coaxially to each other and to the axis of the pipe. 5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве блока измерения электропроводности среды использована система индуктивных катушек, расположенных коаксиально друг к другу и ортогонально к оси трубы.5. The device according to claim 1, characterized in that a system of inductive coils located coaxially to each other and orthogonal to the axis of the pipe is used as a unit for measuring the electrical conductivity of the medium. 6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве датчика относительного содержания газа использован ультразвуковой датчик, выполненный в виде одной или нескольких пар пьезокерамических преобразователей источник-приемник, расположенных в поперечном сечении трубы, диаметрально противоположно друг другу.6. The device according to claim 1, characterized in that an ultrasonic transducer made in the form of one or more pairs of piezoceramic source-receiver transducers located in the cross section of the pipe is diametrically opposite to each other as a relative gas content sensor. 7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что отрезок трубы, внутри которого установлены датчики, выполнен составным, состоящим из нескольких герметично соединенных между собой секций-модулей, каждая из которых оборудована одним или несколькими типами измерителей.7. The device according to claim 1, characterized in that the pipe segment, inside which the sensors are installed, is made integral, consisting of several module sections hermetically connected to each other, each of which is equipped with one or more types of meters. - 6 024819- 6,048,819 8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что измерительное устройство выполнено на основе микроконтроллера, оборудованного входным интерфейсом для оцифровки сигналов с датчиков.8. The device according to claim 1, characterized in that the measuring device is based on a microcontroller equipped with an input interface for digitizing signals from sensors. 9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что измерительное устройство оборудовано энергонезависимым накопителем для хранения измерений, источником автономного электропитания и внешним интерфейсом, подключенным к модулю радиоканала.9. The device according to claim 1, characterized in that the measuring device is equipped with a non-volatile drive for storing measurements, an autonomous power source and an external interface connected to the radio channel module. - 7 024819- 7,048,819
EA201400525A 2012-03-23 2012-08-20 Device for determining a component composition of a downhole fluid EA024819B1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012000208 2012-03-23
PCT/RU2012/000681 WO2013141748A1 (en) 2012-03-23 2012-08-20 Device for determining the component composition of a product from an oil and gas well

Publications (2)

Publication Number Publication Date
EA201400525A1 EA201400525A1 (en) 2014-10-30
EA024819B1 true EA024819B1 (en) 2016-10-31

Family

ID=49223068

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EA201400525A EA024819B1 (en) 2012-03-23 2012-08-20 Device for determining a component composition of a downhole fluid

Country Status (2)

Country Link
EA (1) EA024819B1 (en)
WO (1) WO2013141748A1 (en)

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016094321A2 (en) * 2014-12-08 2016-06-16 Ardrey William E System and method for measuring and processing petroleum
CN105275450B (en) * 2015-11-19 2018-03-06 天津大学 Oil-gas-water three-phase flow flow parameter acoustoelectric sensor combination measurement method
CN105756676A (en) * 2015-11-19 2016-07-13 天津大学 Method for measuring gas holdup of oil-gas-water three-phase flow by transmission-type ultrasonic sensor
CN107238658B (en) * 2016-03-28 2020-04-07 中国石油化工股份有限公司 Ultrasonic measurement system and method
EP3945201A1 (en) * 2020-08-01 2022-02-02 Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg Controlling of an oil well based on fluid parameters
US20230314198A1 (en) * 2022-03-30 2023-10-05 Saudi Arabian Oil Company Systems and methods for analyzing multiphase production fluids

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2126143C1 (en) * 1998-03-02 1999-02-10 Мельников Владимир Иванович Ultrasonic flowmeter of components of multiphase medium
RU31401U1 (en) * 2003-03-11 2003-08-10 Закрытое акционерное общество Научно-производственная фирма "ГИТАС" Device for determining oil content in a well fluid
US7276916B2 (en) * 2002-09-10 2007-10-02 Epsis As Method and arrangement for measuring conductive component content of a multiphase fluid flow and uses thereof
RU2334200C1 (en) * 2007-02-08 2008-09-20 ОАО "Техприбор" Flow rate measuring system of ternary gas-liquid flow agents
US20100305882A1 (en) * 2009-05-26 2010-12-02 Expro Meters, Inc. Method and apparatus for monitoring multiphase fluid flow
US20110138928A1 (en) * 2009-12-11 2011-06-16 Schlumberger Technology Corporation Method of measuring flow properties of a multiphase fluid
US20110146413A1 (en) * 2009-11-27 2011-06-23 Vlastimil Masek Cyclonic sensor for multiphase composition measurement

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2126143C1 (en) * 1998-03-02 1999-02-10 Мельников Владимир Иванович Ultrasonic flowmeter of components of multiphase medium
US7276916B2 (en) * 2002-09-10 2007-10-02 Epsis As Method and arrangement for measuring conductive component content of a multiphase fluid flow and uses thereof
RU31401U1 (en) * 2003-03-11 2003-08-10 Закрытое акционерное общество Научно-производственная фирма "ГИТАС" Device for determining oil content in a well fluid
RU2334200C1 (en) * 2007-02-08 2008-09-20 ОАО "Техприбор" Flow rate measuring system of ternary gas-liquid flow agents
US20100305882A1 (en) * 2009-05-26 2010-12-02 Expro Meters, Inc. Method and apparatus for monitoring multiphase fluid flow
US20110146413A1 (en) * 2009-11-27 2011-06-23 Vlastimil Masek Cyclonic sensor for multiphase composition measurement
US20110138928A1 (en) * 2009-12-11 2011-06-16 Schlumberger Technology Corporation Method of measuring flow properties of a multiphase fluid

Also Published As

Publication number Publication date
WO2013141748A1 (en) 2013-09-26
EA201400525A1 (en) 2014-10-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101810722B1 (en) Integrated acoustic phase separator and multiphase fluid composition monitoring apparatus and method
Meribout et al. Multiphase flow meters targeting oil & gas industries
US10732017B2 (en) Tomography apparatus, multi-phase flow monitoring system, and corresponding methods
US6655221B1 (en) Measuring multiphase flow in a pipe
EA024819B1 (en) Device for determining a component composition of a downhole fluid
EP3494278B1 (en) Monitoring hydrocarbon fluid flow
Zhai et al. The ultrasonic measurement of high water volume fraction in dispersed oil-in-water flows
RU129256U1 (en) DEVICE FOR DETERMINING THE COMPONENT COMPOSITION OF OIL AND GAS WELL PRODUCTS
Zhai et al. Structure detection of horizontal gas–liquid slug flow using ultrasonic transducer and conductance sensor
RU2005102268A (en) METHOD FOR MEASURING THE COMPONENT FLOW OF A THREE-COMPONENT GAS-LIQUID FLOW AND A DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION
RU2678955C1 (en) Method of moister content measuring and sampling in three-component mixtures from extracting oil wells and device for its implementation
RU2247947C1 (en) Method and device for measuring three-phase fluid flow rate
Wang et al. Methodology for production logging in oil-in-water flows under low flow rate and high water-cut conditions
Zhang et al. Comparison of transverse with axial excitation modes cross correlation flowmeters in high water-cut oil–water flow measurement
Goncalves et al. Development of a multiphase flow metering procedure based on the ultrasonic technique
RU2798916C1 (en) Device and method for automated measurement of drilling fluid parameters
RU2326241C1 (en) Equipment for production rate of oil-well measuring
Sharma et al. Recent advances in water cut sensing technology: Chapter 4
RU2689250C1 (en) Multicomponent fluid ultrasonic doppler flowmeter
Hwili et al. A single rod multi-modality multi-interface level sensor using an AC current source
Yingwei et al. Sensing characteristics of conductance sensor for measuring the volume fraction and axial velocity in oil-water pipe flow
Al-Lababidi et al. Transit Time Ultrasonic Modelling in Gas/Liquid Intermittent Flow Using Slug Existence Conditions and Void Fraction Analysis”
RU88433U1 (en) MULTI-TOUCH ANALYZER OF THE COMPONENT FLOW OF A THREE-COMPONENT GAS-LIQUID FLOW
CN204514404U (en) A kind of modified taper mass flowmeter for vortex street
RU88140U1 (en) MULTI-TOUCH ANALYZER OF COMPONENT COMPOSITION AND COMPONENT EXPENDITURE OF GAS-FLUID FLOW

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A Lapse of a eurasian patent due to non-payment of renewal fees within the time limit in the following designated state(s)

Designated state(s): AM AZ BY KZ KG TJ TM RU