Метод измерения качественных показателей нефтяных смесей Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.317.39:622.276

С. А. Баталов (к.т.н., доц.)

Метод измерения качественных показателей нефтяных смесей

Уфимская государственная академия экономики и сервиса, кафедра «Информатика и информационно-коммуникационные технологии» 450078, г. Уфа, ул. Чернышевского, 145, тел. (347) 2343885, e-mail: [email protected]

S. A. Batalov

The method measuring of qualitative index of petroleum mixes

Ufa State Academy of Economic and Service 145, Chernyshevskogo Str., 450078, Ufa, Russia, рЬ. (347) 2343885, e-mail: [email protected]

Приведен метод измерения и датчика концентраций водонефтяных эмульсий, относящихся к классу емкостных вибрационных преобразователей. Градуировочная характеристика датчика определяется в функциях измеряемых значений влажности и вязкости сложной среды в скважине.

Ключевые слова: влажность; вязкость; измерение; эмульсия.

Оптимизация условий непрерывной разработки нефтегазовых залежей определяется точностью контроля качественных параметров дебитов скважинных жидкостей 1. Поэтому первостепенными являются условия внедрения эффективных методов и аппаратуры измерений концентраций примесей нефтяных сме-

" 2

сей 2.

Для определения концентраций водо-нефтяных эмульсий был метод измерения электропроводности сред на основе кондукто-метрических трансформаторных измерительных преобразователей 3. Однако низкий порог чувствительности и влияние температуры на результат измерений не дает возможности дальнейшего применения такого датчика удельных электропроводностей в скважинных условиях.

При разработке диэлькометрического скважинного влагомера были получены 4 высокие показатели термоустойчивости (до 120 оС и выше). Однако показания скважинного ди-элькометрического влагомера значительно зависят от таких электропроводных включений, как степень минерализации пластовых вод, а также от налипаний нефтяных отложений (битумов, парафинов) на его чувствительный элемент. При исследованиях параметров высоковязких скважинных жидкостей такой датчик полностью выходит из строя.

Дата поступления 28.07.09

The article presents an arrangement of the water-oil concent ration method measuring and sensor which belongs to capasity vibration transducers class. The calibration chart for sensor can be determined via measured values functions for humidity and viscosity in complex environment for well.

Key words: emulsion; humidity; measurment; viscosity.

Для предотвращения эффекта налипания был разработан 5 вибрационно-частотный датчик стержневого типа чувствительного элемента в классе физико-механического метода измерений. Общий недостаток такого датчика при измерениях концентрации примесей в нефти является большая погрешность измерений (до 5%). Это объясняется компенсирующим воздействием разнородных по плотностям фаз механических примесей (песок, глина и др.), дисперсности водонефтяных эмульсий т. д.

Исходя из условий устранения перечисленных недостатков был разработан многофункциональный датчик концентрации водо-нефтяных смесей на основе совмещенных физико-механического и электрофизического методах измерений. Высокие значения скважинных давлений (до 75 мПа и выше) накладывают существенные ограничения на конструктивные особенности выполнения скважинного прибора (СП). Поэтому он выполнен в разборной конструкции из (рис. 1а) приборной головки 1, герметизированных переводника 2 и кожуха 3 выходного переводника 4 (рис. 1б), охранного кожуха 5 и приборного наконечника 6.

К приборной головке 1 верхней части СП (рис. 1а) подведен для контактного сочленения одножильный бронированный кабель, как двухпроводная ЛС системы. Механическая заделка проводов брони выполняется с исполь-

а)

Рис. 1. Схематическая конструкция верхней (а) и 1

зованием штока 7 и шайбы 8. Герметизация уплотнения центральной жилы кабеля 9 во фторопластовой изоляции выполняется с использованием фторопластовых 10 и резиновой 11 втулок, которые защемляются шайбой 12 и гайкой 13. Электрический вывод головки 1 образован паянным соединением провода ЛС 9 к пластине фольгированной стеклотекстолито-вой шайбы 14. Герметизация внутренней полости СП с помощью переводника 2 выполняется за счет резиновых колец 15. В качестве электрического провода используется латунная втулка 16, закрепленная к корпусу переводника 2 с помощью резьбовых соединений фторопластовой втулки 17. Удлинение вывода втулки 16 ограничено торцевыми гайками 18.

В герметизированном кожухе 3 СП размещена печатная плата скважинного телеметрического блока (СТБ), соединительные провода которой соединены через латунную втулку 16 переводника 2 к токоведущему проводу 19 ЛС.

Печатная плата СТБ по торцам фиксируется стопорными гайками 19 (рис. 1б). Выходной переводник 4 с одной стороны служит для герметизации сочленения кожуха 2, а с другой стороны — для вывода стержневого чувствительного элемента датчика (ЧЭД) 20 для обеспечения непосредственного контакта с исследуемой средой. Средняя часть ЧЭД через соединительный шнур 21, через ролик 22 соединен со штоком 23 возле внутри электромагнита. С торцев ЧЭД установлены пружины 25.

На середине охранного кожуха 5 установлена резиновая манжета в функциях пакера и центрирования корпуса СП по диаметру скважины (условно не указанная на чертеже). Нижний торец кожуха 5 содержит резьбовое соединение с приборным наконечником 6, включающем проушину под груз для предотвращения провисания кабеля и удобства спус-ко-подъемов СП по стволу скважины.

БУ

БПЭ

ОГ

п

КПг

ш

я Тз

о

S (

ЭЗ

АС

1\

ИЦ

Ж.

V

ж

АЦП

^ V V

У

V N

ш

П

ДТ

ОВ

я Т1

о

>с

S <

ФКИ

V

N

&

>С

S Т2

о

с

я (

я

Сч

->

• >1 —>

КПи

ФИУ

I___________________] I_______

Рис. 2. Функциональная схема датчика концентрации эмульсий

На рис. 2 приведена функциональная схема датчика, состоящая из блока управления (БУ), а также каналов преобразования вязкости (КП^) и влажности (КП^). БУ состоит из блока питания электромагнита (БПЭ), формирователя импульсов исходного сброса (ФИС) и опорного генератора (ОГ). КПц состоит из входного коммутатора, датчика тока (ДТ) в цепи обмотки возбуждения (ОВ) электромагнитной системы, триггера управления обмоткой электромагнита (Т1) и триггера управления кодированием (Т2), логических элементов 2И и 2ИЛИ, формирователя импульсов установки (ФУС), а также кодирующего счетчика (Сч) с выходными информационными кодами КП^ состоит из триггера управления преобразованием (Т3), логического элемента 2ИЛИ, Элемента задержки ЭЗ), измерительной цепи (ИЦ), Амплитудного селектора (АС), коммутатора и аналого-цифрового пре-

образователя (АЦП) с выходными информационными кодами

Цифровые тракты аппаратуры датчика реализованы на интегральных микросхемах серии 564, а аналоговые тракты — серии 140. ФИС выполнен на основе логических элементов НЕ и 2И, входы которых напрямую и через ИС-цепь подключены к шине питания аппаратурного тракта. Выполнение измерений с помощью датчика концентраций (рис. 1) осуществляется за счет одновременного измерения влажности и вязкости среды в одной локальной зоне ЧЭД. Это осуществляется за счет включения ОВ электромагнита, который перемещает стержень к плоскости второго (нулевого) электрода в виде трубы с прорезями СП.

Принцип работы датчика заключается в предварительном спуске СП в исследуемую зону скважины, когда в его конструкции (рис. 1) стержень ЧЭД располагается в центре кожуха 3. При включении блока питания аппаратурного

#

1

1

#

п

А и, В

Р, мм 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,1 0,01

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

Рис. 3. Зависимости результатов градуировки:

о - канала преобразования влажности

* - канала преобразования вязкости КПМ(Р]) при Б1 = 0.5-3.0 мм; д - канала преобразования вязкости КП^Р2) при Р2 = 0.1-1.0 мм; □ - канала преобразования вязкости КПМ(Р3) при Р3 = 0.01-0.5 мм;

• - каналов преобразования дисперсности состава при исследованиях КПр ь и экспериментальной подготовке эмульсий КПр эка1.

тракта с наземного телеметрического блока (условно не указанном на схеме) в БУ (рис. 2) вырабатывает короткий импульс с выхода ФИС, с помощью которого выполняется исходный сброс Ть Т2, АЦП и Сч в КП^. Одновременно в КП^ триггер Т3 устанавливается в единичное состояние. Поэтому коммутатор разрешает прохождение выходного напряжения ИЦ на АЦП.

После первого подцикла преобразования с выхода АЦП выделяется импульс конца преобразования для перехода измерений из КП^ в КП^, так как Т3 сбрасывается по тактовому входу в нулевое состояние. При этом Сч обнуляется, а Т перебрасывается в единичное состояние. Поэтому коммутатор разрешает прохождение выходного напряжения БПЭ через ДТ на ОВ. В результате стержень ЧЭД (рис. 1) перемещается до уровня непосредственного контакта с кожухом 3 (при 8х= 0), что приводит к увеличению тока в цепи ОВ. Уровень падения напряжения в ДТ фиксируется в ФКИ и выделяется коротким импульсом для сброса Т1 в нулевое состояние для обесто-чивания ОВ, а Т2 — в единичное. С этого времени стержень ЧЭД (рис. 1) начинает возвра-

щаться под действием пружин 25 в исходное состояние, а Сч (рис. 2) через 2И начинает отсчет опорных импульсов с ОГ.

Измерения вязкости осуществляется до тех пор, пока АС в КПW не выработает импульс максимального значения диэлькометри-ческой проницаемости среды. Это означает возврат стерженя ЧЭД (рис. 1) в центр кожуха 3. Поэтому Т2 сбрасывается в нулевое состояние для запрета прохождения импульсов с ОГ через элемент «И в СЧ, чем обеспечивается определение временного интервала в функции вязкости среды в КП^.

После некоторого времени успокоения ту осуществляется переход в режим второго под-цикла измерения влажности среды. Это выполняется за счет выработки короткого импульса с выхода ФИУ и его задержки в ЭЗ. С выхода ЭЗ короткий импульс через элемент ИЛИ устанавливает Т3 в единичное состояние для разрешения прохождения сигнала ИЦ через коммутатор на вход АЦП. Аналогично вы-шерассмотренному начинает выполняться переход к режиму подцикла измерения вязкости при выработке с выхода АЦП импульса конца преобразования и т. д.

3

2

1

0

Особенность градуировки рассматриваемого датчика концентрации заключается в специфике учета электрофизических свойств КП^ и физико-механических свойств КП^. Для вывода уравнения преобразования КП^ используется соотношение для диэлектрической проницаемости смеси эмульсий есм в зависимости 4:

8 — 8

см эм

X = 1 - «эм, (1)

8-8 8

н эм см

где аэм - объемная концентрация эмульсий в нефти;

£н и £эм - диэлектрические проницаемости сплошной среды (нефти) и дисперсной фазы (воды), соответственно.

Специфичность учета физико-механических свойств среды в КП^ связана с определением вязкого сопротивления, испытываемого движением стержня ЧЭД (рис. 1) под воздействием восстанавливающей силы жесткой пружины. Поэтому исходным уравнением преобразования служит известное соотношения для суммарной вязкости смеси тсм в виде 6:

(

Кем = К

1 + «

К + 5 Мэм/2 К + К

Л

(2)

У

где /лн и /лэм - вязкости несущей среды и дисперсной фазы, соответственно.

На рис. 3 представлены зависимости результатов градуировки в формах выходных напряжений для КП^ и КП^ от изменяемых значений объемных концентраций эмульсий, значения которых позволяют в компьютерной обработке каротажной телесистемы 7 определять их дисперсности состава. Для градуировки указанных КП в функции преобразования концентрации эмульсий были использованы устойчивые диапазоны эмульсий в интервале от нескольких десятков микрон до 5 мм. Получение такого диапазона диаметров глобул эмульсий «вода-нефть» осуществлялось методом разбиения неразмешивающихся жидкостей ультразвуковым диспергатором УЗДН-1 за определенное время с последующим охлаждением среды в течение 5 мин перед каждым замером. Для диапазона дисперсности состава D1 = 0.5—3.0 мм время перемешивания составляет 5 минут, а для диапазонов D2 = 0.1—1.0 мм и D3 = 0.01—0.5 мм — 10 и 20 мин, соответственно.

По результатам испытаний выявлено максимальное значение приведенной погрешности

измерения = ±0.6 % концентрации эмульсий в КПц.^3) при диапазоне дисперсности

0.5.3.0 мм и изменении температур от 25 °С до 85 °С. Максимальное значение приведенной погрешности измерения (у = ±1,4 %) дисперсности состава получается в К^ иссл., получаемое в конечном результате машинной обработки результатов исследований. Обратная ей зависимость К^ эксп. получается в результате экспериментальной подготовки растворов эмульсий для градуировки датчика.

Полученные результаты показывают, что многофункциональный датчик концентраций обладает улучшенными характеристиками по сравнению с разработанными ранее 2 3 и полностью удовлетворяют требованиям технологии скважинных исследований многофазных нефтяных смесей. Установлено, что при исследованиях скважинных интервалов с давлениями среды менее 6 мПа в структуру датчика можно автономно включить КП газосодержания среды. Это обеспечивается с введением смесителя (в виде конденсатора) между ОГ и БПЭ. При дополнительном измерении поглощения упругих волн в среде можно судить о наличии газа в нефтяной смеси 8. Таким образом, помимо отмеченных полнофункциональных свойств датчика, достигается его высокая надежность за счет ликвидации условия контактности ЧЭД с исследуемой средой (вследствие постоянной вибрации ЧЭД) и повышенной термоустойчивостью.

Литература

1. Мееров М. В. Исследование и оптимизация многосвязных систем управления. /Отв. ред.— акад. А. А. Воронов.— М.: Наука, 1986.— 236 с.

2. Фатхутдинов А. Ш., Слепян М. А., Ханов Н. И. и др. Автоматизированный учет нефти и нефтепродуктов при добыче, транспорте и переработке.— М.: Недра, 2002.— 417 с.

3. Баталов С. А., Мартынов М. С., Дремин В. Н. Принцип инвариантности измерительных преобразователей электропроводности // Проблемы и перспективы современных технологий сервиса.- Уфа: УТИС, 1998.- С. 176.

4. Баталов С. А. Широкополосный преобразователь влажности нефтяных смесей// Вузовская наука научно-техническому прогрессу: Тез. докл. респуб. конф.- Уфа, 1986.- С. 37.

5. А. с. 1436016 СССР. МКИ G01V 11/16.Сква-жинный вискозиметр/ Баталов С.А. // Открытия. Изобретения.- 1988.- № 41.

6. Баталов С. А. // Баш. хим. ж.- 2008.- Т. 15, № 3.- С. 57.

7. Баталов С. А. // Приборы и техника эксперимента .- 2005.- №5.- С. 82.

8. А. с. 1280522 Би. Способ измерения концентрации примесей потока жидкости / С. А. Баталов // Б. И.- 1986.- № 48.