УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОКОМПОНЕНТНЫХ РАСХОДОВ ГАЗА, ВОДЫ И УГЛЕВОДОРОДНОГО КОНДЕНСАТА В ПОТОКЕ ПРОДУКТОВ ДОБЫЧИ ГАЗОКОНДЕНСАТНЫХ СКВАЖИН Российский патент 2023 года по МПК G01F1/74 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано на установках первичной подготовки газа для определения состава продуктов добычи скважин, а также может входить в состав многофазного расходомера для измерения расхода газа, углеводородного конденсата и воды без разделения продуктов добычи на составляющие его компоненты.

Известны способы и устройства для определения покомпонентного расхода потока газожидкостной смеси (ГЖС), основанные на результатах взаимодействия ГЖС с электромагнитным полем миллиметрового диапазона длин волн, измерения частоты Доплера и резонансной частоты микроволнового резонатора типа Фабри-Перо, заполненного ГЖС, вычислении по этим данным скорости потока и площадей поперечных сечений, занятых жидкой и газовой фазой, и последующим определением расходов газа и жидкости [1-4].

Недостатком этих устройств является большая величина погрешности измерения расхода конденсата и воды при высоких величинах жидкостно-газового фактора (ЖГФ) и при малых скоростях потока.

Наиболее близким к предлагаемому расходомеру является устройство (Патент РФ №2757861 [5]), выбранное за прототип. Оно содержит два последовательно установленных СВЧ-резонатора дециметрового диапазона, на входы которых управляющим блоком подается синусоидальное напряжение, изменяющееся по трапецеидальному закону. Сигналы с выхода каждого резонатора подаются на электронный блок определения времени корреляции. Зная расстояние между резонаторами и время корреляции, находят скорость газожидкостного потока и затем вычисляют расход газа (с учетом небольшой поправки на разницу между скоростью газа и скоростью газожидкостной смеси).

Компонентный состав потока находят по смещению частоты резонатора относительно того случая, когда поток отсутствует, а также по изменению его добротности [6,7]. Это связано с тем обстоятельством, что при малом объемном содержании жидкости (1+2% воды и конденсата) и больших скоростях газа (20-40 м/с) вся жидкость существует в виде мельчайших капель-аэрозоля (дисперсный режим двухфазного потока). При этом часть капель оседает на стенки трубопровода и образует пристеночную пленку или слой жидкости, прижатый к стенке, однако эта пленка не может быть значительной толщины, так как газ сдувает при таких скоростях ее обратно в объем трубопровода. При таких условиях расходом пристеночной части жидкой фазы можно пренебречь по сравнению с расходом в аэрозольной фазе.

При возрастании объемной доли жидкости до 4-5% или падении скорости потока до 10 м/с или ниже толщина пленки резко возрастает, и образуется слой толщиной в несколько миллиметров, прижатый к стенке, движущийся с некоторой скоростью (дисперсно-кольцевой режим двухфазного потока). При этом вклад этого слоя в общий расход становится значительным. Если не принимать вклад этого слоя во внимание, то допускается неконтролируемая погрешность измерения расхода, которая может достигать десятков процентов.

Если же доля жидкости возрастает и дальше, становясь от 5 до 15%, то слой возрастает до единиц сантиметров, и основной расход будет принадлежать образованному слою, а доля, даваемая аэрозольной фазой, будет уже являться к нему поправкой.

Основной физической причиной, вносящей погрешность в измерение объемных долей воды, газа и конденсата с помощью резонаторного метода, является сильная поляризация воды (большая величина ее диэлектрической проницаемости). Отсюда, как показано в работах [6, 7, 8], одно и то же количество воды при работе резонатора на основной моде Е₀₁₀ регистрируется по разному в зависимости от формы водяного компонента в потоке газожидкостной смеси. Разница в сдвигах частоты СВЧ-резонатора для воды в виде капель в объеме резонатора или в виде пленки на поверхности проходного отверстия резонатора достигает 10.

Недостатком устройства, выбранного за прототип, является невозможность осуществления контроля за переходом дисперсного режима потока в дисперсно-кольцевой и проведения измерений толщины слоя пристеночной жидкости и ее скоростей.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является уменьшение погрешности измерений расходов газа, воды и конденсата за счет учета расхода жидкой фазы, текущей по трубопроводу, и возможность расширения регистрируемых форм двухфазного потока с дисперсной до развитой дисперсно-кольцевой.

Технический результат достигается тем, что в устройство для определения покомпонентных расходов газа, воды и углеводородного конденсата в потоке продуктов добычи газоконденсатных скважин, содержащее приемопередатчик миллиметрового диапазона для измерения скорости по методу Доплера, первый и второй СВЧ-резонаторы дециметрового диапазона и связанный с ними электронно-вычислительный комплекс, введены два емкостных кольцевых датчика, причем первый емкостный кольцевой датчик установлен до первого СВЧ-резонатора, а второй емкостный кольцевой датчик установлен после второго СВЧ-резонатора. Установленные первый и второй СВЧ-резонаторы периодически работают на двух типах колебаний, один из которых имеет только продольное электрическое поле (мода Е₀₁₀), а другой - только поперечное (мода Н₁₁₁). Сигналы с емкостных кольцевых датчиков одновременно подаются на входы электронно-вычислительного комплекса, по результатам измерения которых определяется расход жидкой фазы, переносимой пристеночным слоем жидкости в развитом дисперсно-кольцевом режиме двухфазного потока.

Устройство для определения покомпонентных расходов газа, воды и углеводородного конденсата в потоке продуктов добычи газоконденсатных скважин поясняется следующими чертежами.

На фиг. 1 схематично изображено устройство для определения покомпонентных расходов газа, воды и углеводородного конденсата в потоке продуктов добычи газоконденсатных скважин: 1 и 2 - верхний и нижний присоединительные фланцы; 3 - электронно-вычислительный комплекс (ЭВК); 4,5 - первый и второй СВЧ-резонаторы дециметрового диапазона; 6 - пристеночный слой; 7, 8, 9, 10 - элементы связи СВЧ-резонаторов 4 и 5 с ЭВК 3; 11, 12 - первый и второй емкостные кольцевые датчики; 13 - корпус измерительной секции; 14 - приемопередатчик для измерения скорости потока по методу Доплера.

На фиг. 2 показана установка емкостного кольцевого датчика для измерения поверхностного слоя 6: 11 - датчик (металлическое кольцо, диаметром на 4-6 мм меньше диаметра измерительной секции); 15 - стенка измерительного резонатора; 16 - вывод емкостного кольцевого датчика.

На фиг. 3 показана дисперсионная характеристика СВЧ-резонатора при работе на моде Е₀₁₀: 17 - на моде Е₀₁₀ в отсутствие потока; 18 - на моде Е₀₁₀ при наличии газожидкостного потока; 19, 20 - полуширины резонансных кривых (где А - амплитуда сигнала детектора резонатора 4, f - частота сигнала, подаваемого на СВЧ-резонатор).

На фиг. 4 показана дисперсионная характеристика СВЧ-резонатора при работе на моде H₁₁₁ и: 21 - на моде Н₁₁₁ в отсутствие потока; 22 - на моде H₁₁₁ в присутствие потока, 23, 24 - полуширины резонансных кривых (где А - амплитуда сигнала детектора резонатора 4, f - частота сигнала, подаваемого на СВЧ-резонатор).

На фиг. 5 показаны сдвиги частоты СВЧ-резонатора - величины Δf=f₀ - f₁, где f₀ и f₁ резонансные частоты СВЧ-резонатора в отсутствие потока и при его наличии: 25 - для моды Е₀₁₀ в зависимости от объемного содержания воды С₂; 26 - для моды Н₁₁₁ в зависимости от объемного содержания воды С₂, позицией 27 условно показана граница перехода дисперсной формы потока в дисперсно-кольцевую.

На фиг. 6 показана величина емкости конденсатора емкостного кольцевого датчика в зависимости от толщины поверхностного слоя жидкости d - 28.

Работа устройства происходит следующим образом.

Устройство располагается вертикально. Газожидкостный поток проходит сверху вниз. На СВЧ-резонаторы 4 и 5 из ЭВК 3 подается СВЧ синусоидальное напряжение, частота которого меняется по линейному закону в диапазоне резонансных частот мод Е₀₁₀ и Н₁₁₁. При этом предварительно, до пропуска потока, определяются дисперсионные кривые пустых СВЧ-резонаторов 4 и 5 на модах Е₀₁₀ и Н₁₁ (поз. 17 на фиг. 3, поз. 21 на фиг. 4), а затем СВЧ-резонаторов 4 и 5, заполненных потоком (поз. 18 на фиг. 3, поз. 22 на фиг. 4). Кроме того, определяются полуширины резонансных кривых: ΔF^(E)(поз. 19, 20 на фиг. 3) и ΔF^(H)(поз. 23, 24 на фиг. 4). Эти данные вводятся в ЭВК 3, где по алгоритму, описанному в [7], определяется компонентный состав потока: объемные доли газа C₁, воды С₂, и конденсата С₃. Затем на СВЧ-резонаторы 4 и 5 из ЭВК 3 подается постоянная частота, соответствующая частоте резонанса f₀^(E), и сигналы с СВЧ-резонаторов 4 и 5 подаются на блок определения времени корреляции τ, после чего находится скорость газожидкостного потока v_к [5]. Одновременно определяется скорость аэрозольных частиц доплеровским методом v^g[9]. При дисперсном потоке (С₂+С₃ ≈ 1÷2% и v_к ≈ 15÷40 м/с) эти скорости равны или близки: v_к=v_g, и компонентные расходы: расход газа Q₁, расход воды Q₂ и расход компонента С₃ - определяются с небольшой относительной погрешностью 2÷5%.

При увеличении доли жидкости в газожидкостном потоке, особенно воды (С₂+С₃→5…10…15%), а также снижении его скорости (с 15 до 5 м/с) увеличивается толщина водяной пленки на стенках проходного сечения СВЧ-резонаторов 4 и 5. При этом смещение частоты на моде Е₀₁₀ - Δf^(E) будет нелинейно возрастать с увеличением объемной доли воды, так как последняя в форме пленки или слоя, вытянутого вдоль вектора электрического поля (как это обстоит в случае работы на моде Е₀₁₀), дает эффект в 6÷10 раз более сильный, чем когда вода находится в фазе аэрозоля [6, 8]. При этом приведенным в [7] алгоритмом расчета объемных долей газа, воды и конденсата еще можно пользоваться, если вместо моды Е₀₁₀ перейти на моду Н₁₁₁. Добротность моды Н₁₁₁ ниже, чем добротность моды Е₀₁₀ (то есть полуширина ΔF^(E)<ΔF^(H)), кроме того, она менее чувствительна к аэрозолю (Δf^(E)=f₀^(E) - fi^(E)>Δf^(H)=f₀^(H) - f₁^(H) - см. фиг. 5), однако ее преимуществом является линейность на участке перехода от дисперсного потока в дисперсно-кольцевой и, отсюда, сохранение низкого уровня погрешности измерения состава потока. Команду на переход замены моды Е₀₁₀ на моду Н₁₁₁ в алгоритме расчета объемных концентраций [7] дает программа расчета, заложенная в ЭВК 3. Критерием при этом служит нарушение линейности между сдвигами частоты Δf^(E) и Δf^(H), то есть нарушение выполнения равенства Δf^(E)=kΔf^(H): отклонение коэффициента к от постоянной величины свыше некоторого предела, установленного экспериментально в более ранних калибровочных измерениях. Нарушается также и равенство скоростей потока, измеренных корреляционным способом и по методу Доплера.

Одновременно с этими измерениями скорости потока и с резонаторными измерением компонентного состава ЭВК 3 проводят измерение емкости конденсаторов емкостных кольцевых датчиков 11 и 12 на корпус трубной секции в блоке измерения емкости (в составе ЭВК 3) (фиг. 1). Это дает возможность найти толщину слоя жидкости d. Данные о емкости С с обоих емкостных кольцевых датчиков 11 и 12 поступают также на блок измерения времени корреляции (в составе ЭВК 3), где измеряется время корреляции и вычисляется скорость пристеночного слоя жидкости. По результатам вычисления толщины слоя жидкости и его скорости в ЭВК 3 рассчитывается расход жидкости, переносимый пристеночным слоем Q_CII. Этот расход добавляется к расходу жидкой фазы, переносимой в капельножидком виде, рассчитываемый на основании резонаторных и доплеровских измерений, что позволяет уверенно распространить резонаторный метод измерения покомпонентных расходов на развитый дисперсно-кольцевой режим газожидкостного потока с объемным содержанием жидкой фазы до 20%.

Литература.

1. Патент РФ №2164340 от 20.03.2001 г. Способ определения покомпонентного расхода потока газожидкостной смеси продуктов газонефтедобычи в трубопроводе и устройство для его реализации. Авторы: Орехов Ю.И., Москалев И.Н., Костюков В.Е., Хохрин Л.П., Ремизов В.В., Битюков B.C., Филоненко А.С., Рылов Е.Н., Вышиваный И.Г., Филиппов А.Г.

2. Патент РФ №2289808 от 28.02.2005 г. Способ и устройство определения объемных долей жидкого углеводородного конденсата и воды в потоке газожидкостной смеси природного газа. Авторы: Вышиваный И.Г., Костюков В.Е., Москалев И.Н., Орехов Ю.И., Тихонов А.Б., Беляев В.Б.

3. Патент РФ №2386929 от 25.07.2007 г. Измерительная секция расходомера газожидкостного потока. Авторы: Москалев И.Н., Беляев В.Б., Тихонов А.Б., Королько В.А., Пономаренко Д.В., Соколов В.П.

4. Патент РФ №2746167 от 08.04.2021 г. Многофазный расходомер для покомпонентного определения расходов газа, углеводородного конденсата и воды в продуктах добычи газожидкостных скважин. Авторы: Лисин В.Б., Москалев И.Н.

5. Патент РФ №2757861 от 11.01.2021 г. Устройство для измерения объемного расхода газа в продуктах добычи газоконденсатных скважин корреляционным методом. Авторы: Кудрявцев Г.И., Мубаракшин Р.Г, Москалев И.Н., Лисин В.Б. Малышонков И.О.

6. Москалев И.Н., Семенов А.В., Чистяков А.О. и др. Результаты экспериментального моделирования техники определения объемной доли воды в продуктах добычи скважин конденсатных и нефтегазоконденсатных месторождений. // Автоматизация и телемеханизация и связь в нефтяной промышленности, 2019, №6 (551), с. 5-14.

7. Москалев И.Н., Семенов А.В. Алгоритм определения объемных долей газа, воды и конденсата в продуктах добычи ГК и НТК скважин, с высоким содержанием жидкой фазы. // Автоматизация и телемеханизация и связь в нефтяной промышленности, 2019, №10, с. 12-18.

8. Москалев И.Н., Семенов А.В., Мубаракшин Р.Г., Лисин В.Б. Использование моды в СВЧ-резонаторах продуктов добычи газоконденсатных и нефтегазоконденсатных скважин при дисперсно-кольцевом режиме газожидкостного потока. // Автоматизация и телемеханизация и связь в нефтяной промышленности, 2020 г., №2, с. 5-10.

9. Москалев И.Н., Костюков В.Е. «Микроволновый методы оперативного анализа природного газа и конденсата» в 3 томах - Саров: ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», 2013 T.I.420 с.

10. Брандт А.А. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах. - М.: Госуд. Изд-во физ.-мат лит-ры, 1963, 403 с.

Изобретение относится к области измерения продуктов добычи газоконденсатных и нефтегазоконденсатных скважин и может использоваться в газовых и нефтяных областях промышленности для определения покомпонентных расходов газа, воды и углеводородного конденсата без разделения их в сепараторе. Устройство содержит два СВЧ-резонатора дециметрового диапазона, два емкостных кольцевых датчика, приемопередатчик для измерения скорости аэрозольных частиц по методу Доплера и обслуживающий их электронно-вычислительный комплекс. Предлагаемое устройство разбивает регистрацию расходов жидкой фазы на две составляющих - поток в виде капельно-жидкого аэрозоля и поток, текущий вдоль стенок. Определяются скорость и объемы обоих составляющих. Технический результат - уменьшение погрешности измерений покомпонентных расходов и расширение регистрируемых форм двухфазного потока с дисперсной до развитой дисперсно-кольцевой. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Устройство для определения покомпонентных расходов газа, воды и углеводородного конденсата в потоке продуктов добычи газоконденсатных скважин, содержащее приемопередатчик миллиметрового диапазона для измерения скорости по методу Доплера, первый и второй СВЧ-резонаторы дециметрового диапазона и связанный с ними электронно-вычислительный комплекс, отличающееся тем, что в состав устройства входят два емкостных кольцевых датчика, причем первый емкостный кольцевой датчик установлен до первого СВЧ-резонатора, а второй емкостный кольцевой датчик установлен после второго СВЧ-резонатора.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что установленные первый и второй СВЧ-резонаторы периодически работают на двух типах колебаний, один из которых имеет только продольное электрическое поле (мода Е₀₁₀), другой - только поперечное (мода Н₁₁₁).

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что сигналы с емкостных кольцевых датчиков одновременно подаются на входы электронно-вычислительного комплекса, по результатам измерения которых определяется расход жидкой фазы, переносимой пристеночным слоем жидкости в развитом дисперсно-кольцевом режиме двухфазного потока.