СПОСОБ КОНТРОЛЯ СТЕПЕНИ ЗАГИДРАЧИВАНИЯ И ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ РАБОТАЮЩЕГО ГАЗОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ Российский патент 2015 года по МПК E21B43/00 F17D5/00 

Изобретение относится к способам или устройствам для добычи и подготовки природного газа, предназначено для оперативного контроля степени загидрачивания и технического состояния работающего газового оборудования (газопроводов, теплообменников, запорной и регулирующей арматуры и т.п.) и может быть использовано в нефтяной и газовой промышленности.

Загидрачивание газового оборудования приводит к авариям и является одной из основных причин их его останова. Так, основной причиной останова и продувки газовых шлейфов или технологических линий низкотемпературной сепарации газа являются гидратные пробки.

Существует множество технических решений для оперативного контроля гидратов в газовом оборудовании, однако данная проблема до сих пор полностью не решена.

Оперативная оценка технического состояния (загрязнения, износа) работающего газового оборудования без его останова также является актуальной задачей.

Известны способ диагностики гидратообразования в газопроводе (SU 1295137 А1, МПК⁴: F17D 5/00, опубл. 07.03.1987) и способ эксплуатации объекта с углеводородной продукцией в условиях гидратного режима (RU 2245992 С1, МПК⁷: Е21В 43/00, F17D 1/00, опубл. 10.02.2005), основанные на контроле перепада давления по длине газопровода.

Недостатком данных способов является то, что перепад давления по длине газопровода зависит не только от гидратоотложений, но также от температуры и расхода углеводородной продукции, которые могут измениться (например, при регулировании потока) и вызвать ложное «обнаружение» гидратов. Кроме этого, данные способы не позволяют оценить степень загидрачивания и техническое состояние газопровода.

Известны способ контроля образования гидратов в газопроводе (SU 1384872 А1, МПК⁴: F17D 3/00; опубл. 30.03.1988), способ контроля образования гидратов в газопроводе (SU 1411720 А1, МПК⁴: G05D 11/13; опубл. 23.07.1988) и способ контроля образования гидратов в газопроводе (SU 1705666 А2, МПК⁵: F17D 3/00, опубл. 15.01.1992), согласно которым контроль осуществляют путем сравнения расхода газа в основном трубопроводе, не имеющем запорно-регулирующей арматуры, и в байпасном, имеющем накопитель гидратов в виде гидравлического сопротивления. Соотношение указанных расходов меняется при накоплении гидратов в гидравлическом сопротивлении байпаса, но не зависит от регулирования общего суммарного расхода обоих трубопроводов.

Недостатком данных способов является то, что для их реализации необходим специальный байпас газа, а также периодическая очистка байпасного трубопровода от накапливающихся в нем гидратов. К тому же условия образования гидратов в основном и байпасном трубопроводах могут отличаться (образование гидратов зависит от температуры и давления газа и концентрации в газе ингибитора гидратообразования), и возможна ситуация, когда гидраты будут образовываться только в байпасном трубопроводе, отсутствуя в основном, что вызовет ложную сигнализацию об образовании гидратов в основном газопроводе. Кроме этого, данные способы не позволяют оценить степень загидрачивания и техническое состояние трубопровода.

Известен способ диагностики отложения гидратов или парафинов в трубопроводе транспорта нефти или газа (SU 1665176 А1, МПК⁵: F17D 5/00, опубл. 23.07.1991), согласно которому определяют отношение приращения величины управляющего воздействия на исполнительный механизм, установленный на этом технологическом трубопроводе, к соответствующему приращению значения расхода транспортируемого потока и по отклонению полученного результата от нормирующего значения судят о наличии гидратных или парафиновых отложений.

Недостатком данного способа является то, что он непригоден для нерегулируемого потока. Кроме того, данный способ не позволяет оценить степень загидрачивания (запарафинивания) и техническое состояние трубопровода.

Известен способ контроля образования гидратов в газопроводе (SU 1690800 А1, МПК⁵: B01D 9/00, G05D 11/13, 27/00, опубл. 15.11.1991), согласно которому измеряют давление и температуру газа до и после местного сопротивления, рассчитывают температуру газа после местного сопротивления по формуле дроссель-эффекта Джоуля-Томсона и по рассогласованию рассчитанной и измеренной температуры судят об образовании гидратов. Так как образование гидратов сопровождается выделением тепла, то превышение измеренной температуры над расчетной свидетельствует об их образовании.

Способ не зависит от расхода газа, однако пригоден лишь для местного сопротивления в газопроводе, так как на дроссель-эффект протяженного газопровода без местных сопротивлений накладывается теплообмен газа с внешней средой. К тому же данный способ не позволяет оценить степень загидрачивания местного сопротивления или газопровода в целом и оценить их техническое состояние.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков и выбранным в качестве прототипа является способ управления процессом предупреждения гидратообразования во внутрипромысловых шлейфах газовых и газоконденсатных месторождений Крайнего Севера (RU 2329371 С1, МПК⁸: Е21В 43/00, F17D 3/00, опубл. 20.07.2008), согласно которому для обнаружения гидратов измеряют температуру газа на устье скважины и температуру воздуха окружающей среды, по этим значениям с учетом теплообмена газа с внешней средой вычисляют расчетное значение температуры газа на выходе из шлейфа, сравнивают динамику ее изменения во времени с динамикой изменения фактической температуры газа на выходе его из шлейфа и по результату сравнения судят о процессе гидратообразования.

По мере понижения температуры воздуха внешней среды будет понижаться и температура газа в шлейфе. При некотором значении температуры в газе начнется гидратообразование, отложение гидратов на стенках шлейфа и уменьшение его внутреннего диаметра. И вследствие возникновения дроссель-эффекта произойдет падение фактической температуры газа относительно рассчитанной по теплообмену газа с внешней средой.

В расчете значения температуры газа на выходе из шлейфа участвуют давление и температура газа в начале и в конце шлейфа и расход газа [Вяхирев Р.И., Коротаев Ю.П., Кабанов Н.И. Теория и опыт добычи газа. - М., «Недра», 1998].

Недостатком прототипа является то, что в расчете значения температуры газа на выходе из шлейфа дополнительно используются:

- температура воздуха окружающей среды;

- геометрия шлейфа (внутренний и наружный диаметр, шероховатость внутренних стенок, длина шлейфа, разность высот начальной и конечной точек шлейфа);

- коэффициент теплоотдачи газа стенке шлейфа;

- теплопроводность стенки шлейфа;

- теплопроводность теплоизолирующего материала;

- коэффициент теплоотдачи теплоизолирующего материала шлейфа в окружающую среду (который существенно зависит от скорости ветра и снегозанесенности шлейфа и может оказаться разным на разных участках протяженного шлейфа);

- плотность газа.

Кроме этого, в прототипе не оценивается степень загидрачивания и техническое состояние газового шлейфа.

Целью изобретения является создание технического решения, позволяющего по периодически измеряемым технологическим параметрам оперативно оценивать степень загидрачивания и техническое состояние работающего газового оборудования (газопровода, теплообменника, запорно-регулирующей арматуры и т.п.), через которое проходит поток газа.

Изобретение обеспечивает достижение следующего технического результата:

- комплексный учет влияния основных измеряемых технологических параметров, связанных с отложением гидратов в газовом оборудовании;

- использование существующих датчиков оперативного измерения технологических параметров вместо создания специальных устройств;

- оценку степени загидрачивания газового оборудования;

- независимость оценки степени загидрачивания от процесса регулирования расхода газа через газовое оборудование;

- возможность оперативной оценки изменения технического состояния (загрязнения, износа) газового оборудования.

Для достижения названного технического результата периодически измеряют давление газа до и после газового оборудования, температуру газа внутри (или до и после) газового оборудования и расход газа через газовое оборудование.

Новизна заключается в том, что по измеренным значениям указанных технологических параметров формируют показатель загидрачивания газового оборудования и по степени отклонения текущего значения этого показателя от базового, определенного при заведомо безгидратном режиме работы, судят о степени загидрачивания газового оборудования. Для газового оборудования, регулирующего поток газа, дополнительно используют относительную площадь или степень открытия его проходного сечения. Вместо расхода газа через газовое оборудование может использоваться прямо пропорциональный расходу газа результат извлечения корня квадратного из перепада давления газа на замерном сужающем устройстве, находящемся в потоке газа, проходящем через данное газовое оборудование. Дополнительным эффектом изобретения является возможность использовать значение показателя загидрачивания в безгидратном режиме работы для оперативной оценки динамики изменения технического состояния (загрязнения, износа) газового оборудования.

Заявляемый способ контроля степени загидрачивания и технического состояния работающего газового оборудования поясняется чертежами, где на фиг.1 приведена схема реализации способа контроля степени загидрачивания и технического состояния газового оборудования, не регулирующего поток газа, на фиг.2 приведена схема реализации того же способа для газового оборудования, регулирующего поток газа.

На схемах обозначены: газовое оборудование, не регулирующее поток газа 1; газовое оборудование, регулирующее поток газа 2; измерители давления потока газа на входе 3 и выходе 4 газового оборудования; измеритель температуры потока газа внутри газового оборудования 5; вычислитель показателя степени загидрачивания и технического состояния 6; измеритель расхода потока газа 7 после газового оборудования; измеритель относительной площади или степени открытия газового оборудования, регулирующего поток газа 8.

Движение газа через газовое оборудование, не регулирующее поток газа, например, по горизонтально расположенному газопроводу, описывается законом квадратичного трения [Тараненко Б.Ф., Герман В.Т. Автоматическое управление газопромысловыми объектами. - М., «Недра», 1976], согласно которому перепад квадратов давления газа на концах газопровода пропорционален квадрату расхода газа по этому газопроводу, то есть описывается уравнением

где P₁ - давление газа в начале газопровода;

Р₂ - давление газа в конце газопровода;

- коэффициент, выражающий агрегированным образом свойства газопровода через его длину L, внутренний диаметр D и коэффициент гидравлического сопротивления λ и включающий в себя универсальную газовую постоянную R;

Т - температура газа в газопроводе;

z=z(P, Т) - коэффициент сжимаемости данного газа, зависящий от его давления Р и температуры Т;

Р - среднее давление газа в газопроводе, Р=(Р₁+Р₂)/2;

F - расход газа в газопроводе.

В безгидратном режиме газопровода коэффициент а существенно не меняется и равен некоторому значению α_min. По мере загидрачивания газопровода его коэффициент гидравлического сопротивления λ будет расти, внутренний диаметр D будет уменьшаться, а значение коэффициента α будет увеличиваться (вплоть до бесконечности при расходе F=0). Обратная же величина 1/α в диапазоне от безгидратного режима до полного загидрачивания (закупоривания) газопровода будет изменяться в диапазоне от 1/α_min до нуля и может служить косвенным показателем степени загидрачивания газопровода.

Значение α_min с течением времени может измениться, например увеличиться вследствие отложений пластового песка в газопроводе. То есть базовое значение показателя степени загидрачивания 1/α_min, определяемое в безгидратном режиме, может служить косвенным показателем технического состояния газопровода.

Связь между давлением, температурой и расходом газа, показанная в уравнении (1), справедлива не только для газопровода, но и для других типов газового оборудования, не регулирующих поток газа (запорная арматура, теплообменник и т.п.).

Таким образом, косвенный показатель загидрачивания газового оборудования, не регулирующего поток газа, можно определять по формуле

По мере загидрачивания такого газового оборудования коэффициент а будет изменяться от значения α_min до бесконечности, при этом показатель степени загидрачивания П_ГН газового оборудования, не регулирующего поток газа, будет изменяться от некоторого максимального значения до нуля. Причем максимальное значение является косвенным показателем технического состояния газопровода.

Давления, температура и расход газа измеряются датчиками, а коэффициент сжимаемости газа рассчитывается по его измеренному давлению и температуре с использованием известных методик или стандартов [ГОСТ 30319.2-96 «Газ природный. Методы расчета физических свойств. Определение коэффициента сжимаемости»].

Движение газа через газовое оборудование, регулирующее поток газа (кран, клапан, задвижку, штуцер), также описывается законом квадратичного трения [Тараненко Б.Ф., Герман В.Т. Автоматическое управление газопромысловыми объектами. - М., «Недра», 1976], но уравнением следующего вида

где P₃, Р₄ - давление газа до и после газового оборудования, регулирующего поток газа;

- коэффициент, агрегированно выражающий свойства регулирующего газового оборудования через его коэффициент сопротивления ξ и включающий в себя универсальную газовую постоянную R;

S - площадь проходного отверстия регулирующего газового оборудования, которая может быть определена по формуле S=s·S_max через относительную площадь открытия s проходного отверстия и максимальную площадь открытия 5^;

z=z(P,T) - коэффициент сжимаемости данного газа, зависящий от его давления Р и температуры Т;

Р - среднее давление газа, Р=(Р₃+Р₄)/2;

Т - температура газа в регулирующем газовом оборудовании;

F - расход газа через регулирующее газовое оборудование.

Формула (3) справедлива при до критических режимах течения газа через регулирующее газовое оборудование, то есть когда Р₄>0,546·Р₃. Однако в реальных производственных условиях критические режимы течения газа, как правило, не допускаются.

В безгидратном режиме коэффициент сопротивления ξ существенно не меняется и равен некоторому значению ξ_min. По мере отложения гидратов в регулирующем газовом оборудовании его коэффициент ξ будет увеличиваться (вплоть до бесконечности при расходе F=0), а значение В будет уменьшаться от некоторого значения B_max до нуля (при расходе F=0).

Значение ξ_min с течением времени может измениться, например увеличиться вследствие отложений пластового песка в регулирующем органе или уменьшиться вследствие износа регулирующего органа. То есть базовое значение B_max, определяемое в безгидратном режиме, может служить косвенным показателем технического состояния регулирующего газового оборудования.

Преобразуем (3) к виду

и обозначим

То есть условный показатель загидрачивания газового оборудования, регулирующего поток газа, можно определять по формуле

По мере загидрачивания газового оборудования, регулирующего поток газа, показатель степени его загидрачивания П_ГР будет изменяться от некоторого максимального значения до нуля. Причем максимальное значение является косвенным показателем технического состояния регулирующего газового оборудования.

Таким образом, при формировании показателя степени загидрачивания газового оборудования, регулирующего поток газа, дополнительно (по сравнению с нерегулирующим) используют относительную площадь s его открытия.

При формировании показателя степени загидрачивания газового оборудования (как не регулирующего, так и регулирующего поток газа) вместо расхода газа через гидравлическое сопротивление может использоваться прямо пропорциональный расходу газа корень квадратный из перепада давления на замерном сужающем устройстве, находящемся в потоке газа, проходящем через данное газовое оборудование.

Аналогично, вместо температуры газа в газовом оборудовании возможно использование среднего арифметического температур газа на его входе и выходе.

Предлагаемое техническое решение может быть реализовано в рамках системы управления добычей и подготовкой газа. В частности, в подсистеме управления подачей ингибитора гидратообразования в поток газа, проходящий через газовое оборудование, в котором могут откладываться гидраты (газопровод, теплообменник, запорную или регулирующую арматуру).

Практическая реализация изобретения заключается в следующем.

В режиме реального времени датчиками периодически измеряют давление газа до и после работающего газового оборудования, в котором могут образоваться гидраты, температуру газа внутри (или до и после) данного газового оборудования и расход газа через данное газовое оборудование. Если газовое оборудование регулирует поток газа, то измеряют еще и относительную площадь или степень открытия его проходного сечения. Как вариант, вместо расхода газа через газовое оборудование может использоваться корень квадратный из перепада давления газа на замерном сужающем устройстве, находящемся в потоке газа, проходящем через газовое оборудование.

По измеренным значениям указанных параметров по формуле (2) или (4) также в режиме реального времени и также периодически вычисляют значение показателя загидрачивания газового оборудования. При заведомо безгидратном режиме работы газового оборудования (например, в начале его работы или после ввода ингибитора гидратообразования) значение показателя загидрачивания газового оборудования максимально и принимается (запоминается) в качестве базового. По мере загидрачивания газового оборудования текущее значение показателя его загидрачивания будет постепенно снижаться от некоторого максимального значения, соответствующего безгидратному режиму работы этого газового оборудования, вплоть до нуля, соответствующего полному загидрачиванию данного газового оборудования. По степени отклонения текущего значения показателя загидрачивания газового оборудования от его базового значения, определенного при заведомо безгидратном режиме работы газового оборудования, судят о степени его загидрачивания. Степень отклонения (она же степень загидрачивания) может оцениваться, например, в относительных процентах.

Таким образом, значение показателя загидрачивания газового оборудования может использоваться для оперативного контроля степени загидрачивания газового оборудования.

Максимальные же значения показателя загидрачивания газового оборудования, определяемые (и запоминаемые) в безгидратных режимах в качестве базовых значений, могут служить косвенным показателем технического состояния газового оборудования. Так, снижение со временем базового значения может говорить о засорении газового оборудования, например отложении песка. Увеличение базового значения может говорить об износе или, например, внутреннем разрушении газового оборудования.

Способ относится к системам автоматического контроля работы нефтегазового оборудования и позволяет своевременно обнаруживать предаварийные ситуации, связанные с отложением гидратов в газовом оборудовании. В способе периодически измеряют давление газа до и после газового оборудования, температуру газа внутри или до и после газового оборудования, расход газа через газовое оборудование или перепад давления газа на замерном сужающем устройстве, находящемся в потоке газа, проходящем через газовое оборудование. По измеренным значениям формируют показатель загидрачивания работающего газового оборудования и по степени отклонения текущего значения этого показателя от базового, определенного при заведомо безгидратном режиме работы газового оборудования, судят о степени его загидрачивания. При формировании показателя загидрачивания газового оборудования, регулирующего поток газа, дополнительно используют относительную площадь или степень открытия его проходного сечения. Определяемые в безгидратном режиме работы базовые значения показателя загидрачивания используют в качестве показателя технического состояния газового оборудования. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ контроля степени загидрачивания работающего газового оборудования путем периодического измерения давления газа до и после газового оборудования, температуры газа внутри или до и после газового оборудования, расхода газа через газовое оборудование или перепада давления газа на замерном сужающем устройстве, находящемся в потоке газа, проходящем через газовое оборудование, отличающийся тем, что по измеренным значениям формируют показатель загидрачивания газового оборудования и по степени отклонения текущего значения этого показателя от базового, определенного при заведомо безгидратном режиме работы, судят о степени загидрачивания газового оборудования.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для газового оборудования, регулирующего поток газа, дополнительно используют относительную площадь или степень открытия его проходного сечения.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что определяемые в безгидратном режиме работы газового оборудования базовые значения показателя загидрачивания используют в качестве показателя технического состояния газового оборудования.