Введение к работе
Актуальность работы. Одна из актуальных проблем нефтедобывающей отрасли - повышение эффективности оперативного учета и контроля добываемой продукции на нефтегазовых скважинах, групповых замерных установках (ГЗУ), дожимных насосных станциях (ДНС) и установках подготовки промысловой нефти.
Кроме нефти в продукции скважины всегда присутствует две других фазы: пластовая вода и газ. Для оценки эффективности эксплуатации скважины и управления процессом нефтедобычи необходимо измерять содержание отдельных фаз в добываемой продукции, то есть количество нефти, воды и газа.
Оперативный контроль обводненности промысловой нефти дает возможность управлять процессом эксплуатации месторождения: следить за продвижением водо - нефтяного контакта в контуре заводнения, организовывать предварительный сброс воды из продукции нефтяных скважин, оптимизировать технологию подготовки промысловой нефти.
В задачах поточной влагометрии промысловой нефти наибольшее распространение получили электромагнитные измерительные преобразователи, входящие в состав двухфазных и трехфазных расходомеров газоводонефтяных потоков, автоматизированных групповых замерных установках (ГЗУ), узлов учета сырой нефти (УУН) и других, предназначенных для измерения дебита нефти и воды.
Вопросами измерения расхода и концентрации многофазных потоков и сред занимались как отечественные, так и зарубежные ученые: М. А. Берлинер, П.П. Кремлевский, Р.Г Джексон и др.
Объектом контроля электромагнитных методов и средств является во-донефтяная эмульсия - сложная дисперсная система, в которой содержание воды может достигать 98% и более. Сложность контроля водонефтяной эмульсии состоит в том, что в зависимости от объемного содержания в ней воды, эмульсия может находиться в двух состояниях: прямая - «нефть в воде» или обратная «вода в нефти». При инверсии смеси, то есть переходе от прямой эмульсии к обратной происходит резкое изменение электрофизических свойств. Это часто приводит к снижению эффективности средств контроля, особенно при больших значениях обводненности.
Кроме того, на результаты контроля значительное влияние оказывает гидродинамическая структура многофазного потока и условия размещения в нем первичных измерительных преобразователей - датчиков.
Диагностика водонефтяной смеси электромагнитным методом возможно по двум параметрам: диэлектрической проницаемости и удельной электрической проводимости. Однако, основной наиболее устойчивой характеристикой является диэлектрическая проницаемость физических сред образованных двухфазными и трехфазными газоводонефтяными потоками.
Для зондирования этих физических сред наиболее целесообразно использовать электромагнитные поля электрического типа, то есть использовать электроемкостные преобразователи - диэлькометрический метод.
В отечественных и зарубежных влагомерах нефти используются в основном двухэлектродные электроемкостные преобразователи с коаксиальными или накладными электродами. Их недостаток - в отсутствии адаптации к состоянию водонефтяной эмульсии (прямая или обратная), жесткая схема электромагнитного зондирования многофазного потока, не позволяющая получать информацию об отдельных зонах этого потока, а следовательно влияние гидродинамической структуры потока на результат измерений.
Таким образом, актуальной задачей электромагнитного контроля продукции нефтегазовых скважин является разработка новых, более эффективных схем построения электроемкостных преобразователей, их комплексирование, многократное увеличение объема измерительной информации о параметрах двухфазных и трехфазных газоводонефтяных потоков, алгоритмов идентификации и контроля водонефтяных эмульсий, позволяющих повысить надежность и достоверность процессов оперативного диагностирования качества промысловой нефти.
Работа выполнялась по следующим научным программам Программа «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» (<<УМНИК-2007>>) (Министерство образования и науки Российской Федерации Фонд содействия развитию малых форм предприятия в научно - технической сфере. Федеральное агентство по науке и инновациям. Федеральное агентство по образованию) по теме «Электроемкостная компьютерная томография многофазных потоков»; Государственное задание высшим учебным заведениям на 2012 год (№7.2083.2011) по теме «Разработка методов и средств полнопоточного оперативного контроля продукции нефтедобывающих скважин на основе электроемкостной компьютерной томографии многофазных потоков в трубопроводах» федеральная целевая программа «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009 - 2013 годы» (№14.В37.21.1855 от 04.10.2012) по теме «Разработка нового поколения аппаратно-программных средств полнопоточного контроля для систем управления в нефтедобыче».
Целью работы является повышение эффективности (точности, надежности и достоверности) средств электромагнитного контроля продукции нефтегазовых скважин за счет создания многоэлектродных электроемкостных преобразователей (МЭП) обеспечивающих возможность электрического сканирования многофазного потока, реализацию комплексирования первичных преобразователей.
В соответствии с целью работы в ней решается следующие задачи:
-
Разработка конструктивных схем многоэлектродных электроемкостных преобразователей (МЭП), обеспечивающих возможность электрического сканирования поперечного сечения многофазного потока, реализацию комплексирования первичных преобразователей, многократное увеличение объема измерительной информации о параметрах контролирующего потока; повышение на этой основе эффективности оперативного диагностирования качества продукции нефтегазовых скважин.
-
Разработка математической модели многоэлектродного электроемкостного преобразователя (МЭП) с целью оптимизации режимов электрического
сканирования поперечного сечения водонефтяных потоков и алгоритмов обработки многомерной измерительной информации.
3. Экспериментальные исследования закономерностей формирования вы
ходных сигналов и характеристик МЭП при контроле водонефтяных потоков.
Разработка алгоритмов идентификации и контроля водонефтяных эмульсий в
широком диапазоне водосодержания в условиях комплексирования электроем
костных преобразователей.
4. Разработка установки с многоэлектродным электроемкостным
преобразователем, реализующий основные алгоритмы комплексирования,
идентификации и контроля водонефтяных потоков.
Научная новизна проведенных в диссертационной работе исследований заключается в следующем:
-
Предложен способ измерения параметров водонефтяного потока с использованием многоэлектродных электроемкостных преобразователей (МЭП), обеспечивающих возможность электрического сканирования поперечного сечения многофазного потока, реализацию комплексирования первичных преобразователей, многократное увеличение объема измерительной информации о параметрах контролирующего потока, что позволяет повысить эффективность поточной влагометрии нефти.
-
Разработана математическая модель МЭП, позволяющая оценить размеры зон контроля при различных схемах электрического зондирования многофазного потока, рассчитать выходные сигналы МЭП в квазистатическом приближении и разработать алгоритмы обработки измерительной информации.
-
Установлены на основе экспериментальных исследований закономерности формирования функции преобразования МЭП - зависимостей его выходных сигналов от фазового состава водонефтяной смеси в диапазоне водосодержания от 0 до 100%, при различных режимах работы преобразователя и состояниях водонефтяной эмульсии: прямая («нефть в воде»)- обратная («вода в нефти»).
-
Разработаны алгоритмы идентификации и контроля параметров водонефтяных эмульсий:
алгоритм автоматической идентификации типа водонефтяной эмульсии: обратная - прямая и вида физической среды в зоне контроля МЭП (газ, жидкость);
алгоритмы калибровки и обработки выходных сигналов МЭП, позволяющий определить фазовый состав контролируемого потока во всем диапазоне обводненности с погрешностью не более 1%.
Практическая ценность.
-
Конструкция шестиэлектродного электроемкостного преобразователя, функциональные и принципиальные электрические схемы блока коммутации и управления процессом измерения выходных сигналов МЭП.
-
Методики обработки выходных сигналов МЭП с использованием разработанных алгоритмов идентификации, позволяющие более чем в 2 раза повысить точность измерения влажности нефти в потоке.
-
Методика экспериментальных исследований выходных сигналов и характеристик МЭП в функции фазового состава двухфазной смеси «нефть - вода» при различных режимах работы преобразователя.
-
Алгоритм температурной коррекции показаний влагомера в заданном диапазоне температур многофазной среды при сплайн - аппроксимации статических функций преобразования МЭП.
Внедрение результатов работы. Представленные в работе исследования и разработки реализованы и внедрены в следующих организациях: ОАО «Гипровостокнефть», ООО «Сервис - центр - Автоматика», что подтверждено актами внедрения.
Основные результаты диссертационной работы используются в лекционных курсах, в лабораторном практикуме, в курсовом и дипломном проектировании в Самарском государственном техническом университете на кафедре «Автоматизация и управление технологическими процессами».
Апробация работы проводилась на следующих конференциях, семинарах, форумах:Четвертая международная научная конференция «Математическое моделирование и краевые задачи» г. Самара, 29-31 мая 2007 год; Международная научно-техническая конференция «Проблемы автоматизации и управления в технических системах» г. Пенза, 17-19 апреля 2007год; Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых. «Современные техника и технологии» г. Томск, 26-30 марта 2007год; Международная научно - практическая конференция «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики и экономики», г. Сочи, 1-5 октября 2007год; Конкурс инновационных проектов молодых ученых Самарской области. 1-3 декабря 2011 год; Всероссийский молодежный форум «Селигер-2012», смена «Инновации-2012» . 1-10 июля 2012 год. Конкурс инновационных проектов «Умник на Старт» г. Рязань, 9-14 сентября 2012 год.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 работ, в том числе 8 в изданиях, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией для публикации результатов кандидатских и докторских диссертаций, в том числе патент на способ и устройство по влагометрии водонефтяной эмульсии.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, перечня используемых источников, приложений. Работа содержит 220 страниц машинописного текста. 40 таблиц, 50 иллюстраций, 9 страниц библиографического списка из 98 наименований и 6 страниц приложений
