СПОСОБ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ ГАЗОЖИДКОСТНОГО ПОТОКА

Изобретение относится к технике для исследования движения жидкостных потоков и газожидкостных потоков, например процессов добычи газа в нефтегазовой отрасли, связанной с изучением процессов движения газожидкостных потоков в вертикальных трубопроводах и отдельных устройствах.

Из уровня техники известен способ проведения газогидродинамических исследований скважин (см. Ю.П. Коротаев, Избранные труды, в трех томах, том 1, под ред. академика Р.И. Вяхирева, Москва, Недра, 1996, стр. 36-39, рис. 1). В известном способе проводят исследования влияния жидкости на сопротивление при движении газа по трубам. При проведении исследований осуществляют измерения давления и температуры через определенные промежутки времени до тех пор, пока показания не становились неизменными. При этом количество воды измеряли объемным способом дважды: до входа в смеситель и после выхода из сепаратора. Причем воды на входе в смеситель было несколько больше, чем на выходе. При определении расхода воды принималось среднее значение. Известный способ имеет существенный недостаток, заключающийся в трудоемкости проведения исследований и невысокой точности получения результата.

Наиболее близким к предлагаемому решению является способ проведения газогидродинамических исследований (см. патент РФ №2515622 C2, E21B 47/00, 20.05.2014). Известный способ может быть использован для проведения газогидродинамических исследований движения газожидкостных потоков с включением механических примесей в вертикальных, наклонных трубопроводах и отдельных устройствах. Известный способ обеспечивает возможность наблюдения количественных изменений и улучшение качества визуализации происходящих в объеме и по высоте лифтовой колонны труб процессов и проводимых газогидродинамических экспериментов. Источник излучения в известном решении установлен с возможностью освещения лифтовой колонны труб, у которой один участок изготовлен из прозрачного материала с нанесенными на этом участке делениями. В известном способе возможно осуществлять фоторегистрацию и запись панорамных изображений в память блока обработки информации, а также проводить измерения и фоторегистрацию результатов эксперимента в синхронном режиме. Известный способ позволяет идентифицировать и определять размеры газожидкостных и/или сухих пробок, и/или расстояний между ними, и/или отдельных частиц, выявленных в лифтовой колонне труб. Однако с помощью известного способа не представляется возможным определить водосодержание вертикальной колонны в режиме реального времени.

Задача, решаемая изобретением, заключается в разработке способа проведения исследований газожидкостного потока, позволяющего изучать трубную многофазную гидродинамику путем измерения содержания жидкости в вертикальном газожидкостном потоке, используя для изучения двухфазной гидродинамики лифтовые трубы диаметром от 73 до 168 мм при давлениях до 3,0 МПа и водогазовом факторе в диапазоне 10^-6-10^-2.

Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретения, заключается в расширении функциональных возможностей предлагаемого способа, обеспечивающего возможность определения водосодержания вертикальной колонны в режиме реального времени.

Сущность предлагаемого способа заключается в том, что способ проведения исследований газожидкостного потока включает измерение давления, температуры, расхода вещества на установившихся режимах работы. Обработку результатов измерений испытания проводят на установке, содержащей испытываемую колонну, предназначенную для заполнения рабочим веществом с газожидкостным составом. В контур установки нагнетают газ до рабочего давления, запускают центробежный газовый нагнетатель и путем регулирования частоты вращения ротора нагнетателя с помощью частотного преобразователя устанавливают требуемую величину расхода газа. С помощью жидкостного насоса в испытуемую колонну подают воду, обеспечивая в колонне установившийся режим за счет монотонного во времени роста потерь давления до ее заполнения газожидкостным потоком и постоянного уровня потерь давления в ее нижнем участке. По результатам проведенных измерений на установившемся режиме определяют объем жидкости V_ж в исследуемом газожидкостном потоке, как:

V_ж=q_ж·(t₂-t₁),

где:

t₁ - время начала поступления в испытуемую колонну воды;

t₂ - время начала установившегося режима в испытуемой колонне;

q_ж - объемный расход жидкости при рабочих условиях;

и скорость жидкости, приведенную к сечению трубы колонны:

,

где D - внутренний диаметр вертикальной испытуемой колонны;

а также объемное водосодержание φ в исследуемом газожидкостном потоке, как:

.

где V_тр1 - объем участка трубы колонны, в котором установился процесс движения газожидкостного потока.

При этом среднюю истинную скорость жидкости w определяют исходя из того, что занимаемая в сечении трубы колонны площадь жидкой фазы пропорциональна объемному водосодержанию φ:

.

Предлагаемый способ проведения исследований газожидкостного потока поясняется чертежами. На фиг. 1 представлена измерительная схема устройства для проведения исследований газожидкостного потока, поясняющая предлагаемый способ. На фиг. 2 продемонстрированы результаты измерения параметров, потерь давления ΔP, расхода газа G через колонну при рабочем давлении и объема жидкости V_ж в сепараторе газожидкостного потока в режиме реального времени. На фиг. 3 отображены результаты определения времени заполнения колонны газожидкостной смесью. На фиг. 4 приведен пример распределения газожидкостной смеси по плотности в установившемся вертикальном газожидкостном потоке.

Устройство для проведения исследований газожидкостного потока (фиг. 1) может содержать:

- испытуемую колонну (1), выполненную из прозрачного материала и устанавливаемую в вертикальном положении;

- у основания колонны установлен смеситель газа и жидкости (2);

- в устройстве предусмотрен кран впуска и выпуска газа (3), подключенный трубопроводом к выходу газа сепаратора (4) с одной стороны и к входу центробежного газового нагнетателя (5) с другой;

- на выходе жидкостного потока сепаратора установлен жидкостный насос (6), подключенный к расходомеру жидкости (7);

- центробежный газовый нагнетатель связан через расходомер газа (8) со смесителем газа и жидкости;

- на испытуемой колонне могут быть установлены блок датчиков перепада давления (9) и блок датчиков давления и температуры (10);

- показания с блока датчиков перепада давления (9) и блока датчиков давления и температуры (10), а также с расходомера газа поступают через блок аналого-цифрового преобразования (11) в блок обработки данных и визуализации результатов наблюдения (12).

Для осуществления предлагаемого изобретения используется стандартное оборудование. Для заполнения колонны может использоваться любая жидкость.

В процессе экспериментальных исследований проводится контроль физических параметров изучаемого процесса с помощью цифровых каналов передачи информации , обработка которой осуществляется в блоке 12.

Для осуществления изобретения

- в качестве датчиков перепада давления и датчиков давления и температуры могут быть использованы датчики с токовым выходом 4-20 мА;

- блок обработки данных и визуализации результатов наблюдения может быть реализован на базе персонального компьютера (ПК) с установленным драйвером обмена, с помощью которого производят сбор, отображение и хранение полученных значений технологических параметров всей системы датчиков, например, в файле формата Microsoft Excel.

Сигналы с датчиков давления и температуры передаются на аналогово-цифровой преобразователь, который связан с ПК по протоколу RS-232.

При проведении эксперимента первоначально в контур стенда нагнетается газ до рабочего давления P. Затем в момент времени t=0 (фиг. 2, 3) включается центробежный газовый нагнетатель (5); регулированием частоты вращения ротора нагнетателя с помощью частотного преобразователя устанавливается требуемая величина расхода газа G. После включения жидкостного насоса (6) в момент времени t₁ (фиг. 3) в испытуемую колонну (1) начинает поступать вода, одновременно за счет возникновения столба газожидкостной смеси начинается рост потерь давления ΔP в испытуемой колонне, которые замеряются датчиками, установленными в ее верхней части, например, на высоте 30 м. В исходном состоянии в уровнемере сепаратора присутствует некоторое количество воды V (в рассматриваемом эксперименте эта величина равна 1,2 л).

Существенными условиями поведения газожидкостного потока в экспериментальных исследованиях являются (см. фиг. 2):

1) потери давления в колонне вплоть до ее заполнения, которые должны монотонно возрастать во времени, обеспечивая при этом установившийся режим;

2) уровень потерь давления в нижнем участке колонны после достижения столбом газожидкостной смеси уровня 1,3 м должен поддерживаться постоянным.

Выполнение указанных условий свидетельствует о равномерном, почти поршнеобразном, поднятии столба двухфазной смеси и постоянной величине локального водосодержания практически по всей высоте колонны. Исключение составляет небольшой верхний участок колонны, заполняемый после момента времени t>t₂ (см. фиг. 3), на котором локальное водосодержание и локальные потери давления несколько меньше, чем по всей остальной высоте столба газожидкостной смеси в испытуемой колонне.

Осуществление изобретения подтверждается проведенными экспериментами. На фиг. 2 представлены результаты измерений, полученные во время проведения эксперимента на экране монитора блока обработки данных и визуализации результатов наблюдения в режиме on-line. Эксперимент в рассматриваемом примере проводился на вертикальной колонне длиной L=29,59 м с внутренним диаметром D=100 мм, при рабочем давлении P=1,04 МПа, расходе жидкости q_ж=11,4 л/час, расходе газа G=146 м³/час. В качестве компонентов газожидкостной смеси использовались вода и воздух. На фиг. 2 обозначено: ΔP (30 м) - результаты измеренных потерь давления в верхней части колонны, (см водного столба); кривая С отражает расход газа через колонну при рабочем давлении, (м³/час); кривая V отражает объем жидкости в сепараторе, (л). Параллельно проводились измерения потерь давления на нижнем участке трубы испытуемой колонны на высоте 1,3 м с целью определения влияния на характеристики газожидкостного потока растущего вышележащего столба смеси. Все полученные данные после аналого-цифрового преобразования в блоке 11 поступают в блок обработки данных и визуализации результатов наблюдения 12. С помощью блока 12 осуществляется обработка полученных от блока 9 датчиков перепада давления и от блока 10 датчиков давления и температуры данных.

На фиг. 3 отмечены различные фазы проведенного эксперимента. На начальном этапе, после установления расхода газа на уровне G=146 м³/час, потери давления на трение для однофазного газа по всей высоте колонны (30 м) составили 8,6 см вод. ст. В момент времени t₁=10,5 мин в испытуемой колонне стала появляться жидкость, что инициировало возникновение и рост столба газожидкостной смеси, сопровождаемого монотонным ростом потерь давления.

В момент времени t₂=55 мин столб газожидкостной смеси (фиг. 4) достиг уровня H₁, выше которого на участке H₂ плотность смеси несколько уменьшается по сравнению с нижним участком (фиг. 4). Пренебрегая этим концевым эффектом в условиях проведенного эксперимента, были определены средняя скорость движения жидкости в трубе колонны, то есть скорость заполнения колонны газожидкостной смесью. Окончание периода заполнения колонны завершается в момент времени t₃=64 мин (фиг. 3).

После заполнения испытуемой колонны газожидкостной смесью до ее верхней части жидкость из нее сливается в сепаратор (4) (см. кривая V на фиг. 2). Через некоторое время режим устанавливается во всех участках устройства. На фиг. 4 представлено распределение газожидкостной смеси по плотности в установившемся вертикальном газожидкостном потоке. В течение времени (t₂-t₁) столб газожидкостной смеси поднимается до высоты H₁, в течение времени (t₃-t₂) столб поднимается по верхнему участку трубы колонны II до верхней части трубы колонны высотой L=H₁+H₂. После установления режима плотность смеси на участке I практически постоянна (или меняется весьма слабо), а на участке II с высотой уменьшается. Принимая равенство (1)

и, решая уравнение с учетом приведенных временных параметров, получаем H₁/L=0,84.

Объем жидкости V_ж в колонне на участке I после ее заполнения можно рассчитать исходя из балансового соотношения (2):

где q_ж - объемный расход жидкости при рабочих условиях.

Учитывая, что объем участка трубы колонны составляет V_mp1=194 л, объемное водосодержание φ в исследуемом газожидкостным потоке на установившемся режиме (участок I фиг. 4) определяется как:

Результаты проведенных экспериментов позволяют определить среднюю истинную скорость жидкости течения w. Обозначим v - скорость жидкости, приведенную к сечению трубы колонны. В рассмотренном эксперименте она равна

Тогда, считая, что занимаемая в сечении колонны площадь жидкой фазы пропорциональна объемному водосодержанию φ, можно определить среднюю истинную скорость жидкости w

или w=9 мм/сек. Таким образом, со средней скоростью движения жидкости в колонне в процессе рассматриваемого эксперимента происходит заполнение ее газожидкостной смесью, что отражается углом наклона α графика ΔP (30 м) на фиг. 3.

По описанной методике была проведена серия экспериментов на колоннах, диаметр труб которых составляет 62 и 100 мм. Целью исследований является изучение гидродинамики двухфазных потоков применительно к условиям эксплуатации сеноманских скважин на поздней стадии.

Сравнение измеренных значений объемного водосодержания в вертикальных колоннах с расчетными по существующим соотношениям показало, что предлагаемое решение определения характеристик восходящих газожидкостных потоков позволяет проводить актуальные для практики исследования двухфазной гидродинамики в слабо изученных диапазонах физических параметров, характерных для поздней стадии разработки газовых месторождений.

Из анализа экспериментальных результатов следует, что локальные потери давления, объемное водосодержание и скорость жидкой фазы в вертикальном газожидкостном потоке являются однозначными функциями диаметра трубы колонны, расхода жидкости, расхода газа и давления. По замеренным на устье скважины давлению, дебиту газа и дебиту воды можно определить давление и объемное водосодержание в любой точке работающей скважины от забоя до устья. Кроме того, открывается возможность разработки новых математических моделей для определения как стационарных, так и нестационарных режимов работы обводненных газовых скважин (включая, например, задавливание и продувку).