Способ определения коэффициента гидравлического сопротивления газосборного шлейфа в асу тп установок комплексной подготовки газа газоконденсатных месторождений крайнего севера
Владельцы патента RU 2568737:
Общество с ограниченной ответственностью ООО "Газпром добыча Ямбург" (RU)
Изобретение относится к области добычи природного газа и, в частности, к определению коэффициента фактического гидравлического сопротивления газосборного шлейфа. Автоматизированная система управления технологическими процессами газового промысла в реальном масштабе времени контролирует значение коэффициента эффективности эксплуатации газопромыслового шлейфа Е по паспортным параметрам шлейфа, данным по его эксплуатации и контролируемым технологическим параметрам. Если значение коэффициента Е вышло за допустимые границы, то констатируют: нормальный режим работы скважин и шлейфа нарушены (в шлейфе кроме газа присутствует выше допустимой нормы иной фактор: газовый гидрат, пластовая вода, механические примеси). Способ позволяет оперативно выявлять потенциальную возможность отказа газосборного шлейфа.
Изобретение относится к области добычи природного газа, в частности к определению фактического коэффициента гидравлического сопротивления газосборного шлейфа λф в автоматизированных системах управления технологическими процессами (АСУ ТП) установок комплексной подготовки газа (УКПГ) газоконденсатных месторождений Крайнего Севера.
Известен способ определения коэффициента гидравлического сопротивления газосборного шлейфа по паспортным параметрам шлейфа и данным по его эксплуатации (см. Бекиров Т.М., Шаталов А.Т. Сбор и подготовка к транспорту природных газов. - М.: Недра, 1986. - 261 с.).
Существенным недостатком указанного способа является крайняя низкая точность определения значения коэффициента гидравлического сопротивления газосборного шлейфа, и без учета того факта, что с течением времени значение указанного коэффициента изменяется.
В указанном способе значение коэффициента гидравлического сопротивления газосборного шлейфа определяют аналитическим путем (без учета влияния дополнительных местных сопротивлений, создаваемых подкладными кольцами, кранами и переходами) по формуле (см. стр. 48, формула (III.9), Бекиров Т.М., Шаталов А.Т. Сбор и подготовка к транспорту природных газов. - М.: Недра, 1986. - 261 с.):
где Re - критерий Рейнольдса;
Kш - шероховатость стен газосборного шлейфа;
dвн - внутренний диаметр газопровода.
Изменение шероховатости внутренних стен газосборного шлейфа в период эксплуатации в значительной степени зависит от качества транспортируемого газа. Наличие в нем воды, механических примесей и т.д. со временем резко увеличивает шероховатость газосборного шлейфа, которую в реальном масштабе времени во время эксплуатации определить невозможно.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ определения коэффициента гидравлического сопротивления газосборного шлейфа, который заключается в том, что коэффициент гидравлического сопротивления газосборного шлейфа определяют с учетом паспортных параметров шлейфа и данных по его эксплуатации (см. Новоселов В.Ф., Гольянов А.И., Муфтахов Е.М. Типовые расчеты при проектировании и эксплуатации газопроводов. Учеб. пособие для вузов. - М.: Недра, 1982. 136 с.).
В указанном способе значение коэффициента гидравлического сопротивления газосборного шлейфа определяют с учетом влияния дополнительных местных сопротивлений, создаваемых подкладными кольцами, кранами и переходами. С этой целью используют паспортные данные газосборного шлейфа и аналитическим путем определяют значение коэффициента гидравлического сопротивления трения λтр. по формуле (см. стр. 25, формула (45), Новоселов В.Ф., Гольянов А.И., Муфтахов Е.М. Типовые расчеты при проектировании и эксплуатации газопроводов. Учеб. пособие для вузов. - М.: Недра, 1982. 136 с.):
где Re - критерий Рейнольдса;
k - эквивалентная шероховатость внутренней поверхности газосборного шлейфа;
D - внутренний диаметр газосборного шлейфа.
Для газосборных шлейфов, эксплуатируемых на Крайнем Севере, как правило, выполняется неравенство 
, и поэтому гидравлическое сопротивление λтр. определяют из соотношения (см. стр. 25, формула (47), Новоселов В.Ф., Гольянов А.И., Муфтахов Е.М. Типовые расчеты при проектировании и эксплуатации газопроводов. Учеб. пособие для вузов. -М.: Недра, 1982. 136 с.):
Для магистральных газопроводов без подкладных колец дополнительные местные сопротивления (краны, переходы) обычно не превышают 2-5% от потерь на трение. Поэтому для технических расчетов коэффициент гидравлического сопротивления определяют из соотношения (см. стр. 27, формула (52), Новоселов В.Ф., Гольянов А.И., Муфтахов Е.М. Типовые расчеты при проектировании и эксплуатации газопроводов. Учебное пособие для вузов. - М.: Недра, 1982. 136 с.):
λ=(1,02÷1,05)λтр.
Существенным недостатком указанного способа является крайняя низкая точность определения значения коэффициента гидравлического сопротивления газосборного шлейфа, так как во время эксплуатации с течением времени значение указанного коэффициента изменяется и определить его значения в реальном масштабе времени невозможно. Именно поэтому фактические значения λф коэффициента гидравлического сопротивления газосборного шлейфа не совпадают с расчетными (теоретическими) значениями λ. Это связано еще и с тем, что в сыром газе имеются влага, мехпримеси и пр. Они во время эксплуатации газосборного шлейфа, оседая на его стенках, вызывают постепенное возрастание его шероховатости. В результате значения λф невозможно определить для шлейфа известными способами и тем более в реальном масштабе времени. Возрастание шероховатости, в свою очередь, приводит к увеличению фактического значения коэффициента гидравлического сопротивления λф газосборного шлейфа. Сильное влияние на значение фактического коэффициента гидравлического сопротивления λф газосборного шлейфа также оказывают скопления в пониженных точках трассы конденсата и влаги, а также образование гидратов в шлейфе, количество которых в газосборном шлейфе в реальном масштабе времени оперативно и точно оценить невозможно.
Целью заявляемого технического решения является устранение указанных недостатков, повышение точности определения фактического значения коэффициента гидравлического сопротивления газосборного шлейфа и контроль его динамики в реальном масштабе времени.
Поставленная задача решается и технический результат достигается за счет того, что коэффициент фактического гидравлического сопротивления газосборного шлейфа λф определяют с учетом паспортных параметров шлейфа и данных по его эксплуатации, в том числе теоретического коэффициента гидравлического сопротивления газосборного шлейфа λ. Также используют контролируемые параметры работы газопромыслового шлейфа:
- давления pн и pк, температуры газа tн и tк, в начале и в конце газосборного шлейфа (на входе установки комплексной подготовки газа) соответственно;
- объемный расход газа в нормальных условиях, который транспортируется по газосборному шлейфу - Q.
Эти параметры измеряют в реальном масштабе времени с заданным шагом квантования посредством технических средств автоматизированной системы управления технологическими процессами (АСУ ТП) установки комплексной подготовки газа (УКПГ) (pк и tк) и с помощью средств телеметрии кустов газовых скважин (pн, tн и Q). Все указанные контролируемые параметры используют для определения фактического значения коэффициента гидравлического сопротивления газосборного шлейфа, определяемого из соотношения:
где dвн - внутренний диаметр газопровода;
pн, pк - давление газа в начале и конце газосборного шлейфа соответственно;
Q - объемный расход газа в нормальных условиях, который транспортируется по газосборному шлейфу;
Δ - относительная плотность газа в нормальных условиях;
tср - средняя температура в газосборном шлейфе;
z - коэффициент сверхсжимаемости газа в рабочих условиях;
l - длина газопровода.
Приведенная формула для определения λф получена из известного соотношения (см. стр. 46, формула (III.7), Бекиров Т.М., Шаталов А.Т. Сбор и подготовка к транспорту природных газов. - М.: Недра, 1986. - 261 с.):
Вычисления производят с использованием текущих значений давлений pк, pн, tн, tк и Q.
Порядок определения значений λ, Δ, tср, z можно найти в соответствующей литературе (например, см. Бекиров Т.М., Шаталов А.Т. Сбор и подготовка к транспорту природных газов. - М: Недра, 1986. - 261 с.).
После того как будет определено значение λф, его сравнивают с максимально допустимым для λф значением - λдоп, и если будет выявлено что λф>λдоп, то устанавливают факт - нормальный режим работы скважин и/или газосборного шлейфа нарушен, т.к. в газосборном шлейфе кроме газа присутствует выше допустимой нормы иной фактор (газовый гидрат, пластовая вода, механические примеси и т.д.), и принимают соответствующие превентивные меры по предупреждению потенциальных аварийных и других нештатных ситуаций в работе кустов скважин и газосборного шлейфа.
Дополнительно определяют коэффициент эффективности функционирования газопромыслового шлейфа, который вычисляют из выражения:
Полученные величины λф и Е АСУ ТП заносит в свою базу данных и выводит значение E на пульт оператора. После этого по величине E, индивидуальной для каждого газосборного шлейфа и зависящей от его технических параметров (длины, диаметра и т.д.), судят о загрязненности газопромыслового шлейфа. Способ реализуют следующим образом.
Используя средства АСУ ТП УКПГ и телеметрии кустов газовых скважин, в реальном масштабе времени производят с заданным шагом квантования измерение:
- давления pн и pк и температуры газа tн и tк в начале и конце (на входе УКПГ) газосборного шлейфа соответственно;
- объемный расход газа в нормальных условиях Q, который транспортируется по газосборному шлейфу, и заносят их в базу данных АСУ ТП.
Используя измеренные значения pн, pк, tн, tк и Q, определяют в реальном масштабе времени фактические значения коэффициента гидравлического сопротивления газосборного шлейфа из соотношения:
где dвн - внутренний диаметр газопровода;
pн, pк - давление газа в начале и конце газосборного шлейфа соответственно;
Q - объемный расход газа в нормальных условиях, который транспортируется по газосборному шлейфу;
Δ - относительная плотность газа в нормальных условиях;
tср - средняя температура газа в газосборном шлейфе;
z - коэффициент сверхсжимаемости газа в рабочих условиях;
l - длина газопровода.
Приведенная формула для определения λф получена из известного соотношения (см. стр. 46, формула (III.7), Бекиров Т.М., Шаталов А.Т. Сбор и подготовка к транспорту природных газов. - М.: Недра, 1986. - 261 с.):
Вычисления производят с использованием текущих значений давлений pн, pк, tн, tк и Q.
Порядок определения значений λ, Δ, tср, z можно найти в соответствующей литературе (например, см. Бекиров Т.М., Шаталов А.Т. Сбор и подготовка к транспорту природных газов. - М.: Недра, 1986. - 261 с.).
Относительную плотность газа в нормальных условиях Δ определяют из выражения:
где ρг и ρв - плотность газа и воздуха соответственно;
Mг - молекулярная масса газа.
Среднюю температуру газа в газосборном шлейфе определяют как среднеарифметическое значение температур tн и tк по формуле
Коэффициент сверхсжимаемости газа z в рабочих условиях определяют из выражения (см. стр. 140, Трубопроводный транспорт нефти и газа: Учеб. для вузов / Р.А. Алиев, В.Д. Белоусов, А.Г. Немудров и др. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Недра, 1988. - 368 с.: ил.):
где pпр, tпр - приведенное давление и приведенная температура газа, алгоритм определения которых представлен следующими выражениями:
где pср. - среднее давление газа в газосборном шлейфе;
pкр., tкр. - критическое давление и критическая температура газа в газосборном шлейфе, значения которых берут из нормативной справочной литературы.
Значение pср. определяют из выражения:
Значения внутреннего диаметра газопровода dвн и длины газопровода l определяют из проектной документации.
На следующем шаге определяют коэффициент эффективности функционирования газопромыслового шлейфа из следующего выражения:
Использование величины λф для представления оператору неудобно, т.к. эта величина сильно меняется от шлейфа к шлейфу и визуально может быть воспринята неадекватно. Для оператора существенно удобнее работать с безразмерными относительными величинами, поскольку они практически не зависят от номера шлейфа, и поэтому гораздо легче увидеть проблему в безразмерных относительных показаниях.
Полученные величины λф и Е АСУ ТП заносит в свою базу данных, а значение параметра E выводится на пульт оператора. На следующем шаге по величине E, индивидуальной для каждого газосборного шлейфа, судят о его загрязненности. Низкие значения E указывают на необходимость очистки газосборного шлейфа.
Таким образом, определение значения фактического коэффициента гидравлического сопротивления газосборного шлейфа в реальном масштабе времени позволяет в оперативном режиме диагностировать состояние шлейфа. Заранее известно (из опыта эксплуатации конкретного месторождения), что при нормальном режиме работы куста газовых скважин значение фактического коэффициента гидравлического сопротивления газосборного шлейфа λф и коэффициента эффективности функционирования газопромыслового шлейфа E не должно превышать определенную для них границу (значения E и λф для каждого газопромыслового шлейфа являются индивидуальными). Если в ходе эксплуатации газосборного шлейфа выяснится, что значение фактического коэффициента эффективности газопромыслового шлейфа E пересекло указанную границу, можно твердо констатировать, что нормальный режим работы скважин и шлейфа нарушены, т.к. в шлейфе кроме газа присутствует выше допустимой нормы иной фактор (газовый гидрат, пластовая вода, механические примеси и т.д.).
Если последующий анализ ситуации в газосборном шлейфе покажет, что в нем присутствует гидратный фактор (на выходе газосборного шлейфа снижается температура газа), тогда в газосборный шлейф подают ингибитор (на Крайнем Севере в качестве ингибитора используют метанол). При скоплении конденсата, воды и мехпримесей в газосборном шлейфе для их удаления снижают давления на его выходе в рамках технологических ограничений. Если это не приводит к нужному эффекту, тогда продувают газосборный шлейф. На практике возможны ситуации, когда даже продувка газосборного шлейфа не позволяет его очистить. В таких случаях прибегают к очистке газосборного шлейфа специальными скребками (см. стр. 147, Трубопроводный транспорт нефти и газа: Учеб. для вузов / Р.А. Алиев, В.Д. Белоусов, А.Г. Немудров и др. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Недра, 1988. - 368 с.: ил.).
Благодаря реализации заявляемого способа появляется возможность в оперативном режиме оценить режим работы газосборного шлейфа и, соответственно, своевременно принять меры по парированию (устранению) предаварийных и других нештатных ситуаций в работе газопромыслового шлейфа.
Заявляемое изобретение отработано и реализовано на газовых промыслах ООО «Газпром добыча Ямбург».
Применение данного способа позволяет оперативно выявлять потенциальную возможность отказа газосборного шлейфа и тем самым повысить эффективность принимаемых управленческих решений и улучшить условия работы обслуживающего персонала на УКПГ, а также снизить численность персонала, занятого обслуживанием промысла.
Способ определения коэффициента гидравлического сопротивления газосборного шлейфа в автоматизированной системе управления технологическими процессами (АСУ ТП) установок комплексной подготовки газа газоконденсатных месторождений Крайнего Севера, включающий учет паспортных параметров шлейфа и данные по его эксплуатации, в том числе теоретический коэффициент гидравлического сопротивления газосборного шлейфа λ, отличающийся тем, что средствами АСУ ТП и телеметрии кустов газовых скважин измеряют с заданным шагом квантования базовые параметры работы газосборного шлейфа, включающие: давление pн и pк, температуру газа tн и tк в начале и в конце газосборного шлейфа соответственно; объемный расход газа в нормальных условиях Q, который транспортируется по газосборному шлейфу, значения которых автоматически вводят в базу данных (БД) АСУ ТП, а также в БД вводят паспортные характеристики газосборного шлейфа, и вычислительный комплекс АСУ ТП определяет по автоматически вводимым и введенным в БД параметрам фактическое значение коэффициента гидравлического сопротивления газосборного шлейфа в реальном масштабе времени, используя для этого алгоритм, описываемый соотношением
где dвн - внутренний диаметр газопровода;
pн, pк - давление газа в начале и конце газосборного шлейфа соответственно;
Q - объемный расход газа в нормальных условиях, который транспортируется по газосборному шлейфу;
Δ - относительная плотность газа в нормальных условиях;
tср - средняя температура газа в газосборном шлейфе;
z - коэффициент сверхсжимаемости газа в рабочих условиях;
l - длина газопровода,
а затем АСУ ТП, используя вычисленное значение λф, определяет коэффициент эффективности эксплуатации газопромыслового шлейфа, используя алгоритм, описываемый соотношением
и заносит полученные величины λф и Е в свою БД, а также одновременно выводит значение E на пульт оператора, после чего по величине E, индивидуальной для каждого газосборного шлейфа, судят о загрязненности конкретного газопромыслового шлейфа и о коэффициенте эффективности его эксплуатации - загрязненности его внутренней поверхности.
