в чем сложность измерения массового расхода газожидкостной смеси тепловыми расходомерами
Способ определения массового расхода газожидкостной смеси
Владельцы патента RU 2319003:
Изобретение относится к области нефте- и газопромысловой геофизики и может быть использовано для определения массового расхода нефти, газа и воды в многофазном потоке, проходящем по трубопроводу из скважины.
При разработке месторождений нефти и газа возникает необходимость определения параметров потока, проходящего по трубопроводу из скважины, на предмет оценки перспективности разработки месторождений нефти и газа.
Известны способы определения текущей нефте- и газонасыщенности пород на основе применения импульсного нейтронного каротажа (ИНК) в случае двухфазного насыщения пород (вода-нефть или вода-газ) и достаточно высокой минерализации пластовых вод [1, 2, 3].
Известен способ раздельного определения текущей нефте- и газонасыщенности коллекторов, основанный на измерении сечения захвата тепловых нейтронов и регистрации гамма-квантов, образующихся при распаде активированных ядер кислорода, а также на последующей закачке жидкости с известными свойствами для изменения характера насыщения пластов, проведении очередных измерений сечения захвата и регистрации гамма-излучения активированных ядер кислорода. По результатам сопоставления данных до и после закачки жидкости определяют текущую нефте- и газонасыщенность коллектора [4].
Недостатками известных способов являются значительные временные затраты и высокая трудоемкость процессов определения параметров потока, а также необходимость проведения дополнительной защиты обслуживающего персонала от воздействия радиоактивного излучения.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ гидродинамических исследований скважин, включающий измерение давления, температуры и дебита газа на установившихся режимах работы скважины, обработку результатов и определение экспериментальных коэффициентов индикаторных линий. При этом рассчитывают дебиты для каждого режима по коэффициентам индикаторных линий текущего исследования и определяют показатель, характеризующий их отклонение от значений дебитов, полученных в результате измерений, затем по коэффициентам индикаторных линий, полученных при обработке предыдущих исследований, рассчитывают для каждого режима дебиты и определяют показатель, характеризующий их отклонение от дебитов, рассчитанных по коэффициентам индикаторных линий текущего исследования, при этом, если оба показателя меньше заданных значений, исследования завершают, а если один или оба показателя больше или равны заданным значениям, проводят дополнительные исследования для уточнения характеристик скважин [5].
Недостаток данного способа заключается в том, что расчет расхода производят только для установившегося режима работы скважины, на что требуется значительное время. Кроме того, точность расчетов по этому способу получается недостаточно высокой.
Целью изобретения является повышение точности определения расхода газожидкостной смеси и обеспечение защиты обслуживающего персонала от радиоактивного излучения.
Предлагаемый способ определения расхода газожидкостной смеси свободен от перечисленных недостатков. Он реализуется на основе одновременного измерения температуры, перепада давления и дебита нефти, газа и воды в многофазном потоке с использованием измерительной системы, включающей в себя двухфазный газовый сепаратор, счетчик газа и многофазный расходомер, обработки результатов измерений и определения индивидуальных компонент многофазного потока, таких как объем, масса и плотность газожидкостной смеси.
Предлагаемый способ по данным отечественных и зарубежных источников неизвестен, поэтому он соответствует критерию новизны и изобретательского уровня.
Сущность предлагаемого способа заключается в одновременном измерении объема газовой составляющей многофазного потока с помощью счетчика газа и водонефтяной фазы посредством многофазного расходомера, в котором производится подсчет объема и массы водонефтяной фазы, причем расчет производят методом переменного перепада давления (дифференциального давления), возникающего в суженном участке расходомера. При этом разность давлений в сужении и служит мерой расхода водонефтяной эмульсии, которая связана следующей зависимостью: разность давлений тем больше, чем больше расход протекающей через расходомер текучей среды.
На основании известных математических выражений, зная величину дифференциального давления, определяют плотность потока как частное от деления дифференциального давления на квадрат скорости потока. Затем, используя полученные значения плотности потока, рассчитывают объем и соответственно массу водонефтяной фазы газожидкостной смеси, проходящей через многофазный расходомер.
Суммарный расход нефти, газа и воды многофазного потока определяют на основании обработки результатов измерений в счетчике газа и многофазном расходомере и последующей корректировки результатов с учетом поправочных коэффициентов, которые учитывают состав смеси и соотношения между водяной и нефтяной фракциями. Эту корректировку проводят по результатам измерения емкости и активной проводимости в канале многофазного расходомера.
На чертеже представлена структурная схема устройства для осуществления предлагаемого способа.
Устройство содержит измерительную систему 1 в составе двухфазного газового сепаратора 2, фильтра 3, многофазного расходомера 4, счетчика газа 5, промышленного контроллера 6, включающего в себя электронный блок 7 в составе датчика температуры 8, датчика газа 9, датчика давления 10, датчика емкости 11, датчика активной проводимости 12 и функционального преобразователя 13, включающего в себя первый 14, второй 15, третий 16, четвертый 17, пятый 18 аналого-цифровые преобразователи и блок памяти 19, персональный компьютер 20, состоящий из системного блока 21, монитора 22, клавиатуры 23 и печатающего устройства 24, линию связи 25 для выхода на внешние устройства.
Устройство содержит измерительную систему 1, включающую в себя двухфазный газовый сепаратор 2, последовательно соединенные по текучей среде фильтр 3, вход которого соединен с выходом трубопровода А скважины, и многофазный расходомер 4, счетчик газа 5, при этом выход газовой фазы двухфазного газового сепаратора 2 через счетчик газа 5 соединен со входом трубопровода А скважины, по которому проходит газожидкостная смесь, а выход двухфазного газового сепаратора 2 по водонефтяной фазе через фильтр 3 соединен со входом многофазного расходомера 4, вывод водонефтяной фазы которого соединен с упомянутым входом трубопровода А скважины, промышленный контроллер 6 в составе электронного блока 7, включающего в себя датчик температуры 8, датчик газа 9, вход которого посредством электрической связи соединен с информационным выходом счетчика газа 5, датчик давления 10, датчик емкости 11, датчик активной проводимости 12 и функциональный преобразователь 13, включающий в себя первый 14, второй 15, третий 16, четвертый 17 и пятый 18 аналого-цифровые преобразователи и блок 19 памяти (постоянное запоминающее устройство), при этом первый, второй и третий выходы многофазного расходомера 3 посредством электрических связей соединены со входами соответственно датчика емкости 11, датчика давления 10 и датчика 12 активной проводимости, информационные (электрические) выходы датчика температуры 8, датчика газа 9, датчика давления 10, датчика емкости 11 и датчика 12 активной проводимости подключены соответственно ко входам первого 14, второго 15, третьего 16, четвертого 17 и пятого 18 аналого-цифровых преобразователей, выходы которых подключены соответственно к первому, второму, третьему, четвертому и пятому входам блока 19 памяти (постоянного запоминающего устройства), вход-выход которого является входом-выходом измерительной системы 1 и соединен с первым входом-выходом системного блока 21 персонального компьютера 20. Второй, третий и четвертый входы-выходы системного блока 21 персонального компьютера 20 подключены к входам-выходам соответственно монитора 22, клавиатуры 23 и печатающего устройства 24 (принтера), а к пятому входу-выходу системного блока 21 персонального компьютера 20 подключена линия связи 25 для выхода на внешние устройства.
Персональный компьютер 20 указанного состава может быть выполнен в соответствии со схемой и конструктивными решениями, приведенными в известной литературе [6].
По сравнению с прототипом получен следующий положительный эффект:
обеспечена возможность определения параметров многофазного потока газожидкостной смеси, проходящего по трубопроводу из скважины, без остановки процесса добычи нефти и газа;
повышена точность расчета параметров многофазного потока с 10-15 до 2-5 процентов;
обеспечена экологическая безопасность обслуживающего персонала на трубопроводе и специалистов, проводящих измерения непосредственно на месте эксплуатации;
обеспечена возможность дистанционного контроля параметров в реальном масштабе времени и одновременной передачи результатов контроля в центр управления, анализа и учета;
повышение производительности скважины за счет сокращения затрат и времени;
обеспечен непрерывный контроль расхода без закрытия скважины и измерение расхода без разделения нефти, воды и газа;
обеспечена мгновенная реакция на прорыв газа или воды;
позволяет значительно уменьшить затраты на монтаж и эксплуатацию;
требуется малый объем технического обслуживания, что также значительно уменьшает эксплуатационные затраты.
1. Буров Б.М. и др. К вопросу количественной оценки нефтенасыщенности по материалам ИННК. / Бюл. НТИ Мингео СССР. Серия «Региональная разведочная и промысловая геофизика», 1969, №17.
2. RU, авторское свидетельство №410353, кл. G01V 5/00, E21В 47/00, 1976.
3. US, патент №3817328, кл. Е21В 47/00, НКИ 166-250, 1974.
4. RU, патент №2232409, кл. Е21В 47/00, G01V 5/00, 2004.
5. RU, патент №2232266, кл. Е21В 47/00, 2004 (прототип).
2. Способ по п.1, заключающийся в том, что дополнительно измеряют температуру поступающей из скважины газожидкостной смеси, величину которой используют при расчете плотности многофазного потока и поправочных коэффициентов.
3. Способ по п.1, заключающийся в том, что многофазный расходомер устанавливают в вертикальном положении для исключения расслоения жидкости и минимизации абразивного износа многофазного расходомера, вызванного присутствием в потоке песка и мелких твердых частиц.
Массовый расходомер газожидкостного потока
Однако погрешность измерений такого устройства велика за счет невозможности учета мелких газовых пузырей, случайно расположенных в потоке газожидкостной смеси.
Однако прототип не обладает точностью, необходимой для многих случаев измерений массового расхода, т. к. не учитывает реально существующую структуру газожидкостного потока.
Предлагаемое устройство решает задачи повышения точности измерения массового расхода жидкой фазы газожидкостного потока и одновременного определения объемных расходов газожидкостной смеси и газовой фазы.
Задачи решаются тем, что, в известном массовом расходомере газожидкостного потока, включающем датчик объемного расхода, выход которого подключен к первому входу блока пропускания сигнала, первый умножитель, выход которого подключен к первому входу индикатора, датчик плотности, выход которого подключен к управляющему входу блока пропускания сигнала через схему формирования управляющего сигнала, состоящую из последовательно соединенных блока определения структурной функции процесса изменения плотности и порогового устройства, согласно формуле изобретения выход датчика плотности дополнительно подключен ко второму входу блока пропускания сигнала, второй выход которого подключен ко второму входу первого умножителя, дополнительно введены устройство деления, первое и второе вычитающие устройства, блок задания константы, второй умножитель и постоянное запоминающее устройство, причем первый и второй входы устройства деления подключены соответственно ко второму выходу блока пропускания сигнала и к выходу датчика плотности, выход устройства деления подключен к первому входу первого вычитающего устройства, к второму входу которого подключен блок задания константы, выход первого вычитающего устройства подключен к второму входу постоянного запоминающего устройства, первый вход которого подключен к первому выходу блока пропускания сигнала, к второму входу индикатора и вторым входам второго умножителя и второго вычитающего устройства, а выход подключен к первому входу второго умножителя, выход второго умножителя подключен к первому входу второго вычитающего устройства и к третьему входу индикатора, а выход второго вычитающего устройства подключен к первому входу первого умножителя.
Авторы установили, что сигнал с датчика объемного расхода на выходе блока пропускания сигнала (БПС) пропорционален не объемному расходу жидкости, как предполагалось в прототипе, а объемному расходу смеси жидкость-газ, и, за счет учета реальной структуры газожидкостного потока, путем использования экспериментально определяемой с помощью предлагаемого устройства зависимости между величинами, связанными с параметрами потока, авторам удалось решить задачу измерения массового расхода жидкой фазы в потоке с более высокой точностью, а также измерять объемные расходы газа и газожидкостной смеси.
Из гидродинамики известно, что массовый расход газожидкостной смеси и жидкой фазы, Qмсм и Омж соответственно, определяются по формулам Qмсм= Qсм
см; (1) Qмж= Qжж, (2) где Qсм и см— объемный расход газожидкостной смеси и плотность смеси соответственно, Qж и ж— объемный расход и плотность жидкой фазы соответственно. В прототипе считалось, что сигнал на выходе блока пропускания сигнала пропорционален не объемному расходу газожидкостной смеси, а объемному расходу жидкой фазы и путем перемножения этого сигнала с сигналом, пропорциональным плотности потока, получали массовый расход жидкой фазы.
Авторы экспериментально определили, что, вследствие неравномерного распределения скоростей жидкой и газовой фаз по сечению потока, на выходе БПС реально измеряется сигнал, пропорциональный объемному расходу не жидкой фазы, а газожидкостной смеси, поэтому для измерения жидкой фазы необходимо использовать вычисления по формуле (2), а значит, надо определять значения Qж и ж. Предлагаемое устройство позволяет производить измерения параметров, необходимых для более точного, чем у прототипа, измерения массового расхода жидкой фазы газожидкостного потока, а также одновременно с этим измерять объемные расходы газожидкостной смеси и газовой фазы.
Устройство работает следующим образом.
Пример конкретного исполнения.
Предлагаемое устройство может найти широкое применение в промышленности и на нефтепроводах.
Источники информации
1. Патент РФ 1811583, 23.04.93, БИ 15, 1993.
2. А. с. СССР 11428924, БИ 37, 1988.
3. Патент РФ 2128328, БИ 9, 1999.
4. Мамаев, Одишария и др. Газодинамика газожидкостных смесей в трубах. М. : Недра, 1980.
5. А. с. 1022002, БИ 21, 1983.
В чем сложность измерения массового расхода газожидкостной смеси тепловыми расходомерами
Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться для контроля расхода газожидкостной смеси (ГЖС), извлекаемой, например, из буровой скважины.
Известны способы измерения многофазного расхода или многокомпонентных веществ (см., например, П.П. Кремлевский. Расходомеры и счетчики количества вещества. СПб. Политехника. 2002. Книга 2, с.245) с помощью нескольких последовательно установленных расходомеров, обладающих селективными свойствами (кориолисова, объемного и теплового), и вычислительного устройства, определяющего на основе показаний приборов расходы отдельных компонентов.
Недостатками известных решений являются суммарная большая погрешность измерения расхода, а также наличие разнообразных приборов и большие габариты устройства.
Известен способ измерения расхода многофазного потока (RU 2428662 С2, 10.09.2011). Предложенный расходомер содержит блок измерения скорости газожидкостного двухфазного трехкомпонентного потока, блок измерения плотности данного потока и блок вычисления скорости потока каждой фазы, при этом блок измерения плотности содержит блок извлечения смешанной жидкости, причем блок извлечения смешанной жидкости содержит генератор разности давлений, установленный в трубопроводе, через который проходит трехкомпонентный поток, пару соединительных труб, соединенных с расположенными выше по потоку и ниже по потоку сторонами генератора разности давлений. Резервуар для извлечения газа-жидкости служит в качестве места, где принудительно перемешивается посредством изменения давления между входной и выходной сторонами сопла (генератора разности давлений). То есть часть отбираемого трехфазного потока принудительно встряхивается горизонтально, вертикально и т.д. для перемешивания. При этом пузырьки, содержащиеся в смешанной жидкости, вырастают в более крупные пузырьки в результате столкновения друг с другом и отделяются от смешанной жидкости в газовую фазу. Вследствие принудительного перемешивания, даже в случае маленьких пузырьков, пузырьки отделяются от смешанной жидкости в газовую фазу. Далее смешанную жидкость, из которой были отделены пузырьки, накапливают в резервуаре для хранения жидкости посредством регулирования вентиля регулировки скорости потока жидкости. Смешанную жидкость, накопленную в резервуаре для хранения жидкости, используют для измерения плотности. Измерение плотности проводят на смешанной жидкости, из которой были удалены пузырьки, и, следовательно, можно получить измеряемую величину высокой точности.
Недостатками известного способа является большое число механических операций при определении плотности потока, отбирается часть потока для анализа, понижающих достоверность измерения всего потока, большие габариты устройства при выстаивании для отделения фаз.
Известен способ определения параметров потока многофазной смеси жидкости и газа (RU 2386930 С2, 27.06.2009). В измерительный гидроканал помещают датчики, имеющие различные зависимости показаний от расходов компонентов потока. Для получения зависимостей показаний датчиков от измеряемых параметров потока во время калибровки производят запись показаний датчиков при различных комбинациях расходов жидкости и газа и осуществляют последовательную интерполяцию. Для определения расходов двух взаимно нерастворимых жидкостей и газа потока трехкомпонентной смеси используют три датчика, зависимость показаний которых от расходов жидкостей и газа разная. Для определения расходов двух взаимно нерастворимых жидкостей, расхода газа и вязкости потока трехкомпонентной смеси используют четыре датчика, зависимость показаний которых от расходов жидкостей, газа и вязкости разная. В частном случае однотипные датчики располагают в последовательно соединенных отрезках измерительного гидроканала разного диаметра.
Недостатком известного способа является определение параметров по тарировочным данным, предварительно полученным на стендах. Реальные показания могут значительно отличаться от полученных в лабораторных условиях из-за отличия показаний по давлению в трубе, температуре, различных сочетаний и соотношения фаз потока, что ухудшает точность измерения скоростей фаз, их скольжения относительно друг друга и др.
К предлагаемому способу наиболее близким, принятым за прототип, является способ измерения массового расхода газообразных и жидких сред (RU 2279640 С1, 10.07.2006).
Недостатками известного способа в реализованном устройстве является взаимное расположение по потоку измерителя объемного расхода и далее сужающего устройства, вносит дополнительную погрешность при измерении из-за возможного расширения газообразной среды после сужающего устройства, увеличение ее объема и искажение показаний датчика перепада давления; требуются дополнительные участки трубопровода до и после сужающего устройства для получения достоверных результатов измерения перепада давления; сужающее устройство используется только для получения параметра плотности среды, поскольку общий расход среды измеряется объемным расходомером; дополнительное оборудование в виде сужающего устройства требует дополнительной тарировки межповерочного интервала, наличие дополнительных вычислительных операций при определении массового расхода.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является упрощение способа измерения расхода газожидкостной смеси при ограниченном приборном составе устройств измерения, т.е. сокращение измерительных операций, требующих одновременности для более достоверного измерения массового расхода смеси, а также измерение параметров потока в одном приборном месте.
Технический результат достигается тем, что предлагается способ измерения расхода газожидкостной смеси, включающий измерение объемного расхода по частоте вращения ротора при нулевом перепаде давления и передачу данных вычислителю, отличающийся тем, что поддерживают частоту вращения ротора при нулевом перепаде давления на нем, измеряют величины крутящего момента ротора и его частоты вращения, определяют плотность смеси по крутящему моменту ротора, приравнивают ее одному из двух уравнений, связывающих плотность, вязкость и покомпонентные доли трехкомпонентной смеси для формирования ее доли сопротивления в крутящем моменте ротора, далее выделяют вязкость для двухфазной смеси и сравнивают ее с другим из двух уравнений, корректируют величину плотности смеси в трехкомпонентной смеси через крутящий момент ротора, формируют его доли по плотности и вязкости смеси, извлекают вычислителем из полученных независимых уравнений массовые и объемные составляющие трехкомпонентной смеси и массового расхода смеси.
Предлагается способ измерения расхода газожидкостной смеси, в котором объемный расход Qсм измеряется при нулевом перепаде давления, и для такого режима вычислителем поддерживается требуемый крутящий момент на приводе ротора и далее по заданному алгоритму массовый расход определяется вычислителем.
Для реализации способа организуют измерительный участок, на котором проводят измерения объемного расхода с использованием замкнутого контура регулирования по нулевому перепаду давления на измерительном участке (вращающемся измерителе) с помощью привода, выполненного в электромеханическом или пневмогидравлическом вариантах.
На чертеже представлена схема устройства, реализующего предлагаемый способ.
Вращающийся ротор 1 объемного расходомера приводится во вращение приводом 2, частота вращения которого измеряется датчиком 3. Объемный расход смеси Qсм поступает на вход измерительного участка 4 и проходит через вращающийся ротор 1 на выход 5. Частота вращения n ротора 1 поддерживается контуром регулирования при ∆P≈0, состоящим из датчика 6 перепада давления, вычислителя 7 и привода 2.
Способ реализуется по следующему алгоритму в условиях:
— перепад давления на роторе (измерительном устройстве) поддерживается равным нулю,
— температура и давление измеряется соответствующими датчиками (на чертеже не показаны) для измеряемого расхода в данном месте, в данное время и передаются вычислителю.
Объемный расход Qсм ГЖС расходомера определяется частотой вращения n ротора 1 (датчик 3)
Другие внешние силы сопротивления принимаем малыми и не учитываем.
При вращении ротора с частотой n и величине перепада давления ∆P≈0 на измерительном участке 4, включая ротор 1, величина гидравлического сопротивления может быть выражена по плотности
Величины n, Mсм измеряются датчиками 3 и 8 при ∆P≈0.
Известно выражение плотности смеси через покомпонентные составляющие массового и объемного расхода смеси
и единства массы смеси
Считаем, что величины плотности ρн, ρв, ρг и вязкости µн, µв, µг компонентов смеси известны и для конкретной буровой скважины нефти постоянны.
Приравняем (5) и (6), получим
Выражение (9) содержит объемные покомпонентные составляющие Qн, Qв, Qг.
С другой стороны, крутящий момент ротора Mсм можно выразить с помощью уравнений, связывающих плотность ρсм и вязкость µсм смеси двухфазной ГЖС (газ-жидкость), исходя из положения, что такие параметры, как плотность и вязкость пластовой минерализованной воды, а также нефти и эмульсии колеблются в пределах 5-10%. В этом случае можно принять компонент нефть за основную составляющую в преодолении сил сопротивления по вязкости при вращении ротора. Плотность ρсм смеси, которая ранее (5) подсчитывалась через Mсм, корректируется параметрами трехкомпонентной смеси ГЖС при дальнейшем совместном решении объединенной покомпонентной системы уравнений (7), (9) и (14).
Из (Физико-химические свойства нефти, газа, воды и их смесей, www.allbest.ru) имеем для двухфазной смеси жидкости (нефть и вода) и газа соотношение кинематических вязкостей
Подставим (12) в (10), тогда
Приравняем (13) и (8), получим
Mсм/n (k3nВ+k5)=1/А или, подставляя выражения А и В, получим
Далее определяем ρсм и Gсм по ф. (6).
Измерение массового и объемного расхода ГЖС предлагаемым способом имеет следующие преимущества:
— значительное расширение диапазона измерений с сохранением текущей погрешности,
— отсутствие протечек при нулевом перепаде на роторе позволяет измерять объемный расход с максимальной точностью,
— среда не подвергается сжатию и расширению, проходя через измерительный участок при измерении объемного и массового расхода,
— сведение к минимуму влияния плотности и вязкости среды на измерение расходов ГЖС,
— фактически диапазон измерения зависит от технических возможностей измерителя и привода (электродвигателя) с большим диапазоном изменения частоты вращения,
— упрощение способа измерения массового расхода при ограниченном приборном составе устройства измерения, т.е. сокращение измерительных и вычислительных операций, требующих одновременности для более достоверного измерения массового расхода среды,
— одновременное измерение двух параметров в одном приборном месте для вычисления массового расхода, а также покомпонентных массовых и объемных составляющих газожидкостной смеси.
Способ измерения расхода газожидкостной смеси, включающий измерение объемного расхода по частоте вращения ротора при нулевом перепаде давления и передачу данных вычислителю, отличающийся тем, что поддерживают частоту вращения ротора при нулевом перепаде давления на нем, измеряют величины крутящего момента ротора и его частоты вращения, определяют плотность смеси по крутящему моменту ротора, приравнивают ее к одному из двух уравнений, связывающих плотность, вязкость и покомпонентные доли трехкомпонентной смеси для формирования ее доли сопротивления в крутящем моменте ротора, далее выделяют вязкость для двухфазной смеси и сравнивают ее с другим из двух уравнений, корректируют величину плотности смеси в трехкомпонентной смеси через крутящий момент ротора, формируют его доли по плотности и вязкости смеси, извлекают вычислителем из полученных независимых уравнений массовые и объемные составляющие трехкомпонентной смеси и массового расхода смеси.
