способ измерения расхода жидкости в газожидкостных смесях
Классы МПК: | E21B47/10 определение места оттока, притока или колебаний жидкости E21B43/34 устройства для разделения материалов, добытых из скважины (сепараторы как таковые, см соответствующие подклассы) |
Автор(ы): | Винштейн И.И. (RU), Губарев А.К. (RU) |
Патентообладатель(и): | Закрытое акционерное общество "ДАЙМЕТ" (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2003-09-22 публикация патента:
10.01.2005 |
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.
Формула изобретения
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;
0 - плотность газа в стандартных условиях;
T 1, 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;
Pa1 и Ра2 - измеряемые значения абсолютного давления в сепараторе в моменты t1 и t 2 заполнения сепаратора жидкостью до калиброванных отметок уровня H1 и Н2 соответственно;
P(t1), P(t2) - измеряемые значения гидростатического (дифференциального) давления в моменты t1 и t 2 соответственно;
ж=t2-t1 - измеряемое время наполнения сепаратора жидкостью от отметки H1 до отметки Н 2.
Описание изобретения к патенту
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 , 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;
o - плотность газа в стандартных условиях;
T 1, Т2 - значения абсолютной температуры газа внутри сепаратора при достижении уровнем отметок H1 и Н2;
Тo=293К - значение абсолютной температуры в стандартных условиях;
Рo=101,3 кПа - значение абсолютного давления в стандартных условиях;
Pa1 и Рa2 - 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 t 2 соответственно;
ж=t2-t1 - измеряемое время наполнения сепаратора жидкостью от отметки H1 до отметки Н 2.
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 Н 2 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 Gж вычисляется по формуле -
где:
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;
o - плотность газа в стандартных условиях;
T 1, T2 - значения абсолютной температуры газа внутри сепаратора при достижении уровнем отметок H1 и Н2, определяемые датчиком 11;
P a1, Pa2 - значения абсолютного давления в сепараторе в моменты достижения уровнем значений H1 и Н2 , определяемые датчиком 12;
t1, t 2 - 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:
ж и 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:
HA - высота отметки точки отбора “минусового” давления (предполагается, что импульсная трубка К “минусовой камере” заполнена газом с плотностью г);
Pa - абсолютное давление в обеих камерах датчика.
Формула (2) получена вычитанием левых и правых частей формул (3) и (4).
Плотность жидкости ж выражается формулой, полученной преобразованием формулы (2):
Использование формулы (5) исключает методическую погрешность , указанную выше.
Процесс заполнения сепаратора жидкостью описывается следующими формулами.
В момент t1 объем V1 заполнен массой жидкости m1.
где 1=(t 1) - плотность жидкости в объеме V1 в момент t1.
В момент t2 объем сепаратора (V1+V2) заполнен жидкостью с массой m 1(t1)+m2(t2), где m 2(t2) - масса жидкости в объеме V2 в момент времени t2
где 2 - средняя плотность жидкости в объеме (V1 +V2).
Прирост массы жидкости m 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 1 и 2 –
где r1 - плотность газа в момент t1, а r2 - плотность газа в момент t2.
Подставляя выражение 1 и 2 из формул (13) и (14) в формулу (12), получим:
Выразим r1 и r2 через плотность газа в стандартных условиях o (при температуре Тo=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 Ра;
R - универсальная газовая постоянная;
Z - коэффициент сжимаемости, учитывающий отличие свойств реального газа от идеального.
Из уравнения (16) плотность газа в реальных условиях выражается формулой -
Плотность газа o в стандартных условиях Рo, Тo 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 r1 и r2 -
Подставляя выражение r1 и r2 из формул (20) и (21) в формулу (16), получим искомую формулу (1). Предлагаемый способ не требует постоянства ж на интервале t2-t1, что видно из формул (6) и (7).
Класс E21B47/10 определение места оттока, притока или колебаний жидкости
Класс E21B43/34 устройства для разделения материалов, добытых из скважины (сепараторы как таковые, см соответствующие подклассы)