Способ и устройство для исследований движения газожидкостных смесей в скважинах, а также шлейфах и трубопроводах от скважин Российский патент 2023 года по МПК E21B47/10 E21C39/00 

Группа изобретений относится к нефтегазодобывающей промышленности и может быть применена при эксплуатации газовых, газоконденсатных и нефтяных скважин.

Из уровня техники известна 3D модель стенда для экспериментального исследования динамических характеристик рукавов высокого давления (РВД) -«Стенд для экспериментального исследования динамических характеристик гибких трубопроводов», В.П. Пурдик, М.Ю. Поздняков, Журнал «Науковi працi ВНТУ», 2013, №1.

Недостатками данного аналога являются:

1. Невозможность исследований трубопроводов, имеющий разный профиль (восходящий, нисходящий, комбинированный).

2. Отсутствует возможность моделирования движения смесей в испытуемой трубе.

Из уровня техники известен стенд для исследований нестационарных процессов в напорных трубопроводах гидротранспортных систем - авторское свидетельство на изобретение №965919.

Недостатками данного аналога являются:

1. Отсутствует возможность проведения исследований с большим содержанием газовой фазы в потоке.

2. Невозможность исследований трубопроводов, имеющий разный профиль (восходящий, нисходящий, комбинированный).

Из уровня техники известен стенд для исследования динамики газонасыщенных и двухфазных газожидкостных потоков в рельефных трубопроводах - патент РФ на изобретение №2018800.

Из уровня техники известен гидродинамический стенд моделирования работы горизонтальных нефтегазовых скважин - патент РФ на полезную модель №134579.

Наиболее близким к предполагаемому решению является стенд для моделирования процессов течения наклонно-направленных газожидкостных потоков - патент РФ на изобретение №2641337.

Недостатками данных аналогов являются:

1. Отсутствует возможность поддержания постоянной температуры газожидкостной смеси на входе в экспериментальные колонны (при длительной работе стенда температура ГЖС смеси будет постоянно повышаться вследствие работы оборудования) и постоянного давления, что негативно сказывается на результатах экспериментов.

Заявляемое техническое решение отличается от аналога тем, что:

1. Дает возможность поддержания постоянной температуры газожидкостной смеси на входе в экспериментальные колонны.

2. Дает возможность поддержания постоянного давления газожидкостной смеси на входе в экспериментальные колонны.

3. Позволяет избежать влияния окружающей среды на результаты эксперимента.

Целью изобретения является повышение качества проведения исследований газожидкостных потоков.

Технический результат изобретений заключается в повышении качества проведения исследований газожидкостных потоков, за счет повышения точности проведения экспериментов путем контроля и поддержания во время эксперимента температуры газожидкостной смеси в заданном диапазоне на входе в экспериментальные колонны, а также в расширении функциональных возможностей, за счет обеспечения возможности визуализации с улучшенным качеством происходящих в объеме и по длине колонны труб и трубопровода процессов.

Устройство (стенд) для исследований движения газожидкостных смесей в скважинах, а также шлейфах и трубопроводах от скважин (фигура 1) состоит из:

- экспериментальной колонны (1), разделенной на различное количество участков, соединенных между собой при помощи профильных элементов (2), позволяющих моделировать разнопрофильные участки (восходящие и нисходящие);

- кожуха (3), образующего полость между экспериментальной колонной и кожухом для создания условий циркуляции газа с целью избежать влияния окружающей среды и поддержания постоянной температуры в полости. Кожух может быть выполнен из мягкого (гибкого) теплоизоляционного материала, например, K-Flex;

- устройства ввода (4) в колонну и отвода (5) из экспериментальной колонны газожидкостной смеси. При этом в устройстве ввода (4) создаются условия для барботирования жидкости потоком газа, подаваемым в экспериментальную колонну;

- сепаратора (6) для разделения газожидкостной смеси;

- узла подачи и регулирования расхода жидкости (7);

- узла подачи и регулирования расхода газа (8), состоящего из устройства (15) для циркуляции газа (компрессора), трубопроводов подачи (21) и сброса (22) газа высокого давления, регулирующих клапанов (23) и (24);

- узла контроля и регулирования температуры газожидкостной смеси (9), состоящего из теплообменника (29), нагревателя (31) или охладителя в зависимости от характера теплообмена (требуется нагревать или охлаждать), устройства циркуляции теплоносителя (33), который может быть представлен в виде насоса или компрессора (в зависимости от природы теплоносителя - жидкий или газовый), блока контроля и регулирования температуры газа в экспериментальной колонне (35) (блок управления (регулятор температуры) может быть, например, регулятором температуры (терморегулятор) TZN4 или регулятором температуры RT-820M и др.), датчика температуры (37);

- узла контроля и регулирования температуры теплоносителя (10) в кожухе, состоящего из теплообменника (30), нагревателя (32) или охладителя в зависимости от характера теплообмена (требуется нагревать или охлаждать), устройства циркуляции теплоносителя (34), который может быть представлен в виде насоса или компрессора (в зависимости от природы теплоносителя - жидкий или газовый), блока контроля и регулирования температуры газа в кожухе (36) (регулятор температуры может быть, например, регулятором температуры (терморегулятор) TZN4 или регулятором температуры RT-820M и др.), датчика температуры (38);

- расходомера жидкости (12);

- трубопровода подачи газа (13) в экспериментальную колонну;

- трубопровода подачи жидкости (14) в экспериментальную колонну;

- устройства (15) и (16) для циркуляции газа (компрессора);

- фильтрующего элемента (17) с целью недопущения попадания частиц в устройство для циркуляции газа (15);

- блока контроля и регулирования (поддержания) заданного давления в стенде (18);

- датчиков давления на входе (19) и выходе (20) экспериментальной колонны;

- патрубка для слива жидкости из стенда (25);

- запорной арматуры (26), (28), (39), (40);

- трубопровода подачи жидкости в стенд (27);

- датчиков давления и температуры для измерения потерь давления по длине экспериментальной колонны (на схеме не указаны).

Исследование движения газожидкостных смесей заключается в том, что экспериментальную колонну устанавливают в требуемом положении, задают необходимый расход газа и жидкости, нагнетают газожидкостной поток в экспериментальную колонну, затем обеспечивают циркуляцию газожидкостной смеси по замкнутому циклу, контролируют характеристики газожидкостной смеси и поддерживают их на заданном уровне, изменяют давление и температуру вдоль экспериментальной колонны, и в конце заданного периода времени оценивают потери давления в экспериментальной колонне как разность величин давления на входе и на выходе экспериментальной колонны.

Соединительные элементы могут быть выполнены как в виде жесткой конструкции, так и в виде гибкой конструкции (например, с использованием рукавов высокого давления - РВД). Соединение между участком колонны и соединительным элементом может осуществляться, например, при помощи резьбового, фланцевого соединений или посредством использования быстроразъемных соединений. Крепление колонн может осуществляться, например, к различным металлоконструкциям, либо при помощи подпорных элементов (подставок). Экспериментальная колонна может располагаться как в горизонтальном положении (для проведения исследований различных режимов работы трубопроводов и шлейфов), а также в вертикальном и наклонном положении (для проведения исследований различных режимов работы скважин).

Жидкость, поступающая в систему стенда, подается либо из резервуара (емкости), либо напрямую из линии трубопровода холодной воды (система холодного водоснабжения). Поэтому температура поступающей жидкости может различаться на десятки градусов (особенно характерна разница температур между периодами «лето-зима»; в большинстве случаев необходимо производить, нагрев газожидкостной смеси). В связи с этим возникает необходимость контроля и поддержания температуры газожидкостной смеси в пределах, заданных по условиям эксперимента. При этом в ходе экспериментов температура газожидкостной смеси может изменяться ввиду процессов, связанных с трением.

Устройство для исследований движения газожидкостных смесей в скважинах, а также шлейфах и трубопроводах от скважин (см. фиг. ) отличается от аналогов тем, что в нем имеются:

- кожух (3), образующий полость между экспериментальной колонной и кожухом для создания условий циркуляции газа с целью избежать влияния окружающей среды и поддержания постоянной температуры в полости;

- узел контроля и регулирования температуры газожидкостной смеси (9);

- узел контроля и регулирования температуры теплоносителя в кожухе (10);

- блока контроля и регулирования (поддержания) заданного давления в стенде - (18) (блок управления (регулятор давления) может быть представлен, например, типами РДСГ, РДГБ, РДГД, РГДК, РД и др.)

Устройство работает следующим образом. Перед сборкой системы узлы проходят проверку на прочность (должны иметься документация, подтверждающая проведение гидроиспытаний). Монтируют (устанавливают) экспериментальную колонну необходимой протяженности, требуемого профиля (нисходящий, восходящий, комбинированный), который создается посредством профильных элементов (2), и в требуемом положении (вертикально, наклонно или горизонтально). Монтируют кожух (3) и подсоединяют технологические линии (трубопроводы) согласно схеме (при этом для удобства монтажа соединительные трубопроводы могут быть выполнены из гибких трубопроводов на быстроразъемных соединениях). Закрывают запорную арматуру (40) и открывают запорную арматуру (39). Стенд подключают к источнику газа высокого давления трубопроводом подачи газа в стенд (21).

В блок управления (18) задается установленное значение давления необходимое для эксперимента на входе в экспериментальную колонну (1) либо на выходе из нее. Блок управления (18) опрашивает один из датчиков давления (19) либо (20) и в случае расхождения между заданным значением давления и измеренным на величину, превышающую заданный интервал, подает управляющее воздействие на регулирующий клапан (23) на открытие. В стенд начинает нагнетаться газ. С заданным интервалом времени блок управления (18) опрашивает один из датчиков (19) или (20) и при достижении заданного значения в стенде отправляет управляющее воздействие на регулирующий клапан (24) на закрытие. Таким образом в автоматическом режиме происходит работа поддержания заданного значения давления во время работы стенда, при котором происходит измерение давления газа в системе стенда. В случае отклонения измеренного значения давления газа от давления, заданного по условиям эксперимента, блок управления (18) создает управляющее воздействие на регулирующий клапан (23), который осуществляет открытие и нагнетание газа в стенд, либо на регулирующий клапан (24), который осуществляет открытие и сброс газа из стенда. Тем самым значение давления в системе стенда поддерживается в диапазоне, заданном по условиям эксперимента. Регулирующее воздействие, например, может быть электрическим или пневматическим.

После того, как давление газа в стенде достигнет заданного значения, включают в работу компрессор (15), при этом газ из сепаратора (6) всасывается в компрессор (15), а затем подается через прибор измерения расхода газа (11) и устройство ввода в колонну газожидкостной смеси (4). Газ, поступивший в экспериментальную колонну (1), движется по ней и через устройство (5) отвода газожидкостной смеси из колонны по трубопроводу поступает в сепаратор (6), а затем в компрессор (15). Газ, заполняющий стенд, начинает циркулировать по стенду в замкнутом цикле.

Необходимое количество жидкости подают в узел подачи и регулирования расхода жидкости (7) по трубопроводу подачи жидкости в стенд (27), путем открытия запорной арматуры (28). После этого запорная арматура (28) закрывается. Далее жидкость через прибор измерения расхода жидкости (12) поступает в устройство ввода в колонну газожидкостной смеси (4), в котором жидкость смешивается с газом (барботируется) и газожидкостная смесь под действием напора газа движется по колонне (1). Достигнув конца экспериментальной колонны (1), газожидкостная смесь поступает сначала в устройство отвода газожидкостной смеси (5), а затем по соединительному трубопроводу поступает в сепаратор (6). В зависимости от цели эксперимента испытания могут проводиться только с жидкостью или с жидкостью, содержащей механические примеси (например, песок). Механические примеси добавляют на входе в экспериментальную колонну вместе с жидкостью с целью имитации движения трехфазной смеси (газ - вода - песок). В таком случае в составе узла подачи и регулирования жидкости используется специальный насосный агрегат, например, G15XDBGHFECA.

В сепараторе жидкость отделяется от газа и стекает по трубопроводу (14) в узел подачи и регулирования расхода жидкости (7), а газ по трубопроводу (13) в компрессор (15). При этом на трубопроводе (13) может быть дополнительно установлен фильтрующий элемент (17), с целью снижения рисков попадания частиц в компрессор (15). Таким образом, жидкость циркулирует по замкнутому циклу.

При этом в автоматическом режиме происходит работа узла контроля и поддержания температуры газожидкостной смеси (9), в котором происходит измерение температуры газа, поступающего в экспериментальную колонну (1), посредством датчика температуры (37), и передача этого значения в блок управления (35). В случае отклонения измеренного значения температуры от температуры, заданной по условиям эксперимента, блок управления (35) создает управляющее воздействие на устройство циркуляции теплоносителя (33), который осуществляет циркуляцию теплоносителя из нагревателя (или холодильной камеры) (31) в теплообменник (29) и обратно. Тем самым за счет теплообмена между теплоносителем и газом в корпусе теплообменника (29) температура поддерживается в диапазоне, заданном по условиям эксперимента. В роли теплоносителя может выступать воздух, вода и прочее. При достижении температуры выше заданной на установленную величину, блок управления (35) создает управляющее воздействие на устройство циркуляции теплоносителя (33), который прекращает циркуляцию теплоносителя из нагревателя (или холодильной камеры) (31) в теплообменник (29) и обратно. Таким образом, за счет создания и прекращения циркуляции теплоносителя температура поддерживается в заданном диапазоне.

Точно таким же образом работает блок контроля и регулирования температуры теплоносителя (10) в кожухе (3) с целью обеспечить условия, позволяющие исключить влияния окружающего воздуха на результаты эксперимента. Учитывая, что экспериментальная колонна имеет протяженную длину (десятки метров и более), она располагается на открытом воздухе, где окружающая среда оказывает влияние на процессы теплопередачи. Особенно это актуально в ветреную погоду и холодное время года. Поэтому целесообразно разобщить сообщение поверхности труб с окружающей средой, посредством создания полости, в котором поддерживается заданная температура.

После окончания эксперимента газ выпускается из стенда по трубопроводу сброса газа из стенда (22), посредством открытия регулирующего клапана (24), жидкость сливается через сливной патрубок (25) с запорным устройством (26), находящиеся на входе в экспериментальную колонну - устройстве ввода в колонну газожидкостной смеси (4).

При этом, учитывая сложный профиль колонны, часть жидкости может остаться в отдельных участках экспериментальной колонны (1). Для этого производится «осушка» узлов экспериментальной колонны (1) стенда посредством циркуляции газа через экспериментальную колонну (1) в атмосферу. Для этого закрывают запорную арматуру (39) и открывают запорную арматуру (40) и (26) и регулирующий клапан (23). Газ по трубопроводу подачи газа высокого давления (21) через компрессор (15) поступает в устройство отвода газожидкостной смеси (5), откуда часть газа проходит через экспериментальную колонну (1) и по патрубку для слива жидкости (25) выдувается в атмосферу, а другая часть поступает в сепаратор (6) и нагнетается обратно в компрессор (15). Таким образом, «продувают» узлы и трубопроводы стенда «с конца к началу» от оставшейся жидкости в течение 10-20 минут. Т.к. часть газа циркулирует по замкнутому циклу, это способствует повышению температуры воздуха, что приводит к более интенсивному поглощению жидкости с внутренней поверхности стенда. После этого отключают компрессор (15), закрывают запорные устройства (26), (40) и регулирующий клапан (23) и открывают запорное устройство (39).

Во время проведения конкретного эксперимента измеряют давления в заданных участках колоны (1) манометрами или дифференциальными манометрами. Выполнив требуемые измерения, меняют технологические параметры режима работы стенда: давление, расходы газа - с помощью компрессора (15), и жидкости - с помощью узла подачи и регулирования расхода жидкости (7) или прекращают работу стенда, удалив жидкость из колонны в систему утилизации.

Группа изобретений относится к нефтегазодобывающей промышленности и может быть применена при эксплуатации газовых, газоконденсатных и нефтяных скважин. Устройство - стенд для исследования движения газожидкостных смесей в скважинах, а также шлейфах и трубопроводах от скважин состоит из экспериментальной колонны, разделенной на участки при помощи профильных элементов, кожуха, устройства ввода в колонну и отвода из нее экспериментальной смеси, сепаратора, узла подачи и регулирования расхода жидкости, узла подачи и регулирования расхода газа, узла контроля и регулировки температуры газожидкостной смеси, узла контроля и регулировки температуры теплоносителя, расходомеров газа и жидкости, трубопровода подачи газа в экспериментальную колонну, трубопровода подачи жидкости в колонну, устройств для циркуляции газа, фильтрующего элемента, блока контроля и регулировки заданного давления в устройстве, датчиков давления на входе и выходе экспериментальной колонны, патрубка для слива жидкости из стенда, запорной аппаратуры, трубопровода подачи жидкости в стенд, а также датчиков давления и температуры для измерения потерь давления по длине экспериментальной колонны. Способ для исследования движения газожидкостных смесей в скважинах, а также шлейфах и трубопроводах от скважин заключается в том, что экспериментальную колонну устанавливают в требуемом положении, задают необходимый расход газа и жидкости, нагнетают газожидкостной поток в экспериментальную колонну, обеспечивают циркуляцию газожидкостной смеси по замкнутому циклу, контролируют характеристики газожидкостной смеси и поддерживают их на заданном уровне, изменяют давление и температуру вдоль экспериментальной колонны и в конце заданного периода времени оценивают потери давления в экспериментальной колонне как разность величин давления на входе и на выходе экспериментальной колонны. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для исследования движения газожидкостных смесей в скважинах, а также шлейфах и трубопроводах от скважин - стенд, характеризуется тем, что состоит из экспериментальной колонны, заключенной в кожух, и разделенной на различное количество участков, которые соединены при помощи профильных элементов; устройства ввода в колонну и отвода из нее газожидкостной смеси; сепаратора; узла подачи и регулирования расхода жидкости; узла подачи и регулирования расхода газа, состоящего из устройства для циркуляции газа, трубопроводов подачи и сброса газа, регулирующих клапанов; узла контроля и регулирования температуры газожидкостной смеси, состоящего из теплообменника, в зависимости от характера теплообмена нагревателя или охладителя, устройства циркуляции теплоносителя, блока контроля и регулировки температуры газа и датчика температуры; узла контроля и регулировки температуры теплоносителя, состоящего из теплообменника, в зависимости от характера теплообмена нагревателя или охладителя, устройства циркуляции теплоносителя, блока контроля и регулировки температуры газа в кожухе и датчика температуры; расходомеров газа и жидкости; трубопровода подачи газа в экспериментальную колонну; трубопровода подачи жидкости в колонну; устройства для циркуляции газа; фильтрующего элемента; блока контроля и регулирования заданного давления в устройстве; датчиков давления на входе и выходе экспериментальной колонны; патрубка для слива жидкости из стенда; запорной аппаратуры; трубопровода подачи жидкости в стенд; а также датчиков давления и температуры для измерения потерь давления по длине экспериментальной колонны.

2. Устройство п. 1, отличающееся тем, что соединительные элементы выполнены из гибкого материала.

3. Способ для исследования движения газожидкостных смесей в скважинах, а также шлейфах и трубопроводах от скважин, заключающийся в том, что экспериментальную колонну устанавливают в требуемом положении, задают необходимый расход газа и жидкости, нагнетают газожидкостной поток в экспериментальную колонну, обеспечивают циркуляцию газожидкостной смеси по замкнутому циклу, контролируют характеристики газожидкостной смеси и поддерживают их на заданном уровне, изменяют давление и температуру вдоль экспериментальной колонны и в конце заданного периода времени оценивают потери давления в экспериментальной колонне как разность величин давления на входе и на выходе экспериментальной колонны.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что экспериментальную колонну устанавливают в вертикальном положении.

5. Способ по п. 3, отличающийся тем, что экспериментальную колонну устанавливают в горизонтальном положении.

6. Способ по п. 3, отличающийся тем, что экспериментальную колонну устанавливают в наклонном положении.

7. Способ по п. 3, отличающийся тем, что в зависимости от цели эксперимента на вход вместе с жидкостью в экспериментальную колонну дополнительно подают механические примеси, например песок, с целью имитации движения трехфазной смеси газ - вода - песок.