EA010415B1

EA010415B1 - Расходомер для многофазного потока

Info

Publication number: EA010415B1
Application number: EA200501872A
Authority: EA
Inventors: Джеоффри Фредерик Хьювитт; Джайоя Фальконе
Original assignee: Империал Колледж Инновейшенс Лтд.
Priority date: 2003-05-28
Filing date: 2004-05-28
Publication date: 2008-08-29
Also published as: EA200501872A1; US20070095136A1; WO2004106861A3; US7591191B2; EP1639326A2; GB0312194D0; WO2004106861A2

Abstract

Устройство и способ для измерения расхода одной или более текучих сред в многофазных системах, содержащих газ и жидкость, в соответствии с которыми многофазный поток разделяют в трубопроводе на газовый и жидкостный потоки, производят измерения жидкостного и/или газового потоков в зоне, расположенной непосредственно за местом разделения, после чего потоки вновь объединяют с формированием, по существу, гомогенной смеси и затем проводят измерения смеси.

Description

Настоящее изобретение относится к расходомерам и их использованию для измерения расходов различных текучих сред. В особенности, данное изобретение относится к измерению расходов в областях, где реализуются многофазные течения.

В частности, добыча газа в нефтяной и газовой промышленности в большинстве случаев связана с получением жидких углеводородов (которые образуются в продуктивном пласте, в скважине и/или на поверхности земли по мере падения температуры и давления), образований несвязанной воды и сконденсированного пара. Поэтому для проведений измерений не всегда может быть использована измерительная техника, обычно используемая для сухого природного газа.

Измерение расходов в областях многофазных течений в особенности затруднено, когда соотношение объемов газа и жидкости характеризуется величинами от высоких до очень высоких. Во многих случаях применения, в частности, в нефтяной промышленности существует необходимость измерять непосредственно расход газа с тем, чтобы обеспечить контроль производства газа. Измерение расходов газа и жидкости в реальном времени являются важными с точки зрения оптимизации их производства, контроля в процессе эксплуатации и контроля использования продуктивного пласта. При наличии большого количества глубоко залегающих продуктивных пластов экономика может диктовать решения по объединению некоторых месторождений и их разработке с использованием центрального оборудования. Поэтому, с точки зрения распределения средств между каждым из продуктивных пластов, важно, чтобы количество газа, добываемого в каждой скважине, было известным.

Измерение влажного газа можно применять к газоконденсатным месторождениям, месторождениям с высоким отношением содержаний газа и нефти, и влажным газам (определяемым, например, по температуре продуктивного пласта и крикондентерму текучей среды в продуктивном пласте). Влажным газом, в соответствии с простейшим определением, является такой газ, который содержит некоторое количество жидкости, в частности, поток газа с объемной долей жидкости, составляющей от 5 до 10% в условиях проведения измерений. Количество жидкости, например воды, может меняться от весьма небольшого количества до значительного количества, например, в смеси воды и жидких углеводородов. Количество, вид и физические параметры (давление, температура, величина расхода) жидкости, все они влияют на измерения расхода.

В соответствии с вышеприведенным основным определением измерением влажного газа можно считать либо верхнюю границу измерения многофазного потока (нефть с высокими объемными газосодержаниями) или нижнюю границу измерения газа (газ с «высоким» объемным содержанием жидкости). Это предполагает, что за счет смещения измерения многофазного потока или потока газа к их граничным значениям, теоретически могут быть найдены решения по измерению влажного газа. Однако из-за сложности и специфики потоков влажного газа, это не представляется возможным.

Наличие скольжения между жидкостью и газом, трудности в предсказании перехода от одного режима течения к другому как при горизонтальном, так и при вертикальном течении, и неопределенности, связанные с нахождением РУТ-параметров газоконденсатных месторождений, являются проблемами, среди прочих, существующими при измерении влажного газа. Кроме того, следует отметить, что жидкая фаза, содержащаяся в потоках влажного газа, зачастую представляет собой сочетание углеводородов и воды, и в этом случае измерение влажного газа становится проблемой измерения трехфазного потока, и точка инвертирования нефти/воды может оказывать значительное воздействие на соотношения, используемые при расчете перепада давления в многофазном потоке, и определении границы между режимами его течения. Наконец, в потоке может присутствовать также твердая фаза, так что проблема измерения влажного газа распространяется на случай течения четырех фаз.

В нефтяной и газовой промышленности предпринимаются попытки определения границ раздела между влажным газом, газоконденсатом и газовой фракцией с высоким объемным содержанием в многофазных системах. Для различных систем, известны разнообразные серийно выпускаемые измерители влажного газа, предназначенные для конкретных областей применения. В некоторых случаях используют однофазные газоизмерительные устройства с поправочными коэффициентами, учитывающими эффект присутствия жидкости. Эти устройства включают в себя измерители, снабженные измерительными диафрагмами, соплами Вентури (сопло Вентури с коническим устьем), трубами Вентури, кориолисовыми и ультразвуковыми измерителями расхода. В качестве альтернативы, в целях создания и совершенствования устройств для измерения влажного газа были модифицированы элементы измерительной техники, используемые для многофазных потоков, предназначенные для производимых в трубопроводах измерений потоков нефти, воды и газа.

При использовании каждого из этих устройств возникают проблемы, в особенности, при более высоких объемных долях газа. Следовательно, задача настоящего изобретения заключается в обеспечении измерительного устройства, которое может измерять расходы при многофазных течениях в некоторой области объемных газосодержаний, в особенности, в области более высоких объемных газосодержаний.

Согласно настоящему изобретению обеспечивается расходомер для измерения одной или нескольких величин расхода текучей среды в газовой и жидкостной многофазной системе, содержащий средство разделения фаз, в котором многофазный поток разделяется на расположенные параллельно кольцевые потоки газа и жидкости в одной и той трубе; первое измерительное средство для осуществления измере

- 1 010415 ний в жидкостном и (или) газовом потоках в области, сразу следующей за разделением, где поток разделяется на кольцевые потоки газа и жидкости; средство объединения ниже по течению от первого измерительного средства, где потоки объединяются в практически однородную смесь; и второе измерительное средство для осуществления измерений в практически однородной смеси.

Разделение многофазного потока на газовый и жидкостный потоки внутри эксплуатируемой трубы устраняет необходимость использования дорогостоящей и подверженной разрушению аппаратуры, предназначенной для извлечения из многофазного потока проб для их разделения на фазы и исследования. Кроме того, это позволяет проводить измерения в реальном времени, которому соответствует текущее состояние потока.

При желании многофазный поток разделяют на газовое ядро и пленку жидкости, текущую по внутренней поверхности стенки трубы. Затем могут проводиться измерения параметров жидкости, по результатам которых можно рассчитать общий поток массы жидкости. Предпочтительно разделение фаз инициируется с помощью устройства, выполненного в виде закрученной ленты.

Толщину пленки жидкости на внутренней поверхности стенки трубы предпочтительно измеряют с помощью денситометрии с использованием просвечивания гамма-излучением, а также методом, базирующимся на электропроводности, ультразвуковым или флуоресцентным методом.

После объединения потоков газа и жидкости могут быть проведены дальнейшие измерения характеристик потока смеси и, затем, используя известные свойства жидкости, могут быть рассчитаны характеристики газового потока. Предпочтительно объединение газовой и жидкостной фаз инициируют с помощью устройства с расширением и сужением канала. Предпочтительно для измерения характеристик смешанного потока этот поток подводят к трубе Вентури.

Согласно другому аспекту настоящего изобретения обеспечивается способ измерения расходов газовой и/или жидкой компонент потока многофазной текучей среды, в котором многофазную текучую среду направляют в расходомер, в котором многофазный поток непосредственно в трубопроводе сначала разделяют на газовый и жидкостный потоки, за счет чего проводят измерения газового и/или жидкостного потоков, затем эти потоки объединяют, по существу, в гомогенную смесь, при этом проводят измерения смеси и расчетным путем определяют соответствующие расходы. Предпочтительные особенности настоящего изобретения, изложенные выше, в равной степени применимы к предложенному способу.

В одном примере осуществления настоящего изобретения измерения потока текучей среды проводят при вертикальном подъемном течении и, конкретно, для кольцевого режима течения, как преобладающего реализуемого режима течения. В данном примере одна за другой осуществляются следующие стадии:

1. Многофазный поток протекает в кольцевом режиме вверх по трубе и через устройство, представляющее собой закрученную ленту (с рыбьим хвостом на ее верхнем конце), как это показано на фиг. 1.

2. Ниже по потоку от закрученной ленты, по существу, вся жидкая фаза отделена в виде кольцевой пленки на стенке трубы. Жидкая фаза в основном в виде кольцевой пленки продолжает протекать на прямолинейном участке трубы ниже по потоку от закрученной ленты. При этом будет происходить некоторый повторный унос капель в газовый поток, но этот процесс протекает относительно медленно и существует благоприятная возможность проведения в зоне, расположенной непосредственно ниже по потоку от устройства в виде закрученной лентой, измерений для определения расхода жидкости в пленке и, следовательно, общего расхода жидкости в многофазном потоке.

Расход жидкой фазы определяют путем измерения толщины (8) пленки жидкости и градиента давления (άρ/άζ) вдоль прямого участка трубопровода. Градиент давления может быть измерен с помощью стандартной системы датчиков (предпринимая необходимые меры, чтобы избежать проблем, связанных с неопределенностью текучей среды в трубопроводе), а толщину пленки можно измерить различными методами. Одна конкретная система для измерения толщины использует денсиметрию с гаммапросвечиванием и электропроводность, а альтернативы предусматривают применение ультразвукового или флуоресцентного метода, в зависимости от выбранной измерительной аппаратуры. Расход жидкой пленки Мьг определяют из трехпараметрического соотношения, которое имеет следующий вид:

Ми =ίη [δ, (άρ/άζ)] [1]

По существу в приведенном соотношении межфазное касательное напряжение и касательное напряжение на стенке (зачастую приблизительно одинаковые) вычисляют по градиенту давления, а локальное касательное напряжение τ (которое в жидкостной пленке обычно приблизительно постоянно) связано с градиентом скорости жидкости в пленке (йи_ь/йу) уравнением τ = рейЧЛиц/йу) [2] где Це££ - эффективная вязкость, рассчитанная, исходя из подходящей модели турбулентности. Уравнение [2] интегрируют для получения профиля скорости в пленке, который, в свою очередь, интегрируют для определения величины общего расхода жидкости. Эксперименты, в которых были измерены все три величины

- 2 010415 (Мы, δ и (άρ/άζ)), показали, что вышеприведенное трехпараметрическое соотношение достаточно хорошо описывает полученные опытные данные. Таким образом, расход пленки жидкости может быть определен из экспериментов с измерением толщины пленки и градиента давления.

Экспериментальные измерения свидетельствуют о хорошем отделении жидкости с помощью устройства в виде закрученной ленты, показанного на фиг. 1, после прохождения этого устройства потоком с более низкими скоростями газа, остается менее 5% жидкости в виде капель.

3. После прохождения прямого участка трубы, на котором измеряют толщину пленки жидкости и градиент давления (что позволяет вычислить величину следующая стадия заключается в повторном уносе по существу всех капель жидкости обратно в поток газа перед вхождением этого потока в трубу Вентури (стадия 4). Цель заключается в гомогенизации газа и жидкости. Для этого может быть использовано любое подходящее устройство для перемешивания газа и жидкости, но в особенности предпочтительным является устройство, выполненное с расширением и сужением проходного сечения, показанное на фиг. 2. Измерения расхода жидкой пленки ниже по потоку от такого устройства показало значительное увеличение уносимой фракции по сравнению с измерениями, производимыми при отсутствии такого устройства.

4. Последняя стадия заключается в прохождении по существу гомогенизированного потока через трубу Вентури для измерения характеристик многофазного потока. Наиболее широко используемой формулой для расчета перепада давления в двухфазном потоке, протекающем через расходомер с трубой Вентури, является расчетная формула, предложенная Чисхолмом, представляющая собой отношение перепада давления ΔР в двухфазном потоке к перепаду давления ΔΡ|._Ο или ΔΡ_ΟΟ для жидкой и газовой фаз соответственно, протекающих вдоль через это устройство. Эти расчетные формулы могут быть представлены в виде:

ΔΡ /ДРьо= 1+ С/Х + 1/Х² [3]

АР/ДРоо=1+СХ + X² где X - параметр Локкарта-Мартинелли, определяемый как

Х=(ДР_ьоМР₀о)^,/2 [4] а параметр С, в предположении гомогенного потока, определяется как

С = (рь/ро) + (р₀/рь)^п [5] где (р. и р_о плотность жидкости и газа соответственно. При расчете параметра С влияние давления в трубопроводе учитывается через величину плотности газа, а влияние числа Фруда для газа может быть учтено величиной параметра п.

Перепады давления АР_Ъ0 и ΔΡ_ΟΟ для жидкости и газа, протекающих вдоль через трубу Вентури, определяются с помощью соотношений

где т_ъ и Шо - массовые потоки жидкости и газа соответственно. Коэффициент к потерь в трубе Вентури определяется как

где Си - коэффициент расхода (для трубы Вентури с потоком при высоких числах Рейнольдса обычно принимают равной 0,984), И₂ и Όι - диаметр горловины трубы и диаметр трубы выше по потоку соответственно.

В результате объединения уравнений [4] и [6] получается следующее выражение для параметра Локкарта-Мартинелли.

Объединение вышеприведенных уравнений приводит к квадратному уравнению для расхода газа в следующем виде

где

- 3 010415 а= 1

Ь = С ώ,Λρο/ρί.)¹'² [10] с = (1 + 2 ρι,ΔΡ/ к т?)^- т² _ь

Рь

Очевидно, что Ур. [9] является квадратным уравнением, которое имеет два решения для

Однако одно из этих решений обычно имеет отрицательный знак и, следовательно, не имеет физического смысла. При η = 0,5 вышеприведенное уравнение Чисхолма для гомогенного течения (Ур. [3]) дает такой же результат, как и обычное уравнение для гомогенного двухфазного газожидкостного течения, представленного в следующем виде:

где р_н - плотность смеси, определяемая через массовое газосодержание х, а именно:

[12]

Рн =

РьРо____ (1-х)р_о+хр_ь

Экспериментальные исследования показывают, что устройство для гомогенизации с расширением и сужением проходного канала обеспечивает намного более близкое согласие с гомогенной моделью, описанной выше, чем при отсутствии такого устройства.

Настоящее изобретение может быть практически осуществлено рядом путей, и в данном описании будет раскрыто конкретное воплощение изобретения с помощью примера и со ссылкой на указанные ниже фигуры, на которых фиг. 1 - устройство в виде закрученной ленты, которое может быть использовано для разделения многофазного потока на газовое ядро и кольцевой слой жидкости, распределенной по внутренней поверхности стенки трубы;

фиг. 2 - устройство с расширением и сужением, которое может быть использовано для объединения газа и жидкости по существу в гомогенный многофазный поток.

фиг. 3 - одно из воплощений установки, содержащей расходомер, соответствующий настоящему изобретению.

На фиг. 1 показано устройство 4 в виде закрученной ленты, которое может быть использовано в одном из воплощений настоящего изобретения для разделения многофазного потока, содержащего газ и жидкость, на газовое ядро и кольцевой слой жидкости, распределенный по периметру трубы 2. Многофазный поток течет в направлении, показанном стрелками, и при прохождении через устройство 4 на унесенную в потоке жидкость действует сила, направленная к стенкам трубы, а газ продолжает протекать через центральную внутреннюю часть трубы.

На фиг. 2 представлено устройство с расширением и сужением, которое может быть использовано в одном из воплощений настоящего изобретения для объединения газа и жидкости по существу в гомогенную смесь. В оптимальном случае жидкость полностью уносится со стенок трубы 2 в газовый поток после прохождения зоны 6 расширения и последующей зоны 8 сужения. Этот многофазный поток затем пропускают через трубу Вентури 10, где производят измерения многофазного потока.

На фиг. 3 показана упрощенная схема одного из воплощений установки, содержащей расходомер согласно настоящему изобретению. Установка содержит протяженный медный вертикальный трубопровод с рабочей длиной 10,8 м и внутренним диаметром 31,8 мм (1,25 дюйма). Расходомер в соответствии с настоящим изобретением был установлен почти совсем в верхнем конце установки (обозначенном как опытный участок). Трубопровод прикреплен к вертикальной крепежной балке и тщательно выровнен, чтобы гарантировать симметрию потока. Воздух, подводимый из стационарного источника питания (работающего при давлении до 6 бар (5,2 атм)) может протекать по трубопроводу диаметром 50,8 мм (2 дюйма) или 76,2 мм (3 дюйма), в котором установлены калиброванные шайбы для измерения расхода воздуха с помощью датчиков перепада давления.

Воздух подводят в систему через И-образное колено, выполненное в нижней части трубопровода. Вода, поступающая из резервуара, может прокачиваться через систему с помощью насоса мощностью 1,5 или 8 кВт. Расход воды измеряют посредством ротаметров, установленных на верху установки, при этом вода поступает в трубопровод на расстоянии 0,9 или 5,4 м выше И-образного колена для подвода воздуха. При проведении экспериментов обе точки подвода воды были использованы одновременно, поскольку было отмечено, что такое их расположение резко уменьшает перепад давления между выходом из ротаметра и нижней частью опытного участка, по сравнению со случаями, когда используют только одну из этих двух точек.

Расчет массовой скорости жидкости

Местоположение точки, в которой производились измерения толщины жидкостной пленки было выбрано так, чтобы оно соответствовало расстоянию равному приблизительно десяти диаметрам трубопровода ниже по потоку от выхода из устройства в виде скрученной ленты. Толщину пленки измеряли с помощью источника гамма излучения Америций-241 интенсивностью 45 мКи, вместе с системой детек

- 4 010415 тирования, использующей сцинтилляционный кристалл и подсоединенной через усилитель к компьютерной системе снятия показаний отсчета радиации при частотах, установленных пользователем. Было выбрано энергетическое окно, соответствующее 59,5 кЭв. Толщину пленки вычисляли по формуле = ^Р1п1-^1> [13]

21пЦ/1_а ^{1 1} где И - внутренний диаметр трубы, 1а и - интенсивности прошедших фотонов при наполнении трубопровода воздухом и водой соответственно, и I - интенсивность прошедших фотонов при протекании по трубопроводу двухфазного воздухо-водяного потока. Отношение калибровочных величин для воздуха и воды по величине значительно, что связано со способностью фотонов видеть различие между трубой, заполненной воздухом, и трубой, заполненной водой. Это отношение может быть записано в виде

Ι_:ι/Ι_Λ = ο^(γ'·^° [14] где и у_а - коэффициенты ослабления для воды и воздуха, соответственно.

В качестве альтернативы были проведены некоторые опыты с датчиками электропроводности вместо источника гамма-излучения. Датчики электропроводности были тарированы с помощью источника гамма излучения Америций - 241, в результате чего толщина пленки жидкости была представлена как функция нормализованного выходного напряжения, V*, определяемого соотношением:

V* = (V - \'о)/(Уч - Уо) [15] где V - выходное напряжение, измеренное в экспериментах с двухфазным потоком, V - выходное напряжение в случае, когда трубопровод заполнен водой, и νο - выходное напряжение для трубопровода, заполненного воздухом.

Перепад давления, используемый вместе с толщиной пленки жидкости в трехпараметрическом соотношении (см. Ур. [1]), был измерен на прямом участке трубы длиной 80 см, проходящем от выхода устройства в виде скрученной ленты до входа в устройство с расширением и сужением.

Расчет массовой скорости газа

Измерительная труба Вентури длиной 20 см, характеризуемая величиной коэффициента β, равной 0,493, была размещена непосредственно ниже по потоку от устройства с зонами расширения и сужения. Для измерения перепада давления между входом и горловиной трубы Вентури был использован датчик перепада давления, в то время как для измерения давлений на входе и выходе были использованы два датчика абсолютного давления. Кроме того, регистрировали температуры на входе и выходе. Входное давление и входная температура были использованы для вычисления входных характеристик текучей среды.

Массовая скорость воды изменялась от 103 до 770 кг/м сек, причем для каждой массовой скорости воды массовая скорость воздуха изменялась приблизительно от 30 до 200 кг/м²-с. Проводилась проверка с целью подтверждения реализации кольцевого режима течения, а не вспененного режима (течения, обратного по направлению стекающей вниз пленке):

где И_о - приведённая скорость газа.

Кроме того, проводилась проверка наличия уноса жидкости в газовом ядре потока перед закрученной лентой ты < шьес -> Е = 0 тис =—ехр(5,8504 + 0,4249^- Эр_ь/р_п) [17]

О Οι где ηι. и η_ο - вязкость жидкости и газа соответственно, а параметр Е характеризует наличие уноса.

При очень низких расходах пленки жидкости (Че) уноса жидкости не происходит, и в этом случае, вероятно, нет необходимости использовать устройство завихрения потока, предназначенного для возврата жидкости обратно в пленку.

На установке проводились исследования главным образом двухфазных потоков (воздух и вода), но измеритель расхода также мог быть использован и для измерения трехфазных потоков (воздух, вода и нефть). Может быть измерена толщина слоя всей жидкости и определен состав образующих его жидких компонент. Затем могут быть определены физические свойства пленки жидкости путем осреднения характеристик ее отдельных компонент в предположении, что жидкость представляет собой или смесь капель нефти с водой или наоборот. Устройство и способ согласно настоящему изобретению, следовательно, применимы для широкой области систем, в которых реализуются многофазные течения с высоким объемным газосодержанием и необходимо измерить расходы газа или жидкости или обеих компонент.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Расходомер для измерения одной или нескольких величин расхода текучей среды в газовой и жидкостной многофазной системе, содержащий средство разделения фаз, в котором многофазный поток разделяется непосредственно в трубопроводе на кольцевые потоки газа и жидкости в одной и той же трубе; первое измерительное средство для осуществления измерений в жидкостном и/или газовом потоках в области, сразу следующей за разделением, где поток разделяется на кольцевые потоки газа и жидкости; средство объединения ниже по течению от первого измерительного средства, где потоки объединяются в практически однородную смесь; и второе измерительное средство для осуществления измерений в практически однородной смеси.
2. Расходомер по п.1, в котором толщину плёнки жидкости на внутренней поверхности стенки трубы измеряют с помощью денситометрии с гамма-просвечиванием, методом электропроводности, ультразвуковым или флуоресцентным методом.
3. Расходомер по п.2, в котором плёнка жидкости представляет собой плёнку одной фазы.
4. Расходомер по п.3, в котором одна фаза представляет собой водную фазу или углеводородную фазу.
5. Расходомер по п.2, в котором плёнка жидкости состоит из двух фаз.
6. Расходомер по п.5, в котором две фазы представляют собой водную фазу и углеводородную фазу.
7. Расходомер по любому из пп.1-6, в котором средство разделения фаз содержит устройство из скрученной ленты.
8. Расходомер по любому из пп.1-7, в котором средство объединения содержит устройство расширения и сжатия.
9. Расходомер по любому из пп.1-8, в котором второе измерительное средство содержит трубку Вентури для измерения свойств практически однородного объединённого потока.
10. Расходомер по любому из пп.1-9, в котором многофазный поток имеет объёмное содержание жидкости менее 10%.
11. Расходомер по любому из пп.1-10, в котором многофазный поток имеет объёмное содержание жидкости менее 5%.
12. Способ измерения величин расхода газовой и/или жидкостной компонент потока многофазной текучей среды, в котором многофазная текучая среда проходит через расходомер, в котором многофазный поток сначала разделяют непосредственно в трубопроводе на кольцевые потоки газа и жидкости, осуществляют измерения в газовом и жидкостном кольцевых потоках, объединяют потоки в практически однородную смесь, осуществляют измерения в практически однородной смеси, и вычисляют ограниченные расходы потоков.
13. Способ по п.12, в котором расходомер выполнен таким образом, чтобы измерения расхода текучей среды осуществлялись в практически вертикальном восходящем потоке.
14. Способ по п.12 или 13, в котором разделение многофазного потока осуществляют в устройстве из скрученной ленты.
15. Способ по любому из пп.12-14, в котором второе измерительное средство содержит трубку Вентури.
16. Способ по любому из пп.12-15, в котором измеряют толщину плёнки жидкости и градиент давления вдоль прямой части трубки вниз по течению от разделения многофазного потока.