Способ и устройство определения объемных концентраций газа, воды и углеводородного конденсата в потоке продуктов добычи газоконденсатных скважин Российский патент 2024 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.

Известен способ и устройство определения покомпонентного расхода потока газожидкостной смеси (ГЖС), основанный 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, 2, 3].

Недостатками способа и устройства являются невозможность определения соотношения объемных долей воды и углеводородного конденсата в жидкости, а также низкий верхний предел водо-газового фактора (ВГФ) составляющей ~100 см³/нм³, в то время как большое количество скважин имеют ВГФ, существенно превышающий эту цифру.

Наиболее близким к предлагаемому расходомеру является устройство [4], выбранное за прототип. Оно содержит встроенную в трубопровод измерительную секцию с переходами от стандартного сечения трубопровода к зауженному сечению, которое охватывается измерительным резонатором дециметровых волн, байпасную линию, с встроенным в нее опорным резонатором идентичным измерительному, который заполняется газом, прошедшим через фильтр, отбивающий жидкую фазу, и электронные блоки, измеряющие резонансные частоты и добротности обоих резонаторов при протекании через основной трубопровод потока газожидкостной смеси. Обрабатывая полученные с резонаторов данные, устанавливают объемные доли газа, воды и углеводородного конденсата, поступающего из скважины.

Алгоритм получения сведений об объемной доле конденсата С₃ построен таким образом, что из сдвига частоты измерительного резонатора вычитают долю, обязанную чистому газу, затем измеряют добротность резонатора с газожидкостным потоком и по изменению добротности находят объемную долю воды С₂; далее вычитают приходящийся на ее долю сдвиг частоты из сдвига частоты измерительного резонатора, а по оставшемуся сдвигу рассчитывают объемную долю конденсата. При этом ввиду того, что вода является диэлектриком с диэлектрической проницаемостью (ДП) существенно большей, чем ДП конденсата поэтому сдвиг частоты, обязанный воде, существенно превышает сдвиг частоты, обязанный конденсату. Отсюда даже небольшие погрешности в определении доли воды С₂ сильно сказываются на величине С₃, что ограничивает минимально измеряемое значение конденсатогазового фактора (КГФ) величинами порядка 500 см³/м³ [5].

Техническим результатом предложенного изобретения является расширение диапазона измерений малых КГФ (~50÷100 см³/м³) с приемлемой погрешностью (ниже 5%).

Принципиальная схема устройства, реализующая способ определения объемных долей газа, воды и конденсата показана на фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3 и фиг. 4.

На фиг. 1 изображены: 1 - трубопровод, по которому распространяется газожидкостная смесь продуктов добычи 2; 3 - изокинетическое заборное устройство; 4 - открытый прямоугольный резонатор СВЧ диапазона; 5 - фильтр; 6 - радиопрозрачные окна; 7 - СВЧ генератор, управляемый по частоте; 8 - СВЧ приемник; 9, 10 - элементы связи СВЧ генератора 7 и приемника 8 с резонатором 4; 11 - генератор миллиметровых волн; 12 - ферритовый вентиль; 13 -излучающий рупор; 14 - приемный рупор; 15 - приемник миллиметровых волн; 16 - термоэлектрическая батарея, работающая в интервале температур +100°С…-30°С; 17 - термометр; 18 - электрически управляемый вентиль на линии подачи газа в резонатор 4; 19 - катушка управления вентилем 18; 20 - электрически управляемый вентиль на линии сброса газа; 21 - катушка управления вентилем 20; 22 - счетчик газа; 23 - блок управления и обработки сигналов; 24 - трубка подачи газа в резонатор 4; 25 - трубка сброса газа из резонатора 4.

На фиг. 2 показана конструкция устройства; на ней изображено: 26 - волновод миллиметровых волн от ферритового вентиля 12 до рупора 13; 27 - волновод от рупора 14 до приемника миллиметровых волн 15; 28 - волновод от СВЧ генератора 7 до СВЧ резонатора 4; 29 - волновод от СВЧ резонатора 4 до приемника 8; 30 - радиатор.

На фиг. 3 показаны временные эпюры физических величин, относящиеся к температурному состоянию корпуса резонатора 4.

31 - временная последовательность срабатывания отдельных элементов устройства:

t₀ - момент открытия вентилей 18 и 20;

t₁ - момент закрытия вентилей 18 и 21;

t₂ - начало проведения измерений при T₁≥20°С;

t₃ - окончание измерений;

t₄ - подача напряжения на термоэлектрическую батарею 16 - начало охлаждения резонатора 4;

t₅ - начало проведения измерений при температуре Т₂≤20°С;

t₆ - окончание этих измерений

- подача на термоэлектрическую батарею 16 напряжения другой полярности;

- начало нагрева резонатора 4;

- открытие вентиля 20 для продувки фильтра;

t₇ - время отключения напряжения, подаваемого на термоэлектрическую батарею 16;

- начало спада температуры резонатора 4;

t₈ - установление исходной температуры резонатора 4.

32 - ток I через термоэлектрическую батарею 16; 33 - температура корпуса резонатора; 34 - диэлектрическая проницаемость воды ев при изменении ее температуры от +25 до -20°С и переходе ее в лед ε_л.

Все зависимости относятся к одному циклу измерений.

На фиг. 4 приводятся дисперсионные характеристики резонатора 4: сигналы с СВЧ детектора 8.

35 - полый резонатор.

36 - резонатор при заполнении его только газом с объемной долей С₁.

37 - резонатор при заполнении его газом с объемной долей C₁ и конденсатом с объемной долей С₃.

38 - резонатор при заполнении его газом с объемной долей С₁, конденсатом с объемной долей С₃ и водой с объемной долей С₂.

Позиции 35, 36, 37, 38 относятся к температуре корпуса резонатора 4 Т - 25°С, принятой за рабочую температуру представительной пробы смеси газ-конденсат-вода.

39 - резонатор, заполненный газом, конденсатом и водой при объемных соотношениях С₁, С₂ и С₃ соответственно и при температуре Т₂≤-20°С.

Работа устройства происходит следующим образом. В момент времени t=t₁ из блока управления 23 на катушки 19 и 25 электрически управляемых вентилей 18 и 20 поступает команда на открытие. При этом небольшая часть газожидкостного потока 2, летящего по трубопроводу 1, через изокинетический заборник пробы 3 и через трубку 21 поступает в резонатор 4, проходит через фильтр 5, через вентиль 20, счетчик объема газа 22 и сбрасывается на факел (или утилизируется каким либо другим способом). Через время τ (оно определяется предварительно оператором) вентили 18 и 20 закрываются. Количество газа, прошедшее за время τ, фиксируется счетчиком 22. При прохождении представительной пробы газожидкостного потока (газа, содержащего аэрозоль воды с объемным процентным содержанием С2 и аэрозоль конденсата с объемным процентным содержанием С3), аэрозоль задерживается в фильтре 5.

В предлагаемом устройстве используется одновременно два метода определения количества воды в фильтре - зондирование его миллиметровыми волнами и измерение затухания, и измерение реакции СВЧ резонатора.

Первый метод используется преимущественно при больших водосодержаниях (ВГФ~200÷2000 см³/м³), а второй - при малых (ВГФ~20-200 см³/м³). Сочетание обоих методов понижает погрешность измерения величины С2.

При первом методе измерения сигнал фиксированной частоты от генератора 11, например 36 ГГц, через волновод 7 и рупор 8 поступает в сверхразмерный волновод (резонатор СВЧ диапазона 4) и проходит через фильтра 5 (фиг. 1 и фиг. 2) и улавливается рупором 14, и далее через волновод 27 поступает на детектор (приемник миллиметровых волн) 15.

Сигнал, регистрируемый детектором UД, ослабляется только водным компонентом, так как УВ конденсат не поглощает миллиметровые волны. Сигнал UД и масса воды в фильтре связаны соотношением:

где: U0 - сигнал в случае, когда вода отсутствует; mв - масса воды в фильтре; α - коэффициент поглощения; k - коэффициент, определяемый геометрией фильтра (устанавливается заранее опытным путем). Из (1) находится масса воды:

Зная массу воды mв и ее плотность ρ_в, находят ее объем в фильтре . Далее величину V_в, определенную этим способом обозначим как VB.

При втором методе измерения основным элементом устройства является СВЧ резонатор 4 (фиг. 1, фиг. 2). Это открытый резонатор в форме параллелепипеда, образованный отрезком прямоугольного волновода (например 3 см диапазона сечением 23×10 мм²) с открытыми торцами. Торцы резонатора сопрягаются с рупорами через свободное пространство, организуемое двумя диэлектрическими окнами 6 и 23, не препятствующими выходу СВЧ излучения из резонатора. СВЧ резонатор 4 расположен на термоэлектрической батарее 16, позволяющей установить температуру СВЧ резонатора.

Материал фильтра, заполняющего резонатор, должен быть диэлектриком с низкими потерями (tg~10^-4). Кроме того, он должен выдерживать температуры ~60…100°С. Это может быть кварцевый песок, либо синтетическая ткань, или искусственная неорганическая вата, или ткань Петрянова. Частотный спектр такого открытого резонатора достаточно редок, и нетрудно подобрать наиболее добротные из колебаний: либо типа Hpsq. либо Epsq (индексы р, s, q обозначают число полуволн, укладываемых по широкой и узкой стенкам волновода и вдоль него).

Работа устройства в этом случае происходит следующим образом. Вначале - в интервале времени t₃-t₄ - проводится измерение дисперсионной характеристики 37 резонатора 4 при температуре T₁≈25°С. Затем в момент времени t=t₄ на термоэлектрическую батарею 16 подается напряжение соответствующей полярности, и они начинают охлаждать корпус резонатора 4, содержащий водо-конденсатный аэрозоль в фильтре 5.

График тока и температуры показан на эпюрах 32 и 33. К моменту времени t₅ температура корпуса резонатора 4 и фильтра 5 уже достаточно долго выдерживалась заметно ниже температуры замерзания воды, и последняя превратилась в лед. Резонаторные измерения (измерение положения на оси частоты резонансной кривой и ее формы - то есть регистрацию сигнала с СВЧ детектора 8) проводятся в интервале времени от t₅ до t₆. После этого напряжение на термоэлектрическую батарею 16 переполюсовывается и она начинает нагревать резонатор. Одновременно вентиль 20 открывается и пары воды и конденсата сбрасываются через счетчик 22 на утилизацию. По прошествии некоторого времени к моменту t₇ (подбирается опытным путем) фильтр очищается, напряжение с термоэлектрической батареи 16 снимается, и все устройство возвращается в исходное состояние.

При введении в резонатор 4 диэлектрика - газа, аэрозоля воды или конденсата его частота смещается вниз. Полный сдвиг частоты при заполнении резонатора газожидкостной смесью «газ-вода-конденсат» с объемным содержанием этих компонентов C1, С2 и С3 можно представить в виде [5]

где ƒ0 - резонансная частота полого резонатора;

Δƒ01, Δƒ12, ƒ23 - сдвиги частоты, обусловленные только газом, только водой и только конденсатом, соответственно, (резонансные кривые 26, 27, 28, фиг. 3).

Выражение (1) можно записать при температурах T1 и T2, где T1 - положительная температура фильтр-патрона (резонатора 4), равная температуре неохлажденной пробы (+10…+30°С), а T2 - отрицательная температура (-10…-20°С)* (* ввиду того, что в скважину для предотвращения гидратообразования нередко заливают метанол, вода содержит его в растворенном виде; отсюда ее температура замерзания может быть значительно ниже 0°С). Первый и второй члены в правой части (3) практически не зависят от температуры (только в силу изменения плотности, что при необходимости легко учесть). Если теперь опустить температуру фильтра до температуры Т2, то вода замерзнет; при этом ее ДП резко снизится и резонансный пик 38 (на частоте ƒ3) перейдет в пик 39 (на частоте ƒ4) (фиг. 3).

Общее выражение для сдвига частоты резонатора, работающего на моде Epsq, при введении в него диэлектрика объемом Vε с ДП ε имеет вид [6]:

где Vp - объем резонатора.

Коэффициент Fpsq (формфактор) определяется распределением электрического поля по объему резонатора (т.е. типом колебания) распределением по нему диэлектрика.

Поскольку при T1>>0°С диэлектрик - вода с ДП , а при T2<<0°С диэлектрик - лед с ДП , то, если сделать два измерения величины относительно сдвига частоты - одно при , а другое при и вычесть одно из другого, то уравнение (3) с учетом (4) можно записать следующим образом:

При известном типе колебаний и известном распределении по объему введенного диэлектрика формфактор Fpsq может быть вычислен теоретически. Он также может быть измерен экспериментально, вводя в резонатор известный объем воды Vв и проводя измерение резонансной частоты резонатора.

Уравнение (5) позволяет найти объем воды (льда) Vε=V_в* (Разницей между объемом воды V_в и объемом льда V_л здесь пренебрегаем; при необходимости ее легко учесть) по экспериментально измеряемой разности частот фильтр-патрона-резонатора в "холодном" и "теплом" состоянии отделенной жидкой фазы и известных значения диэлектрических проницаемостей воды или льда.

После определения объема воды (льда) резонаторным методом сравнивают величины , оценивают величины погрешностей и окончательно выбирают значение объема воды в фильтре V_в. Затем по алгоритму, приведенному в [5], определяют процентное содержание газа, воды и конденсата. При этом ввиду более высокой точности определения объемной доли воды, можно будет существенно уменьшить абсолютные погрешности измерения объемной доли конденсата, что позволит расширить диапазон измеряемых КГФ в сторону их более низких значений и довести его до 50…10 см³/м³.

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 25.07.2008 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 газоконденсатных скважин. Авторы: Лисин В.Б. Москалев И.Н.

5. Москалев И.Н., Семенов А.В., Алгоритм определения объемных долей газа, воды и конденсата в продуктах добычи газоконденсатных и нефтегазоконденсатных скважин с высоким содержанием жидкой фазы // Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности. - М: ОАО «ВНИИОЭНТ», 2019, №10 с. 12-18

6. Москалев И.Н., Костюков В.Е. Микроволновый метод оперативного анализа природного газа и конденсата в 3 томах - Саров: ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», 2013 T. 1. 420 с.

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

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к способу определения объемных долей газа, воды и конденсата в продуктах добычи газоконденсатных скважин. Способ определения объемных долей газа, воды и углеводородного конденсата в потоке продуктов добычи газоконденсатных скважин заключается в отборе представительной пробы продуктов добычи и пропуске ее через СВЧ-резонатор, заполненный фильтрующим материалом, отбивающим жидкую фазу, измерении объема газа, свободного от жидкой фазы, и измерении резонансной частоты СВЧ-резонатора и его добротности до прохождения определенного количества пробы и после ее прохождения и последующим вычислении величины объемных долей воды и конденсата по аналитическим формулам. Измерения проводят один раз при температуре выше 0°С, а другой - при температуре ниже температуры замерзания конденсата воды или водометанольного раствора, причем одновременно с резонаторными измерениями количества воды в фильтре количество воды также определяют по затуханию волн миллиметрового диапазона, проходящих через открытые торцы СВЧ-резонатора. Также предложено устройство определения объемных долей газа, воды и углеводородного конденсата в потоке продуктов добычи газоконденсатных скважин. Устройство выполнено с возможностью одновременно с резонаторными измерениями количества воды в фильтре СВЧ-резонатора определять также количество воды по затуханию волн миллиметрового диапазона, проходящих через открытые торцы СВЧ-резонатора, который выполнен как открытый резонатор в форме параллелепипеда и расположен на термоэлектрической батарее, позволяющей установить температуру фильтра СВЧ-резонатора в интервале +100…-30°С. Технический результат – обеспечение возможности измерять малые конденсатогазовые факторы (~50-100 см³/м³) с приемлемой погрешностью (~5%). 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ определения объемных долей газа, воды и углеводородного конденсата в потоке продуктов добычи газоконденсатных скважин, заключающийся в

- отборе представительной пробы продуктов добычи и пропуске ее через СВЧ-резонатор, заполненный фильтрующим материалом, отбивающим жидкую фазу,

- измерении объема газа, свободного от жидкой фазы, и измерении резонансной частоты СВЧ-резонатора и его добротности до прохождения определенного количества пробы и после ее прохождения и последующем

- вычислении величины объемных долей воды и конденсата по аналитическим формулам,

отличающийся тем, что измерения проводят один раз при температуре выше 0°С, а другой - при температуре ниже температуры замерзания конденсата воды или водометанольного раствора, причем одновременно с резонаторными измерениями количества воды в фильтре количество воды также определяют по затуханию волн миллиметрового диапазона, проходящих через открытые торцы СВЧ-резонатора.

2. Устройство определения объемных долей газа, воды и углеводородного конденсата в потоке продуктов добычи газоконденсатных скважин, реализующее способ п. 1, выполненное с возможностью одновременно с резонаторными измерениями количества воды в фильтре СВЧ-резонатора определять также количество воды по затуханию волн миллиметрового диапазона, проходящих через открытые торцы СВЧ-резонатора, который выполнен как открытый резонатор в форме параллелепипеда и расположен на термоэлектрической батарее, позволяющей установить температуру фильтра СВЧ-резонатора в интервале +100…-30°С.

3. Устройство определения объемных долей газа, воды и углеводородного конденсата по п. 2, отличающееся тем, что фильтр, отбивающий жидкую фазу, введен в СВЧ-резонатор и целиком его заполняет.

4. Устройство определения объемных долей газа, воды и углеводородного конденсата по п. 2, отличающееся тем, что торцы СВЧ-резонатора отделены от остальной части устройства радиопрозрачными диэлектрическими окнами.