Устройство для отбора проб жидкости из трубопровода

Изобретение относится к нефтяной промышленности и может найти применение при отборе проб жидкости из трубопровода. Устройство включает пробозаборную трубку, смонтированную в трубопроводе перпендикулярно движению потока и имеющую входное отверстие щелевидной формы со стороны движения потока. Во входном отверстии щели выполнены по горизонтали по всей высоте трубопровода и направлены навстречу потоку жидкости Глубина щелей меняется от малой вблизи стенок трубопровода до наибольшей вблизи оси трубопровода. Напротив входного отверстия в пробозаборной трубке выполнена вертикальная щель. 1 табл., 4 ил.

 

Изобретение относится к нефтяной промышленности и может найти применение при отборе проб жидкости из трубопровода.

Известно устройство для отбора проб жидкости из трубопровода, включающее пробозаборные трубки, установленные вертикально по диаметру трубопровода. Оси отверстия трубок расположены параллельно оси трубопровода и направлены навстречу потоку. Противоположные концы трубок входят в смесительную камеру, из которой отобранная проба поступает в блок качества. Диаметры отборных трубок удовлетворяют соотношению 13:10:6:10:13 (Пробоотборник. ГОСТ 2517-85 (п.2.13, черт.15).

Однако известное устройство имеет невысокую представительность отбираемых проб.

Известно устройство для отбора проб жидкости из трубопровода, содержащее пробозаборную трубку, смонтированную в трубопроводе перпендикулярно движению потока и имеющую входное отверстие щелевидной формы со стороны движения потока, профиль которого выбран из условия поступления под избыточным давлением жидкости из трубопровода пропорционально ее расходу на каждом элементарном горизонтальном сечении трубопровода с одинаковым коэффициентом пропорциональности и со средней скоростью на входе в пробозаборную трубку, равной средней скорости потока в трубопроводе (Авторское свидетельство СССР №1700424, кл. G01N 1/10, 1991).

Однако в известном устройстве пробозаборный элемент имеет большую металлоемкость, а также его гидравлическое сопротивление достаточно велико. В известном устройстве в пробозаборной трубке установлен стабилизатор скорости потока, однако такое размещение стабилизатора уменьшает проходное сечение пробозаборного элемента и увеличивает гидравлическое сопротивление. В результате может оказаться технически сложно обеспечить изокинетический отбор пробы (особенно при большой скорости потока трубопровода). И высокое качество получаемой при этом пробы не всегда может быть гарантировано.

Наиболее близким к предложенному изобретению по технической сущности является устройство для отбора проб жидкости из трубопровода, включающее пробозаборную трубку, смонтированную в трубопроводе перпендикулярно движению потока и имеющую входное отверстие щелевидной формы со стороны движения потока, профиль которого выбран из условия поступления под избыточным давлением жидкости из трубопровода пропорционально ее расходу на каждом элементарном горизонтальном сечении трубопровода с одинаковым коэффициентом пропорциональности, со средней скоростью на входе в пробозаборную трубку, равной средней скорости потока в трубопроводе, диаметр и длина пробозаборной трубки выбраны из соотношения 1:(12-30) (Патент РФ №2085893, опубл. 27.07.1997 - прототип).

Недостатком известного устройства является нарушение кинетики движения потока жидкости в трубопроводе, накопление нефтяной фазы в устройстве, что искажает состав пробы и приводит к неточностям при определении состава пробы.

В предложенном изобретении решается задача повышения однородности пробы и тем самым повышения точности определения состава пробы.

Задача решается тем, что в устройстве для отбора проб жидкости из трубопровода, включающем пробозаборную трубку, смонтированную в трубопроводе перпендикулярно движению потока и имеющую входное отверстие щелевидной формы со стороны движения потока, согласно изобретению во входном отверстии щелевидной формы щели выполнены по горизонтали по всей высоте трубопровода и направлены навстречу потоку жидкости, глубина щелей меняется от малой вблизи стенок трубопровода до наибольшей близи оси трубопровода, напротив входного отверстия в пробозаборной трубке выполнена вертикальная щель.

Сущность изобретения

Эффективность разработки продуктивного пласта, рентабельность эксплуатации скважины, своевременное принятие решений по обработке призабойной зоны пласта скважины, ремонту скважины, оценки эффективности новых технологий непосредственно связаны с получением достоверной информации о содержании нефти и воды в добываемой продукции скважины. Решение проблемы постоянного контроля за содержанием нефти и воды в продукции скважины до сих пор остается актуальным не смотря на имеющиеся в настоящее время технические решения данной проблемы. Существующие пробозаборные устройства щелевого типа ориентированы навстречу потоку жидкости. Недостатками этих устройств являются неполный охват сечения жидкости, отсутствие сквозного прохождения потока, что влечет за собой отложение нефти в устройстве.

Основными условиями отбора качественной пробы продукции скважины является отбор пробы со всего сечения потока жидкости в трубопроводе в однородном или смешанном потоке, без нарушения кинетики движения, без накопления нефтяной фазы в самом пробозаборном устройстве. В предложенном устройстве решается задача повышения однородности пробы и тем самым повышения точности определения состава пробы. Задача решается устройством, представленным на фиг.1-4.

Устройство для отбора проб жидкости из трубопровода включает пробозаборную трубку 1, смонтированную в трубопроводе 2 перпендикулярно движению потока 3 и имеющую входное отверстие в виде горизонтальных щелей 4 со стороны движения потока 3. Горизонтальные щели 4 выполнены по горизонтали по всей высоте трубопровода 2. Глубина горизонтальных щелей 4 меняется от малой 5 вблизи нижней и верхней точки до наибольшей 6 вблизи оси трубопровода 2. Напротив горизонтальных щелей 4 в пробозаборной трубке 1 выполнена вертикальная щель 7.

Под местом размещения пробозаборной трубки 1 к трубопроводу 2 приварена муфта 8 с образованием сварного шва 9. На муфту 8 навернута пробозаборная трубка 1. Пробозаборная трубка 1 снабжена законтренной контрагайкой 10 меткой 11. Метка 11 и горизонтальные щели 4 направлены навстречу потоку продукции скважины 3. Пробозаборный кран 12 навернут на выходной штуцер 13 пробозаборной трубки 1, который сообщен с внутренним объемом 14 пробозаборной трубки 1.

Устройство работает следующим образом.

Производят монтаж устройства. Скважину останавливают. На выкидном трубопроводе 2 скважины в месте монтажа устройства вырезают «окно». Под вырезанным отверстием тела трубопровода 2 приваривают сварным швом 9 муфту 8. На муфту 8 наворачивают пробозаборную трубку 1. Пробозаборную трубку 1 устанавливают строго по метке 11 и контрят контргайкой 10. Метка 11, а следовательно, и горизонтальные щели 4, направлены навстречу потоку продукции скважины 3. На выходной штуцер 14 пробозаборной трубки 1 наворачивают пробозаборный кран 12. Скважину запускают в работу, проверяют герметичность места сварки 9 и пробозаборной трубки 1. Поток продукции скважины 3 проходит через горизонтальные щели 4 и вертикальную щель 7. При этом происходит переход ламинарного потока в турбулентный. Происходят перемешивание слоев потока, нормализация потока. Отбор пробы продукции скважины 3 осуществляют открытием пробозаборного крана 12 и сливом продукции скважины 3 в стандартную стеклянную посуду (не показана). При открытии пробозаборного крана 12 продукция скважины 3 проходит через горизонтальные щели 4, внутренний объем 14 пробозаборной трубки 1, пробозаборный кран 12 в стандартную стеклянную посуду, и одновременно часть потока проходит через вертикальную щель 7. Отбор пробы при этом осуществляют со всего сечения потока продукции скважины 3, не нарушая кинетику движения. После отбора пробы пробоотборный кран 12 закрывают.

В предложенном устройстве достигается высокая однородность пробы и тем самым повышается точность определения состава пробы. За счет наличия горизонтальных и вертикальной щелей сохраняется кинетика движения потока жидкости в трубопроводе, отсутствует накопление нефтяной фазы в устройстве.

Выбор типоразмера устройства зависит от дебита скважины и определяется исходя из возможности создания турбулентного потока в зоне отбора пробы, в зависимости от расчетного проходного сечения по условному диаметру трубопровода и объема жидкости.

Пример конкретного выполнения

Известно, что турбулентный поток жидкости обеспечивается при числе Рейнольдса Re≥2320, которое определяется по формуле:

R_e=V*D/v,

где V- скорость движения жидкости, м/с,

D - диаметр трубы, м,

v - кинематическая вязкость, м²/с.

V=Q_ж/ S*86400,

где Q_ж - дебит проходящей жидкости, м³/сут,

S - площадь поперечного сечения трубы, м²,

S=π*D²/4=0.785*D²

v=µ_ж/Р_ж,

где µ_ж - динамическая вязкость жидкости, Па*с,

ρ_ж - плотность жидкости кг/м³.

Динамическая вязкость нефти известна по каждому объекту разработки в мПа*с (Па*с*10^-3). Однозначного определения вязкости жидкости (µ_ж) расчетным путем нет, все формулы являются приближенными и зависят от свойств нефти, воды и газа в продукции скважины. Поэтому в расчетах при определении критерия подбора устройства и места установки на устье скважины в зависимости от дебита скважины вязкость жидкости µ_ж принимается ≈ 15*10^-3Па*с.

Число Рейнольдса после преобразования:

R_e=V*D/ v=V*D*ρ_ж/µ_ж=4* Q_ж* ρ_ж/ π*D* µ_ж*86400=Q_ж* µ_ж/D* µ_ж*67824

Условный диаметр трубопровода в зоне отбора определяется из расчета свободного проходного сечения после установки пробозаборной трубки: D_y=(√S_тp-S_щпз+ S_в.щпз /0,785) мм или D_y=(√S_тp-ΔS_щпз/0,785),

где S_тp - сечение трубы без пробозаборной трубки, мм²,

S_щпз - сечение пробозаборной трубки, перекрывающее общее сечение трубы, мм²,

S_в.щпз - сечение вертикальной щели пробозаборной трубки, выходное, мм².

S_тp=π*D_тp ²/4=0.785*D_тp ²;

S_щпз=h₃*d_н.щпз, или S_щпз=D_вн._тp*d_н.щпз;

где h₃ - высота пробозаборной трубки ≈ D_вн.трв внутреннему диаметру трубы, мм,

d_н.щпз - наружный диаметр прозаборной трубки, мм,

S_в.щпз - L_в В_щ,

где L_в - высота вертикальной щели, мм,

в_щ - ширина вертикальной щели, мм

или D_y=(√0.785* D_в.тр ²-D_в.тp*d_н.щпз+L_в*в_щ/0,785) мм.

Критерии применения различных устройств для отбора жидкости (щелевых пробозаборников) в зависимости от дебита скважины.

1. Щелевой пробозаборник - 100, место установки манифольд устья скважины, диаметр трубопровода равен 100 мм.

Исходные данные:

D_тр=100 мм; dн_щпз=24 мм; d_в.щпз=18 мм; L_в.щпз=93 мм; в_щ=3 мм; s_щ=3 мм - шаг

горизонтальных щелей.

D_y=(√0,785*100²-100*24+93*3/0,785)=85 мм,

тогда Q_ж.min=2320*0,085*15*67,824/1000=200 м³/сут;

при µ_ж=15*10^-3Па*с ρ_ж=1000 кг/м³.

2. Щелевой пробозаборник - 50, место установки - арматура или манифольд устья скважины, диаметр трубопровода равен 50 мм.

a) D_тр=50 мм; dн_щпз=16 мм; d_в.щпз=10 мм; L_в.щпз=46 мм; в_щ=2 мм; s_щ=2 мм - шаг горизонтальных щелей.

D_y=(√0,785*50²-50*16+46*2/0,785)=40 мм

Q_ж.min=2320*0,04*15*67,824/1000=94 м³/сут

б) dн_щпз=22 мм; d_в.щпз=18 мм; L_в.щпз=25 мм; в_щ=2 мм; s_щ=3 мм.

D_y=(√0,785*50²-50*22+25*2/0,785)=34 мм

Q_ж.min=80 м³/сут

Методика расчета щелей

В зависимости от дебита жидкости, обводненности продукции, давления в трубопроводе, места установки щелевого пробозаборника выбираются наружный и внутренний диаметр пробозаборной трубки, количество горизонтальных щелей, их ширина и шаг между щелями, а также высота и ширина вертикальной щели.

Площади горизонтальных щелей рассчитываются из условия пропорциональности площади потока жидкости по сечению трубы к площадям щелей пробозаборной трубки соответственно на уровнях планируемых горизонтальных щелей (горизонтальные плоскости).

Определяется коэффициент пропорциональности сечения потоков жидкости в трубопроводе и в пробозаборной трубке относительно центра трубопровода:

K_s=s_{о щпз}/ S_стр=L_о.щпз*в/ D_о.тр*в=L_о.щпз / D_тp=π* r_{вн. щпз}/ D_тp

где D_о=D_тp - внутренний диаметр трубопровода, мм.

L_o.щпз - длина полуокружности щели по внутреннему радиусу относительно

центра трубопровода, мм.

r_{вн. щпз} - внутренний радиус пробозаборной трубки, мм.

в - планируемая ширина щели, а также воображаемая ширина потока жидкости на этом уровне, мм.

1. Определяются хорды поперечного сечения трубопровода, находящиеся на одной горизонтальной плоскости с горизонтальными щелями,

где x_o=D_o=D_тp и соответственно х_i от 1-ой до N щелей.

2. Определяются длины полуокружностей горизонтальных щелей:

L_i=k_s*x_i

3. При изготовлении пробозаборной трубки в условиях механических мастерских необходимо на каждую горизонтальную щель рассчитать расстояние, показанное на фиг.4:

- от центра пробозаборной трубки до среза щели h_i,

- от наружного радиуса пробозаборной трубки до среза щели Δh,

и хорду горизонтальной щели а_i,

определяются по формулам:

h_i=r_вн.щпз*s_in{90-(L_i*90/π*r_вн.щпз)}, мм.

Δh_i=r_{нар.щпз}-h_i, мм.

$$a_i{a}_i=2*(\sqrt{\Delta h_i*(2*}{r}_{вн}-\Delta h_i)),мм$$

4. Высоту вертикальной щели принимаем в пределах L_в.щ~ 0,92-0,93 D_тр, а ширина вертикальной щели не должна быть больше ширины горизонтальных щелей.

Результаты расчетов сводим в таблицу, например для щелевого пробозаборника -100 (см. таблицу №1).

Таблица №1
ЩП3-100 Dтр=100 мм
dнap=24; dвнт=18; Nщ=17; вг=3; вв=3; sг=3; Lвщ=93
№ п/п	№ щели	Хорда трубы xi	Длина щели (горизонт) Li	hi	Δhi	ai	Примечание
1	8	26	7	8.2	3.8	6.9
2	7	50	14	6.4	5.6	12.6
3	6	65	18	4.7	7.3	15.2
4	5	75	21	3.5	8.5	16.5
5	4	85	24	2.2	9.8	17.4
6	3	90	25	1.5	10.5	17.7
7	2	95	26	0.8	11.2	17.8
8	1	98	27	0.4	11.6	17.9
9	0	100	28	0	12	18
10	1	98	27	0.4	11.6	17.9
11	2	95	26	0.8	11.2	17.8
12	3	90	25	1.5	10.5	17.7
13	4	85	24	2.2	9.8	17.4
14	5	75	21	3.5	8.5	16.5
15	6	65	18	4.7	7.3	15.2
16	7	50	14	6.4	5.6	12.6
17	8	26	7	8.2	3.8	6.9

Аналогично проводят расчеты по другим типоразмерам щелевых пробозаборников.

При применении заявленного устройства было выявлено точное совпадение множественных измерений с данными контрольных проб, отобранных при остановке потока жидкости в трубопроводе и отборе для анализа части объема остановленной жидкости.

Применение предложенного устройства позволит решить задачу повышения однородности пробы и тем самым повышения точности определения состава пробы

Устройство для отбора проб жидкости из трубопровода, включающее пробозаборную трубку, смонтированную в трубопроводе перпендикулярно движению потока и имеющую входное отверстие щелевидной формы со стороны движения потока, отличающееся тем, что во входном отверстии щели выполнены по горизонтали по всей высоте трубопровода и направлены навстречу потоку жидкости, глубина щелей меняется от малой вблизи стенок трубопровода до наибольшей вблизи оси трубопровода, напротив входного отверстия в пробозаборной трубке выполнена вертикальная щель.