Установки для термодинамических исследований пластовых нефтегазоконденсатных систем месторождений ОАО «Газпром»

УСТАНОВКИ ДЛЯ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

ПЛАСТОВЫХ НЕФТЕГАЗОКОНДЕНСАТНЫХ СИСТЕМ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ОАО «ГАЗПРОМ»

В.И. Лапшин, А.Н. Волков, И.М. Шафиев

Экспериментальные исследования на установках PVT занимают важное место в изучении фазового состояния и фазового поведения газоконденсатных систем. В ходе исследований решаются задачи определения комплекса параметров, необходимых для подсчета запасов и проектирования разработки месторождений, а также изучения влияния различных факторов на закономерности фазовых превращений УВ смесей в широком диапазоне давлений и температур.

Общие технические характеристики установок PVT приведены в табл. 1 [1, 2].

Установка УГК-3 выпускалась на начальном этапе развития газоконденсатных исследований в СССР (1960-е гг.). Объем камеры этой установки 3,1 л. Камера PVT представляет собой цилиндр, в который помещен поршень с выведенным через крышку цилиндра штоком, снабженным измерительной шкалой (рис. 1 ). Внутри штока имеется безобъемная мешалка, приводимая в движение электромагнитом. Конструкцией установки предусмотрены жидкостной обогрев камеры PVT и место для термометра в нижней крышке цилиндра для контроля температуры. Ниже смотрового окна помещен измерительный поршень (меньшего сечения, чем поршень, помещенный в верхней части камеры), который перемещается при помощи электродвигателя.

Изменение объема камеры PVT и узла замера конденсата производится за счет перемещения поршней.

Верхний поршень камеры перемещается благодаря гидравлическому давлению, создаваемому маслом, нагнетаемым насосом в камеру PVT. Насос состоит из двух измерительных прессов, приводы плунжеров которых соединены шестернями так, что когда один из прессов нагнетает масло, другой засасывает его из напорных бачков. Установка оснащена автономным сепаратором, позволяющим проводить эксперименты по построению изотерм и изобар конденсации.

Верхний поршень передвигается во столько раз медленнее нижнего измерительного поршня, во сколько раз его сечение больше. Это дает воз-

можность при одновременном передвижении обоих поршней совместить уровень жидкой фазы с центром смотрового окна без изменения объема и давления пробы.

Таблица 1

Общие технические характеристики установок РУТ

Харак- теристи- ка Типы установок

отечественные Зарубежные

m - U УФР-2 К й ^ Ruska- PVT- 2300 Ruska -PVT-2370 Iа- АСФ- PVT Chandler Engineer- ing-3000 Fluid Eval

Макси- мальное давле- ние, МПа 45 100 60 80 70/70* 120 120 103,4/ 137,9* 100

Максимальная температура, °С 80 200 150 150 215 200 200 204 200

Макси- мальный объем камер PVT, см3 3100 1200 50 500 400/ 1000* 3800 3800 400/1 000* 1000

Гидрав- лическая жид- кость ДЭГ ДЭГ Ртуть Ртуть Таран смис- сион- ное масло Ртуть Ртуть Таран смис- сион- ное масло

Допустимая агрессивность флюида, % мол. - - H2S -15 CO2 -15 H2S -15 CO2 -15 H2S- 25 H2S -25 CO2 -25 - -

* Данные для нефтяной / газоконденсатной рабочих камер установок.

Установка УФР-2 (рис. 2) отличается от УГК-3 тем, что пространства цилиндров за поршнями связаны с обводной системой, что способствует разгрузке поршней от осевых усилий и обеспечивает их синхронное перемещение при движении поршня жидкостного цилиндра; объем жидкой фазы и объем газа отсчитывается по сельсин-счетчику указателя объема. Термостатирование рабочей камеры осуществляется тремя электронагревателями. Установка имеет меньший объем камеры РУТ (1,2 л) и рассчитана на более высокие рабочие давление и температуру.

Рис. 1. Схема установки УГК-3: 1 - камера PVT; 2 - сепаратор; 3 - поршневой разделитель; 4 - гидравлический пресс; 5 - напорный бачок; 6 - контейнер с пробой конденсата; 7 - баллон с пробой газа; 8 - пресс для загрузки пробы конденсата;

9 - манометр; 10 - насос жидкостной

Установки УГК-3 и УФР-2 достаточно надежны в работе, их недостатками являются неантикоррозийное исполнение основных узлов и недостаточная точность измерений.

Установка Magra-PVT (рис. 3) включает четыре основных блока: основная камера PVT объемом 3,8 л, пульт управления основной камеры PVT, блок подачи с камерами PVT 2 и 0,7 л, пульт управления блока подачи.

Основная камера PVT предназначена для проведения детальных исследований фазового состояния газожидкостных систем. Она представляет собой корпус с поршнем. В корпусе имеются отверстия для подвода ртути, магнитная мешалка, смотровые сапфировые стекла.

Основная камера PVT связана со сдвоенными насосами, которые позволяют осуществлять вертикальное перемещение исследуемого флюида в полости камеры при постоянном давлении. Для визуального наблюдения процессов, происходящих в камере PVT, необходимо перемещение границы между двумя уравновешенными в камере фазами: ртуть - жидкость, ртуть - газ или жидкость - газ посередине смотрового окна.

Рис. 2. Схема установки УФР-2: 1 - плунжер измерительный; 2 - сепаратор;

3 - счетчик; 4 - манометр; 5 - пробоотборник газа (пикнометр);

6, 7, 8 - электронагреватель; 9 - потенциометр; 10 - контейнер поршневой;

11 - указатель объема; 12 - стекло смотровое; 13 - мешалка электромагнитная; 14 - шток поршня; 15 - цилиндр газовый; 16 - гидропресс;

17 - насос масляный с ресивером; 18 - бачок напорный

Путем считывания объемов между двумя границами фаз можно получить искомый объем изучаемого флюида с точностью до ±0,01 см3. Такая точность достигается за счет малого диаметра переходного отверстия между верхней и нижней секциями камеры PVT на уровне смотрового окна.

Регулирование необходимого температурного режима осуществляется термостатической камерой. Для визуального наблюдения в камеру PVT вмонтирован визир с окуляром (эндоскоп с подсветкой). Перемешивание различных флюидальных систем производятся магнитной мешалкой. Кроме того, основная камера PVT снабжена тремя вентилями (выведенными за внешний контур термостатической камеры) для заправки и отбора проб газа и конденсата.

Пульт управления основной камеры служит для автоматической установки, регулирования, поддержания и цифрового контроля температуры и давления.

Блок подачи служит для вакуумирования рабочих узлов системы, рекомбинации и проведения исследований пластовых систем в камерах PVT (0,7 и 2,0 л), изучения коэффициентов сжимаемости газовых и газожидкостных систем, а также разгазирования нефтей. Пульт управления блока подачи снабжен контрольно-измерительными приборами для поддержания заданных давлений и температур в камерах PVT (0,7 и 2,0 л) и газометре.

В установке АСФ-PVT являющейся аналогом установки Magra-PVT, отсутствуют камеры 0,2 и 0,7 л.

Установки Magra-PVT и АСФ-PVT обладают высокой точностью, рассчитаны на высокое (до 120 МПа) давление и широкий диапазон изменения температур (-20.. .+200 °С). Их антикоррозионное исполнение позволяет исследовать системы, содержащие до 25 % H2S и CO2. Недостатком установок является использование ртути, ограничивающее их применение из-за необходимости обеспечения требований техники безопасности обслуживающего персонала и защиты окружающей среды.

Установка Ruska-2370 имеет две камеры PVT, централизованный компьютерный контроль над всеми осуществляемыми операциями, модульную конструкцию (рис. 4). Наличие встроенных подпрограмм в значительной степени упрощает процесс калибровки и позволяет с высокой точностью контролировать основные текущие параметры: давление, температуру, объем.

Установка состоит из термостатируемого шкафа с воздушным обогревом, механической и сменной гидравлической камер PVT, управляющего компьютера и блоков электронного обеспечения. Верх механической каме-

ры посредством капилляра соединен с нижней частью гидравлической камеры. Объем механической камеры изменяется перемещением поршня, приводимого в движение серводвигателем (через понижающий редуктор). Изменение объема гидравлической камеры осуществляется за счет подачи масла внешним насосом в пространство над распределительным поршнем.

Управление внешним насосом возможно как с компьютерной клавиатуры модуля PVT, так и с дистанционного пульта. Камеры PVT оснащены магнитными устройствами для перемешивания пробы с переменной скоростью. Верхняя часть механической камеры оснащена сапфировым окном для визуального наблюдения и замера количества жидкой фазы. Внутренний диаметр окна составляет всего 0,3 см. Между смотровым окном и запорным вентилем камеры расположен тензодатчик для измерения давления, совмещенный с резистивным термометром. Установка имеет в комплекте визко-зиметр, компрессор, газометр, сепаратор.

Установка Chandler Engineering-3000 (рис. 5) - прототип установки Ruska-2370 - отличается более высокими значениями рабочего давления (до 138 МПа), наличием ячеек для исследования нефтяных и газоконденсатных систем, встроенных в систему капиллярным вискозиметром и плотномером. В состав системы также входит модуль, позволяющий определять условия выпадения твердых парафинов и асфальто-смолистых веществ.

Электронный вискозиметр установки, выполненный из нержавеющей стали, с диапазоном измерения вязкости в пределах 0,2-10000 МПас позволяет использовать его для высоковязких нефтей. Рабочая температура - до +190 °С и давление до 103,4 МПа. Плотномер AntonPaar позволяет измерять плотность флюидов под давлением до 69 МПа с температурой до +150 °С.

Лабораторная установка DBR (рис. 6) предназначена для комплексного исследования фазовых состояний углеводородных систем. Технические характеристики установки позволяют проводить исследования парожидкостного равновесия, гидратов и определять условия, при которых начинается выпадение парафинов. Установка состоит из термостата с воздушной терморегуляцией и камеры высокого давления (давление до 69 МПа, температура до +200 °С). Камера PVT имеет антикоррозионное исполнение и рассчитана на исследование систем, содержащих до 100 % СО2 и 50 % H2S. Объем камеры высокого давления - 130 см , «мертвый объем» - 1-3 см (в зависимости от типа используемого разделительного поршня).

40

оо

I-

£\ -і а

--ъи

/Т

т

№

й

- —(

10

11

л.

1

*г+

р, т

і

13

Р, т

\

Т і

п ь А Ь А

Т *1 Я г і

Vм

15,

г-Р*+-Н ^

Г

17/

©-«-

*-

Рис. 3. Схема установки Magra-PVT в антикоррозионном исполнении: 1 - основная камера РУТ (3,8 л); 2 - поршень; 3 - канал для заправки и отбора труб; 4 - смотровое окно; 5 - датчик температуры; 6 - термостатическая камера; 7 - магнитная мешалка; 8 - датчик давления;

9 - эноскоп; 10 - вентиль для отбора проб; 11 - газометр; 12 - датчик давления и температуры;

13 - камера РУТ (2,0 л); 14 - камера РУТ (0,7 л); 15 - манометр; 16 - насос

Установки для термодинамических исследований пластовых нефтегазоконденсатных систем ______________________________________________________________________________месторождений ОАО «Газпром»

о

•--%

ЧЁоо

'* д*

г=г

т

1

Рис. 4. Схема установки Кияка-2370: 1 - контейнер с пробой; 2 - внешний гидравлический насос;

3 - механическая камера; 4 - гидравлическая камера; 5 - дожимной газовый компрессор;

6 - сепаратор; 7 - газометр; 8 - баллон с газом; 9 - редуктор; 10 - серводвигатель; 11 - управляющий компьютер;

12 - датчик давления и температуры

40

40

Актуальные вопросы исследований пластовых систем месторождений углеводородов. Часть I____________________________________

Рис. 5. Схема установки Chandler Engineering-3000: 1 - газоконденсатная ячейка; 2 - нефтяная камера; 3 - вспомогательная камера; 4 - вискозиметр; 5 - плотномер; 6 - привод поршня нефтяной камеры; 7 - управляющий насос

Рис. 6. Схема установки DBR

Лабораторная установка Fluid Eval изготавливается с различным набором дополнительных опций (например, охлаждение до -20 °С). Для визуального наблюдения за процессами, происходящими на контакте между жидкостью и газом, и определения давления их смешиваемости на установке Fluid Eval используется детектор поверхности раздела фаз

(IDS), расположенный внутри поршня, который позволяет определить границу раздела фаз и передать данные в эндоскоп. Эндоскоп дает возможность фокусировать изображение флюида во время испытаний в объектив камеры и наблюдать момент перехода фаз через сапфировое смотровое окно или монитор компьютера. Большая эффективность перемешивания достигается за счет комбинации качающего механизма и магнитного привода. На каждом этапе термодинамических исследований пластовых флюидов имеется возможность измерить плотность и вязкость жидкой фазы. С этой целью камера PVT соединяется капилляром с плотномером или вискозиметром высокого давления.

Обеспеченность научно-исследовательских учреждений, занимающихся экспериментальными исследованиями газоконденсатных систем, установками фазовых равновесий и их техническое состояние отражены в табл. 2.

Таблица 2

Обеспеченность научно-исследовательских организаций, занимающихся

экспериментальными исследованиями газоконденсатных систем, установками фазовых равновесий и их техническое состояние

Научное подразделение УГК-3 УФР-2 Мини-PVT Ruska-2370 Magra-PVT АСФ-PVT Vinci Technologies Chandler Engineering-3000

ООО «Газпром ВНИИГАЗ»  О

Филиал ООО «Газпром ВНИИГАЗ» в г. Ухта

ИТЦ ООО «Газпром добыча Астрахань» О

ООО «ТюменьНИИгипрогаз»

ООО «ВолгоУралНИПИгаз» О

ОАО «Тюменская центральная лаборатория»

ООО «МНП «Геодата»

действующая установка; недействующая установка;

Q модернизация установки

Современные зарубежные установки универсальны и могут быть использованы для проведения исследований не только газоконденсатных, но и нефтяных систем. Они оснащены интерфейсными и видеомониторинго-выми системами управления и контроля. Область применения установок для конденсатных систем ограничивается техническими возможностями определения замера жидкой фазы. В то же время это дорогостоящее оборудование, требующее значительных затрат на обслуживание.

В этой связи существует необходимость в разработке, изготовлении и внедрении отечественных высокоточных и надежных установок фазовых равновесий [2].

По такому пути пошло ОАО «ВНИИнефть», осуществившее совместно с предприятием ОЗНА модификацию находящихся в эксплуатации установок АСМ-300 и АСМ-600. Одновременно была разработана и изготовлена установка УИПН-400, позволяющая проводить полный комплекс исследований пластовых нефтей в соответствии с ОСТом. В УИПН-400 использована новая система автоматизации. Процесс управления экспериментальными исследованиями происходит автоматически с выводом текущей информации на экран компьютера.

В настоящее время существует острая необходимость в обеспечении экспериментальных исследований для условий ООО «Газпром добыча Астрахань», добывающего больше всего жидких углеводородов в системе ОАО «Газпром». Высокое содержание агрессивных компонентов не позволяет обеспечить проведение необходимых экспериментальных исследований из-за отсутствия необходимого экспериментального оборудования.

Список литературы

1. Инструкция по комплексному исследованию газовых и газоконденсатных скважин / Под общей ред. Ю.П. Коротаева, Г.А. Зотова, З.С. Алиева. - М: Недра, 1971. - 208 с.

2. Лапшин В.И. Проблемы технического обеспечения термодинамических исследований пластовых нефтегазоконденсатных систем на месторождениях ОАО «Газпром» / В.И. Лапшин, В. А. Николаев, В.М. Троицкий // Разработка месторождений углеводородов. - М.: ВНИИГАЗ, 2008. - С. 256-259.