Scientific journal
Fundamental research
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,087

METHOD OF FLOW MEASUREMENT MULTIPHASE ENVIRONMENT

Naumchik I.V. 1 Pirogov S.Y. 1 Shevchenko A.V. 1
1 Federal Autonomous Educational Institution of Higher Education Mozhaisky Military Space Academy
В работе предложен способ измерения расхода многофазной среды с помощью сужающего устройства на основе трубы Вентури. Предложены различные модели потока газожидкостной смеси. В результате проведенного анализа и предварительных тестовых расчетов была предложена модель сужающего устройства на основе трубы Вентури для измерения расхода многофазной газожидкостной среды. Выбор геометрических параметров сужающего устройства производился согласно действующей нормативной документации и опыта гидравлических расчетов. Проведены расчеты сужающего устройства с тринадцатью составами многофазных сред с различным содержанием воды, нефти и газа. Наблюдается разделение полученных расходных характеристик на группы кривых в зависимости от процентного соотношения газовой фазы в смеси. Для определения расхода многофазной смеси необходимо знать состав смеси для выбора одной из групп расходных характеристик. При этом наличие газа в смеси определяет характер изменения кривых, на основании которых можно определить расход жидкости по измеренному перепаду давления. Кроме того, чем выше газосодержание, тем менее значительным оказывается влияние различия в содержании воды и нефти. Показаны перспективные пути аппаратной реализации предлагаемого расходомера.
In work the way of measurement of an expense of the multiphase environment by means of the narrowing device on the basis of Venturi’s pipe is offered. Various models of a stream of gas-liquid mix are offered. As a result of the carried-out analysis and preliminary test calculations the model of the narrowing device on the basis of Venturi’s pipe for measurement of an expense of the multiphase gas-liquid environment was offered. The choice of geometrical parameters of the narrowing device was made according to the existing standard documentation and experience of hydraulic calculations. Calculations of the narrowing device with thirteen structures of multiphase environments with various content of water, oil and gas are carried out. Observed division of the received account characteristics into groups of curves depending on a percentage ratio of a gas phase in mix. For definition of a consumption of multiphase mix it is necessary to know composition of mix for a choice of one of groups of account characteristics. Thus availability of gas in mix defines nature of change of curves on the basis of which it is possible to determine a liquid consumption by the measured pressure difference. Besides, the higher gas content, the less considerable appears influence of distinction in the content of water and oil. Perspective ways of hardware realization of the offered flowmeter are shown.
flowmeter
gas-liquid mixture
the multiphase environment
narrowing the device
the calibration curve
1. Bogomolova A.I. Ximiya nefti i gaza. L.: Ximiya, 1989. 424 p.
2. GOST 8.586.4–2005 Izmerenie rashoda I kolichesva zidkostej i gazov s pomochju standartnuh suzauchih ustrojstv. Chast 4. Trubi Venturi. Techicheskie trebovanija. M.: Standartinform, 2007.
3. Masket M. Fizicheskie osnovy tekhnologii dobychi nefti. M.: Izhevsk: NITS «Regulyarnaya i xaoticheskaya dinamika», 2003. 606 p.
4. Safieva R.Z. Fizikoximiyanefti. M.: Ximiya, 1998. 448 p.
5. Khansuvarov K.I., Tseytlin V.G. Techica izmerenija davlenija, rashoda, kolichestva i urovnja zidkosti: ucheb. posobie. M.: Izdatelstvo standartov, 1990. 287 p.

Для измерения расхода в настоящее время существует широкая номенклатура приборов, основанных на различных физических принципах [2–5]. Наиболее широкое распространение получили расходомеры переменного перепада давления. Их принцип действия основан на зависимости перепада давления в устройстве, установленном в трубопроводе, от расхода. Главное преимущество всех расходомеров переменного перепада – конструктивная простота, отсутствие движущихся частей и высокая надежность.

Однако измерение расхода многофазных сред вызывает определенные трудности, связанные с различием структуры потока в зависимости от соотношения компонентов. Например, скважинная продукция представляет собой газожидкостную смесь (ГЖС) с твердыми включениями, а именно четырехфазную дисперсную среду, состоящую из нефти, воды, свободного и растворенного газа, а также различных твердых примесей (механические частицы цементирующего вещества, породы, смолы, парафины). Данная дисперсная система движется внутри скважины при постоянно меняющихся термобарических условиях в поле действия гравитационных сил и постоянно подвергается различным физико-химическим превращениям. Очевидно, чтобы описать все процессы движения ГЖС, необходимо построение моделей как отдельных сред, входящих в состав смеси, так и моделей, представляющих собой различные комбинации элементов смеси, включающих модели взаимодействия между фазами.

В работе проведены расчеты с тринадцатью различными составами многофазных сред, которые показали разделение расходных характеристик на группы кривых в зависимости от процентного соотношения газовой фазы в смеси, при этом наличие газа в смеси определяет характер изменения кривых, на основании которых можно определить расход жидкости по измеренному перепаду давления.

Модели потока газожидкостной смеси

Движение газожидкостных смесей по вертикальным трубам изучалось многими исследователями [1, 3, 4]. Все они условно выделяют существование трех структур при движении газожидкостной смеси с плавными переходами между ними. Установлено, что структура газожидкостной смеси зависит от объемных расходов жидкой q и газовой V фаз, от газосодержания, диаметра лифта, физико-химических свойств фаз и т.д.

В результате проведенного анализа рассмотрим следующие модели потока газожидкостной смеси:

1. Модели однофазных сред. Они являются наиболее простыми. Их можно разделить на две группы – модели обычной однофазной жидкости (к таким средам может быть отнесена пластовая вода и чистая нефть) и модели однофазного газа. Модели жидкой среды представляют собой модели несжимаемой среды, для которой величиной изменения плотности от давления в заданном диапазоне значений расхода можно пренебречь.

2. Модели двухфазных сред. При рассмотрении моделей скважинной продукции можно построить две промежуточные модели, которые в дальнейшем позволяют более точно определять параметры реальной газожидкостной смеси.

Первая модель представляет собой двухфазную модель нефть ‒ вода. Построение такой модели необходимо вследствие того, что данные жидкости не перемешиваются обычным способом и образуют дисперсную систему. В то же время под действием внешних факторов данная дисперсная система может образовывать эмульсионные потоки, вязкость которых может отличаться от вязкости исходной дисперсной системы на порядки.

Построение второй модели нефть ‒ газ связано с исследованием процессов разгазирования и изменения параметров углеводородной части скважинной продукции, которая существенно меняется при движении от забоя к устью скважины.

3. Модель газожидкостной смеси. Это наиболее сложный случай движения смеси, состоящей из газа, нефти и воды. Введем некоторые параметры, которые характеризуют наличие воды в потоке.

Водным числом В’ назовем отношение объема воды (Vв) или объемного расхода воды (qв) к объему (Vн) нефти или объемному расходу (qн) нефти

naumchik01.wmf

Объемным водосодержанием Bоб (истинным – φв) назовем отношение объема воды к объему смеси «вода ‒ нефть» при данных термодинамических условиях:

naumchik02.wmf

объемное расходное водосодержание

naumchik03.wmf

массовое расходное водосодержание Вмр

naumchik04.wmf

Истинное водосодержание φв

naumchik05.wmf

Упрощение расчетных зависимостей для нахождения плотности трехкомпонентной смеси может быть достигнуто следующей схематизацией процесса движения смеси.

Трехкомпонентный поток можно представить в виде двух потоков: потока водонефтяной смеси, занимающей часть fж общего сечения трубы f и газового потока, занимающего часть сечения fг. Площадь поперечного сечения, занятая нефтью – fн, водой – fг.

При этом

f = fж + fг; fж = fн + fв.

Плотность газоводонефтяной смеси, отнесенная к плотности водонефтяной части потока, определяется следующим образом:

naumchik06.wmf

Построение таких моделей необходимо для выбора адекватных методов математического моделирования процессов движения смеси в сужающих устройствах.

Результаты расчетов для многофазных сред и их обсуждение

Выбор геометрических параметров сужающего устройства производился согласно действующей нормативной документации [2] и обобщения результатов гидравлических расчетов. Геометрические параметры выбирались из соображений обеспечения необходимой точности измерений параметров потока газожидкостной среды. В итоге при заданном внутреннем диаметре трубопровода подачи ГЖС была выбрана следующая геометрическая схема сужающего устройства: длина конфузорной части 93,3 мм при угле полураствора конуса 21 град; длина узкой части 8 мм при внутреннем диаметре 8 мм; длина диффузорной части 257,5 мм при угле полураствора конуса 8 град.

Проведен расчет сужающего устройства с моделированием потока различного содержания воды, нефти и газа. Расчет движения газоводонефтяной смеси в сужающем устройстве выполнялся с использованием программного комплекса ANSYS Fluent. Принятые при расчете физические свойства сред показаны в табл. 1 [1, 3, 4].

Принятые при расчете значения давления на входе в конфузор составляют 4 МПа.

Проведены расчеты с тринадцатью различными составами многофазных сред при значениях объемного расхода 30, 50 и 70 м3/сут. Запись, например, «45-5-50» означает, что в данной смеси 45 % – объемная доля воды, 5 % – объемная доля нефти и 50 % – объемная доля газа. Результаты расчетов представлены в табл. 2.

Результаты всех расчетов представлены на рис. 1, из которого видно разделение полученных расходных характеристик на группы кривых в зависимости от содержания газовой фазы в смеси.

Таким образом, для определения расхода многофазной смеси необходимо знать состав смеси для выбора соответствующей группы тарировочных кривых. Чем больше значение газосодержания, тем менее значительным оказывается его влияние на величину расхода ГЖС.

Наличие газа в смеси определяет характер изменения кривых, которые позволяют определить расход среды по измеренному перепаду давления в трубе Вентури.

Таблица 1

Физические свойства сред

Вещество

ρ, кг/м3

υ, Па⋅с

Сp, Дж/(кг⋅К)

λ, Вт/(м⋅К)

μ, г/моль

Т, К

Вода

997

0,0010

4181,7

0,606

18,02

293

Нефть

800

0,0034

1900

0,136

220

293

Метан (СН4)

0,717

2210

0,034

16,04

293

Таблица 2

Результаты расчетов многофазных сред

Номинальная концентрация, %

Массовый расход смеси, г/с (объемный расход 30 м3/сутки)

Массовый расход смеси, г/с (объемный расход 50 м3/сутки)

Массовый расход смеси, г/с (объемный расход 70 м3/сутки)

45-5-50

174,1

291,6

407,4

5-45-50

146,9

244,9

342,8

15-35-50

153,7

256,3

358,8

70-5-25

259,3

432,1

604,8

5-70-25

214,1

356,7

499,4

40-35-25

238,1

369,6

555,3

5-90-5

267,7

446,2

624,8

25-70-5

281,4

469,8

656,7

60-35-5

305,3

508,9

712,5

90-5-5

326,4

544,5

762,8

95-5

347,2

572,5

802,5

50-50

321,2

520,4

729,6

5-95

281,1

468,4

656,6

pic_33.tif

Рис. 1. Группы тарировочных кривых для смесей с различным содержанием газа: 1 – 50 %; 2 – 25 %; 3 – 5 %

pic_34.tif

Рис. 2. Порядок определения расхода многофазной среды

Порядок проведения измерения расхода следующий:

1. Производят замер разности давлений по показаниям дифференциального манометра ∆ризм.

2. Выбирают группу рабочих тарировочных кривых в соответствии с реальным составом смеси (рис. 2).

3. По измеренному значению перепада давления ∆ризм для выбранной группы тарировочных кривых (рис. 2) находят наибольшее Q2 и наименьшее Q1 граничное значение расхода.

4. Определяют среднее значение расхода Qср по выражению

naumchik07.wmf

Полученное значение расхода Qср принимается в качестве искомого значения.

Заключение

В результате проведенных расчетов получили разделение расходных характеристик на группы кривых в зависимости от процентного соотношения газовой фазы в смеси. При этом наличие газа в смеси определяет характер изменения кривых, на основании которых можно определить расход жидкости по измеренному перепаду давления. Кроме того, чем выше газосодержание, тем менее значительным оказывается влияние различия в содержании воды и нефти.

Результаты выполненной работы показали, что перспективными направлениями дальнейших исследований являются:

1. Создание экспериментальной установки для подтверждения адекватности расчетных моделей с перспективой разработки средства измерения – расходомера ГЖС.

2. Расчетно-экспериментальное определение параметров перспективного расходомера, обеспечивающего повышенную точность измерения за счет учета фактического текущего состава смеси для выбора расходной характеристики.

Рецензенты:

Козлов В.В., д.т.н., профессор кафедры, ФГКВОУ ВПО «Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского» Министерства обороны РФ, г. Санкт-Петербург;

Садин Д.В., д.т.н., профессор кафедры, ФГКВОУ ВПО «Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского» Министерства обороны РФ, г. Санкт-Петербург.