СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА МНОГОФАЗНОЙ ЖИДКОСТИ
METHOD TO MEASURE FLOW RATE OF MULTI-PHASE FLUID

Способ измерения расхода многофазной жидкости относится к нефтегазодобывающей области и, в частности, может быть использован для измерения дебита многофазных потоков эксплуатационных газовых, газоконденсатных и нефтяных скважин.
Известен «ACOUSTIC GAS-LIQUID FLOW METER» (Номер патента: US 5415048, класс(ы) патента: G01F1B 47/10, G01F 1/74), в котором измеряют дифференциальное давление в трубе, измеряют акустические частоты и амплитуды, генерируемые движущейся в трубе жидкостью, преобразуют и анализируют электрические сигналы датчиков, выполняют быстрое преобразование Фурье для визуального контроля потока, записывают полученные данные в базу для последующей связи характерных частот с массой одной из фаз перекачиваемой многофазной жидкости. Задачей изобретения является упрощение процесса контроля расхода многофазной жидкости, протекающей по трубопроводу. Недостатком аналога является измерение дифференциального давления для определения скорости потока. В соответствии с ГОСТ 8.563.1-97 «Измерение расхода и количества жидкостей и газов методом переменного перепада давления» такое измерение обосновано только для расхода и количества текучих сред, находящихся в одной фазе. Следующим недостатком является необходимость предварительного накопления данных в базе для последующего анализа и расчета массы каждой фазы.
Также известен способ измерения расхода многофазной жидкости (US 7401530 B2 от Jul. 22 2008 "SONAR BASED MULTIPHASE FLOWMETER"), в котором измеряют скорости звука в отдельных фазах движущейся в трубе многофазной жидкости, измеряют скорость распространения волн вдоль трубы, измеряют объемную долю одной из фаз, измеряют среднюю скорость движения многофазной жидкости в трубе, предварительно измеряют плотности каждой из фаз, а затем на основе предложенных зависимостей рассчитывают объемную или массовую доли каждой фазы. При этом скорость звука используют только как метку появления в трубе какой-либо фазы, полагая, что изменение скорости от концентрации фаз заранее известно.
В качестве прототипа выбран способ и устройство измерения многофазного потока (US 7526966 B2 от 05 мая 2009 г.), в котором на вертикальный участок трубопровода устанавливают определенное количество датчиков физических величин (давления, температуры, скорости звука) и на основе полученной информации, по предложенным авторами зависимостям, рассчитывают процентный состав и массовый расход многофазных жидкостей.
Недостатки указанного способа при измерении дебита многофазной водогазонефтяной эмульсии применительно к нефтегазовым скважинам приведены ниже.
Авторы рассчитывают резонансную частоту пузырьков газа без учета состава самой газовой смеси. Отметим, что в реальных условиях состав легких углеводородов и газов в продукции скважины варьируется в очень широких пределах и предложенные зависимости будут давать очень большие погрешности, кроме того, для легких углеводородных фракций возможно нахождение и в жидком, и в газообразном состоянии.
Измерение плотности фаз водогазонефтяных эмульсий источником ионизирующих излучений, во-первых, опасно, а во-вторых, дает большие погрешности из-за влияния солености пластовой воды.
Измерение массового расхода кориолисовым расходомером применимо только для чистых жидкостей или газов, без механических примесей и для полнопоточных течений.
Авторами предложена зависимость скорости звука от газового фактора в узком диапазоне давлений без учета температуры, что также может дать неопределенную погрешность. Предложена зависимость скорости звука от процентного содержания воды без учета влияния давления, температуры и солености.
Известно, что ультразвуковые измерители скорости потока имеют недостатки:
- необходимость значительных длин линейных участков до и после преобразователя;
- влияние на показания пузырьков воздуха в потоке;
- необходимость контроля отложений в трубопроводе на его рабочем участке;
- сложность и высокая стоимость приборов, которая при прочих равных условиях в 3-4 раза превышает стоимость тахометрических и электромагнитных расходомеров;
- ограничения по минимальной скорости потока.
Использование ультразвуковых датчиков также требует выполнения высококачественных монтажных работ и регулярных сервисных обслуживаний.
Кроме того, суммарная стоимость оборудования для реализации прибора будет достаточно высокой, достигающей нескольких миллионов рублей, особенно в варианте с кориолисовым расходомером и источником ионизирующих излучений.
Для устранения указанных недостатков предлагается данное изобретение.
Технический результат: уменьшение погрешности измерения каждой фазы.
Технический результат достигается благодаря тому, что в предлагаемом способе измерения расхода многофазной жидкости предусмотрены следующие отличия:
1. используя лабораторные результаты, составляют уравнения зависимости скорости звука каждой фазы от давления и температуры, а уравнение скорости звука для воды дополняют зависимостью от солености воды, полученные уравнения записывают в расчетный блок;
2. измеряют давление и температуру в трубопроводе, измеряют соленость воды, определяют скорость звука и плотность каждой фазы, определяют скорость звука в каждой из фаз жидкости в рабочем диапазоне температур, измеряют и записывают амплитуды колебаний трубопровода, по которому протекает многофазная жидкость, и соответствующие им частоты. Выбирают диапазон частот с максимальными значениями амплитуд. Измеряемый диапазон частот делят на три части, нижние частоты соответствуют газовой фазы, средние - нефтяной и высокие - водяной, в каждой из частей которых после применения быстрых преобразований Фурье [1, 2, 3] выделяют максимальные значения амплитуд, и вычисляют объемный расход каждой фазы жидкости по зависимости:
<mrow><mi>Q</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>π</mi><mo>⋅</mo><msup><mi>R</mi><mn>4</mn></msup><mo>⋅</mo><msup><mi>F</mi><mn>3</mn></msup><mo>⋅</mo><mi>A</mi><mo>⋅</mo><mi>K</mi></mrow><mrow><mn>4</mn><mo>⋅</mo><msup><mi>C</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
3
где Q - объемный расход отдельной фазы многофазной жидкости, м/с;
R - радиус трубы, м;
F - максимальная частота вибрации в выделенном для отдельной фазы диапазоне, 1/с;
A - максимальная амплитуда колебаний на частоте F, м;
K - безразмерный коэффициент пропорциональности, учитывающий особенности протекания многофазной жидкости по трубопроводу при калибровке виброакустического датчика на трубопроводе;
C - скорость звука в измеряемой фазе многофазной жидкости, рассчитанная по эмпирическим зависимостям от давления и температуры, а для воды дополнительно от солености.
Пример
Определим погрешность измерения расхода при изменении солености в диапазоне от 2 до 50 промилле. Отметим, что соленость 35 промилле соответствует средней солености мирового океана. Изменение солености в этом диапазоне точно регистрируется применяемым приборным комплексом.
1. Радиус трубы, м:
R=0,0254;
2. Частота начальная, Гц:
F=1000;
3. Амплитуду колебаний условно примем одинаковой для всех составляющих, м:
А=0,00001;
4. Скорость звука в воде:
4.1. Скорость звука в воде постоянна и равна 1500 м/с;
4.2. Скорость звука меняется в зависимости от солености воды, температуры и давления в трубе. Воспользуемся страницей сайта http://www.akin.ru/spravka/s i svel.htm для расчета скорости звука в воде в зависимости от ее солености по формуле Вильсона.
3
Рассчитаем изменение скорости звука в воде при изменении солености с 2 до 50 промилле (г/дм).
М=2 промилле
С1=1485,1 (м/с);
М=50 промилле
С5=1539 (м/с).
Остальные значения соответствуют 0,1 МПа и 20°C.
Результаты расчета приведены на рис.1.
Подставив полученные расчетные значения скорости звука (от 1485,1 м/с до 1539 м/с) в уравнение (1), получим график влияния солености пластовой воды на измерение расхода воды (см. рис.2).
Максимальная разница в показаниях равна 6,99% при частоте 5000 Гц.
Технический результат получен следующим способом.
К компьютеру с программным обеспечением DASYLab - 11 (см. User Manual Data Acquisition, Controlling, and Monitoring "Data Acquisition System Laboratory") подключали пьезоэлектрический микрофон, который в свою очередь крепили к трубопроводу. В программе сигнал усиливается, делится фильтрами на три части, задается частота замера сигнала по Найквисту, каждая часть проходит через свой анализатор спектра, выделенные сигналы проверяются на максимальность амплитуды и подаются на блок математических преобразований, куда вводятся также значения скоростей звука и коэффициент пропорциональности. На выходе получаем или численные значения в таблицы Excel или графические материалы в виде цифрового экрана или двумерного графика.
Экспериментальное исследование: записывали показания приборов (расход, давление, частоту вращения насоса), а также частоту и амплитуду колебаний трубопровода, используя специально изготовленный из трубы диаметром 2 дюйма кольцевой проливочный стенд (рис.3), состоящий из насоса 1, трубопровода 2, расходомера 3, манометра 4 (остальные устройства не показаны). Обработку результатов проводили в программе DASYLab-11 и MathCAD-14.
В качестве многофазной жидкости использовали воду водопроводную, растительное масло, воздух и соль поваренную пищевую (NaCl).
В жидкость дабавляли соль из расчета 2 г/литр и 50 г/литр, что соответствует 2 и 50 промилле.
Использовали эмульсии из 25%, 50% и 75% смеси масла с водой. Объем воздуха регулировали изменением объема жидкости в проливочном стенде. Пьезоэлектрический микрофон жестко устанавливали на трубе. Замеры проводили при фиксированных значениях температуры +20, +50, +80°C и фиксированных значениях чисел оборотов насоса - 100, 350, 700 об/мин.
При проведении экспериментов установлено, что измерение солености, расчет скорости звука в соленой воде по формуле Вильсона или аналогичной и ввод полученных данных в формулу расчета расхода многофазной водогазонефтяной жидкости, в частности водяной фазы, снижает погрешность измерения с 5% до 2% (см. рис.4).
Список используемых источников
1. Кристалинский Р.Е., Кристалинский В.Р. Преобразования Фурье и Лапласа в системах компьютерной математики: Учебное пособие для вузов. - М.: Горячая линия - Телеком, 2006. - 216 с.
2. Панферов А.И., Лопарев А.В., Пономарев В.К. Применение MathCAD в инженерных расчетах: Учебное пособие / СПбГУАП. СПб., 2004. - 88 с.
3. http://www.akin.ru/spravka/s i svel.htm
4. User Manual Data Acquisition, Controlling, and Monitoring "Data Acquisition System Laboratory".
5. http://www.eti.su/articles/izmeritelnaya-tehnika/izmeritelnaya-tehnika_529.html