Контроль и воспроизведение двухфазного потока на эталоне массового расхода газожидкостных смесей Малышев Сергей Львович

Введение к работе

Актуальность темы. Измерения расхода и количества многофазных сред, к которым, в частности, относится продукция нефтяных скважин – сырая нефть, содержащая попутный нефтяной газ (ПНГ), нефть и воду, газовый конденсат (ГК), а также насыщенный влажный пар, являются одними из наиболее сложных видов измерений.

С целью обеспечения единства измерений в сфере добычи углеводородного сырья, а также прослеживаемости при передаче единицы расхода от эталонов к рабочим средствам измерений, проведения испытаний в целях утверждения типа, поверки и калибровки многофазных расходомеров (МФР) и многофазных измерительных систем, во ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт расхо-дометрии» создан Государственный первичный специальный эталон (далее - ГЭТ) единицы массового расхода газожидкостных смесей ГЭТ 195-2011 (далее – первичный эталон), а также рабочие эталоны 1-го и 2-го разряда. Содержащийся в наименовании термин «специальный» означает, что единица воспроизводится в специфических условиях – в данном случае, в динамике, при смешивании двух фаз – газовой и двухкомпонентной жидкой. Первичный эталон возглавляет государственную поверочную схему средств измерений объёмного и массового расхода многофазных потоков и имеет диапазон воспроизведения объёмного расхода газа от 0,1 до 250 м³/ч, приведённых к стандартным условиям (далее - ст.м³/ч), массового расхода жидкости от 2 до 110 т/ч, массового расхода газожидкостной смеси от 2 до 110 т/ч.

Вместе с тем, многофазные расходомеры, применяемые на промысловых скважинах, а также некоторые рабочие эталоны 1-го и 2-го разряда имеют гораздо более широкий диапазон измерений, чем у первичного эталона – расход газа до 25000 ст.м³/ч. Кроме того, у первичного эталона отсутствует диапазон измерений, в котором доминирующей средой является газовая фаза, несущая с собой капельную жидкость, а структура течения подобна измеряемой среде ГК, ПНГ и влажного пара. Следовательно, первичный эталон не обеспечивает передачу единицы измерений расхода в области высокого газосодержания, именуемого в литературе по многофазным измерениям как «влажный газ».

Аэрогидродинамика течения однофазных потоков изучена достаточно подробно, что же касается газожидкостного трёхкомпонентного потока, являющегося измеряемой средой первичного эталона, то результаты экспериментальных исследований структуры течения у различных авторов порой противоречивы, и носят оценочный характер. Следует отметить, что картина течения газожидкостной смеси в канале эталона определяется многими факторами: соотношением расходов жидкой и газовой фаз, физическими свойствами фаз, способом их смешивания и др. При этом образуются различные режимы течения смеси, не имеющие чётких границ перехода от одного режима к другому. По вышеназванным причинам сегодня отсутствует надёжный метод расчёта режимов течения газожидкостных потоков, поэтому следова-

ло разработать математическую модель, позволяющую расширить теоретическое представление об особенностях аэрогидродинамических процессов, происходящих в магистралях многофазных эталонов, в целях обеспечения единства измерений в данной сфере. Вместе с тем, к эталонам предъявляются особые требования - они должны обладать несколькими взаимосвязанными свойствами: возможностью воспроизводить единицу физической величины, хранить её неизменность и обладать способностью сличения с другими эталонами.

Объект исследования: методы воспроизведения, способы управления и контроля параметрами двухфазной газожидкостной смеси в режиме течения влажного газа в магистрали измерительного участка первичного эталона.

Цель исследования: расширение диапазона воспроизведения газожидкостного потока на первичном эталоне массового расхода газожидкостной смеси в режиме течения влажного газа.

Задачи исследования:

1. Разработка и создание эталонной установки по воспроизведению расхода влажного газа, реализация способов управления и поддержания стабильности параметров потока газожидкостной смеси в измерительном участке первичного эталона.

2. Разработка математической модели течения газожидкостного потока с высоким объёмным содержанием газа и метода передачи единицы расхода от первичного эталона к рабочим эталонам, средствам и системам измерений.

3. Экспериментальные исследования воспроизведения потока влажного газа в магистрали измерительного участка первичного эталона с целью подтверждения требуемых характеристик.

4. Проведение испытаний в целях включения разработанной эталонной установки в состав первичного эталона и её подготовки к аттестации государственной комиссией Росстандарта, которые позволят увеличить в 10 раз (с 250 до 2500 ст.м³/ч) диапазон воспроизведения объёмного расхода газа и расширить нижний предел диапазона воспроизведения расхода жидкости с 2,0 т/ч до 0,01 т/ч.

Достоверность результатов диссертационной работы обеспечивается использованием фундаментальных законов аэрогидродинамики и корректным использованием уравнений механики сплошных сред, а также естественных и обоснованных допущений. Полученные для частных случаев результаты количественно и качественно согласуются с теоретическими выводами и с известными экспериментальными данными других авторов.

Методы исследования: создание эталонной газожидкостной смеси методом смешивания непосредственно перед измерительным участком путём распыливания жидкости с помощью форсунок, а также метод математического моделирования, основанного на использовании уравнений механики сплошных сред, для расчёта параметров капельного и кольцевого течения газожидкостной смеси.

Научная новизна работы заключается в следующем:

5. Впервые на первичном эталоне обоснована и осуществлена функция воспроизведения и передачи единицы массового расхода двухфазной газожидкостной смеси в режиме влажного газа.

6. Предложена и разработана математическая модель расчёта капельного и кольцевого режимов течения газожидкостного потока в канале первичного эталона.

7. Исследована структура течения газожидкостного потока при капельном и кольцевом режимах.

8. Предложена и разработана методика воспроизведения и передачи единицы измерений расхода влажного газа в новом, расширенном диапазоне.

Практическая значимость работы.

Полученный теоретический и новый экспериментальный материал расширяет и углубляет знания о структуре течения газожидкостного потока в режиме высокого газосодержания смеси. Знание закономерностей течения влажного газа способствует решению задачи передачи единицы измерений расхода газожидкостного потока в режиме влажного газа от первичного эталона рабочим эталонам, измерительным системам и средствам измерений объёмного и массового расхода многофазных потоков. Расширение диапазона воспроизведения расхода газожидкостных смесей способствует большей достоверности результатов измерений количества добываемой скважинной продукции применяемыми МФР.

Положения, выносимые на защиту:

1. Метод и способ воспроизведения расхода газожидкостного потока первич
ным эталоном в режиме течения влажного газа.

2. Метод контроля параметров воспроизводимой двухфазной газожидкостной среды в режиме течения влажного газа.

3. Математическая модель расчёта структуры течения газожидкостного потока с высоким содержанием газа в магистрали первичного эталона.

4. Результаты экспериментальных исследований структуры газожидкостного
потока в режиме течения влажного газа.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на XIII Международной научной конференции «Дифференциальные уравнения и их приложения в математическом моделировании» (Саранск, 12-16 июля 2017 г.), а также на четырёх Международных метрологических конференциях «Актуальные вопросы метрологического обеспечения измерений расхода и количес-тва жидкостей и газов» (Выставочный центр «Казанская ярмарка», Казань) - в 2013г. (1-я), 2014 г. (2-я), 2015 г. (3-я) и 2016 г. (4-я).

Диссертационная работа выполнялась при поддержке Росстандарта:

гос. контракт № 120-86 от « 21 » марта 2012 г. НИОКР «Исследование и разработка методов и средств передачи единицы массового расхода попутного нефтяного газа от Государственного первичного специального эталона единицы массового расхода газожидкостных смесей ГЭТ 195-2011»;

гос. контракт № 120-116 от « 28 » марта 2013 г. НИОКР «Разработка и исследование методов и средств передачи единицы массового и объёмного расхода потока газа, осложнённого капельной фазой жидких нефтепродуктов от государственно-го первичного специального эталона единицы массового расхода газожидкостных смесей ГЭТ 195-2011».

Публикации.

По материалам диссертации опубликованы 15 научных работ, в том числе 3 статьи в журнале, включённом в перечень ВАК по специальности 05.11.13, и 6 статей в журналах, включённых в перечень ВАК по смежным специальностям, 5 работ в реферируемых трудах и сборниках докладов международных научных конференций, 1 патент РФ, список которых приведён в конце автореферата.

Личный вклад автора.

Представленные в диссертации материалы получены при непосредственном участии соискателя. Автор участвовал в разработке и создании первичного эталона, а также является одним из инициаторов его совершенствования с целью расширения диапазона воспроизведения, разработал схему, обосновал и реализовал метод воспроизведения потока газожидкостной смеси в режиме влажного газа с элементами стабилизации расходных параметров и объёмного содержания фаз.

Соответствие диссертации научной специальности.

Диссертация соответствует специальности 05.11.13 «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий» и относится к следующим областям исследований:

1. Разработанная модель расчёта физического процесса, происходящего в магистрали измерительного участка первичного эталона - аэрогидродинамики течения газожидкостной смеси в режиме влажного газа – капельной и кольцевой структуры соответствует п.2 паспорта специальности «Разработка и оптимизация методов расчёта и проектирования элементов, средств, приборов и систем аналитического и не-разрушающего контроля с учётом особенностей объектов контроля».

2. Созданная эталонная установка по воспроизведению и передаче единиц объёмного и массового расхода газожидкостного потока в магистрали измерительного участка первичного эталона, расширяющая диапазон воспроизведения измеряемой эталонной среды в 10 раз (до 2500 ст.м³) по верхнему пределу расхода газа, и более, чем на два порядка, а именно - от 0,01 т/ч по нижнему пределу расхода жидкости, характерного для течения измеряемой среды - ГК, ПНГ и влажного пара, с сохранением паспортных метрологических характеристик первичного эталона,

соответствует п.5 паспорта специальности «Разработка метрологического обеспечения приборов и средств контроля природной среды, веществ, материалов и изделий, оптимизация метрологических характеристик приборов».

Объём и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Общий объём диссертации составляет 140 стр., в том числе 50 рисунков и 22 таблицы. Список литературы состоит из 101 наименования.