Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Технические средства и методы измерения технологических параметров продукции газовых скважин 9
1.1. Обзор методов и средств измерения расходных параметров продукции газовых скважин 9
1.2. Современные методы и средства оперативного измерения расхода фаз в многофазном потоке 19
1.3. Спектрометрический метод измерения расхода фаз сложных потоков 29
Глава II. Исследование спектрометрического метода измерения расходных параметров многофазных потоков газовых скважин 39
2.1. Разработка измерительного преобразователя расхода 39
2.1.1. Конструкция измерительного преобразователя расхода 39
2.1.2. Измерительная линия для установки преобразователя расхода 43
2.1.3. Методика расчета формирователя потока 46
2.2. Промысловые исследования измерительного преобразователя расхода 50
2.2.1. Структура и состав измерительно-анализирующего комплекса 50
2.2.2. Методика проведения и обработки результатов промысловых исследований 52
2.2.3. Анализ результатов исследований 61
2.3. Разработка и исследование информационной модели расхода продукции газовых скважин
2.3.1. Основные принципы разработки и исследования информационных моделей 65
2.3.2. Исследование различных информационных моделей расхода газа газодобывающих скважин
2.3.3. Информационная модель расхода газа с учетом геометрических характеристик измерительного преобразователя 78
2.3.4. Методика расчета параметров информационной модели 87
Глава III. Разработка информационно-измерительных систем контроля дебита скважин 90
3.1. Архитектура и общие принципы построения систем для различных типов скважин 90
3.2. Построение измерительных каналов ИИС. Расходный канал 92
3.3. Испытательный стенд для исследования измерительного преобразователя 96
3.4. Построение преобразователей информационно-вычислительного устройства 100
3.5. Мобильная информационно-измерительная система 105
Глава IV. Эксплуатация систем контроля дебита на Уренгойском ГНКМ (на примере мобильной системы «ПОТОК-4») 108
4.1. Мобильная система «ПОТОК-4» 108
4.2. Технологические схемы обустройства скважин и кустов скважин 113
4.3. Методика эксплуатации мобильной системы «ПОТОК-4» 117
4.4. Обработка, представление и анализ измерительной информации, 121
4.5. Внедрение ИИС контроля параметров газодобывающих скважин 126
Заключение 127
Список литературы 128
- Современные методы и средства оперативного измерения расхода фаз в многофазном потоке
- Измерительная линия для установки преобразователя расхода
- Построение измерительных каналов ИИС. Расходный канал
- Методика эксплуатации мобильной системы «ПОТОК-4»
Современные методы и средства оперативного измерения расхода фаз в многофазном потоке
Проблемы с оценкой дебита возникают на газовых скважинах с повышенной обводненностью и, как следствие, с нестабильным выносом жидкости. Оценить дебит по устьевому давлению с приемлемой точностью в этих условиях затруднительно даже непосредственно после проведения ГДИ. Исследования показывают, что зависимость устьевого давления от дебита становится неоднозначной, так как при одном и том же устьевом давлении, но при различном содержании жидкости дебит газовой скважины может отличаться значительно. Измерение содержания жидкости в газовом потоке - отдельная сложная задача, требующая самостоятельного решения.
Таким образом, оценки дебита скважин могут значительно отличаться от фактических показателей, особенно на обводняющихся скважинах. При этом газодинамические исследования требуют временных затрат, отличаются большой трудоемкостью работ, связаны с потерями продукции и, кроме того, ухудшают экологическую обстановку в регионе, так как в атмосферу выбрасывается большое количество газа. Особенно сложно и затратно с экономической точки зрения проводить газодинамические исследования в зимний период года, который в северных газодобывающих регионах длится девять и более месяцев. В это время приходится дополнительно задействовать специальную технику для расчистки дорог к скважине и к месту установки ДИКТ, а также для многократного отпаривания (обогрева) запорно-регулирующего оборудования на устье и на факельной линии в процессе проведения исследований.
Другие методы оценки дебита газовых и газоконденсатных скважин, в частности, ориентированные на стационарное применение диафрагменных расходомеров на устье, оказываются еще менее пригодными в реальных условиях эксплуатации месторождений северных регионов.
В условиях Севера при отрицательных температурах окружающего воздуха измерение режимных параметров скважин превращается в труднорешаемую проблему. В процессе измерения при указанном выше факторе проходные сечения соединительных трубопроводов, идущих к приборам, с помощью которых измеряют величину дебитов скважин и давления, перекрываются «глухими» пробками изо льда и гидратов, а сами измерительные приборы становятся неработоспособными.
Над решением проблем, связанных с измерениями в сложных природных условиях, работает ряд организаций. В этой области нужно отметить разработки ВНИИГАЗа с участием специалистов ряда газодобывающих предприятий России [20-5-22].
В целях контроля режимов скважин, размещаемых кустами на месторождениях Крайнего Севера, разработан расходоизмерительный комплекс «Комплект блочный «Сокол» (ВНИИГАЗ при участии специалистов различных фирм (в том числе фирмы «Газприборавтоматика»). Такие комплекты были установлены на месторождении Медвежье и Уренгойском месторождении.
Комплект «Сокол» включает в себя измерительный трубопровод (ДУ 100 мм) с быстросменной диафрагмой, который устанавливается на вертикальном участке обвязки устья скважины. На данном трубопроводе размещены системы осушки и подачи импульсного газа в камеры преобразователей давления, шкаф-контейнер с комплектом измерительных приборов.
Полость приборного отсека контейнера обогревается теплом газа, проходящего по измерительному трубопроводу. Система осушки импульсного газа не требует обслуживания, работает в автоматическом режиме за счет холода окружающего воздуха и тепла потока газа. Утилизация жидкости из системы происходит без участия оператора.
В последние годы разработано и проходит опытную эксплуатацию новое поколение измерительных технологических комплексов под названием «Пингвин». Измерение расхода осуществляется по методу переменного перепада давления на сужении типа «труба Вентури», установленном на горизонтальном участке трубопровода в утепленном шкафу-контейнере.
Измерительный трубопровод с сужением соответствует требованиям российских и международных правил измерения расхода газа с использованием сужающих устройств. Вычисления величин дебитов скважин производят по стандартным методикам в соответствии с требованиями «Правил измерения расходов газов и жидкостей стандартными сужающими устройствами. РД 50-213-80» [34]. Однако, нужно отметить, что содержание жидкости в потоке часто превышает установленные «Правилами измерения...» предельные значения, что вызывает значительные погрешности в расчетах дебита, а при существенном снижении температуры окружающей среды и загрязнении потока газа возможно образование пробок из льда и гидратов, что может приводить устройства измерения в неработоспособное состояние.
Последние годы в некоторых газодобывающих регионах для контроля режима работы газовых скважин применяются передвижные установки "Надым-1" и "Надым-2" [3]. Они позволяют контролировать комплекс расходных параметров потока на выборочных скважинах: - измерять дебит газа; - оценивать вынос жидкости; - оценивать вынос абразивных примесей. Схема комплекса «Надым-1» приведена на рис. 1.3. Установки «Надым» представляют собой устьевые съемные устройства, состоящие из трех основных функциональных элементов: малогабаритного сепаратора, очищающего продукцию от механических примесей и жидкости; расходомера и емкостей для сбора отсепарированных твердых и жидких примесей. В установке «Надым - 1» (рис. 1.3.) расходомером служит диафрагменный измеритель критического течения (ДИКТ), в установке «Надым - 2» - диафрагменное устройство (сужающее быстросъемное).
Измерительная линия для установки преобразователя расхода
Исследования формирователей потока для газовых скважин в промысловых условиях показали, что наличие входных острых кромок на сужении крайне нежелательно. Во-первых, такая конструкция в ряде случаев приводила к возникновению резонанса, искажающего информативный сигнал. Это объясняется тем, что сужение с острыми кромками генерирует акустический сигнал в широкой полосе. И при совпадении с собственной частотой отдельных частей обвязки скважины возникают резонансные
Виды стандартных сужающих устройств. (а, б - стандартные диафрагмы, в - стандартное сопло, г, д, е - диафрагмы сегментная, эксцентричная и кольцевая, ж, з, и - диафрагмы двойная, с входным конусом, с двойным конусом, к, л, м, н - сопла полукруга, 1А-круга, комбинированное и цилиндрическое)
Из представленных на рис. 2.2 стандартных сужений не имеют острых кромок только сопла (за исключением цилиндрического).
Из литературы [35] известно, что для разных сужающих устройств влияние второй фазы на перепад давления различно. Так П.П. Кремлевский приводит данные о заметном влиянии для сужений, имеющих большую протяженность (сопла, труба Вентури), и практически об отсутствии такового для диафрагм с острыми кромками. Данные приведены как для измерения паро-воздушных смесей, так и для дисперсных смесей твердой и газообразной фаз.
Подтверждаются такие выводы и экспериментальными исследованиями, проведенными в Киевском политехническом институте совместно со специалистами Киевской объединенной ТЭЦ [36]. Исследования проводились на специальном стенде, где была возможность задавать различные расходы воздуха и дозировать количество угольной пыли вбрасываемой в поток, создавая дисперсную пылевоздушную смесь. В экспериментах использовались следующие виды сужающих устройств: диафрагмы - нормализованная, сегментная, цилиндрическая, эксцентричная, с двойным конусом, многоструйная, .сопла - V -круга, нормализованное и труба Вентури. В процессе экспериментов проводились замеры потерь и перепадов давления для различных условий включения. Некоторые результаты исследований приведены на рисунке 2.3. О 0,20 QfiO 0,60 00 1,90 1,20 1№ /і Рис. 2.3. Зависимости относительных перепада и потерь давления от концентрации угольной пыли в потоке.
М АРпІ, АРвІ - перепады давления при течении угольной пыли и воздуха соответственно, АРп2, АРв2 - потери давления, создаваемые при течении угольной пыли и воздуха соответственно, ц. - концентрация пыли, кг/кг. (1, 2, 3, 4, 5, 6 - нормализованная, сегментная, цилиндрическая, эксцентричная, с двойным конусом, многоструйная диафрагмы, 7, 8 - сопла нормализованное и Vi-Kpyra, 9 - труба Вентури).
Как видно из рисунка 2.3, наибольшей чувствительностью к наличию пыли в потоке обладают сопла и труба Вентури.
Таким образом, для обеспечения чувствительности перепада и потерь давления к наличию второй фазы в потоке газа целесообразно выбрать в качестве формирователя потока сопло. Из ряда стандартных форм сопел было выбрано комбинированное сопло, сочетающее в себе цилиндрическую протяженную часть и входную часть профилем -круга. Такая конструкция при прочих равных условиях обеспечивает минимальные потери давления, а также проста в изготовлении, что немаловажно при внедрении.
На основании выводов предыдущего параграфа была разработана конструкция формирователя потока для реализации спектрометрического метода измерения расхода на газовых скважинах. Схема измерительного преобразователя приведена на рисунке 2.4, схема установки измерительного преобразователя на трубопровод (измерительная линия) - на рисунке 2.5, а чертеж формирователя - в приложении I.
Измерительный преобразователь, включающий формирователь потока и датчик флуктуации давления, устанавливается на горизонтальном участке выкидной линии скважины. При этом формирователь закрепляется в штатном фланцевом соединении трубопровода вместо стандартного уплотнительного кольца. Посадочные места для манометров и термокарман обычно входят в стандартную обвязку скважины.
Построение измерительных каналов ИИС. Расходный канал
Информационные модели расхода фаз газожидкостного потока разрабатываются в соответствии с принятой концепцией аналитико-статистического подхода решения измерительных задач, когда рассматривается и учитывается действие только наиболее значимых факторов (параметров потока), оказывающих существенное влияние на гидродинамический режим газожидкостной системы и флуктуационный процесс.
В работе [38] предложена следующая методология исследований и спектрального анализа флуктуационных процессов при построении информационных моделей. Флуктуационный процесс рассматривается как случайная функция времени rp = rp{t,X,Z ,2s), зависящая от вектора факторов X, вектора факторов Z и вектора шумового поля Е . Вектор X = Ьс19х2і...хп характеризует множество факторов, подлежащих измерению и оказывающих значимое влияние на флуктуационный процесс (например, расход жидкости и газа). Вектор Z = Zi Z2r Zk\ характеризует множество факторов, которые также оказывают влияние на флуктуационный процесс, но могут быть измерены известными способами (например, давление, температура, диаметр формирователя потока и т.п.). Вектор шумового поля Е = \е1,е2,...ет характеризует неучитываемые и неизмеряемые параметры, ошибки измерений, влияние внешней среды и др.
Задачу можно представить так. Случайную функцию р, являющуюся носителем неизвестных и подлежащих изучению свойств и качеств, будем рассматривать как объект исследования - "черный ящик", входами которого являются векторы X,Z и Е , а выходами (откликом) вектор Г (рис. 2.12).
Необходимо определить реакцию объекта исследования на входные воздействия X и Z , т.е. найти вид и параметры функции отклика. Для флуктуации давления, которые можно отнести к классу случайных колебательных процессов, в качестве такой функции отклика выбирается частотный спектр мощности. Поэтому в дальнейшем откликом объекта исследования можно считать функцию y = s{x,Z,E,a )=Aj\p{t9X9Z,W)], где: s(X,Z,2s, ») - спектральная плотность мощности флуктуации давления; А - оператор вычисления спектральной плотности мощности; со -частота. Спектральную плотность мощности s[X,Z 9Е9а ) можно представить в виде суммы спектральных плотностей мощности s\X9Z 9Е , »)= s[X9Z ,&)+ s[E ,Й ), обусловленных действием векторов X и Z и вектора шумового поля Е, соответственно. Такое представление отклика позволяет перейти к удобной модели объекта исследования, в которой размерность вектора Y равна 1 , а влияние вектора шумового поля Е проявляется в виде эквивалентной приведенной к выходу объекта исследования аддитивной случайной помехи s(E9d)) (рис. 2.13). При такой постановке задача нахождения функции отклика сводится к построению и исследованию моделей, которые в общем виде выражаются соотношениями: St = q t(9Z,e)+ et , і =0, n), (2-6) где: Si = \s\E9Х9Z 9a )dG) - мощность флуктуации давления в полосе си частот Qi; е{ = \s\E9o)do) - мощность аддитивной помехи в полосе частот си ої ill , О — #j,#2v d вектор параметров модели, подлежащих определению; фх - функция отклика для полосы частот Q, s(E,o) X О У Флуктуацион ный процесс (объект исследований) s(X;Z;E;a)= s(X;Z; 3)+s(E,ca) = s(X;Z;E;«) - спектральная плотность мощности флуктуационного процесса s(X;Z; a) - составляющая спектральной плотности мощности, обусловленная действием вектора факторов X и вектора факторов Z s(E,e) - составляющая спектральной плотности мощности, обусловленная действием шумового поля Е Рис. 2.13. Структурная схема объекта исследования с аддитивной случайной Система (2-6) должна удовлетворять двум условиям. Первое состоит в том, что число уравнений должно быть не меньше числа координат вектора факторов X . Второе условие заключается в том, что частотные области QJ должны быть выбраны таким образом, чтобы обеспечить линейную независимость уравнений системы (2-6). В противном случае не существует однозначного решения системы относительно вектора факторов X .
Линейная независимость уравнений (2-6) будет обеспечена, если в каждой частотной области Qf- имеют место значимые различия влияния факторов вектора X. Например, если в спектре сигнала флуктуации давления может быть выделена одна частотная область, в которой мощность сигнала, в основном, зависит от расхода жидкости и в меньшей степени - от расхода газа и при этом может быть выделена другая частотная область, в которой влияние расхода фаз на мощность сигнала происходит иным образом. Именно в этих информативных частотных областях следует анализировать модели (2-6).
Чтобы установить информативные частотные области, следует оценить влияние факторов на частотные компоненты спектра и прежде всего выделить те из них, которые характеризуются максимальным отношением мощности полезного и шумового полей. Среди последних необходимо выделить компоненты мощности, отличающиеся значимыми различиями влияния факторов вектора X. Для этого поступают следующим образом.
Методика эксплуатации мобильной системы «ПОТОК-4»
В процессе разработки электронная часть канала «расход» (полосовой или масштабирующий усилитель) подлежит настройке. Эта задача решается, имея комплекс приборов, с помощью которых можно получать АЧХ исследуемого модуля. Однако, в состав флуктуационного датчика наряду с масштабирующим усилителем входит также пьезокерамическии чувствительный элемент, помещенный в полый цилиндр, залитый акустически прозрачным компаундом. При изготовлении важно обеспечивать проверку идентичности датчиков в целом.
В лабораторных условиях не представляется возможным создание комплекса, где присутствовали бы реальные промысловые газовые (или воздушные) потоки (то есть с заданными расходами и давлениями). Такого рода установки возможно создавать только на базе промышленных полигонов. Для лабораторных условий целесообразно обратиться к косвенным методам проверки датчиков. Поскольку флуктуационный датчик реагирует на пульсации давления в объеме, его окружающем, то возможно разработать конструкцию установки, где создаются такие пульсации. Далее с помощью спектроанализатора можно регистрировать и сравнивать спектральную мощность сигнала на выходе датчиков.
Один из вариантов пульсационной установки представлен на рисунке 3.4. Воздух с помощью компрессора (К) нагнетается в емкость (Е). Соединительный шланг имеет большую протяженность и гофрированные стенки. Достаточно большой объем емкости и шланга обеспечивают сглаживание пульсаций потока после компрессора. Из емкости воздух с большой скоростью через штуцер малого диаметра периодически поступает в камеру с отверстием. Периодичность поступления воздуха и создания пульсаций в камере обеспечивается при помощи двигателя (ДВ) на валу которого расположен диск с отверстиями (Д). Частота оборотов двигателя определяется напряжением питания (4-36 В), которое задается блоком питания двигателя (БП). Флуктуационный датчик (ФД) вворачивается в резьбовое соединение камеры. Регистрация сигнала с датчика осуществляется на спектроанализаторе. Если отверстия на диске расположены равномерно, то можно получить пульсации на одной частоте при заданном напряжении питания двигателя. В спектре сигнала будут присутствовать также гармоники. Располагая отверстия на диске в другом порядке, получим пульсационный сигнал, в частотном спектре которого присутствует несколько частотных составляющих и их гармоник.
Пример частотных спектров мощности сигналов датчиков в рабочем диапазоне частот, полученных на созданной установке, приведен на рисунке 3.5. Использовался диск с неравномерным расположением отверстий (угловое расстояние увеличивается между каждой парой отверстий в 2 раза).
Процедура проверки датчиков представляется следующей. Масштабирующий усилитель проверяется и настраивается на стенде путем получения идентичных АЧХ. Далее флуктуационный датчик в целом проверяется на пульсационной установке на соответствие характеристик (частотного спектра мощности) с тестовым датчиком. Таким образом можно выявить дефекты размещения пьезокерамического чувствительного элемента в корпусе, заливки компаунда и монтажа.
ИВУ обеспечивает прием сигналов каналов «расход», «песок», «ВГПС», датчиков давления и температуры, их обработку по заданному алгоритму, хранение полученных результатов и обмен информацией с внешними устройствами. Информационно-вычислительное устройство выполняет также функции управления коэффициентом усиления масштабирующего усилителя канала «расход» в измерительном устройстве, установленном на скважине. При построении вьиислительного устройства в связи с многообразием задач, решаемых ИВУ, а также наличием задач обработки аналоговых сигналов, поступающих с измерительного устройства, целесообразно использовать структуру, включающую два базовых процессорных модуля (рисунок 3.6). Один из модулей, является ведомым (slave) устройством по отношению к. другому, другой - ведущим (master). Связь между модулями осуществляется по высокоскоростному последовательному каналу. Slave-модуль выполняет в непрерывном измерительном цикле аналого-цифровое преобразование, масштабирование, цифровую фильтрацию, предварительную функциональную обработку информационных сигналов, а также передачу измерительных данных в master-модуль. Master-модуль периодически принимает от slave-модуля форматированную последовательность измерительных данных, производит расчет параметров в именованных единицах, накопление информации в энергонезависимом запоминающем устройстве, а также ввод необходимых при вычислениях величин и вывод результатов посредством вспомогательных модулей клавиатуры и индикации. Результаты измерений передаются на верхний уровень через последовательный порт.
