Способ и устройство для измерения расхода жидкости в газожидкостных смесях

Изобретение относится к области контроля и учета расхода жидкости и газа в газожидкостных смесях, поступающих из нефтяных скважин. Техническим результатом является повышение точности измерения расхода жидкости в газожидкостных смесях, поступающих из нефтяных скважин, за счет учета расхода жидкости, уносимой потоком газа из газосепаратора (ГС). Для этого газожидкостную смесь разделяют на жидкость и газ. Периодически накапливают жидкость в калиброванной емкости ГС при одновременном перепуске газа в сборный коллектор (СК) и вытесняют накопленную жидкость газом при перекрытом трубопроводе (ТП), служащем для сброса газа в СК. При вытеснении накопленной жидкости газом дополнительно измеряют дифференциальное давление между нижней и верхней точками ТП, служащего для сброса газа в СК. Расход жидкости в газожидкостных смесях вычисляют как сумму расхода жидкости, заполняющей калиброванную емкость ГС, и расхода жидкости, уносимой газом из ГС, определяемую по приведенной зависимости. Способ реализуется устройством, которое содержит ГС с входным патрубком для подачи в него газожидкостной смеси, ТП для сброса газа и ТП для сброса жидкости, соединенными с СК через трехходовой кран. При этом в ГС установлены датчик-реле уровня, ограничивающий калиброванный объем, датчик абсолютной температуры, датчик абсолютного давления и датчик дифференциального давления между нижней и верхней точками ГС. Между нижней и верхней точками ТП установлен датчик для измерения дифференциального давления. На входе в ТП установлен диспергатор для выравнивания скоростей жидкости и газа. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области контроля и учета расхода жидкости и газа в газожидкостных смесях, поступающих из нефтяных скважин.

Известны способы замера продукции скважин, предусматривающие отделение газа от жидкости, которую накапливают в емкости. В одном случае масса жидкости определяется циклически по данным, получаемым с преобразователя силы (веса), на который установлена емкость [1. Авторское свидетельство СССР №1652521, Е 21 В 47/00, 1991]. В другом случае накопленную жидкость отводят из емкости в сборный коллектор через трубопровод, в котором установлен расходомер [2. Г.С.Лутошкин. Сбор и подготовка нефти, газа и воды. М., Недра, 1983, с.45-46, рис.20].

Известны способ и устройство для измерения расхода жидкости в газожидкостных смесях, поступающих из нефтяных скважин [3. Г.С.Абрамов и др. Автоматизированные измерительные установки для измерения дебита нефтяных скважин. Научно-технический журнал “Автоматизация и телемеханизация и связь в нефтяной промышленности, №1-2, 2001, с.16-18], который также включает разделение смеси в сепараторе на жидкость и газ, периодическое накопление жидкости в емкости сепаратора и вытеснение ее газом с замером дифференциального давления при достижении жидкостью нижнего и верхнего фиксируемых уровней и времени наполнения фиксируемых объемов. Массовый расход жидкости вычисляется по известной зависимости в соответствии с гидростатическим методом измерения массы [4. Нефть и нефтепродукты. Методы измерения массы. ГОСТ 26976-86].

Все известные способы измерения не учитывают расхода жидкости, уносимой из сепаратора газом. Их реализация требует высокого качества сепарации газа, особенно на нефтяных месторождениях с большим газовым фактором.

Технической задачей, стоящей перед изобретением, является повышение точности измерения расхода жидкости в газожидкостных смесях, поступающих из нефтяных скважин, за счет учета расхода жидкости, уносимой потоком газа из сепаратора.

Для решения поставленной задачи в процессе измерения расхода жидкости в газожидкостных смесях, поступающих из нефтяных скважин, включающем разделение смеси на жидкость и газ, периодическое накопление жидкости в калиброванной емкости сепаратора при одновременном перепуске газа в сборный коллектор и вытеснение накопленной жидкости газом при перекрытом трубопроводе, служащем для сброса газа в сборный коллектор, и вычисление расхода жидкости в газожидкостных смесях как расхода жидкости, заполняющей калиброванную емкость сепаратора, при вытеснении накопленной жидкости газом дополнительно измеряют дифференциальное давление ΔР между нижней и верхней точками трубопровода, служащего для сброса газа в сборный коллектор, а расход жидкости в газожидкостных смесях вычисляют как сумму расхода G₁ жидкости, заполняющей калиброванную емкость сепаратора, и расхода G₂ жидкости, уносимой газом из сепаратора, определяемую из зависимости

где р_Г - плотность газа в рабочих условиях;

р_Ж - плотность жидкости, уносимой газом, в рабочих условиях;

g - ускорение свободного падения;

Н - расстояние между нижней и верхней точками трубопровода, служащего для сброса газа в сборный коллектор;

ΔР - дифференциальное давление;

q_Г - объемный расход газа в рабочих условиях.

Предложенный способ может быть реализован с использованием устройств, предназначенных для измерения расхода жидкости в газожидкостных смесях, поступающих из нефтяных скважин, содержащих сепаратор с входным патрубком для подачи в него газожидкостной смеси и трубопроводами, служащими для сброса через трехходовой кран жидкости и газа в коллектор, и датчики для контроля при наполнении и вытеснении жидкости из сепаратора параметров, по которым определяют массовый расход G₁ жидкости, накапливаемой в сепараторе, и объемный расход q_Г газа в рабочих условиях.

Для решения поставленной технической задачи в устройство дополнительно введен датчик для измерения дифференциального давления ΔР между нижней и верхней точками трубопровода, служащего для сброса газа в коллектор.

Изобретение поясняется чертежом, на котором показана схема устройства для измерения расхода жидкости в газожидкостных смесях.

Устройство, показанное на чертеже, аналогично устройству, используемому для измерения расхода жидкости в соответствии с гидростатическим методом измерения массы [3].

Устройство содержит газосепаратор 1 с калиброванным объемом V₁, ограниченным датчиком-реле уровня 2, фиксирующим уровень жидкости на высоте H₁, датчик 3 абсолютной температуры, датчик 4 абсолютного давления и датчик 5 дифференциального давления между нижней и верхней точками газосепаратора 1. Сепаратор 1 оборудован входным патрубком 6 для подачи в него газожидкостной смеси, трубопроводом 7 для сброса газа и трубопроводом 8 для сброса жидкости, соединенными с коллектором через трехходовой кран 9 с электроприводом (из известного устройства исключен узел предварительного отбора газа, конструкция которого не влияет на возможность реализации изобретения). Сепаратор снабжен датчиком 10 для измерения дифференциального давления между нижней и верхней точками трубопровода 7, на входе которого установлен диспергатор 11.

Газожидкостная смесь через входной патрубок 6 подается в сепаратор 1, где жидкость отделяется от газа и скапливается в нижней его части, постепенно заполняя объем V₁, ограниченный высотой H₁. В это время трехходовой кран 9 перекрывает выход жидкости из сепаратора через патрубок 8 в коллектор, но открывает выход газа и уносимой газом жидкости из сепаратора через патрубок 7 в коллектор.

После достижения жидкостью уровня H₁, что фиксируется датчиком-реле уровня 2, подается команда на переключение трехходового крана 9 в положение, когда выход газа в коллектор через патрубок 7 закрыт, а выход жидкости в коллектор через патрубок 8 открыт. Жидкость за счет энергии накапливаемого сепаратором газа вытесняется в коллектор. При этом датчики 3 абсолютной температуры и 4 абсолютного давления контролируют температуру и давление газа в сепараторе для определения его плотности в рабочих условиях.

После вытеснения жидкости из сепаратора, что фиксируется датчиком-реле уровня 2 и датчиком 5 дифференциального давления, трехходовой кран 9 переключается в исходное положение, и процесс циклически повторяется.

При накоплении жидкости в сепараторе известным гидростатическим методом [3, 4] определяется массовый расход жидкости G₁ и ее плотность ρ_Ж, а при опорожнении - объемный расход газа q_Г.

Измерение расхода G₂ жидкости, уносимой из сепаратора газом, осуществляется следующим образом.

После переключения трехходового крана 9 в положение, когда выход газа и уносимой потоком газа жидкости через трубопровод 7 в коллектор закрыт, в трубопроводе 7 остается смесь газа с жидкостью плотностью р_с:

где m_Г, m_Ж - масса газа и жидкости соответственно,

V_Ж, V_Г, V (V=V_Ж+V_Г) - объемы, занимаемые жидкостью, газом и смесью соответственно.

При этом плотность смеси р_с, оставшейся в патрубке 7 высотой Н, определяется по формуле (2)

где ΔР - дифференциальное давление, измеряемое датчиком 10;

g - ускорение свободного падения.

Массы газа m_Г и жидкости m_Ж в объеме V трубы 7 выражаются формулами (3) и (4) соответственно

Подставляя выражения m_Г и m_Ж из формул (3) и (4) в формулу (1) после тождественных преобразований получим формулу (5)

где ϕ - объемная концентрация газа в запертой трубе 7.

Из формулы (5) получим формулу (6) для определения ϕ по известным значениям ρ_с, ρ_Г и ρ_Ж.

По определению массовый расход жидкости G₂ в трубе 7 выражается формулой (7)

где q₂ - объемный расход жидкости в трубе 7 в период накопления жидкости в сепараторе.

Расход q₂ может быть выражен через объемное расходное газосодержание β формулой (8)

При условии равенства скоростей жидкости и газа в трубе 7 в период накопления жидкости в сепараторе выполняется равенство (9)

При этом условии, заменяя в формуле (8) β на ϕ и подставляя в нее выражение ϕ из формулы (6) получим формулу (10)

Подставляя выражение p_c из формулы (2) в формулу (10) получим формулу (11)

Подставляя выражение q₂ из формулы (11) в формулу (7) получим формулу (12)

При определенных значениях β условие (9) может не выполняться [5. В.А.Мамаев и др. Гидродинамика газо-жидкостных смесей в трубах. М., Недра, 1969].

Для обеспечения условия ϕ=β, то есть для выравнивания скоростей жидкости и газа в трубопроводе 7, установлен диспергатор 11.

Таким образом, зная значение G₂ можно повысить точность измерения суммарного расхода жидкости G=G₁+G₂.

1. Способ измерения расхода жидкости в газожидкостных смесях, поступающих из нефтяных скважин, включающий разделение смеси на жидкость и газ, периодическое накопление жидкости в емкости сепаратора при одновременном перепуске газа в сборный коллектор и вытеснение накопленной жидкости газом при перекрытом трубопроводе, служащем для сброса газа в коллектор, и вычисление расхода жидкости в газожидкостных смесях как расхода жидкости, заполняющей емкость сепаратора, отличающийся тем, что при вытеснении накопленной жидкости газом дополнительно измеряют дифференциальное давление ΔР между нижней и верхней точками трубопровода, служащего для сброса газа в коллектор, а расход жидкости в газожидкостных смесях вычисляют как сумму расхода G₁ жидкости, накапливаемой в сепараторе, и расхода G₂ жидкости, уносимой газом из сепаратора, определяемого из зависимости

где р_Г - плотность газа в рабочих условиях;

р_Ж - плотность жидкости, уносимой газом, в рабочих условиях;

g - ускорение свободного падения;

Н - расстояние между нижней и верхней точками трубопровода, служащего для сброса газа в сборный коллектор;

ΔР - дифференциальное давление;

q_г - объемный расход газа в рабочих условиях.

2. Устройство для измерения расхода жидкости в газожидкостных смесях, поступающих из нефтяных скважин, содержащее сепаратор с входным патрубком для подачи в него газожидкостной смеси и трубопроводами, служащими для сброса через трехходовой кран жидкости и газа в коллектор, и датчики для контроля, при наполнении и вытеснении жидкости из сепаратора, параметров, по которым определяют расход жидкости, накапливаемой в сепараторе, и расход газа, отличающееся тем, что в него дополнительно введен датчик для измерения дифференциального давления между нижней и верхней точками трубопровода, служащего для сброса газа в коллектор.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что оно снабжено диспергатором, установленным на входе в трубопровод, служащий для сброса газа в коллектор.