Программно-аппаратный комплекс для измерения состава и расхода жидкости, добываемой из нефтяных скважин «Канал квант»

Важной задачей технологии нефтедобычи является контроль состава и расхода жидкости, добываемой из нефтяных скважин. Если для измерения расхода жидкости существует довольно много методов со своими достоинствами и недостатками, то измерение содержания воды является сложной технической задачей. Дело в том, что из скважины всегда добывается трехкомпонентная смесь: нефть, соленая вода и попутный газ. В связи с этим для измерения состава смеси нужно либо разделить ее, отделив хотя бы газ, либо использовать метод, который позволяет учесть наличие газа в смеси. Первый способ предполагает использование отбора проб с дальнейшим длительным отстаиванием. Это требует использования сложных механических устройств и сопряжено со значительными затратами времени. В условиях холодной зимы в таком случае потребуется решение ряда сопутствующих проблем. Наиболее перспективными методами, позволяющими учесть наличие газа в составе исследуемой смеси являются методы ядерного или электронного магнитного резонанса. В методе ЯМР при измерении содержания воды используются разные значения времени ядерной релаксации протонов соленой воды и нефти, а содержание газа сказывается только на величине сигнала резонанса. Поэтому измерение состава может производиться непосредственно в потоке жидкости. Кроме того, при наличии дополнительных средств метод позволяет измерять скорость потока смеси. Устройство для измерения состава и потока защищено патентом РФ [1].

Назначение комплекса

Комплекс предназначен для использования на нефтяных промыслах для непрерывного контроля методами ядерного магнитного резонанса мгновенных, средних и суммарных расходов скважинной жидкости и нефти,

протекающих через измерительную ячейку, состава жидкости, а также давления и температуры. Описываемый комплекс позволяет измерять содержание воды в составе жидкой части смеси в диапазоне от 0 до 100% с точностью ±5% и объемный расход жидкости в диапазоне расходов от 0 до 60 м3/сутки с точностью ±4%. Программное обеспечение комплекса имеет следующие функциональные возможности:

• Процедуры измерений могут запускаться с заданным периодом времени или непрерывно, по готовности измерителя, а также по команде оператора. Результатами измерения являются значения расхода жидкости, нефти, коэффициент заполнения ячейки и значения давления и температуры.

• Автокалибровка измерителя с помощью заданного набора операций позволяет измерителю периодически самонастраиваться при изменении внешних условий.

• Измеритель может работать в 2 режимах: режиме настройки и в режиме замера. В обоих режимах выполняется автокалибровка и измерения в заданных режимах запуска. В режиме замера ведется архив измеренных данных, в который с заданным периодом времени записываются мгновенные значения измеренных данных. По содержимому архива оператор имеет возможность восстановить графики изменений расхода компонент от времени, а также вычислять средние значения расходов за нужные промежутки времени. Кроме архива данных в режиме замера ведется архив сообщений, в который записываются сообщения об изменении параметров, аварийных и операторских отключениях измерителя, что позволяет контролировать события, произошедшие в процессе замера.

• Измеритель может быть включен в общую сеть с другими устройствами автоматики скважины или группового заборного участка (ГЗУ) и обслуживаться диспетчерской программой для получения мгновенных или усредненных данных.

Состав комплекса

Рис. 1. Блок-схема измерителя расхода и состава скважинной жидкост

В состав комплекса входит измеритель с собственным контроллером, устанавливаемый на трубопровод с измеряемым потоком, и обслуживающий компьютер типа IBM PC, связанный с контроллером измерителя посредством последовательного интерфейса RS-232 или RS-485 (через соответствующий преобразователь), либо через радиомодем и контроллер фирмы «Смарт +». Компьютер может обслуживать несколько измерителей.

Измеритель состоит из следующих узлов, размещенных в общем корпусе:

• Измерительная ячейка, устанавливаемая на трубопроводе и включающая магнитную систему на базе постоянного магнита с катушкой настройки поля, приемо-передающую катушку ЯМР, градиентную катушку, датчики давления и температуры.

• Приемо-передающий блок, включающий передатчик и приемник сигнала ЯМР, блок управления магнитной системой, блок управления импульсным градиентом, формирователи сигналов датчиков.

• Блок управления и обработки сигналов в составе:

а) контроллера измерителя на базе контроллера CPU-188-5 фирмы Fastwel с установленным таймером реального времени и дополнительным энергонезависимым ОЗУ типа КМОП объемом 128 кб

б) платы управления, включающей: двухканаль-ный аналого-цифровой преобразователь с коммутатором, предназначенный для измерения сигналов ЯМР и сигналов давления и температуры; 4-канальный цифро-аналоговый

преобразователь для управления мощностью передатчика, сигналом импульсного градиента и величиной тока настройки магнитного поля; схему формирования цифровых сигналов управления приемо-передающим блоком; синтезатор частоты передатчика в) блока квадратурных детекторов сигнала приемника ЯМР и формирователя радиочастотных импульсов передатчика. Блок-схема измерителя показана на рис.1. Датчики давления и температуры не показаны. В процессе измерений составные части комплекса взаимодействуют следующим образом:

Синтезатор частоты, формирователь сигналов управления и формирователь импульсов передатчика вырабатывают радиочастотный импульс, который поступает на выходной каскад усилителя мощности. С его выхода импульс подается на приемо-передающую катушку, находящуюся в потоке жидкости. После этого приемник ЯМР принимает ответный сигнал спин-системы жидкости, усиливает и передает его в блок квадратурных детекторов, после чего полученные аналоговые сигналы оцифровываются и записываются в программный буфер. Контроллер обрабатывает содержимое буфера по специальным алгоритмам и вычисляет целевые параметры. При измерениях используются сложные последовательности импульсов, накопление данных по нескольким запускам, воздействие на систему импульсными градиентами, а при настройке измерителя могут изменяться ток настройки поля, частота синтезатора, мощность передатчика, резонансная частота приемного контура.

Программное обеспечение комплекса

В состав программного обеспечения комплекса входят 2 компоненты:

• Программа NEDRN.EXE v.4.0, устанавливаемая на контроллер измерителя, обеспечивающая автономное выполнение функций измерения расходов и ведения архивов, а также выполняющая команды, поступающие с обслуживающего компьютера.

• Приложение NEDRD v.4.0, устанавливаемое на обслуживающем компьютере под управлением ОС Microsoft Windows 98/ ME/ 2000/ XP с установленным пакетом MS Office 97/ 2000 (используется редактор электронных таблиц Excel). Приложение обеспечивает возможности управления измерителем, настройки, получения и отображения мгновенных, усредненных и суммарных данных расходов, получения данных из архивов с переносом их в таблицы и графики Excel, получение промежуточных данных измерений и отображение их на графиках в целях настройки измерителя. Приложение позволяет управлять несколькими измерителями при использовании связи по RS-485. Для загрузки и отладки программы измерителя в процессе разработки и настройки на управляющем или другом компьютере может использоваться приложение HyperTerminal из состава операционной системы Windows, работающее в качестве удаленной консоли контроллера.

Программа управления измерителем NEDRN.EXE

Программа устанавливается на флеш-диск контроллера измерителя и обеспечивает управление всеми устройствами измерителя в процессе его работы в автоматическом режиме, а также исполнение команд, полученных от обслуживающего компьютера. Программа выполняет следующие функции:

• Исполнение измерительных, калибровочных и контрольных операций, запускаемых по времени и по командам обслуживающего компьютера в соответствии с заданными периодами и режимами запуска с возможностью настройки количества и типов операций, запускаемых в процессах калибровки и измерений.

• Ведение архива данных в энергонезависимой памяти с общим количеством записей до 5120 и архива сообщений с количеством до 1024 сообщений. При переполнении архивов теряются самые старые записи.

• Хранение набора управляющих параметров модулей программы и операций в энергонезависимой памяти, с возможностью их сохранения в файле на флеш-диске контроллера. Сохранность массива параметров проверяется по контрольной сумме при каждом запуске программы. При несовпадении контрольной суммы параметры перезагружаются из файла. Параметры, получаемые в процессе автокалибровки, и некоторые другие параметры, изменяемые в процессе работы программы, также хранятся в ЭНП, но не подвергаются проверке на сохранность по контрольной сумме. Тем не менее, их значения сохраняются при перезапусках программы и могут использоваться в следующем сеансе.

• При обмене с управляющим компьютером программа работает в режиме сервера, т.е. отвечает на его запросы и выполняет соответствующие действия. В набор команд входят команды получения и изменения параметров, хранящихся в ЭНП; получения и изменения некоторых переменных и элементов массивов; получения мгновенных, средних и суммарных данных расхода, состава, давления и температуры; получения записей данных и сообщений из архивов; команды управления архивами; команды запуска операций и режимов; команды обмена файлами между контроллером и управляющим компьютером. Процедуры измерений и обмена с компьютером могут производиться параллельно, поэтому измеритель отвечает управляющему компьютеру независимо от количества и характера выполняемых им в этот момент времени действий. Действия программного обеспечения в процессах измерения и калибровки разделяются на отдельные процедуры — операции. Каждая операция представляет собой некоторое действие, результатом которого является получение какого-либо измеряемого параметра, либо параметров настройки измерителя, а также некоторых промежуточных данных в виде массивов, которые можно затем наблюдать в виде графиков в программе обслуживания NEDRD. Модули операций включают в себя определение следующих этапов операций:

1) Заполнение массива управляющей последовательности, при котором в специальном буфере программы создается набор команд управления устройствами измерителя.

2) Исполнение управляющей последовательности с получением массивов измеряемого сигнала.

3) Обработка массивов. Этапы 2 и 3 выполняются в цикле накопления или настройки. При накоплении производится простое повторение запуска, а при настройке на этапе 3 могут изменяться параметры последовательности для следующего запуска.

4) Обработка данных после завершения накопления или настройки. Производится вычисление измеряемых параметров или модификация настроек. Параметры запуска операций и обработки данных могут модифицироваться в зависимости от того, как запущена операция, поэтому в одной и той же операции выполняются разные действия при запуске в пакете измерения (вычисляются и обновляются измеряемые данные), пакете калибровки (обновляются параметры текущих настроек измерителя) и при отладочном запуске (заполняются массивы для отображения графиков).

Модули операций имеют единый интерфейс, поэтому в состав программы при доработке можно легко добавлять новые операции, изменять алгоритмы существующих. В состав набора операций программы NEDRN версии 4.0 входят следующие модули операций:

1) Настройка магнитного поля измерителя. Производится подбор тока управления магнитным полем для точной настройки на резонанс.

2) Измерение состава смеси. Производится измерение спада поперечной релаксации с помощью последовательности Карра-Парселла и обработка с применением калибровочных коэффициентов. Результатами операции являются относительное содержание нефти в жидкой фазе смеси и коэффициент заполнения ячейки, вычисляемый по уменьшению амплитуды сигнала.

3) Измерение давления и температуры. Измеряются сигналы датчиков давления и температуры. Результатами операции являются значения в физических единицах, вычисляемые с применением калибровочных полиномов.

4) Настройка передатчика ЯМР. Производится настройка мощности передатчика для обеспечения оптимальных условий наблюдения сигнала ЯМР.

5) Проверка настройки приемника ЯМР. Вычисляется частотная характеристика приемного тракта. Используется в отладочных целях.

6) Измерение спинового эха. Используется для исследования влияния градиента поля на форму сигнала спинового эха. Используется в отладочных целях.

7) Измерение расхода (скорости) смеси. Измеряется параметр, пропорциональный скорости потока по сдвигу фаз сигналов ЯМР, возникающему в присутствии импульсного градиента магнитного поля. Результатом является значение расхода смеси, вычисляемого с помощью калибровочных параметров с учетом коэффициента заполнения.

8) Настройка приемника ЯМР. Производится настройка приемного контура ячейки на резонанс.

Программа обслуживания измерителей NEDRD

Программа NEDRD v.4.0 предназначена для операторского управления одним или несколькими измерителями с установленной программой NEDRN.EXE v.4.0. Программа выполняет следующие функции:

• Выбор и настройка последовательного порта компьютера для обслуживания измерителей с возможностью обмена через радиомодем фирмы «Интеграл» и контроллер «Стандарт» производства фирмы «Смарт плюс», выбор контролируемого измерителя по его сетевому адресу и маршруту, возможность отображения протокола обмена с измерителем с отображением команд запроса и ответа, а также сообщений об ошибках.

• Получение и изменение установок периодов и режимов запуска калибровки и измерений, периода и режима архивирования.

• Периодический автоматический или с ручным запуском контроль и отображение состояния выбранного измерителя, текущих и средних измеренных значений расхода жидкости и нефти, обводненности, температуры и давления, а также суммарных значений расхода.

• Запуск и остановка режима замера; отображение временных границ текущего или последнего завершенного замера; управление архивами измерителя: очистка и восстановление; коррекция текущего времени измерителя.

• Открытие предустановленного файла электронной таблицы MS Excel и загрузка в него содержимого архивов данных и сообщений измерителя с возможностью добавления к ранее загруженным данным, отображение графиков зависимостей данных от времени в различных форматах.

• Контроль, отображение и изменение значений параметров измерителя, хранящихся в его энергонезависимой памяти, списками по их категориям.

• Настройка списка операций, загружаемых при инициализации измерителя, выбор операций, используемых в пакетах калибровки и измерения.

• Запуск отдельных операций измерителя в отладочном режиме, получение данных и построение графиков массивов отладочных результатов.

• Возможна настройка меню параметров, графиков и текстов сообщений через текстовые файлы форматов, чтобы адаптировать приложение к новым версиям программы управления измерителем.

• Поддерживаются пересылка файлов на флеш-диск контроллера и получение файлов с него.

На рисунках 2-4 показаны иллюстрации работы программы NEDRD, комментарии в подписях.

Рис.2. Главное окно программы управления измерителем NEDRD

Рис.3. Окно графика спада релаксации смеси вода-нефть, полученного в отладочном запуске операции измерения состава смеси

Рис.4. Графики зависимостей измеренных расходов смеси и нефти от времени, полученные из содержимого архива данных измерителя. В процессе замера производилось переключение измеряемого потока между скважинами, подключенными к ГЗУ

Опытная эксплуатация

Комплекс разработан и производится на Альметьевском заводе «Радиоприбор» (г.Альметьевск, респ. Татарстан) и проходит опытную эксплуатацию в НГДУ «Прикамнефть» ОАО «Татнефть».

Для испытания измеритель был установлен на трубопровод замерного устройства ГЗУ после автоматического дистанционного переключателя потока жидкости с нескольких скважин. Испытание показало удовлетворительные метрологические характеристики и отсутствие фатальных сбоев в течение двух месяцев круглосуточной эксплуатации. Для получения информации измеритель был подключен к информационной сети автоматизации ГЗУ и обслуживался общей диспетчерской программой цеха добычи нефти и газа для контроля и регистрации измеряемых данных. Для получения данных из архивов измерителя и контроля настроек производилось периодическое (один раз в 1 -2 недели) подключение его к компьютеру с установленной программой NEDRD.

На рис.5 показан внешний вид измерителя, подключенного к трубопроводу с измеряемым потоком, а на рис.6 вид измерителя с открытой крышкой отсека электроники.

Рис.5. Внешний вид измерителя, подключенного к трубопроводу

Рис. 6. Вид измерителя с открытой крышкой блока электроники

Для достижения заданных метрологических характеристик измеритель должен быть прокалиброван с применением воды и нефти, добываемых на участке, где устройство будет использоваться. На заводе производителе разработан и используется стенд для испытания и калибровки измерителей, его внешний вид с подключенным измерителем показан на рис.7.

Рис. 7. Калибровочный стенд с подключенным измерителем

Одиванов В.Л., Казанский институт биохимии и биофизики РАН, e-mail: odivanov@mail.knc.ru

Курбанов Р.Х., Казанский институт биохимии и биофизики РАН, e-mail: kurbanov@mail.knc.ru

Садыков И.И., главный конструктор, Альметьевский завод «Радиоприбор», e-mail: ilma_s@mail.ru

Харисов А.Г., главный конструктор завода, Альметьевский завод «Радиоприбор», e-mail: okb.radiopribor@mail.ru