С.П.Скопинцев

ООО «Нефтегазсистемы»

ssp5@yandex.ru

ВОЗМОЖНОСТИ термоанемометров АГДК и СГДК

 ПРИ исследовании СКВАЖИН.

Принцип работы термоанемометра основан на эффекте охлаждения нагретого объекта потоком флюида.

Основным уравнением такого теплового преобразования является уравнение теплового баланса, физический смысл которого, состоит в том, что количество теплоты Q_вх, поступающей к преобразователю, равно количеству отдаваемой теплоты. В общем случае эта формула выглядит следующим образом.

Q_вх = Q_п + Q_ср + Q_конв + Q_изл                                                (1),

где Q_п - тепловой поток за счет теплопроводности через преобразователь; Q_ср - тепловой поток за счет теплопроводности в окружающую среду; Q_конв - тепловой поток за счет конвекции; Q_изл - тепловой поток за счет теплового излучения.

Для термоанемометра, датчик которого выполнен в виде нити, нагреваемой электрическим током, эффект сноса теплоты потоком превосходит остальные охлаждающие факторы и уравнение приобретает вид:

I²R=S(TA-T)x                                                               (2)

где I- значение тока, протекающего через нить; R- сопротивление нити; S- площадь поверхности нити; TA- температура термоанемометра; T- температура потока; x- коэффициент теплоотдачи датчика в потоке.

Коэффициент теплоотдачи x при искусственной конвекции и перпендикулярном расположении нити к направлению движения потока выражается формулой:

x= K_kReⁿPr^0,4                                                                                               (3)

где  K_k – коэффициент, определяемый конструкцией датчика и физическими свойствами потока; Re – критерий Ренольдса; n – эмпирический коэффициент; Pr – критерий Прандтля (для газов Pr = 1).

Значения K_k, n,и Pr для термоанемометра, выполненного в виде нагреваемой нити, для однофазного потока флюида достаточно легко определяются, что позволяет использовать в этих условиях термоанемометр как измерительный  расходомер [1].

При скоростях потока близких к нулю происходит естественная конвекция и в формуле (2) должен использоваться коэффициент естественной теплоотдачи x_е, значение которого зависит от теплофизических свойств флюида.

К сожалению, в связи со специфическими условиями (высокое давление, электропроводящая окружающая среда и пр.) в условиях скважины использовать открытую нагреваемую нить невозможно, поэтому скважинные термоанемометры выполняются в виде достаточно сложной конструкции, включающей обычно раздельные нагреватель и термопреобразователь, помещенные в защитный металлический корпус. Такой датчик скважинного термоанемометра имеет форму не тонкой нити, а объемного цилиндра, расположенного вдоль потока, и который к тому же имеет хороший тепловой контакт с корпусом скважинного прибора. Это приводит к ограничению применимости формулы (3), увеличению влияния слагаемых Q_п, Q_конв, Q_изл  в уравнении (1), и, соответственно, к усложнению уравнения (2).

 Сложный вид характеристики преобразования скважинного термоанемометра доказывают и проведенные исследования [2, 3, 4, 5. Поэтому не вызывает удивления основной вывод, к которому приходят авторы, и который гласит, что скважинный термоанемометр может быть использован в основном только для получения информации на качественном уровне.

Тем не менее, мы считаем, что возможности термоанемометра как измерителя скорости потока все же достаточно велики. Доказательством этого являются  приведенные ниже результаты лабораторных и скважинных испытаний термоанемометров  АГДК и СГДК. 

В 1995 г. специальная опытно-методическая партия СОМП предприятия «Вуктылгазгеофизика» по заданию СеверНИПИГаз провела серию  лабораторных испытаний скважинного термоанемометра аппаратуры АГДК [6]. При проведении этих испытаний были сняты показания термометра Т, термоанемометра ТА и турбинного расходомера[1] при различных значениях скорости потока воздуха для разных значений температуры окружающей среды.

С любезного разрешения СеверНИПИГаз и «Вуктылгазгеофизика» мы воспользовались результатами этих испытаний для оценки возможности использования термоанемометра в качестве измерителя.

 Для предварительного расчета скорости потока по термоанемометру нами была выбрана формула: СТА1 = 1000/(ТА-Т) (4). Результаты расчета показаны на рис.1. Затем была произведена нормализация данных СТА1 и Гц с учетом влияния температуры окружающей среды (таблица 1.). 

Из таблицы видно, что показания СТА практически совпадают с заданными значениями скорости потока в диапазоне выше 20 Гц.  Ниже –  зависимости нелинейные, что по нашему мнению объясняется изменением значения коэффициента теплоотдачи в (2), обусловленное малой скоростью потока.

Таблица 1.

Проверка термоанемометра АГДК в скважинных условиях была проведена также  СОМП предприятия «Вуктылгазгеофизика» с теми же анемометрами. 

Проводились исследования в газовой скважине с малым содержанием жидкой фазы. По формуле (4) был проведен расчет скорости потока по термоанемометру.  Полученная кривая была нормализована по диаграмме механического расходомера (см. рис.1, диаграмма СТА).    

Видно, что оба расходомера практически одинаковыми значениями отметили значения скорости потока между работающими интервалами во всем интервале притока. Это означает, что при данных скважинных условиях диапазон применимости линейной формулы (4) для термоанемометра АГДК начинается от нуля.

Отметим, кстати, что весьма полезной особенностью диаграммы СТА явилось то, что сами интервалы притока рельефно проявились из-за входящих в скважину радиальных потоков газа. Это позволило достаточно четко определить их границы, что невозможно было сделать другими методами.

На рис.3. показаны диаграммы РМ (4 замера) и СТА (2 замера), зарегистрированные при закачке на Касимовском ПХГ в зоне фильтра аппаратурой СГДК. Из рисунка видно, что, поведение диаграмм обоих каналов в основном совпадает. Несколько большая информативность расходограмм канала РМ объясняется тем, что при исследованиях использовалась модификация аппаратуры СГДК с механическим расходомером, специально предназначенным для работы в потоке сверху (диаметр скважинного прибора – 36 мм, диаметр турбинного расходомера – 42 мм). 

Таким образом приведенные примеры показывают, что при определенных условиях возможно применение термоанемометра для измерения скорости однофазного потока в достаточно большом диапазоне, причем расчет скорости может производиться с использованием линейной формулы (4).

Однако значительно чаще исследования проводятся в скважинах с многофазным флюидом. Понятно, что в этом случае значение расчетного параметра СТА будет зависеть не только, и даже не столько от скорости потока, сколько от других охлаждающих факторов. Тем не менее, это не запрещает использование формулы (4) для представления информации на скважинных планшетах, только в этом случае безразмерный параметр СТА будет означать степень охлаждения термоанемометра.

На рис.4.показано поведение параметра СТА в скважине с трехфазным заполнением. СТА четко выделяет среды с разными охлаждающими свойствами, что совместно с рассчитанной по манометру плотностью и показаниями влагомера (на диаграмме не даны) определяет структуру флюида в скважине.

Часто термоанемометр используется при решении нестандартных задач.

На рис.5. показана временная диаграмма СТА, снятая в НКТ остановленной газовой скважины на уровне башмака при открытии затрубья. Исследование было проведено с целью доказательства негерметичности НКТ.

Поскольку в данном случае было необходимо достоверно выявить очень малое значение скорости потока, то потребовался весьма эффективный термоанемометр, причем с малой мощностью нагрева, чтобы не было влияния на датчик термометра. Таким требованиям удовлетворил разработанный в ООО «Нефтегазгеофизика» термоанемометр СГДК, имеющий  мощность 0,5 Вт[2].

На диаграмме видно, что до 500 секунды, пока скважина была остановлена, нагрев термоанемометра не оказывал заметного влияния на термометр: вариация расчетной скорости СТА[3] менее 0,1 м/с. После открытия затрубья скорость потока возросла до 0,6 м/с, что доказало, что поток газа через башмак входил в НКТ, поднимался вверх и через отверстие в НКТ уходил в затрубье.

  Хотя параметр СТА (аппаратура СГДК) на рис.6 в общем-то является дополнительным, но на планшете наглядно проявляется его высокая чувствительность.

В скважине, начиная с глубины 560 м, стоит столб конденсата. На глубине 520 м через негерметичную муфту в конденсат из затрубья входит газ. По диаграмме манометра СГДК была рассчитана плотность флюида, которая показала, что выше негерметичности объемное соотношение газа и конденсата составляет 1:10. Эти 10% газа, поднимающиеся вверх создали перемешивание конденсата, достаточное для информативного охлаждения датчика термоанемометра. Заметим при этом, что негерметичное отверстие находилось достаточно далеко от линии движения скважинного прибора, т.к. СТА не отметил радиальную составляющую входящего потока газа.

Таким образом, на основании приведенных примеров и других результатов, полученных в процессе эксплуатации аппаратуры АГДК и СГДК, мы считаем, что:

а) скважинный термоанемометр может быть использован для измерения скорости однофазных газовых потоков, при условии проведения его калибровки непосредственно в исследуемой (или другой, аналогичной по параметрам скважине) путем одновременной регистрации механического расходомера РМ и параметра СТА;

б) скважинный термоанемометр может быть использован для оценки скорости потока, если проведена его калибровка при спуске на 3-5 значениях скорости;

в) скважинный термоанемометр может быть использован для регистрации безразмерного профиля скоростей потока газа без его калибровки;

г) для термоанемометров АГДК и СГДК расчет параметра СТА можно вести по формуле (4);

д) мощность нагрева датчика может быть снижена до минимальных значений без уменьшения информативности термоанемометра.

 Автор приносит благодарность ПФ «Вуктылгазгеофизика», СеверНИПИГаз, ПФ «Мосгазгеофизика» и ООО «Оренбурггеофизика» за предоставленные материалы и оказанную помощь в проведении скважинных испытаний.

ЛИТЕРАТУРА

•       Бачелор Р. Повышение точности измерения термодисперсными расходомерами. Москва. Нефть, газ и нефтехимия за рубежом. 1993. №5. С. 59-60. 

•       Жувагин И. Г., Комаров С. Г., Черный В. Б.  Скважинный термокондуктивный дебитомер СТД. Москва. Изд. «Недра». 1973.

•        Багринцев М.И.  Современное состояние промыслово-геофизических исследований действующих газовых  и газоконденсатныйх скважин. // Москва. Изд. ВИЭМС. 1982. С. 19-23.

•       Гергедава  Ш.К., Пантелеев Г.Ф., Левитский К.О., Кременецкий М.И., Ипатов А.И. Газодинамический контроль за эксплуатацией скважин на месторождениях и подзамных хранилищах газа промыслово-геофизическими методами. Москва. Изд. ВИЭМС. 1991. С29-30.

•       Буевич А.С. Технологический комплекс для геофизических исследований обсаженных скважин. Каротажник N 43, стр. 31-40.

•       Отчет по договору «Доработка лабораторного стенда для градуировки термоанемометров…» к теме 15/95 СеверНИПИГаз; РАО «Газпром», «Газпромгеофизика» «Вуктылгазгеофизика»  Вуктыл 1995 г.