Устройство для измерения параметров газожидкостной смеси, добываемой из нефтяных скважин

Изобретение относится к области измерительной техники и предназначено для измерения параметров газожидкостной смеси непосредственно в потоке и может применяться в нефтегазодобывающей, нефтеперерабатывающей, нефтехимической и других отраслях промышленности.

Известен плотномер жидких или газообразных сред, содержащий петлеобразную трубу равного сечения, состоящую из восходящей, горизонтальной и нисходящей ветвей, три отборника давления, установленные соответственно на этих ветвях, два датчика разности давления, датчик абсолютного давления, датчик температуры рабочей среды, импульсные трубки с «эталонной» жидкостью, воспринимающие давление рабочей среды непосредственно контактным методом, и регистрирующий блок, при этом плотномер снабжен датчиком температуры «эталонной» жидкости и дополнительным отборником давления, размещенным на корпусе термометра датчика температуры «эталонной» жидкости, а отборники давления, установленные на восходящей, нисходящей ветвях петлеобразной трубы, и отборник давления, размещенный на корпусе термометра, расположены на одном уровне в нижней части петли (Патент РФ на полезную модель 67263, приор. 24.05.2007 г., опубл. 10.10.2007 г.).

Работа известной конструкции основана на методе сравнения плотности «эталонной» жидкости, находящейся в статике, с плотностью рабочей среды, находящейся в динамике, что на порядок повышает точность измерения. Расход рабочей среды определяется по измеренным значениям плотности рабочей среды, потерям на трение на длине петли трубопровода и его диаметру.

К недостаткам полезной модели можно отнести появление погрешности в измерении расхода продукции нефтяных скважин из-за изменения диаметра трубопровода вследствие кругового отложения в нем асфальтопарафиновых включений. А поскольку измерение расхода определяется в зависимости от потерь на трение и диаметра трубопровода, то их изменение влечет за собой погрешности в измерении.

Известен плотномер-расходомер жидких сред, содержащий входной патрубок, измерительную колонку, имеющую вертикальную и горизонтальную ветви, выходной патрубок, датчики абсолютного давления и температуры измеряемой жидкости, отборники давления, два из которых - нижний и верхний, установлены на вертикальной ветви, два датчика разности давления, залитые «эталонной» жидкостью импульсные трубки для соединения отборников давления с соответствующими датчиками разности давления и регистрирующий блок, снабжен установленными на залитой «эталонной» жидкостью гильзе датчиком температуры «эталонной» жидкости и дополнительным отборником давления, расположенным на одном уровне с нижним отборником давления вертикальной ветви с диаметром D, выполненной с внутренним покрытием, снижающим сопротивление движению потока жидкости, верхний отборник давления на вертикальной ветви расположен от нижнего отборника давления на расстоянии H=(1÷1,5)D и соединен с упомянутой гильзой импульсными трубками с «эталонной» жидкостью, нижний и дополнительный отборники давления импульсными трубками с «эталонной» жидкостью соединены с первым датчиком разности давления, горизонтальная ветвь измерительной колонки содержит участок калиброванного трубопровода длиной L₁ меньшего диаметра D₁ и участок калиброванного трубопровода длиной L₂ с резким расширением его диаметра D₂ в выходном патрубке, причем , L₁=(2÷3)D₁, L₂=(3÷4)D₂, и снабжена первым отборником давления и вторым отборником давления, расположенным от первого отборника давления на расстоянии L=(2÷3)D₂ на участке диаметром D₂, при этом первый и второй отборники давления соединены импульсными трубками с «эталонной» жидкостью со вторым датчиком разности давления, датчики абсолютного давления и температуры измеряемой и «эталонной» жидкости и датчики разности давления соединены с регистрирующим блоком, выполненным с возможностью определения плотности и расхода измеряемой жидкости по прилагаемым формулам (Пат. РФ №2378638, приор. 24.09.2007 г., публ. 10.01.2010 г.).

Недостатком известного плотномера-расходомера является следующее.

Известная конструкция не предусматривает измерение вязкости газожидкостной смеси и обладает недостаточной точностью за счет неполной компенсации потерь на трение в измерительных колонках.

Задачей предлагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей устройства путем измерения дополнительного параметра - вязкости газожидкостной смеси, добываемой из нефтяных скважин, и повышение точности измерения плотности за счет изменения конструкции, позволяющей компенсировать потери на трение.

Указанная задача решается тем, что в устройстве для измерения параметров газожидкостной смеси, добываемой из нефтяных скважин, содержащем входной и выходной патрубки, измерительную колонку с вертикальной ветвью, снабженной первым датчиком разности давления и датчиками абсолютного давления и температуры измеряемой жидкости, ветвь измерительной колонки, содержащую участок калиброванного трубопровода длиной L₁ меньшего диаметра D₁ и участок калиброванного трубопровода длиной L₂ с резким расширением его диаметра D₂ в выходном патрубке, снабженный вторым датчиком разности давления, отборники давления которого разнесены между собой на расстояние L=(2÷3)D₂, импульсные трубки с «эталонной» жидкостью, соединяющие отборники давления с соответствующими датчиками разности давления, причем , a L₁=(2÷3)D₁, L₂=(3÷4)D₂, в отличие от известного, ветвь измерительной колонки на участке калиброванного трубопровода длиной L₁ снабжена третьим датчиком разности давления, а вертикальная ветвь измерительной колонки диаметром D снабжена четвертым датчиком разности давления, причем точки отбора давления первого датчика разности давления и точки отбора давления четвертого датчика разности давления разнесены между собой на расстояние ΔН, кроме того, на вертикальной ветви измерительной колонки установлен сосуд с «эталонной» жидкостью, поддерживающей постоянный уровень высот столбов «эталонной» жидкости h₁ и h₂ в импульсных трубках, а на входе вертикальной ветви измерительной колонки установлена струевыпрямительная решетка для исключения турбулентности входящего потока.

Ветвь измерительной колонки, содержащую участок калиброванного трубопровода длиной L₁ меньшего диаметра D₁ и участок калиброванного трубопровода длиной L₂ с резким расширением его диаметра D₂ в выходном патрубке, установлена вертикально и выполнена из нержавеющей стали.

Датчики абсолютного давления, температуры измеряемой жидкости и датчики разности давления соединены с регистрирующим блоком с заложенной программой для определения плотности, скорости потока, вязкости, количества массы воды, нефти, газа измеряемой газожидкостной смеси по формулам:

,

,

,

,

,

,

,

,

где ρ_{см i} - плотность измеряемой жидкости (нефтегазовой смеси), кг/м³;

ρ_{t эт} - плотность «эталонной жидкости», приведенная к рабочим условиям измеряемой жидкости по температуре и давлению, кг/м³;

ΔР₁-ΔР₂ - разность перепадов давления между «эталонной» и измеряемой жидкостями, снимаемая с датчиков разности давления, установленных на вертикальной колонке с диаметром D, Па;

g - ускорение свободного падения, м/с²;

ΔН - высота разноса точек отбора давления датчиков разности давления, установленных на вертикальной колонке с диаметром D, м;

V₁ - скорость потока измеряемой жидкости, м/с;

D₁ и D₂ - диаметры участков калиброванных трубопроводов с длиной L₁ и L₂, м;

ΔР₃ - перепад давления на датчике разности давления, установленном на участке L₂ калиброванного трубопровода с диаметром D₂, Па;

υ - вязкость измеряемой жидкости, сСт;

D₁ - диаметр участка калиброванного трубопровода с длиной L₁, м;

V₁ - скорость потока измеряемой жидкости, м/с;

L₁ - расстояние между точками отбора давления дополнительным датчиком разности давления, м;

ΔР₄ - перепад давления на датчике разности давления, установленном на участке L₁ калиброванного трубопровода с диаметром D₁, Па;

М_н - количество массы нефти, т/сут;

М_в - количество массы воды, т/сут;

Q_г - количество газа, м³/сут;

τ - 86400 сек в сутках;

M_нi, M_вi, Q_гi - доли нефти, воды и газа в измеренных порциях;

Г_ф - газовый фактор, м³/т;

w - текущая обводненность нефти в массовых единицах, в %.

На фиг.1 представлено устройство в статике.

Устройство содержит входной патрубок 1, вертикальную ветвь 2 измерительной колонки с диаметром D, в нижней части которой установлена струевыпрямительная решетка 3 для исключения турбулентности входящего потока Q. Другая ветвь 4 измерительной колонки установлена также вертикально и содержит участок калиброванного трубопровода длиной L₁ с меньшим диаметром D₁ и участок калиброванного трубопровода длиной L₂ с резким расширением его диаметра D₂ в выходном патрубке 5. При этом , a L₁=(2÷3)D₁, L₂=(3÷4)D₂ (условие взято из известного источника: А.Д. Альтшуль, Л.С. Животовский, Л.П. Иванов. Гидравлика и аэродинамика. М., Стройиздат, 1985 г.).

Вертикальная ветвь 2 измерительной колонки с диаметром D снабжена датчиком 6 разности давления ΔР₁ и датчиком 7 разности давления ΔР₂.

Другая вертикальная ветвь 4 измерительной колонки содержит датчик 8 разности давления ΔР₃ и датчик 9 разности давления ΔР₄

Вентили 10, 11, 12 сообщают сосуд с «эталонной» жидкостью с импульсными трубками 18 и 20.

Отборник давления 13 с вентилем 14 посредством импульсной трубки 15 передает давление в «минусовую» камеру датчика 6 разности давления ΔР₁. Отборник давления 16 с вентилем 17 посредством импульсной трубки 18 с «эталонной» жидкостью и вентилем 19 передает давление в «плюсовую» камеру датчика 6 разности давления ΔР₁,

Отборник давления 16 с вентилем 17 посредством импульсной трубки 20 с «эталонной» жидкостью с вентилем 21 передает давление в «плюсовую» камеру датчика 7 разности давления ΔP₁, а отборник давления 22 с вентилем 23 посредством импульсной трубки 24 передает давление в «минусовую» камеру датчика 7 разности давления ΔР₁.

Датчик 8 разности давления ΔР₃ расположен на участке калиброванного трубопровода длиной L₂ с резким расширением его диаметра D₂, отборники давления 25 и 26 которого разнесены между собой на расстояние L=(2÷3)D₂, при этом отборник давления 25 с вентилем 27 передает давление в «плюсовую» камеру датчика 8 разности давления ΔР₃, а отборник давления 26 с вентилем 28 передает давление в «минусовую» камеру датчика 8 разности давления ΔР₃.

Датчик 9 разности давления ΔР₄ расположен на участке калиброванного трубопровода длиной L₁ меньшего диаметра D₁, точка отбора давления 29 передает давление в минусовую камеру датчика разности давления 9, а точка отбора давления 30 передает давление в его плюсовую камеру.

На вертикальной ветви 2 установлен термометр измеряемой жидкости 31. В качестве «эталонной» жидкости используется жидкость, непосредственно контактирующая с измеряемой жидкостью, но не смешивающаяся с ней, например кремнеорганическая, имеющая известные коэффициенты объемного расширения и сжатия. В месте контакта «эталонной» жидкости с измеряемой жидкостью выполнены «мини» камеры для передачи давления (на чертеже не показаны).

Точка отбора давления 32 с вентилем 33 передает давление из объема вертикальной колонки 2 в датчик абсолютного давления 34.

На вертикальной ветви 2 измерительной колонки установлен сосуд 35 с «эталонной» жидкостью, поддерживающей постоянный уровень высот столбов «эталонной» жидкости h₁ и h₂ в импульсных трубках.

Термометр измеряемой жидкости 31, датчик абсолютного давления 34, датчики разности давления 6, 7, 8 и 9 связаны с регистрирующим блоком 36 (БОИ - блок обработки информации), который по заложенной в нем программе рассчитывает плотность, скорость потока, вязкость, количество массы воды, нефти, газа измеряемой газожидкостной смеси.

Устройство для измерения параметров газожидкостной смеси работает следующим образом.

При заливке «эталонной» жидкости вентили 10, 11, 12 открыты.

Во время работы вентиль 12 открыт, а вентили 10 и 14 закрыты.

В процессе измерения используется метод сравнения статических показателей «эталонной» жидкости с изменяющимися параметрами измеряемой газожидкостной смеси.

Измеряемая газожидкостная смесь «Q» поступает из входного патрубка 1 на вход вертикальной ветви 2 и, пройдя струевыпрямительную решетку 3, поднимается вверх, при этом датчики разности давления 6 и 7 передают измеренные ΔР₁ и ΔР₂ - перепады давлений между «эталонной» жидкостью и газожидкостной смеси на БОИ 36. На выходе из вертикальной ветви 2 температура измеряемой жидкости измеряется датчиком температуры 31, показания которого поступают на блок 36, а датчиком абсолютного давления 34 измеряется давление измеряемой газожидкостной смеси и передается на блок 36.

Далее газожидкостная смесь проходит другую вертикальную ветвь 4, которая содержит участок калиброванного трубопровода длиной L₁ с меньшим диаметром D₁ и участок калиброванного трубопровода длиной L₂ с резким расширением его диаметра D₂ в выходном патрубке 5, что позволяет повысить точность измерения за счет использования участка калиброванного трубопровода с резким расширением диаметра в качестве датчика гидродинамического типа, при этом датчик 8 разности давлений ΔР₃ и датчик 9 разности давлений ΔР₄ передают показания в БОИ 36, используемые для расчета вязкости, скорости и массового расхода жидкости и газа, содержащихся в газожидкостной смеси.

Поскольку вертикальная ветвь 4 установлена вертикально, то в ней не происходит застаивания и отложения осадков газожидкостной смеси, что влияет на точность измерения.

Алгоритм расчета плотности газожидкостной смеси (нефть, газ, вода) для действующих скважин без предварительной сепарации газа ведется по известной формуле (Г.С. Лутошкин. Сбор, подготовка нефти, газа и воды. Недра, 1973 г.):

,

где ρ_{см i} - измеряемая расходная плотность газожидкостной смеси, кг/м³;

ρ_н - плотность дегазированной нефти при стандартных условиях, кг/м³;

ρ_в - плотность пластовой воды при стандартных условиях, кг/м³;

ρ_г - плотность газа при стандартных условиях, кг/м³;

ϕ - коэффициент объемного газосодержания в 1 м³ нефти при стандартных условиях, м³/м³;

w_i - расходная доля содержания воды порции смеси, величина безразмерная.

Для действующих нефтяных скважин значения ρ_н, ρ_в, ρ_г, ϕ известны, но неизвестно расходное содержание воды w_i в продукции скважин.

Из уравнения (9) найдем расходное содержание воды w_i, для чего поделим обе части уравнения (9) на (1-ϕ):

,

величиной можно пренебречь по сравнению с ρ_н(1-w_i)+ρ_вw_i ввиду ее малости, тогда уравнение (10) принимает вид:

или , или .

Значение ϕ_i в формуле (11) приводится к рабочим условиям по температуре и давлению, тогда

,

где w_i - расходное содержание воды в продукции скважин

, (безразмерный коэффициент),

Р₀, P - давление при стандартных и рабочих условиях, МПа;

Т₀, T - температура при стандартных и рабочих условиях, град Кельвина;

Z - коэффициент объемного сжатия, .

Измерение расходной плотности газожидкостной смеси осуществляется по известным формулам (А.Д. Альтшуль, Л.С. Животовский, Л.П. Иванов. Гидравлика и аэродинамика. М., Стройиздат, 1985 г.)

,

,

из уравнения (12) вычитаем уравнение (13), тогда:

ΔР₁-ΔР₂=ρ_tэmg(h₁-h₂)+ρ_смi⋅g(Н₁-h₁)-ρ_смi⋅g(H₂-h₂)-ρ_смi⋅g(H₁-H₂)+Pmp₁-Pmp₂,

разделим обе части уравнения на g(H₁-Н₂), получаем:

.

По конструкции прибора выбраны: (Н₁-Н₂)=(h₁-h₂) или ΔH=Δh, тогда уравнение (14) запишется в следующем виде:

,

при этом , , а ,

поэтому ,

где λ - коэффициент гидравлического сопротивления, безразмерная величина;

ρ_смi - плотность газожидкостной смеси на участке второй вертикальной ветви с диаметром D₁, кг/м³;

V - скорость потока газожидкостной смеси, м/с.

Скорость потока выбирается из условия числа Рейнолдса: .

Исходя из изложенного, величиной можно пренебречь ввиду ее малости, тогда уравнение (15) запишется в следующем виде:

,

где ρ_смi - расходная плотность газожидкостной смеси, кг/м³;

ρ_tэт - плотность «эталонной» жидкости, кг/м³;

ΔР₁ и ΔР₂ - перепады давлений между «эталонной» жидкостью и газожидкостной смесью, Па;

g - ускорение свободного падения, м/с²;

ΔН - разность высот столбов «эталонной» жидкости, м.

Плотность «эталонной» жидкости, залитой в импульсные трубки, автоматически приводится к рабочим условиям по температуре и давлению газожидкостной смеси по формуле:

,

где ρ_tэт - плотность «эталонной» жидкости, кг/м³;

ρ_20смt - плотность «эталонной» жидкости в стандартных условиях, кг/м³;

β_t - коэффициент объемного расширения «эталонной» жидкости, 1/град С;

К_Р - коэффициент объемного сжатия «эталонной» жидкости, 1/МПа;

Р₀ - абсолютное давление газожидкостной смеси, МПа.

Коэффициенты β_t и K_p берутся из государственной системы стандартных данных.

Определение скорости газожидкостной смеси на калиброванном участке L₁ диаметром D₁ производят по формуле, взятой из известного источника информации (А.Д. Альтшуль, Л.С. Животовский, Л.П. Иванов. Гидравлика и аэродинамика. М., Стройиздат, 1985 г.).

,

где ΔР₃ - перепад давления на датчике, установленном на калиброванном участке длиной L₁ с диаметром D₁, Па;

V₁ - скорость потока газожидкостной смеси на калиброванном участке длиной L₁ с диаметром D₁ м/с.

Из формулы (19) находим скорость потока газожидкостной смеси:

.

Вязкость газожидкостной смеси определяется из двух известных формул (А.Д. Альтшуль, Л.С. Животовский, Л.П. Иванов. Гидравлика и аэродинамика. М., Стройиздат, 1985 г.):

и ,

из формулы (21) находим ,

где λ - коэффициент гидравлического сопротивления, безразмерная величина;

ΔР₄ - перепад давления на калиброванном участке длиной L₁ диаметром D₁, Па;

V₁ - скорость газожидкостной смеси на калиброванном участке длиной L₁ диаметром D₁, м/с.

В уравнение (22) подставляем значение λ из уравнения (23)

,

отношением из-за малой величины пренебрегаем.

Обе части уравнения (24) возводим в четвертую степень, тогда:

.

Из уравнения (25) находим вязкость газожидкостной смеси:

,

где V₁ - скорость газожидкостной смеси на калиброванном участке длиной L₁ диаметром D₁, м/с;

ν - вязкость газожидкостной смеси, сСт;

К_э - коэффициент шероховатости, мм.

Объемный и массовый расходы газожидкостной смеси определяются по известным формулам:

, ,

где Q_смi - объемный расход газожидкостной смеси, м³/с;

M_смi - массовый расход газожидкостной смеси, т/с.

Массовые доли нефти и воды определяются по формулам:

, ,

где M_нi - массовая доля нефти в газожидкостной смеси, т/с;

М_вi - массовая доля воды в газожидкостной смеси, т/с;

wi - берется из формулы (11), при этом массой газа пренебрегаем.

Суточные дебиты масс нефти, воды и объема газа определяются по формулам:

, ,

,

где М_н - суточный дебит масс нефти, т/с;

М_в - суточный дебит масс воды, т/с;

Q_г - объем газа, м³/с;

τ - количество секунд в сутках.

Текущая обводненность нефти определяется по формуле:

,

где w - текущая обводненность нефти, величина безразмерная.

Задача предлагаемого изобретения - расширение функциональных возможностей устройства путем измерения дополнительного параметра - вязкости газожидкостной смеси - решается установлением в вертикальной калиброванной ветви с диаметром D₁ дополнительного датчика разности давления ΔР₄, а повышение точности измерения плотности достигается за счет размещения дополнительного датчика разности давления ΔP₂, отстоящего от существующего датчика разности давления ΔР₁ на расстоянии ΔН, что позволяет компенсировать потери на трение на участке вертикальной измерительной ветви с диаметром D.