Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРИВЕДЕНИЯ РАСХОДОВ ПРОДУКТОВ ДОБЫЧИ ГАЗОКОНДЕНСАТНЫХ СКВАЖИН, ИЗМЕРЯЕМЫХ МНОГОФАЗНЫМ РАСХОДОМЕРОМ, ОТ РАБОЧИХ УСЛОВИЙ К СТАНДАРТНЫМ

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.

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_пр - поперечное сечение зонда, S₀ - 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/см². Механизм поддержания такого давления обеспечивается техникой, объединенной в устройство для создания изокинетического режима забора пробы 4 [5].

Таким образом расход газожидкостной смеси в пробоотборной линии Q_пр составляет часть полного расхода Q_о газожидкостной смеси, протекающей по трубопроводу 2, где S_пр и S₀ 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].

Основным диагностическим инструментом является СВЧ резонатор 16. СВЧ резонатор 16 возбуждается на моде Е₀₁₀. 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^-4) и высокое значение диэлектрической проницаемости, например поликором (tgδ~1⋅10^-4, 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.

При осаждении жидкой фазы на фильтре 18 собственная частота СВЧ резонатора 16 ƒ₀ изменяется - она сдвигается вниз ƒ₀→ƒ₁:

Жидкая фаза состоит из углеводородного конденсата и воды, поэтому:

здесь ƒ₀ - частота СВЧ резонатора 16 в отсутствие конденсата и воды, Δƒ_в=ƒ₀ - ƒ_в, Δƒ_к=ƒ₀-ƒ_к, где ƒ_к - частота СВЧ резонатора 16 при осаждении на фильтре только конденсата объемом V_к, ƒ_в - частота СВЧ резонатора 16 при осаждении на фильтре только воды объемом V_e.

При работе на типе колебаний Е₀₁₀ сдвиг частоты связан с объемом конденсата V_к соотношением:

где ε_k - диэлектрическая постоянная конденсата в стандартных условиях, V_p - объем СВЧ резонатора 16 (с учетом заполнения его диэлектриком 17). Аналогичное соотношение можно записать и для воды:

В случае одновременного осаждения воды и конденсата регистрируют сдвиг частоты Δƒ_в,k=Δƒ_в+Δƒ_k.

Уравнение (5) связывает измеряемый сдвиг частоты с суммой объемов V_e и V_k, так как величины ε_в, ε_k и V_p нам известны.

Объем воды V_e определяют, определяя массу воды m_в, 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.

Сигнал, регистрируемый детектором 26 U_д, ослабляется только водным компонентом, так как углеводородный конденсат не поглощает миллиметровые волны (он лишь сдвигает фазу волны). Величина сигнала U_д и масса воды в фильтре 18 связаны соотношением:

где U₀ - сигнал в случае, когда вода отсутствует; m_в - 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:

Объем воды V_e находится из знания массы m_в:

где ρ_в - плотность воды в стандартных условиях.

После определения V_e из (5) вычисляется объем конденсата V_k. Поскольку объем прошедшего газа V_г 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:

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 U₀.

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.