УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРИВЕДЕНИЯ РАСХОДОВ ПРОДУКТОВ ДОБЫЧИ ГАЗОКОНДЕНСАТНЫХ СКВАЖИН, ИЗМЕРЯЕМЫХ МНОГОФАЗНЫМ РАСХОДОМЕРОМ, ОТ РАБОЧИХ УСЛОВИЙ К СТАНДАРТНЫМ
DEVICE FOR REDUCING PRODUCTS FROM GAS CONDENSATE WELLS MEASURED BY A MULTI-PHASE FLOW METER FROM WORKING TO STANDARD CONDITIONS

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в газовых и нефтяных областях промышленности, в частности в составе штуцерного модуля подводной фонтанной арматуры подводного добывающего комплекса для приведения расходов продуктов добычи газоконденсатных скважин, измеряемых многофазным расходомером, от рабочих условий к стандартным.
При добыче и транспортировке природного газа приходится иметь дело с различными рабочими условиями - температурой и давлением. Для удобства сравнения и отчетности расход и количество добываемой продукции (пластовый флюид) приводятся к стандартным условиям (20°С и 101,325 кПа). При этом, если мы имеем дело с газом, пересчет объемов производится по стандартным соотношениям, куда входят рабочие температура и давление и коэффициент сжимаемости. При работе же с многофазными расходомерами, регистрирующими расходы газа и жидкости, такая процедура невозможна из-за фазовых превращений, и часть газа, которая при рабочих условиях регистрировалась как жидкость, при стандартных условиях будет регистрироваться как газ (например, пропан-бутановая фракция). Подобная же ситуация возникает при переходе нестабильного конденсата в стабильный: при сбрасывании давления выделяется газ и объем конденсата уменьшается. Поэтому при использовании многофазных расходомеров ставится задача пересчета расходов жидкости и газа от рабочих условий к стандартным. В известных способах и устройствах эта задача решается только расчетным путем. Используются данные по компонентному и фракционному составу потока, а также данные по соотношению «жидкость-газ» в диапазоне температур и давлений, получаемые в результате термодинамических PVT-исследований. При этом величина погрешности при таком пересчете может достигать десятки и сотни процентов [1-5].
Наиболее близким к заявляемому является устройство по патенту РФ №2422796 [5]. Устройство содержит ступенчатый фланец, снабженный в центре сквозным отверстием, в нем установлена верхняя втулка с возможностью осевого перемещения, жестко соединенная нижним торцом с патрубком, снабженным сквозными окнами, на нижнем торце патрубка установлена нижняя втулка, верхняя и нижняя втулки снабжены отверстиями одинакового диаметра, выполненными асимметрично относительно оси устройства, в этих отверстиях размещен капилляр, снабженный на нижнем торце сменным диффузором, на нижнем торце нижней втулки размещен поршень, представляющий собой цилиндрическую втулку, с внутренней поверхностью поршня взаимодействует упор, между упором и поршнем размещено уплотнительное кольцо, на нижнем торце поршня размещена сменная диафрагма, между ступенчатым фланцем и упором установлен цилиндрический кожух, снабженный сквозными окнами, на верхнем торце капилляра размещен указатель, а на верхнем торце ступенчатого фланца размещена шкала. Недостатком данного устройства является необходимость взятия проб для лабораторных анализов и дальнейшее проведение лабораторных анализов.
Задачей заявленного изобретения является разработка устройства, в котором пересчет парциальных расходов продуктов добычи скважины (расходов газа, воды и углеводородного конденсата), измеряемых многофазным расходомером при рабочих условиях, к одноименным расходам при стандартных условиях осуществляется экспериментальным путем.
Техническим результатом является уменьшение погрешности пересчета парциальных расходов продуктов добычи скважины (газа, воды и углеводородного конденсата), измеряемых многофазным расходомером при рабочих условиях, к одноименным расходам при стандартных условиях.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для приведения продуктов добычи газоконденсатных скважин, измеряемых многофазным расходомером, от рабочих условий к стандартным, содержащем зонд для отбора пробы, устройство для создания изокинетического режима забора пробы, манометр, термометр, СВЧ резонатор, а также связанный с ними блок управления и обработки результатов измерений, представительная проба продуктов добычи поступает через редуктор, понижающий давление, в СВЧ резонатор, снабженный фильтром, отбивающим жидкую фазу, а газ далее поступает на счетчик количества прошедшего газа. Редуктор, понижающий давление с рабочего до стандартного, снабжен нагревателем, поднимающим температуру газоконденсатного потока до стандартной. Фильтр, отбивающий жидкую фазу, просвечивается радиоволнами миллиметрового диапазона для измерения затухания прошедшего сигнала и выполнен из материала, который выдерживает температуру до 100°С и имеет малые потери в КВЧ диапазоне. Для осушки фильтра, отбивающего жидкую фазу, последовательно установлены баллон сжатого воздуха и нагреватель воздуха до температуры 80-100°С. СВЧ резонатор заполнен диэлектриком с высокой диэлектрической проницаемостью и малыми потерями в СВЧ диапазоне и имеет в центре отверстие для размещения фильтра, отбивающего жидкую фазу.
Заявляемое устройство поясняется чертежом, где схематично изображено устройство для приведения расходов продуктов добычи газоконденсатных скважин, измеряемых многофазным расходомером, от рабочих условий к стандартным.
В заявленном устройстве представительная проба газожидкостной смеси из газоконденсатного потока 1, протекающего в трубопроводе 2, осуществляется через заборное устройство (далее - зонд) 3 и устройство для создания изокинетического режима забора пробы 4. Заявленное устройство также содержит электрически управляемые вентили - 5, 6, 7; электрически управляемый редуктор 8 и счетчик количества сырого газа (газа, содержащего аэрозоль воды и конденсата) 9. Выход сырого газа на утилизацию осуществляется через выход 10. Нагрев охлажденного после редуктора 8 газа до стандартной температуры 20°С осуществляется нагревателем редуцируемого газа 11. Нагреватель воздуха 12 обеспечивает нагрев воздуха до 80-100°С из резервуара (баллона) со сжатым воздухом 13. Стандартные давление и температуру контролируют манометр 14 и термометр 15 соответственно. Устройство также содержит СВЧ резонатор 16, заполненный диэлектриком 17, в который через фильтр 18, улавливающий жидкую фазу, проходит газожидкостный поток. СВЧ резонатор 16 через элементы связи 19, 20 связан с генератором 21 и детектором 22 соответственно. Излучающий 23 и принимающий 24 рупоры антенны миллиметровых волн связаны с генератором миллиметровых волн 25 (КВЧ генератор) и детектором миллиметровых волн 26 соответственно. Сухой газ (не содержащий аэрозоль воды и конденсата) переходит в счетчик количества сухого газа 27 и затем поступает на выход на утилизацию сухого газа 28. Устройство содержит также блок управления и обработки результатов измерений 29, в котором: 30 и 31 - питание генератора 21 и управление его частотой; 32 - прием сигнала с детектора 22; 33 - питание КВЧ генератора 25; 34 - прием сигнала с детектора 26; 35 - управление нагревателем 11; 36 - управление нагревателем 12; 37, 38 - питание и управление электрическими вентилями 5, 6, 7; 39, 40 - питание и управление электрическим управляемым редуктором 8; 41, 42 - данные по давлению от манометра 14 и по температуре от термометра 15; 43, 44 - передача данных на верхний уровень.
Несколько слов об отдельных элементах устройства для приведения расходов продуктов добычи газоконденсатных скважин, измеряемых многофазным расходомером, от рабочих условий к стандартным.
пр
0
2
Пробоотборный зонд 3 должен давать представительную пробу. Для этого он должен быть изокинетическим, то есть его введение в трубопровод не должно искажать поток. Это означает, что зонд должен вбирать в себя только ту часть потока, которая приходится на его поперечное сечение, то есть составляет  часть полного потока пробоотборного зонда и трубопровода соответственно (здесь S - поперечное сечение зонда, S - поперечное сечение трубопровода). Изокинетичность режима отбора достигается с помощью автоматического обеспечения постоянства давления отбора пробы и поддержания его с точностью не ниже 0,15 кг/см. Механизм поддержания такого давления обеспечивается техникой, объединенной в устройство для создания изокинетического режима забора пробы 4 [5].
пр
о
пр
0
Таким образом расход газожидкостной смеси в пробоотборной линии Q составляет  часть полного расхода Q газожидкостной смеси, протекающей по трубопроводу 2, где S и S поперечные сечения пробоотборного зонда и трубопровода соответственно.
Нагреватель редуцируемого газа 11 обеспечивает стандартную температуру 20°С на выходе редуктора 8 при понижении температуры потока от рабочего давления до стандартного. Баллон 13 содержит воздух для продувки фильтра 18. Давление в баллоне может составлять Р атмосфер (Р>>1). Нагреватель воздуха 12 обеспечивает нагрев воздуха до 80-100°С.
Методика исследования скважин на основе отбора представительной пробы утверждена в ПАО «Газпром» [4].
010
-4
-4
Основным диагностическим инструментом является СВЧ резонатор 16. СВЧ резонатор 16 возбуждается на моде Е. При этом электрическое поле в проходном сечении СВЧ резонатора 16 постоянно, и его реакция на поток не зависит от неравномерного распределения жидкой фазы по сечению потока [3]. Весь его объем, кроме проходного отверстия, заполнен диэлектриком 17, имеющим малые потери в КВЧ диапазоне (tg δ ~1⋅10) и высокое значение диэлектрической проницаемости, например поликором (tgδ~1⋅10, ε=10).
Работа устройства происходит следующим образом. В исходном положении вентили 5, 6, 7 и редуктор 8 закрыты. По команде, переданной с блока управления 29, вентили 5 и 6 открываются, и зонд 3 начинает забирать представительную пробу газожидкостной смеси и осуществлять продувку тракта от зонда 3 до редуктора 8. Счетчик количества сырого газа 9 контролирует количество прошедшего газа. После продувки, длящейся около минуты (время предварительно устанавливается оператором), вентиль 5 (также автоматически) закрывается, и одновременно приоткрывается редуктор 8 таким образом, чтобы на выходе его давление только чуть превышало атмосферное. Величина этого давления запоминается в блоке 29 и затем вносится как поправка при окончательном расчете парциальных расходов. Одновременно нагревателем 11 охлажденный после редуктора 8 газ нагревается до стандартной температуры 20°С. Давление и температура на выходе редуктора 8 измеряются манометром 14 и термометром 15 соответственно. После редуктора 8 газожидкостный поток проходит через фильтр 18, заполняющий проходное сечение СВЧ резонатора 16, где отбивается жидкая фаза, а сухой газ переходит в счетчик количества сухого газа 27 и затем поступает на утилизацию на выход 28. Время τ, на которое открывается вентиль 5, устанавливается оператором из предварительных измерений.
0
0
1
При осаждении жидкой фазы на фильтре 18 собственная частота СВЧ резонатора 16 ƒ изменяется - она сдвигается вниз ƒ→ƒ:
Жидкая фаза состоит из углеводородного конденсата и воды, поэтому:
0
в
0
в
к
0
к
к
к
в
e
здесь ƒ - частота СВЧ резонатора 16 в отсутствие конденсата и воды, Δƒ=ƒ - ƒ, Δƒ=ƒ-ƒ, где ƒ - частота СВЧ резонатора 16 при осаждении на фильтре только конденсата объемом V, ƒ - частота СВЧ резонатора 16 при осаждении на фильтре только воды объемом V.
010
к
При работе на типе колебаний Е сдвиг частоты связан с объемом конденсата V соотношением:
k
p
где ε - диэлектрическая постоянная конденсата в стандартных условиях, V - объем СВЧ резонатора 16 (с учетом заполнения его диэлектриком 17). Аналогичное соотношение можно записать и для воды:
в,k
в
k
В случае одновременного осаждения воды и конденсата регистрируют сдвиг частоты Δƒ=Δƒ+Δƒ.
e
k
в
k
p
Уравнение (5) связывает измеряемый сдвиг частоты с суммой объемов V и V, так как величины ε, ε и V нам известны.
e
в
Объем воды V определяют, определяя массу воды m, осевшей на фильтре 18. Для этого одновременно с измерением частоты СВЧ резонатора 16 фильтр 18 просвечивают радиоволнами миллиметрового диапазона. КВЧ генератор 25 через рупор 23 посылает стабильный по частоте и по мощности пучок радиоволн КВЧ диапазона, который через приемный рупор 24 поступает на детектор 26.
д
д
Сигнал, регистрируемый детектором 26 U, ослабляется только водным компонентом, так как углеводородный конденсат не поглощает миллиметровые волны (он лишь сдвигает фазу волны). Величина сигнала Uи масса воды в фильтре 18 связаны соотношением:
0
в
где U - сигнал в случае, когда вода отсутствует; m - масса воды в фильтре 18; а - коэффициент поглощения; k - коэффициент, определяемый геометрией рупоров по отношению к фильтру 18 (устанавливается заранее опытным путем).
Из (6) находится масса воды:
e
в
Объем воды V находится из знания массы m:
в
где ρ - плотность воды в стандартных условиях.
e
k
г
После определения V из (5) вычисляется объем конденсата V. Поскольку объем прошедшего газа V в стандартных условиях за время m измеряется счетчиком сухого газа 27, а парциальные объемы воды и конденсата определяются из измерений затухания радиоволн в КВЧ диапазоне и сдвига частоты СВЧ резонатора 16 в дециметровом диапазоне волн, то парциальные расходы продуктов добычи газоконденсатных скважин в стандартных условиях будут записаны как:
Полные расходы компонентов - газа, воды и конденсата, приведенные к стандартным условиям, будут в  раз больше:
0
Через время τ редуктор 8 закрывается. После этого фильтр 18 СВЧ резонатора 16 очищается от жидкой фазы. Для этого приоткрывается вентиль 7 и из баллона 13 начинает поступать воздух, который нагревателем 12 нагревается до температуры 80-100°С и поступает на осушку фильтра 18. Контроль за осушкой осуществляется по амплитуде сигнала с детектора 26: сигнал должен восстановиться до первоначальной величины U.
После восстановления сигнала с детектора 26 цикл заканчивается, и устройство готово к следующему циклу измерений. Время между циклами выбирается предварительно оператором и заносится в программу измерений в блоке 29.
Литература
1. ТУ 4213-064-00158758-2005. Мобильная замерная установка для исследований газоконденсатных и нефтяных скважин. Технические условия (ООО «ТюменНИИгипрогаз»). - Тюмень, 2005.
2. СТО Газпром 3.1-2-008-2008. Методика отбора проб многофазных потоков на устье скважины, кустовой замерной установки, установок промысловой подготовки. - М.: ООО «ИРЦ «Газпром», 2008.
3. Москалев И.Н., Костюков В.Е. Микроволновые методы оперативного анализа природного газа и конденсата. - Саров: Изд-во «ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», 2013. - Т. 1. - 420 с.
4. Р Газпром 086-2010. Инструкция по комплексным исследованиям газовых и газоконденсатных скважин. М.: ООО «Газпром экспо», 2011.
5. Патент РФ №2422796 от 16.03.2010. Способ отбора проб газожидкостного потока и устройство для его осуществления. Автор: Новопашин В.Ф.