СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ГИДРАВЛИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ГАЗОСБОРНОГО ШЛЕЙФА В АСУ ТП УСТАНОВОК КОМПЛЕКСНОЙ ПОДГОТОВКИ ГАЗА ГАЗОКОНДЕНСАТНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ КРАЙНЕГО СЕВЕРА
METHOD OF DETERMINATION OF HYDRAULIC RESISTANCE FACTOR OF GAS GATHERING LINE IN APCS OF GAS TREATMENT UNITS OF GAS CONDENSATE FIELDS AT FAR NORTH

ф
Изобретение относится к области добычи природного газа, в частности к определению фактического коэффициента гидравлического сопротивления газосборного шлейфа λ в автоматизированных системах управления технологическими процессами (АСУ ТП) установок комплексной подготовки газа (УКПГ) газоконденсатных месторождений Крайнего Севера.
Известен способ определения коэффициента гидравлического сопротивления газосборного шлейфа по паспортным параметрам шлейфа и данным по его эксплуатации (см. Бекиров Т.М., Шаталов А.Т. Сбор и подготовка к транспорту природных газов. - М.: Недра, 1986. - 261 с.).
Существенным недостатком указанного способа является крайняя низкая точность определения значения коэффициента гидравлического сопротивления газосборного шлейфа, и без учета того факта, что с течением времени значение указанного коэффициента изменяется.
В указанном способе значение коэффициента гидравлического сопротивления газосборного шлейфа определяют аналитическим путем (без учета влияния дополнительных местных сопротивлений, создаваемых подкладными кольцами, кранами и переходами) по формуле (см. стр. 48, формула (III.9), Бекиров Т.М., Шаталов А.Т. Сбор и подготовка к транспорту природных газов. - М.: Недра, 1986. - 261 с.):
где Re - критерий Рейнольдса;
ш
K - шероховатость стен газосборного шлейфа;
вн
d - внутренний диаметр газопровода.
Изменение шероховатости внутренних стен газосборного шлейфа в период эксплуатации в значительной степени зависит от качества транспортируемого газа. Наличие в нем воды, механических примесей и т.д. со временем резко увеличивает шероховатость газосборного шлейфа, которую в реальном масштабе времени во время эксплуатации определить невозможно.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ определения коэффициента гидравлического сопротивления газосборного шлейфа, который заключается в том, что коэффициент гидравлического сопротивления газосборного шлейфа определяют с учетом паспортных параметров шлейфа и данных по его эксплуатации (см. Новоселов В.Ф., Гольянов А.И., Муфтахов Е.М. Типовые расчеты при проектировании и эксплуатации газопроводов. Учеб. пособие для вузов. - М.: Недра, 1982. 136 с.).
тр.
В указанном способе значение коэффициента гидравлического сопротивления газосборного шлейфа определяют с учетом влияния дополнительных местных сопротивлений, создаваемых подкладными кольцами, кранами и переходами. С этой целью используют паспортные данные газосборного шлейфа и аналитическим путем определяют значение коэффициента гидравлического сопротивления трения λ по формуле (см. стр. 25, формула (45), Новоселов В.Ф., Гольянов А.И., Муфтахов Е.М. Типовые расчеты при проектировании и эксплуатации газопроводов. Учеб. пособие для вузов. - М.: Недра, 1982. 136 с.):
где Re - критерий Рейнольдса;
k - эквивалентная шероховатость внутренней поверхности газосборного шлейфа;
D - внутренний диаметр газосборного шлейфа.
тр.
Для газосборных шлейфов, эксплуатируемых на Крайнем Севере, как правило, выполняется неравенство , и поэтому гидравлическое сопротивление λ определяют из соотношения (см. стр. 25, формула (47), Новоселов В.Ф., Гольянов А.И., Муфтахов Е.М. Типовые расчеты при проектировании и эксплуатации газопроводов. Учеб. пособие для вузов. -М.: Недра, 1982. 136 с.):
Для магистральных газопроводов без подкладных колец дополнительные местные сопротивления (краны, переходы) обычно не превышают 2-5% от потерь на трение. Поэтому для технических расчетов коэффициент гидравлического сопротивления определяют из соотношения (см. стр. 27, формула (52), Новоселов В.Ф., Гольянов А.И., Муфтахов Е.М. Типовые расчеты при проектировании и эксплуатации газопроводов. Учебное пособие для вузов. - М.: Недра, 1982. 136 с.):
тр.
λ=(1,02÷1,05)λ
ф
ф
ф
ф
Существенным недостатком указанного способа является крайняя низкая точность определения значения коэффициента гидравлического сопротивления газосборного шлейфа, так как во время эксплуатации с течением времени значение указанного коэффициента изменяется и определить его значения в реальном масштабе времени невозможно. Именно поэтому фактические значения λ коэффициента гидравлического сопротивления газосборного шлейфа не совпадают с расчетными (теоретическими) значениями λ. Это связано еще и с тем, что в сыром газе имеются влага, мехпримеси и пр. Они во время эксплуатации газосборного шлейфа, оседая на его стенках, вызывают постепенное возрастание его шероховатости. В результате значения λ невозможно определить для шлейфа известными способами и тем более в реальном масштабе времени. Возрастание шероховатости, в свою очередь, приводит к увеличению фактического значения коэффициента гидравлического сопротивления λ газосборного шлейфа. Сильное влияние на значение фактического коэффициента гидравлического сопротивления λ газосборного шлейфа также оказывают скопления в пониженных точках трассы конденсата и влаги, а также образование гидратов в шлейфе, количество которых в газосборном шлейфе в реальном масштабе времени оперативно и точно оценить невозможно.
Целью заявляемого технического решения является устранение указанных недостатков, повышение точности определения фактического значения коэффициента гидравлического сопротивления газосборного шлейфа и контроль его динамики в реальном масштабе времени.
ф
Поставленная задача решается и технический результат достигается за счет того, что коэффициент фактического гидравлического сопротивления газосборного шлейфа λ определяют с учетом паспортных параметров шлейфа и данных по его эксплуатации, в том числе теоретического коэффициента гидравлического сопротивления газосборного шлейфа λ. Также используют контролируемые параметры работы газопромыслового шлейфа:
н
к
н
к
- давления p и p, температуры газа t и t, в начале и в конце газосборного шлейфа (на входе установки комплексной подготовки газа) соответственно;
- объемный расход газа в нормальных условиях, который транспортируется по газосборному шлейфу - Q.
к
к
н
н
Эти параметры измеряют в реальном масштабе времени с заданным шагом квантования посредством технических средств автоматизированной системы управления технологическими процессами (АСУ ТП) установки комплексной подготовки газа (УКПГ) (p и t) и с помощью средств телеметрии кустов газовых скважин (p, t и Q). Все указанные контролируемые параметры используют для определения фактического значения коэффициента гидравлического сопротивления газосборного шлейфа, определяемого из соотношения:
вн
где d - внутренний диаметр газопровода;
н
к
p, p - давление газа в начале и конце газосборного шлейфа соответственно;
Q - объемный расход газа в нормальных условиях, который транспортируется по газосборному шлейфу;
Δ - относительная плотность газа в нормальных условиях;
ср
t - средняя температура в газосборном шлейфе;
z - коэффициент сверхсжимаемости газа в рабочих условиях;
l - длина газопровода.
ф
Приведенная формула для определения λ получена из известного соотношения (см. стр. 46, формула (III.7), Бекиров Т.М., Шаталов А.Т. Сбор и подготовка к транспорту природных газов. - М.: Недра, 1986. - 261 с.):
к
н
н
к
Вычисления производят с использованием текущих значений давлений p, p, t, t и Q.
ср
Порядок определения значений λ, Δ, t, z можно найти в соответствующей литературе (например, см. Бекиров Т.М., Шаталов А.Т. Сбор и подготовка к транспорту природных газов. - М: Недра, 1986. - 261 с.).
ф
ф
доп
ф
доп
После того как будет определено значение λ, его сравнивают с максимально допустимым для λ значением - λ, и если будет выявлено что λ>λ, то устанавливают факт - нормальный режим работы скважин и/или газосборного шлейфа нарушен, т.к. в газосборном шлейфе кроме газа присутствует выше допустимой нормы иной фактор (газовый гидрат, пластовая вода, механические примеси и т.д.), и принимают соответствующие превентивные меры по предупреждению потенциальных аварийных и других нештатных ситуаций в работе кустов скважин и газосборного шлейфа.
Дополнительно определяют коэффициент эффективности функционирования газопромыслового шлейфа, который вычисляют из выражения:
ф
Полученные величины λ и Е АСУ ТП заносит в свою базу данных и выводит значение E на пульт оператора. После этого по величине E, индивидуальной для каждого газосборного шлейфа и зависящей от его технических параметров (длины, диаметра и т.д.), судят о загрязненности газопромыслового шлейфа. Способ реализуют следующим образом.
Используя средства АСУ ТП УКПГ и телеметрии кустов газовых скважин, в реальном масштабе времени производят с заданным шагом квантования измерение:
н
к
н
к
- давления p и p и температуры газа t и t в начале и конце (на входе УКПГ) газосборного шлейфа соответственно;
- объемный расход газа в нормальных условиях Q, который транспортируется по газосборному шлейфу, и заносят их в базу данных АСУ ТП.
н
к
н
к
Используя измеренные значения p, p, t, t и Q, определяют в реальном масштабе времени фактические значения коэффициента гидравлического сопротивления газосборного шлейфа из соотношения:
вн
где d - внутренний диаметр газопровода;
н
к
p, p - давление газа в начале и конце газосборного шлейфа соответственно;
Q - объемный расход газа в нормальных условиях, который транспортируется по газосборному шлейфу;
Δ - относительная плотность газа в нормальных условиях;
ср
t - средняя температура газа в газосборном шлейфе;
z - коэффициент сверхсжимаемости газа в рабочих условиях;
l - длина газопровода.
ф
Приведенная формула для определения λ получена из известного соотношения (см. стр. 46, формула (III.7), Бекиров Т.М., Шаталов А.Т. Сбор и подготовка к транспорту природных газов. - М.: Недра, 1986. - 261 с.):
н
к
н
к
Вычисления производят с использованием текущих значений давлений p, p, t, t и Q.
ср
Порядок определения значений λ, Δ, t, z можно найти в соответствующей литературе (например, см. Бекиров Т.М., Шаталов А.Т. Сбор и подготовка к транспорту природных газов. - М.: Недра, 1986. - 261 с.).
Относительную плотность газа в нормальных условиях Δ определяют из выражения:
г
в
где ρ и ρ - плотность газа и воздуха соответственно;
г
M - молекулярная масса газа.
н
к
Среднюю температуру газа в газосборном шлейфе определяют как среднеарифметическое значение температур t и t по формуле
Коэффициент сверхсжимаемости газа z в рабочих условиях определяют из выражения (см. стр. 140, Трубопроводный транспорт нефти и газа: Учеб. для вузов / Р.А. Алиев, В.Д. Белоусов, А.Г. Немудров и др. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Недра, 1988. - 368 с.: ил.):
пр
пр
где p, t - приведенное давление и приведенная температура газа, алгоритм определения которых представлен следующими выражениями:
ср.
где p - среднее давление газа в газосборном шлейфе;
кр.
кр.
p, t - критическое давление и критическая температура газа в газосборном шлейфе, значения которых берут из нормативной справочной литературы.
ср.
Значение p определяют из выражения:
вн
Значения внутреннего диаметра газопровода d и длины газопровода l определяют из проектной документации.
На следующем шаге определяют коэффициент эффективности функционирования газопромыслового шлейфа из следующего выражения:
ф
Использование величины λ для представления оператору неудобно, т.к. эта величина сильно меняется от шлейфа к шлейфу и визуально может быть воспринята неадекватно. Для оператора существенно удобнее работать с безразмерными относительными величинами, поскольку они практически не зависят от номера шлейфа, и поэтому гораздо легче увидеть проблему в безразмерных относительных показаниях.
ф
Полученные величины λ и Е АСУ ТП заносит в свою базу данных, а значение параметра E выводится на пульт оператора. На следующем шаге по величине E, индивидуальной для каждого газосборного шлейфа, судят о его загрязненности. Низкие значения E указывают на необходимость очистки газосборного шлейфа.
ф
ф
Таким образом, определение значения фактического коэффициента гидравлического сопротивления газосборного шлейфа в реальном масштабе времени позволяет в оперативном режиме диагностировать состояние шлейфа. Заранее известно (из опыта эксплуатации конкретного месторождения), что при нормальном режиме работы куста газовых скважин значение фактического коэффициента гидравлического сопротивления газосборного шлейфа λ и коэффициента эффективности функционирования газопромыслового шлейфа E не должно превышать определенную для них границу (значения E и λ для каждого газопромыслового шлейфа являются индивидуальными). Если в ходе эксплуатации газосборного шлейфа выяснится, что значение фактического коэффициента эффективности газопромыслового шлейфа E пересекло указанную границу, можно твердо констатировать, что нормальный режим работы скважин и шлейфа нарушены, т.к. в шлейфе кроме газа присутствует выше допустимой нормы иной фактор (газовый гидрат, пластовая вода, механические примеси и т.д.).
Если последующий анализ ситуации в газосборном шлейфе покажет, что в нем присутствует гидратный фактор (на выходе газосборного шлейфа снижается температура газа), тогда в газосборный шлейф подают ингибитор (на Крайнем Севере в качестве ингибитора используют метанол). При скоплении конденсата, воды и мехпримесей в газосборном шлейфе для их удаления снижают давления на его выходе в рамках технологических ограничений. Если это не приводит к нужному эффекту, тогда продувают газосборный шлейф. На практике возможны ситуации, когда даже продувка газосборного шлейфа не позволяет его очистить. В таких случаях прибегают к очистке газосборного шлейфа специальными скребками (см. стр. 147, Трубопроводный транспорт нефти и газа: Учеб. для вузов / Р.А. Алиев, В.Д. Белоусов, А.Г. Немудров и др. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Недра, 1988. - 368 с.: ил.).
Благодаря реализации заявляемого способа появляется возможность в оперативном режиме оценить режим работы газосборного шлейфа и, соответственно, своевременно принять меры по парированию (устранению) предаварийных и других нештатных ситуаций в работе газопромыслового шлейфа.
Заявляемое изобретение отработано и реализовано на газовых промыслах ООО «Газпром добыча Ямбург».
Применение данного способа позволяет оперативно выявлять потенциальную возможность отказа газосборного шлейфа и тем самым повысить эффективность принимаемых управленческих решений и улучшить условия работы обслуживающего персонала на УКПГ, а также снизить численность персонала, занятого обслуживанием промысла.