Способ отбора проб многофазной жидкости из трубопровода и устройство для отбора проб многофазной жидкости из трубопровода
METHOD FOR SAMPLING MULTIPHASE LIQUID FROM A PIPELINE AND A DEVICE FOR SAMPLING MULTIPHASE LIQUID FROM A PIPELINE

Изобретение относится к технологии и технике отбора проб многофазной жидкости из трубопровода и может найти применение в нефтедобывающей и других отраслях промышленности.
При разработке продуктивного нефтяного пласта в продукции скважины присутствуют нефть, вода и попутный газ, а также, хлористые соли и различные мелкие механические примеси в твердой фазе (твердые углеводороды, минеральные частицы и др.). Состав добываемой многофазной жидкости для каждой скважины уникален и требует постоянного контроля, так как концентрация каждого компонента может изменяться по времени, что, в свою очередь, нарушает стабильность физических свойств и режим течения нефтеводогазового потока.
Известен способ отбора проб жидкости из трубопровода, при котором производят размещение в трубопроводе пробозаборного элемента из одной пробозаборной трубки с загнутым концом, которую располагают на оси трубопровода входным отверстием навстречу потоку; отбор пробы производится пропорционально расходу потока трубопровода, при котором скорость отбора составляет не менее половины и не более двойной средней скорости потока трубопровода: (см. Способ отбора проб жидкости из трубопровода. / ГОСТ 2517-85. п. 2.13.1.3. 2.13.1.7).
Известно устройство для реализации данного способа, включающее пробозаборный элемент в виде одной пробозаборной трубки с загнутым концом, которую устанавливают на оси трубопровода входным отверстием навстречу потоку (см. Устройство для отбора проб жидкости из трубопровода. / ГОСТ 2517-85, п.2.13.1.7, черт. 14).
При наличии в потоке жидкости свободного газа известные технология и техника отбора проб не обеспечивают высокой представительности пробы.
Известен способ интенсификации конвективного теплообмена в теплообменных аппаратах энергетических установок с помощью воздействия самоорганизующихся крупномасштабных вихревых структур, возникающих под воздействием рельефа теплообменной поверхности, на которой выполнены отрывные сферические выемки, и пульсирующих смерчевых вихрей, образующихся внутри этих выемок, при обтекании их теплоносителем (см. монографию «Интенсификация теплообмена сферическими выемками при воздействии возмущающих факторов» / А.В. Щукин, А.П. Козлов, Р.С. Агачев, Я.П. Чудновский; под ред. акад. В.Е. Алемасова. Казань: Изд-во Казан. гос. техн. ун-та, 2003. – 143 с. Кроме того, в результате турбулентности потока теплоносителя в отрывных сферических выемках происходит снижение интенсивности их загрязнения как отмечается в работе //Справочник по теплообменникам: В 2-х т. Т. 2 / С. 74. Пер. с англ. под ред. О.Г. Мартыненко и др. – М.: Энергоатомиздат, 1987. – 352 с.
Данный способ интенсификации применяется на наружных и внутренних плоских теплообменных поверхностях, а также на наружных трубчатых теплообменных поверхностях. На внутренних теплообменных поверхностях круглого сечения этот способ не применяется из-за технологической сложности изготовления отрывных сферических выемок внутри труб достаточно большой длины.
/
=
/
–
–
Известно устройство для реализации данного способа в виде кожухотрубного теплообменного аппарата, внутри которого для движения теплоносителя установлены трубы Корпорации HRS Group (Испания), на наружной поверхности которых выполнены в шахматном порядке углубления в виде отрывных сферических выемок для интенсификации теплообмена (см. монографию «Физические основы и промышленное применение интенсификации теплообмена: Интенсификация теплообмена» / И.А. Попов, Х.М. Махянов, В.М. Гуреев; под общ. ред. Ю.Ф. Гортышова. – Казань: Центр инновационных технологий, 2009. – 560 с). Экспериментально установлено повышение эффективности конвективного теплообмена при нанесении отрывных выемок в шахматном порядке на наружной поверхности трубы в 2,1 раза при умеренных гидравлических потерях (см. работу Мунябина К.Л. Эффективность интенсификации теплообмена углублениями и выступами сферической формы // Теплофизика и аэромеханика. 2003. №. 2. С. 235-247). Основным отличительным признаком отрывных выемок является их относительная глубина hd>0,2, где h – максимальная глубина выемки, d 4FП – гидравлический диаметр выемки в плане. Здесь Fплощадь выемки в плане, а Пее периметр. При обтекании турбулентным потоком теплоносителя отрывной сферической выемки в ней образуется самоорганизующаяся крупномасштабная вихревая структура, которая возникает последовательно то в одном, то в другом эпицентре выемки и выходит из нее в виде смерча на теплообменную поверхность, увеличивая теплоотдачу.
В кожухотрубных теплообменниках, составляющих до 80% от всего количества устройств данного назначения, известный способ интенсификации теплообмена внутри труб с помощью образования пульсирующих смерчеобразных вихрей в отрывных сферических выемках не используется из-за сложности изготовления выемок на внутренней поверхности достаточно длинных труб. Так как в этом случае требуется применение более современных технологий, например, аддитивных технологий или технологии литья по выплавляемым моделям, отличных от традиционных (накатка, вдавливание), что удорожает процесс производства.
Известен способ отбора проб жидкости из трубопровода (см. Патент РФ № 2215277, МПК G01N 1/10, опубл. 27.10.2003, Бюл. № 30) наиболее близкий по технической сущности к заявляемому изобретению и принятый за прототип, при котором осуществляют размещение в трубопроводе пробозаборника и осуществляют отбор пробы; перед отбором пробы осуществляют совмещение смешения потока в поперечном сечении трубопровода со смешением потока вдоль трубопровода. В процессе перемешивания многофазного потока в поперечном сечении трубопровода удается обеспечить равномерное распределение попутного газа и уменьшить его концентрацию, в тоже время под действием массовых сил происходит оседание на стенках трубопровода в виде осадка твердых частиц, что нарушает гидродинамику потока и понижает интенсивность его перемешивания, снижает точность отбора пробы и обеспечение ее представительности.
Известно устройство для отбора проб жидкости из трубопровода (см. Патент РФ № 2215277, МПК G01N 1/10, опубл. 27.10.2003, Бюл. № 30) для реализации данного способа, наиболее близкое по технической сущности к заявляемому изобретению и принятое за прототип, содержащее пробозаборный элемент, установленный на трубопроводе с ориентацией входного отверстия навстречу потоку; на трубопроводе перед пробозаборным элементом устанавливают смеситель, выполненный из соосно с трубопроводом расположенной перфорированной трубы, выполненной состыкованной с блоком поперечно сужающихся и расширяющихся секций. Использование в смесителе перфорированной трубы с достаточно мелкими отверстиями, системы конфузорно-диффузорных каналов, образованных внутри блока поперечно сужающихся и расширяющихся секций, решает проблему равномерного распределения попутного газа и уменьшения его концентрации на входе в пробозаборный элемент.
Однако в смесителе данной конструкции имеются участки, где при турбулентном режиме течения происходит образование осадков твердых частиц, нарушающих гидродинамику многофазного потока и снижающих эффективность процесса перемешивания. К этим участкам относятся: участок кольцевой полости между трубопроводом и перфорированной трубой в месте состыковки её с блоком поперечно сужающихся и расширяющихся секций; места стыковки поперечно сужающихся и расширяющихся секций внутри блока, входящего в состав смесителя.
При наличии в потоке жидкости различных мелких механических примесей в твердой фазе известные технология и техника отбора проб не обеспечивают высокой представительности пробы и не устраняют склонность к засорению гидродинамического тракта смесителя.
Технической проблемой, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышения представительности пробы при её отборе пробозаборным элементом и устранение загрязнений в виде осадков твердых частиц на рабочих поверхностях трубопровода.
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в повышении интенсивности перемешивания компонентов, входящих в состав многофазной жидкости, и точности определения её состава при непрерывной гидродинамической очистке от загрязнений рабочей поверхности трубопровода при отборе пробы.
Технический результат достигается тем, что в способе отбора проб многофазной жидкости из трубопровода пробозаборным элементом из предварительно перемешенного потока, новым является то, что процесс перемешивания осуществляют путем комплексного гидродинамического воздействия на поток отрывных, струйных и пульсирующих вихревых течений.
Таким образом, одновременное комплексное гидродинамическое воздействие на поток различного вида течений позволяет перед отбором пробы не только обеспечить равномерное распределение газа в потоке, уменьшить его концентрацию и снизить дисперсность на единицу объема потока, но и препятствует отложению осадков твердых частиц на рабочей поверхности трубопровода в результате его непрерывной гидродинамической очистки. Это способствует пропорциональному отбору пробы и получению ее более высокой представительности по сравнению с способом-прототипом.
Для достижения технического результата при реализации заявляемого способа используют устройство для отбора проб многофазной жидкости из трубопровода, содержащее пробозаборный элемент, установленный на трубопроводе с ориентацией входного отверстия навстречу потоку, перед пробозаборным элементом в трубопроводе соосно установлен смеситель для перемешивания потока, включающий последовательно расположенные перфорированную трубу и цилиндрический корпус, новым является то, что внутренняя полость цилиндрического корпуса по направлению движения потока жидкости образована тремя последовательно расположенными участками, входным участком, выполненным в виде гладкого кольцевого диффузора, концентрично расположенного относительно оси смесителя, средним цилиндрическим участком, по всей длине внутренней поверхности которого в коридорном порядке выполнены отрывные сферические выемки, и выходным участком, выполненным гладким с переходом на внутренний диаметр трубопровода.
д
Угол раскрытия гладкого кольцевого диффузора во входном участке цилиндрического корпуса смесителя составляет θ = 60…80°.
Относительная глубина отрывных сферических выемок на внутренней поверхности среднего участка цилиндрического корпуса смесителя составляет , а относительный шаг в осевом и окружном направлениях между выемками составляет .
Отрывные сферические выемки на внутренней поверхности среднего участка цилиндрического корпуса смесителя выполнены в шахматном порядке.
Сущность изобретения поясняется чертежом.
На фиг. 1 представлен продольный разрез трубопровода с установленным в нем устройством для отбора проб жидкости.
На фиг. 2 представлено поперечное сечение А-А входного участка цилиндрического корпуса смесителя.
На фиг. 3 представлены поперечное сечение Б-Б среднего участка цилиндрического корпуса смесителя и увеличенный вид Позиции IV на этом сечении.
На фиг. 4 представлен продольный разрез смесителя, на внутренней поверхности среднего цилиндрического участка которого выполнены отрывные сферические выемки в шахматном порядке.
Где:
1 – пробозаборный элемент, установленный вертикально входным отверстием навстречу потоку;
2 – трубопровод;
3 – перфорированная труба;
4 – цилиндрический корпус смесителя;
5 – отверстия в перфорированной трубе;
6 – кольцевой диффузор;
7 – осевые дросселирующие отверстия;
8 – отрывные сферические выемки;
9 – кран для отбора проб;
d – диаметр сферических отрывных выемок;
1
d – диаметр отверстий в перфорированной трубе;
2
d – диаметр осевых дросселирующих отверстий;
D – внутренний диаметр цилиндрического корпуса смесителя;
h – глубина отрывной сферической выемки;
a
t – шаг между отрывными сферическими выемками в осевом направлении;
u
t – шаг между отрывными сферическими выемками в окружном направлении;
д
θ – угол раскрытия кольцевого диффузора;
I – входной участок цилиндрического корпуса смесителя;
II – средний участок цилиндрического корпуса смесителя;
III – выходной участок цилиндрического корпуса смесителя;
IV – позиция на сечении А-А цилиндрического корпуса смесителя;
– направление движения потока многофазной жидкости.
Способ отбора проб жидкости из трубопровода осуществляется следующим образом. В трубопроводе 2 (см. фиг.1), по которому перекачивают многофазную жидкость, последовательно устанавливают смеситель для её перемешивания и пробозаборный элемент 1. Смеситель выполнен из последовательно расположенных перфорированной трубы 3 с отверстиями 5 и цилиндрического корпуса 4 состыкованных вместе. Часть потока многофазной жидкости, попадая внутрь перфорированной трубы 3, поступает в кольцевой диффузор 6, выполненный во входном участке I цилиндрического корпуса 4, и обеспечивает смешение потока в продольном направлении внутри смесителя. При этом отрывные течения, возникающие на гладких стенках кольцевого диффузора 6 (см. работу Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям / Под ред. М.О. Штейнберга. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1992. – 672 с.), повышают турбулизацию и интенсивность перемешивания потока в продольном направлении. Эффективность смешения потока возрастает при турбулентном режиме обтекания внутренних стенок среднего участка II цилиндрического корпуса 4, на которых выполнены отрывные сферические выемки 8. При попадании вышеупомянутого потока многофазной жидкости в отрывные сферические выемки 8 в них возникают пульсирующие самоорганизующиеся крупномасштабные вихревые структуры, которые турбулизируют и перемешивают поток в поперечном направлении и очищают выемки от мелких фракций загрязнений, как показано в работе //Справочник по теплообменникам: В 2-х т. Т. 2 / С. 74. Пер. с англ. под ред. О.Г. Мартыненко и др. – М.: Энергоатомиздат, 1987. – 352 с.
Другая часть потока многофазной жидкости через дросселирующие отверстия 7, выполненные во входном участке I цилиндрического корпуса 4, в виде осевого струйного течения попадает внутрь смесителя и позволяет не только очистить участки смесителя в месте стыка перфорированной трубы 3 с входным участком I цилиндрического корпуса 4, но и способствует ускорению потока в пристенном пограничном слое. Это увеличивает интенсивность генерации вихрей в отрывных сферических выемках 8 на входе в средний участок II цилиндрического корпуса 4 смесителя и повышает эффективность смешения. Таким образом, комплексное гидродинамическое воздействие трех явлений: отрывных течений в кольцевом диффузоре 6, осевых струйных течений через дросселирующие отверстия 7 и генерации пульсирующих самоорганизующихся крупномасштабных вихревых структур в отрывных выемках 8 (пульсирующие вихревые течения) позволяет значительно повысить эффективность перемешивания многофазной жидкости в смесителе при его непрерывной гидродинамической очистке. Выходной участок III цилиндрического корпуса 4 смесителя соединен с трубопроводом 2. Эффективно перемешанный поток многофазной жидкости, вытекая из выходного участка III, попадает в пробозаборный элемент 1, с помощью которого производится отбор пробы для её анализа при открытом кране 9.
Предлагаемое изобретение позволяет осуществлять более точный количественный и качественный учет перекачиваемой по трубопроводам многофазной жидкости и продлевает срок эксплуатации пробозаборного элемента за счет гидродинамической очистки трубопровода.
1
1
Устройство для осуществления предлагаемого способа отбора проб многофазной жидкости из трубопровода работает следующим способом. Поток многофазной жидкости (направление движения показано стрелками на фиг.1) по трубопроводу 2 поступает в смеситель, выполненный из соосно с трубопроводом расположенной перфорированной трубы 3 с отверстиями 5 диаметром d и цилиндрического корпуса 4 с внутренним диаметром D (фиг. 3), состыкованных вместе. Часть потока через отверстия 5 попадает в перфорированную трубу 3, из которой вытекает в цилиндрический корпус 4 смесителя, организуя перемешивание в нём потока в продольном направлении. Количество отверстий 5 и их диаметр d определяются индивидуально в зависимости от условий эксплуатации и состава многофазной жидкости. Внутренний диаметр D цилиндрического корпуса 4 соответствует внутреннему диаметру трубопровода, по которому перекачивается многофазная жидкость.
a
u
Цилиндрический корпус смесителя 4 выполнен из трех последовательно расположенных участков (фиг. 1): входного участка I, выполненного в виде гладкого кольцевого диффузора 6, концентрично расположенного относительно оси смесителя, среднего цилиндрического участка II, по всей длине внутренней поверхности которого в коридорном порядке выполнены отрывные сферические выемки 8 (фиг. 1 и 3), диаметр и глубина которых составляли d и h, а шаг между выемками в осевом и окружном направлениях составляет t и t соответственно, и выходного участка III, выполненного гладким с переходом на внутренний диаметр трубопровода 2.
2
2
Другая часть потока, проходя через дросселирующие отверстия 7 диаметром d (фиг. 1 и 2), образует осевое струйное течение в пристеночном слое над сферическими отрывными выемками 8 среднего цилиндрического участка II. Диаметр d и количество отверстий 7 зависят от условий эксплуатации и состава многофазной жидкости и подбираются индивидуально.
Поток многофазной жидкости, поступающий в цилиндрический корпус 4 на его входном I и среднем II участках, испытывает одновременное воздействие трех явлений: отрыв потока со стенок гладкого кольцевого диффузора 6; осевого струйного течения в пристенном слое среднего цилиндрического участка II; пульсирующих самоорганизующиеся крупномасштабных вихревых структур, возникающих в сферических отрывных выемках (пульсирующие вихревые течения). Если первые два явления повышают эффективность перемешивания потока в продольном направлении, то третье явление – в поперечном направлении. Комплексное гидродинамическое воздействие этих трёх явлений способствует более равномерному распределению газа в потоке, уменьшению его концентрации и снижению дисперсности на единицу объема потока многофазной жидкости. Кроме того, совместное действие второго и третьего явлений обеспечивает непрерывную гидродинамическую очистку рабочих участков смесителя от отложения на них осадков твердых частиц из потока.
д
Для достижения оптимального эффекта возникновения отрывных течений с гладких стенок кольцевого диффузора, концентрично расположенного относительно оси смесителя во входном участке I, необходимо, чтобы угол раскрытия кольцевого диффузора составлял    θ= 60…80°.
Для обеспечения устойчивого процесса возникновения пульсирующих самоорганизующихся крупномасштабных вихревых структур в отрывных сферических выемках при турбулентном течении необходимо, чтобы их относительная глубина на внутренней поверхности участка II составляла , а относительный шаг в осевом и окружном направлениях между выемками составлял . При этом расположение отрывных выемок в шахматном порядке (фиг. 4) повышает интенсивность процесса образования пульсирующих вихревых структур из-за увеличения количества отрывных выемок на внутренней поверхности участка II.
Эффективно перемешенный поток поступает в выходной III участок смесителя, соединенный с трубопроводом 2, в котором установлен пробозаборный элемент 1 с ориентацией входного отверстия навстречу потоку. При открытом кране 9 производится отбор пробы для последующего её анализа.
Современные технологические способы изготовления деталей сложной геометрии, например, аддитивные технологии и технология литья по выплавляемым моделям, позволяют выполнять цилиндрические смесители с отрывными выемками на их внутренней поверхности с коридорным (фиг. 1) и шахматным (фиг. 4) расположением. Увеличение количества отрывных выемок, как это происходит при их шахматном расположении (фиг. 4), приводит к повышению интенсивности перемешивания потока внутри смесителя в поперечном направлении из-за роста количества пульсирующих самоорганизующихся крупномасштабных вихревых структур, генерируемых каждой выемкой.
Осевая длина всех трех участков цилиндрического корпуса смесителя определяется переменным рельефом его внутренней поверхности и толщиной стенок трубопровода.
Таким образом, предлагаемое изобретение позволит обеспечить более качественное перемешивание компонентов многофазной жидкости в смесителе, установленном в трубопроводе перед пробозаборным элементом. Это позволит повысить представительность пробы многофазной жидкости, забираемой из трубопровода, и точность определения её состава. Непрерывная гидродинамическая очистка рабочей поверхности смесителя от загрязнений в виде осадков твердых частиц из потока увеличит ресурс надежной работы смесителя и пробозаборного элемента.