УСТРОЙСТВО ДЛЯ 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 известна экспериментальная установка для проведения газогидродинамических исследований скважин (Ю.П. Коротаев. Избранные труды, в 3-х томах. Т 1. Под ред. акад. Р.И. Вяхирева. М., Недра, 1996, стр. 36-39, рис. 1), в которой 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. В состав известной установки входят вертикальные трубы различного диаметра, сепаратор, ротаметр, мерный бак, мерный цилиндр, отсекатель, регулировочный вентиль, отводной вентиль, диафрагмы. Известная установка имеет существенный недостаток, заключающийся в большом количестве оборудования и трудоемкости проведения исследований.

Из уровня техники известен стенд для исследования условий подъема жидкости с использованием газа из скважин газовых, конденсатных и нефтяных месторождений (патент РФ 48580 U1, E21B 47/00, опубл. 27.10.2005). Известный стенд предназначен для изучения условий подъема газа и жидкости по лифтовым колоннам труб. Стенд включает одну или несколько колонн труб различного диаметра, узел подачи и регулирования расхода жидкости, средство подачи и регулирования расхода газа, в состав которого входит компрессор, устройство ввода в колонну и отвода из колонны газожидкостной смеси, сепаратор, имеющий выходы для жидкости и газа, средство отвода жидкости и газа из установки. Трубопровод снабжен патрубком избыточного давления газа и патрубком сброса газа. Известное решение не позволяет провести качественный анализ процессов, проходящих в объеме лифтовой колонны труб и по трубопроводу, что негативно отражается на достоверности, наглядности и точности результатов и полноте информации проводимых экспериментов.

Задача, решаемая предлагаемым изобретением, заключается в разработке устройства для 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 изобретение, заключается в создании упрощенной конструкции устройства, которое обеспечивает высокое качество проведения исследований газожидкостных потоков, за счет повышения точности проводимых экспериментов.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что устройство для проведения исследований газожидкостного потока включает по крайней мере одну испытуемую колонну, выполненную из прозрачного материала и устанавливаемую в вертикальном положении, смеситель газа и жидкости, установленный у основания упомянутой колонны. Выход газожидкостной смеси из верхней части колонны предназначен для слива жидкости в сепаратор. К выходу газа сепаратора трубопроводом подключен с одной стороны кран впуска и выпуска газа, подключенный также с другой стороны к входу центробежного газового нагнетателя. На выходе жидкостного потока сепаратора установлен жидкостный насос, подключенный через расходомер жидкости к одному входу смесителя газа и жидкости. Центробежный газовый нагнетатель связан через расходомер газа с другим входом смесителя газа и жидкости. На различных участках испытуемой колонны установлены блок датчиков перепада давления и блок датчиков давления и температуры, показания с которых и показания с расходомера газа предназначены для передачи в режиме реального времени в блок обработки данных и визуализации результатов наблюдения через блок аналого-цифрового преобразования.

Работа устройства для проведения исследований газожидкостного потока поясняется чертежами. На фиг. 1 представлена измерительная схема предлагаемого устройства для проведения исследований газожидкостного потока, на фиг. 2 продемонстрированы результаты измерения параметров, потерь давления ΔP и расхода газа G через колонну при рабочем давлении, а также 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) содержит:

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

При осуществлении 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, который производит 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.

Работа на стенде осуществляется следующим образом.

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 до тех пор, пока не будет обеспечен 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.

На фиг. 2 представлены результаты измерений, полученные во время проведения эксперимента на экране монитора блока обработки данных и визуализации результатов наблюдения предлагаемого устройства 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 м /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 вод. ст.); кривая G 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.

Количество 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.

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 с помощью предлагаемого устройства возможно определять характеристики восходящих газожидкостных потоков и проводить актуальные для поздней стадии разработки газовых месторождений исследования двухфазной гидродинамики в слабо изученных диапазонах физических параметров с высокой достоверностью результатов.

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.