Способ и устройство для измерения расхода газа в газожидкостных смесях

Изобретение относится к области измерения расхода газа в газожидкостных смесях, поступающих из нефтяных скважин. Техническим результатом изобретения является повышение точности измерений за счет учета объема, занятого газом во всей системе. Для этого разделяют смесь на жидкость и газ в сепараторе. Периодически накапливают жидкость и вытесняют ее газом с замером абсолютных давления и температуры газа в емкости сепаратора при верхнем и нижнем фиксированных уровнях жидкости, и времени вытеснения фиксированного объема жидкости. Дополнительно измеряют абсолютные давление и температуру в момент достижения жидкостью промежуточного фиксированного уровня. При вытеснении жидкости от промежуточного фиксированного уровня до нижнего фиксированного уровня производят отключение сепаратора от скважины, а массовый расход газа вычисляют по приведенной зависимости. Устройство для осуществления способа состоит из сепаратора с подводящей трубой, в которой установлен трехходовой кран, и отводящей трубой, которая через трехходовой кран подключена к каналу выхода жидкости и к каналу выхода газа. Сепаратор оборудован датчиками и температуры и давления и датчиками верхнего, промежуточного и нижнего уровней, установленными так, что между собой отделяют в емкости сепаратора фиксированные объемы, при равенстве которых расчеты упрощаются. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

 

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

Известен способ измерения расхода газа 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 абсолютных давления и температуры газа в емкости сепаратора при верхнем и нижнем фиксированных уровнях жидкости, и времени вытеснения фиксированного объема жидкости. Объемный расход газа вычисляют из известной зависимости в соответствии с “методом PVT”.

Известный способ, связанный с использованием для измерения расхода газа q₀, метода PVT [2. “Автоматизация продукции нефтяных скважин”, М., Недра, 1975, с.90-96], приводит к следующим погрешностям:

Δq₁ - методическая погрешность, обусловленная невозможностью определения с достаточной точностью значения объема, занятого газом во всей системе, включающей подводящие трубы, сепаратор и отводную трубу, и его массы в начальный момент времени;

Δq₂ - методическая погрешность, обусловленная непостоянством абсолютного давления в сепараторе (в устройствах, описанных в [1], расчетная формула для q₀ аналогична формуле, описанной в [2, стр. 96] для частного случая, когда P_a=const). Условие постоянства абсолютного давления практически невыполнимо [2, стр. 94];

Δq₃ - методическая погрешность, обусловленная непостоянством абсолютной температуры газа Т на интервале измерения.

Технической задачей, стоящей перед изобретением, является повышение точности измерений за счет исключения погрешности, обусловленной невозможностью определения с достаточной точностью значения объема, занятого газом во всей системе, и непостоянством в сепараторе абсолютного давления и абсолютной температуры газа.

Для решения технической задачи при измерении расхода газа в газожидкостных смесях, поступающих из нефтяных скважин, включающем разделение смеси на жидкость и газ в сепараторе, периодическое накопление жидкости и вытеснение ее газом с замером абсолютных давления и температуры газа в емкости сепаратора при верхнем и нижнем фиксированных уровнях жидкости, и времени вытеснения фиксированного объема жидкости, и вычисление объемного расхода газа, дополнительно измеряют абсолютные давление и температуру в момент достижения жидкостью промежуточного фиксированного уровня, причем при вытеснении жидкости от промежуточного фиксированного уровня до нижнего фиксированного уровня производят отключение сепаратора от скважины, а массовый расход газа, приведенный к стандартным условиям, вычисляют из зависимости –

V=V₂=V₃ - калиброванные значения объемов сепаратора между фиксированными уровнями (верхним и промежуточным, промежуточным и нижним);

ρ₁ - плотность газа в момент начала вытеснения жидкости от верхнего фиксированного уровня;

ρ₂ - плотность газа в момент вытеснения жидкости до промежуточного фиксированного уровня;

ρ₃ - плотность газа в момент вытеснения жидкости до нижнего фиксированного уровня;

t₂-t₁ - время вытеснения жидкости от верхнего фиксированного уровня до промежуточного фиксированного уровня.

При этом конструктивная схема устройства для реализации способа остается близкой к той, что и в известных устройствах [1], содержащих сепаратор с калиброванным объемом между отметками верхнего и нижнего фиксированных уровней, кран трехходовой на выходах сепаратора по газу и жидкости, датчики уровня для выработки сигналов при достижении жидкостью фиксированных уровней, датчик абсолютного давления и датчик абсолютной температуры.

Для решения поставленной технической задачи в устройство дополнительно введен кран трехходовой с электроприводом для отключения сепаратора от скважины, а в сепараторе установлен дополнительный датчик промежуточного фиксированного уровня, делящего калиброванный объем между отметками верхнего и нижнего фиксированных уровней на два фиксированных объема.

Из известной схемы исключено устройство предварительного отбора газа, конструкция которого не влияет на возможность реализации предлагаемого способа измерений.

Изобретение поясняется чертежом, на котором приведена схема устройства для измерения среднего массового расхода газа.

Устройство состоит из сепаратора 1 с подводящей трубой 2, в которой установлен трехходовой кран 3 для подключения сепаратора к скважинам, и отводящей трубой 4 с трехходовым краном 5. Отводящая труба 4 через кран 5 подключена к каналу 6 выхода жидкости (ВЖ) и к каналу 7 выхода газа (ВГ) из сепаратора 1. Сепаратор оборудован датчиками 8, 9 и 10 верхнего, промежуточного и нижнего уровней и датчиками 11 и 12 температуры и давления в сепараторе. Датчики уровней установлены так, что между собой отделяют в емкости сепаратора равные фиксированные объемы, а трехходовые краны снабжены электроприводами.

Измерение расхода G осуществляется следующим образом.

Газожидкостная смесь от скважин через трехходовой кран 3 и подводящую трубу 2 подается в сепаратор 1, где газ отделяется от жидкости, которая скапливается в нижней части сепаратора, постепенно заполняя его объем. В это время второй трехходовой кран 5 перекрывает выход жидкости (ВЖ) из сепаратора, но открывает выход газа (ВГ) из сепаратора по каналу 7 и отводящей трубе 4 в коллектор.

После достижения жидкостью уровня выше Н₃, что фиксируется датчиком 8, подается команда на переключение крана 5 в положение, когда выход газа в коллектор закрыт, а выход жидкости в коллектор открыт. Жидкость за счет энергии накапливаемого сепаратором газа начинает вытесняться в коллектор.

В момент времени t₁ снижения жидкости до уровня Н₃ (фиксируется датчиком 8 реле уровня), начинается измерение расхода газа - G, которое заканчивается в момент (временя t₃) снижения жидкости до уровня H₁ (фиксируется датчиком 10).

В процессе измерения расхода газа в момент времени t₂ при снижении жидкости до промежуточного уровня Н₂ (фиксируется датчиком 9) на кран 3 подается команда на перекрытие трубы 2, при этом скважина подключается к коллектору.

После опорожнения сепаратора от жидкости подается команда на краны 3 и 5 для переключения их в исходное положение и накопление жидкости в сепараторе начинается вновь.

Процесс циклически повторяется.

В момент времени t₁ в объеме V₄ вышеупомянутой системы: труба 7+ сепаратор + патрубок 8, незаполненном жидкостью, накоплен газ массой

где ρ₁ - плотность газа в момент времени t₁, определяемая измеренными значениями абсолютного давления Р_а в сепараторе датчиком 12 и абсолютной температуры Т датчиком 11 по известной формуле

где ρ_о - плотность газа в стандартных условиях;

P_a - значение абсолютного давления;

Т - значение абсолютной температуры;

Р_о, Т_о - значения абсолютного давления и абсолютной температуры в стандартных условиях соответственно.

За время вытеснения жидкости из объема V₃, равное t₂-t₁, в сепаратор притечет некоторая масса газа благодаря измеряемому массовому расходу газа G, и в то же время к объему системы V₄ добавится объем V₃ (калиброванный заранее). Следовательно, можно записать:

где ρ₂ - плотность газа в момент времени t₂, определяемая датчиками 11 и 12 (вычисляется по формуле 2).

В момент времени t₂ производится переключение крана трехходового с электроприводом К1 в положение: вход сепаратора заперт, а газожидкостная смесь поступает в коллектор. Благодаря чему приток газа в объем V₄+V₃ прерывается, а накопленный в этом объеме газ вытесняет объем жидкости V₂ (также калиброванный заранее), заполняя его газом до момента времени t₃, т.е. можно записать:

или, при равенстве V₃=V₂=V,

где ρ₃ - плотность газа в момент времени t₃, определяемая датчиками 11 и 12.

Решая совместно (1), (3) и (5), получим алгоритм для определения массового расхода газа G(7):

ρ₁V₄+G(t₂-t₁)=ρ₃V₄+2ρ₃V

G(t₂-t₁)=ρ₃V₄-ρ₁V₄+2ρ₃V

G(t₂-t₁)=ρ₂V₄+ρ₂V-ρ₁V4

(ρ₃-ρ₁)V₄+2ρ₃V=(ρ₂-ρ₁)V₄+ρ₂V

1. Способ измерения расхода газа в газожидкостных смесях, поступающих из нефтяных скважин, включающий разделение смеси на жидкость и газ в сепараторе, периодическое накопление жидкости и вытеснение ее газом с замером абсолютных давления и температуры газа в емкости сепаратора при верхнем и нижнем фиксированных уровнях жидкости и времени вытеснения фиксированного объема жидкости и вычисление объемного расхода газа, отличающийся тем, что дополнительно измеряют абсолютные давление и температуру в момент достижения жидкостью промежуточного фиксированного уровня, причем при вытеснении жидкости от промежуточного фиксированного уровня до нижнего фиксированного уровня производят отключение сепаратора от скважины, а массовый расход газа, приведенный к стандартным условиям, вычисляют из зависимости

где V=V₂=V₃ - калиброванные значения объемов сепаратора между фиксированными уровнями (верхним и промежуточным, промежуточным и нижним);

ρ₁ - плотность газа в момент начала вытеснения жидкости от верхнего фиксированного уровня;

ρ₂ - плотность газа в момент вытеснения жидкости до промежуточного фиксированного уровня;

ρ₃ - плотность газа в момент вытеснения жидкости до нижнего фиксированного уровня;

t₂-t₁ - время вытеснения жидкости от верхнего фиксированного уровня до промежуточного фиксированного уровня.

2. Устройство для измерения массового расхода газа, содержащее сепаратор с калиброванным объемом между отметками верхнего и нижнего фиксированных уровней, кран трехходовой на выходах сепаратора по газу и жидкости, датчики уровня для выработки сигналов при достижении жидкостью фиксированных уровней, датчик абсолютного давления и датчик абсолютной температуры, отличающееся тем, что, с целью увеличения точности измерения, в устройство дополнительно введен кран трехходовой с электроприводом для отключения сепаратора от скважины, а в сепараторе установлен дополнительный датчик промежуточного фиксированного уровня, делящего калиброванный объем между отметками верхнего и нижнего фиксированных уровней на два фиксированных объема.