Многофазный расходомер для покомпонентного определения расходов газа, углеводородного конденсата и воды в продуктах добычи газоконденсатных скважин
MULTIPHASE FLOWMETER FOR THE COMPONENT-BY-COMPONENT DETERMINATION OF THE FLOW RATES OF GAS, HYDROCARBON CONDENSATE AND WATER IN THE PRODUCTS OF GAS CONDENSATE WELLS

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано на скважинах или установках первичной подготовки газа для определения расхода газа, жидкого углеводородного конденсата и воды без разделения продукта добычи скважины на составляющие его компоненты.
Известен способ и устройство определения покомпонентного расхода потока газожидкостной смеси (ГЖС), основанный на результатах взаимодействия ГЖС с электромагнитным полем миллиметрового диапазона длин волн, измерении частоты Доплера и резонансной частоты микроволнового резонатора типа Фабри-Перо, заполненного ГЖС, вычислении по этим данным скорости потока и площадей поперечных сечений, занятых жидкой и газовой фазой и последующим определением расходов газа и жидкости [1].
3
3
Недостатками способа и устройства являются невозможность определения соотношения объемных долей воды и углеводородного конденсата в жидкости, а также низкий верхний предел водо-газового фактора (ВГФ) составляющей ~100 см/нм, в то время как большинство скважин имеют ВГФ, существенно превышающий эту цифру.
Недостатком устройства являются также крутые углы входного сужающего устройства, отличие зеркал резонатора Фабри-Перо (РФП) от плоских, и наличие в объеме резонатора пластины, гасящей паразитные колебания, что создает газодинамическое сопротивление потоку ГЖС и вызывает нестабильность его пространственного положения, приводящую к резким скачкам сигнала с детектора резонатора, что требует применения сложных статических методов обработки сигнала и, в свою очередь, вызывает необходимость использовать мощное вычислительное устройство.
Наиболее близким к предлагаемому расходомеру является устройство [2], выбранное за прототип. Оно содержит встроенную в трубопровод измерительную секцию с переходами от стандартного сечения трубопровода к зауженному сечению, которое охватывается измерительным резонатором дециметровых волн, байпасную линию с встроенным в нее опорным резонатором, идентичным измерительному, который заполняется газом, прошедшим через фильтр, отбивающий жидкую фазу, и электронные блоки, измеряющие резонансные частоты и добротности обоих резонаторов при протекании через основной трубопровод потока газожидкостной смеси. Обрабатывая полученные с резонаторов данные, устанавливают объемные доли газа, воды и углеводородного конденсата, поступающего из скважины.
При этом сужающее устройство играет в приводимой конструкции непринципиальную роль: оно нужно только для сопряжения меньшего диаметра проходного отверстия резонатора с большим диаметром рабочего трубопровода.
Недостатком устройства, принятого за прототип, является отсутствие измерителя скорости потока. Кроме того, из-за небольшого перепада давления на сужающем устройстве и достаточно высокого газодинамического сопротивления фильтра проток газа через опорный резонатор крайне мал. Это приводит к большим временам запаздывания показаний опорного резонатора по отношению к измерительному, что, в конечном счете, ведет к возрастанию погрешности при измерении плотности газожидкостной смеси.
Следующим недостатком устройства является трудность регенерации фильтра и удаления из него капельной жидкости.
Недостатком способа и устройства является также необходимость вычисления коэффициента сжимаемости при определении плотности в рабочих условиях чистого (свободного от жидкой фазы) газа в опорном резонаторе.
3
2
2
3
Недостатком способа является также то обстоятельство, что алгоритм получения сведений об объемной доле конденсата С построен таким образом, что из сдвига частоты измерительного резонатора вычитают долю, обязанную чистому газу, затем измеряют добротность резонатора с газожидкостным потоком и по изменению добротности находят объемную долю воды С; далее вычитают приходящийся на ее долю сдвиг частоты из сдвига частоты измерительного резонатора, а по оставшемуся сдвигу рассчитывают объемную долю конденсата. При этом ввиду того, что вода является диэлектриком с диэлектрической проницаемостью (ДП) существенно большей, чем ДП конденсата, то даже небольшие погрешности в определении доли воды С сильно сказываются на величине С.
Недостатком устройства является также отсутствие датчиков, регистрирующих скорости и продольный размер водяных пробок, нередко встречающихся на газоконденсатных скважинах.
Техническим результатом предложенного изобретения является возможность оперативного определения расходов продуктов добычи газовой или газоконденсатной скважины - природного газа, углеводородного конденсата и воды - без разделения продукта добычи скважины на составляющие его компоненты, а также определение объемных долей конденсата, воды и газа в потоке ГЖС с более низкой погрешностью.
Технический результат достигается тем, что в многофазном расходомере для покомпонентного определения расходов газа, углеводородного конденсата и воды в продуктах добычи газоконденсатных скважин, состоящего из сужающего устройства, измерительного и опорного резонаторов дециметрового диапазона, фильтра, отбивающего жидкую фазу, счетчика объема газа, прошедшего через фильтр, приборов контроля температуры и давления в измерительном и опорном резонаторе, электрически управляемых вентилей, электронных блоков управления работой расходомера и блока обработки информации и вычисления покомпонентных расходов, входной и выходной переходные участки от стандартного сечения трубопровода к зауженному сечению в трубной измерительной секции выполнены в виде трубы Вентури, на которой измеряется перепад давления ΔP, что позволяет определять скорость газожидкостного потока.
Технический результат достигается также тем, что выход газа в фильтре, отбивающем жидкую фазу, сделан в объем с низким давлением (порядка атмосферного), что позволяет осуществлять эффективную продувку фильтра.
Технический результат достигается также тем, что фильтр содержит нагреватель, позволяющий переводить жидкую фазу в паровую и, при наличии протока газа, очищать фильтр от отбитой жидкости.
Технический результат достигается также тем, что фильтр, отбивающий жидкую фазу, выполнен в виде цилиндрического волновода и просвечивается радиоволнами миллиметрового диапазона.
Технический результат достигается также тем, что в байпасной линии установлен электрически регулируемый вентиль, позволяющий менять давление в опорном резонаторе и по реакции резонатора на давление и температуру газа оперативно определять коэффициент сжимаемости газа.
Технический результат достигается также тем, что измерительная секция содержит резистивный или емкостной зонд, позволяющий определять время начала прохождения водяной пробки и время ее окончания.
На чертеже схематично изображен многофазный расходомер для покомпонентного определения расходов газа, углеводородного конденсата и воды в продуктах добычи газоконденсатных скважин. Многофазный расходомер включает в себя: стандартный трубопровод 1, сужающее устройство - трубу Вентури 2, измерительный резонатор дециметрового диапазона 3, идентичный ему опорный резонатор 4, фильтр 5 отбивающий жидкую фазу, нагреватель 6, зонд для отбора пробы 7, рупоры для просвечивания фильтра радиоволнами миллиметрового диапазона -излучающий 8 и приемный 9, генератор миллиметровых волн 10, ферритовый вентиль 11, детектор 12, электрически управляемые вентили 13, 14, 15 и 34, счетчик объема газа в рабочих условиях 16, измерители термобарических параметров газожидкостной смеси в резонаторе 3 -давления 17 и температуры 18, измеритель давления 19 и температуры газа 20 в резонаторе 4, блок управления работой расходомера 21, вычислительное устройство 22, устройство передачи данных на верхний уровень 23, измеритель перепада давления на трубе Вентури 24, питание генератора миллиметрового диапазона от блока управления 25, выход с детектора миллиметрового диапазона на вычислительное устройство 26, вход и выход спирали подогревателя фильтра 27 и 28, кабель обмена информацией 29 между блоками 21 и 22, подвод питания 30 к резонатору 3, выход на детектор от резонатора 3-31, подвод питания к резонатору 4 - 32, выход от детектора резонатора 4-33, выход газа в объем низкого давления (~1 атм) на свечу или на каталитическое сжигание - 35. Обозначения 13*, 14*, 15* … 32* - выходы блока управления на соответствующие датчики или входы от датчиков на вычислительное устройство.
010
0
Работа многофазного расходомера происходит следующим образом. Блок управления подает на измерительный резонатор 3 и опорный резонатор 4 линейно изменяющееся по частоте напряжение в диапазоне дециметровых волн так, чтобы ГЖС резонаторы 3 и 4 (они сделаны идентичными) возбуждаются на моде ТМ (частоту, соответствующую этой моде в отсутствие потока, обозначим через ƒ). Одновременно запускается генератор миллиметрового диапазона 10, выдающий стабилизированный по частоте и амплитуде микроволновый сигнал, который фиксируется детектором 12. Ферритовый вентиль 11 служит для предотвращения влияния фильтра на генератор 10.
0
Σ
При появлении в трубопроводе 1 продукта добычи скважины резонатор 3 заполняется потоком ГЖС. При этом его резонансная частота ƒ смещается за счет появления в нем газа, конденсата и воды и становится равной ƒ. При этом выполняется равенство:
1
0
1
2
0
2
3
0
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
Σ
0
Σ
Здесь Δƒ = ƒ - ƒ; Δƒ = ƒ - ƒ; Δƒ = ƒ - ƒ, где ƒ, ƒ и ƒ - резонансные частоты резонатора при введении в него отдельных компонентов потока, а именно: только газа (ƒ), только воды (ƒ) и только конденсата (ƒ) в тех объемах и при тех температурах и давлениях, в которых они присутствуют в потоке ГЖС. Т.е. Δƒ, Δƒ, Δƒ - это парциальные сдвиги частоты резонатора за счет введения в его объем газа, воды и конденсата, a Δƒ = ƒ - ƒ - суммарный сдвиг частоты [3].
1
2
3
1
Вклады Δƒ, Δƒ и Δƒ в общее смещение частоты неизвестны и далее подлежат определению. Вначале определяют величину Δƒ.
2
1
1
2
1
1
-3
-4
Для этого по команде с блока управления 21 на некоторое время Δt = t - t (где t и t - время открытия и закрытия), открываются вентили 34, 14 и 15. После этого небольшая доля потока ГЖС (10…10) через заборное отверстие начинает заполнять байпасную линию. При этом жидкая фракция потока - углеводородный конденсат и вода - улавливаются фильтром 5, а газ, свободный от капельно-жидкого аэрозоля, заполняет резонатор 4 до рабочего давления З при рабочей температуре Т. Измеряют частоту резонатора 4 - ƒ, вычисляют абсолютный Δƒ и относительный  сдвиги частоты.
0
1
Затем определяют относительный парциальный сдвиг, даваемый водяным аэрозолем. Для этого замеряют величину сигнала с детектора до и после закрытия вентилей 34, 14 и 15 - U и U соответственно, одновременно замеряют и объем (в рабочих условиях) газа, прошедшего через байпасную линию счетчиком газа 16.
Так как конденсат имеет малый тангенс угла потерь на миллиметровых волнах, то все ослабление сигнала, прошедшего через фильтр 5, обусловлено только собравшейся в нем водяной фракцией.
в
Затем вычисляют массу воды, задержанной фильтром m. Для этого используют соотношение:
в
в
в котором коэффициент k определяют заранее. Затем вычисляют объем воды V:
в
где ρ- плотность воды.
байп
в
Зная объем пропущенного через фильтр газа V и объем воды V, находят объемную долю воды в смеси газожидкостного потока:
После этого вычисляется относительный сдвиг частоты, обязанный водяной фракции, по соотношению:
0
2
где  - действительная и мнимая части диэлектрической постоянной воды на частоте ƒ; С - объемная доля воды в резонаторе 3.
Далее из соотношения (1) находят сдвиг частоты  резонатора 3, обязанный только углеводородному конденсату:
к
Зная , находят объем конденсата V из соотношения:
о
к
здесь V - объем резонатора 3; ε - диэлектрическая постоянная конденсата в рабочих условиях, η - формфактор, учитывающий то обстоятельство, что резонатор не полностью заполнен диэлектриком [3], [4]. Величина η предварительно устанавливается опытным путем.
к
После этого определяется объем V и вычисляется объемная доля конденсата в потоке ГЖС:
2
3
1
Зная объемные доли воды С и конденсата С, находят объемную долю газа С:
1
2
3
С = 1 - (С + С)
1
1
0
После определения объемных долей компонентов ГЖС газ из резонатора 4 стравливают на свечу (или утилизируют каким-либо другим образом). После стравливания газа в байпасной линии остается газ при давлении Р ≈ 1 атм. Замеряют величины P=P, T = Т и значения частоты резонатора 4 ƒ. Эти данные далее будут использованы для вычисления коэффициента сжимаемости К.
1
2
3
гжс
Далее переходят к определению парциальных объемных расходов в рабочих условиях: газа - Q, воды - Q и конденсата - Q. В начале определяется расход газожидкостной смеси Q.
см
За основу формулы для определения объемного расхода ГЖС Q взята классическая формула [5] для измерения расхода сухого газа, скорректированная на наличие в газовом потоке жидкости в аэрозольной фазе. Этот учет осуществляется функцией ψ, зависящей от скорости газа и процентного содержания в нем жидкой фазы.
см
см
см
см
где S - площадь поперечного сечения трубы Вентури, Е - коэффициент входа, С - коэффициент истечения, β - коэффициент расширения, ρ - плотность смеси в рабочих условиях, ΔP - перепад давления на трубе Вентури, ψ - поправочный коэффициент, учитывающий влияние жидкой фазы на скорость потока. Функция ψ либо определяется заранее на экспериментальном стенде, либо вычисляется, исходя из опубликованных литературных данных, например из работы [6]. Далее мы будем полагать, что она известна. Коэффициенты S, E, C, β вычисляются предварительно [5]: перепад давления ΔP измеряется прибором 24. Плотность смеси ρ в формуле расхода рассчитывается исходя из объемных долей компонентов.
1
2
3
где ρ, ρ и ρ - плотность газа, воды и конденсата в рабочих условиях.
3
3
Плотность воды при рабочих условиях полагаем 1,0 кг/дм, плотность нестабильного углеводородного конденсата ρ сообщает лаборатория газового предприятия, которому принадлежит скважина.
1
с
c
Плотность газа в рабочих условиях ρ вычисляется, исходя из плотности газа в стандартных условиях ρ, термобарических параметров Р, Т и факторов сжимаемости при стандартных Z и рабочих Z условиях:
с
Величина плотности в стандартных условиях ρ известна - она вычисляется, исходя из состава газа (состав предоставляется химической лабораторией предприятия):
a
i
здесь  - объемные доли компонентов газа.
см
1
1
Коэффициент сжимаемости К, определяемый как отношение факторов сжимаемости , в настоящее время всегда только рассчитывают, исходя из состава газа [7], пробу которого берут не чаще 1 раза в сутки. В нашем случае имеется возможность оперативно отслеживать величину , проводя ее измерение резонатором 4, что способствует понижению погрешности измерения расхода Q. При этом делается два измерения частоты: одно при Р ≈ Р = 0,1 МПа и температуре газа T, а второе - при рабочем давлении Р и температуре Т.
Величины Р и Т измеряются приборами 17, 18. Коэффициент сжимаемости рассчитывается по соотношению [8]:
1
1
о
Здесь  - сдвиг частоты резонатора 4 в стандартных условиях. Величина  известна из проведенных выше измерений; величина  вычисляется из измерений давления Р, температуры T и частоты резонатора ƒ, которые проводились после выпуска газа из байпаской линии в объем с низким (близким к атмосферному) давлением (см. выше):
где:
см
см
см
После определения плотности ρ и измерения ΔP рассчитывается расход ГЖС Q. Покомпонентные расходы выполняются по соотношениям:
1
2
3
1
2
3
1
2
3
i
1
2
3
пр
пр
здесь Q, Q, Q - расходы газа, воды и конденсата соответственно; коэффициенты η, η, η характеризуют различие в скоростях газовой и аэрозольной фаз. Они предварительно определяются экспериментально на специально созданном стенде или с помощью сравнения расходов Q, Q, Q с потоками, измеренными на контрольном сепараторе. Как правило, эти коэффициенты η невелики и составляют величины η ≈ 1,0; η ≈ η = 0,95…0,98. В случае, если поток ГЖС в трубопроводе сопровождается водяными пробками, то переносимый ими объем воды V также учитывается: он рассчитывается, исходя из скорости водяной пробки υ и времени протекания ее по трубопроводу:
1
2
3
где  t - время начала появления пробки на зонде 29; t - время начала появления пробки на зонде 36; t - время окончания пробки на зонде 29; L - расстояние между зондами 29 и 36.
1
о
После завершения цикла измерений и осуществления подготовки к следующему циклу проводится очистка фильтра 5 от капельно-жидкой фазы. Для этого вентиль 34 закрывается, включается нагреватель 6, открывается вентиль 13; при этом превратившаяся в пар жидкость стравливается на утилизацию (или в дренажную емкость). Процесс очистки контролируется сигналом с детектора 12 и происходит до тех пор, пока сигнал U не возрастет до первоначального значения U.
010
о
о
Работа расходомера в основном ее пункте - определении плотности ГЖС - была проверена в лабораторных условиях на воздушных газожидкостных смесях при атмосферном давлении. В качестве источника газожидкостной смеси использовался медицинский компрессорный генератор аэрозоля для физиотерапии Boreal, дающий поток воздуха с известным объемным содержанием жидкости в дисперсной фазе. В качестве прибора, питающего резонаторы 3 и 4 и измеряющего их частоту, использовался панорамный измеритель КСВН дециметрового диапазона Р2-102. Измерительный и опорный резонаторы имели размеры: диаметр 2а = 130 мм, высоту h = 100 мм, диаметр проходного отверстия был равен 40 мм. В качестве диэлектрика, заполняющего полость резонатора, использовался фторопласт-4. Рабочая частота резонаторов на моде ТМ в отсутствие газа составляла ƒ = 1450 МГц (λ ≈ 20 см), добротность Q ≈ 850.
Вместо природного газа использовался воздух, вместо конденсата -компрессорное масло марки ScrewLub, имеющее диэлектрическую постоянную ε = 2,05, практически равную той, которую имеет стабильный конденсат. Перед распылением в аппарате Boreal водо-масляная эмульсия с известным отношением объема воды к объему масла приготавливалась на специальном вибростенде.
В качестве генератора миллиметровых волн и измерителя ослабления использовался панорамный измеритель КСВН миллиметрового диапазона Р2-65. Фильтр-патрон представлял собой цилиндр диаметром 10 мм и длинной 95 мм, заполненный кварцевым песком и тканью Петрянова, взятых в отношении 2:1 по объему фильтра.
Метод оперативного определения коэффициента сжимаемости был ранее изложен в работе [8] и позже проверен в работе [9]. Эксперимент проводился на углекислом газе; максимальное рабочее давление составляло 50 атм.
Проведенные эксперименты подтвердили правильность исходных соотношений (1), (2) и (3), положенных в основу расчета объемных содержаний газа, воды и конденсата (в дисперсной фазе).
Литература.
1. Патент РФ №2164340 от 20.03.2001 г. 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.
2. Патент РФ №2289808 от 28.02.2005 г. 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.
3. Москалев И.Н., Костюков В.Е. «Микроволновый методы оперативного анализа природного газа и окнденсата» в 3 томах - Саров: ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», 2013 T.I.420 с.
4. Брандт А.А. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах. - М.: Госуд. Изд-во физ.-мат лит-ры, 1963, 403 с.
5. ГОСТ 8.586.5-2005 Измерение расхода и количества жидкостей и газов с помощью стандартных сужающих устройств. Часть 5. Методика выполнения измерений.
6. Рудометова А.В., Клапчук О.В. Исследования закономерностей течения газожидкостных потоков через расходомерные диафрагмы // Магистральный транспорт природного газа. - М.: ВНИИГаз, 1990.94-113.
7. ГОСТ 30319.1-96 Газ природный. Методы расчета физических свойств. Определение физических свойств природного газа, его компонентов и продуктов его переработки.
8. Патент РФ №2478195 МПК G 01 9/00 (2006.1). Способ оперативного определения коэффициента сжимаемости газов и их смесей. Авторы: Москалев И.Н., Костюков В.Е., Волков В.В. и др. Изобретения. Полезные модели - 2013 - №9.
9. Гришин Д.В., Голод Г.С., Москалев И.Н. и др. Метод и техника непрерывного определения коэффициента сжимаемости газов. Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности М.; ОАО «ВНИОЭНТ», 2016 - №1 - с. 11-19.