УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДЕБИТА ПРОДУКЦИИ НЕФТЕГАЗОДОБЫВАЮЩИХ СКВАЖИН
DEVICE FOR MEASUREMENT OF OIL AND GAS WELL FLOW RATE

Изобретение относится к области добычи нефти и может быть использовано при измерениях дебита водонефтяной смеси (жидкость) и попутного нефтяного газа (газ), добываемых из скважин.
Известно устройство для измерения дебита скважин, включающее в себя входной трубопровод, газо-жидкостной сепаратор (сепаратор), трубопроводы, предназначенные для отвода жидкости и газа из сепаратора, и выходной трубопровод.
На трубопроводе, отводящем газ (газовый трубопровод), установлена заслонка, выполняющая вместе с механически связанным с ней поплавком, которым оборудован сепаратор, роль регулятора уровня жидкости в нем.
На трубопроводе, отводящем жидкость из сепаратора (жидкостной трубопровод), установлен высокопредельный счетчик жидкости, работающий совместно с регулятором перепада давления - двухпозиционным пневмоуправляемым клапаном (клапан), обеспечивающим работу этого счетчика в аттестованном диапазоне значений расхода (поэтому его также иногда называют регулятором расхода).
Клапан оборудован фиксаторами положения («открыто» - «закрыто») и мембранной камерой (камера), причем подмембранная (плюсовая) полость этой камеры пневматически связана с верхней полостью сепаратора, а надмембранная (минусовая) полость этой камеры пневматически связана с газовым стояком на выходном трубопроводе.
Устройство работает следующим образом.
Газо-жидкостная смесь поступает в сепаратор и разделяется на газ и жидкость.
Газ через открытую заслонку уходит в выходной трубопровод, а жидкость накапливается в сепараторе (в исходном положении клапан закрыт).
По мере повышения уровня жидкости поплавок прикрывает заслонку, в результате чего создается повышенное сопротивление прохождению газа через нее и в сепараторе (соответственно, и в плюсовой полости камеры клапана) начинает повышаться давление относительно выходного трубопровода - перепад давления.
После закрытия заслонки при достижении значения перепада давления газа верхнего порога срабатывания клапана его запорный орган резко переходит из положения «закрыто» в положение «открыто» и фиксируется в этом положении.
После открытия клапана жидкость под действием перепада давления интенсивно выталкивается из сепаратора, счетчик производит измерение ее количества, уровень ее в сепараторе начинает снижаться.
По мере снижения уровня жидкости поплавок приоткрывает заслонку, газ вновь начинает поступать в выходной трубопровод, перепад давления уменьшается.
При достижении значения перепада давления нижнего порога срабатывания клапана он также резко закрывается, счетчик жидкости останавливается и цикл измерения дебита жидкости заканчивается.
Далее процесс продолжается описанным выше способом.
Таким образом, устройство позволяет с помощью высокопредельного счетчика измерять чрезвычайно малые дебиты жидкости.
Недостатком известного устройства является ограниченность функциональных возможностей: устройство позволяет производить измерения дебита лишь одного компонента - жидкости.
Известно устройство [2], также содержащее входной трубопровод, сепаратор с поплавком, механически связанным с заслонкой на газовом трубопроводе, высокопредельный счетчик жидкости, двухпозиционный пневмоуправляемый клапан на жидкостном трубопроводе и выходной трубопровод.
Однако в состав этого устройства дополнительно включены еще один газовый трубопровод, такой же клапан и дроссель, устанавливаемые на дополнительном газовом трубопроводе, и высокопредельный счетчик газа, устанавливаемый на основном газовом трубопроводе.
Минусовые полости камер обоих клапанов пневматически связаны с газовым стояком на выходном трубопроводе, а плюсовые полости камер - с верхней полостью сепаратора.
Устройство позволяет производить измерения дебита не только жидкости, но и газа.
Недостатком известного устройства является слабая функциональная нагруженность узлов, следствием чего является сложность конструкции, аппаратурная избыточность, узость функциональных возможностей и потребительских свойств.
В связи с этим следует отметить, что реальные измерительные установки, в основу которых заложено известное устройство, ввиду их значительной стоимости изготавливаются в групповом варианте исполнения.
Т.е. известное устройство является измерительным модулем, к которому с помощью распределительного модуля в автоматическом режиме поочередно подключается до 14 нефтегазодобывающих скважин, расположенных в ближайшей округе.
Выбор скважин для подключения к одной установке по территориальному признаку обеспечивает наименьшие затраты на обустройство месторождений нефти.
3
3
Однако это приводит к тому, что к одной установке, как правило, оказываются подключенными скважины с большим дебитом газа (например, до 60000 м/сут) и с очень малым (в пределах 100 м/сут).
Недостатком известного устройства является его неадаптивность к условиям объекта, заключающаяся в том, что при подключении к нему скважин с дебитом газа ниже предела чувствительности счетчика этот газ свободно уходит в выходной трубопровод и не учитывается.
Еще одним недостатком известного устройства является сложность конструкции - наличие элементов с чрезвычайно малой функциональной нагрузкой, следствием чего является повышенная стоимость изготовленных на его базе реальных изделий.
Целью изобретения является упрощение конструкции, расширение функциональных возможностей и улучшение потребительских свойств.
Указанная цель достигается тем, что в устройстве для измерений дебита продукции нефтегазодобывающих скважин, содержащем входной трубопровод, газо-жидкостной сепаратор с поплавком, трубопровод, отводящий газ из сепаратора, на котором установлены высокопредельный счетчик газа и двухпозиционный пневмоуправляемый клапан с фиксаторами положения («открыто» - «закрыто») и с мембранной (или поршневой) камерой, трубопровод, отводящий жидкость из сепаратора, оборудованный высокопредельным счетчиком жидкости и таким же клапаном, а также выходной трубопровод с газовым стояком, причем надмембранные полости камер обоих клапанов пневматически связаны этим газовым стояком, к верхней полости сепаратора пневматически подключается входной канал переключающего устройства, имеющего три выходных канала, механически через рычажный механизм связанного с поплавком, причем один выходной канал этого устройства пневматически подключается к подмембранной полости камеры клапана на газовом трубопроводе, второй выходной канал пневматически подключается к подмембранной полости камеры клапана на жидкостном трубопроводе, а третий выходной канал пневматически подключается к газовому стояку на выходном трубопроводе.
Сравнение заявляемого решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области, не позволило выявить в них признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «существенные отличия».
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство для измерений дебита продукции нефтегазодобывающих скважин отличается тем, что применяемое переключающее устройство играет роль командного устройства и организовывает работу клапанов таким образом, что при увеличении уровня жидкости в сепараторе переключающее устройство посредством поплавка, рычагов и системы каналов перепускает давление газа из верхней части сепаратора в подмембранную полость клапана на жидкостной линии, открывая и закрывая его при соответствующем давлении срабатывания, а при уменьшении уровня жидкости это же давление газа перепускает в подмембранную полость клапана на газовой линии, настроенного, как правило, на такой же диапазон срабатывания, что и клапан на жидкостной линии, при этом обеспечивается работа клапанов в противофазе, т.е. когда один клапан открыт, то другой в это время закрыт и на оборот. Тем самым сохраняется требуемый перепад давления, например, в диапазоне 0,02-0,12 МПа, который позволяет измерять расход (количество) газа независимо от величины его дебита, т.е. повышается адаптивность к условиям объекта и улучшаются потребительские свойства изделий, выполненных на базе заявляемого устройства.
Таким образом, заявляемое устройство для измерений дебита продукции нефтегазодобывающих скважин соответствует критерию «новизна».
На фигуре изображена принципиальная схема заявляемого устройства.
В состав устройства входит входной трубопровод (1), сепаратор (2), оборудованный поплавком (3), связанным с помощью тяги (4) с переключающим устройством (6), жестко закрепленным в верхней части сепаратора. На газовом трубопроводе (5) смонтирован высокопредельный счетчик газа (7) и двухпозиционный пневмоуправляемый клапан (11) с фиксаторами положения (не показаны) и мембранной камерой (далее газовый клапан). Минусовая полость камеры с помощью импульсной трубки (14) подключена к газовому стояку (15) на выходном трубопроводе (17), также входящем в состав устройства. На жидкостном трубопроводе (9) смонтированы высокопредельный счетчик жидкости (10) и такой же клапан (13) (далее жидкостной клапан), минусовая камера которого с помощью импульсной трубки (16) соединена с тем же газовым стояком (15) на выходном трубопроводе (17).
Плюсовая, т.е. подмембранная камера газового клапана (11) пневматически связана через импульсную трубку (8) с одним из плюсовых каналов переключающего устройства(6).
Плюсовая камера жидкостного клапана (13) также пневматически связана через импульсную трубку (18) только с другим плюсовым каналом переключающего устройства (6).
Переключающее устройство (6) закреплено в верхней части сепаратора (2), исполнительный механизм с системой каналов которого механически связан через рычаги (4) с поплавком (3). В свою очередь переключающее устройство (6) пневматически связано через импульсную трубку (12) с верхней частью сепаратора (2) и имеет три выходных канала. Один выходной канал подключен к плюсовой полости газового клапана (11), он пневматически связывает верхнюю часть сепаратора с плюсовой камерой газового клапана (11), назовем его условно «сепаратор - газовый клапан», второй выходной канал подключен к плюсовой полости жидкостного клапана (13) и пневматически связывает верхнюю часть сепаратора с плюсовой камерой жидкостного клапана (13), назовем этот канал «сепаратор - жидкостной клапан», а третий канал подключен через импульсную трубку (19) к газовому стояку (15), он пневматически связывает поочередно, в зависимости от уровня поплавка, то плюсовую камеру газового клапана (11) с газовым стояком (15), назовем этот канал «сброс перепада газового клапана», то плюсовую камеру жидкостного клапана (13) с газовым стояком (15), он будет называться «сброс перепада жидкостного клапана».
Порядок работы заявляемого устройства следующий.
В исходном положении сепаратор (2) заполнен на минимальный уровень, поплавок (3) лежит на дне, переключающее устройство (6) открыто по каналу «сепаратор - газовый клапан» и по каналу «сброс перепада жидкостного клапана», газовый и жидкостной клапаны закрыты.
Газо-жидкостная смесь по входному трубопроводу (1) поступает в верхнюю полость сепаратора и разделяется на газ и жидкость.
2
Газ заполняет сепаратор, перепад давления в сепараторе достиг верхнего порога срабатывания (например, 1,2 кгс/см) и клапан (11) резко устанавливается в положение «открыто», при этом газ через счетчик (7) начинает интенсивно поступать в выходной трубопровод (17), перепад давления уменьшается.
2
При достижении перепада давления нижнего порога срабатывания (например, 0,2 кгс/см) клапана (11) он резко устанавливается в положение «закрыто» и переток газа из сепаратора в выходной трубопровод прекращается.
Примечание - если дебит газа (в рабочих условиях) больше дебита жидкости, то таких импульсов сброса газа из сепаратора за время цикла налива жидкости может быть несколько.
Если же дебит газа чрезвычайно мал, то за время одного цикла налива жидкости может не произойти ни одного цикла сброса газа из сепаратора (накопление газа продолжится).
Далее в процессе налива при достижении уровня жидкости в сепараторе заданного значения (регулируется длиной тяги 4) переключающее устройство (6) открывается по каналам «сепаратор - жидкостной клапан» и «сброс перепада газового клапана», а канал «сепаратор - газовый клапан» закрывается.
При этом давление газа в плюсовой полости камеры газового клапана (11) резко выравнивается с давлением минусовой камеры и клапан (если на этот момент был открыт) резко закрывается.
Газ и жидкость продолжают поступать в сепаратор. Уровень жидкости продолжает повышаться. Перепад давления за счет сжатия газовой «шапки» и за счет вновь поступающего газа и жидкости также повышается.
2
При достижении перепада давления верхнего порога срабатывания (например, 1,2 кгс/см) жидкостного клапана (13) он резко устанавливается в положение «открыто» и жидкость через счетчик (10) начинает интенсивно выталкиваться сжатым газом в выходной трубопровод (17), уровень жидкости уменьшается, поплавок опускается.
При достижении поплавка нижнего уровня жидкости переключающее устройство вновь открывается по каналам «сепаратор - газовый клапан» и «сброс перепада жидкостного клапана», в этот момент давление в мембранной камере резко выравнивается и жидкостной клапан резко переходит в положение «закрыто».
Далее процесс повторяется.
Проверка предлагаемых технических решений производилась на заводском метрологическом стенде, включающем в себя поверочный и поверяемый измерительные модули.
3
На поверочном модуле для измерений расхода газа использовался низкопредельный счетчик с диапазоном измерений от 50 до 2500 м/сут (в нормальных условиях). Для измерений расхода жидкости использовался низкопредельный счетчик с диапазоном измерений от 24 до 120 т/сут.
Поверяемый модуль был оборудован в соответствии с принципиальной схемой, изображенной на чертеже.
2
2
Клапаны на газовом и жидкостном трубопроводе были настроены на диапазон срабатывания: на открытие от 1,0 до 1,2 кгс/см; на закрытие от 0,2 до 0,3 кгс/см.
3
Для измерений расхода газа использовался высокопредельный счетчик с диапазоном измерений от 1500 до 75000 м/сут.
Для измерений расхода жидкости использовался высокопредельный счетчик с диапазоном измерений от 144 до 720 т/сут.
Суть испытаний сводилась к определению возможности измерений с помощью заявляемого устройства, оснащенного высокопредельными счетчиками, расхода газа и жидкости, величина дебита которых меньше нижнего предела их диапазонов измерений по расходу.
При этом в качестве критерия удовлетворительности результатов испытаний было выбрано условие: погрешность измерений должна соответствовать требованиям ГОСТ Р 8.615-2005 «Измерения количества извлекаемых из недр нефти и нефтяного газа. Общие метрологические и технические требования».
3
В процессе испытаний имитировались (задавались на поверочном модуле) значения дебита газа 50, 500 и 1000 м/сут и значения дебита жидкости 25, 50 и 100 т/сут.
При этом получена наибольшая погрешность при измерениях расхода газа ±2,3%, наибольшая погрешность при измерениях расхода жидкости - ±1,4%.
Таким образом, исходя из принятого критерия результаты испытаний следует признать удовлетворительными, поскольку в соответствии с ГОСТ Р 8.615-2005 погрешность измерений расхода газа должна быть не более ±5%, жидкости - ±2,5%.
Источники информации:
1. Авторское свидетельство СССР №577290, кл. E21B 43/00, 1975.
2. Авторское свидетельство SU №1530765 A1, кл. E21B 47/10, 1987.