СПОСОБ ОПЕРАТИВНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОБЪЕМНОГО СОДЕРЖАНИЯ ЖИДКОЙ ФАЗЫ В ГАЗОЖИДКОСТНОМ ПОТОКЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF FAST DETERMINATION OF LIQUID PHASE VOLUME CONTENT IN GAS-LIQUID FLOW AND DEVICE TO THIS END

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано на замерных узлах газодобывающих предприятий, при проведении промысловых исследованиях газоконденсатных пластов, при калибровке расходомеров двухфазных потоков и в других случаях, где необходимо знание объемного содержания жидкой фазы в газожидкостном потоке.
Одной из главных характеристик работающей газоконденсатной скважины является ее продуктивность - показатели дебитов газа и конденсата при различных режимах работы. При изучении новых скважин или при периодическом исследовании эксплуатируемых скважин для определения покомпонентного расхода продуктов добычи последние обычно пропускают через сепаратор, где жидкая фаза отделяется от газообразной. Затем каждая из фаз пропускается через свой расходомер (расходомер жидкости или газа) и учитывается раздельно [1]. Недостатком этого способа является высокая стоимость сепаратора, обусловленная его большими массогабаритными характеристиками. По этой же причине сепараторная техника лишена подвижности - она, как правило, стационарна и ее трудно приспособить для исследования новых скважин. Кроме того, из-за образования гидратов сепараторы не работают в холодное время года.
г
ж
с
Отсюда, для оперативного определения дебитов газоконденсатных скважин развивается техника определения покомпонентного расхода фаз без предварительного их разделения на жидкую и газообразную. Для этого, как минимум, необходимо измерять скорости газовой и жидкой фаз (υ, υ) и плотность газожидкостной смеси ρ, которая может быть выражена [2] через объемное содержание жидкой фазы
ж
г
где ρ, ρ - плотности жидкости и газа соответственно;
- объемное содержание жидкой фазы в потоке;
m
V - объем жидкости в объеме V газожидкостной смеси.
г
ж
с
с
с
Если для определения скоростей υ и υ разработан набор методов (на сужающем устройстве, корреляционный [2], по доплер-эффекту [3] и др.), то непосредственное измерение плотности смеси ρ или объемного содержания жидкой фазы в газоконденсатном потоке η наталкивается на значительные трудности. Известно измерение ρ с помощью радиоактивного источника [2], однако оно сопряжено с необходимостью обеспечивать радиационную безопасность и часто неприемлемо. Известны также способы и устройства для определения плотности ρ по сдвигу собственной частоты СВЧ резонатора при заполнении его газожидкостной средой. Недостатком их является наличие эмпирических коэффициентов в окончательных расчетных формулах. Это вызывает необходимость калибровки расходомеров на каждом месторождении с помощью промыслового сепаратора, что не всегда возможно.
Наиболее близкими по способу и устройству к предлагаемому изобретению являются способ и устройство для измерения капельного уноса жидкости с газом используемые, например, в индикаторе уноса жидкости ИУ-1 конструкции ОАО «ТюменНИИгипрогаз», измерителе уноса жидкости конструкции ДАО ЦКБН и универсальном газовом малогабаритном каплеотделителе УГМК конструкции ООО «Уренгойгазпром» [4]. Последний  примем за прототип.
Основными составными частями каплеотделителя УГКМ являются: заборное устройство, обеспечивающее изокинетический отбор пробы; фильтрующий элемент с фторопластовым фильтром, отделяющий капельножидкий аэрозоль от газа; счетчик газа РГ-40 - измеритель объемного расхода; газовая запорная арматура; приборы контроля температуры и давления. Принцип действия рассматриваемого устройства основан на том, что через фильтр пропускают определенное количество газа, которое оставляет в фильтре жидкую фазу. Количество жидкой фазы определяют по количеству жидкости, задержанной фильтром и слитой в мерный объем. Зная количество прошедшего газа и количество выделившейся жидкости, рассчитывают объемное содержание жидкой фазы в первоначальном газожидкостном потоке.
Недостатком этого способа является необходимость проводить лабораторный анализ, что не позволяет организовать постоянное, оперативное измерение объемного содержания жидкой фазы.
3
3
3
3
Устройство для регистрации уноса капельной жидкости предназначено для контроля уноса диэтиленгликоля из абсорберов гликолевой осушки газа, в силу чего его диапазон измерений объемного содержания жидкой фазы лежит существенно ниже интересующего нас диапазона ~10÷100 см/нм (объем жидкости в см в одном м газа, приведенном к нормальным условиям), а посему в существующей конструкции рассматриваемое устройство не может быть использовано для определения объемного содержания жидкой фазы в газожидкостном потоке на газоконденсатных скважинах. Кроме того, используемый в устройстве фильтр нуждается в периодической осушке от накапливаемой влаги. Это - технические недостатки устройства.
с
Техническим результатом является возможность организовать непрерывное измерение объемного содержания жидкой фазы в потоке и расчет важнейшего параметра газожидкостного потока - его реальной плотности ρ, и, как следствие этого, возможность использовать подобное устройство для калибровки двухфазных СВЧ расходомеров, основанных на диэлектрическом принципе [3, 5, 6], с целью расширить сферу их применения на месторождениях, не имеющих оперативных промысловых сепараторов.
ж
г
с
Технический результат предлагаемого способа достигается тем, что в способе оперативного определения объемного содержания жидкой фазы в газожидкостном потоке, заключающемся в изокинетическом отборе пробы из газопровода, отсечке фильтром жидкой фазы и последующем измерении ее объемной доли при фиксированном объемном расходе газожидкостной смеси, используя заранее известное значение плотности жидкости (ρ), последовательно производят измерение плотности газового потока не содержащего жидкую фазу (ρ) и реального потока, содержащего жидкую фазу (ρ), а объемное содержание жидкой фазы в газожидкостном потоке (объемную долю жидкости η) находят по соотношению
.
Технический результат предлагаемого устройства достигается тем, что в устройстве для оперативного определения объемного содержания жидкой фазы в газожидкостном потоке, содержащем заборное устройство для изокинетического отбора пробы, фильтр, отсекающий жидкую фазу, измеритель объемного расхода и ротаметр, прокалиброванный в единицах плотности при постоянном расходе, в качестве фильтра, отсекающего жидкую фазу, используется электрофильтр, выполненный в виде протяженного объема, заполненного ячеистой в поперечном направлении и вытянутой в продольном направлении тонкостенной металлической структурой, в центре каждой из ячеек которой расположен нитевидный электрод, на который подается высокое напряжение.
На фиг.1 изображена схема устройства, работающего по предлагаемому способу. На ней показаны: 1 - газопровод; 2 - поток газожидкостной смеси; 3 - наконечник заборного устройства, 4 - регулятор расхода, 5 - манометр, 6 - термометр, 7 - заборное устройство для изокинетического отбора пробы; 8 - регулятор расхода заборного устройства; 9, 10 - регуляторы расхода; 11 - фильтр для отсечки жидкой фазы; 12 - измеритель объемного расхода газа; 13 - манометр; 14 - термометр; 15 - ротаметр, используемый как плотномер газа или газожидкостной смеси; 16 - регулируемый вентиль перед выкидной трубкой 17. Точками A и B помечены разъемы для замены фильтра 11 и регулируемых вентилей 9 и 10 на электрофильтр, показанный на фиг.2.
На фиг.2 изображен электрофильтр, где: 18 - корпус электрофильтра; 19 - проходной высоковольтный изолятор; 20 - электромагнит контактора подачи высокого напряжения; 21 - контактор; 22 - источник высокого напряжения; 23 - регулируемый вентиль; 24 - вентиль сброса конденсата в мерный объем; 25 - мерный объем; 26 - вентиль для удаления конденсата; 27 - проволочный электрод; 28 - металлическая трубка - стенка элементарной ячейки фильтра.
1
На фиг.3 показан разрез электрофильтра по сечению CC с элементарными ячейками фильтра в виде цилиндрических трубок (Допустимо использование и других форм поперечного сечения элементарных ячеек - например, в виде шестигранников или квадратов).
Ротаметр 15 имеет шкалу в единицах плотности. Для этого его предварительно калибруют, пропуская сквозь него газы разной плотности при постоянном объемном расходе. Уравнение расхода газа через ротаметр может быть [7] записано в виде
где h - высота подъема поплавка; k(h) - корректирующая функция, слабо отличающаяся от 1 и определяемая при калибровке; A - постоянный коэффициент; ρ - плотность газа.
0
Если поток поддерживать постоянным, т.е. положить Q≡Q=Const, то из (2) найдем:
2
ρ=B(h)·h, где .
0
c
cmin
cmax
ж
cmax
3
3
3
3
3
-4
Таким образом ротаметр превращается в плотномер. Функция B(h) определяется путем калибровки ротаметра при пропускании сквозь него газов с различной плотностью при постоянном расходе Q≡Q. Нижняя граница шкалы плотности ротаметра определяется плотностью чистого метана ρ=ρ=0,668 кг/м; верхняя граница ρ величиной η. Если принять за максимальную величину η=200 см/нм, а жидкость считать за углеводородный конденсат с плотностью ρ=800 кг/ж, то величина ρ составит 0,830 кг/м. Для того, чтобы погрешность измерения была невелика (~10), ротаметр должен иметь длину шкалы измерений около 1000 мм и соответствующую конусность.
0
Особенное внимание следует уделить измерителю объемного расхода газа 12: расход Q должен воспроизводиться и поддерживаться постоянным с погрешностью не хуже 0,25% (этому требованию удовлетворяют турбинные, тахометрические и некоторые другие типы расходомеров).
Способ можно использовать как при рабочих давлениях, так и при стандартном. Опишем далее его применение при стандартном давлении.
0
г
0
с
Схема устройства, поясняющая предлагаемый способ измерения, представлена на фиг.1. В исходном состоянии все вентили закрыты. Открываем регулятор расхода 4 и регулятор расхода 8 заборного устройства. Заборное устройство для изокинетического отбора пробы 7 совместно с регуляторами расхода 4 и 8 обеспечивает подачу в наконечник заборного устройства 3 невозмущенного потока газа. Такие устройства описаны в литературе (см., например, [4], [8]). Открываем далее регулятор расхода 9 и приоткрываем регулируемый вентиль 16; устанавливаем по измерителю объемного расхода газа 12 объемный расход Q при стандартном давлении на входе ротаметра 15. При этом газ с жидким аэрозолем, проходя через фильтр для отсечки жидкой фазы 11, освобождается от жидкости и поступает на измеритель объемного расхода газа 12 и далее на ротаметр 15. Замеряем температуру газа на входе в ротаметр 15 и по его шкале фиксируем плотность (при необходимости вносим поправку на температуру). После замера плотности ρ закрываем регулятор расхода 9, открываем регулятор расхода 10 и устанавливаем снова прежнюю величину объемного расхода Q. По шкале ротаметра 15 определяем плотность газожидкостного потока ρ. По соотношению
ж
рассчитываем объемную долю жидкости, или, что одно и то же, объемное содержание жидкой фазы в газожидкостном потоке (плотность ρ полагаем известной из предварительных измерений).
г
с
0
Фиг.1 поясняет только способ определения η. На практике он может быть неудобен по двум причинам. Во-первых, если фильтр изготовлен из ткани, он будет служить сравнительно небольшое время, после чего его надо сушить. Во-вторых, при прохождении газа через фильтр на нем падает давление на некоторую величину ΔP, которая может изменяться со временем (из-за того, что меняется насыщенность фильтра жидкостью). Это приводит к несимметрии плеч, по которым идет газ в случае измерения ρ и ρ, что, в свою очередь, требует дополнительной регулировки расхода регулятором расхода 10, а также сказывается на постоянстве расхода Q и приводит к дополнительным погрешностям.
Отсюда, устройство для реализации метода должно быть свободно от указанных недостатков. Этого можно добиться, заменив тканевый или фторопластовый фильтр 11 специально выполненным электрофильтром (фиг.2), который заменяет часть схемы на фиг.1, а именно: фильтр 11 вместе с вентилями 9, 10 и соединительными трубками (т.е. часть схемы между точками A и B) удаляется, а вместо него между точками А и В вставляется часть схемы, приведенная на фиг.2.
Электрофильтр представляет собой протяженный сосуд, внутри которого располагается ячеистая структура, например тонкостенные длинные металлические трубки (фиг.2, фиг.3). По центру каждой трубки и по центру фигуры, образованной внешними сторонами трубок, располагаются проволочные электроды 27, на которые подается высокое напряжение от источника 22. Металлические трубки 28 соединены с корпусом электрофильтра 18 и заземлены. С нижнего торца электрофильтра 18 подается газ, содержащий аэрозоль в капельно-жидком виде. При подаче высокого отрицательного напряжения на проволочный электрод 27 в пространстве между электродами 27 и 28 создается сильное электрическое поле, в котором аэрозоль поляризуется или ионизируется и начинает дрейфовать к отрицательному электроду, а затем осаждается на нем. Если трубки имеют достаточную длину, то весь аэрозоль успевает осесть на электроды и затем собраться на нижнем торце фильтра, а газ - очиститься от капельной жидкости. Собирающаяся на нижнем торце жидкость может быть удалена, если открыть вентиль сброса конденсата 24 и вентиль для удаления конденсата 26. При этом ее объем можно измерить (с целью дополнительного контроля) с помощью мерного объема 25.
Устройство работает следующим образом.
0
с
г
После установки необходимого объемного расхода Q так, как это было описано выше, по шкале ротаметра определяется плотность газожидкостной смеси ρ. После этого по команде подается напряжение на электромагнит контактора 20, цепь высокого напряжение через контактор 21 замыкается и на электроды 27 подается высокое отрицательное напряжение. При этом газ очищается от аэрозоля и ротаметр отмечает плотность «сухого» газа ρ.
с
г
с
г
0
c
г
Ввиду малого газодинамического сопротивления электрофильтра перепад давления на нем крайне мал. Кроме того, он одинаков для случая, когда измеряют ρ или ρ. Эти обстоятельства позволяют переходить от измерения ρ и ρ и обратно без регулировки расхода газа, который таким образом остается постоянным: Q=Const. Поэтому погрешности измерения ρ и ρ, связанные с неодинаковостью расходов, здесь отсутствуют.
Макет электрофильтра был испытан в лабораторных условиях на газожидкостных смесях при атмосферном давлении. В качестве источника газожидкостной смеси использовался медицинский генератор аэрозоля для физиотерапии Boreal, дающий поток воздуха с известным объемным содержанием жидкости в дисперсной фазе. В качестве элементарной ячейки фильтра использовалась трубка из нержавеющей стали длиной , диаметром ⌀ 20 мм, толщиной стенки d=0,4 мм. По оси трубки была натянута молибденовая проволока диаметром ⌀~0,2 мм, на которую подавалось напряжение до 5000 В. В отсутствие напряжения визуально наблюдался аэрозольный туман, идущий из трубки; после подачи напряжения на центральный электрод туман исчезал, т.е. элементарная ячейка фильтра аэрозоля такой конструкции работает.
Литература
1. Ширковский А.Н. Разработка и эксплуатация газовых и газоконденсатных месторождений. М.: Недра, 1979, 304 с.
2. Кремлевский П.П. Измерение расходов многофазных потоков. Л.: «Машиностроение», 1982, 214 с.
3. Патент РФ №2164340 от 20.03.2001. Способ определения покомпонентного расхода потока газожидкостной смеси продуктов газонефтедобычи в трубопроводе и устройство для его реализации. Авторы: Орехов Ю.И., Москалев И.Н., Костюков В.Е., Хохрин Л.П., Ремизов В.В., Битюков B.C., Филоненко А.С., Рылов Е.Н., Вышиваный И.Г., Филиппов А.Г.
4. Ланчаков Г.А., Кульков А.Н., Зиберт Г.К. Технологические процессы подготовки природного газа и методы расчета оборудования. М.: Недра, 2000, 278 с.
5. Патент РФ №2289808 от 28.02.2005. Способ и устройство определения объемных долей жидкого углеводородного конденсата и воды в потоке газожидкостной смеси природного газа. Авторы: Вышиваный И.Г., Костюков В.Е., Москалев И.Н., Орехов Ю.И., Тихонов А.Б., Беляев В.Б.
6. Патент РФ №2286546. Способ и устройство измерения расхода газожидкостного потока. Авторы: Вышиваный И.Г., Костюков В.Е., Москалев И.Н., Орехов Ю.И., Беляев В.Б.
7. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества веществ. Справочник: кн.2/Под. общ. ред. Шорникова Е.А., 5-е изд., перераб. и дополн. СПб: Политехника, 2004, 412 с.
8. Байбаков Р.Б., Шарапов В.М. Контроль примесей в сжатых газах. М.: Химия, 1989, 158 С.