Система для смешивания текучей среды

1 Настоящее изобретение относится к системе для смешивания текучих сред, содержащих твердые и жидкие материалы, таких как цементный раствор. В частности, изобретение предлагает систему для непрерывного смешивания цементного раствора или других текучих сред, применяемых при бурении, вскрытии или воздействии на скважины, такие как нефтяные и газовые скважины. При бурении скважины, такой как нефтяная или газовая скважина, часто требуется изолировать различные продуктивные зоны друг от друга или от самой скважины, чтобы стабилизировать скважину или не допустить перемещения текучих сред между зонами, или отсечь получение нежелательной текучей среды, такой как вода. Такая изоляция обычно достигается путем установки в скважине обсадной трубы и заполнения кольцевого пространства между наружной стенкой обсадной трубы и стенкой скважины (пласта) цементом. Цемент обычно помещают в кольцевое пространство путем закачивания вниз по обсадной трубе цементного раствора таким образом, что он выходит в забое скважины и проходит обратно вверх по наружной стенке обсадной трубы, заполняя кольцевое пространство. Хотя существует возможность периодического смешивания цементного раствора перед его закачиванием в скважину, желательно осуществлять непрерывное смешивание цементного раствора на поверхности непосредственно перед его закачиванием в скважину. Было выяснено, что такой подход обеспечивает улучшенный контроль характеристик цементного раствора и более эффективное использование материалов. Цементные растворы, применяемые при таких операциях, состоят из смеси сухих и жидких материалов. Жидкой фазой обычно является вода, которая легко доступна и дешева. Твердые материалы определяют характеристики раствора и цемента после добавления к воде и смешивания, причем количество твердого материала в растворе имеет большое значение. Поскольку жидкая фаза остается постоянной, количество добавляемого твердого материала обычно отслеживают путем измерения плотности цементного раствора и поддержания ее значения на нужном уровне путем контроля количества добавляемого твердого материала. На фиг. 1 схематически показана применяемая до сих пор система для смешивания. В системе, показанной на фиг. 1, воду закачивают из источника 10 питания через насос 12 в смеситель 14, а из него - в смесительную ванну 16. Источник 10 питания состоит из двух баков 11,11' вытеснения, каждый из которых имеет отдельные выпускные отверстия, соединенные с клапаном 13, который в свою очередь питает насос 12. Обычно для определения количества поставляемой воды используют два следующих способа: 2 1. Бесконтактные переключатели, установленные на валу насоса 12, подсчитывают количество импульсов в расчете на оборот. Каждый импульс соответствует объему вытеснения. Этот способ зависит от производительности насоса. 2. Объем вытеснения измеряют путем подсчета количества баков, закачанных в нисходящую скважину. Этот способ измерения чувствителен к человеческой ошибке при считывании значения уровня, переключении с одного бака на другой и точном определении емкости бака. Тем более ошибка при подсчете количества баков может иметь много последствий (избыточное вытеснение может привести к увлажнению основания, недостаточное вытеснение может привести к отсутствию скачка давления или сохранению цемента в обсадной трубе). Твердые материалы поступают в смеситель 14 из уравнительного бункера 18 или же непосредственно из цементного бункера через регулятор 20 потока и доставляются в смесительную ванну 16 вместе с водой. Содержимое смесительной ванны 16 возвращают через трубу 22 рециркуляции и насос 24 в смеситель 14. Труба 22 рециркуляции содержит также денситометр 26, выполняющий измерение плотности цементного раствора в смесительной ванне 16. Выпускное отверстие 28 предназначено для подачи цементного раствора из смесительной ванны 16 в следующие насосы (не показаны) и закачивания в скважину. Контроль смешивания цементного раствора обеспечивается регулированием плотности в смесительной ванне 16,обеспечиваемым денситометром 26 путем добавления твердого материала таким образом,чтобы оставаться на уровне, заданном для предназначенного для закачивания раствора. Обычно в качестве денситометра 26 используют нерадиоактивное устройство, такое как датчик Кориолиса. Хотя эта система является эффективной при работе с растворами, в которых используются материалы, обладающие гораздо более высокой плотностью чем вода, она не является эффективной для растворов, в которых используются твердые материалы с низкой плотностью, в особенности тогда, когда плотность твердых материалов близка к плотности воды. В таких случаях измерение плотности материалов не является достаточно чувствительным для того, чтобы контролировать количество добавляемых твердых материалов с необходимой точностью. Целью настоящего изобретения является создание системы для смешивания цементного раствора, позволяющей избежать описанных выше проблем с измерением плотности. В самом широком смысле настоящее изобретение предусматривает использование измерения доли твердого материала цементного раствора по мере его смешивания для определения 3 отношения твердого и жидкого компонентов,добавляемых в цементный раствор. Изобретение в частности применимо к смешиванию скважинных цементных растворов, и в этом случае доля твердого материала определяется по формуле (объем раствора - объем воды)/объем раствора. Альтернативным, но зависимым параметром является пористость, которая определяется как объем воды/объем раствора (пористость + доля твердого материала = 1). Система для смешивания цементного раствора согласно настоящему изобретению содержит средство для подачи жидкости (воды),включающее приспособление для измерения количества поступающей жидкости, средство для подачи твердого цемента, смеситель, в который поступают жидкость и твердый цемент и который содержит выпускное отверстие для выдачи материала из смесителя в раздаточную систему доставки, устройство для измерения количества материала в смесителе и расходомер в выпускном отверстии, при этом измерения,выполненные расходометрами и устройством для измерения количества материала в смесителе используются для контроля количества твердого материала, добавляемого в смеситель. В качестве расходомеров могут применяться массовые и объемные расходометры. Возможно использование любого подходящего расходометра, например датчик Кориолиса или электромагнитные датчики. Смеситель обычно имеет резервуар или ванну, и в этом случае устройством для измерения количества материала в смесителе может служить датчик уровня. Таким датчиком уровня предпочтительно является приспособление для измерения коэффициента отражения путем совмещения прямого и отраженного испытательных сигналов и приспособление типа радара,хотя возможно также использование акустических или поплавковых приспособлений. Желательно устанавливать такое приспособление в средствах, предназначенных для гашения кратковременных колебаний уровня в резервуаре,например в системе концентрических перфорированных труб. Альтернативным или дополнительным типом датчика может быть тензодатчик, который может использоваться для указания веса резервуара, или же датчик давления. Устройством для измерения количества поступающей жидкости может быть расходомер или датчик уровня типа, описанного выше. Когда средство для подачи жидкости включает в себя один или несколько баков вытеснения,предпочтительным является датчик уровня. В случае, если смеситель включает в себя какую-либо форму рециркуляции раствора через резервуар, необходимо, чтобы расходомер был расположен после системы рециркуляции материалов. В том случае, когда твердые материалы состоят из цемента и других твердых добавок, 004368 4 добавляемых в смеситель по отдельности, могут быть использованы отдельные расходомеры для каждого отдельного источника подачи добавок. В самой простой форме измерение доли твердого материала используется в качестве руководства для оператора при добавлении твердых материалов, в частности цемента, к раствору по мере его замешивания. В более совершенных версиях расчет доли твердого материала используется для управления добавлением твердых материалов непосредственно с помощью автоматической системы управления. Изобретение предлагает также усовершенствованный способ расчета объема вытеснения из системы, состоящей по меньшей мере из одного бака вытеснения, который включает измерение уровня жидкости в баке в течение временного отрезка, и расчет вытеснения по формуле:V(h) - точное значение объема бака на уровне (h);h2n - конечный уровень n-ого смещенного объема бака. Варианты настоящего изобретения будут теперь описаны ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых изображено следующее: фиг. 1 показывает известную систему для смешивания цементного раствора; фиг. 2 - систему для смешивания цементного раствора согласно первому варианту реализации изобретения; фиг. 3 - компоненты датчика уровня в баке; фиг. 4 - компоненты датчика уровня в сборе; фиг. 5 - схему измерения уровня в баке; фиг. 6 - систему для смешивания цементного раствора согласно второму варианту реализации изобретения. Система, показанная на фиг. 2, применяется для непрерывного смешивания цементного раствора при цементировании нефтяных скважин, и содержит средство 100 для подачи воды в систему 106 смешивания через насос 102 и расходомер 104. Средство для подачи воды содержит два бака 101 вытеснения, каждый из которых имеет отдельное выпускное отверстие, соединенное посредством клапана 103 с насосом 102. В каждом баке вытеснения 101 расположены датчики 105 уровня, предназначенные для определения количества воды, поступающего к насосу 102. В другом (не показанном) варианте выполнения датчики уровня отсутствуют. Количество поступающей воды определяют способом, описанным ниже. Система 106 для смешивания цементного раствора принимает также твердые материалы из уравнительного бункера 108 (или же, в каче 5 стве альтернативы, непосредственно из уравнительного бункера), которые поступают через клапан 110. Смесь твердого и жидкого материалов подают по питающей трубе 112 в смесительную ванну 114. Смесительная ванна 114 имеет первое выпускное отверстие 116, соединенное с насосом 118 рециркуляции, который подает раствор из ванны 114, обратно в систему для смешивания. Ванна 114 снабжена датчиком 120 уровня и/или датчиком 122 нагрузки, предназначенными для определения содержания ванны и изменения этого содержания с течением времени. Ванна 114 снабжена вторым выпускным отверстием 124, ведущим через второй насос 126 и второй расходомер 128 к насосной системе и далее к скважине (не показана). Другой способ подачи (показанный на фиг. 2 пунктиром) предусматривает наличие выпускного отверстия 124' от линии рециркуляции к скважине через расходомер 128'. Возможны и другие варианты компоновки. Насосы 102, 118, 126 относятся к обычным типам насосов, применяемым в системах для цементирования скважин,например к центробежным насосам. Аналогичным образом обычными являются расходомеры 104, 128', выполненные, например, в виде датчиков Кориолиса, таких как применяемые в качестве денситометров в предыдущих сферах применения. Каждый из различных типов насосов и расходомеров имеет собственные преимущества и недостатки, которые хорошо известны специалистам в данной области техники и допускают осуществление выбора в зависимости от требований. На фиг. 3-5 показаны компоненты датчиков уровня, применяемых в баках вытеснения и в смесителе, а также способ их установки. Датчик включает радиолокационный датчик 200 Крена, стержень 202 из нержавеющей стали,внутреннюю перфорированную гильзу 204 и наружную перфорированную гильзу 206. Стержень 202 навинчен на датчик 200, а внутренняя гильза 204 установлена поверх стержня 202 и прикреплена к фланцу на датчике 200. Наружная гильза 206 установлена поверх внутренней гильзы 204, к которой она прикреплена. Каждый бак вытеснения снабжен датчиком уровня. Этот датчик точно измеряет количество жидкости, содержащейся в баке. Знание точного значения объема при данном уровне требуется для расчета вытесненного объема. В случае,если профиль поперечного сечения бака не известен в точности, выполняется так называемая калибровка бака. Водомер с цифровым выходом измеряет точное значение объема бака вытеснения в зависимости от уровня бака. Эту операцию для каждого бака выполняют только один раз. Для подачи воды в систему клапан 103 пропускает воду из одного или другого бака к насосу 102. Когда сливной клапан бака открывается,такое приспособление как концевой выключатель, мембранный переключатель или любое 6 другое подходящее приспособление используется для начала расчета объема вытеснения. Объем вытеснения рассчитывают по формуле:V(h) - точное значение объема бака на уровне (h);h2n - конечный уровень n-ого смещенного объема бака. Когда уровень в баке становится низким,питание переключается на другой бак. Операция переключения с одного бака на другой может выполняться или вручную, или автоматически,и пока один бак опорожняется, другой заполняется для дальнейшего использования. Поскольку датчики уровня могут использоваться для мгновенного измерения количества воды, поступившего в систему, существует возможность подтвердить данные, предоставленные расходомером 104 или же полностью отказаться от этого расходомера. Этот способ определения объема вытеснения может применяться к другим видам операций цементирования, описанным здесь, и имеет то преимущество, что относительно независим от производительности насоса или ошибок оператора, как в случае с предыдущей системой. Для использования в смесителе сенсорная конструкция установлена в ванне 114 в вертикальном положении и в том месте, где происходит обновление раствора по мере перемешивания, с целью избежать размещения в мертвой зоне, в которой возможно осаждение цемента. Сенсор измеряет разницу между длиной LM стержня 202 и уровнем TL раствора на уровне ванны. Свободный уровень FTL в ванне определяют по формулеFTL = LM - TL Очевидно, что для общего эффекта настоящего изобретения конкретная форма датчика уровня не важна. Важно получить показатель изменения в зависимости от времени объема раствора в ванне (который называется в данном описании как "поток в ванне"). Его можно получить с помощью поплавкового датчика или датчика нагрузки, или с помощью любого их сочетания или любого другого датчика, дающего такую информацию. Показатели поплавковых датчиков или датчиков нагрузки следующим образом используются для отслеживания доли твердого материала. Расчет доли твердого материала основывается на балансе между поступающими от выходящими объемами (или расходами), выраженном следующей формулой:Qвода + Qцемент = Qраствор + Qванна где Qванна является расходом ванны. Расход ванны представляет собой изменение с течением времени объема ванны, и счита 7 ется положительным, когда уровень ванны повышается, и отрицательным - когда он понижается. Чем меньше поперечное сечение ванны,тем более чувствительными будут измерения к изменениям. Qванна определяется по формуле где Qванна представляет поперечное сечение ван- изменения уровня в ванне с течением ны, а времени. В самом простом случае поперечное сечение ванны остается постоянным, а расход ванны становится результатом изменения уровня ванны в зависимости от времени и поперечного сечения ванны. Долю твердого материала в момент t рассчитывают как отношение (объем раствора объем воды) к общему объему раствора, присутствующему в момент t в баке. Изменение объема раствора в баке Vвaннa (t+t) -Vвaннa (t) можно выразить следующим образом:Vванна(t+t)-Vвaннa(t)=[Qвода(t)+Qцемент(t)Qраствор(t)]t которое можно переписать какVвaнна (t+t) -Vвaннa (t) =Qванна (t) t Таким же образом изменение объема воды,находящейся в баке в момент t, Vвода (t+t) -Vвода(t), равно объему поступающей воды за вычетом количества воды, находящейся в растворе, покидающем бак, и может быть выражено какVВОДА(t+t)-Vвода(t)=[Qвода(t)-(1-доля твердого материала (tQраствор(t)]t Доля твердого материала может при этом быть выражена следующим образом: Достижение точности расчета с самого начала требует, чтобы были известны начальные условия, т.е. является ли бак пустым, заполнен ли он водой или уже содержит раствор. В конечном счете расчет стабилизируется вне зависимости от начальных условий, причем время,требующееся для этого, зависит от объема ванны и расхода на выходе Qраствор. Эти расчеты удобно выполнять с использованием компьютера, причем в этом случае результаты измерений могут передаваться непосредственно с датчиков через подходящий интерфейс. Предпочтительно на экране будут демонстрироваться различные значения расхода или уровней, наряду с нужным значением доли твердого материала (рассчитанным при проектировании раствора). Процесс смешивания контролируют путем регулирования количества цемента и/или воды, добавляемых в смеситель,таким образом, чтобы поддерживать расчетную долю твердого вещества на нужном уровне. С другой стороны, результаты расчетов можно вводить в систему автоматического контроля,которая регулирует интенсивность, с которой в систему для смешивания подают компоненты. 8 Описанная выше система хорошо работает в том случае, когда сухие ингредиенты (смесь цемента и добавок) доставляется в предварительно смешанном виде на место скважины из другого места. В этом случае выполняются по существу те же измерения и расчеты, которые описаны выше, путем простой подстановки Qсмесь вместо Qцемент. Если требуется смешивать сухие материалы на месте в качестве части непрерывного процесса смешивания,нужен несколько иной подход. На фиг. 6 показана система для смешивания, выполненная в соответствии с другим вариантом реализации изобретения, с использованием цифровых позиций, которым следуют на фиг. 2. Система, показанная на фиг. 6,включает дополнительное средство 130 для подачи сухих материалов в систему 106 для смешивания через массовый расходомер 132 (возможно также использование других средств измерения расхода) и распределительный клапан 134. В этом случае базовая формула управления принимает вид:Qвода + Qдобавка + Qцемент = Qванна + Qраствор где четыре или пять переменных известны, аQцемент является наиболее трудным для измерения параметром. В тех случаях, когда добавляют много сухих добавок, средство для подачи может состоять из множества отдельных средств для подачи материалов, каждое с отдельным расходомером и клапаном. В формулу управления включаются дополнительные термины Qдобавка 1, Qдобавка 2. Очевидно, что в порядок реализации изобретения можно внести много изменений, оставаясь в пределах правила использования доли твердого материала как характеристики, которую нужно отслеживать для осуществления контроля за смешиванием. Например, этот способ может быть применен при смешивании других скважинных текучих сред, таких как жидкости для воздействия на пласт (жидкости для гидроразрыва), или даже буровые растворы. В случае жидкостей для гидроразрыва гель и расклинивающий наполнитель(жидкую и твердую фазы) смешивают с использованием подвесного смесителя, а пропорциональное содержание геля и расклинивающего наполнителя контролируют с помощью денситометра (обычно радиоактивного), расположенного после смесителя. Использование радиоактивных датчиков создает много проблем с охраной окружающей среды, и хотя альтернативой им могут служить датчики Кориолисова типа,известно, что они во многом ограничены в отношении измерения расхода, будучи использованы таким образом. Настоящее изобретение позволяет контролировать концентрацию геля и расклинивающего наполнителя с помощью расходомеров, не прибегая к измерениям с помощью денситометров. Расход геля и смешанной текучей среды измеряют с помощью электромагнитных расходометров. Количество расклинивающего напол 9 нителя можно непосредственно вывести из следующего отношения:Qгель+Qрасклинивающий наполнитель=Qсмешанная текучая среда Концентрация расклинивающего наполнителя (в добавленных фунтах на галлон, или"КРН") может быть функцией доли твердого материала, определение которой дано выше, и выражена следующим выражением: КРН = Плотность расклинивающего наполнителяДоля твердого материала/(1-Доля твердого материала) Таким образом методология определения доли твердого материала, описанная выше для цементного раствора, может быть применена к жидкостям для гидроразрыва путем определения вместо плотности цемента плотности расклинивающего наполнителя. Преимущество такого подхода заключается в возможности отказаться от использования радиоактивных денситометров, избегая таким образом ограничений, налагаемых на их применение существующими правилами, и без ограничений по определению расхода, характерных для других способов измерения. Оборудование и средства управления являются по существу теми же, которые используются в описанной выше системе цементирования. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Система для смешивания цементного раствора, содержащая средство (101) для подачи жидкости, включающее приспособление (104) для измерения количества поступающей жидкости, средство (108) для подачи твердого цемента, смеситель, включающий ванну (114), в которую поступают жидкость и твердый цемент и которая содержит выпускное отверстие (124) для выдачи материалов из смесителя в раздаточную систему, расходомер (128), расположенный в выпускном отверстии (124), и вычислительное устройство, отличающаяся тем, что имеются устройство (120) для измерения количества материала в смесителе, вычислительное устройство приспособлено получать информацию от устройства (120) для измерения количества материала, находящегося в смесителе, и от расходомеров (104, 128) и рассчитывать изменения по ходу времени количества материала,находящегося в ванне (114), и доли твердого материала в смеси, и расчетное значение доли твердого материала используется для контроля соотношения твердого и жидкого материала в смесителе. 2. Система по п.1, в которой расходомеры выбраны из массовых расходомеров или объемных расходомеров. 3. Система по п.2, в которой расходомеры выбраны из датчиков Кориолиса или электромагнитных датчиков. 4. Система по любому из пп.1-3, в которой смеситель включает смесительную секцию и ванну, причем смешиваемые материалы посту 004368 10 пают из смесительной секции в смесительную ванну, а часть материалов из ванны возвращается в смесительную секцию. 5. Система по п.4, в которой устройство для измерения количества материала в смесителе содержит датчик уровня в ванне. 6. Система по п.4, в которой устройство для измерения количества материала в смесителе содержит датчик нагрузки, измеряющий вес ванны. 7. Система по любому из пп.4-6, которая выполнена так, что рециркуляция материалов имеет место перед расходомером, расположенным в выпускном отверстии. 8. Система по любому из пп.1-7, которая включает отдельные средства для подачи цемента и сухих добавок и расходомер для измерения расхода сухих добавок. 9. Система по п.8, в которой средство для подачи сухих добавок содержит несколько отдельных средств для подачи добавок, каждое из которых имеет собственный расходомер. 10. Система по любому из пп.1-9, в которой средство для подачи жидкости содержит по меньшей мере один бак. 11. Система по п.10, в которой приспособление для измерения количества поступающей жидкости, включает датчик уровня в баке или расходомер, измеряющий количество жидкости,вытекающей из бака. 12. Способ смешивания цементного раствора, при котором цемент и жидкость непрерывно подают в смеситель, а цементный раствор непрерывно выводят из смесителя для использования, при этом измеряют расход жидкости, поступающей в смеситель, и измеряют расход цементного раствора, выводимого из смесителя, отличающийся тем, что измеряют количество цементного раствора в смесителе, используют результаты измерения расхода и количества цементного раствора для расчета доли твердого материала в цементном растворе и регулируют подачу цемента и/или жидкости в смеситель согласно рассчитанному значению доли твердого материала. 13. Способ по п.12, при котором добавки подают в смеситель отдельно от цемента и дополнительно осуществляют измерение расхода добавок, поступающих в смеситель. 14. Способ по п.12 или 13, при котором используют смеситель, включающий ванну, и измерение количества цементного раствора в смесителе включает измерение количества цементного раствора в ванне. 15. Способ по п.14, при котором часть цементного раствора, находящегося в ванне, рециркулируют в смеситель при добавлении твердого и жидкого компонентов. 16. Способ по п.15, в котором рециркуляцию осуществляют до измерения расхода цементного раствора, выводимого из смесителя. 17. Способ по любому из пп.12-16, в котором жидкие компоненты подают для смешивания из источника жидкости, включающего по меньшей мере один бак, и осуществляют измерение уровня жидкости в баке в зависимости от времени и расчет объема вытеснения как 12 где V(h) - точное значение объема бака на уровне (h);