СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ГИДРАВЛИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ГАЗОСБОРНОГО ШЛЕЙФА В АСУ ТП УСТАНОВОК КОМПЛЕКСНОЙ ПОДГОТОВКИ ГАЗА ГАЗОКОНДЕНСАТНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ КРАЙНЕГО СЕВЕРА

Изобретение относится к области добычи природного газа, в частности к определению фактического коэффициента гидравлического сопротивления газосборного шлейфа λ_ф в автоматизированных системах управления технологическими процессами (АСУ ТП) установок комплексной подготовки газа (УКПГ) газоконденсатных месторождений Крайнего Севера.

Известен способ определения коэффициента гидравлического сопротивления газосборного шлейфа по паспортным параметрам шлейфа и данным по его эксплуатации (см. Бекиров Т.М., Шаталов А.Т. Сбор и подготовка к транспорту природных газов. - М.: Недра, 1986. - 261 с.).

Существенным недостатком указанного способа является крайняя низкая точность определения значения коэффициента гидравлического сопротивления газосборного шлейфа, и без учета того факта, что с течением времени значение указанного коэффициента изменяется.

В указанном способе значение коэффициента гидравлического сопротивления газосборного шлейфа определяют аналитическим путем (без учета влияния дополнительных местных сопротивлений, создаваемых подкладными кольцами, кранами и переходами) по формуле (см. стр. 48, формула (III.9), Бекиров Т.М., Шаталов А.Т. Сбор и подготовка к транспорту природных газов. - М.: Недра, 1986. - 261 с.):

где Re - критерий Рейнольдса;

K_ш - шероховатость стен газосборного шлейфа;

d_вн - внутренний диаметр газопровода.

Изменение шероховатости внутренних стен газосборного шлейфа в период эксплуатации в значительной степени зависит от качества транспортируемого газа. Наличие в нем воды, механических примесей и т.д. со временем резко увеличивает шероховатость газосборного шлейфа, которую в реальном масштабе времени во время эксплуатации определить невозможно.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ определения коэффициента гидравлического сопротивления газосборного шлейфа, который заключается в том, что коэффициент гидравлического сопротивления газосборного шлейфа определяют с учетом паспортных параметров шлейфа и данных по его эксплуатации (см. Новоселов В.Ф., Гольянов А.И., Муфтахов Е.М. Типовые расчеты при проектировании и эксплуатации газопроводов. Учеб. пособие для вузов. - М.: Недра, 1982. 136 с.).

В указанном способе значение коэффициента гидравлического сопротивления газосборного шлейфа определяют с учетом влияния дополнительных местных сопротивлений, создаваемых подкладными кольцами, кранами и переходами. С этой целью используют паспортные данные газосборного шлейфа и аналитическим путем определяют значение коэффициента гидравлического сопротивления трения λ_тр. по формуле (см. стр. 25, формула (45), Новоселов В.Ф., Гольянов А.И., Муфтахов Е.М. Типовые расчеты при проектировании и эксплуатации газопроводов. Учеб. пособие для вузов. - М.: Недра, 1982. 136 с.):

где Re - критерий Рейнольдса;

k - эквивалентная шероховатость внутренней поверхности газосборного шлейфа;

D - внутренний диаметр газосборного шлейфа.

Для газосборных шлейфов, эксплуатируемых на Крайнем Севере, как правило, выполняется неравенство , и поэтому гидравлическое сопротивление λ_тр. определяют из соотношения (см. стр. 25, формула (47), Новоселов В.Ф., Гольянов А.И., Муфтахов Е.М. Типовые расчеты при проектировании и эксплуатации газопроводов. Учеб. пособие для вузов. -М.: Недра, 1982. 136 с.):

Для магистральных газопроводов без подкладных колец дополнительные местные сопротивления (краны, переходы) обычно не превышают 2-5% от потерь на трение. Поэтому для технических расчетов коэффициент гидравлического сопротивления определяют из соотношения (см. стр. 27, формула (52), Новоселов В.Ф., Гольянов А.И., Муфтахов Е.М. Типовые расчеты при проектировании и эксплуатации газопроводов. Учебное пособие для вузов. - М.: Недра, 1982. 136 с.):

λ=(1,02÷1,05)λ_тр.

Существенным недостатком указанного способа является крайняя низкая точность определения значения коэффициента гидравлического сопротивления газосборного шлейфа, так как во время эксплуатации с течением времени значение указанного коэффициента изменяется и определить его значения в реальном масштабе времени невозможно. Именно поэтому фактические значения λ_ф коэффициента гидравлического сопротивления газосборного шлейфа не совпадают с расчетными (теоретическими) значениями λ. Это связано еще и с тем, что в сыром газе имеются влага, мехпримеси и пр. Они во время эксплуатации газосборного шлейфа, оседая на его стенках, вызывают постепенное возрастание его шероховатости. В результате значения λ_ф невозможно определить для шлейфа известными способами и тем более в реальном масштабе времени. Возрастание шероховатости, в свою очередь, приводит к увеличению фактического значения коэффициента гидравлического сопротивления λ_ф газосборного шлейфа. Сильное влияние на значение фактического коэффициента гидравлического сопротивления λ_ф газосборного шлейфа также оказывают скопления в пониженных точках трассы конденсата и влаги, а также образование гидратов в шлейфе, количество которых в газосборном шлейфе в реальном масштабе времени оперативно и точно оценить невозможно.

Целью заявляемого технического решения является устранение указанных недостатков, повышение точности определения фактического значения коэффициента гидравлического сопротивления газосборного шлейфа и контроль его динамики в реальном масштабе времени.

Поставленная задача решается и технический результат достигается за счет того, что коэффициент фактического гидравлического сопротивления газосборного шлейфа λ_ф определяют с учетом паспортных параметров шлейфа и данных по его эксплуатации, в том числе теоретического коэффициента гидравлического сопротивления газосборного шлейфа λ. Также используют контролируемые параметры работы газопромыслового шлейфа:

- давления p_н и p_к, температуры газа t_н и t_к, в начале и в конце газосборного шлейфа (на входе установки комплексной подготовки газа) соответственно;

- объемный расход газа в нормальных условиях, который транспортируется по газосборному шлейфу - Q.

Эти параметры измеряют в реальном масштабе времени с заданным шагом квантования посредством технических средств автоматизированной системы управления технологическими процессами (АСУ ТП) установки комплексной подготовки газа (УКПГ) (p_к и t_к) и с помощью средств телеметрии кустов газовых скважин (p_н, t_н и Q). Все указанные контролируемые параметры используют для определения фактического значения коэффициента гидравлического сопротивления газосборного шлейфа, определяемого из соотношения:

где d_вн - внутренний диаметр газопровода;

p_н, p_к - давление газа в начале и конце газосборного шлейфа соответственно;

Q - объемный расход газа в нормальных условиях, который транспортируется по газосборному шлейфу;

Δ - относительная плотность газа в нормальных условиях;

t_ср - средняя температура в газосборном шлейфе;

z - коэффициент сверхсжимаемости газа в рабочих условиях;

l - длина газопровода.

Приведенная формула для определения λ_ф получена из известного соотношения (см. стр. 46, формула (III.7), Бекиров Т.М., Шаталов А.Т. Сбор и подготовка к транспорту природных газов. - М.: Недра, 1986. - 261 с.):

Вычисления производят с использованием текущих значений давлений p_к, p_н, t_н, t_к и Q.

Порядок определения значений λ, Δ, t_ср, z можно найти в соответствующей литературе (например, см. Бекиров Т.М., Шаталов А.Т. Сбор и подготовка к транспорту природных газов. - М: Недра, 1986. - 261 с.).

После того как будет определено значение λ_ф, его сравнивают с максимально допустимым для λ_ф значением - λ_доп, и если будет выявлено что λ_ф>λ_доп, то устанавливают факт - нормальный режим работы скважин и/или газосборного шлейфа нарушен, т.к. в газосборном шлейфе кроме газа присутствует выше допустимой нормы иной фактор (газовый гидрат, пластовая вода, механические примеси и т.д.), и принимают соответствующие превентивные меры по предупреждению потенциальных аварийных и других нештатных ситуаций в работе кустов скважин и газосборного шлейфа.

Дополнительно определяют коэффициент эффективности функционирования газопромыслового шлейфа, который вычисляют из выражения:

Полученные величины λ_ф и Е АСУ ТП заносит в свою базу данных и выводит значение E на пульт оператора. После этого по величине E, индивидуальной для каждого газосборного шлейфа и зависящей от его технических параметров (длины, диаметра и т.д.), судят о загрязненности газопромыслового шлейфа. Способ реализуют следующим образом.

Используя средства АСУ ТП УКПГ и телеметрии кустов газовых скважин, в реальном масштабе времени производят с заданным шагом квантования измерение:

- давления p_н и p_к и температуры газа t_н и t_к в начале и конце (на входе УКПГ) газосборного шлейфа соответственно;

- объемный расход газа в нормальных условиях Q, который транспортируется по газосборному шлейфу, и заносят их в базу данных АСУ ТП.

Используя измеренные значения p_н, p_к, t_н, t_к и Q, определяют в реальном масштабе времени фактические значения коэффициента гидравлического сопротивления газосборного шлейфа из соотношения:

где d_вн - внутренний диаметр газопровода;

p_н, p_к - давление газа в начале и конце газосборного шлейфа соответственно;

Q - объемный расход газа в нормальных условиях, который транспортируется по газосборному шлейфу;

Δ - относительная плотность газа в нормальных условиях;

t_ср - средняя температура газа в газосборном шлейфе;

z - коэффициент сверхсжимаемости газа в рабочих условиях;

l - длина газопровода.

Приведенная формула для определения λ_ф получена из известного соотношения (см. стр. 46, формула (III.7), Бекиров Т.М., Шаталов А.Т. Сбор и подготовка к транспорту природных газов. - М.: Недра, 1986. - 261 с.):

Вычисления производят с использованием текущих значений давлений p_н, p_к, t_н, t_к и Q.

Порядок определения значений λ, Δ, t_ср, z можно найти в соответствующей литературе (например, см. Бекиров Т.М., Шаталов А.Т. Сбор и подготовка к транспорту природных газов. - М.: Недра, 1986. - 261 с.).

Относительную плотность газа в нормальных условиях Δ определяют из выражения:

где ρ_г и ρ_в - плотность газа и воздуха соответственно;

M_г - молекулярная масса газа.

Среднюю температуру газа в газосборном шлейфе определяют как среднеарифметическое значение температур t_н и t_к по формуле

Коэффициент сверхсжимаемости газа z в рабочих условиях определяют из выражения (см. стр. 140, Трубопроводный транспорт нефти и газа: Учеб. для вузов / Р.А. Алиев, В.Д. Белоусов, А.Г. Немудров и др. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Недра, 1988. - 368 с.: ил.):

где p_пр, t_пр - приведенное давление и приведенная температура газа, алгоритм определения которых представлен следующими выражениями:

где p_ср. - среднее давление газа в газосборном шлейфе;

p_кр., t_кр. - критическое давление и критическая температура газа в газосборном шлейфе, значения которых берут из нормативной справочной литературы.

Значение p_ср. определяют из выражения:

Значения внутреннего диаметра газопровода d_вн и длины газопровода l определяют из проектной документации.

На следующем шаге определяют коэффициент эффективности функционирования газопромыслового шлейфа из следующего выражения:

Использование величины λ_ф для представления оператору неудобно, т.к. эта величина сильно меняется от шлейфа к шлейфу и визуально может быть воспринята неадекватно. Для оператора существенно удобнее работать с безразмерными относительными величинами, поскольку они практически не зависят от номера шлейфа, и поэтому гораздо легче увидеть проблему в безразмерных относительных показаниях.

Полученные величины λ_ф и Е АСУ ТП заносит в свою базу данных, а значение параметра E выводится на пульт оператора. На следующем шаге по величине E, индивидуальной для каждого газосборного шлейфа, судят о его загрязненности. Низкие значения E указывают на необходимость очистки газосборного шлейфа.

Таким образом, определение значения фактического коэффициента гидравлического сопротивления газосборного шлейфа в реальном масштабе времени позволяет в оперативном режиме диагностировать состояние шлейфа. Заранее известно (из опыта эксплуатации конкретного месторождения), что при нормальном режиме работы куста газовых скважин значение фактического коэффициента гидравлического сопротивления газосборного шлейфа λ_ф и коэффициента эффективности функционирования газопромыслового шлейфа E не должно превышать определенную для них границу (значения E и λ_ф для каждого газопромыслового шлейфа являются индивидуальными). Если в ходе эксплуатации газосборного шлейфа выяснится, что значение фактического коэффициента эффективности газопромыслового шлейфа E пересекло указанную границу, можно твердо констатировать, что нормальный режим работы скважин и шлейфа нарушены, т.к. в шлейфе кроме газа присутствует выше допустимой нормы иной фактор (газовый гидрат, пластовая вода, механические примеси и т.д.).

Если последующий анализ ситуации в газосборном шлейфе покажет, что в нем присутствует гидратный фактор (на выходе газосборного шлейфа снижается температура газа), тогда в газосборный шлейф подают ингибитор (на Крайнем Севере в качестве ингибитора используют метанол). При скоплении конденсата, воды и мехпримесей в газосборном шлейфе для их удаления снижают давления на его выходе в рамках технологических ограничений. Если это не приводит к нужному эффекту, тогда продувают газосборный шлейф. На практике возможны ситуации, когда даже продувка газосборного шлейфа не позволяет его очистить. В таких случаях прибегают к очистке газосборного шлейфа специальными скребками (см. стр. 147, Трубопроводный транспорт нефти и газа: Учеб. для вузов / Р.А. Алиев, В.Д. Белоусов, А.Г. Немудров и др. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Недра, 1988. - 368 с.: ил.).

Благодаря реализации заявляемого способа появляется возможность в оперативном режиме оценить режим работы газосборного шлейфа и, соответственно, своевременно принять меры по парированию (устранению) предаварийных и других нештатных ситуаций в работе газопромыслового шлейфа.

Заявляемое изобретение отработано и реализовано на газовых промыслах ООО «Газпром добыча Ямбург».

Применение данного способа позволяет оперативно выявлять потенциальную возможность отказа газосборного шлейфа и тем самым повысить эффективность принимаемых управленческих решений и улучшить условия работы обслуживающего персонала на УКПГ, а также снизить численность персонала, занятого обслуживанием промысла.