МНОГОФАЗНЫЙ СЕПАРАТОР-ИЗМЕРИТЕЛЬ
MULTI-PHASE SEPARATOR-GRINDER

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в установках для исследования многофазного течения газожидкостных смесей через пористую среду, в частности в установках для исследования течения газоконденсатной смеси через керн горных пород.
В процессе проведения лабораторных экспериментов по многофазной фильтрации флюидов через керны горных пород критическими факторами являются качество сепарации флюидов на фазы с последующим измерением объемов фаз, вышедших из керна. Более того, если насыщенность конденсатом (нефтью) одного образца керна или целой модели пласта (набор образцов керна, помещенных в кернодержатель) определяются по методу материального баланса, то количества (объемы) газовой фазы и особенно жидкой фазы, выходящих из модели пласта, являются ключевыми параметрами.
Для измерения объемной доли каждой фазы (газовой, жидкой, твердой) в многофазном потоке используются многофазные сепараторы. В общем случае конструкция сепаратора включает следующие основные элементы:
- измерительный объем (ячейка) разных конструкций;
- входной порт и несколько выходных портов - по одному для каждой фазы;
- уровнемер (оптический, ультразвуковой, резистивный или емкостной, диэлектрический, или основанный на ином принципе).
Серийно выпускаемые сепараторы (см., например, Recirculating Relative Permeability System RPS-850. User's Manual. Coretest Systems Inc., 2008, или The Acoustic Level Detection Module (ALDM) for Two and Three Phase Separators. Installation Guide & User Manual. New England Research, 2007, или Паспорт ультразвукового сепаратора УЗС-2-2 (ДПЕК.063.000). ООО Гло-Бел нефтесервис, 2007) достаточно хорошо и точно выполняют сепарацию и измерение уровней (объемов) фаз для несмешивающихся флюидных систем со значительным контрастом по плотности, таких как нефть - вода, газ - вода, газ - нефть - вода. Однако ситуация сильно меняется когда многофазная флюидная система включает газ и его конденсат, то есть газовую и жидкую фазы с очень близкими физико-химическими свойствами, что делает флюиды почти смешивающимися. В окрестности критической точки на РТ-диаграмме (давление - температура) газоконденсатный флюид становится почти неразделимым аэрозолем (туманом). В таких условиях, особенно при достаточно высоких скоростях фильтрации, характерных для экспериментов по фильтрации газа, часто наблюдается капельный перенос жидкой фазы непосредственно из подающей трубки в порт для отбора газовой фазы, то есть гидродинамический вынос более тяжелой (жидкой) фазы более легкой (газовой) фазой. Это явление, в свою очередь, приводит к дефициту более тяжелой (жидкой) фазы в измерительной ячейке, что существенно затрудняет измерение уровня жидкой фазы с помощью стандартного сепаратора. Эта проблема часто возникает при проведении фильтрационных экспериментов в лаборатории, при этом для поддержания высокого качества результатов определения объемов фаз требуется существенно большее количество флюидов, времени и трудозатрат.
Принцип работы сепараторов основан на гравитационном расслоении жидкостей с различными плотностями. Конструкции большинства сепараторов, выпускаемых промышленно, схожи и представляют собой две цилиндрические емкости, гидравлически связанные между собой. В одной из емкостей имеются порт для подачи смеси жидкостей и несколько портов (зависит от количества фаз) для отбора отсепарированных жидкостей. Во второй емкости происходит определение положения границ раздела фаз. Определение положения границ раздела фаз может проводиться различными методами, из которых в настоящее время наиболее распространенным является ультразвуковой способ измерения (на практике могу применяться и другие способы определения объемов фаз, например оптический, ультразвуковой, резистивный или емкостной, диэлектрический). В соответствии с ультразвуковым способом измеряют время прохода акустической волны от ультразвукового датчика, расположенного в днище измерительной емкости, до границы раздела фаз. Зная геометрические размеры сепаратора и скорость распространения ультразвуковых волн в данной среде, определяют объемы фаз в сепараторе, и при изменении положения границ раздела фаз можно определить количество закачанных в сепаратор фаз. Такая конструкция надежно работает в случаях с несмешивающимися флюидами. Однако в случае экспериментов со смешивающимися флюидами и при низких контрастах между их плотностями, например газ и его конденсат, часто наблюдается вынос конденсата (более тяжелой фазы) из объема сепаратора более легкой газовой фазой, что, в свою очередь, приводит к достаточно большим ошибкам в определении объемов фаз.
Технический результат, достигаемый при реализации изобретения, заключается в обеспечении возможности быстрого и точного определения объема фаз смешивающихся флюидов, таких, как газ и его конденсат, за счет более эффективной сепарации и предотвращения выноса тяжелой фазы через порт для отбора легкой фазы.
Для достижения указанного технического результата многофазный сепаратор-измеритель выполнен в виде двух вертикальных камер, гидравлически соединенных между собой в верхней и нижней частях. В нижней части первой камеры расположен входной порт, в котором установлена заглушенная сверху трубка с перфорированными стенками для подачи смеси флюидов, а также выходной порт для отбора тяжелой фазы, во второй камере расположено устройство для определения положения границ раздела фаз и в верхней части одной из камер расположен выходной порт для отбора легкой фазы.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения выходной порт для отбора легкой фазы расположен во второй камере.
Устройство для определения положения границ раздела фаз представляет собой датчик, работа которого основана на оптическом, ультразвуковом, резистивном или емкостном, диэлектрическом или ином принципе.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения устройство для определения положения границ раздела фаз представляет собой ультразвуковой датчик.
Изобретение поясняется чертежами, где на Фиг.1 приведена принципиальная схема двухфазного сепаратора в соответствии с изобретением, а на Фиг.2 - схема трубки для подачи смеси флюидов в сепаратор.
Как показано на Фиг.1, в соответствии с предлагаемым изобретением сепаратор-измеритель выполнен в виде корпуса, в котором размещены две вертикальные камеры - первая камера 3, в которую подают смесь флюидов, и вторая камера 4, в которой осуществляют измерения положения границы раздела фаз. Камеры 3 и 4 в верхней и нижней частях гидравлически соединены между собой каналами 1, что обеспечивает выравнивание положения границ раздела между фазами в обеих камерах. В днище первой камеры 3 расположен входной порт, в котором установлена трубка 8 для подачи смеси флюидов. Как показано на Фиг.2, трубка 8 имеет перфорацию 13 в боковых стенках, а отверстие 12 на верхнем конце трубки заглушено. В днище первой камеры 3 расположен выходной порт 7 для отбора тяжелой фазы. В верхней части одной из камер - в данном варианте второй камеры 4 - расположен выходной порт 2 для отбора легкой фазы, а в днище второй камеры 4 установлен ультразвуковой датчик 6. В камере 4 также расположен репер 5 для определения скорости распространения акустической волны в тяжелой фазе. Положение границы раздела фаз рассчитывается на основании данных о времени прохода и скорости распространения акустической волны (при ином способе определения границы раздела фаз используются другие данные).
Сепаратор-измеритель предназначен для измерения объемов флюидов, вышедших из образца пористой среды, например керна горных пород, и может быть использован в лабораторных установках для исследования керна в пластовых условиях, то есть при повышенных давлении и температуре.
Далее в качестве примера описана работа сепаратора-измерителя по измерению объема фаз газоконденсатной смеси. В первую камеру 3 через трубку 8 подают газоконденсатную смесь, вышедшую из керна (не показан). Поскольку подаваемая смесь состоит из фаз с разными плотностями, в первой камере 3 происходит гравитационное расслоение смеси. При этом граница раздела фаз в обеих камерах находится на одном уровне за счет соединяющих каналов 1. Расчет количества фаз в сепараторе происходит на основании данных о геометрических размерах сепаратора, а также скорости и времени прихода акустической волны, отраженной от границы раздела фаз. Скорость распространения ультразвука определяется по времени прихода волны, отраженной от репера 5. В процессе проведения фильтрационных экспериментов, как правило, из сепаратора отбирается только одна фаза: легкая 11 или тяжелая 10 (Фиг.2). Этим обеспечивается возможность количественного определения объемов фаз в сепараторе без дополнительных измерений объемов фаз, отобранных из сепаратора. При приближении границы раздела фаз к днищу сепаратора, для обеспечения непрерывной работы происходит переключение клапанов и отбор флюидов ведется с противоположной стороны. Например, если сепаратор работает в режиме отбора тяжелой фазы через порт 7, то в нем происходит накопление легкой фазы и граница раздела постепенно понижается. При приближении границы к нижнему днищу сепаратор переключается в режим отбора легкой фазы через порт 2 и, соответственно, граница раздел будет перемещаться вверх. Улучшение качества сепарации достигается за счет препятствования капельному выносу жидкой фазы из объема сепаратора, а также за счет увеличения пути (времени) прохождения газообразной фазы через сепаратор. Как показано на фиг.2, при заглушенном верхнем конце трубки 8 пузырьки газа и капли жидкости выходят, дробясь, через перфорированные боковые стенки трубки и ударяются в боковую стенку 9 камеры. Это особенно актуально в случае фильтрации с высокими скоростями, что типично для экспериментов с фильтрацией газа. Отбор легкой фазы из сепаратора может происходить непосредственно из первой камеры 3. Однако предпочтительно выходной порт 2 для отбора легкой фазы перенести во вторую камеру 4. Это обеспечит отсутствие капельного выноса тяжелой фазы при высоких скоростях фильтрации за счет наличия изгибов и поворотов фильтрационных каналов, выполняющих роль экрана и понижающих скорость движения капель тяжелой фазы.