RU211157U1 - Устройство измерения дебита газоконденсатной скважины - Google Patents

Abstract

Предложенная полезная модель измерения дебита газоконденсатной скважины относится к области измерения расхода многокомпонентных газожидкостных потоков и может быть использована в сфере обслуживания газоконденсатных скважин. Техническим результатом является упрощенное измерение расхода компонентов нестабильного газового конденсата с использованием единого параметра идентификации компонента. Технический результат достигается тем, что устройство измерения дебита газоконденсатной скважины, характеризующееся отдельным теплозащитным участком в общем канале дебита, в котором расположен по потоку в первом сечении импульсный источник тепловой энергии и во втором сечении датчики теплового потока, размещенные на решетке в различных точках сечения канала для приема тепловых сигналов компонентов потока среды и передачи их по проводам вычислительному блоку. 4 ил.

Description

Предложенная полезная модель измерения дебита газоконденсатной скважины относится к области измерения расхода многокомпонентных газожидкостных потоков и может быть использована в сфере обслуживания газоконденсатных скважин. Известны устройства измерения расхода газожидкостного потока, в которых используются различные методы покомпонентного измерения газожидкостной среды (ГЖС). В известных решениях контроль дебита продукции скважин осуществляется с использованием передвижных установок (для исследования газоконденсатных скважин типа 177 Р-1-00-000 (Нефтегазовое оборудование, установка для исследования газоконденсатных скважин. https://gmsneftemash.nt-rt.ru/images/manuals/TH_gazokond.pdf), построенных на предварительной сепарации. Недостатком известных устройств является значительные затраты на проведение периодического контроля дебита продукции скважин.

Известно устройство модернизированного решения по мобильной сепарационной установке (www.plcgroup.ru>uslugi/issledovatelskie-raschety-...). Недостаток известного устройства в технологии предварительной сепарации с периодическим контролем дебита.

Перечисленные известные комплексы являются примерами технологий разделения (сепарации) компонентов газового конденсата. Все они имеют громоздкие габариты и вес.

Известно устройство безсепарационного измерения расхода продукции газоконденсатной скважины (Зимин М.И., Исаченко И.Н. Измерения бессепарационным методом расхода и количества продукции, извлекаемой из газоконденсатной скважины/ж. «ИСУП», №5(35), 2011/www.sibna.ru), техническое решение позволяющее установку на каждой контролируемой скважине, принятое за прототип.

Недостаток известного устройства состоит в ограничении использования комплекса, в условиях только для стабильного конденсата с небольшой массовой долей воды и объемным содержанием жидкой фазы, не более 15%. По измеренным параметрам и при известном компонентном составе комплекс обеспечивает вычисление объемного расхода и объем газа, приведенных к стандартным условиям, и массовый расход и массу стабильного конденсата. При этом на измерительном трубопроводе устанавливается датчик расхода газа-ультразвуковой излучатель с приемником на пути вихревых колец, адаптированного для работы на газоконденсатной смеси и измеритель плотности (автоколебания камертона), параметры которых обрабатываются контроллером по аттестованной «методике». Кроме того, необходима линейная часть измерительного участка не менее 5D до положения датчика расхода.

Техническим результатом является упрощенное измерение расхода компонентов нестабильного газового конденсата с использованием единого параметра идентификации компонента.

Технический результат достигается тем, что устройство измерения дебита газоконденсатной скважины характеризующееся тем, что в отдельном теплозащитном участке, выполненного с возможностью установки в общий канала дебита, по потоку расположен в первом сечении импульсный источник тепловой энергии и во втором сечении гетерогенные градиентные датчики теплового потока, вырабатывающие ЭДС и размещенные на решетке в различных точках сечения теплозащитного участка для приема сигналов теплового потока компонентов среды и передачи их по проводам вычислительному блоку.

На фиг.1 показано устройство измерения дебита газоконденсатной скважины, дебита двухфазной газожидкостной среды, состоящей из пластовой воды (ПВ), газа (Г) и нестабильного газового конденсата (НК). 1 - теплозащитный участок; 2 - сечение теплозащитного участка с импульсным стабилизированным источником 3 тепловой энергии; 4 -компоненты потока газожидкостной среды (ГЖС); 5 - измерительное сечение теплозащитного участка с решеткой, на которой расположены датчики 6 теплового потока типа гетерогенный градиентный датчик теплового потока (ГГДТП); 7 - вычислительный блок, 8 - общий канал, Q - тепловая энергия, Е - величина импульса ЭДС.

На фиг.2 - приведено изменение длины зоны нагретых компонентов в зависимости от скорости потока: а) при большой скорости V₁, б) при меньшей скорости V₂.

На фиг.3 - показано определение принадлежности компонентов пластовая вода (ПВ) и газа (Г) по параметру Е_{ДК макс} и Е_{ДК мин} и корректирование временем г скорости импульсов. Показания приведены на примере для одного датчика.

На фиг.4 - показаны области долей компонентов в сечении потока ГЖС. 1о - область компонента ПВ «пластовая вода», 2о - область компонента НК «Нестабильный конденсат», 3о - область компонента Г «газ», L - длина области

Поток среды с компонентами 4 проходит из общего канала 8 через устройство измерения дебита газоконденсатной скважины в виде отдельного теплозащитного участка 1 отделенного фланцами, в котором расположен по потоку в первом сечении 2 импульсный стабилизированный источник 3 тепловой энергии и во втором измерительном сечении 5 теплозащитного участка гетерогенные градиентные датчики 6 теплового потока, которые вырабатывают ЭДС, и размещенные на решетке в различных точках измерительного сечения 5 теплозащитного участка 1 для приема сигналов теплового потока компонентов 4 среды и передачи их по проводам вычислительному блоку 7 (фиг.1).

Импульсный стабилизированный источник 3 тепловой энергии посылает в сечение 2 теплозащитного участка 1 одиночные тепловые импульсы Q различным компонентам 4 потока среды- пластовая вода ПВ, газ Г, нестабильный конденсат НК. Поскольку излучаемые в сечении 2 от источника 3 тепловые импульсные порции энергии для нагрева компонентов 4 равны между собой и одинаковы для различных компонентов, то поглощенное количество тепловой энергии будет пропорционально удельным теплоемкостям с_к и массам m_к этих компонентов. Принимается, что масса m_к компонента имеет величину объема равную произведению площади области в сечении 1, занятой компонентом, на длину L, обусловленной временем г заряда и скоростью потока V. Компоненты 4 с тепловым импульсом Q проходят к датчикам 6, расположенным в измерительном сечении 5 на решетке, и каждый датчик от проходящих мимо него компонентов воспринимает и преобразует импульсы тепловой энергии в ЭДС, далее поступающих в вычислитель 7 с регистратором.

В качестве датчика используется, гетерогенный градиентный датчик теплового потока (ГГДТП). Величина его постоянной времени равна 10^-8с, что позволяет сократить время обработки сигнала от компонентов и, тем самым, уменьшить взаимообмен тепловой энергией между компонентами, повышая достоверность получаемой информации. Датчик ГГДТП использует поперечный эффект Зеебека и выполнен на основе кристалла висмута (Bi), который вырабатывает ЭДС при обтекании его потоком с порцией тепловой энергии. Размеры датчика от 1×1 до 10×10 мм², толщиной 0,1-0,2 мм.

Датчики ГГДТП измеряют тепловой поток и передают информацию в вычислитель 7 в виде выработанных ими электродвижущих сил (ЭДС). Отклики датчиков на величину теплового потока компонентов в виде заряда Q тепловым импульсом будут разными в зависимости от различных величин удельной теплоемкости с и массы m компонентов.

Преобразование тепловой энергии от импульсного источника заряда Q в виде теплового потока Ф в величину ЭДС датчика компонента Е_ДК, вырабатываемую датчиком можно представить следующей зависимостью

,

где К₁ - коэффициент пропорциональности между зарядом и тепловым потоком; К₂ - коэффициент преобразования датчика; Q - тепловой заряд в виде импульса; Δt - заданное время подачи теплового заряда; Т_к - температура нагретого компонента; Т_х - температура холодного компонента; С_к - теплоемкость массы в объеме W_к; с_к - удельная теплоемкость компонента; m_к - масса нагретого компонента в объеме W_к. Датчик 6 преобразует в ЭДС величиной Е_ДК тепловой поток Ф₂, который проходит мимо датчика периодическими порциям в виде импульсов теплового заряда Q продолжительностью Δt.

По измеренной ЭДС

для конкретного компонента с массой m_к и удельной теплоемкостью с_к компонента вычисляется величина его искомой массы m_к по формуле

. Датчик 6 преобразует в ЭДС тепловой поток Ф₂, который проходит мимо датчика периодическими порциям в виде импульсов теплового заряда Q продолжительностью Δt.

Все компоненты с полученными от источника 3 порциями теплового потока Ф₁ продвигаются в потоке ГЖС по теплозащитному участку 1 от сечения 2 к измерительному сечению 5 с датчиками ГГДТП. Датчики расположены равномерно по сечению 5 на решетке и имеют непосредственный контакт с компонентами. Все датчики воспринимают только поток тепловой энергии в виде импульсов ЭДС разной амплитуды, безразлично от вида компонента - это НК, ПВ или Г. Тепловые импульсы поочередно проходят мимо датчиков (фиг.2) и датчики вырабатывают уже свои импульсы ЭДС. При этом должна быть выполнена рассортировка этих импульсов ЭДС по их принадлежности к конкретным компонентам и определение долей этих компонентов в общем потоке. Предложенным устройством учитываются амплитуды импульсов ЭДС Е_ДК только величиной (Е_{ДК ном макс}±δ%) и величиной (Е_{ДК ном мин}.±δ%), вычисленные программой для объемов компонентов с равномерно распределенными по площади сечения 2. Величина δ определяется конкретной скважиной. Считаем, заряд объема компонента, определяющий Е_{ДК макс}, принадлежит компоненту ПВ, а заряд, определяющий Е_{ДК мин.} принадлежит только компоненту Г газ. Между собой величины импульсов Е_{ДК ном макс} и Е_{ДК ном мин} отличаются номинально более чем в 2000 раз - {ρс=4,2·1009)_ПВ>(ρс_р=1,4·1,29)_Г, поэтому идентификация компонента ПВ и компонента Г очевидно различима. Промежуточные величины ЭДС, равной неравенству (Е_{ДК ном мин} +δ% < ЭДС < Е_{ДК ном макс} - 5%) отнесем к нестабильному конденсату НК и складывать в отдельную корзину не будем. В дальнейшем вычисление количества массы НК произведем с помощью коэффициента k_НК, извлеченного из уравнения сохранения масс в поперечном сечении измерительного участка вида 1=k_ПВρ_ПВ+k_Гρ_Г+k_НКρ_НК, поскольку две величины k_ПВ и k_Г, измеренные датчиками и вычисленных по программе будут известны.

Массы m_к в каждом из объемов областей W различные и, например для компонента ПВ, равны m_ПВ=ρ_ПВ W_ПВ, где ρ_ПВ - плотность компонента ПВ в объеме области W_ПВ, при этом теплоемкость будет равна

ρ_ПВ W_ПВ, где удельная теплоемкость - с_ПВ и плотность - ρ_ПВ пластовой воды общеизвестны из литературы (и данным лабораторных проб исследуемой скважины), также для газа-

ρ_Г W_Г (удельная теплоемкость: вода-4,2; газ-1,4 КДж/кг·Ки плотность: вода 1009; газ - 1,29 кг/ м³). Полученная на датчике ЭДС, пропорциональная теплоемкости С_к компонента, может быть представлена как, например для компонента ПВ

.

Скорость потока ГЖС изменяется (V=var) и объем W_к компонента, содержащий тепловую энергию, также изменяется и в результате изменяется преобразованная датчиком ЭДС (Е_ДК=var). Увеличение скорости (V₁>V₂) при одинаковом тепловом заряде (Q₁=Q₂) и одинаковом времени (Δt₁=Δt₂) его подачи приводит к увеличению длины L (L=VΔt) области компонента нагретой тепловым импульсом зоны (L₁>L₂), его объема W_к и массы (m₁>m₂). Изменение длины зоны нагретых компонентов в зависимости от скорости потока: а) при большой скорости V₁, б) при меньшей скорости V₂ приведено на фиг.2. При этом величина периода Тц частоты ƒ подачи теплового заряда и времени Δt подачи теплового заряда неизменны (ƒ=const, Δt=const). Чтобы учесть влияние скорости V потока, которая связана с изменением длины L объема W_к (фиг.2 и 3) и величиной массы m_к в этом объеме W_к, в вычислителе выполняется коррекция по скорости V поступающих от датчиков импульсов ЭДС. После этого выполняется по амплитудам ЭДС импульсов идентификация компонентов ПВ и Г, распределение их по соответствующим «корзинам» и расчет амплитуды импульса ЭДС компонента НК.

Для коррекции по скорости импульсов Е_ДК, поступающих от датчиков величин ЭДС, выполняется измерение скорости потока V на измерительном участке 1 канала 8 по времени г пробега теплового заряда со скоростью V потока между сечениями 2 и 5 с момента прекращения подачи нагрева в сечении 2 канала до момента прекращения измерения датчиком теплового потока в измерительном сечение 5 канала (фиг.1). По найденному времени пробега г, характеризующего скорость V, вычислитель выполняет коррекцию амплитуды импульсов ЭДС по скорости в соответствии с зависимостью Е_к=Е_дк/V=Е_дк·τ, где: Е_к - скорректированные в вычислителе импульсы ЭДС, Е_дк - полученные от датчиков импульсы ЭДС (Е_дк=К₁с_кρ_к·W_к), τ - время пробега потока от сечения 2 к сечению 5. Объем компонента ПВ равен W_ПВ=S_ПВ·L⁼S_ПВ·V·Δt, компонента Г-W_Г=S_Г·L=S_Г·V·Δt, объем компонента НК W_НК=(S-S_ПB-S_Г)·L=S_НК·V·Δt, где S_ПB, S_Г, S_НК - площади компонентов внутри общей площади S поперечного сечения канала 1. По откорректированным амплитудам Е_к импульсов (для ПВ - Е_ПВ, для газа - Е_Г) программа вычислителя однозначно определяет принадлежность компонента по уровню ЭДС и распределяет полученные импульсы ЭДС по «корзинам»: «ПВ» и «Г». Амплитуды Е_к скорректированных импульсов ЭДС компонентов изменяются с изменением масштаба объема W_к компонента и временем τ, т.е. уставки идентификации в виде Е=Е_дτ=К₁ cρWτ по плотности ρ_к и удельной теплоемкости с_к также изменяются со скоростью V потока.

Плотность ρ_к и удельная теплоемкость с_к приведенных для примера компонентов составляют произведения: (ρ_ПВ·с_ПВ=1009·4,2)_ПВ; (ρ_Г·с_рГ=1,29·1,4)_Г, (не нормируемые величины плотности ρ_НК - от 700 до 840·с_НК=2,1 кДж/(кг К) средние из 6 месторождений [9]; Уренгойское ρ_НК=750 кг/м³·с_рНК=2,1 кДж/(кг К) при 40°С [10]. Идентификация компонентов потока по уровням амплитуд импульсов и корректирование по скорости импульсов на примере одного датчика представлена на фиг.3.

После идентификации по ЭДС компонентов ПВ и Г вычислителем по программе проводится построение областей с равными ЭДС «ПВ» и ЭДС «Г» по показаниям датчиков сечения 5 в сумме набранных по своим «корзинам» для определения величина доли k_ПВ и k_Г площадей пластовой воды S_ПВ и площади газа S_Г относительно общей площади S измерительного сечения 5. Отношение площадей S_ПВ/S и S_Г/S представляющей величину массы М_к каждого компонента в общей массе потока М по сумме ЭДС датчиков, попавших в соответствующую «корзину» ПВ и Г, является величиной доли компонента в общей массе потока М двухфазной среды. По программе вычислителя 7 считается, что оставшаяся часть площади сечения 5 принадлежит нестабильному конденсату НК (образ НК) в соответствии с уравнением сохранения масс в поперечном сечении измерительного участка. Массовые доли определены следующими соотношениями

. Например, для ПВ - это

, для газа -

, для НК - это

, где δ - размерный коэффициент.

На фиг.4 представлена геометрическая интерпретация распределения компонентов в сечении канала по долевым областям компонентов с датчиками, расположенными равномерно, представляющими доли k_к компонентов в потоке, где 1о - область компонента ПВ «пластовая вода», 2о - область компонента НК «Нестабильный конденсат», 3о - область компонента Г «газ», L- длина области.

Для определения самих масс М_к компонентов блоком 7 по программе вычисляется общая масса М всех компонентов, проходящих потоком среды через измерительное сечение 5, измеренными величинами ЭДС для компонентов ПВ и Г, и вычисленными ЭДС для компонента НК. Средняя величина ЭДС области компонента НК, сложного по составу углеводородов (п.1.1), принимается, как образ НК, Е_НК = К_НКс_НКρ_НК W_НК.

и далее

Каждый датчик измеряет тепловой поток при нагреве одним импульсом теплового заряда Q в соответствии с общим уравнением преобразования. Общая суммарная масса М всех компонентов в потоке определяется вычислителем по суммам величин Е_д со всех датчиков области S_ПВ - это

для компонента ПВ, для компонента Г - это будет

, которые находятся в «корзинах».

Отдельно принятая для компонента НК (как образ НК) - это будет

и в сумме будет

.

В результате раздельно массы компонентов составят: масса компонента ПВ будет М_ПВ=k_ПВ·М, компонента Г-М_Г=k_Г·М, компонента НК-М_НК=k_НК·М.

Это оценка текущих значений масс М_п компонентов в момент подачи теплового импульса Q. Для оценки количества накопленных масс М, прошедших за определенный промежуток времени, например за сутки, информация вырабатывается по подсчету количества импульсов, прошедших за заданное время, по компонентам ПВ и Г, по компоненту НК принимается «образ величины» ЭДС. При этом величины ЭДС считаются по областям компонентов. То-есть, имеем в текущий момент массу всех компонентов нагретой одним тепловым импульсом по областям компонентов ПВ, Г, НК-М=Σ·М_к; далее имеем объединенную нагретую и не нагретую массу М_с потока, прошедшую через сечение с датчиками за один цикл Т_ц частоты подачи импульсов (рис. 1) с допущением, что в не нагретом участке потока сохраняется содержание массы, определенное в нагретой части этого цикла -

; и наконец, имеем накопленную массу М_м за заданный промежуток времени, например сутки, - М_м=NM_c, где N - количество импульсов, прошедших за этот заданный промежуток времени. По известным, ранее вычисленным, долям k_к компонентов от общей массы М_м, определяются и накопленные массы отдельных компонентов:

масса компонента ПВ будет М_нНВ=k_ПВ·М_м,

масса компонента Г газа - Мн_Г=k_Г·М_м,

масса компонента НК - М_нНК=k_НК·М_м.

Использование единого параметра идентификации компонента - теплового заряда для любых компонентов, независимо от их физической природы, и далее с последующей передачей его датчикам для преобразования в ЭДС позволяет провести упрощенное измерение расхода компонентов нестабильного газового конденсата. Только датчики ГГДТП с малой постоянной времени позволяют сократить время обработки сигнала от компонентов и, тем самым, уменьшить взаимообмен тепловой энергией между компонентами, повышая достоверность получаемой информации, т.е. уменьшая погрешность измерения. Этому способствует также свойство теплозащитного участка снижения теплопотерь, уменьшения потери теплового заряда при подсчете массы компонентов НК, ПВ и Г в граничных сочетаниях по величинам Е_ДК. Только датчики ГГДТП с малыми габаритами и расположенные на решетке не вносят потери в измерение скорости потока. Перечисленные свойства полезной модели в меньшей степени нуждаются в дополнительных мерах подсчета тепловых потерь, что упрощает измерение расхода компонентов газового конденсата.

Claims (1)

1. Устройство измерения дебита газоконденсатной скважины, характеризующееся тем, что в отдельном теплозащитном участке, выполненном с возможностью установки в общий канал дебита, расположены по потоку в первом сечении импульсный источник тепловой энергии и во втором сечении гетерогенные градиентные датчики теплового потока, вырабатывающие ЭДС и размещенные на решетке в различных точках сечения теплозащитного участка для приема сигналов теплового потока компонентов среды и передачи их по проводам вычислительному блоку.

Images