HYDRATES FORMATION PROCESSES IN THE PRODUCTION FLOWLINES MONITORING METHOD
СПОСОБ МОНИТОРИНГА ПРОЦЕССОВ ГИДРАТООБРАЗОВАНИЯ В ПРОМЫСЛОВЫХ ШЛЕЙФАХ

Изобретение относится к области добычи природного газа и может быть использовано для определения начала процесса образования гидратов и места потенциальной гидратной пробки в трубопроводах для перекачки газа от устья скважины к зданию переключающей арматуры (ЗПА) установки комплексной подготовки газа (УКПГ).
В условиях Крайнего Севера при добыче газа возможны технологические осложнения с образованием гидратов в трубопроводах-шлейфах от устья скважины до ЗПА [Прахова М.Ю., Краснов А.Н., Хорошавина Е.А., Шаловников Э.А. Методы и средства предотвращения гидратообразования на объектах газодобычи // Нефтегазовое дело. 2016. №1. С. 101-118]. Для определении процессов начала гидратообразования в трубопроводах известен способ контроля температуры газа [Истомин В.А., Квон В.Г. Предупреждение и ликвидация газовых гидратов в системах добычи газа. М.: ООО «ИРЦ Газпром», 2004], способ контроля разницы расчетной температуры газа на ЗПА (по данным температуры газа на устье скважины и температуры окружающей среды) и фактической (измеренной) температуры газа на ЗПА [Патент RU2 329 371. Способ управления процессом предупреждения гидратообразования во внутрипромысловых шлейфах газовых и газоконденсатных месторождений Крайнего Севера / Андреев О.П., Салихов З.С., Ахметшин Б.С. и др.]. Для этих способов характерно определение признаков начала процесса гидратообразования, но отсутствует возможность определения места в шлейфе. Кроме того, характерна инерционность по времени обнаружения в случае потоков с низкими линейными скоростями.
Также известен способ определения потенциального участка начала процессов гидратообразования на основе контроля отклонения динамики измеренной и расчетной температур газа, дополненной контролем давления на устье скважины [Патент RU 2573654. Способ управления процессом предупреждения гидратообразования в газосборных шлейфах, подключенных к общему коллектору на газовых и газоконденсатных месторождениях Крайнего Севера / Арно О.Б., Арабский А.К., Ахметшин Б.С. и др.]. Данный способ возможен к применению на объектах с подключением скважин через газосборные шлейфы к газосборному коллектору. При выполнении условия начала гидратообразования, начинается анализ изменения давления на устье скважин, подключенных к данному коллектору, и по приближению к максимальному давлению определяется участок гидратообразования. Данный способ позволяет локализовать потенциально аварийный шлейф, если наблюдается повышение давления на одной или группе скважин, подключенных к одному шлейфу, или определить потенциально аварийный участок коллектора, если давление возрастает сразу по нескольким группам скважин. Однако, у данного способа низкая возможность локализации: участки шлейфов могут быть достаточно длинными, не говоря уже о коллекторе. При аварийной ликвидации гидратной пробки данной информации может быть недостаточно для оперативного решения проблемы.
Наиболее близким аналогом по достигаемому результату является способ мониторинга параметров потока в трубопроводе с целью обнаружения образования гидратов [WO 00/46545 Method and device for monitoring flow parameters in a pipeline in order to register hydrate formation. / BAKKE, Knut, I]. Данный способ предполагает излучение электромагнитных волн круговой или линейной поляризации на одной или группе частот внутрь трубопровода, регистрацию отраженных волн и по времени прохождения отраженной волны определение координаты точки отражения, а также, по коэффициенту диэлектрической проницаемости определение вещества, послужившего точкой отражения.
Данный способ позволяет определить место образования локального возмущения, послужившего точкой отражения, и позволяет судить о веществе, выпавшем в осадок, по диэлектрической проницаемости. Однако селективность этого определения существенно зависит от точности измерения диэлектрической проницаемости, которая в условиях несовершенства структуры и формы выпавшего в осадок вещества может оказаться недостаточной.
Данный способ применим только для трубопроводов, в конструкции которых отсутствуют повороты, изгибы или ряд изгибов под прямым углом, т.е. преимущественно в трубопроводах морских месторождений, т.к. электромагнитные волны с наименьшими затуханиями распространяются прямолинейно. Однако наземные шлейфы имеют значительную протяженность и могут быть подвержены значительным перепадам температур, вследствие чего в их конструкции применяют термокомпенсаторы - П-образные участки трубопровода, которые могут ограничивать распространение электромагнитных волн в шлейфе, что делает способ-прототип неприменимым для наземных шлейфов большой протяженности, особенно в условиях Крайнего Севера.
В способе-прототипе отсутствует возможность прогнозирования процессов гидратообразования и льдообразования, поскольку он фиксирует только уже сформированные отложения льда и гидратов.
Кроме того, для выполнения заявленных возможностей необходима установка специально подготовленной секции трубопровода, аналогичной по диаметру эксплуатируемому шлейфу, что сопряжено со значительными экономическими затратами на изготовление, доставку и капитальные работы на трубопроводе. Выполнение монтажных работ может потребовать необходимость прекращения добычи газа с кустов на время установки данной секции, что, в свою очередь, сопряжено с экономическими потерями от недозагруженности оборудования УКПГ.
Задачей изобретения является определение места возможного образования гидратных пробок и снижение затрат на установку системы, посредством использования уже эксплуатирующегося стандартного оборудования установок комплексной подготовки газа.
Сущность предлагаемого способа мониторинга процессов гидратообразования в промысловых шлейфах заключается в периодической генерации в конце шлейфа сканирующей волны, фиксации и анализе отраженного сигнала.
В отличие от прототипа в предлагаемом способе внутреннюю поверхность обследуемого шлейфа очищают, получают для него образцовую эхограмму и определяют на ней характерные точки, соответствующие местным сопротивлениям трубопровода, формирующим ответный сигнал. Выделяют характерные участки между соседними характерными точками, один из которых принимают реперным.
В процессе мониторинга периодически создают сканирующую волну давления (СВД), получают ответные сигналы в виде эхограмм.
По времени прохождения СВД реперного участка определяют скорость распространения сканирующей волны,
Путем сравнения полученных эхограмм с образцовой выявляют аномальные изменения отраженного сигнала по амплитуде. При их наличии привязывают их к схеме трубопровода и типу местного сопротивления, анализируют динамику изменения амплитуды отраженного сигнала в полученных характерных точках трубопровода и делают вывод о начале формирования нового местного сопротивления.
n
По изменению времени прохождения сканирующей волной характерных участков и по температуре газа в конце шлейфа рассчитывают абсолютную температуру газа T в окрестности нового местного сопротивления на участке n по рекуррентной формуле
,
n-1
n
n-1
n
n-1
где T - абсолютная температура на характерном участке n-1, предшествующем участку n, ΔL и ΔL - длины характерных участков n и n-1, соответственно, Δt и Δt - время прохождения сканирующей волной характерных участков n и n-1, соответственно.
Постоянно измеряют значения давления газа на ЗПА и устье скважины и по их соотношению рассчитывают давление в окрестности нового местного сопротивления.
Возможность существования кристаллогидратов при данных термобарических условиях в окрестности нового местного сопротивления определяют по диаграмме трехфазных равновесий для газов-гидратообразователей.
Сканирующую волну давления генерируют несколькими способами:
- закрывают кран на шлейфе в ЗПА;
- останавливают поток газа до выравнивания давления перед краном в ЗПА до значений устьевого давления и открывают кран;
- используют ресивер низкого давления (РНД), останавливают поток газа на шлейфе, выпускают газ в приемный ресивер, закрывают кран;
- используют ресивер высокого давления (РВД), в который компрессором предварительно нагнетают газ до значения давления, превышающего значение давления газа в шлейфе, останавливают поток газа на шлейфе и выпускают газ из ресивера в шлейф.
- используют РВД, который заполняют газом от линии нагнетания на выходе дожимной компрессорной станции.
Периодичность генерации СВД выбирают в диапазоне 0,5…1,5 часа в зависимости от температуры газа в шлейфе и динамики изменения амплитуды отраженного сигнала в характерных точках эхограммы.
n
На фиг. 1 представлено распределение температур T на характерных участках шлейфа.
На фиг. 2 представлены кривые трехфазных равновесий для индивидуальных газов-гидратообразователей [Истомин В.А., Квон В.Г. Предупреждение и ликвидация газовых гидратов в системах добычи газа. М.: ООО «ИРЦ Газпром», 2004].
На фиг. 3 показано генерирование СВД с помощью энергии потока. На фиг. 4 показан план подключения шлейфов к общему коллектору. На фиг. 5 показано генерирование СВД за счет внешней энергии. На фиг. 6 представлена эхограмма исследуемого шлейфа. На фиг. 7 представлена эхограмма с привязкой к характерным точкам шлейфа.
На фиг. 8 показан фрагмент схемы исследуемого шлейфа.
На фиг. 9 показано изменение эхограммы при понижении температуры в шлейфе по сравнению с образцовой эхограммой.
На фиг. 10 показана эхограмма с повышением амплитуды отраженного сигнала от характерной точки шлейфа
На фиг. 11 показана эхограмма с образованием нового местного сопротивления в шлейфе.
Данный способ целесообразно использовать в первую очередь на месторождениях добычи газа с коллекторно-кустовой схемой сбора газа. При данном способе добычи газ со скважин одного куста перекачивается до ЗПА по шлейфу. В процессе транспортировки по шлейфу могут возникать различные технологические осложнения, в том числе образование гидратных и ледяных пробок.
Для определения места образования нового отложения используется метод эхолокации: расстояние определяется по времени задержки отраженной от препятствия сканирующей волны давления (СВД). Перед использованием способа внутреннюю поверхность шлейфа очищают от скопившихся отложений продувкой на свечу или иным способом.
При первом измерении получают эхограмму для чистого трубопровода. Ее принимают в качестве образцовой. С помощью паспорта трубопровода на ней определяют характерные точки, соответствующие элементам конструкции трубопровода, формирующим ответный сигнал: повороты, колена и т.п.
В дальнейшем измерения повторяют на систематической основе. Для определения скорости распространения волны выделяют реперный участок шлейфа: участок с характерными точками, до которых известно расстояние и которые дают хорошо определяемые по форме сигнала и стабильные во времени отражения СВД. Данный участок целесообразнее выбирать ближе к ЗПА. По времени отражения от данных характерных точек определяется расчетная скорость распространения волны для каждого сеанса сканирования.
Каждую новую эхограмму сохраняют в базе данных и используют как основу для анализа и интерпретации технологической ситуации в трубопроводе. Эхограмму, полученную в текущем сеансе сканирования, сравнивают с образцовой эхограммой и выявляют аномальные изменения сигнала по амплитуде как от уже идентифицированных характерных точек (конструктивных особенностей шлейфа), так и от новых образований. Новые образования локализуют по расположению между характерными точками.
Затем проводят анализ динамики отраженных от характерных точек с помощью сформированной базы эхограмм и делают заключение о процессе роста отложений.
1
0
Шлейф разбивают на характерные участки - участки между характерными точками, привязанными к конструкции шлейфа. Для общего случая количество участков принимается равным N. За нулевую характерную точку принимают место установки датчика детектирования отраженной волны СВД. Для описания порядка нахождения температуры на характерном участке под произвольным номером n в качестве реперного участка принимается первый характерный участок - участок между характерной точкой N и датчиком детектирования отраженных волн (характерная точка N) (фиг. 8).
Скорость звука в газах, которой равна скорость распространения СВД, зависит от температуры [6] через соотношение:
где ν - скорость звука в газе, γ - отношение теплоемкости газа при постоянном давлении к теплоемкости при постоянном объеме, R - универсальная газовая постоянная, Т - абсолютная температура газа в Кельвинах, μ - масса моля, численно равная молекулярному весу газа. Таким образом:
Скорость звука на характерном участке №1 рассчитывается по формуле:
,
1
0
1
0
1
0
1
0
0
0
где L-L - длина характерного участка, выраженная через разность расстояний от датчика детектирования отраженных волн до характерных точек N и N; t-t - время прохождения СВД характерного участка, выраженное через разность времен с момента генерации СВД до детектирования отраженных сигналов от характерных точек N и N. В данном конкретном случае L=0 м и t=0 с.
Тогда температура на участке между данными реперными точками:
.
1
Эта температура газа T измеряется в конце шлейфа.
Для общего случая:
.
Для удобства расчетов введем коэффициент пропорциональности K:
.
Данный коэффициент вычисляется для реперного участка по эмпирическим данным:
.
Примем, что коэффициент K в пределах соседних характерных участков не изменяется или изменяется незначительно, т.е.:
или
,
,
Примем
n
n
n-1
ΔL=L-Z - длина n-го характерного участка,
n-1
n-1
n-2
ΔL=L-L - длина n-1-то характерного участка,
n
n
n-1
Δt=t-t - время прохождения СВД n-го характерного участка,
n-1
n-1
n-2
Δt=t-t - время прохождения СВД n-1-го характерного участка.
Тогда:
.
Температура на произвольном n-ом характерном участке (n≥2) рассчитывается по обобщенной рекуррентной формуле:
Таким образом, при появлении нового местного сопротивления на n-ом характерном участке вычисляется температура в его окрестности.
Давление в окрестности нового местного сопротивления вычисляется по значениям давления на устье скважины и в конце шлейфа по одной из известных моделей распределения давления вдоль трубопровода.
Полученные термобарические условия в окрестности нового местного сопротивления сравнивают с термобарическими условиями существования гидратов по диаграмме трехфазных равновесий для газов-гидратообразователей (фиг. 2), входящих в состав добываемого газа. Если условия удовлетворяют условиям существования гидратов, делают заключение о потенциальном существовании гидратов в шлейфе на участке нового местного сопротивления.
Для генерации СВД используют несколько способов.
Способы выбирают в зависимости от энергии потока газа, которая характеризуется его скоростью в шлейфе и давлением.
Первый способ заключается в резком закрытии крана на шлейфе (фиг. 3). На фиг. 3 показаны шлейф 1, кран 2, направление потока газа 3. При этом у крана кратковременно образуется зона повышенного давления, которая затем в виде СВД распространяется по шлейфу. Важным условием является малое время закрытия крана.
Второй способ заключается в остановке потока газа на шлейфе, ожидании выравнивания давления в конце шлейфа до значения давления газа на устье скважины и открытии крана. Он применим, когда шлейфы в ЗПА объединяются в коллектор, расположение которого перпендикулярно направлениям шлейфов (фиг. 4), а энергии газа для образования СВД по первому способу недостаточно. На фиг. 4 показаны шлейф 4 с условным диаметром 1000 и шлейф 5 с условным диаметром 400.
Третий способ предполагает использование ресивера низкого давления (РНД) (фиг. 5). Поток газа на шлейфе останавливают, газ выпускают в РНД, затем закрывают кран выпуска газа в РНД. Давление в РНД должно быть ниже давления в шлейфе на величину, обеспечивающую образование СВД остановкой потока газа из шлейфа в ресивер. На фиг. 5 показаны шлейф 6, кран 7 остановки потока газа, кран 8 выпуска газа в РНД 9.
Для четвертого варианта генерации СВД используется РВД. Газ в РВД нагнетают компрессором. Поток газа в шлейфе останавливают, газ из РВД выпускают в шлейф. Ресивер 9 на фиг. 5 используется как РВД.
Последний вариант генерирования СВД также предполагает использование РВД. Он полностью аналогичен четвертому способу, за исключением того, что РВД заполняют газом с линии выхода газа дожимной компрессорной станции.
Периодичность проведения измерений может изменяться в зависимости от нескольких факторов:
- от термобарических условий в шлейфе, в зависимости от степени их близости к условиям гидратообразования;
- от динамики процесса роста амплитуды отраженного сигнала в характерных точках;
- от скоростей движения потока.
Как правило, периодичность сканирований составляет 0,5…1,5 часа.
1
m
1
6
1
5
6
Для проведения измерений по описанному способу используют датчик давления с высокой частотой опроса (например, семейство датчиков РХ409 [HIGH ACCURACY PRESSURE TRANSDUCERS [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.omega.com/pressure/pdf/PX409_SERIES.pdf). На фиг. 6 приведен пример эхограммы, полученной на начальном этапе эксплуатации после очистки внутренней поверхности шлейфа генерацией СВД остановкой потока. В качестве реперного участка взят участок длиной 24 метра между краном и первым от ЗПА поворотом шлейфа. На эхограмме реперному участку соответствует время между моментом запуска волны и первым всплеском. В соответствии с паспортом шлейфа всплески эхограммы привязывают к конструктивным особенностям шлейфа с обозначением в качестве характерных точек из множества имен N…N. На фиг. 7 представлена эхограмма с выделенными характерными точками N…N. На фиг. 8 показана схема части шлейфа с привязанными характерными точками N…N (например, ими могут быть П-образные температурные компенсаторы ПК). Точка N находится за пределами показанной области и не указана в целях сохранения наглядности.
По длине реперного участка и интервалу времени на эхограмме определяют скорость звука в газе при конкретных термобарических условиях. По формуле (3) рассчитывают температуру на характерных участках.
4
На фиг. 9 приведен пример эхограммы для шлейфа с температурой газа ниже, чем температура газа при сканировании образцовой эхограммы. Вертикальными линиями отмечено смещение пика характерной точки N по сравнению с расположением на образцовой эхограмме.
4
На фиг. 10 приведена эхограмма, на которой виден рост амплитуды и смещение всплеска отраженного сигнала, соответствующего характерной точке N по сравнению с образцовой эхограммой. Сдвиг обусловлен понижением температуры газа в шлейфе, а рост амплитуды отраженного сигнала - началом образования нового местного сопротивления в окрестности данной характерной точки.
5
6
На фиг. 11 приведена эхограмма, на которой видно появление нового всплеска отраженного сигнала между всплесками, соответствующими характерным точкам N и N что является признаком начала образования нового местного сопротивления между данными характерными точками.
Технический результат - определение места образования гидратных пробок и снижение затрат на установку системы - достигается следующим образом.
Место образования пробки определяют с помощью волн давления. Данный метод позволяет охватить большую контролируемую длину шлейфа по сравнению с прототипом, независимо от наличия изгибов трубопровода, т.к. волны давления затухают меньше электромагнитных волн при преодолении участков трубопроводов с изгибами под прямым углом. При этом точность определения местоположения образования гидратов остается достаточной для технологических целей (максимальная погрешность ±10 м). Таким образом, способ может быть использован на шлейфах любых типов профилей и протяженностей, в том числе в условиях Крайнего Севера.
Предлагаемый способ позволяет осуществлять прогнозирование образования льда и гидратов исходя из текущих термобарических условий, причем уточнение этих условий производят в каждом сеансе сканирования. Поскольку термобарические условия образования льда и гидратов различны, предлагаемый способ обладает селективностью и обеспечивает возможность точного прогнозирования природы потенциального образования. Таким образом, предлагаемый способ в отличие от прототипа диагностирует характер возникшего местного сопротивления по прямым признакам (термобарические условия), а не по косвенным (диэлектрическая проницаемость).
Стоимость установки оборудования снижают за счет исключения:
- этапа заводской подготовки секции трубопровода;
- доставки крупногабаритного груза до места установки;
- масштабных капитальных работ, связанных с установкой на шлейф.
Датчики давления и температуры, необходимые для эксплуатации системы, устанавливают в штатные места установки оборудования КИП в шлейфе, которые подготавливают без использования тяжелой подъемной техники.
При установке системы мониторинга исключена необходимость остановки добычи газа на значительный промежуток времени. Благодаря этому, сокращают экономические потери, связанные с недозагруженностью оборудования УКПГ.
Таким образом, предложенный способ позволяет проводить мониторинг и прогнозирование гидратообразования без существенных дополнительных затрат на установку системы. Предлагаемое изобретение может быть использовано в нефтегазовой промышленности, где необходимо определение мест отложения различных веществ внутри шлейфа во время процесса добычи газа.