УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОКОМПОНЕНТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ДЕБИТА ТРЕХФАЗНОЙ СМЕСИ, СОСТОЯЩЕЙ ИЗ ДВУХ НЕСМЕШИВАЮЩИХСЯ ЖИДКОСТЕЙ РАЗНОЙ ПЛОТНОСТИ И ГАЗА В ЗАМКНУТОЙ СИСТЕМЕ

Область применения
Заявляемое решение относится к сепарации продукции, содержащей компоненты с разной плотностью, а более конкретно касается сепарации и учета продукции, содержащей газообразную фазу и две жидкие фазы с разной плотностью. Полезная модель найдет применение в процессах разделения различных несмешивающихся жидкостей, но в основном найдет применение в системах добычи нефти, на скважинах, дожимных насосных станциях, на начальной стадии подготовки нефти, для предварительного сброса воды и иных установках нефтегазовой промышленности.
Уровень техники
Известно разделение смеси жидкостей с различной плотностью путем создания условий для расслоения смеси, последующего ее отстаивания и вывода разделенных жидкостей. Такое разделение осуществляют с помощью устройства, корпус которого включает средства для ввода и вывода жидкостей, две продольные перегородки, образующие канал для перетока жидкости, и распределитель с боковыми перфорированными отводами (авторское свидетельство СССР №581968, МПК: B01D 17/028). Указанное техническое решение малоэффективно, так как не обеспечивает интенсифицирующее воздействие на исходную смесь жидкостей, не обеспечивает отстаивание расслоенной смеси, кроме того, больший объем жидкости подвержен турбулентным пульсациям от входного потока исходной смеси.
Известно также разделение продукции нефтяной скважины на газ, нефть и воду в устройстве, включающем наклонную колонну с датчиками уровня газ-нефть и нефть-вода, которая разделена трубопроводом подвода газожидкостной смеси на нефтеотстойную и водоотстойную секции. Трубопровод подвода газожидкостной смеси оснащен успокоителем потока с газоотделителем, выполняющим роль газосборника, а в месте ввода снабжен U-образным распределителем потока, входные концы которого размещены соответственно в нефтеотстойной и водоотстойной секциях. В верхней части наклонной колонны установлен вертикальный газоотводящий газосборник, соединенный трубопроводом с газоотделителем. Колонна снабжена патрубками для отвода воды, нефти, газа и технических примесей (патент РФ №2119372, МПК: В01D 19/00). Указанное техническое решение также малоэффективно, так как при прохождении газожидкостной смеси по успокоителю потока разделяемый поток сохраняет высокую скорость, что вызывает его пульсацию и вторичное перемешивание и препятствует достижению требуемого расслоения жидкой смеси.
В силу низкой эффективности указанные технические решения не нашли практического применения.
В качестве прототипа нами выбран способ сепарации и учета продукции нефтяной скважины, защищенный патентом №2309000 «СПОСОБ СЕПАРАЦИИ И УЧЕТА ПРОДУКЦИИ, СОДЕРЖАЩЕЙ ГАЗООБРАЗНУЮ ФАЗУ И ДВЕ ЖИДКИЕ ФАЗЫ С РАЗНОЙ ПЛОТНОСТЬЮ, И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ». Способ включает подачу продукции в первую зону сепарации для разделения продукции на газообразную и жидкую фазы и вывода газа. Жидкую фазу направляют во вторую зону сепарации и осуществляют расслоение жидкой фазы на равные по высоте столбы жидкой фазы с меньшей и большей плотностью, размещенные один над другим. Жидкую фазу с большей плотностью направляют в третью зону сепарации. Вторую и третью зоны формируют по типу сообщающихся сосудов. В третьей зоне из жидкой фазы с большей плотностью формируют столб, высота которого меньше общей высоты двух столбов жидкой фазы во второй зоне на величину, которую поддерживают постоянной. Устройство включает герметичный корпус, в котором первая камера имеет три пластины, образующие лабиринт. Вторая камера образована за последней пластиной. Третья камера установлена внутри второй камеры с образованием сообщающихся сосудов. Технический результат состоит в повышении эффективности разделения фаз.
Такое изобретение имеет ряд существенных недостатков и ограниченный круг применения. Для обеспечения качественного разделения жидких фаз необходимо, чтобы средства измерения жидких фаз не должны оказывать сопротивление движению жидкости, то есть не должны создавать перепад, поэтому там применим только свободный («самотек») выход жидкости. В противном случае граница раздела жидких компонентов может смещаться вверх или вниз, тем самым нарушится раздел жидких фаз.
Если перепад на счетчике газа превысит величину p*g*h, где p - плотность жидкости, g - ускорение свободного падения, h - высота колена гидрозатвора, то часть газа может уйти по линии жидкости, минуя счетчик газа. По этим причинам патент №2309000 не нашел широкого применения.
Технический результат состоит в повышении эффективности разделения фаз и достижении более высокого качества измерения дебита.
Реализация полезной модели
Заявленный технический результат достигается за счет того, что устройство для покомпонентного измерения дебита трехфазной смеси, включающее в себе депульсатор, гидроциклон, герметичную сепарационно-разделительную емкость, ряд перегородок в виде лабиринта сообщающихся сосудов, воронки для отбора жидких фаз, устройства измерения массового расхода жидких фаз, линию отбора и измерения газа, отличающееся тем, что емкость и перегородки выполнены с возможностью свободного пропуска смеси в виде непрерывного потока, а перегородки сформированы в виде сообщающихся сосудов так, что со стороны начала запуска смеси на высоте примерно в ¾ от высоты емкости закреплена воронка для отбора менее плотной жидкости, а для отбора более плотной жидкости в правом отсеке сообщающихся сосудов установлена вторая воронка, расположенная чуть ниже по высоте относительно первой. Кроме того, на линии учета газа может быть установлен регулятор расхода. А на входе в устройство может быть установлен дозировочный насос для подачи деэмульгатора. Если жидкие компоненты образуют устойчивую эмульсию, возникает необходимость подачи деэмульгатора. Кроме того, воронки выполнены с возможностью смещения относительно друг друга по высоте в зависимости от плотностей жидких фаз. На пути смеси может быть установлен депульсатор с целью улучшения качества сепарации.
Краткое описание чертежей
На Фиг.1 показана конструктивная схема полезной модели (а - вид сбоку, б - вид сбоку с торца, в - вид сверху), где 1 - корпус сепаратора, 2 - вход продукции скважины, 3 - лабиринт перегородок, закрепленных на днище и стенках корпуса, 4 - потолочные перегородки, 5 - датчик гидростатического давления, 6 - электромагнитный клапан, 7 -счетчик газа, 8 - нефтесбор (коллектор), 9 - воронка.
На Фиг.2 показан принцип раздела жидкостей (без средств измерения) и газа в сепараторе, где 10-труба для слива воды, 11-труба для слива нефти.
Осуществление полезной модели
2
2
Устройство может быть реализовано на примере Фиг.1, включает в себе депульсатор, гидроциклон (депульсатор и гидроциклон не показаны на чертеже), герметичную сепарационно-разделительную емкость (1), ряд перегородок (3) в виде лабиринта, сообщающиеся сосуды, воронки (9) для отбора жидких фаз, устройства измерения массового расхода жидких фаз, линию отбора и измерения газа. В левую часть (см. Фиг.1) этой емкости поступает смесь в виде непрерывного потока, все выходы продукции расположены в правой части. Поэтому внутри устройства происходит непрерывное перемещение всех компонентов слева направо. При этом происходит непрерывное разделение, расслоение смеси на компоненты. Разделение и отстой происходит под действием гравитационного поля. Пузырьковый газ (см. Фиг.2), имеющийся в жидкости, поднимается вверх, капельки жидкости из газа постепенно опускаются в жидкость (для этого в верхней части устройства установлены перегородки (4), заставляющие газ перемещаться по синусоиде в вертикальной плоскости. Проходя лабиринт (3), уже разделенная на фазы жидкость попадает в сообщающиеся сосуды, организованные в правой части устройства. При этом правая часть сообщающихся сосудов существенно меньше по объему. В правую часть по щели снизу попадает только наиболее плотная составляющая жидкости (чаще всего это вода). Левую часть сообщающихся сосудов занимают уже разделенные жидкие фазы: сверху наименее плотная жидкость, внизу -плотная жидкость. На высоте примерно в ¾ от высоты устройства в левой части сообщающихся сосудов закреплена воронка (9) для отбора менее плотной жидкости. Она же определяет долю объема устройства, заполненной жидкостью - жидкость в устройства не может подняться выше этой воронки. Для отбора более плотной жидкости в правом отсеке сообщающихся сосудов установлена вторая воронка (9). Она расположена немного ниже. Обозначим разность высот А. В нижней части сообщающихся сосудов гидростатическое давление столба жидкости правого колена сообщающихся сосудов равна p=pgH, где Н - высота столба в правом колене, р - плотность столба жидкости, g - ускорение свободного падения. По аналогии, общее давление двух слоев столба жидкости в другой части сообщающихся сосудов равно:
1
1
1
1
2
2
1
2
1
2
p=pgh+pgh. Здесь h и h высоты слоев жидкости, (p и р) - плотности жидкостей. По закону Паскаля (р) и (р) равны между собой:
2
1
1
2
2
pgH=pgh+pgh.
1
2
2
1
2
1
2
2
1
2
Для чистого разделения жидких фаз необходимо добиться, чтобы толщина слоев двух жидких фаз были одинаковы. На границе раздела жидких фаз может слой смеси определенной толщины, надо себя обезопасить оттого, чтобы этот слой смеси не мог охватить зону сообщения сосудов внизу или же зону воронки. Пусть h=h=h, тогда pgH=pgh+pgh=(p+p)gh. Разницу высот столбов жидкости обозначим как Δ. Тогда Δ=2h-H. Несложные математические выкладки дают Δ=(1-(р-p)/p)h. При этом h - это половина высоты столба жидких фаз. Реально разница высот воронок составляет 10-20 см.
Зная плотности жидких фаз и высоту жидкости в устройстве, заранее вычисляется разность высот воронок Δ, или же одну воронку надо сделать регулируемым по высоте. Далее жидкие компоненты через воронки (9) поступают в узлы измерения массового расхода.
Далее рассмотрим работу одного из двух идентичных узлов. Измеритель массового расхода жидкости (далее ИЖ) представляет собой вертикальную емкость с неизменной в большей части высоты площадью поперечного сечения (например, цилиндрической формы, расположенной вертикально), соединенный сверху воронкой (9), снабженный датчиками гидростатического давления (5) и внизу нормально открытым клапаном (6) для слива.
Рассмотрим работу устройства измерения массового расхода жидкости (ИЖ). В исходном состоянии клапаны (6) открыты, разделение и отстой жидкостей происходит, но жидкие компоненты, проходя воронку (9), измерительную емкость и открытый электромагнитный клапан, уходят в коллектор (8) без измерения. Газ тоже по этим же путям уходит в коллектор. Какая-та часть газа может проходить через счетчик (7). По команде контроллера закрываются электромагнитные клапаны (6) на выходах измерительных емкостей. Начинается набор жидкостей. При достижении определенного уровня (начального гидростатического давления) включается таймер и отсчитывается отрезок времени, необходимый для достижения конечного гидростатического давления, соответствующего заранее заданной массе порции жидкости, поступившей в измерительную емкость после включения таймера. Изначально рассчитываются и задаются такие значения начального и конечного гидростатического давлений, чтобы обе точке попали в цилиндрическую часть мерной емкости с неизменной площадью поперечного сечения. В этот момент открывается клапан (6), набранная жидкость сливается. Когда уровень жидкости опустится заведомо ниже момента включения таймера (то есть ниже нижнего контрольного уровня), клапан (6) закрывается, начинается новый цикл измерения. По массе поступившей жидкости и измеренному отрезку времени, контроллер вычисляет суточный массовый дебит по каждой жидкости (нефти или воды) и по каждому циклу измерения. Эти значения усредняет в конце времени замера. Контроллеру можно возложить и иные режимы управления процессом измерения. При этом в процессе измерения газ не может уходить по линии нефти (11) или воды (10). Для этого предусмотрен некоторый объем для жидкости от нижнего края цилиндрической части мерника до запорного элемента клапан. То есть весь попутный газ проходит через счетчик газа.
Пусть M - масса порции продукции, взятая за единицу. Тогда после каждого цикла контроллер вычисляет дебит: Q=M*86400/t, где t-время наполнения мерника (показание таймера) в секундах, а Q-массовый дебит жидкости в сутки. По истечении времени замера контроллер вычисляет среднее значение дебита. Аналогично работает другой измеритель. Предполагается, что клапан открывается и закрывается достаточно быстро - за это время жидкость не успевает опуститься до запорного элемента клапана. В отличие от устройства, описанного в прототипе №2309000, в заявленном решении:
- нет ограничения по перепаду давления на счетчике газа;
- перепад способствует более быстрому сливу жидкости, значит можно использовать сливной клапан с меньшим условным проходом,
- пузырьковый газ, который попасть вместе с жидкостью в измерительную емкость не может повлиять на качество замера, так как он не искажает величину гидростатического давления;
- нет необходимости измерять температуру жидкостей (масса жидкости не зависит от температуры);
- для замера небольших дебитов по газу можно на газовой линии поставить
регулятор расхода -он не повлияет процессу разделения на фазы. В полезной модели не рассмотрены возможные конфигурации сепарационно-разделительной емкости, расположение водяной воронки, депульсатора и гидроциклона, предохранительного клапана, так как они не являются предметом защиты данного решения и могут быть использованы аналогично тому, как в прототипе.
Способ измерения массового расхода с помощью мерных емкостей предполагает, что не измеряется абсолютный объем (или масса) протекшей продукции (ведь при переключении клапана и в процессе слива часть жидкости проскакивает без замера), а во время измерения дебита не происходят резкие скачки дебита. Три перегородки (4), прикрепленные к «потолку» вынуждают» газ двигаться по синусоиде, тем самым помогают отбить капельки жидкости, которые могли уйти с газом. Жидкость из воронки (9) в ИЖ перемещается самотеком.