Способ измерения расхода жидкости в газожидкостных смесях

Изобретение относится к области измерения расхода жидкости в газожидкостных смесях, поступающих из нефтяных скважин. Техническим результатом изобретения является повышение точности измерений за счет исключения методической погрешности, обусловленной отсутствием учета плотности газа, а также исключения необходимости применения измерительной емкости строго цилиндрической формы. Для этого измеряют расход жидкости в газожидкостных смесях, поступающих из нефтяных скважин. Осуществляют разделение смеси на жидкость и газ в сепараторе. Периодически накапливают жидкость в емкости сепаратора и вытесняют ее газом с замером дифференциального давления при достижении жидкостью нижнего и верхнего фиксируемых уровней и времени наполнения фиксируемых объемов. Дополнительно измеряют абсолютное давление и температуру газа в емкости, а массовый расход жидкости вычисляют по приведенной математической зависимости. На промысле жидкость и газ поступают в сепаратор с установки предварительного отбора газа или с первой ступени сепарации. 1 ил.

 

Изобретение относится к области измерения расхода жидкости в газожидкостных смесях, поступающих из нефтяных скважин.

Известен способ измерения расхода жидкости в газожидкостных смесях, поступающих из нефтяных скважин [1. 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]. Способ 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 [2. ГОСТ 29976-86 “Нефть и нефтепродукты. Методы измерения массы”, Госстандарт СССР, 1986)], который предусматривает измерение массы жидкости в открытых цилиндрических резервуарах при атмосферном давлении.

Применение гидростатического метода в неизменном виде приводит к погрешности, обусловленной отсутствием учета плотности газа и которая существенно сказывается на измерении расхода жидкости, так как гидростатическое “взвешивание” производится в среде сжатого газа в газосепараторе.

Второй недостаток известного способа заключается в том, что для определения массы жидкости, наполняющей измерительную емкость, требуется постоянство (или измерение) площади ее поперечного сечения в пределах уровня наполнения [2], то есть форма емкости должна быть близка к цилиндрической в пределах допускаемой погрешности измерений.

Технической задачей, стоящей перед изобретением, является повышение точности измерений за счет исключения методической погрешности Δ, обусловленной отсутствием учета плотности газа, а также исключение необходимости применения измерительной емкости, строго цилиндрической формы.

Для решения поставленной задачи при измерении расхода жидкости в газожидкостных смесях, поступающих из нефтяных скважин, включающем разделение смеси на жидкость и газ в сепараторе, 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, дополнительно измеряют абсолютное давление и температуру газа в емкости, а массовый расход жидкости вычисляют из зависимости -

где:

V₁ и V₂ - калиброванные объемы сепаратора, соответствующие калиброванным значениям отметок высоты уровня H₁ и Н₂;

g - ускорение свободного падения;

ρ_o - плотность газа в стандартных условиях;

T₁, Т₂ - значения абсолютной температуры газа внутри сепаратора при достижении уровнем отметок H₁ и Н₂;

Т_o=293К - значение абсолютной температуры в стандартных условиях;

Р_o=101,3 кПа - значение абсолютного давления в стандартных условиях;

P_a1 и Р_a2 - измеряемые значения абсолютного давления в сепараторе в моменты t₁ и t₂ заполнения сепаратора жидкостью до калиброванных отметок уровня H₁ и H₂ соответственно;

P(t₁), P(t₂) - измеряемые значения гидростатического (дифференциального) давления в моменты t₁ и t₂ соответственно;

τ_ж=t₂-t₁ - измеряемое время наполнения сепаратора жидкостью от отметки H₁ до отметки Н₂.

Изобретение поясняется чертежом, где на фиг.1 приведена схема устройства для измерения среднего массового расхода жидкости.

Для реализации способа может быть использовано устройство известной конструкции [1]. Устройство содержит сепаратор 1 с подводящими трубами 2 и 3 и отводящей трубой 4 с трехходовым краном 5. Отводящая труба 4 через кран 5 подключена к каналу 6 выхода жидкости и к каналу 7 выхода газа из сепаратора 1. Сепаратор оборудован датчиками 8 и 9 верхнего и нижнего уровней, датчиком 10 дифференциального давления и датчиками 11 и 12 температуры и давления в сепараторе. Сепаратор 1 может быть сепаратором второй ступени, к которому жидкость и газ подводятся по отдельным трубам.

На промысле жидкость и газ с установки предварительного отбора газа (или с первой ступени сепарации) через подводящие трубы 2 и 3 поступают в сепаратор 1, где происходит дальнейшее отделение газа от жидкости.

Пока кран 5 находится в промежуточном положении, при котором канал 6 выхода жидкости (ВЖ) и канал 7 выхода газа (ВГ) сообщаются с отводящей трубой 4, неконтролируемая часть жидкости уходит в отводящую трубу 4, что исключает возможность измерения расхода жидкости.

В момент переключения крана из исходного положения “Б”, когда канал 6 (ВЖ) открыт, а канал 7 (ВГ) закрыт, в положение “А”, когда канал 6 закрыт, а канал 7 открыт, начинается процесс измерения расхода жидкости, при этом газ отводится в коллектор через канал 7 и трубу 4.

При достижении уровнем жидкости отметок H₁ и Н₂ с датчиков 9 и 8 подаются сигналы на контроллер. После появления сигнала с датчика 8 контроллер дает команду на переключение крана 5 из положения “А” в положение “Б”, и скорость роста уровня начинает снижаться.

После переключения крана 5 происходит вытеснение жидкости в отводящую трубу 4.

Далее подается команда на переключение клапана из положения “Б” в положение “А” и цикл измерения расхода жидкости повторяется.

Согласно способу среднее значение массового расхода жидкости G_ж вычисляется по формуле -

где:

τ_ж=t₂-t₁ - время измерения G_ж;

V₁ - определяемый при градуировке объем сепаратора, ограниченный отметкой высоты уровня H₁ (H₁ отсчитывается от отметки нулевого уровня ОНУ);

V₂ - определяемый при градуировке объем сепаратора между отметками H₁ и Н₂;

g - ускорение свободного падения;

P(t₁), P(t₂) - значение дифференциального (гидростатического) давления в моменты достижения уровнем отметок H₁ и Н₂, определяемые по сигналу с датчика гидростатического давления 10;

ρ_o - плотность газа в стандартных условиях;

T₁, T₂ - значения абсолютной температуры газа внутри сепаратора при достижении уровнем отметок H₁ и Н₂, определяемые датчиком 11;

P_a1, P_a2 - значения абсолютного давления в сепараторе в моменты достижения уровнем значений H₁ и Н₂, определяемые датчиком 12;

t₁, t₂ - моменты достижения уровнем отметок высоты H₁ и Н₂, определяемые датчиками - реле уровня 9 и 8.

Формула (1) выведена исходя из следующих соображений.

Разность давлений P(t) в “плюсовой” и “минусовой” камерах датчика 10 выражается формулой -

где:

ρ_ж и ρ_г - плотность жидкости и газа;

Н - значение отметки высоты уровня в произвольный момент t;

Р₊ и Р_- - значения абсолютного давления в “плюсовой” и “минусовой” камерах датчика 10, выражаемые формулами -

где:

H_A - высота отметки точки отбора “минусового” давления (предполагается, что импульсная трубка К “минусовой камере” заполнена газом с плотностью ρ_г);

P_a - абсолютное давление в обеих камерах датчика.

Формула (2) получена вычитанием левых и правых частей формул (3) и (4).

Плотность жидкости ρ_ж выражается формулой, полученной преобразованием формулы (2):

Использование формулы (5) исключает методическую погрешность Δ, указанную выше.

Процесс заполнения сепаратора жидкостью описывается следующими формулами.

В момент t₁ объем V₁ заполнен массой жидкости m₁.

где ρ₁=ρ(t₁) - плотность жидкости в объеме V₁ в момент t₁.

В момент t₂ объем сепаратора (V₁+V₂) заполнен жидкостью с массой m₁(t₁)+m₂(t₂), где m₂(t₂) - масса жидкости в объеме V₂ в момент времени t₂

где ρ₂ - средняя плотность жидкости в объеме (V₁+V₂).

Прирост массы жидкости Δm на интервале t₂-t₁ составит:

Массовый расход жидкости (среднее значение) выражается формулой -

Из формулы (7) масса m₂(t₂) выражается формулой-

Подставляя выражение m₁(t₁) из формулы (6) в формулу (10), получим:

Подставляя выражение m₂(t₂) из формулы (11) в формулу (9), получим:

С использованием формулы (5) получим формулы для ρ₁ и ρ₂ –

где ρ_r1 - плотность газа в момент t₁, а ρ_r2 - плотность газа в момент t₂.

Подставляя выражение ρ₁ и ρ₂ из формул (13) и (14) в формулу (12), получим:

Выразим ρ_r1 и ρ_r2 через плотность газа в стандартных условиях ρ_o (при температуре Т_o=293К и давлении Р_o=101,3 кПа).

Для этого воспользуемся уравнением состояния реального газа [3. А.К.Кикоин и др. Молекулярная физика, М., Наука, 1976, с. 478].

где:

m - масса газа в объеме V при абсолютной температуре Т и абсолютном давлении Р_а;

R - универсальная газовая постоянная;

Z - коэффициент сжимаемости, учитывающий отличие свойств реального газа от идеального.

Из уравнения (16) плотность газа ρ в реальных условиях выражается формулой -

Плотность газа ρ_o в стандартных условиях Р_o, Т_o с использованием формулы (16) выражается формулой -

Разделив друг на друга левые и правые части уравнений (17) и (18), после тождественных преобразований получим известную формулу -

Пользуясь формулой (19), получим формулы для ρ_r1 и ρ_r2 -

Подставляя выражение ρ_r1 и ρ_r2 из формул (20) и (21) в формулу (16), получим искомую формулу (1). Предлагаемый способ не требует постоянства ρ_ж на интервале t₂-t₁, что видно из формул (6) и (7).

Способ измерения расхода жидкости в газожидкостных смесях, поступающих из нефтяных скважин, включающий разделение смеси на жидкость и газ в сепараторе, 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 и вычисление массового расхода жидкости, отличающийся тем, что дополнительно измеряют абсолютное давление и температуру газа в емкости, а массовый расход жидкости вычисляют из зависимости

где V₁ и V₂ - калиброванные объемы сепаратора, соответствующие калиброванным значениям отметок высоты уровня H₁ и H₂;

g - ускорение свободного падения;

ρ₀ - плотность газа в стандартных условиях;

T₁, Т₂ - значения абсолютной температуры газа внутри сепаратора при достижении уровнем отметок H₁ и Н₂;

Т₀=293 К - значение абсолютной температуры в стандартных условиях;

Р₀=101,3 кПа - значение абсолютного давления в стандартных условиях;

P_a1 и Р_а2 - измеряемые значения абсолютного давления в сепараторе в моменты t₁ и t₂ заполнения сепаратора жидкостью до калиброванных отметок уровня H₁ и Н₂ соответственно;

P(t₁), P(t₂) - измеряемые значения гидростатического (дифференциального) давления в моменты t₁ и t₂ соответственно;

τ_ж=t₂-t₁ - измеряемое время наполнения сепаратора жидкостью от отметки H₁ до отметки Н₂.