Способ определения профиля распределения коэффициента трения о стенки вдоль труб посредством измерений изменения давления при переходных процессах

(51) 01 13/00 (2006.01),01 19/02 (2006.01),01 33/28 (2006.01),01 13/10 (2006.01),15 1/06 (2006.01),17 3/01 (2006.01),21 43/01 (2006.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ жидкостей и может быть использовано, в частности,в нефтяной промышленности. Предложенный способ позволяет путем измерения изменений давления, вызванных быстрыми изменениями расхода жидкости, определять распределение коэффициента трения о стенки вдоль труб, транспортирующих жидкости. Этот способ применим к трубам, в которых давление на выходе больше давления насыщения транспортируемой жидкости и, во всяком случае, когда в трубе отсутствует свободный газ. Способ включает измерение во времени изменения давления при переходных процессах, создаваемых изменениями расхода жидкости обработку собранных данных давления с получением функции изменения расхода жидкости в трубе во время переходного процесса обработку собранных данных давления с использованием указанной функции изменения расхода жидкости для получения профиля изменения диаметра или шероховатости вдоль трубы и использование этого профиля изменения диаметра или шероховатости для вычисления профиля распределения коэффициента трения о стенки вдоль трубы при любом заданном расходе жидкости в установившемся режиме.(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОФИЛЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ТРЕНИЯ О СТЕНКИ ВДОЛЬ ТРУБ ПОСРЕДСТВОМ ИЗМЕРЕНИЙ ИЗМЕНЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ ПРИ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССАХ(57) Изобретение относится к области измерений коэффициента трения в трубах для транспортировки 15866 Настоящее изобретение относится к способу, который позволяет определять распределение коэффициента трения о стенки вдоль труб, транспортирующих жидкости, в частности, в нефтяной промышленности. При нефтедобыче сырая нефть извлекается из пласта через эксплуатационный нефтепровод, который начинается от нефтяного пласта и выходит на поверхность. На поверхности может находиться система регулирующих задвижек, возможно с оборудованием для отделения пластовой воды и попутного природного газа, и, во многих случаях, трубопроводная система для перекачивания нефти. Во время добычи в трубах могут формироваться отложения, приводящие к увеличению потерь напора и мешающие добыче и транспортировке. Известен способ определения потерь давления на трение вдоль трубы, транспортирующей жидкости, давление на выходе которой выше давления насыщения транспортируемых жидкостей (патент США 4521864). Известный способ требует предварительного определения связи между скоростью потока жидкости и потерями давления для чистой трубы, без каких-либо отложений, в широком диапазоне скоростей потока, что не всегда удобно на практике. Предложенный способ позволяет определять распределение коэффициента трения о стенки вдоль труб путем измерения и анализа изменения давления при переходных процессах, вызванных быстрыми изменениями расхода жидкости. Этот способ позволяет неразрушающим способом и без проникновения внутрь труб определять местоположение участков труб, где возникают отложения, изменения шероховатости или сужения любого вида. Способ применим к любой трубе, транспортирующей жидкости. В частности, способ может быть применен, когда давление на выходе трубы больше давления насыщения (Р) транспортируемой жидкости и, во всяком случае, когда в трубе по существу отсутствует свободный газ. Для применения этого способа не обязательно измерять расход жидкости. Кроме того, труба может быть горизонтальной, вертикальной или проходящей вдоль любого вертикального профиля. Настоящее изобретение предлагает способ определения распределения коэффициента трения о стенки в любой трубе, транспортирующей жидкости, в частности, в нефтяной промышленности,применимый, когда давление на выходе трубы больше давления насыщения транспортируемых жидкостей, и включающий а) первый этап, на котором создают и измеряют во времени переходные процессы изменения давления, создаваемые изменениями расхода жидкости,предпочтительно путем быстрого и полного закрытия вентиля, расположенного на одном конце самой трубы б) второй этап, на котором интерполируют данные давления, собранные на этапе (а), получая таким образом функцию изменения расхода жидкости в трубе во время переходных процессов 2 в) третий этап, на котором обрабатывают данные давления, собранные на этапе (а), с использованием функции изменения расхода жидкости, определенной на этапе (б), для вычисления профиля изменения диаметра или шероховатости вдоль трубы г) четвертый, и последний, этап, на котором профиль изменения диаметра или шероховатости,полученный на этапе (в), используют для вычисления профиля распределения коэффициента трения о стенки вдоль трубы при любом заданном расходе жидкости в установившемся режиме. Использование на этапе 4 заданного постоянного расхода жидкости позволяет сравнивать профили падения давления, полученные в различных эксплуатационных режимах. Пространственная разрешающая способность при определении распределения коэффициента трения вдоль трубы, согласно настоящему изобретению, зависит как от скорости изменения расхода жидкости, так и от частоты взятия отсчетов давления. Вообще, наилучшие результаты получаются,если изменение расхода жидкости полностью заканчивается за время менее 0,5 секунды, а частота отсчетов давления превышает 20 Гц. Зависимость между двумя вышеупомянутыми параметрами и пространственной разрешающей способностью будет пояснена ниже. Для обработки данных, которая должна выполняться на этапах 2, 3 и 4, необходимо иметь численную модель с соответствующими характеристиками. Поэтому перед описанием самого способа приводится описание подходящей математической модели. Для ясности при описании модели рассматривается случай нефтяной скважины, но те же самые концепции применимы и к любой другой трубе. Модель необходима для правильного анализа данных измерения давления и должна быть способна моделировать ударную волну, вызванную изменением расхода жидкости на одном из концов трубы, например, в устье скважины. Уравнения, используемые при моделировании,приведены ниже(5)( ,)где давление р (, ) представляет разность между давлением в точке с координатой х в момент времении гидростатическим давлением в точке с координатой х 15866 х - расстояние вдоль трубы от точки, где создается резкое изменение расхода жидкости (например,до места расположения вентиля)(х) - глубина трубы по вертикали в точке х- число Рейнольдса, определенное уравнением (4) с - скорость распространения изменения давления в трубе- коэффициент трения в уравнениях Феннинга для расчета потерь напора на трение- ускорение силы тяжести- время(, ) - скорость течения жидкости в точке х в момент- вязкость жидкости- плотность жидкости- величина, определенная уравнением (3). Через ТНР обозначим давление в трубе, измеренное там, где создается переходный процесс р (х 0, ). Для численного решения приведенных выше уравнений труба разделяется на множество элементов Е, где 1, каждый из которых состоит из двух половин равной длины, но, возможно, различного диаметраи различной шероховатостии , игде значения, обозначенные верхними индексамии , относятся к половинам, находящимся, соответственно, ближе и дальше к началу координат х 0. Каждый элемент Е имеет длину/ 2, где- интервал времени между отсчетами давления, и расположен на расстоянии х, - /2 от начала координат на глубине. Любое изменение диаметра или шероховатости происходит только в пределах каждого элемента, так что значения этих параметров для части каждого элемента с верхним индексомравны их значениям для части следующего элемента с верхним индексоми так далее 1,1 Общее количествоэлементов равно/,где- время, необходимое изменению давления для распространения от одного конца трубы до другого, например, от устья скважины до ее забоя, как показано на фиг.1. Для элементов, у которых диаметр одной части отличается от диаметра другой, применяют следующее уравнение(р)2/42/4,которое выражает баланс масс для элемента. Начальные условия для решения вышеприведенной системы дифференциальных уравнений представляются распределением давления вдоль трубы в стационарном режиме, которое вычисляют для каждого элемента трубы, начиная с того конца, где известно начальное давление, используя уравнение Навье-Стокса для определения потерь давления и эмпирическое соотношение для оценки коэффици ента трения, например формулу Колбрука (, . . . . , 11,133-156 193839). Граничные условия для решения вышеприведенной системы дифференциальных уравнений задаются значением давления на том конце трубы, где происходит резкое изменение расхода жидкости, в момент перед этим изменением(13) (, 0),и функцией изменения расхода жидкости во время этого резкого изменения Система дифференциальных уравнений может быть решена численно с использованием метода характеристик (как описано, например, в .,, , , 1997). В дополнение к геометрии трубы, ее разделению на элементы и граничным и начальным условиям, в качестве входных данных для моделирования должны быть введены- полное времядля моделирования функции изменения расхода жидкости расход жидкости во время переходного процесса, дискретизированный во времени с временным шагом моделирования. Для переходного процесса,представляющего полное закрытие вентиля, расход может быть выражен как где- время, требуемое для полного закрытия вентиля- Скорость с распространения волн давления в жидкости, которая в методе характеристик принимается постоянной по всей длине трубы.- Оценка диаметра и шероховатости трубы для участкатрубы около того ее конца, где производят резкое изменение расхода. Величинуможно вычислить, исходя из скорости звука, интервала времении интервала времени до точки перегиба измеренной кривой давления(показанного на фиг. 2), по формуле(16). Фактически, характеристики этого участка трубы и соответствующие потери давления не могут быть определены способом согласно настоящему изобретению.- Профили распределения плотностии распределения вязкостижидкости по длине трубы перед переходным процессом, задаваемые одним значением для каждого элемента Е трубы- Значение давления в момент времени 0, непосредственно перед переходным процессом, на том конце трубы, где производят изменение расхода(19) (0),соответствующее расходу жидкости 0. В качестве выходных результатов моделирования получают- изменение во времени скорости течения жидкости вдоль трубы- изменение во времени среднего давления (), где 0 /, для каждого элемента Е и, в частности, изменение давления в точке, где производится изменение расхода 1 ( )ТНР ( ). Описание способа Ниже будут описаны действия, необходимые для применения способа согласно настоящему изобретению. Для ясности, способ будет описан на примере нефтяной эксплуатационной скважины. Однако должно быть понятно, что способ применим к любой трубе, транспортирующей жидкость. 1) Формирование и измерение переходного процесса изменения давления Переходные процессы изменения давления, необходимые для применения способа, вызываются изменениями расхода жидкости. Последние предпочтительно создаются путем полного закрытия вентиля, расположенного на одном конце трубы, но могут создаваться также частичными открытиями или закрытиями такого вентиля. Если давление на выходе трубы (ТНР) ниже, чем давление насыщения флюида, так что в трубе присутствует свободный газ, то необходимо увеличить давление в трубе выше давления насыщения. В скважине это может быть достигнуто дросселированием дебита. Вентиль может приводиться в действие вручную или механическим устройством. Характерные моменты времени для переходных процессов, связанных с применением способа, поясняются на фиг. 2, где показана кривая изменения давления в устье скважины при полном закрытии вентиля. Данные давления должны измеряться и записываться, начиная с момента времени до создания переходного процесса (0) и в течение времени х,превышающего время, необходимое волне давления, чтобы достигнуть другого конца трубы и вернуться назад. Как правило, для каждого километра длины трубы необходимы приблизительно две секунды регистрации сигнала давления. Более точно,если с - скорость распространения волны давления в трубе,- длина контролируемой трубы, то должно выполняться неравенство 2/. Интервал времени между отсчетами значений давления обозначим 0, ,2 . Зарегистрированные значения давления необходимы для осуществления последующих шагов способа. 2) Интерполяция переходного процесса изменения расхода жидкости 4 На этом шаге измеренные значения ТНР обрабатываются, чтобы получить функциюизменения расхода жидкости в течение переходного процесса начиная с предполагаемого значения (0) и используя соответствующую функциональную форму(например, последовательность полиномов 2-й степени), путем согласования зависимости измеренных значений ТНР от времени с моделируемыми значениями получают значения ( ) во время переходного процесса. Для случая полного закрытия предполагаемое значение (0) должно быть подобрано так, чтобы после окончания переходного процесса интерполированное значение расхода жидкости равнялось нулю. 3) Расчет профиля изменения диаметра (или шероховатости) по длине трубы Это - основной шаг способа. Используя значения давления, измеренные на шаге 1, и изменение расхода жидкости, полученное на шаге 2, профиль изменения диаметра(или профиль изменения шероховатости ( вдоль длины трубы получают путем согласования зависимости моделируемого ТНР от времени с измеренным ТНР в интервале времени, следующим за завершением переходного процесса изменения расхода жидкости. Практически, начиная с элемента Е, где//, подбирают значение диаметратак, чтобы подогнать моделируемое ТНР к измеренному в момент времени ( ) 1,Это выполняется до тех пор, пока не будут подобраны все значения диаметра (шероховатости) вдоль длины трубы. Таким образом, за один проход все диаметры элементов трубы получаются из значений давления,измеренных на одном конце трубы во время распространения волны давления к другому концу трубы и обратно. 4) Вычисление профиля падения давления при заданном расходе жидкости Этот шаг необходим, поскольку измерения, выполняемые в трубе в разное время, часто соответствуют различным рабочим расходам жидкости . Однако сравнение падений давления вдоль трубы должно быть выполнено при идентичных режимах потока, чтобы правильно оценить свойства исследуемой трубы. Поэтому на шаге 4 профиль изменения диаметра (шероховатости), полученный на шаге 3, используется для того, чтобы вычислить профиль распределения коэффициента трения о стенки вдоль трубы при заданном установившемся эталонном расходе жидкости, подходящем для исследуемого случая. Профиль распределения коэффициента трения о стенки, полученный на шаге 4, может непосредственно сравниваться с профилями, полученными при предыдущих или последующих применениях способа согласно настоящему изобретению,чтобы тем самым обнаруживать, например, нарастание отложений в трубе. Практически, используя уравнение падения давления в установившемся режиме, применяемое для определения начальных условий при решении сис 15866 темы дифференциальных уравнений, падение давления р вычисляют для каждого элемента Е при эталонном расходе жидкости в установившемся режиме. Профиль р может быть непосредственно наложен на предыдущие и последующие профили,чтобы обнаружить изменения во внутреннем состоянии трубы и определить их местоположение. Пример Пример применения способа согласно настоящему изобретению приводится для итальянской нефтяной скважины. На шаге 1 было выполнено полное закрытие вентиля, установленного в устье скважины измеренные при этом значения ТНР показаны на фиг, 1. Данные ТНР были обработаны, как описано выше, на шаге 2, и таким образом была получена кривая изменения расхода жидкости, показанная на фиг. 3. Затем данные ТНР использовались, как описано выше, на шаге 3, и результат согласования измеренной и моделируемой временных зависимостей показан на фиг. 4. Профиль изменения диаметра, соответствующий согласованию временных зависимостей, показан на фиг. 5. Используя шаг 4 предложенного способа,можно непосредственно сравнить результаты двух измерений, выполненных, соответственно, до и после работ по очистке трубы растворителем от отложений, присутствовавших в стволе скважине, как показано на фиг. 6. Способ согласно настоящему изобретению, таким образом, позволил определить местоположение отложений, удаленных растворителем, посредством анализа данных давления в устье скважины, собранных во время двух полных закрытий скважины длительностью по 20 секунд каждое. Очень короткая продолжительность закрытий означает очень небольшие затраты на измерения, а риск, связанный с использованием внутрискважинных приборов, полностью устраняется. Чертежи Фиг. 1 Шаг 1 способа. Отсчеты значений давления (ТНР) в головке лифтовой колонны в течение времени. Измерение было выполнено в вертикальной скважине с изменением диаметра на глубине приблизительно 1680 м. Соответствующий изменению диаметра скачок давления наблюдается приблизительно через 4 с после начала переходного процесса. Фиг. 2 Шаг 1 способа. Первая часть кривой зависимости ТНР от времени после создания переходного процесса изменения давления. Показаны различные интервалы времени, относящиеся к способу согласно настоящему изобретению. Фиг. 3 Шаг 2 способа. Интерполированная кривая расхода жидкости во время переходного процесса изменения давления. Фиг. 4. Шаг 3 способа. Согласование временных зависимостей измеренного и моделируемого ТНР,полученное путем подбора профиля изменения диаметра вдоль трубы. Фиг. 5. Шаг 3 способа. Профиль изменения диаметра вдоль скважины, при котором модель воспроизводит измеренные данные ТНР. Фиг. 6. Шаг 4 способа. Потери давления на единицу длины бар/м вдоль лифтовой колонны скважины,полученные для эталонного расхода 10 м 3/час. Две показанные кривые были получены, соответственно,до и после промывки трубы растворителем, в результате которой были удалены отложения, присутствовавшие в трубе, что дает возможность определить местоположение упомянутых отложений в интервале глубин между 3400 и 5600 м. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ определения потерь давления на трение вдоль трубы, транспортирующей жидкости, давление на выходе которой выше давления насыщения транспортируемых жидкостей, отличающийся тем,что включает а) первый этап, на котором измеряют во времени изменения давления при переходных процессах,создаваемых изменениями расхода жидкости б) второй этап, на котором обрабатывают данные давления, собранные на этапе (а), получая таким образом функцию изменения расхода жидкости в трубе во время переходного процесса в) третий этап, на котором обрабатывают данные давления, собранные на этапе (а), с использованием функции изменения расхода жидкости, определенной на этапе (б), для получения профиля изменения диаметра или шероховатости вдоль трубы г) четвертый этап, на котором профиль изменения диаметра или шероховатости, полученный на этапе (в), используют для вычисления профиля распределения коэффициента трения о стенки вдоль трубы при любом заданном расходе жидкости в установившемся режиме,2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что жидкости, транспортируемые по трубе, относятся к нефтяной промышленности. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что труба располагается в нефтяной скважине. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что труба может быть расположена вертикально, горизонтально или вдоль любого геометрического профиля. 5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что изменения расхода жидкости создают путем быстрых и полных закрытий вентиля, расположенного на одном конце трубы. 6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что закрытиями вентиля управляют посредством отдельного устройства привода вентиля. 7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что на этапе (а) изменение расхода жидкости осуществляют менее чем за 0,5 с, а отсчеты давления берут с частотой, превышающей 20 Гц.