СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ РАСХОДА МНОГОФАЗНОЙ СМЕСИ В ТРУБОПРОВОДЕ
METHOD OF IMPROVEMENT OF ACCURACY OF MEASUREMENTS OF FLOW RATE OF MULTIPHASE MIX IN PIPELINE

Изобретение относится к измерениям параметров многофазных смесей при их транспортировке по трубопроводам, в частности к способам уменьшения частоты и величины пробок жидкости (слагов или объемов жидкости, перекрывающих сечение трубы) при измерении расхода жидкости и газа с помощью традиционных расходомеров.
В трубопроводах, которые транспортируют газ и жидкость в виде двухфазного потока, могут образовываться газовые или жидкостные пробки. Периодическое чередование газовых и жидкостных пробок вызывает колебания давления и, соответственно, колебания расхода жидкости и газа. Из-за значительных колебаний расхода жидкости возникают большие проблемы при измерении расхода жидкости и газа с помощью традиционных расходомеров. Точности измерений препятствует процесс пробкообразования в трубопроводах, когда в трубах резко меняется объемная доля флюидов. Пробкообразование может проявляться даже при постоянных входных расходах флюидов и приводить к сильным колебаниям выходных значений расхода и давления.
Кроме того, колебания расхода и давления в трубопроводе, транспортирующем газожидкостные смеси, может привести к возникновению трещин и разрушению трубопровода. Причины возникновения и исчезновения пробок жидкости связаны с профилем и другими характеристиками трубопроводов.
Из уровня техники известны разные способы борьбы с пробкообразованием в потоке газожидкостной смеси. Так, например, поскольку формирование пробок можно предупредить путем изменения свойств флюидов в трубопроводе, было предложено образовывать пленку с высоким поверхностным натяжением на границе раздела жидкость-газ (патент US 3112528). Предлагалось также предотвращение образования пробок путем снижения расходов газа и жидкости (патент US 005544672 A). Однако в случае добычи углеводородов, коррекция расходов или свойств флюидов, поступающих в трубопровод из скважины, как правило, технически невозможна. Предлагалось также использовать различные устройства, обеспечивающие разделение газожидкостной смеси на отдельные фазы - газ и жидкость, и осуществлять их раздельную траспортировку на некоторое расстояние с последующим соединением потоков в один (см., например, патент ЕР 1448871 В1).
Технический результат, достигаемый при реализации изобретения, заключается в сокращении количества, частоты и длины пробок в потоке и соответствующем сокращении амплитуды колебаний расхода жидкости и газа.
Указанный технический результат достигается тем, что в соответствии с предлагаемым способом определяют свойства многофазной смеси для условий, ожидаемых в трубопроводе, и определяют режимы течения для ожидаемых значений расхода. На участке трубопровода обеспечивают параметры трубопровода, уменьшающие пробкообразование, и устанавливают расходомер в конце этого участка.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения параметры трубопровода, уменьшающие пробкообразование, обеспечивают путем обеспечения наклона участка перед местом установки расходомера вниз по течению потока. При этом угол наклона и протяженность наклонного участка выбирают так, чтобы для ожидаемых значений расходов режим течения с пробкообразованием стал наименеее вероятным, то есть появлялся в малой подобласти ожидаемых расходов или не возникал вообще.
Предпочтительно протяженность наклонного участка превышает диаметр трубы по меньшей мере в 10 раз.
Наклон участка перед местом установки расходомера вниз по течению потока может быть обеспечен путем вставки наклонного участка в трубопровод перед местом установки расходомера или путем установки расходомера в нижнем конце участка трубопровода, имеющего требуемый естественный наклон.
В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения параметры трубопровода, уменьшающие пробкообразование, обеспечивают путем изменения шероховатости внутренних стенок трубопровода перед местом установки расходомера. Изменение шероховатости внутренней стенки трубопровода перед местом установки расходомера может быть обеспечено путем вставки участка трубопровода с требуемой шероховатостью или путем обработки стенок трубопровода для обеспечения требуемой шероховатости.
В соответствии с еще одним вариантом осуществления изоберетения, параметры трубопровода, уменьшающие пробкообразование, обеспечивают путем изменения диаметра или геометрии сечения трубопровода путем вставки участка трубопровода с требуемыми параметрами.
Измеряемыми свойствами многофазной смеси являются физические свойства компонент смеси: плотность, вязкость, поверхностное натяжение и т.д.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 приведена схема динамики значений расхода при фиксированных дебитах во время пробкообразования в трубопроводе; на фиг.2а показан профиль трубопровода до встраивания участка, уменьшающего пробкообразование, на фиг.2б - профиль трубопровода со встроенным участком, уменьшающим пробкообразование; на фиг.3 приведены экспериментальные карты режимов течения, на фиг.4 - уровень жидкости в трубопроводе и в наклонном участке трубопровода, на фиг.5 - колебания значений расхода жидкости в различных точках трубопровода с участком, уменьшающим пробкообразование, на фиг.6 - кривые пересечений расходов газа и воды на входе и выходе трубы для уменьшения пробок.
Изобретение осуществляется следующим образом. На первом этапе производится оценка значений таких свойств транспортируемой многофазной смеси, как плотность, вязкость и поверхностное натяжение флюидов, составляющих смесь, для условий, ожидаемых в трубопроводе. Эти свойства позволяют поставить эксперимент для исследования режимов течения, либо описать режимы течения средствами математического моделирования.
Второй этап заключается в изучении режимов течения по области ожидаемых значений расхода. Режим течения можно определить опытным путем (см., например, О. Shoham, Mechanistic Modeling of Gas-Liquid Two-Phase Flow in Pipes, Society of Petroleum Engineers (SPE), Richardson, TX, 2006, p.408; Y.V. Fairuzov, 2001, Stability Analysis of Stratified Oil/Water Flow in Inclined Pipelines, SPE Production & Facilities, 16, 1 pp.14-21) либо предсказать, исходя из теории устойчивости режимов течения (D. Bamea, Y. Taitel, 1994. Interfacial and structural stability of separated flow. Annual Reviews in Multiphase flow, G. Hetsroni, ed., pp.387-414). Режим течения обуславливает конструкцию участка трубопровода перед местом установки расходомера для уменьшения пробок: на участке трубопровода обеспечивают параметры трубопровода, уменьшающие пробкообразование, и устанавливают расходомер в конце этого участка. Уменьшение пробкообразования проявляется в сокращении длины пробок и частоты их появления в потоке.
Для участка трубопровода со сложным профилем мы рассматриваем влияние угла наклона, диаметра, шероховатости и других параметров на режим течения в конце участка. Оптимальная конструкция участка должна сокращать до минимума область расходов жидкости и газа, при которых возникают пробки. Третий этап - это непосредственно обеспечение параметров трубопровода, уменьшающих пробкообразование. Например, в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, обеспечивают заданный наклон участка трубопровода перед местом установки расходомера. В частности, обеспечивают угол наклона (от 0°-10°) и протяженность наклонного участка (от 10-500 м) при диаметрах трубопровода 0.01 м - 0.5 м выбирают так, чтобы для ожидаемых значений расходов режим течения с пробкообразованием стал наименеее вероятным (появлялся в малой подобласти ожидаемых расходов, либо не возникал вообще). При этом предпочтительно протяженность наклонного участка превышает диаметр трубы как минимум в 10 раз.
Параметры трубопровода, уменьшающие пробкообразование, могут обеспечиваться путем изменения шероховатости внутренних стенок трубопровода перед местом установки расходомера. Шероховатость внутренней стенки трубопровода можно изменить путем вставки участка трубопровода с требуемой шероховатостью или путем обработки стенок трубопровода для обеспечения требуемой шероховатости.
Кроме того, параметры трубопровода, уменьшающие пробкообразование, могут быть обеспечены путем изменения диаметра или геометрии сечения трубопровода путем вставки участка трубопровода с требуемыми параметрами.
Далее приведен пример осуществления изобретения с помощью технологии Vx для измерений объемных долей флюидов на участке трубопровода. Расходомер Vx Phasetester оценивает объемную долю флюидов в сечении по измерениям перепада давления в трубке Вентури и инерпретации плотности смеси по гамма-излучению (http://www.slb.com/~/media/Files/testing/product_sheets/multiphase/phasetester_ps.pdf). Расходомер можно применять в определенной области расходов газа и жидкости, в частности область применимости прибора не включает малые дебиты жидкости. На фиг.1 показана область объемных расходов, в которой работают устройства по технологии Vx, и схема динамики значений расхода при фиксированных дебитах во время пробкообразования в трубопроводе.
При фиксированных дебитах флюидов на входе в трубопровод, пробкообразование приводит к сильным колебаниям расходов флюидов на удалении от входа. При этом расходы могут выходить за область применимости прибора. Изобретение направлено на уменьшение пробок и стабилизацию значений расхода в пределах области применимости.
Допустим, нужны измерения для воздуховодяного потока в трубопроводе диаметром 10 см. Флюиды втекают в расходомер при стандартных условиях. Сначала собирают информацию о свойствах флюида (плотность, вязкость, поверхностное натяжение).
Предположим, что расходомер расположен в точке 1. Участок трубопровода 1-3 имеет наклон вверх по потоку (фиг.2а). По картам режимов течения определяют область дебитов флюидов, в которой образуются пробки. Карты режимов можно получить экспериментально. Для этого необходимо взять реплику участка 1-3 и провести в ней серию прокачек флюидов с постоянными дебитами. Режим течения на выходе регистрируют при фиксированных дебитах, например, визуально через стеклянную вставку в трубе. Режим отмечают на карте режима в точке, соответствующей фиксированным дебитам. Допустим, выбранный участок имеет наклон - 0.25°. На карте режимов течения (фиг.3) видно, что объемные расходы газа от 0.1 до 1 м/с всегда приводят к появлению пробок (слагов). На фиг.3 квадраты - зарегистированный режим с гладкой поверхностью раздела фаз, треугольники - зарегистрированный режим с волнами на поверхности раздела фаз, круги - зарегистрирован режим пробкообразования. Воздуховодяной поток с наклоном вверх, согласно карте, благоприятствует пробкообразованию. Воздуховодяной поток, согласно карте, уменьшает пробкообразование в области, отмеченной пунктиром.
Однако ситуация изменится, если на участке 1-3 обеспечить наклон 5° вниз по потоку (Фиг.4, Фиг.5). Таким образом, при изменении профиля с 1-3 на 1-2-3 течение в трубе изменит пробковый режим на расслоенный для скоростей газа от 0.1 до 1 м/с. Расслоенный режим позволит улучшить точность измерений. Эта область обозначена пунктиром на картах режимов течения на Фиг.3. Оценку по затуханию возмущений можно сделать на основе работ по линейной устойчивости многофазных течений (D. Bamea, Y. Taitel, 1994. Interfacial and structural stability of separated flow. Annual Reviews in Multiphase flow, G. Hetsroni, ed., pp.387-414).
Для затухания приходящих в точку 2 пробок отведем 100 м. Имеем конструкцию трубы 1-2-3 (Фиг.2б), уменьшающую пробки, при которой участок трубопровода от точки 1 до 2 длиной 100 м имеет угол наклона вниз по потоку.
Также при проектировании трубопровода можно использовать математическое моделирование. Математическая модель многофазного течения в трубопроводе, заканчивающегося наклонным участком, позволяет оценить затухание колебаний в точке 1 (Фиг.5, Фиг.6). Фиг.5 показывает колебания расхода в различных точках трубопровода. На Фиг.6 приведен кросплот расходов в начале и в конце участка, уменьшающего пробкообразование. Амплитуда колебаний сокращается в 2 раза, и удается избежать низких и отрицательных дебитов жидкости.
Третий этап заключается в обеспечении наклона заключается в обеспечении наклона вниз в нужной точке. Наклон может быть обеспечен путем монтажа наклонного участка в линию трубопровода. Исходный трубопровод и его состояние после монтажа проиллюстрированы на Фиг.2. Возможно провести обследование трубопровода и выявить существующий участок с углом наклона 5° вниз, протяженностью 100 м. В нижней части этого участка устанавливают расходомер.