Часть 1. Исследования в скважинах. Исследования и специальные работы в скважинах
 Скачать 2.36 Mb.
|
|
1.5.2. Расходометрические исследования поглощающих зон. Устройство расходомеров В последнее время все более широкое применение в исследовании проницаемых зон в скважинах получает расходометрия. Расходометрия – метод, который дает наибольшую информацию о поглощающем горизонте. Так как расходометрия выполняется геофизической аппаратурой, ее можно отнести к геофизическим методам исследования. Однако в большинстве случаев в процессе расходометрии в скважину доливают жидкость (гидродинамические условия). Поэтому, по мнению автора, ее можно отнести к комбинированным методам исследования. Сущность расходометрии заключается в непосредственном измерении с помощью специального прибора – расходомера – расхода потока жидкости, движущейся по скважине. Измеряя расход и направление потока жидкости, можно определить глубину залегания и мощность, число проницаемых зон, характер их взаимодействия. Измеряя более детально расход жидкости в проницаемой зоне, можно изучить характер изменения фильтрационных свойств водоносного пласта по мощности и в ряде случаев выделить отдельные трещины. Как правило, расходометрия производится с доливом воды в скважину при установившихся значениях ее динамического уровня. Это позволяет считать фильтрацию при исследованиях установившейся. Величины статического и динамического уровней жидкостей в скважине надежно фиксируются расходомером. Таким образом, в результате расходометрических исследований получают практически весь комплекс исходных данных, необходимых для детальной оценки проницаемых зон. Технология расходометрии несложна, затраты времени на ее проведение невелики и определяются, главным образом, мощностью проницаемой зоны и необходимой детальностью исследования. Все это делает расходометрию наиболее приемлемым средством изучения поглощающих горизонтов в разведочных скважинах. Необходимо отметить, что для изучения поглощающих горизонтов расходометрия стала применяться практически с момента ее оформления как метода исследования. Однако ее распространенность была обусловлена степенью приемлемости скважинных приборов и методики обработки результатов полевых исследований. Конструкции скважинных расходомеров. Первые скважинные расходомеры появились в практике измерения дебита при опробовании нефтяных коллекторов. В последующем область использования расходомеров распространилась на изучение водопроницаемых пластов, осложняющих бурение скважин. По принципу работы все существующие скважинные расходомеры делят на два типа: а) непрерывного действия, работающие при поступательном движении датчика прибора по стволу скважины с постоянной скоростью; б) дискретного действия. Кроме того, расходомеры делят по принципу действия скважинного чувствительного элемента – преобразователя. Выделяют расходомеры, основанные на принципе переменного перепада давлений и постоянного перепада давлений, термоэлектрические и ультразвуковые, компенсационные, тахометрические. Наибольшее распространение получили расходомеры тахометрического типа с преобразователем – крыльчаткой. Одним из первых расходомеров такого типа был прибор ГР-ВНИИНГ. Расходомер оказался непригодным вследствие низкой чувствительности и малой надежности. Позже в УфНИИ была разработана серия электроимпульсных расходомеров РЭИ. Исследования такими приборами можно проводить точечными замерами и с непрерывной записью. Однако приборы типа РЭИ можно было использовать только как индикаторы скорости движения жидкости (воды) по стволу. В связи с этим даже местоположение поглощающего пласта зачастую определялось с точностью, не удовлетворяющей практику. Более совершенными расходомерами конструкции УфНИИ являются приборы серии РГД (расходомеры глубинные дистанционные) РГД-3, РГД-4, РГД-5, РГД-6 с модификациями в каждом типе. Расходомеры РГД-3 имеют низкую точность измерений, так как у них нет центратора, фиксирующего положение прибора в пакере. Использование диффузоров, направляющих поток жидкости через крыльчатку, а также сменных цилиндров для уменьшения кольцевого зазора между корпусом прибора и стенками скважин проблему повышения точности измерений расходометра не решают. Расходомеры РГД-5 и РГД-6 имеют пакерующие узлы, обеспечивающие направление всего потока жидкости через крыльчатку. Положение прибора в скважине фиксируют пружинным фонарем. Эти мероприятия существенно повышают точность приборов, однако включение в конструкцию расходомера пакерующего устройства значительно усложняет приборы и, следовательно, их эксплуатацию. Все расходомеры типа РГД УфНИИ имеют сложную конструкцию, значительные (свыше 80 мм, кроме РГД-4)диаметры и совершенно не приспособлены для работы в загрязненных жидкостях, не говоря уж о глинистом растворе. Это делает расходомеры типа РГД практически непригодными для изучения поглощающих горизонтов в разведочных скважинах. В ТатНИИ разработан малогабаритный расходомер (дебитомер) РГД-36 с управляемым пакером. Прибор имеет широкие пределы измерений (5-50 м3/сут с пакером, 400-2000 м3/сут без пакера) и довольно высокую точность. Однако конструктивное исполнение прибора сложно, и он не приспособлен для работы в загрязненных средах. Известны малогабаритные дебитомеры серии ДГД (разработка ВНИИНефтепромгеофизика) , предназначенные для исследования нефтяных скважин, оснащенных глубинными насосами, а также дебитомер-расходомер РГТ-М – для исследования нефтяных скважин. Известные зарубежные расходомеры для исследования проницаемых горизонтов (приборы фирм «Байрон, Джексон и ДЭМ», «Хамбл», «Шлюмберже», «Сокони Мобил Ойл компани») также конструированы для условий нефтяных и газовых скважин. Наиболее интересен расходомер ФЛО-ПАК, разработанный фирмой «Хамбл». Прибор снабжен пакером, приводимым в действие аксиально-поршневым насосом, входящим в общую конструкцию. Небольшой наружный диаметр (40,5 мм) в сочетании с пакером определяет широкую область применения расходомера. Измеряемые расходы (0,0185-2,20 л/с) делают его приемлемым и для исследования поглощающих горизонтов в разведочных скважинах. Из расходомеров, сконструированных для условий бурения разведочных скважин, можно указать приборы РСТ-3СГУ Западно-Сибирского геологического управления, ТСР 34/70-ЭМ Уральского геологического управления, разработанный при участии автора, ДАУ-3М Донбассантрацитового управления, расходомер СГИ Свердловскго горного института. Расходомер РСТ-3СГУ не является прибором чисто тахометрического типа. Наряду с крыльчаткой он имеет типовой датчик, служащий для измерения малых расходов (до 0,05 л/с). Крыльчаткой измеряются расходы от 0,02 до 1,0 л/с, преобразователь крыльчатки - бесконтактный электроимпульсный. Расходомер предназначен для исследования гидрогеологических скважин. Достоинства прибора РСТ-3СГУ заключаются в высокой точности, небольшом диаметре и надежности конструкции. Однако прибор не приспособлен для работы в загрязненных средах. Кроме того, пределы измерения расхода (от 0,0 до 1,0 л/с) для изучения поглощающих горизонтов совершенно недостаточны. Одними из первых малогабаритных расходомеров, приемлемых для изучения поглощающих растворов, являлись приборы ТСР-34/70. Расходомеры отличались простотой конструкции и высокой точностью. Основной их недостаток заключался в ненадежной работе преобразователя в минерализованной жидкости и в загрязненных средах. Это и обусловило их узкую область применения. Не всегда устраивал практику и рабочий диапазон расходомеров ТСР (до 1,5 л/с). Наиболее надежными и простыми по конструкции в настоящее время являются расходомеры типа ДАУ-3М. Устройство расходомеров типа ДАУ. Нормальный ряд расходомеров ДАУ. Разработка расходомеров типа ДАУ началась в 1965 г. В процессе проведения испытаний первоначальная конструкция расходомера несколько видоизменилась, были разработаны приборы других диаметров. Все расходомеры типа ДАУ и методика расходометрических исследований с их использованием разрабатывались при участии автора исключительно для исследования поглощающих горизонтов. Основными требованиями к скважинным расходомерам для изучения поглощающих горизонтов являются: надежность; приемлемые метрологические качества, в первую очередь, точность измерений; простота конструкции; несложность обработки результатов наблюдений. Надежность скважинного устройства и простота его конструкции, как правило, связаны между собой. метрологические качества расходомера обусловлены, в основном, параметрами крыльчатки и системой регистрации частоты ее вращения. Параметры крыльчатки должны обеспечивать минимальную величину суммы моментов сопротивлений ее вращению  .Величина определяется следующим выражением: , (1.2)где ρ – плотность раствора; ξ – степень сужения потока; Q – расход жидкости; DK – среднеквадратический диаметр крыльчатки; SK – скольжение крыльчатки; βВ – угол подъема винтовой линии лопастей; Ψ – шаг решетки крыльчатки; hК – высота крыльчатки; Dh – диаметр крыльчатки; Dст – диаметр ступицы крыльчатки; z – число лопастей; hТ – толщина лопастей в торцевом сечении; hl – длина лопастей в торцевом сечении. Величину βВ находят из условия минимума величины скольжения крыльчатки. Исследования на экстремум выражния  (1.3)показывает, что оптимальное значение βВ лежит в пределах 40-45 0, поэтому во всех конструкциях расходомеров ДАУ угол наклона новостей принят равным 450. Анализ остальных параметров, определяющих минимальную величину , показал, что:необходимо стремиться к уменьшению скольжения SК за счет уменьшения трения в опорах, зазора меду крыльчаткой и корпусом расходомера и определенного соотношения диаметров крыльчатки расходомера и ее ступицы. следует уменьшать длину и толщину новостей в торцевом сечении; необходимо стремиться к увеличению шага решетки. По данным О.Ю. Лушниковой, нашим условиям соответствует оптимальное ограничение Dск/DK, равное 0,8-0,4. Шаг решетки Ψ не должен быть больше высоты лопастей hl. Только при этих условиях будет обеспечен минимум потерь энергии на трение жидкости о лопасти крыльчатки. Проведенный анализ позволяет при конструировании прибора обоснованно выбрать основные параметры датчика расходомера, хотя и не дает возможности аналитически оценить суммарную величину сопротивления вращению крыльчатки.
Расходомеры ДАУ-3М состоят из датчика и измерительного блока. Датчик опускают в скважину на каротажном кабеле серийной каротажной станции. Измерительный блок работает на поверхности земли. Датчик расходомера (рис. 1.21) состоит из корпуса 13, в который вмонтированы крыльчатка 11 и тахометрический преобразователь. Крыльчатка крепится к корпусу посредством верхнего 5 и нижнего 14 центраторов и двух колец 6 и 16. К кольцам крепятся направляющие стержни 3 и 17, образующие с корпусом 13 каркас датчика. Верхние стержни встроены в разрезную муфту 2, а нижние – в муфту 18. Конусная гайка 1 служит для крепления каротажного табеля, гайка 19 – для подвески при необходимости дополнительного груза. Крыльчатка вращается в опорах 8 и 12, каждая из которых представляет кобальтово-вольфрамовый керн и агатовый подпятник. Опоры крыльчатки защищены от воздействия жидкости специальными воздушными колпаками. Верхний колпак 7крепится к корпусу расходомера на резьбе, нижним колпаком служит полая ступица крыльчатки 11. Вместимость, продолговатая форма и коническое исполнение верхней части предохранительных колпаков позволяют сохранить воздушную среду около опор при гидростатическом давлении до 20,0 МПа. Благодаря этому существенно уменьшено сопротивление трению в опорах и исключено их засорение. Для уменьшения гидравлических сопротивлений в расходомере и повышения точности прибора центраторам и воздушным колпакам придана обтекаемая форма. Тахометрическим преобразователем в расходомерах ДАУ служит дифференциальный индуктивный датчик, состоящий из двух частей: неподвижной (индуктивная катушка 10) и подвижной (пластинка 9, которая крепится на валу крыльчатки). Сердечник катушки и пластинка выполнены из пермаллоя – сплава с высокой магнитной проницаемостью. это позволяет обеспечивать надежную работу преобразователя при минимальных размерах его деталей. Дифференциальный индуктивный датчик через каротажный кабель, на котором спускают в скважину датчик расходомера, подключают к измерительному блоку. Принцип работы индуктивного датчика заключается в следующем. Под действием потока жидкости, движущейся по стволу скважины, крыльчатка расходомера будет вращаться с частотой, пропорциональной расходу жидкости. Одновременно, следовательно, будет вращаться и пермаллоевая пластинка 9. При пересечении пластинкой магнитного потока, создаваемого индуктивной катушкой 10, увеличивается индуктивность цепи и нарушается равенство реактивных сопротивлений измерительного моста в измерительном блоке на поверхности земли. Разбаланс плеч моста вызывает разность потенциалов, которая подается на усилитель. Возникший импульс тока подается на счетчик оборотов МЭС-54 или на стандартный геофизический пересчетный прибор ПС-100. Таким образом, каждому обороту крыльчатки расходомера соответствует импульс тока. Использование дифференциального индукционного датчика в качестве тахометричского преобразователя делает схему измерения частоты вращения крыльчатки исключительно надежной, не зависящей как от электропроводных свойств жидкости в скважине, так и от степени ее загрязнения посторонними включениями. При этом момент сопротивления в тахометрическом преобразователе практически равен нулю. Чувствительность расходомера во многом определяет его точность, завися в основном от величины сопротивлений в различных элементах прибора. Количественная оценка моментов сопротивлений затруднительна. Детальные аналитические и экспериментальные исследования метрологических характеристик скважинных расходомеров проведены О.Ю. Лушниковой. Практически все предложенные ею метрологические характеристики связаны с величиной SК, хотя она сведена к минимуму при конструировании параметров крыльчатки и расходомера. Поэтому фактические значения метрологических характеристик расходомера необходимо уточнять при экспериментальных исследованиях. Основными метрологическими характеристиками скважинных расходомеров целесообразно принять следующие: порог чувствительности Ч; тарировочный коэффициент СТ; поправочный коэффициент на диаметр скважины Кd. Порог чувствительности расходомера Ч зависит от вида промывочной жидкости. Целесообразно характеризовать порого чувствительности минимальным расходом жидкости, обеспечивающим устойчивую работу крыльчатки. Тарировочный коэффициент СТ характеризует зависимость частоты вращения крыльчатки от расхода жидкости через прибор. Зная для расходомера величину СТ, можно по известной частоте вращения n крыльчатки вычислить соответствующий ей расход жидкости:  (1.4) в  Поправочный коэффициент на диаметр скважины Кd обусловлен следующим. Диаметр скважины всегда больше номинального диаметра расходомера, поэтому при измерениях через прибор проходит только часть расхода жидкости, а остальной поток движется в зазоре между корпусом расходомера и стенками скважины. Чем больше диаметр скважины, тем больший объем жидкости минует крыльчатку расходомера. Тогда расход жидкости по стволу скважины Qскв. должен определяться выражением:  (1.5)Для практического использования формулы (1.5) необходимо знать зависимость коэффициента Kd от диаметра скважины. Функция Kd = f (Dскв) будет определяться соотношением гидравлических сопротивлений при течении жидкости по расходомеру и в зазоре между прибором и стенками скважины. В общем виде коэффициент Кd может быть найден из выражния:  , (1.6)где λскв и λрасх – соответственно коэффициенты гидравлических сопротивлений при течении жидкости в кольцевом зазоре и расходомере. При сближении между собой значений λскв и λрасх выражение (1.6) можно привести к виду:  (1.7)Как показали исследования автора, Э.Я. Кипко, Ю.А. Полозова, М.А. Саламатова, граничное значение величины Kd которое обусловило справедливость выражения (1.7), определяется точкой расщепления зависимости Kd = f (Dскв) для различной частоты вращения крыльчатки (рис. 1.23). Это соответствует отношению Dскв/Dрасх = 1,5-1,7, поэтому для упрощения обработки результатом расходометричеких наблюдений целесообразно использовать расходомер в скважинах, диаметр которых не превышает 1,7 номинального диаметра корпуса прибора. Погрешность собственно расходомера обусловлена, в основном, погрешностью в определении тарировочного коэффициента СТ, которая, в свою очередь, складывается из следующих составляющих: погрешности при определении Q объемным методом, погрешности за счет колебания подачи насоса при изменении напряжения в питающей сети, погрешности определения времени наблюдения. Практически составляющие суммарной погрешности измерения поддаются регулированию при проведении экспериментальных исследований. Это позволяет задаваться допустимой погрешностью расходомера и в зависимости от ее величины получать с соответствующей погрешностью коэффициент СТ. Учитывая возможность появления ошибок при проведении расходометрических исследований в скважинах, автор стремился свести погрешности расходомера к минимуму. Заданная погрешность прибора типа ДАУ составляет 1%. Использование расходомера в скважинах, номинальный диаметр которых значительно превышает диаметр корпуса прибора, затруднено не только усложнением методики обработки результатов наблюдений, но и резким увеличением минимального расхода жидкости, обеспечивающего надежную работу крыльчатки в скважине. Это обусловило необходимость разработки нормального ряда расходомеров типа ДАУ, который охватывает практически все номинальные диаметры скважин разведочного бурения. Технические характеристики приборов нормального ряда приведены в табл. 1.7. Тарировочные зависимости n = f (Q) для расходомеров нормального ряда приведены на рис. 1.24. 
Все расходомеры нормального ряда отличаются высокими метрологическими характеристиками. Для сравнения расходометров типа ДАУ, приведенных в нормальном ряду, с другими расходомерами, применяющимися в практике разведочного бурения, используем теорию подобия. Следует указать, что до сих пор не было критериев, которые бы позволяли надено оценить и сравнить метрологические параметры различные по конструкции тахометрических расходомеров. Предлагалась в качестве такой оценки угловая скорость вращения крыльчатки на единицу расхода, минимальный расход жидкости через водоканал прибора, порог трогания крыльчатки, выраженный через скорость жидкости, протекающей через расходомер, и др. Однако ни один из этих параметров не отражал сущности работы приборов на всем диапазоне расходов. Для объективной оценки измерительных качеств различных расходомеров автором приняты статические характеристики n = f (Q), выраженные в критериальных координатах.. Из уравнения, описывающего в общем виде движение крыльчатки (1.8), можно, используя теорию подобия, получить итоговое критериальное уравнение (1.9).  (1.8) (1.9)где ν – кинематическая вязкость жижкости; ρ – плотность жидкости; DВ – внутренний диаметр прибора. Обобщающий критерий Li / hK харктеризует геометрическое подобие расходомеров, заменяя набор критериев DK/D, Dст/D, Ψ/D,hK/D, z. Принимая во внимание постоянство критерия Li/hK для конкретного расходомера, его можно опустить. Кроме того, при разработке тахометрических расходомеров всегда стремятся уменьшить момент сопротивления MC. Тогда критерий  , характеризующий соотношение затрачиваемой энергии потока на преодоление момента сопротивления, будет невелик, им также можно будет пренебречь, а критериальное уравнение (1.9) можно представить в виде: . (1.10)Таблица 1.7. Техническая характеристика расходомеров нормального ряда
Величина  является аналогом числа Рейнольдса. Тогда статическую характеристику расходомеров можно рассматривать в виде простого критериального уравнения: (1.11)Приведем статические характеристики расходомеров нормального ряда и других тахометрических приборов, используемых при исследовании разведочных скважин (рис. 1.24). Кривые для расходомеров ДАУ построены по тарировочным зависимостям автора, кривые для других расходомеров построены по тарировочным графикам, известным из технической литературы.. У всех расходомеров четко выделяются две области изменения статических характеристик: зависимая от Re и независимая от Re (так называемая «область автомодельного режима»).  Рис. 1.24. Критериальные зависимости малогабаритных скважинных расходомеров: 1 – РГД-3М; 2 – ДАУ-3М-34; 3 – ДАУ-3М-44; 4 – ДАУ-3М-57; 5 – РСТ-3СГУ; 6 – ДАУ-3М-108; 7 – ДАУ-3М-73; 8 – ГСР-70-3М; 9 – ТСР-34-3М Первая, начальная область представляет интерес с точки зрения надежности получаемых данных. Здесь режим работы расходомера нестабилен, значительно зависит от свойств промывочной жидкости и коэффициента гидравлических сопротивлений. Вследствие этого в начальной области измерения будет возникать большой разброс данных. Вторая область представляет для практики больший интерес, так как здесь показания расходомеров независимы от реологических параметров промывочной жидкости, которые даже при исследовании могут изменяться в широких пределах. Соотношение автомодельной и начальной областей статических характеристик определяет надежность диапазона измерений расхода прибора. Поэтому в технических характеристиках скважинных расходомеров целесообразно указывать пределы измеряемых расходов и величину Qmin Re, которая показывает начало режима автомодельности. Разность расходов Qmax и Qmin Re будет определять диапазон наиболее надежной области измерения. В табл. 1.7. приведены сводная техническая и метрологическая характеристики малогабаритных скважинных расходомеров. Табл. 1.7. Сводная техническая и метрологическая характеристики малогабаритных скважинных расходомеров.
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
