Начинается...

Перспективы развития ультразвуковых расходомеров при измерении параметров многофазного потока в нефтегазовой промышленности

УДК 681.121.89.082.4:681.5.08

Перспективы развития ультразвуковых расходомеров при измерении параметров многофазного потока в нефтегазовой промышленности

Р. И. СОЛОМИЧЕВ – к.т.н., ООО НПО «Турбулентность-ДОН», sktb_solomichev@turbo-don.ru
А. Н. СЛОНЬКО – ООО НПО «Турбулентность-ДОН», sktb_std2@turbo-don.ru

В статье описаны и классифицированы различные существующие режимы истечения многофазных потоков, приведены основные параметры, которые используются для количественного описания режимов потоков многофазной среды. Проведена классификация параметров многофазных расходомеров по физическим принципам, на основе которых они действуют. Рассмотрены основные типы расходомеров и их физические принципы, которые положены в основу измерительных устройств. Рассмотрены и описаны положительные и отрицательные стороны основных категорий методов измерения многофазных потоков. Предложено и обосновано применение комбинации методов измерения многофазных потоков с последующей обработкой полученных данных. В качестве основного выбран и обоснован ультразвуковой метод измерения. При использовании совместно времяимпульсного и доплеровского способов и двух комплектов первичных преобразователей для жидкой и газовой фазы в одном корпусе измерителя, появляется возможность определить не только скорость потока многофазной среды, но и концентрацию газа в жидкости или жидкости в газе, плотности отдельных компонентов.

Ключевые слова: многофазный поток, природный газ, нефтепродукты, система диагностики, ультразвуковой расходомер, скорость звука, плотность, концентрация компонентов.

ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ

В связи с непрерывным ростом добычи энергоресурсов, таких как нефть и газ, возрастает потребность в их учете с максимальной достоверностью измерения. Технология добычи нефти подразумевает присутствие в ней воды, а со снижением дебита скважины возрастает содержание воды в извлеченной нефти. Разведка и добыча нефти с морского дна характеризуется высоким содержанием воды в продукте. Кроме того, при извлечении нефти из недр в ней содержатся легкие компоненты, которые при снижении давления переходят в газообразное состояние, – растворенный газ. Таким образом, добытая нефть изначально представляет собой многофазную субстанцию, состоящую из нефти, воды и попутного газа.

Традиционно для измерения каждой составляющей многофазной смеси прибегают к ее сепарированию, далее измеряют отдельные компоненты привычными расходомерами для воды, нефти и газа. Способ разделения многофазной смеси может занимать не малое количество времени, быть дорогостоящим и требует большого пространства для размещения громоздкого оборудования. Способ сепарирования в некоторых случаях делает экономически нецелесообразным разведку глубоководных запасов нефти при значительном удалении от суши. Для эффективной эксплуатации скважин и добычи, точное измерение отдельных компонентов, прогнозирование многофазного потока является актуальной проблемой не только в нефтегазовом деле, нефтехимии, но и в атомной энергетике и других важных отраслях промышленности.

Таким образом, возникает потребность в средстве измерений – многофазном расходомере, предназначенном для динамического измерения расхода многофазного потока и его отдельных компонентов без предварительной сепарации. Проблематика измерения многофазного потока, поступающего из скважины, связана с тем, что он может иметь любую структуру, изменяющуюся случайным образом, но при этом необходимо своевременно определить расходы каждого из компонентов: нефти, воды и газа, что оказывает определяющее влияние на их метрологические характеристики.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Цель данного исследования – оценить перспективы развития ультразвуковых расходомеров при измерении расхода многофазного потока в нефтегазовой промышленности.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

  • определить основные типы и структуру многофазного потока, параметры, которые дают его количественное описание;
  • провести анализ, выбор и обоснование методов и средств измерения параметров многофазных сред.
РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

В однофазной среде распределение скорости потока определяется исключительно шероховатостью трубопровода и числом Рейнольдса. В многофазной среде компоненты могут быть расположены случайным образом в поперечном сечении трубы.

В горизонтально расположенном трубопроводе различают шесть режимов потока (рис. 1):

  • дисперсный поток, который образовывается из мелких отдельных пузырьков газа в заполненном жидкостью трубопроводе;
  • слоистый (прямой) поток, возникает вследствие гравитационного расслоения двух фаз, когда содержание газа велико. В этом случае жидкость течет отдельно от газа по нижней части трубопровода;
  • слоистый (волнообразный) поток, возникает из-за более высокой скорости газа в трубопроводе, в результате чего могут образовываться капли жидкости в газовой фазе;
  • поток с удлиненными пузырьками, которые образовываются в верхней части трубопровода из-за более высокой скорости потока, такие удлиненные пузырьки при объединении перерастают в вытянутые «пробки»
  • поток с пробкой образовывается при увеличении скорости потока жидкости в режиме волнообразного течения, в определенный момент жидкость может перекрыть сечение трубопровода, разделяя несколько вытянутых газовых пузырей;
  • кольцевой поток возникает при высоких скоростях газа. В итоге вокруг стенки трубопровода образовывается тонкая пленка жидкости. Большая часть жидкости переходит в дисперсную фазу в виде тумана и под силой гравитации периодически скапливается в нижней части сечения трубопровода.

Режимы потока многофазной среды в горизонтальном трубопроводе

Рис. 1. Режимы потока многофазной среды в горизонтальном трубопроводе

В зависимости от скорости потока газа по мере ее увеличения или уменьшения перечисленные режимы меняются попеременно. Для идентификации текущего режима потока в определенном месте трубопровода применяют прямой метод (визуальный контроль, высокоскоростная фотосьемка) и косвенный в виде статистического анализа полученной информации от сенсоров, установленных в трубопроводе.

Для количественного описания режимов потоков многофазной среды введены следующие параметры:

Поверхностная фазовая скорость – фазовая скорость отдельной фазы (жидкости – VSL или газа VSG) в общем потоке многофазной среды, определяется как отношение объемного расхода конкретной фазы (жидкости – QL или газа QG) к площади поперечного сечения трубопровода (А):

Скорость многофазной смеси Vm определяется суммой фазовых скоростей компонентов:

Объемная доля жидкой и газовой фаз. Объемная доля газа (QGVF) – это отношение объемного расхода газа к общему объему.

Объемная доля жидкости (QLVF) – это отношение объемного расхода жидкости к общему объему.

Коэффициенты заполнения сечения трубопровода (газовой фазой – αg и жидкой – αl) представляют долю газовых пустот (AG) или жидкости (AL) от общей площади трубопровода (А) в отдельно взятом поперечном сечении, которое занято газовой или жидкой фазой соответственно:

при этом выполняются равенства

Средние скорости потоков каждой из фаз соответственно равны:

В многофазном потоке поведение газа и жидкости, протекающей в трубопроводе, определяет различные характеристики потока, которые также зависят от давления газа, скорости газа и жидкости, а также от геометрии и ориентации трубопровода (горизонтальная, близкая к горизонтальной или вертикальная). Характеристики потока могут быть представлены в виде карты режимов потоков многофазной среды, как показано на рис. 2 [2].

На сегодняшний день универсального метода измерения расхода фаз не существует, что обусловлено сложностью измерения многофазного потока, который сложно понять, предсказать и тем более моделировать. Вследствие этого, в приборе необходимо комбинировать несколько методов, чтобы получить больше каналов сбора информации, тем самым повысить точность измерений посредством вычисления расхода каждого из компонентов согласно полученной информации [3].

Карта режимов потоков многофазной среды

Рис. 2. Карта режимов потоков многофазной среды

Классификация многофазных расходомеров может быть проведена по параметрам, которые они измеряют, и по физическим принципам, на основе которых они действуют.

Существует пять основных параметров, по которым может быть измерен расход компонентов многофазным расходомером [3]:

  1. Плотность, ρ. Измеряется средняя плотность жидкости в трубе или параметр, который непосредственно связан с плотностью, такой как коэффициент поглощения гамма-лучей или электрический импеданс. Устройства, измеряющие плотность, реагируют на массу жидкости в данном объеме трубы или на особые атомные элементы, но ничего не сообщают о скорости жидкости.
  2. Скорость, v. Скорость жидкости измеряется либо прямым методом – с помощью взаимной корреляции, либо косвенным – измерением расхода жидкости, например, с помощью турбинного расходомера. В гомогенном потоке результатом измерения является скорость движения смеси; в негомогенном потоке процедура измерений усложняется, т. к. появляется необходимость в определении скорости каждой из фаз.
  3. Сопротивление жидкости, ρv2, определяется как произведение величины массового расхода жидкости и ее скорости – измеряется классическими устройствами для измерения перепадов давления (напр., труба Вентури).
  4. Массовый расход, ρv. Измерить массовый расход каждой из фаз невозможно, однако полный массовый расход многофазной жидкости можно измерить, используя кориолисовый массовый расходомер.
  5. Радиоизотопный анализ. Измеряется концентрация или скорость отдельных химических элементов, таких как кислород, водород или углерод. Устройства для радиоизотопного анализа используются в тех случаях, когда поток нефти, газа и воды не полностью смешан и гомогенизирован.

Рассмотрим физические принципы, которые положены в основу измерительных устройств, – их восемь, это: гидравлический, механический, акустический, электрический, оптический (инфракрасная спектроскопия), радиоизотопный, микроволновой, нейтронный анализ. К наиболее распространенным можно отнести расходомеры переменного перепада давления, тахометрические (турбинные), вихревые, ультразвуковые, кориолисовый, электромагнитные (табл. 1).

Таблица 1. Основные типы расходомеров и принципы их работы

Методы измерения многофазных потоков подразделяются на три основные категории: полное разделение, частичное разделение и гомогенизация; методы с распознаванием образов и обработка изображений. Сюда же, в третью группу включены методы, исключающие первые два, которые предполагают измерение параметров многофазного потока напрямую за счет комбинации методов измерений и дальнейшей обработки полученных данных [2].

Следует отметить, что полного разделения трех фаз во многих случаях достичь практически невозможно, как и очень трудно достичь полной гомогенизации смеси. В первом случае это объясняется тем, что жидкости обладают способностью переноситься в газовой фазе, а газ можно удержать в жидкой фазе; возможно формирование эмульсий и пены [2].

Необходимо отметить, что для корректного измерения компонентов многофазной смеси, понадобиться измерение как минимум трех независимых параметра потока (функции, зависящие от каждого из трех расходов). По трем полученным функциям можно вычислить расход каждой из фаз. В качестве независимых параметров можно взять, например, следующие: затухание и рассеяние ультразвука, частота колебаний лопаток виброплотномера и электрическое сопротивление смеси. В данном случае недостатком данного способа будет то, что отношения между измеряемыми параметрами и расходом каждой из фаз не могут быть установлены теоретически – их можно установить только с помощью калибровки. Однако произвести калибровку в пределах необходимого уровня точности с учетом всех условий работы, которые складываются при выполнении реальных измерений на объекте добычи, невозможно. Кроме того, через какое-то время, в связи с наличием ошибок измерения при использовании того или иного метода, возникает необходимость повторной калибровки. В таком случае, методология калибровки может быть улучшена за счет использования технологии нейронных сетей, при определении функциональных зависимостей с более высоким уровнем точности [1, 3].

Ультразвуковой метод в комбинации с другими методами в качестве основного выбран не случайно, так как имеет ряд преимуществ. При использовании совместно времяимпульсного и доплеровского способов и двух комплектов первичных преобразователей для жидкой и газовой фазы соответственно (рис. 3), появляется возможность определить не только скорость потока многофазной среды, но и концентрацию газа в жидкости или жидкости в газе. Зная скорость звука в каждой из двух фаз, можно оценить плотность веществ. Комбинация способов также дает информацию о процентном соотношении и уровнях жидкой и газообразной фазы в сечении трубопровода.

Уникальный алгоритм корреляционного анализа и фильтрации [10], реализованный в расходомерах Turbo Flow UFG (расходомер газа, рис. 4) и Turbo Flow UFL (расходомер жидкости, рис. 5) производства ООО НПО «Турбулентность-ДОН», позволяет обрабатывать самые зашумленные измерительные сигналы. Кроме того, если сравнивать с измерителем на основе гамма-плотномера или с радарным, ультразвуковые расходомеры обладают преимуществом по стоимости и цене эксплуатации.

УЗПР для многофазной среды при комбинации способов измерения

Рис. 3. УЗПР для многофазной среды при комбинации способов измерения

Расходомер газа Turbo Flow UFG производства ООО НПО «Турбулентность-Дон»

Рис. 4. Расходомер газа Turbo Flow UFG производства ООО НПО «Турбулентность-Дон»

Расходомер жидкости Turbo Flow UFL производства ООО НПО «Турбулентность-Дон»

Рис. 5. Расходомер жидкости Turbo Flow UFL производства ООО НПО «Турбулентность-Дон»

Ультразвуковые преобразователи расхода производства ООО «Турбулентность-Дон» обладают уникальными функциями автоматической самодиагностики, которая решает следующие задачи:

  • обеспечение контроля уровня усиления и качества сигнала, контроля отношения скорости газа по акустическим каналам к средней скорости газа в преобразователе расхода, скорости распространения звука [10]
  • реализация функции отображения свойств потока (профиль, симметрия, оценка завихрения);
  • реализация функции контроля над состоянием блока электроники с ведением архива событий, нештатных ситуаций и несанкционированного доступа;
  • интуитивно-понятный человеко-машинный интерфейс, информативный и удобный для любого из пользователей вне зависимости от предоставленного уровня доступа;
  • реализована уникальная функция оценки плотности измеряемой углеводородной среды с возможностью приближенного вычисления ее компонентного состава, что значительно расширяет диагностические возможности и область применения УЗ преобразователя расхода.

Непрерывное совершенствование разработанного метода [11] определения плотности природного газа и жидких углеводородных сред по измеренной скорости звука позволило повысить его точность за счет применения алгоритмов автокоррекции по температуре и скорости потока, что в свою очередь позволяет создать целое направление потоковых средств измерений.

ВЫВОДЫ
  1. Описаны и классифицированы различные существующие режимы истечения многофазных потоков. Для количественного описания режимов потоков многофазной среды введены такие основные параметры, как поверхностная фазовая скорость, скорость многофазной смеси, объемная доля жидкой и газовой фаз, коэффициенты заполнения.
  2. Проведена классификация параметров многофазных расходомеров по физическим принципам, на основе которых они действуют. Рассмотрены основные типы расходомеров и их физические принципы, которые положены в основу измерительных устройств. Рассмотрены и описаны положительные и отрицательные стороны основных категорий методов измерения многофазных потоков.
  3. Предложено и обосновано применение комбинации методов измерения многофазных потоков с последующей обработкой полученных данных. В качестве основного выбран и обоснован ультразвуковой метод измерения. При использовании совместно времяимпульсного и доплеровского способов и двух комплектов первичных преобразователей для жидкой и газовой фазы в одном корпусе измерителя, появляется возможность определить не только скорость потока многофазной среды, но и концентрацию газа в жидкости или жидкости в газе.

ЛИТЕРАТУРА:

  1. Андреева М. М., Староверова Н. А., Нурахметов М. Б. Обзор рынка расходомеров для нефтяной и газовой промышленности // Вестник технологического университета. 2015. Т.18, №10. с. 42–46.
  2. Handbook of Multiphase Flow Metering, Norwegian Society for Oil and Gas Measurement. March 2005.
  3. Кокуев А. Г. Определение расхода компонентов многофазного потока на основе комбинации измерений. А. Г. Кокуев, А. А. Мансуров // Вестник АГТУ. Серия Управление, вычислительная техника и информатика. 2015, №4. – Астрахань, 2015. с. 31–37.
  4. Steven R.N. Wet gas metering with a horizontally mounted Venturi meter. Flow Measurement and Instrumentation, 2002, vol. 12, iss. 5-6, pp. 361–372
  5. Oliveira J.L.G., Passos J.C., Verschaeren R., Geld C.V.D. Mass flow rate measurements in gasliquid flows by means of a Venturi or orifice plate coupled to a void fraction sensor. Experimental Thermal and Fluid Science, 2009, vol. 33, iss. 2, pp. 253–260.
  6. Расходомеры и счетчики. URL: http://www.btsm-kipia.ru/schetchiki. html (дата обращения 10.03.2020).
  7. Хлебнова В. И. Методы и средства измерения расхода жидкости и газа: перспективы применения ультразвуковых преобразователей с широким измерительным лучом // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2016. №9 [678]. с. 45–52.
  8. Даев Ж. А. Эволюция кориолисовых расходомеров. Ж. А. Даев // Машиностроение: сетевой электронный научный журнал. – 2016 Т.4, №3. с. 33-39.
  9. Горнев Ю. В. Выбор расходомеров для самотечных каналов // Сантехника №5’2018. URL: https://www.abok.ru/for_spec/ articles/35/7062/7062.pdf (дата обращения 10.03.2020).
  10. Соломичев Р. И. Решения, обеспечивающие метрологическую и эксплуатационную надежность ультразвуковых расходомеров Turbo Flow UFG / Р. И. Соломичев, А. Н. Слонько // СФЕРА. Нефть и Газ. – 2019. № 2/2019 (70). с. 120–125.
  11. Соломичев Р. И. Оценка физико-химических параметров природного газа акустическим способом / Р. И. Соломичев, А. Н. Слонько // СФЕРА. Нефть и Газ. – 2019. № 4/2019 (72). с. 46–51.

Скачать статью в формате pdf →

346800, Ростов-на-Дону,
1-км шоссе Ростов-Новошахтинск,
стр. 6/7, 6/8
☎ +7 (863) 203-77-80
info@turbo-don.ru
www.turbo-don.ru


Читайте также: