ПРИМЕНЕНИЯ МНОГОФАЗНОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ СПЕКТР-М

Аннотация. Обеспечение высокопродуктивной и безаварийной добычи нефти и газа в значительной степени зависит от технически грамотной эксплуатации скважин, режим работы которых устанавливается на основе достоверной информации об основных устьевых параметрах: дебита продукции и динамики его изменения, фазового состава, включая примеси воды и песка, давления и температуры. Информация о количестве примесей при различных режимах по дебиту является ключевой при выборе безаварийного режима эксплуатации скважин, особенно на поздних стадиях разработки месторождений, характеризующихся наличием пластовой воды и абразивных примесей [1]. Например, при работе скважин с дебитами, при которых отмечается высокий уровень концентрации примесей, могут возникать аварийные ситуации: выход из строя скважинного оборудования из-за абразивного износа, обводнение и разрушение призабойной зоны пласта, образование водо-песчаных пробок, приводящих к остановке скважин.

Ключевые слова: газоразделение; нефтеводогазовая смесь; очень вязкая нефть; многофазная измерительная установка; установка измерения.

В настоящее время в отрасли выпускается большое количество различных инструментов для технологического учета добычи нефти. Чаще всего речь идет об установках, построенных по принципу учета, включающих в себя технологическую стадию отделения газа от потока многофазной смеси, то есть сепарационную установку.

Сепарационные сооружения находятся в таком соотношении, что кажутся потребителю более привлекательными и поэтому измерения на скважинах часто проводятся сепарацией. Несмотря на это, количество измерений с использованием многофазных установок без разделения постоянно увеличивается. Современные сепараторы, работающие по гравитационному принципу, предназначены для измерения нефти с кинематической вязкостью не более 120 мм2/с (сСт). Это связано с требованиями к качеству отделения газа от газожидкостной смеси. В свою очередь, качество сепарации зависит от нескольких параметров: скорости подъема газового пузырька, скорости потока жидкости в сепараторе, скорости подъема газового пузырька.

Процесс гравитационного разделения определяется двумя противоположными факторами. Первый связан с движением жидкости в сторону выходного патрубка сепарационной емкости, а второй - за счет действия силы Архимеда пузырьки свободной газовой смеси всплывают.

Рисунок 1. Всплытие пузырька газа

Итоговая степень сепарации зависит от соотношения этих двух факторов.

При высокой вязкости и при превышении некоторой величины расхода процесс сепарации практически прекращается. Отсутствие нормально протекающего процесса сепарации приводит к увеличению погрешности измерения как газа, так и жидкости.

На графике (рисунок 2) показана расчётная величина погрешности в случае полного отсутствия сепарации – то есть, верхняя граница дополнительной погрешности. В реальных условиях, в зависимости от величины вязкости, расхода некоторая сепарация всё-таки происходит, поэтому результирующая величина погрешности будет несколько меньше. Тем не менее, уже из данного графика становится понятно, что при увеличении газосодержания происходит резкий рост погрешности измерения объёма жидкости, практически пропорционально величине газосодержания.

Рисунок 2. График функции дополнительной относительной погрешности измерения объёмного расхода жидкости в зависимости от газосодержания газожидкостной смеси

Как видно из рисунка 2, возникающая при плохой сепарации погрешность измерения объёма жидкости превышает предельно допустимую величину погрешности, задаваемую требованиями ГОСТ Р 8.615-2005, уже при газосодержании выше 2 %. При газосодержании 30 % величина относительной погрешности достигает значения 42 % и так далее.

Понятно, что в таких условиях невозможно обеспечить выполнение требований по точности измерения. Для обеспечения качественного процесса сепарации в условиях высокой вязкости нефти пришлось бы строить сепаратор с очень большой сепарационной ёмкостью, что привело бы к резкому росту стоимости измерительной установки. Таким образом, мы приходим к выводу о целесообразности применения бессепарационных многофазных измерительных установок для измерения объёма добытой сырой нефти с высокой вязкостью.

Установка измерительная Спектр-М предназначена для измерения на объектах нефтедобычи объемного расхода сырой нефти, объёмного расхода газа, объёмного расхода нефтегазового потока, давления и температуры в потоке; вычисление массы нефти и сырой нефти осуществляется по заданной плотности воды и нефти и концентрации воды в сырой нефти. Область применения установок: системы сбора продукции скважин, в том числе высоковязкой, в процессах нефтедобычи при содержании в измеряемом потоке объёмной доли свободного газа от 0 до 90 %. Преимущественная область использования – для организации технологического учёта добываемой продукции. Возможно использование установки как в стационарном исполнении – для индивидуального учёта на отдельной скважине или для группового учёта в составе ГЗУ, а также и в мобильном исполнении, при размещении установки на некой транспортной базе.

Данная измерительная установка относится к классу многофазных бессепарационных установок, поскольку в процессе её функционирования не происходит отделения свободного попутного газа от сырой нефти.

Состав установки представлен на рисунке 3. Кроме показанного на рисунке 3, в состав системы может входить дополнительное оборудование, а именно: датчик избыточного давления перед фильтром и автоматический пробоотборник. Указанное дополнительное оборудование позволяет проводить мониторинг степени загрязнения фильтрующего элемента и осуществлять автоматический отбор проб продукции.

Рисунок 3. Состав УИ Спектр-М

Камерные объёмные счётчики 1, 2 предназначены для измерения объёмного расхода и накопленного объёма ГЖС. Датчики давления 9 и температуры 8 предназначены, соответственно, для измерения давления и температуры потока. Датчик перепада давления 3 предназначен для точного измерения перепада давления на участке между камерными объёмными счётчиками. Клапан, дросселирующий предназначен для создания гарантированной разности давлений на участке между счётчиками. Манометр 5 предназначен для контроля давления в измерительной линии, в качестве исполнения вместо манометра 5 может присутствовать датчик давления. Фильтр 6 предназначен для отделения крупных механических примесей и для защиты от них камерных счётчиков. Задвижки 10 и 11 предназначены для осуществления в установке байпасной линии, при помощи которой измерительная линия может быть при необходимости отсечена от основного потока. Мембранно-предохранительное устройство (или предохранительный клапан) 13 предназначено для включения дополнительной байпасной линии в случае нештатных ситуаций, например при заклинивании камерного счётчика от механических частиц.

В качестве датчиков объёмного расхода (преобразователей расхода) газожидкостной смеси в УИ Спектр-М применяются камерные объёмные счётчики РИНГ. Счётчики этого типа обладают существенными преимуществами, позволяющими применять их в широком диапазоне вязкости нефти и газосодержания потока. Во-первых, результат измерения счётчиков (преобразователей расхода) РИНГ практически не зависит от вязкости среды в диапазоне от 1 сСт до 30 тысяч сСт. Более того, увеличение вязкости даже способствует увеличению чувствительности счётчика в области малых расходов. Во-вторых, камерный принцип действия счётчика способствует выравниванию скоростей фаз флюида на входе в счётчик, и как следствие, результат измерения не зависит от динамической структуры потока и от начальной разницы скоростей фаз. В-третьих, принцип прямого измерения объёма, реализованный в камерных объёмных счётчиках, обеспечивает непосредственное измерение объёма флюида независимо от его газосодержания. Таким образом, камерные счётчики объёма (преобразователи расхода) РИНГ имеют существенные преимущества перед измерительными приборами других типов – в первую очередь, перед сужающими устройствами, в частности соплами той или иной конфигурации.

Проследим за движением газожидкостного потока через установку и раскроем порядок сбора первичной информации в информационно-измерительной системе установки. Поток газожидкостной смеси поступает на вход установки, минуя задвижку 10. Далее поток проходит через фильтр 6, и затем поступает на вход камерного объёмного счётчика (преобразователя расхода) №1 (поз. 1 на рисунке 3). На входе в камерный счётчик 1 установлен датчик абсолютного давления 9, а на выходе – датчик температуры 8, обеспечивающие непрерывное измерение давления и температуры потока соответственно. Выйдя из камерного счётчика 1, поток газожидкостной смеси проходит через клапан дросселирующий 4 и поступает затем на вход камерного счётчика №2. Наконец, газожидкостный поток проходит через выходную задвижку 10 и поступает в выходной трубопровод.

Существенным для обеспечения корректного измерения является изменение давления в потоке, которое происходит, главным образом, на клапане дросселирующем 4. Клапан устроен таким образом, что при прохождении через него жидкости или газожидкостного потока происходит дросселирование и необратимая потеря давления. Величина перепада давления на клапане 4 устанавливается в диапазоне 0,02…0,2 МПа. Как следствие, измерение объёмного расхода и объёма газожидкостной смеси осуществляется в двух термодинамических состояниях: камерный счётчик 1 осуществляет измерение объёма при давлении p1, камерный счётчик 2 осуществляет измерение объёма при давлении p2. Далее мы увидим, что наличие двух контрастных термодинамических состояний необходимо для измерения фазового состава газожидкостного потока, а именно, для измерения объёмной доли жидкости и газа в потоке. Изменением температуры потока при дросселировании пренебрегаем по двум причинам: во-первых, массовая доля газа в потоке невелика, и поэтому возможное изменение температуры газа нивелируется за счёт высокой теплоёмкости присутствующей жидкости, и во-вторых, степень расширения Δp/p1 в рабочих условиях установки также невелика, чтобы вызвать заметное изменение температуры.

Внешний вид установки Спектр-М представлен на рисунке 4. В базовой комплектации установка поставляется в защитном кожухе, оснащённом взрывозащищённым устройством электрообогрева.

Рисунок 4. Внешний вид установки измерительной Спектр-М

Принцип действия и описание физической модели УИ Спектр-М.

Жидкость считаем сжимаемой с известным (притом малым) коэффициентом сжимаемости. Газ подчиняется уравнению состояния в форме pV=zmRT. Процессы сжатия – расширения ГЖС считаем изотермическими. В замкнутой равновесной системе газ – жидкость возможны фазовые превращения (разгазирование или растворение газа) при сдвиге положения равновесия вследствие изменения давления. Считаем также, что растворимость попутного газа в пластовой воде пренебрежимо мала по сравнению с растворимостью газа в нефти. Процесс разгазирования контактный, однократный.

Изобразим процесс изотермического сжатия/расширения газожидкостной смеси на плоскости состояния p – V (рисунок 5). Пусть исходное состояние ГЖС отвечает точке В на плоскости. Через точку В можно провести множество кривых, отвечающих условию α₀=const. Здесь α₀ – газосодержание объёма ГЖС при стандартных условиях. Кривую α₀=const на плоскости p – V, отвечающую изотермическому процессу, будем называть изотермой ГЖС. Крайние изотермы, соответствующие значениям α₀=0 и α₀=1, ограничивают область, внутри которой проходят все возможные изотермы с 0 ≤ α₀ = const ≤1. Заштрихованные области снаружи этих двух крайних изотерм обозначают области невозможных сочетаний. Чтобы определить фазовый состав ГЖС, т. е. величину α₀, необходимо помимо точки В (базовой) задать положение точки С, назовём её определяющей (или контрастной). Именно поэтому необходимо задать некоторый перепад давления между двумя датчиками расхода установки Спектр-М. Через две точки В и С можно провести изотерму ГЖС ВС, и притом только одну. Таким образом, принцип измерения фазового состава основан на определении газосодержания α₀, соответствующего изотерме ГЖС, проходящей через базовую точку В и определяющую точку С на плоскости состояния p – V. При расчёте по алгоритму используются две точки на диаграмме состояния ГЖС.

Рисунок 5. Графическая интерпретация принципа действия установки

Область условий измерения УИ Спектр-М очерчена следующими границами:

• Кинематическая вязкость смеси от 1 до 30 тыс. сСт.
• Допускаемая объемная доля свободного газа в потоке смеси от 0 до 90 %.

• Допускается пробковая динамическая структура потока смеси.

Выводы

1. В некоторых условиях измерения, в частности, при вязкости сырой нефти свыше 120 сСт, использование сепарационных установок для измерения количества добытой нефти не представляется возможным по причине неопределённого качества сепарации газа.
2. В таких случаях целесообразно использование бессепарационных установок, в частности установки измерительной Спектр-М.

Преимущества УИ Спектр-М при организации учёта продукции скважин.