автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Метод и аппаратура для экспрессного определения концентрации проппанта в смесях при гидроразрыве нефтегазосодержащих пластов

На правах рукописи

Нургалиев Олег Тахирович

МЕТОД И АППАРАТУРА ДЛЯ ЭКСПРЕССНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ПРОППАНТА В СМЕСЯХ ПРИ ГИДРОРАЗРЫВЕ НЕФТЕГАЗОСОДЕРЖАЩИХ ПЛАСТОВ ~

Специальность 05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Томск - 2005

Работа выполнена в Томском политехническом университете

Научный руководитель:

Доктор технических наук, профессор Кулешов Валерий Константинович

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор Капранов Борис

Иванович

Доктор технических наук, профессор Чубик Петр Савельевич

Ведущая организация:

Тюменский государственных нефтегазовый университет

(г. Тюмень)

Защита состоится 20 декабря 2005 г. в 1500 на заседании диссертационного совета Д 212.269.09 Томского политехнического университета по адресу: г. Томск, ул. Савиных, д. 7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского политехнического университета

Автореферат разослан 20 ноября 2005 года.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.269.09

доцент, к.т.н.

Винокуров Б.Б.

22ЛУ09

Актуальность работы.

Современная нефтегазодобывающая промышленность сделала ставку на максимальное увеличение дебита новых и старых скважин путем экстремального воздействия на призабойную зону для разработки отдаленных от ствола скважины частей нефтегазоносного пласта.

Одно из эффективнейших средств воздействия на призабойную зону скважин - гидравлический разрыв пластов (ГРП). Он заключается в создании искусственных и расширении имеющихся трещин в породах призабойной зоны воздействием повышенных давлений жидкости, нагнетаемой в скважину. Для предотвращения смыкания трещин в скважину под давлением до 1600 атмосфер закачивают жидкость (воду или нефть), обработанную соответствующим химреагентом для повышения ее вязкости, в которую добавляют проппант (спеченные из кварцевого песка шарики диаметром 0,8 - 1,6 мм). С помощью проппанта в полученной трещине формируется своеобразный 'клин' (искусственное поровое пространство), который не дает этой трещине сомкнуться. Качественно сформированный клин определяет успех всей дорогостоящей операции. Для успешного формирования этого клика необходимо экспрессно определять концентрацию проппанта в трубопроводе, по которому рабочую смесь закачивают в скважину, с приведенной погрешностью не хуже ±(3,0 + 5,0)%

Анализ результатов применения гидравлического разрыва пластов на различных месторождениях показал, что среднее число удачных проведений операций гидравлического разрыва составляет около 80%. В остальных случаях причиной не повышения, а иногда и понижения дебита скважин является некачественное формирование 'клина', обусловленное малым или большим содержанием проппанта в рабочей жидкости.

Имея достоверную и оперативную информацию о концентрации проппанта в рабочих смесях можно с большей долей вероятности гарантировать успех всей дорогостоящей операции гидравлического разрыва нефтегазосодержащих пластов. В случае успеха операции гидроразрыва дебит скважины увеличивается на 200-^600%.

Актуальность работы подтверждает Постановление Правительства РФ № 686 от 20 июля 1993 года "Об организации серийного производства отечественного оборудования для глубоко проникающего гидравлического разрыва пластов на нефтяных и газовых месторождени "

Тема работы с им позициям перечня

"Приоритетные направления развития науки, технологий, техники и критических технологий Российской Федерации":

Производственные технологии:

> Оценка, комплексное освоение месторождений и глубокая переработка стратегически важного сырья.

Топливо и энергетика:

> Поиск, добыча, переработка и трубопроводный транспорт нефти и газа.

Цель работы. \

Целью диссертационной работы является разработка метода и аппаратуры для экспрессного определения концентрации проппанта с повышенной, по сравнению с известными аналогами, точностью в рабочих смесях, прокачиваемых по стальным трубопроводам при гидроразрыве нефтегазосодержащих пластов.

Задачи работы.

1. Проанализировать современное состояние технологии гидроразрыва нефтегазосодержащих пластов, в том числе методы измерения концентрации "проппанта в рабочих жидкостях при гидравлическом разрыве нефтегазосодержащих пластов, а также методы измерения концентрации твердой фазы в трехкомпонентных системах (пульпах), прокачиваемых по стальным трубопроводам, и выявить недостатки существующих методов.

2. Разработать способ определения с заданной точностью текущих значений концентрации проппанта в смесях, приготовленных на основе воды (с различной степенью минерализации) или нефтей разных сортов, различающихся друг от друга по плотности.

3. Разработать программно-математическое обеспечение для аппаратуры контроля концентрации проппанта в рабочих смесях.

4. Разработать, изготовить и провести производственные испытания опытного образца аппаратуры для контроля концентрации проппанта в рабочих смесях, применяемых при гидравлическом разрыве нефтегазосодержащих пластов.

Объект исследования.

Объектом исследования является технология приготовления рабочих смесей, содержащих в своем составе проппант, и технология

нагнетания рабочих смесей в скважину для формирования искусственного порового пространства.

Научная новизна.

Предложен и реализован в опытном образце измерительного комплекса РИКГТ-01 способ определения текущих значений концентрации проппанта по текущим значениям плотностей рабочей жидкости и рабочей смеси, измеренных на входе/выходе агрегата для приготовления смеси с учетом времени прохождения рабочей жидкости через агрегат для приготовления смеси при измерении плотности рабочей смеси, который обеспечивает повышенную, по сравнению с известными аналогами, точность в условиях флуктуации плотности рабочей жидкости и наличии газового фактора (патент Российской Федерации №2253856).

Практическая ценность.

> Разработан радиоизотопный метод экспрессного определения концентрации проппанта в рабочих смесях, закачиваемых при гидравлическом разрыве нефтегазосодержащих пластов по стальным трубопроводам высокого давления в скважину, который обеспечивает приведенную погрешность определения концентрации проппанта не хуже ±3,5% через каждые 15 секунд (патент Российской Федерации №2253856).

> Разработан опытный образец измерительного комплекса для экспрессного определения концентрации проппанта в рабочих смесях РИКП-01, который реализует разработанный метод.

> Разработан радиоизотопный датчик для экспрессного определения плотности пульп в трубопроводах, который использован в составе комплекса РИКП-01, станции для экспрессного контроля процесса цементирования скважин КСКЦ-01 (патент на полезную модель Российской Федерации № 39953).

> Измерительный комплекс РИКП-01 прошел производственные испытания на "Комсомольском месторождении" ОАО "Роснефть - Пурнефтегаз" и принят в эксплуатацию ОАО "Пурнефтеотдача" с 01.02.2003г. (г. Губкинский Ямало-Ненецкого автономного округа).

Личный вклад.

> Автором сделан анализ современного состояния технологии гидроразрыва нефтегазосодержащих пластов и методов

определения твердой компоненты в бинарных (жидкость, твердое) и трехкомпонентных (жидкость, твердое, газ) пульпах, прокачиваемых по стальным трубопроводам, на основании которого определено направление исследований для совершенствования метода и аппаратуры для экспрессного контроля концентрации проппанта в рабочих смесях;

> Автором предложено определение текущих значений концентрации проппанта по текущим значениям плотностей рабочей жидкости и рабочей смеси, измеренных на входе/выходе агрегата для приготовления смеси, а также учет времени прохождения рабочей жидкости через агрегат для приготовления смесей при измерении плотности рабочей смеси;

> При разработке радиоизотопного датчика плотности автором предложено выполнение нижней части корпуса биологической защиты датчика в виде усеченного конуса, закрепленного сваркой на опоре, выполненной в виде плиты, по периметру днища и с помощью четырех малых и двух больших ребер жесткости так, что ось коллимационного канала для размещения источника гамма - квантов перпендикулярна поверхности опорной плиты (патент РФ №39953);

> Автором предложена структура опытного образца измерительного комплекса для экспрессного определения концентрации проппанта в рабочих смесях РИКП-01;

> Автором разработано программное обеспечение на языке "Ассемблер"для микроконтроллера AT90S8535, установленного в концентраторе комплекса РИКП-01, и модули (подпрограммы) программного обеспечения на языке "Object - Pascal" для персонального компьютера, входящего в состав комплекса РИКП-01, а именно: подпрограмма приема данных от концентратора, подпрограмма настройки цифровых индикаторов, подпрограмма настройки параметров графического вывода на экран монитора измеренных и вычисленных данных в режиме реального времени.

Положения, выносимые на защиту.

> Соотношения, позволяющие вычислить текущие значения концентрации проппанта в рабочих смесях в условиях флуктуации плотности рабочей жидкости и наличии газового фактора по синхронным измерениям текущих значений плотностей рабочей жидкости и рабочей смеси в

трубопроводах на входе/выходе агрегата для приготовления смеси.

> Конструкция радиоизотопного датчика плотности для экспрессного измерения плотностей пульп в трубопроводах.

> Принцип действия и конструкция опытного образца измерительного комплекса для экспрессного измерения концентрации проппанта в рабочих смесях.

Внедрение результатов работы.

Разработанный метод реализован в опытном образце измерительного комплекса для экспрессного определения концентрации проппанта в рабочих смесях при гидравлическом разрыве нефтегазосодержащих пластов РИКП-01. Он обеспечивает экспрессное (через каждые 15 секунд) измерение плотности рабочей жидкости и рабочей смеси, вычисление по текущим значениям плотности текущих значений концентрации проппанта, прием сигнала с датчика расхода рабочей смеси, вычисление объема смеси и массы проппанта, закачанных в скважину, отображение всех измеренных и вычисленных параметров в режиме реального времени на дисплее компьютера и передачи этой информации на выносное цифровое табло.

Измерительный комплекс РИКП-01 прошел производственные испытания на "Комсомольском месторождении" ОАО "Роснефть -Пурнефтегаз" и принят в эксплуатацию ОАО "Пурнефтеотдача" с 01.02.2003г. (г. Губкинский Ямало-Ненецкого автономного округа), что подтверждается актом внедрения результатов диссертационной работы Нургалиева О.Т.

Апробация работы.

Основные положения и результаты работы докладывались на шести конференциях, изложены в 11 печатных работах, опубликованных в различных региональных и центральных научно -технических изданиях. В их числе патент №2253856 "Способ определения концентрации проппанта в смесях для гидравлического разрыва нефтегазосодержащих пластов", патент на полезную модель №39953 "Радиоизотопный датчик плотности для контроля пульп в трубопроводах".

Структура и объем диссертации.

Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, основных выводов, списка использованных источников из 37

наименований и приложений. Диссертационная работа содержит 147 страниц машинописного текста, включая 4 таблицы и 41 иллюстрацию, в том числе 2 фотографии.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

i

В первой главе рассматривается и анализируется процесс гидравлического разрыва нефтегазосодержащих пластов. Рассматриваются зарубежные и отечественные системы контроля i технологических параметров процесса гидроразрыва, показывается главный недостаток этих систем контроля - это большая погрешность, с которой определяется главный параметр, концентрация проппанта в рабочей смеси. В лучших зарубежных системах (фирмы Halliburton и фирмы Stewart & Stevenson Services) для вычисления текущих значений концентрации проппанта по измеренным с помощью гамма - плотномера текущим значениям плотности рабочей смеси используется формула (1):

С=р х(р -р )/р х(р -р ) " (1)

гпр vrCM гжу гсм чгпр гж' где рпр - плотность твердой компоненты; рж - плотность жидкой компоненты; рср - измеренная средняя плотность бинарной системы.

О концентрации проппанта в рабочей жидкости эти системы судят по измеренному значению плотности рабочей смеси, не учитывая флуктуацию плотности рабочей жидкости, поступающей в агрегат для приготовления смеси. В качестве рабочей жидкости применяют различные сорта нефти или пластовую воду с различной минерализацией, что обуславливает погрешность измерения концентрации проппанта в рабочих смесях у этих систем контроля не менее ±10%. Это повышает вероятность некачественного процесса формирования клина. Рассматриваются методы измерения концентрации твердой фазы в бинарных и трехкомпонентных системах (смесях), прокачиваемых по стальным трубопроводам, выясняется, что и они из-за недостаточного быстродействия и большой погрешности не применимы для решения этой задачи. На основании анализа принято решение: усовершенствовать метод измерения концентрации проппанта в рабочих смесях при гидроразрыве нефтегазосодержащих пластов с помощью гамма -

метода измерения плотности таким образом, чтобы он учитывал флуктуацию плотности рабочей жидкости на входе в агрегат для приготовления смеси.

Во второй главе описывается радиоизотопный метод определения концентрации проппанта в рабочих смесях при гидравлическом разрыве нфтегазосодержащих пластов.

Рассмотрено влияние изменения плотности рабочей жидкости на погрешность определения концентрации проппанта. Его поясняет рисунок 1, на котором изображена зависимость скорости счета гамма -плотномера, установленного после агрегата для приготовления смеси, от концентрации проппанта для различных типов рабочих жидкостей (воды и нефти), из которых приготавливается смесь. Из этой зависимости видно, что при каком-то значении скорости счета (14,) погрешность определения концентрации проппанта в рабочей жидкости на основе воды (АС]) или нефти (ДС2) по своей зависимости с учетом погрешности гамма - плотномера не будет превышать ±0,028 т/м3, что обеспечивает приведенную погрешность не хуже ±3,2%, в то время, как каждое изменение плотности рабочей жидкости (плотность нефти = 820 кг/м3,"* плотность воды = 1000 кг/м3) на 10 кт/м3 увеличивает погрешность определения концентрации проппанта на

Рисунок 1 - Зависимость скорости счета гамма - плотномера от концентрации проппанта в рабочих смесях для рабочей жидкости на основе пресной воды и нефти

Для того чтобы минимизировать погрешность определения концентрации проппанта в рабочих смесях при ГРП, нужно измерять плотность рабочей жидкости до смешивания с проппантом (на входе в агрегат для приготовления смеси) и измерять плотность смеси выходящей по трубопроводу из агрегата для приготовления смеси.

В результате экспериментов по измерению плотности рабочей смеси и после рассмотрения баланса масс (формула (2)) и баланса объемов (формула (3)) выяснилось, что при приготовлении рабочей смеси (рабочая жидкость, проппант и химреагенты) возникает увеличение объема смеси (газовый фактор), что также сказывается на точности определения концентрации проппанта.

М =М +М (2)

см ж пр

у =у +у +0ху (3)

см ж пр пуст

где Мсм^рсмхУсм- масса рабочей смеси;

Мж=ржхУж - масса жидкости в рабочей смеси;

МПр=рПрХ\^Пр - масса проппанта в смеси;

Усм - объем рабочей смеси;

Уж - объем жидкости в рабочей смеси;

Упр - истинный объем проппанта в рабочей смеси;

^пуст - объем пустого пространства в объеме занимаемом

проппантом;

© - коэффициент увеличения объема рабочей смеси.

Рем, Рж, РпР - плотность смеси, жидкости и проппанта

соответственно.

Величину концентрации проппанта С= Мпр/Усм (формула (4)) можно выразить через минералогическую, насыпную плотности проппанта, плотности рабочей жидкости и рабочей смеси, а также коэффициент увеличения объема.

РпрХ(Рсм-Рж) <4>

с \

1-

Рнас

Рпр-Рж-Рж*^

V Кпр J

где рпр- минералогическая плотность проппанта; Рнас - насыпная плотность проппанта;

рж - текущее значение плотности порции рабочей жидкости на входе в агрегат для приготовления смеси;

рсм - текущее значение плотности порции рабочей смеси; © - коэффициент увеличения объема при смешивании рабочей жидкости с проппантом и химреагентами (гелеобразователем и деструктором).

Предложены два способа вычисления коэффициента увеличения объема © (газовый фактор):

Способ 1. Коэффициент 0 определяют по предварительно экспериментально установленной зависимости объемной концентрации проппанта от плотности смеси Сэкс=Дрсм) для конкретного типа жидкости по формуле:

@=кх

с ~\п

Рсм-Рж

^ Рсмтах ~Рж J

(5)

где к - константа, подлежащая определению;

п - показатель степени, принимающей значения 0,1,2; Рсм мах - максимальное значение плотности смеси.

Конкретное значение параметров кип для конкретной жидкости выбирают по некоторому критерию Р:

Рсм тах _ _2

Р= / [Сэкс(Рсм)-Срасч(рсм)] Фсм=>тт

Рж

где Сэкс(рсм) - экспериментально установленная

зависимость объемной концентрации проппанта от плотности смеси;

Срасч(Рсм ) - расчетная зависимость объемной концентрации проппанта от плотности смеси.

Способ 2. Коэффициент увеличения объема © определяют по предварительно измеренной массе проппанта Мпр, закачанной в скважину путем решения уравнения:

О

где Мпр - измеренная масса проппанта;

С?см(*) - текущее значение расхода смеси;

I - текущее время измерения расхода и плотности смеси;

Рсм(0 - текущее значение плотности смеси;

Х(Ч, рсм,п,к) - текущее значение массовой доли проппанта;

Т - время, затраченное на закачивание смеси в скважину.

I

с помощью которой определяют конкретные значения пик, используемые для вычисления коэффициента 0 по формуле (6).

Поскольку величина Мпр, стоящая в левой части выражения (7) известна, то это выражение можно рассматривать как уравнение для определения величины пик.

Практическое определение оптимальных величин п и к по критерию Р проиллюстрировано на рисунке 2, на котором приведены расчетные зависимости концентрации проппанта от плотности смеси для рабочей жидкости на основе воды при различных п и к и их сравнение с Сэкс(рсм). Видно, что для рабочей жидкости на основе воды ~ лучшее согласование с экспериментом получается при использовании в формуле (5) п=2 и к=0,6.

1,10 ¿дчоо

•t 0,90 К

§ 0,80 Л

Ь 0,70

X ф

=г 0,60 х

§ 0,50 К

1 0,40

2

® 0,30

ю

О 0,20

Эксперимент, к=0 к=о г к=0.4ч к=0.6\\ Т "-•/ \ jw л

УУ А

I \ч У/ \

\

i

I

t

.... 1

!

1100 1150 1200 1250 1300 1350 1400 1450

Плотность (кг/м3)

Рисунок 2 - Сравнение экспериментальной и расчетных зависимостей объемной концентрации проппанта от плотности рабочей жидкости на основе воды для различных к при п=2

Способы определения величины газового фактора для рабочей жидкости на основе воды также справедливы и для рабочей жидкости на основе нефти, только константа к и степень п для рабочей жидкости на основе нефти будут иными.

На рисунке 3 приведено сравнение экспериментальной (кривая 1) и расчетных зависимостей объемной концентрации проппанта от плотности смеси для пульпы на основе воды. Кривая 2 расчитана по формуле (4), кривая 3 рассчитана без учета газового фактора по формуле (1).

1,10

£1.00

•t 0,90 05

* 0,80 Л

Н 0,70

X ф

5 о,бо

X

° 0,50 К

S 0,40 2

2 0,30

ю

о 0,20

1100 1150 1200 1250 1300 1350 1400 1450

Плотность (кг/м3)

Рисунок 3 - Сравнение экспериментальной и расчитаных зависимостей объемной концентрации проппанта от плотности смеси

на основе воды

Видно, что экспериментальная кривая 1 хорошо совпадает с кривой, расчитаной по формуле (4). Плохое совпадение кривой 3 с экспериментальной кривой 1 объясняется отсутствием учета флуктуации плотности рабочей жидкости и величины газового фактора при расчете концентрации проппанта.

Для повышения точности измерения концентрации проппанта в рабочих смесях предложено измерять плотность рабочей жидкости на входе в агрегат для приготовления смеси, а плотность рабочей смеси на выходе из агрегата для приготовления смеси измерять через

некоторое время задержки, равное времени прохождения порции рабочей жидкости по стальному трубопроводу через агрегат для приготовления смеси, что обеспечит измерение плотности рабочей смеси именно в той порции, которая приготовлена из порции рабочей жидкости, плотность которой предварительно измерена.

Проведен анализ погрешности определения концентрации проппанта в рабочей смеси, приготовленной на основе воды, по измерению плотности рабочей жидкости и рабочей смеси на входе/выходе агрегата для приготовления смеси. Из анализа погрешности можно заключить, что приведенная погрешность не будет превышать ±3,2%.

Экспериментальная проверка показала, что приведенная погрешность определения концентрации проппанта в рабочих смесях с доверительной вероятностью 0,95 при времени измерения плотностей рабочей жидкости и смеси, равной 15 секунд, не превышает ±3,5%, что подтверждает достоверность разработанного метода.

В третьей главе описаны измерительный комплекс РИКП-01, конструкция и принцип действия радиоизотопного датчика плотности "рабочей жидкости и рабочей смеси, программное обеспечение комплекса РИКП-01, метрологические и производственные испытания измерительного комплекса РИКП-01.

Структурная схема измерительного комплекса РИКП - 01 рисунке 4, а общий вид показан на рисунке 5.

Рисунок 4 - Структурная схема комплекса РИКП-01

На входе в агрегат для приготовления смеси стоят датчики плотности №1 и объемного расхода рабочей жидкости. На выходе из агрегата приготовления смеси стоит радиоизотопный датчик плотности №2, который измеряет среднюю плотность смеси, поступающей в скважину. Значения сигналов от датчиков поступают в концентратор и на персональный компьютер.

Рисунок 5 - Общий вид оборудования комплекса РИКП - 01: 1 - датчик плотности; 2 - измерительные емкости для градуировки

плотномера; 3 - транспортный контейнер для радиоизотопных источников излучения; 4 - переносной контейнер; 5 - катушки с соединительными кабелями; 6 - системный блок компьютера; 7 -монитор; 8 - принтер; 9 - концентратор; 10 - выносные цифровые индикаторы; 11 - кассета для установки детектора гамма - излучения в транспортном положении

Описан разработанный радиоизотопный датчик плотности для контроля пульп в трубопроводах, обладающий мобильностью и

радиационной безопасностью показаний на рисунке 6. Он обеспечивает погрешность определения плотности рабочих жидкостей и смеси не хуже ±0,02 г/см3 за время усреднения 15 секунд в температурном диапазоне -45°С н- +45°С.

[

Рисунок 6 - Радиационный датчик плотности для контроля пульп в трубопроводах: 1 - источник гамма - квантов; 2,4 - коллимационные отверстия; 3 - детектор гамма - квантов (три счетчика типа СБМ-20);

5 - труба наружным диаметром 159 мм; 6 - контролируемая среда (пульпа); 7 - держатель источника гамма - квантов.

Описано разработанное программное обеспечение для микроконтроллера и персонального компьютера, обеспечивающие: прием данных от датчиков плотности и датчика расхода; первичную обработку данных; передачу данных на персональный компьютер; вычисление значений плотности рабочей смеси и рабочей жидкости; вычисление массовой доли и концентрации проппанта в рабочей смеси; вычисление объема смеси и массы проппанта, закачанных в скважину; индикацию вычисленных значений в цифровом и графическом видах на дисплее монитора и передачу вычисленных значение на концентратор для переносных цифровых индикаторов.

Проведены метрологические испытания радиоизотопных плотномеров, входящих в состав комплекса РИКП-01, на основании которых получен сертификат №40/НИИИН-024 от 17.09.2002 г. о метрологической аттестации комплекса РИКП-01.

Приведены результаты производственных испытаний опытного образца "Информационно-измерительного комплекса для экспрессного определения концентрации проппанта в рабочих смесях при гидравлическом разрыве нефтегазосодержащих пластов РИКП-

0!". Запись гидравлического разрыва, проведенная 25.01.2003 г. на скважине 224, куст 9 "Комсомольского месторождения", приведена на рисунке 7-

скважине 244, куст 9 "Комсомольского месторождения": 1- плотность на входе в АПС; 2 - плотность на выходе из АПС; 3 -масса проппанта; 4 - концентрация проппанта; 5 - мгновенный расход

Испытания показали, что информационно-измерительный комплекс РИКП - 01 обеспечивает погрешность определения объемной концентрации проппанта не хуже ± 3.5 % за время измерения 15 сек, о чем свидетельствует акт приемо-сдаточных испытаний.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ

1. Сделан анализ современного состояния технологии гидравлического разрыва нефтегазосодержащих пластов, а также зарубежных и отечественных систем контроля технологических параметров процесса ГРП, и методов измерения концентрации твердой фазы в бинарных и трехкомпонентных системах (пульпах), прокачиваемых по стальным трубопроводам. Установлено, что рассмотренные системы контроля и методы не могут обеспечить необходимую приведенную погрешность определения концентрации проппанта в рабочей смеси ±3,5% за время измерения 15 секунд. Определено направление исследований по разработке метода для экспрессного определения концентрации проппанта в рабочих смесях с необходимой точностью, а именно: усовершенствовать метод измерения концентрации проппанта в рабочих смесях при гидроразрыве нефтегазосодержащих пластов с помощью гамма - метода измерения плотности таким образом, чтобы он учитывал флуктуацию плотности рабочей жидкости на входе в агрегат для приготовления смеси.

2. Разработана физико-математическая модель экспрессного определения концентрации проппанта в рабочих смесях с повышенной точностью. Выведены формулы, с помощью которых по измеренным значениям плотности рабочей жидкости и плотности рабочей смеси, по значениям насыпной и минералогической плотности проппанта и по вычисленному значению коэффициента увеличения объема смеси (газового фактора) можно вычислить концентрацию проппанта и массовую долю проппанта в рабочей смеси с необходимой точностью. Разработаны два способа определения величины газового фактора, который возникает при смешивании рабочей жидкости с химреагентами и проппантом. Предложена синхронизация во времени измерения плотности рабочей жидкости и рабочей смеси.

3. Проведены экспериментальные исследования предложенного способа, которые показали, что приведенная погрешность определения концентрации проппанта в рабочих смесях с доверительной вероятностью 0,95 не превышает ±3,5% за время измерения 15 секунд.

4. По результатам проведенных исследований разработан и изготовлен опытный образец радиоизотопного измерительного комплекса для экспрессного определения концентрации проппанта в рабочих смесях, применяемых при гидравлическом разрыве нефтегазосодержащих пластов РИКП-01.

5. Спроектирован и изготовлен радиоизотопный датчик плотности, обеспечивающий погрешность определения плотности не хуже ±20 кг/м3 в диапазоне от -45°С до +45°С за

и время усреднения 15 секунд.

6. Разработано программное обеспечение для микроконтроллера AT90S8535 на языке "Ассемблер" и персонального компьютера на языке "Object - Pascal" с использованием среды разработки "DELPHI", обеспечивающие вычисление массовой доли и концентрации проппанта в рабочей смеси, а также объема рабочей смеси и массы проппанта, закачанных в скважину

7. Проведены метрологические испытания радиоизотопных плотномеров №1 и №2, входящих в состав комплекса РИКП-01. На их основании получен сертификат №40/НИИИН-024 от 17.09.2002 г. о метрологической аттестации комплекса РИКП-01.

8. Получены патенты Российской федерации №2253856 и №39953 защищающие принцип действия и конструкцию комплекса РИКП-01.

9. Опытный образец радиоизотопного измерительного комплекса для экспрессного определения концентрации проппанта в рабочих смесях, применяемых при гидравлическом разрыве нефтегасодержащих пластов РИКП-01 в период с 29.11.2002г. по 29.01.2003г. прошел производственные испытания и принят в эксплуатацию ОАО "Пурнефтеотдача" (г. Губкинский Ямало-Ненецкого автономного округа) с 01.02.2003г. Испытания показали, что информационно-измерительный

1 комплекс РИКП - 01 обеспечивает погрешность определения

т объемной концентрации проппанта не хуже ± 3.5 % за время

измерения 15 сек.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ

1. Нургалиев О.Т., Кулешов В.К., Волченко Ю.А., Суханов М.С. Разработка радиоизотопного метода для экспрессного определения концентрации проппанта в рабочих смесях, применяемых при гидравлическом разрыве нефтегазосодержащих пластов// Современные техника и технологии "СТТ 2003. Доклад. 8-я научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых 2003г. - Томск, 2003. - С. 79-81.

2. Нургалиев О.Т., Волченко Ю.А., Суханов М.С. Экспрессный радиоизотопный метод определения концентрации твердой компоненты в трехкомпонентных (жидкость, газ, твердое) пульпах // Наука и технологии. Доклад. 7-й международный симпозиум 2003г.-Ульсан, Южная Корея, 2003. - С. 474-478.

3. Патент №2253856 РФ, МПК в 01 N 9/36 Способ определения концентрации проппанта в смесях для гидравлического разрыва нефтегазосодержащих пластов. Нургалиев О.Т., Волченко Ю.А., Суханов М.С. (РФ). - №2004103251/04-02; Заявлено 04.02.2004. Опубликовано 10.06.2005г.

4. 'Нургалиев О.Т., Кулешов В.К., Волченко "Ю.А., Суханов М.С. Радиоизотопный метод экспрессного определения концентрации проппанта в рабочих смесях, применяемых при гидравлическом разрыве нефтегазосодержащих пластов// Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности. Тезисы доклада. 3-я международная выставка - конференция 2004г. - Москва, 2004. - С. 172.

5. Нургалиев О.Т., Кулешов В.К., Волченко Ю.А., Суханов М.С. Контроль качества рабочих смесей при гидравлическом разрыве нефтегазосодержащих пластов с помощью комплекса РИКП-01// Проблемы и перспективы развития минерально-сырьевого комплекса и производственных сил Томской области. Тезисы доклада. Научно-практическая конференция 2004г. - Томск, 2004.-С. 122-123.

6. Нургалиев О.Т., Кулешов В.К., Волченко Ю.А. Измерительный комплекс РИКП-01 для экспрессного определения концентрации проппанта в рабочих смесях при гидроразрыве нефтегазопромысловых скважин// Проблемы геологии и освоения недр. Тезисы доклада. 8-й международный научный симпозиум имени академика М.А. Усова. 2004г. - Томск, 2004.-С. 610-611.

7. Нургалиев О.Т., Кулешов В.К., Волченко Ю.А., Суханов М.С. Контроль качества рабочих смесей при гидравлическом разрыве

нефтегазосодержащих пластов с помощью комплекса РИКП-01// Качество - стратегия 21 века. Тезисы доклада. 9-я международная научно-практическая конференция 2004г. - Томск, 2004. - С 67-69.

8. Нургалиев О.Т., Кулешов В.К., Волченко Ю.А., Суханов М.С. Измерительный комплекс РИКП-01 для экспрессного контроля концентрации проппанта в рабочих смесях при гидравлическом разрыве нефтегазосодержащих пластов// Контроль. Диагностика. -2005-№6.-С 51-54.

9. Патент на полезную модель №39953 РФ, МПК в 01 N 9/24. Радиоизотопный датчик плотности для контроля пульп в трубопроводах/. О.Т. Нургалиев, Ю.А. Волченко, М.С. Суханов (РФ). -№2004113813/06-05; Заявлено 06.05.2004. Опубликовано 21.10.2004г.

10. Нургалиев О.Т., Кулешов В.К., Волченко Ю.А., Суханов М.С. Радиоизотопный метод экспрессного определения концентрации проппанта в рабочих смесях, применяемых при гидравлическом разрыве нефтегазосодержащих пластов// Измерительная техника. -2005 -№3.- С. 61-68

11. Нургалиев О.Т., Кулешов В.К., Волченко Ю.А., Суханов М.С. Экспрессный радиоизотопный метод определения концентрации твердой компоненты в трехкомпонентных (жидкость, газ твердая фаза) пульпах// Физико-технические проблемы атомной энергетики и промышленности. Тезисы доклада. 3-я международная научно-практическая конференция 2005г. - Томск, 2004 - С. 59.

к

t

»23 4 59

РНБ Русский фонд

2006-4 27942

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА

АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ТЕХНОЛОГИИ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО РАЗРЫВА НЕФТЕГАЗОСОДЕРЖАЩИХ ПЛАСТОВ

1.1 Краткое описание технологии ГРП

1.2 Зарубежные и отечественные системы контроля технологических параметров процесса ГРП

1.3 Методы измерения концентрации твердой фазы в бинарных системах (пульпах), прокачиваемых по стальным трубопроводам

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

ГЛАВА

МЕТОД ЭКСПРЕССНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ПРОППАНТА В РАБОЧИХ СМЕСЯХ С ПОВЫШЕННОЙ ТОЧНОСТЬЮ

2.1 Влияние флуктуации плотности рабочей жидкости на точность определения концентрации проппанта методом гамма -плотнометрии

2.2 Связь концентрации проппанта с плотностью рабочей жидкости и рабочей смеси

2.3. Два способа определения величины газового фактора

2.4. Синхронизация во времени определения плотности рабочей жидкости и рабочей смеси

2.5. Анализ погрешности определения текущей концентрации проппанта по измерению текущих значений плотности рабочей жидкости и рабочей смеси

2.6. Проверка работоспособности физико-математической модели

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

ГЛАВА

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС РИКП-01 ДЛЯ

ЭКСПРЕССНОГО ОПРЕДЕЛЕНЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ПРОППАНТА В РАБОЧИХ СМЕСЯХ

3.1. Структура комплекса РИКП

3.2. Конструкция и принцип действия датчика плотности рабочей жидкости и рабочей смеси

3.3. Программное обеспечение

3.4. Метрологическое обеспечение

3.5. Результаты производственных испытаний

• ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3 108 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 111 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 115 Приложение А. Листинг программы для микроконтроллера

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ

В современных условиях особое значение в мире приобретает проблема истощения природных ресурсов, на использовании которых построена вся наша техногенная цивилизация, выход из которой возможен только при рациональном их использовании, особенно, таких как нефть и газ.

Современная нефтегазодобывающая промышленность сделала ставку на максимальное увеличение • дебита новых и старых скважин путем экстремального воздействия на призабойную зону для разработки отдаленных от ствола скважины частей нефтегазоносного пласта.

Одно из эффективнейших средств воздействия на призабойную зону скважин - гидравлический разрыв пластов (ГРП). Это метод применяется для повышения продуктивности нефтяных и газовых месторождений.

Процесс гидравлического разрыва нефтегазосодержащих пластов заключается в создании искусственных и расширении имеющихся трещин в породах призабойной зоны воздействием повышенных давлений жидкости, нагнетаемой в скважину. Вся эта система трещин связывает скважину с удаленными от забоя продуктивными частями пласта. Для предотвращения смыкания трещин в скважину под давлением до 1600 атмосфер закачивают жидкость (воду или нефть), обработанную соответствующим химреагентом для повышения ее вязкости, в которую добавляют проппант (спеченные из кварцевого песка шарики диаметром 0,8 - 1,6 мм). С помощью проппанта в полученной трещине формируется своеобразный 'клин' (искусственное поровое пространство), который не дает этой трещине сомкнуться. Качественно сформированный клин определяет успех всей дорогостоящей операции. Для успешного формирования этого клина необходимо экспрессно определять концентрацию проппанта в трубопроводе, по которому рабочую смесь закачивают в скважину, с приведенной погрешностью не хуже ±(3,0 ^ 5,0)% [1,2].

Об эффективности использования гидравлического разрыва нефтегазосодержащих пластов для повышения дебита нефтегазопромысловых скважин можно судить, исходя из следующих примеров.

Результаты анализа операций гидравлического разрыва продуктивных пластов на месторождениях ОАО "Сургутнефтегаз" показали, что дебит скважины после ГРП увеличивается в среднем на 200 %, а на Суторминском месторождении эта цифра превышает 300% [3]. Применение гидравлического разрыва на месторождениях ПО "Юганскнефтегаз" (Салымского, Восточно-Сургутского, Асомкинского, Мамонтовского и т.д.) в добывающих скважинах увеличило дебит в среднем на 200 - 250 %, а на некоторых скважинах на 350 % [4]. Анализ результатов применения гидравлического разрыва пластов на 50 скважинах месторождений ОАО "Тюменская нефтяная компания " показал, что в среднем дебет скважин увеличился примерно с 7,7 тонн в сутки до 28,3 тонн в сутки, что составляет более 360 % а в некоторых случаях увеличение дебета доходило до 400 % [5]. На базе 2-х летнего опыта анализа гидравлических разрывов, на Яранерском месторождении произведен расчет экономических эффективности ГРП. Он показал, что время окупаемости операции ГРП всего 7 месяцев [6].

Среднее число удачных проведений гидравлического разрыва составляет около 80%. В остальных случаях причиной понижения дебита скважин, а порой выхода из строя, является некачественное формирование 'клина', обусловленное малым или большим содержанием проппанта в рабочей жидкости, что лишний раз подтверждает важность решения данной задачи. Поэтому успешное проведение ГРП главным образом зависит от качественного формирования 'клина' внутри продуктивного пласта, для чего нужно точно и с достаточной экспрессностью контролировать концентрацию проппанта в рабочей жидкости, закачиваемой в скважину.

Имея достоверную и оперативную информацию о концентрации проппанта в рабочих смесях можно с большей долей вероятности гарантировать успех всей дорогостоящей операции гидравлического разрыва нефтегазосодержащих пластов.

Известен способ измерения концентрации проппанта в рабочих жидкостях одной из ведущих мировых фирм по выпуску оборудования для гидравлического разрыва пласта, а именно, фирмы Halliburton (США): "Система управления процессом с использованием удаленного компьютера и локальных управляющих компьютеров для смешивания проппанта с жидкостью". На базе запатентованного способа фирма разработала станцию контроля концентрации проппанта в рабочих жидкостях [7]. Также известен способ "Метод контролирования плотности рабочего раствора при гидравлическом разрыве " фирмы Stewart & Stevenson Services и оборудование, реализующее этот способ [8]. Общим недостатком этих способов является отсутствие контроля меняющихся текущих значений плотности жидкости на входе в агрегат для приготовления смеси (АПС) до смешивания с проппантом. Это приводит к тому, что они не могут обеспечить приведенную погрешность определения концентрации проппанта меньше 10%. Также известен способ определения массовой доли твердой фазы водных пульп в трубопроводах, реализованный в "Устройстве для контроля плотности и массовой доли жидкой фазы пульп в трубопроводах". Недостатком этого способа является недостаточное быстродействие (несколько минут) и большой вес, обусловленный биологической защитой от нейтронного излучения датчика массовой доли жидкой фазы. [9].

Одним из российских лидеров по производству станций для контроля гидравлического разрыва нефтегазосодержащих пластов, является ООО "БурГеоСервис" (г. Тверь). Главный недостаток станций, выпускаемых этой фирмой заключается в большой погрешности около (20%), с которой определяют концентрацию проппанта в рабочей смеси, так как она определяется путем постоянного взвешивания массы проппанта, находящейся в кузове автомобиля - песковоза [10].

Анализ научно-технической информации по проблеме измерения концентрации проппанта в рабочих жидкостях при гидравлическом разрыве нефтегазосодержащих пластов позволяет сделать вывод, что существующие в российской и мировой практике альтернативные способы и средства контроля обладают рядом значительных недостатков, среди которых главным является большая погрешность определения концентрации проппанта в рабочих жидкостях.

Таким образом, проблема автоматизированного процесса оперативного контроля концентрации проппанта в рабочих жидкостях при гидравлическом разрыве нефтегазосодержащих пластов с погрешностью, удовлетворяющей требованиям практики продолжает оставаться весьма актуальной, учитывая, что данная проблема напрямую связана с дебитом нефтегазопромысловых скважин.

Актуальность работы подтверждает Постановление Правительства РФ № 686 от 20 июля 1993 года "Об организации серийного производства отечественного оборудования для глубоко проникающего гидравлического разрыва пластов на нефтяных и газовых месторождениях".

Тема работы соответствует следующим позициям перечня "Приоритетные направления развития науки, технологий, техники и критических технологий Российской Федерации"[11]:

Производственные технологии:

Оценка, комплексное освоение месторождений и глубокая переработка стратегически важного сырья.

Топливо и энергетика:

Поиск, добыча, переработка и трубопроводный транспорт нефти и газа.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Целью диссертационной работы является разработка метода и аппаратуры для экспрессного определения концентрации проппанта с повышенной, по сравнению с известными аналогами, точностью в рабочих смесях, прокачиваемых по стальным трубопроводам при гидроразрыве нефтегазосодержащих пластов.

ЗАДАЧИ РАБОТЫ

1. Проанализировать современное состояние технологии гидроразрыва нефтегазосодержащих пластов, в том числе методы измерения концентрации проппанта в рабочих жидкостях при гидравлическом разрыве нефтегазосодержащих пластов, а также методы измерения концентрации твердой фазы в трехкомпонентных системах (пульпах), прокачиваемых по стальным трубопроводам, и выявить недостатки существующих методов.

2. Разработать способ определения с заданной точностью текущих значений концентрации проппанта в смесях, приготовленных на основе воды (с различной степенью минерализации) или нефтей разных сортов, различающихся друг от друга по плотности.

3. Разработать программно-математическое обеспечение для аппаратуры контроля концентрации проппанта в рабочих смесях.

4. Разработать, изготовить и провести производственные испытания опытного образца аппаратуры для контроля концентрации проппанта в рабочих смесях, применяемых при гидравлическом разрыве нефтегазосодержащих пластов.

ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ

Объектом исследования является технология приготовления рабочих смесей, содержащих в своем составе проппант, и технология нагнетания рабочих смесей в скважину для формирования искусственного порового пространства.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА

Предложен и реализован в опытном образце измерительного комплекса РИКП-01 способ определения текущих значений концентрации проппанта по текущим значениям плотностей рабочей жидкости и рабочей смеси, измеренных на входе/выходе агрегата для приготовления смеси с учетом времени прохождения рабочей жидкости через агрегат для приготовления смеси при измерении плотности рабочей смеси, который обеспечивает повышенную, по сравнению с известными аналогами, точность в условиях флуктуации плотности рабочей жидкости и наличии газового фактора (патент Российской Федерации №2253856).

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

При выполнении диссертационной работы для решения поставленных задач применялись методы математического анализа, экспериментального исследования ослабления "узкого" пучка гамма - излучения стальным трубопроводом с рабочими жидкостями и рабочими смесями, ядерной электроники, программирования и метрологического обеспечения.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ > Разработан радиоизотопный метод экспрессного определения концентрации проппанта в рабочих смесях, закачиваемых при гидравлическом разрыве нефтегазосодержащих пластов по стальным трубопроводам высокого давления в скважину, который обеспечивает приведенную погрешность определения концентрации проппанта не хуже ±3,5% через каждые 15 секунд (патент Российской Федерации №2253856).

Разработан опытный образец измерительного комплекса для экспрессного определения концентрации проппанта в рабочих смесях РИКП-01, который реализует разработанный метод.

Разработан радиоизотопный датчик для экспрессного определения плотности пульп в трубопроводах, который использован в составе комплекса РИКП-01, станции для экспрессного контроля процесса цементирования скважин КСКЦ-01 и комплекса для экспрессного контроля параметров буровых растворов при бурении скважин КИБР (патент на полезную модель Российской Федерации № 39953).

Измерительный комплекс РИКП-01 прошел производственные испытания на "Комсомольском месторождении" ОАО "Роснефть -Пурнефтегаз" и принят в эксплуатацию ОАО "Пурнефтеотдача" с 01.02.2003г. (г. Губкинский Ямало-Ненецкого автономного округа).

РЕАЛИЗАЦИЯ И ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ Разработанный метод реализован в опытном образце измерительного комплекса для экспрессного определения концентрации проппанта в рабочих смесях при гидравлическом разрыве нефтегазосодержащих пластов РИКП-01, который состоит из двух радиоизотопных плотномеров, устанавливаемых на стальную трубу диаметром 159 мм, на входе/выходе агрегата приготовления смесей, концентратора, двух выносных цифровых табло, кабельного хозяйства и транспортных контейнеров 2-й категории для перевозки и хранения радиоизотопных источников гамма - квантов. Комплекс РИКП-01 обеспечивает экспрессное измерение плотности (через каждые 15 секунд) рабочей жидкости и рабочей смеси, вычисление по текущим значениям плотности текущих значений концентрации проппанта, прием сигнала с датчика расхода рабочей смеси, вычисление объема смеси и массы проппанта, закачанных в скважину, отображение всех измеренных и вычисленных параметров в режиме реального времени на дисплее компьютера и передачи этой информации на выносное цифровое табло.

Измерительный комплекс РИКП-01 прошел производственные испытания на "Комсомольском месторождении" ОАО "Роснефть - Пурнефтегаз" и принят в эксплуатацию ОАО "Пурнефтеотдача" с 01.02.2003г. (г. Губкинский Ямало-Ненецкого автономного округа), что подтверждается актом внедрения результатов диссертационной работы Нургалиева О.Т.

ПОЛОЖЕНИЯ ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ

Соотношения, позволяющие вычислить текущие значения концентрации проппанта в рабочих смесях в условиях флуктуации плотности рабочей жидкости и наличии газового фактора по синхронным измерениям текущих значений плотностей рабочей жидкости и рабочей смеси в трехкомпонентных смесях.

Конструкция радиоизотопного датчика плотности для экспрессного измерения плотностей пульп в трубопроводах.

Принцип действия и конструкция опытного образца измерительного комплекса для экспрессного измерения концентрации проппанта в рабочих смесях.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ

Основные положения и результаты работы докладывались на шести конференциях, изложены в 11 печатных работах, опубликованных в различных региональных и центральных научно - технических изданиях. В их числе патент №2253856 "Способ определения концентрации проппанта в смесях для гидравлического разрыва нефтегазосодержащих пластов", патент на полезную модель №39953 "Радиоизотопный датчик плотности для контроля пульп в трубопроводах".

ЛИЧНЫЙ ВКЛАД

Анализ современного состояния технологии гидроразрыва нефтегазосодержащих пластов и методов определения твердой компоненты в бинарных (жидкость, твердое) и трехкомпонентных (жидкость, твердое, газ) пульпах, прокачиваемых по стальным трубопроводам, на основании которого определено направление исследований для совершенствования метода и аппаратуры для экспрессного контроля концентрации проппанта в рабочих смесях;

Предложено определение текущих значений концентрации проппанта по текущим значениям плотностей рабочей жидкости и рабочей смеси, измеренных на входе/выходе агрегата для приготовления смеси, а также учет времени прохождения рабочей жидкости через агрегат для приготовления смесей при измерении плотности рабочей смеси;

При разработке радиоизотопного датчика плотности предложено выполнение нижней части корпуса биологической защиты датчика в виде усеченного конуса, закрепленного сваркой на опоре, выполненной в виде плиты, по периметру днища и с помощью четырех малых и двух больших ребер жесткости так, что ось коллимационного канала для размещения источника гамма - квантов перпендикулярна поверхности опорной плиты (патент РФ №39953);

Предложена структура опытного образца измерительного комплекса для экспрессного определения концентрации проппанта в рабочих смесях РИКП-01;

Разработано программное обеспечение на языке "Ассемблер"для микроконтроллера AT90S8535, установленного в концентраторе комплекса РИКП-01, и модули (подпрограммы) программного обеспечения на языке "Object - Pascal" для персонального компьютера, входящего в состав комплекса РИКП-01, а именно: подпрограмма приема данных от концентратора, подпрограмма настройки цифровых индикаторов, подпрограмма настройки параметров графического вывода на экран монитора измеренных и вычисленных данных в режиме реального времени.

СОДЕРЖАНИЕ ГЛАВ ДИССЕРТАЦИИ

В первой главе рассматривается и анализируется процесс « гидравлического разрыва нефтегазосодержащих пластов. На основе анализа выявлен ряд параметров, которые должна контролировать идеальная система контроля ГРП, чтобы удовлетворять требованиям практики. Рассматриваются зарубежные и отечественные системы контроля технологических параметров процесса ГРП, показывается главный недостаток этих систем контроля - это большая погрешность, с которой определяется главный параметр, концентрация проппанта в рабочей смеси, связанный с отсутствием контроля t плотности рабочей жидкости на входе в агрегат для приготовления смеси

АПС), что повышает вероятность некачественного процесса формирования клина. Рассматриваются методы измерения концентрации твердой фазы в бинарных системах (пульпах), прокачиваемых по стальным трубопроводам, выясняется, что и эти методы из-за недостаточного быстродействия и большой погрешности не применимы для решения этой задачи. Выбран метод измерения текущих значений концентрации проппанта в рабочих смесях с помощью гамма ® - метода измерения плотности рабочей смеси по которому можно судить о * концентрации проппанта. Данный метод обеспечивает необходимую экспрессность, но не обеспечивает необходимую погрешность, поэтому необходимо усовершенствовать метод измерения концентрации проппанта в рабочих смесях при ГРП с помощью гамма - метода измерения плотности таким образом, чтобы он учитывал флуктуацию плотности рабочей жидкости на входе в АПС.

Во второй главе рассмотрено влияние флуктуации рабочей жидкости на входе в АПС на определение концентрации проппанта в рабочих смесях. Показано, что гамма - метод "узкого пучка" может обеспечить точность определения концентрации проппанта не хуже ±3,5% при величине погрешности гамма - плотномера равной ±0,02 г/см3. Доказано, что изменение плотности рабочей жидкости на 0,01 г/см3 приведет к возрастанию погрешности определения концентрации проппанта на 2,44%. Установлено, что рабочие смеси на основе воды и нефти представляют собой трехкомпонентные (твердое, жидкость, газ) пульпы, поэтому известные формулы (по Г. Гарту [19]) для вычисления концентрации твердой компоненты в данном случае неприменимы. Рассмотрена связь концентрации проппанта с плотностью рабочей жидкости и рабочей смеси. Выведены формулы, с помощью которых по измеренным значениям плотности рабочей жидкости и плотности рабочей смеси, по значениям насыпной и минералогической плотности проппанта и по предварительно вычисленному значению коэффициента увеличения объема смеси (газового фактора), можно вычислить концентрацию проппанта и массовую долю проппанта в рабочей жидкости. Рассмотрены два способа определения величины газового фактора, который возникает при смешивании рабочей жидкости, с проппантом и химреагентами (сшивателем и деструктором). Рассмотрена синхронизация во времени измерения плотности рабочей жидкости и рабочей смеси. Проведен анализ погрешности определения концентрации проппанта в рабочей смеси, приготовленной на основе воды, по измерению плотности рабочей жидкости и рабочей смеси на входе/выходе АПС. Анализ показал, что приведенная погрешность не будет превышать ±3,1%, т.е. разработанная физико-математическая модель определения концентрации проппанта в рабочих смесях полностью себя оправдала. Для проверки работоспособности разработанной физико-математической модели на лабораторном макете проведен ряд экспериментов. Результаты экспериментов показали, что приведенная погрешность определения концентрации проппанта в рабочих смесях с доверительной вероятностью 0,95 при времени измерения плотностей рабочей жидкости и смеси, равной 15 сек. не превышает ±3,2%.

В третьей главе рассмотрен спроектированный и изготовленный по результатам проведенных исследований опытный образец радиоизотопного измерительного комплекса для экспрессного определения концентрации проппанта в рабочих смесях, применяемых при гидравлическом разрыве нефтегазосодержащих пластов РИКП-01. Рассмотрен спроектированный и изготовленный радиоизотопный датчик плотности, обладающий мобильностью и радиационной безопасностью. Он обеспечивает погрешность о определения плотности рабочих жидкостей и смеси не хуже ±0,02 г/см за время усреднения 15 секунд. Проведены температурные испытания радиоизотопного датчика плотности на термоустойчивость в диапазоне от -45°С до +45°С. Испытания показали, что относительная погрешность изменения скорости счета в этом температурном диапазоне будет составлять не более ±1%. Рассмотрено разработанное программное обеспечение для микроконтроллера и персонального компьютера, обеспечивающие: прием данных от датчиков плотности и датчика расхода; первичную обработку данных; передачу данных на персональный компьютер; вычисление значений плотности рабочей смеси и рабочей жидкости; вычисление массовой доли и концентрации проппанта в рабочей смеси; вычисление объема смеси и массы проппанта, закачанных в скважину; индикацию вычисленных значений в цифровом и графическом видах на дисплее монитора и передачу вычисленных значение на концентратор для переносных цифровых индикаторов. Проведены метрологические испытания радиоизотопных плотномеров, входящих в состав комплекса РИКП-01. Испытания показали, что максимальное значение основной приведенной погрешности для плотномеров №1 и №2 составляет 0,98%, что соответствует величине, указанной в нормативно-технической документации, а также величина мощности эквивалентной дозы от плотномеров №1 и №2 не превышают норм радиационной безопасности, установленных ОСПОБР-99. На основании Свидетельств о метрологической аттестации радиоизотопных плотномеров №1 и №2 выдан сертификат №40/НИИИН-024 от 17.09.2002 г. о метрологической аттестации "Измерительного комплекса для экспрессного определения концентрации проппанта в рабочих смесях, применяемых при гидравлическом разрыве продуктивных пластов РИКП-01". Приведены результаты производственных испытаний опытного образца "Информационно-измерительного комплекса для экспрессного определения концентрации проппанта в рабочих смесях при гидравлическом разрыве нефтегазосодержащих пластов РИКП-01". Испытания показали, что информационно-измерительный комплекс РИКП - 01 обеспечивает погрешность определения объемной концентрации проппанта не хуже ±3.5 % за время измерения 15 сек, о чем свидетельствует акт приемосдаточных испытаний.

ВЫВОДЫ ПО ТРЕТЕЙ ГЛАВЕ

Описан опытный образец радиоизотопного измерительного комплекса для экспрессного определения концентрации проппанта в рабочих смесях, применяемых при гидравлическом разрыве нефтегазосодержащих пластов РИКП-01, спроектированный и изготовленный по результатам проведенных исследований. Описан спроектированный и изготовленный радиоизотопный датчик плотности, обладающий возможностью быстрой установки на контролируемом трубопроводе, с жесткой фиксацией по диаметру и длине трубопровода, и сохраняющего геометрические параметры при многократной транспортировке, что обеспечит надежность и снизит трудоемкость монтажа датчика на контролируемом трубопроводе. Разработанный датчик плотности обеспечивает погрешность определения концентрации проппанта в рабочей смеси ±3,5% за время усреднения 15 секунд.

Описаны испытания радиоизотопного датчика и встроенного в него блока детектирования на термоустойчивость в диапазоне от -45°С до +45°С, с шагом 5 градусов в течение восьми часов на каждую температурную точку (1920 испытаний), испытания показали, что изменение скорости счета диапазоне от -45°С до +45°С будет не существенным, относительная погрешность будет составлять не более ±1%.

Описано разработанное программное обеспечение, написанное на языке Ассемблер для микроконтроллера AT90S8535 концентратора комплекса РИКП-01, которое обеспечивает прием данных от датчиков плотности и датчика массового расхода, преобразование аналогового сигнала от датчика массового расхода в цифровой, передачу данных на персональный компьютер, прием и преобразование данных от персонального компьютера для последующей передачи на цифровые индикаторы.

Описано разработанное программное обеспечение для персонального компьютера, написаное на языке "Object - Pascal" с использованием среды разработки "DELPHI", которое обеспечивает прием данных от концентратора, вычисление значений плотности рабочей смеси и рабочей жидкости, вычисление массовой доли и концентрации проппанта в рабочей смеси, вычисление объема рабочей смеси и массы проппанта закачанных в скважину, индикацию вычисленных значений в цифровом и графическом видах на дисплее монитора и передачу вычисленных значение на концентратор для переносных цифровых индикаторов.

Описаны метрологические испытания радиоизотопных плотномеров входящих в состав комплекса РИКП-01, которые проводились в специально оборудованном помещении, испытания показали, что максимальное значение основной приведенной погрешности для плотномеров №1 и №2 составляет 0,98%, что соответствует указанной в нормативно-технической документации, а также проведенные измерения мощности эквивалентной дозы плотномеров №1 и №2 показали, что они не превышают норм радиационной безопасности, установленных ОСПОРБ-99. На основании Свидетельств о метрологической аттестации радиоизотопных плотномеров №1 и №2 выдан сертификат №40/НИИИН-024 от 17.09.2002 г. о метрологической аттестации "Измерительного комплекса для экспрессного определения концентрации проппанта в рабочих смесях, применяемых при гидравлическом разрыве продуктивных пластов РИКП-01". Приведены результаты производственных испытаний опытного образца "Информационно-измерительного комплекса для экспрессного определения концентрации проппанта в рабочих смесях при гидравлическом разрыве нефтегазосодержащих пластов РИКП-0 Г', который в период с 29.11.2002 по 29.01.2003 прошел приемо-сдаточные испытания на производственной базе ОАО "Пурнефтеотдача", Испытания показали, что информационно-измерительный комплекс РИКП — 01 обеспечивает погрешность определения объемной концентрации проппанта не хуже ±3.5 % за время измерения 15 сек, о чем свидетельствует акт приемо-сдаточных испытаний.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проанализированы технология гидравлического разрыва нефтегазосодержащих пластов, а также зарубежные и отечественные системы контроля технологических параметров процесса ГРП, и методы измерения концентрации твердой фазы в трехкомпонентных системах (пульпах), прокачиваемых по стальным трубопроводам. Установлено, что рассмотренные системы контроля и методы не могут обеспечить необходимую приведенную погрешность определения концентрации проппанта в рабочей смеси ±3,5% за время измерения 15 секунд. Определено направление исследований по разработке метода для экспрессного определения концентрации проппанта в рабочих смесях с необходимой точностью, заключающееся в учете флуктуации плотности рабочей жидкости на входе в АПС, синхронизации во времени измерения плотностей рабочей жидкости и рабочей смеси и учета "газового фактора" при измерении плотности рабочей жидкости и рабочей смеси с помощью гамма - плотномеров "узкого пучка". Разработана физико-математическая модель экспрессного определения концентрации проппанта в рабочих смесях с повышенной точностью. Выведены формулы, с помощью которых по измеренным значениям плотности рабочей жидкости и плотности рабочей смеси, по значениям насыпной и минералогической плотности проппанта и по вычисленному значению увеличения объема смеси (газового фактора) можно вычислить концентрацию проппанта и массовую долю проппанта в рабочей смеси с необходимой точностью. Разработаны два способа определения величины газового фактора, который возникает при смешивании рабочей жидкости с химреагентами и проппантом. Предложена синхронизация во времени измерения плотности рабочей жидкости и рабочей смеси.

Проведен анализ погрешности определения концентрации проппанта в рабочей смеси, приготовленной на основе воды, по измерению плотности рабочей жидкости и рабочей смеси на входе/выходе АПС. На лабораторном макете проведен ряд экспериментов для подтверждения достоверности разработанной физико-математической модели. Результаты анализа погрешности и экспериментов показали, что приведенная погрешность определения концентрации проппанта в рабочих смесях с доверительной вероятностью 0,95 не превышает ±3,2% за время измерения 15 секунд.

По результатам проведенных исследований разработан и изготовлен опытный образец радиоизотопного измерительного комплекса для экспрессного определения концентрации проппанта в рабочих смесях, применяемых при гидравлическом разрыве нефтегазосодержащих пластов РИКП-01.

Спроектирован и изготовлен радиоизотопный датчик плотности, отличающийся надежностью, радиационной безопасностью и мобильностью, обеспечивающий погрешность определения плотности о не хуже ±20 кг/м за время усреднения 15 секунд. Проведены температурные испытания радиоизотопного датчика со встроенным блоком питания и блоком детектирования на термоустойчивость в диапазоне от -45°С до +45°С. Испытания показали, что относительная погрешность в этом диапазоне температур будет составлять не более ±1%.

Разработано программное обеспечение для микроконтроллера AT90S8535 на языке Ассемблер и персонального компьютера на языке "Object - Pascal" с использованием среды разработки "DELPHI", обеспечивающие точное вычисление массовой доли и концентрации проппанта в рабочей смеси, а также объемов рабочей смеси и массы проппанта, закачанных в скважину

7. Проведены метрологические испытания радиоизотопных плотномеров №1 и №2 входящих в состав комплекса РИКП-01. Испытания показали, что максимальное значение основной приведенной погрешности для плотномеров составляет 0,98%, а мощности эквивалентной дозы плотномеров №1 и №2 не превышают норм радиационной безопасности, установленных ОСПОРБ-99. На основании этого получен сертификат №40/НИИИН-024 от 17.09.2002 г. о метрологической аттестации "Измерительного комплекса для экспрессного определения концентрации проппанта в рабочих смесях, применяемых при гидравлическом разрыве продуктивных пластов РИКП-01.

8. Получены патенты Российской федерации № №2253856 и №39953, защищающие принцип действия и конструкцию комплекса РИКП-01.

9. Представленная работа апробирована на шести международных и одной региональной конференциях, ее основное содержание отражено в 11 публикациях, из них в журналах "Измерительная техника" №3 за 2005 год и "Контроль. Диагностика" №6 за 2005 год.

10. Опытный образец радиоизотопного измерительного комплекса для экспрессного определения концентрации проппанта в рабочих смесях, применяемых при гидравлическом разрыве нефтегасодержащих пластов РИКП-01 в период с 29.11.2002 по 29.01.2003 прошел производственные испытания и принят в эксплуатацию ОАО "Пурнефтеотдача" (г. Губкинский Ямало-Ненецкого автономного округа) с 01.02.2003г. Испытания показали, что информационно-измерительный комплекс РИКП - 01 обеспечивает погрешность определения объемной концентрации проппанта не хуже ± 3,5 % за время измерения 15 сек. Акт об использовании результатов кандидатской диссертации Нургалиева О.Т. представлен в приложении Г.

11. На 9ой межрегиональной выставке-конгрессе "Нефть и газ 2003" (г. Томск) "Экспрессная технология определения концентрации проппанта в рабочих смесях, применяемых при гидроразрыве нефтегазосодержащих пластов" награждена Дипломом НК "ЮКОС" за высокий научно-технический уровень и актуальность для нефтяной области и Дипломом конкурса "Сибирские Афины" в номинации "Новые научные разработки и технологии".

12. По теме диссертации в 2004 году был получен грант Министерства образования Российской Федерации для аспирантов и молодых ученых.

1. Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений / И.М. Муравьев, Р.С. Андриасов, Ш.К. Гиматудинов, Г.Л. Говорова, В.Т. Полозков. -3-е изд., перераб. и доп. М.: Недра, 1970. - 446 с.

2. Нефтегазовая энциклопедия: Справочник: В 3 т./ Под ред. Ю.В. Варецкого. -М.: Недра, 2002. Т 1. 294с.

3. Малышев А.Г. , Малышев Г.А., В.Н. Жубра. Анализ технологии проведения ГРП на местораждениях ОАО "Сургутнефтегаз"// Нефтяное хозяйство. 1997. -№9.-С. 46-51.

4. Гусев С.В., Коваль Я.Г., Кольчугин И.С. Анализ эффективности гидроразрыва пластов на местораждениях ПО "Юранскнефтегаз'7/ Нефтяное хозяйство.-1991.-№7.-С. 15-18.

5. Иванов С.В., Саунин С.В. Результаты применения гидравлического разрыва пласта в эксплуатационных объектах с глинистой перемычкой небольшой толщины// Нефтяное хозяйство. 2002. - № 6. - С. 49-51.

6. Дияшев И.Р., Смаровозов А.А., Гиллард М.Р. Супер ГРП на Яранерском месторождении// Нефтяное хозяйство. - 2001. - №7. - С. 44-48.

7. Пат. 4953097 США, МПК G06F15/46. Способ контроля процесса использующий удаленный компьютер и локальный для смешивания проппанта с жидкостью / С. Краин, М. Кларк, Э. Вудал (США). № 384740/25-06; Заявлено 25.06.89.

8. Патент 5441340 США, МПК B01F15/04. Способ контролирования плотности рабочего раствора при гидроразрыве / Г. Седило, Т. Робертсон, Ф. Соуч младший, Р. Батен, В. Викнаир (США). -№ 308477/19-9; Заявлено 9.10.1994.

9. Патент 2082152 РФ, МПК 6G01N9/24. Устройство для контроля плотности и массовой доли жидкой фазы пульп в трубопроводах / Ю.А. Волченко (РФ). -№ 94009496/18-03; Заявлено 18. 03.97.

10. Аппаратурно-методический комплекс для сбора, контроля, обработки, визуализации, документирования и архивации данных, получаемых в процессегидроразрыва пластов (АМК-ГРП)// Техническое описание, инструкция по эксплуатации. ООО "БурГеоСервис". Тверь 2000.

11. Бовин В.А. Приоритетные направления науки и техники// Поиск. 1999. - 5 апреля.

12. Исакович Р.Я. и др. Контроль и автоматизация добычи нефти и газа / Р.Я. Исакович, Б.Л. Кучин, В.Е. Попадько. -М.: Недра, 1976. 344 с.

13. Мобильная станция мониторинга гидроразрыва пластов// Техническое описание, инструкция по эксплуатации. Московский энергетический институт. Москва 1999.

14. Волченко Ю.А. Экспресс-метод контроля плотности буровых растворов и количества жидкости в них// Нефтяное хозяйство. 1979. - № 3. - С. 17-19.

15. Машкович В.П. Защита от ионизирующих излучений: Справочник, 3-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1982. - 295 с.

16. Горная энциклопедия: Справочник в 5 т./ Под ред. Е.А. Козловский и др. -М.: Советская энциклопедия, 1986. Т 2. 575с.

17. Гарт Г. Радиоизотопное измерение плотности жидкостей и бинарных систем. -М.: Атомиздат, 1975. 184с.

18. Арцыбашев В.А. Гамма метод измерения плотности. М.: Атомиздат, 1965. - 204с.

19. Кивилис С.С. Плотномеры. М.: Энергия, 1980. - 280 с.

20. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества Справочник, 4-е изд., перераб. и доп. Л.: Машиностроение. Ленинградское отделение, 1989. -702 с.23 .Номенклатурный каталог. МЕТР АН, Челябинск, выпуск 8.

21. Каратаев Р.Н. Некоторые метрологические характеристики расходомеров, в которых использована сила Кориолиса// Измерительная техника. 2003. - №2. -С. 36-37.

22. Патент 2253856 РФ, МПК G 01 N 9/36 Способ определения концентрации проппанта в смесях для гидравлического разрыва нефтегазосодержащих пластов. Нургалиев О.Т., Волченко Ю.А., Суханов М.С. (РФ). №2004103251/04-02; Заявлено 04.02.2004.

23. ГОСТ 8.221-76. Влагометрия и гигометрия. Теория и определения. М.: Издательство стандартов, 1979 - 23с.

24. Патент на полезную модель 39953 РФ, МПК G 01 N 9/24. Радиоизотопный датчик плотности для контроля пульп в трубопроводах/. О.Т. Нургалиев, Ю.А. Волченко, М.С. Суханов (РФ). №2004113813/06-05; Заявлено 06.05.2004.

25. Бродин В.Б., Шагурин М.И. Микроконтроллеры. Архитектура, программирование, интерфейс. -М.: Издательство ЭКОМ. 1999. -400с.

26. ГОСТ 8.368-79. Плотномеры радиоизотопные жидких сред и пульп. Методы и средства поверки. -М.: Издательство стандартов, 1980 18 с.