Способ и устройство для определения давления газа в газожидкостном потоке

Номер патента: 19564

Опубликовано: 30.04.2014

Авторы: Эткинсон Ян, Се Чэн-Ган

Есть еще 3 страницы.

Смотреть все страницы или скачать PDF файл.

Формула / Реферат

1. Способ определения статического давления газа в газожидкостном потоке, согласно которому

закручивают газожидкостный поток через трубопровод для разделения на газовое ядро и жидкостный наружный слой;

измеряют параметры потока в трубопроводе, которые являются тангенциальной скоростью жидкостного слоя, объемным содержанием жидкости и статическим давлением потока на стенке трубопровода;

определяют статическое давление газа в газовом ядре по измеренным параметрам потока.

2. Способ по п.1, согласно которому трубопровод содержит сужение с уменьшенным поперечным сечением трубопровода и параметры потока измеряют в этом сужении.

3. Способ по п.1, согласно которому по меньшей мере одно из тангенциальной скорости жидкостного слоя и объемного содержания жидкости измеряют с помощью ультразвука.

4. Способ по п.1, согласно которому газожидкостный поток включает две жидкостные фазы и измеренные параметры потока включают относительные доли двух жидкостных фаз.

5. Способ по п.1, согласно которому дополнительно используют статическое давление газа для обработки величин расхода в газожидкостном потоке.

6. Устройство для определения статического давления газа в газожидкостном потоке, содержащее трубопровод для транспортировки закрученного газожидкостного потока, разделенного на газовое ядро и наружный жидкостный слой, средства для измерения параметров потока в трубопроводе, которыми являются тангенциальная скорость жидкостного слоя, объемное содержание жидкости и статическое давление потока на стенке трубопровода и процессор для определения величины статического давления газа в газовом ядре на основании результатов измерений указанных параметров потока.

7. Устройство по п.6, которое дополнительно содержит закручивающий элемент для закручивания газожидкостного потока.

8. Устройство по п.6, в котором трубопровод имеет сужение с поперечным сечением, уменьшенным по сравнению с трубопроводом, и параметры потока измеряются в этом сужении.

9. Устройство по п.6, в котором приспособление для измерения параметров потока в трубопроводе содержит один или несколько ультразвуковых датчиков для ультразвукового измерения по меньшей мере одного из тангенциальной скорости жидкостного слоя и объемного содержания жидкости.

10. Устройство по п.6, в котором газожидкостный поток содержит две жидкостные фазы и измеряемые параметры потока включают в себя относительные доли двух жидкостных фаз.

11. Многофазный расходомер, содержащий устройство по п.6 и компьютерную систему для определения расхода по меньшей мере одного из газа, жидкости и общего расхода газа и жидкости с использованием найденного значения статического давления газа.

12. Скважинный трубопровод для нефти или газа, включающий в себя устройство по п.6.

Рисунок 1

Текст

Смотреть все

СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ ГАЗА В ГАЗОЖИДКОСТНОМ ПОТОКЕ В изобретении представлены устройство и способ для определения статического давления газа в газожидкостном потоке. Устройство и способ могут быть бесконтактными относительно анализируемого потока. Устройство и способ могут включать закручивание многофазного потока так, что поток разделяется на газовое ядро и наружный жидкостный слой, измерение параметров потока, включающее тангенциальную скорость жидкостного слоя, задержку жидкости и статическое давление потока на стенке трубопровода и определение статического давления газа в газовом ядре из измеренных параметров течения. Область техники, к которой относится изобретение Настоящее изобретение относится к определению давления газа в газожидкостном потоке и, в частности, в закрученном газожидкостном потоке. Предпосылки создания изобретения Определение величин расхода потока газа и жидкости в газожидкостных смешанных текучих средах является важным в нефте- и газодобывающей промышленности. Пример устройства для измерения таких величин расхода потока представляет система Vx фирмыSchlumberger (например, см. доклад авторов I. Atkinson, M. Berard, B.-V. Hanssen, G. Segeral, 17th International North Sea Flow Measurement Workshop (17-й Международный Семинар бассейна Северного Моря по Измерению Потоков), Осло, Норвегия, 25-28 октября 1999 года, "Новое поколение многофазных расходомеров от фирм "Schlumberger" и "Framo Engineering AS"), которая включает смонтированный вертикально расходомер Вентури, сдвоенное устройство для измерения коэффициента поглощения энергии гамма-излучения и связанные с этим процессоры. Эта система позволяет одновременно рассчитывать величины объемного расхода газа, воды и нефти в многофазных потоках. В системе Vx и в других общеизвестных многофазных расходомерах важно знать плотность газа в условиях трубопровода. Таким образом, в основном необходимо определять давление газа в условиях трубопровода. Для незакрученных газожидкостных потоков, как в системе Vx, давления на стенке трубопровода и в центре трубопровода в пределах поперечного сечения одного и того же трубопровода, по существу, являются одинаковыми, так что давление, измеряемое на стенке трубопровода в секции горловины трубы Вентури, будет в основном таким же, как давление газа в последней. Многофазный расходомер представлен в патенте Великобритании 2447490. Он основан на закручивании потока центробежной силой для формирования жидкостного кольцевого канала и газового ядра. В секции горловины трубы Вентури для измерения характеристик жидкостного слоя, таких как толщина и осевая скорость жидкостного слоя, используют датчики, такие как кольцевые ультразвуковые преобразователи. Они могут обеспечивать непосредственное измерение расхода потока жидкости как результат контролируемого распределения потока кольцевого типа в широком диапазоне условий течения. Однако для закрученных газожидкостных потоков величины давления на стенке трубопровода и в центре трубопровода в пределах одного и того же поперечного сечения трубопровода заметно различаются, так что давление, измеренное на стенке трубопровода, не будет представлять собой давление газового ядра, которое необходимо для расчета плотности газа. Сущность изобретения Варианты осуществления настоящего изобретения, по меньшей мере частично, основываются на признании того, что существует корреляция между статическим давлением газа, Рс, в газовом ядре закрученного многофазного потока, такого как двухфазный газожидкостный поток, и другими параметрами течения. Более конкретно Рс=F(Pw, liq, Vtan, liq, gas),где Pw представляет статическое давление потока на стенке трубопровода, liq представляет задержку жидкостного слоя, vtan представляет тангенциальную скорость жидкостного слоя, liq представляет плотность жидкости и gas представляет плотность газа. Таким образом, в общих чертах изобретение представляет применение трубопроводов для транспортировки закрученного газожидкостного потока, разделенного на газовое ядро и жидкостный наружный слой, параметров потока, измеренных в трубопроводе для определения статического давления газа в газовом ядре, причем параметры потока включают тангенциальную скорость жидкостного слоя, задержку жидкости и статическое давление потока на стенке трубопровода. Например, первый аспект изобретения представляет способ определения статического давления газа в газожидкостном потоке, содержащий следующие стадии: обеспечение трубопровода, через который транспортируют закрученный газожидкостный поток,разделенный на газовое ядро и жидкостный наружный слой; измерение параметров потока в трубопроводе, причем измеряемые параметры включают тангенциальную скорость жидкостного слоя, задержку жидкости и статическое давление потока на стенке трубопровода; определение статического давления газа в газовом ядре из измеренных параметров течения. Дополнительные признаки способа описаны далее, причем они применимы по отдельности или в любой комбинации. В общем, значение liq известно, если даны или измерены плотности воды и нефти и относительные доли двух жидкостей, такие как отношение "вода-в-жидкости". Более того, температура потока, Т, также зачастую известна, например, путем измерения, благодаря чему значение gas может быть выражено в отношении величины Рс применением газового закона. Таким образом, обычно может быть проведена непосредственная корреляция между величиной Рс и значениями Pw, liq и vtan. Однако, если необходимо,измеренные параметры течения могут также включать температуру потока и/или отношение "вода-вжидкости", в результате чего величина Рс может коррелировать со значениями Pw, liq, vtan, T и/или отно-1 019564 шение "вода-в-жидкости". Преимущественно способ позволяет определить статическое давление газа в газовом ядре без применения инвазивного и потенциально ненадежного, который вводится в поток для измерения этого давления. Вместо непосредственного измерения тангенциальной скорости жидкостного слоя, задержания жидкости и статического давления на стенке любой из этих параметров потока или их комбинация могут быть измерены косвенно. Например, тангенциальная скорость жидкостного слоя может быть измерена косвенно по результатам измерения осевой скорости жидкостного слоя (например, ультразвуковым методом). Это обсуждается далее в нижеприведенном разделе "Подробное описание изобретения", где показано, что тангенциальная скорость типично находится в линейной зависимости от осевой скорости для данного отношения "вода-в-жидкости". В качестве дополнительного примера задержка жидкости может быть измерена косвенно по результатам измерения толщины жидкостного слоя (например, ультразвуковым методом), которая в трубопроводе с известным поперечным сечением считается равной измеренному значению liq. Альтернативно или дополнительно, задержка жидкости может быть измерена опосредованно по результатам измерения плотности смесевого потока, mix (например, с использованием гамма-лучей или рентгеновского излучения), которая коррелирует с величиной liq (то есть согласно уравнению mix=liq liq + gas(1-liq. Альтернативно или дополнительно, задержка жидкости может быть измерена косвенно по результатам измерения комплексной диэлектрической проницаемости смесевого потока, mix (например, с использованием методов измерения пропускания и/или отражения радиочастотного и/или микроволнового излучения). Альтернативно или дополнительно, задержка жидкости может быть измерена косвенно по результатам комбинированного измерения величин mix и mix (например, с использованием комбинированных методов радиочастотного (RF)/микроволнового излучения и гамма-лучей),как раскрыто в патенте Великобритании 2430493. Таким образом, тангенциальная скорость жидкостного слоя и/или задержка жидкости могут быть измерены ультразвуковым методом. Преимущественно такие измерения могут быть выполнены относительно просто и надежно с использованием надежного оборудования. Предпочтительно тангенциальную скорость жидкостного слоя и задержку жидкости измеряют косвенно по ультразвуковым измерениям осевой скорости жидкостного слоя и толщины жидкостного слоя соответственно. Это позволяет с помощью одного ультразвукового датчика проводить оба измерения. Однако прочие варианты измерения одного из этих параметров включают гамма-лучи, рентгеновское излучение или радиочастотное микроволновое излучение (как упомянуто выше) для косвенного измерения жидкостной задержки. Тангенциальная скорость жидкостного слоя может быть измерена с использованием методов допплеровского смещения частот ультразвукового или радиочастотного микроволнового излучения. Альтернативно или дополнительно, тангенциальная скорость жидкостного слоя может быть измерена на основе перекрестной корреляции сигналов от множества ультразвуковых, или электрических, или радиочастотных микроволновых, или оптических датчиков, размещенных на надлежащем расстоянии в пространстве. Предпочтительно трубопровод содержит сужение, имеющее уменьшенное поперечное сечение трубопровода, причем параметры потока измеряют в этом сужении. Преимущественно такое сужение может усиливать закручивание потока и ведет к улучшению разделения жидкости и газа. Например, сужение может быть выполнено в виде трубы Вентури. Жидкость может иметь две жидкостных фазы (например, нефть и воду). В таком случае измеряемые параметры потока могут включать относительные доли двух жидкостей, такие как отношение "водав-жидкости". Относительные доли могут быть измерены по ходу процесса или на показательном образце жидкостного слоя, основываясь на показаниях ядерных, или ультразвуковых, или электрических, или радиочастотных микроволновых датчиков, или сенсоров с использованием волн миллиметрового диапазона, или оптических, или кориолисовых датчиков, или датчиков давления. Измеряемые относительные доли позволяют определить плотность жидкости (либо допуская отсутствие проскальзывания между двумя фазами, либо применяя закон скольжения). Второй аспект изобретения представляет применение способа согласно первому аспекту (необязательно, включая любую из дополнительных признаков этого способа или любую их комбинацию) для измерения величин расхода в газожидкостном потоке. Общий расход потока может быть определен по измерениям перепада давления в поперечнике сужения, таком как входной конус и горловина трубы Вентури, вместе с измерением задержки жидкости (как упомянуто выше) и плотностей газа и жидкости. Расход газового потока затем может быть определен по разности общей величины расхода и измеренного расхода жидкости. Третий аспект изобретения представляет устройство для определения статического давления газа в газожидкостном потоке, содержащее трубопровод для транспортировки закрученного газожидкостного потока, разделенного на газовое ядро и наружный жидкостный слой, приспособление для измерения параметров потока в трубопроводе, причем измеряемые параметры течения включают тангенциальную скорость жидкостного слоя, задержку жидкости и статическое давление потока на стенке трубопровода и компьютерную систему для определения статического давления газа в газовом ядре по результатам из-2 019564 мерений параметров течения. Таким образом, устройство соответствует способу первого аспекта. Дополнительные признаки устройства описаны далее, причем они применимы в устройстве по отдельности или в любой комбинации. Любой из дополнительных признаков способа первого аспекта или любая их комбинация могут представлять дополнительные признаки устройства. Устройство дополнительно может включать закручивающий элемент для стимулирования закручивания газожидкостного потока. Например, закручивающий элемент может представлять собой входной патрубок трубопровода, имеющий тангенциальный паз. Альтернативный закручивающий элемент, размещенный соосно, представляет собой, например, спиральную вставку в трубопроводе или крыльчатку,приводимую во вращение мотором. Трубопровод может содержать сужение, имеющее уменьшенное поперечное сечение трубопровода,причем параметры потока измеряют в этом сужении. Предпочтительно сужение может быть выполнено в виде трубы Вентури. Предпочтительно приспособление для измерения параметров потока в трубопроводе включает один или несколько ультразвуковых датчиков для измерения тангенциальной скорости жидкостного слоя и/или задержки жидкости ультразвуковым методом. Например, тангенциальная скорость жидкостного слоя и задержка жидкости могут быть измерены косвенно по результатам ультразвуковых измерений осевой скорости жидкостного слоя и толщины жидкостного слоя соответственно. Оба этих измерения может выполнять одиночный ультразвуковой датчик. Жидкость может иметь две жидкостные фазы. В этом случае измеряемые параметры потока могут включать относительные доли двух жидкостей. Предпочтительно устройство не имеет датчика (например, датчика давления), физически введенного в газовое ядро для измерения статического давления газа в ядре. Четвертый аспект изобретения представляет многофазный расходомер, включающий устройство согласно третьему аспекту (и, необязательно, включающий любой из дополнительных признаков устройства или их комбинацию) и компьютерную систему для определения расходов газа, жидкости и/или газа и жидкости с использованием определенного статического давления газа. Пятый аспект изобретения представляет скважинный трубопровод для нефти или скважинный трубопровод для газа, включающий устройство согласно третьему аспекту (и, необязательно, включающий любой из дополнительных признаков устройства или их комбинацию) или расходомер согласно четвертому аспекту (и, необязательно, включающий любой из дополнительных признаков расходомера или комбинацию таковых). Шестой аспект изобретения представляет компьютерную систему согласно третьему аспекту, седьмой аспект изобретения представляет соответствующую компьютерную программу и восьмой аспект изобретения представляет компьютерный программный продукт, содержащий компьютерную программу согласно седьмому аспекту. Таким образом, компьютерная система согласно шестому аспекту может быть предназначена для определения статического давления газа в газовом ядре из параметров течения,измеренных в трубопроводе, который транспортирует закрученный газожидкостный поток, разделенный на газовое ядро и жидкостный наружный слой, причем измеренные параметры течения включают тангенциальную скорость жидкостного слоя, задержку жидкости и статическое давление потока на стенке трубопровода, и компьютерная программа согласно седьмому аспекту может определять статическое давление газа в газовом ядре из параметров потока, измеренных в трубопроводе, который транспортирует закрученный газожидкостный поток, разделенный на газовое ядро и жидкостный наружный слой,причем измеренные параметры потока включают тангенциальную скорость жидкостного слоя, задержку жидкости и статическое давление потока на стенке трубопровода. Опять же, дополнительные признаки предшествующих аспектов применимы, по отдельности или в любой комбинации, к шестому, седьмому и восьмому аспектам. Краткое описание чертежей Варианты осуществления изобретения теперь будут описаны на примерах с привлечением сопроводительных чертежей, на которых изображено следующее: фиг. 1 схематически показывает экспериментальное устройство для измерения перепада давления,жидкостной доли и тангенциальной скорости жидкости в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения; фиг. 2 показывает экспериментально определенные перепады давления между стенкой горловины трубопровода и газовым ядром, показанные на графике в зависимости от объемного расхода жидкости для отношения "вода-в-жидкости" со значениями 0,0 (двухфазный поток "нефть/газ"), 0,2, 0,5, 0,8 или 1,0 (двухфазный поток "вода/газ"); фиг. 3 показывает график отношения среднеквадратичного отклонения жидкостной задержки, выведенной из ультразвукового измерения, к усредненной по времени задержке жидкости в зависимости от объемной доли жидкости; фиг. 4(а)-(е) показывают значения тангенциальной скорости жидкости, выведенные из величин перепада давления между стенкой горловины трубопровода и газовым ядром и допущения твердотельной модели, показанные на графике относительно осевой скорости жидкостного слоя, для соответствующих значений отношения "вода-в-жидкости" 0, 0,2, 0,5, 0,8 и 1, и фиг. 4(f) показывает график соответствующих приведенных линейных наклонов относительно отношения "вода-в-жидкости"; фиг. 5(а)-(е) показывают значения тангенциальной скорости жидкости, выведенные из величин перепада давления между стенкой горловины трубопровода и газовым ядром и допущения твердотельной/безвихревой модели, показанные на графике относительно осевой скорости жидкостного слоя, для соответствующих значений WLR 0, 0,2, 0,5, 0,8 и 1, и фиг. 5(f) показывает график соответствующих приведенных линейных наклонов относительно отношения "вода-в-жидкости"; фиг. 6(а) и (b) показывают величины давления газового ядра в горловине, выведенные в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, из соответствующей твердотельной модели и твердотельной/безвихревой модели, показанные на графике относительно измеренным соответствующим давлениям газового ядра, и фиг. 6(с) и (d) показывают соотношение между выведенными и измеренными значениями для давления газового ядра в горловине для твердотельной модели и твердотельной/безвихревой модели соответственно; фиг. 7 показывает относительную погрешность в значении давления газового ядра для твердотельной модели и твердотельной/безвихревой модели, показанную на графике относительно газовой задержки в горловине; фиг. 8 показывает блок-схему способа определения давления газового ядра в газожидкостном потоке согласно варианту осуществления настоящего изобретения. На сопроводительных чертежах сходные компоненты и/или признаки могут иметь одинаковые номера позиций. Далее, разнообразные компоненты одного и того же типа могут быть различены согласно номеру позиции подчеркиванием и вторым номером, которые позволяют провести различение среди сходных компонентов. Если в описании употребляется только первый номер позиции, то описание применимо к любому из сходных компонентов, имеющих одинаковый первый номер позиции, независимо от второго номера позиции. Подробное описание изобретения Нижеследующее описание представляет только предпочтительные варианты осуществления, которые не ограничивают настоящее изобретение. Нижеследующее описание предпочтительных вариантов осуществления будет предоставлять квалифицированным специалистам в данной области техники руководство для реализации предпочтительного примерного варианта осуществления изобретения. Понятно,что различные изменения могут быть сделаны в плане действия и компоновки элементов без выхода за область изобретения, определенных в прилагаемых пунктах формулы изобретения. Для обеспечения полного понимания вариантов осуществления в нижеследующем описании приведены конкретные подробности. Однако специалисту с обычной квалификацией в данной области техники понятно, что варианты исполнения могут быть реализованы на практике без этих конкретных подробностей. Например, в блок-схемах могут быть показаны контуры, чтобы не загромождать варианты осуществления ненужными деталями. В других случаях хорошо известные контуры, процессы, алгоритмы,конструкции и способы могут быть показаны без ненужной детализации, во избежание загромождения вариантов исполнения. Кроме того, следует отметить, что варианты осуществления могут быть описаны как процесс, который изображен в виде блок-схемы, технологической схемы, схемы последовательности операций обработки данных, структурной схемы или маршрутной карты. Хотя блок-схема может описывать операции как последовательный процесс, многие из операций могут быть выполнены параллельно или одновременно. В дополнение, порядок операций может быть перегруппирован. Процесс завершается, когда заканчиваются операции такового, но может также иметь дополнительные стадии, не включенные в чертеж. Процесс может соответствовать способу, функции, процедуре, стандартной подпрограмме, подпрограмме и т.д. Когда процесс соответствует функции, его завершение соответствует возвращению функции к запрошенной функции или основной функции. Более того, как здесь раскрыто, термин "носитель данных" может представлять одно или более устройств для хранения данных, включая постоянное запоминающее устройство, оперативное запоминающее устройство, магнитную оперативную память, память на магнитных сердечниках, носители данных на магнитных дисках, оптические носители информации, устройства флэш-памяти и/или прочие машиночитаемые носители для хранения информации. Термин "машиночитаемый носитель" включает, но не ограничивается таковыми, переносные или стационарные носители информации, оптические устройства хранения данных, беспроводные радиоканалы и прочие разнообразные носители, пригодные для хранения, размещения или переноса компьютерных программ и/или данных. Далее, варианты осуществления могут быть реализованы с использованием аппаратных средств,программного обеспечения, программно-аппаратных средств, промежуточного программного обеспечения, систем микрокоманд, языков описания аппаратуры или любых комбинаций таковых. Будучи исполняемыми с использованием программного обеспечения, программно-аппаратных средств, промежуточного программного обеспечения или систем микрокоманд, управляющая программа или кодовые сегменты для исполнения необходимых задач могут храниться на машиночитаемом носителе, таком как носи-4 019564 тель информации. Процессоры могут исполнять нужные задачи. Кодовый сегмент может представлять процедуру, функцию, подпрограмму, программу, стандартную программу, стандартную подпрограмму,модуль, пакет программ, класс или любую комбинацию команд, структур данных или операторов программы. Кодовый сегмент может быть связан с еще одним кодовым сегментом или с жестко смонтированной аппаратной схемой для передачи и/или принятия информации, данных, аргументов, параметров или содержимого блоков памяти. Информация, аргументы, параметры, данные и т.д. могут быть пересланы, переадресованы или переданы любым подходящим путем, в том числе посредством коллективного использования памяти, обмена сообщениями, маркерной передачи данных, передачи по сети и т.д. Эксперименты были выполнены для измерения радиального перепада давления между стенкой трубопровода и газового ядра (Pwc, th) в горловинной секции трубы Вентури и для сравнения измеренного перепада давления с таковым, рассчитанным из модели, основанной на вращении твердого тела как газового ядра, так и жидкостного слоя, и модели, основанной на вращении твердого тела для газового ядра и безвихревом движении для жидкостного слоя. Эксперименты показали, что давление газового ядра может быть выведено из измеренного давления на стенке, задержки жидкостного слоя и тангенциальной скорости жидкости, причем две последних величины поддаются измерению ультразвуковыми датчиками. Измерения перепада давления, жидкостной доли и тангенциальной скорости жидкости. Как схематически показано на фиг. 1, в экспериментах использовали закрученный газожидкостный поток через трубопровод 1, имеющий трубу Вентури 2. Для создания закручивания в трубопроводе использован впускной канал 3, расположенный по касательной. Перепад давления, PV, измеряли между ответвлением 4 в стенке входного участка и отводом 5 на стенке горловины. Величины статического давления также были измерены у отвода 5 на стенке горловины (Pw, th) и у датчика 7 (Рс, th), введенного в газовое ядро при горловине. Для измерения толщины жидкостного слоя и осевой скорости соответственно два ультразвуковых преобразователя 9, действующих по принципу метода отраженных импульсов и допплеровского смещения частоты, размещены на верхней и нижней сторонах горловинной секции трубопровода. Эксперименты выполняли при отношениях "вода-в-жидкости" 0,0 (двухфазный поток "нефть/газ"),0,2, 0,5, 0,8 или 1,0 (двухфазный поток "вода/газ") и при объемной доле газа в горловинной секции вплоть до около 95%. В качестве экспериментальных флюидов употребляли газообразный азот, керосин и водопроводную воду. Давление газового ядра в горловине трубы Вентури, Pc, th измеряли датчиком 7. Экспериментально определенные перепады давления между горловинной стенкой трубопровода и газовым ядром, Pwc, th,показаны в фиг. 2, будучи нанесенными на график относительно объемного расхода жидкости qliq для различных значений отношения "вода-в-жидкости", и были выведены из уравнения Pwc, th=Pw, th - Pc, th. Усредненная по времени жидкостная задержка (liq) в горловине была выведена из измерений толщины жидкостного слоя с использованием ультразвуковых допплеровских датчиков в режиме отраженных импульсов, сверху донизу сквозь трубопровод. Фиг. 3 представляет график отношения среднеквадратичного отклонения жидкостной задержки (liq) к усредненной по времени жидкостной задержке (liq) и показывает, что среднеквадратичное отклонение сравнимо с самим средним значением liq для высоких величин газовой доли (то есть при объемной доле жидкости 10%). Радиальный перепад давления в горловине. При допущении вращения твердого тела как для жидкостного слоя, так и для газового ядра, радиальный градиент давления, dp/dr=r2 (гдепредставляет угловую скорость и r представляет радиальное расстояние), может быть интегрирован от внутренней стенки трубопровода (r=R) до ядра трубопровода (r=0) и с поверхностью раздела между газом и жидкостью при r=rg, для выведения перепада давления между стенкой и ядром как где vtanSB (R) представляет (твердотельную) тангенциальную скорость жидкости на стенке трубопровода, плотность смеси mix=liqliq+gas(1-liq), задержку liq жидкости получают из ультразвукового измерения толщины жидкостного слоя и плотность нефте-водяной нескользящей жидкости liq=water отношение "вода-в-жидкости"+oil (1 - отношение "вода-в-жидкости"), причем значение отношение "водав-жидкости"=qwater/qliq. Таким образом, прямое измерение тангенциальной скорости жидкостного слояvtanSB (R) на горловинной стенке трубопровода, например, с использованием надлежащим образом выставленных допплеровских ультразвуковых датчиков, может быть использовано для определения перепада давления Pwc (R) между стенкой и ядром.-5 019564 Однако результат опосредованного измерения тангенциальной скорости жидкостного слоя vtanSB (R) может быть получен из измеренной ультразвуковым методом осевой скорости uliq жидкостного слоя. Фиг. 4(а)-(е) показывают следующие значения: показанные на графике относительно осевой скорости жидкостного слоя uliq(=qliq/(liqAT), где AT представляет площадь поперечного сечения горловины), для соответствующих значений отношения "вода-в-жидкости"=0, 0,2, 0,5, 0,8 и 1, и в каждом случае с показанным подбором прямой vtanSB (R)=kSBuliq. Для определения значения liq из ультразвуковых измерений использовали скорости звука в нефти с величиной 1345 м/с, в воде 1450 м/с и в смесях "вода/нефть" 1400 м/с. Фиг. 4(f) показывает график соответствующих приведенных линейных наклонов, kSB, относительно величины отношения "вода-в-жидкости". Фиг. 4 показывает, что значение варьирует линейно в соответствии с осевой скоростью uliq жидкости. Наклон, kSB, линейной зависимости с наилучшим приближением (согласно vtanSB (R)=kSBuliq) увеличивается с возрастанием значения отношения "вода-в-жидкости", показывая, что тангенциальная скорость является большей для газоводяных потоков, чем для нефтегазовых потоков. Как представляется, это обусловлено изменениями вязкости смеси жидкостей (и тем самым изменениями условий трения на стенке) по мере изменения отношения "вода-в-жидкости". На основании расчета по модели твердотельного вращения, 1kSB1,3. Подобный анализ может быть проведен при допущении твердотельного вращения для газового ядра и безвихревого движения жидкостного слоя, то есть при допущении следующего профиля тангенциальной скорости Можно показать, что тогда радиальный градиент давления в газовом ядре и жидкостном слое принимает вид Из уравнения (2) тангенциальная скорость жидкостного слоя на стенке трубопровода при r=R составляет Интегрирование уравнения (3) дает радиальный градиент давления от стенки трубопровода к ядру где член vtanSBFV (R) представляет (твердотельную/безвихревую) тангенциальную скорость жидкости на стенке трубопровода. Следует отметить, что эта модель имеет точку "сингулярности" только для жидкостного потока, когда gas=0. Опять же, непосредственное ультразвуковое измерение тангенциальной скорости vtanSBFV (R) в горловине может быть использовано для определения перепада давления PWC от стенки к ядру. Альтернативно или дополнительно, значение опосредованного измерения тангенциальной скорости vtanSBFV (R) может быть получено из измеренной ультразвуковым методом осевой скорости жидкостного слоя uliq. Фиг. 5(а)-(е) показывают значения тангенциальной скорости жидкости показанные на графике относительно осевой скорости uliq жидкостного слоя для соответствующих значений отношения "вода-в-жидкости"=0, 0,2, 0,5, 0,8 и 1, и в каждом случае с показанным подбором прямой vtanSBFV (R)=kSBTVuliq. Фиг. 5(f) показывает график приведенных линейных наклонов, kSBFV, относительно величины отношения "вода-в-жидкости". Опять же, фиг. 5 показывает, что значение варьируется линейно в соответствии с осевой скоростью uliq жидкости, и наклон, kSBFV, увеличивается с возрастанием значения отношения "вода-в-жидкости". На основании расчета по модели твердотельного/безвихревого вращения, 0,7kSBFV1. Из уравнений (1) и (4) при низких давлениях отношение kSBFV/kSB (эквивалентное отношению тангенциальной скорости в модели твердотельного вращения к таковой в модели твердотельного/безвихревого движения) имеет вид Тем самым отношение kSBFV/kSB строго зависит от газовой доли. Выведение величины давления газового ядра из измеренного давления на стенке. Плотность газа может быть соотнесена с давлением газа выражением где член MWgas представляет молекулярную массу газа, Rgas представляет газовую постоянную, Т представляет температуру газа (в градусах Кельвина), Patm представляет атмосферное давление (для газообразного азота (N2) плотность[кг/м 3] 337,1P [бар, абсолютных]/T[K]). Модель радиального перепада давления в закрученном потоке (например, уравнение (1) или (4 может быть использована для выведения величины давления газового ядра из значения давления на стенке. Благодаря этому можно избежать употребления вставного датчика 7 давления газового ядра,вмонтированного в горловинную секцию. При наличии выявленной корреляции в форме vtanSB (R)kSB uliq можно переписать уравнение (1) модели твердотельного вращения как Подобным образом, при корреляции vtanSBFV (R)kSBFV uliq уравнение (4) модели твердотельного/безвихревого движения может быть переписано какuliq могут быть измерены, например, по показаниям ультразвуковых эхоимпульсных и/или допплеровских преобразователей. Если может быть проведено непосредственное измерение тангенциальной скорости жидкостного слоя vtanSB (R) или vtanSBFV (R), например, с помощью ультразвукового допплеровского датчика, то ее значение (vtanSB (R)kSBuliq или vtanSBFV (R)kSBFV uliq), оцененное по осевой скорости жидкостного слоя (uliq), в уравнении (8) или (10) может быть замещено результатом прямого измерения. Давления газового ядра в горловине, Рс, th, выведенные из модели твердотельного вращения (уравнение (8 и модели твердотельного/безвихревого движения (уравнение (10, показаны соответственно на фиг. 6(а) и (b), как нанесенные на график относительно соответствующих давлений газового ядра, измеренных датчиком 7. В выведенном значении давления газового ядра для фиг. 6(а) использовано значение для kSB=1,16, которое везде наилучшим образом укладывается на прямую для vtanSB (R)=kSB uliq в диапазоне измерительных точек отношения "вода-в-жидкости", тогда как в выведенном давлении газового ядра для чертежа 6(b) использовано значение для kSBFV=0,73, которое везде наилучшим образом укладывается на прямую для vtanSBFV (R)=kSBFVuliq в диапазоне измерительных точек отношения "вода-вжидкости". Фиг. 6(с) и (d) показывают соотношение между выведенными и измеренными значениями для Рс, th для модели твердотельного вращения и модели твердотельного/безвихревого движения соответственно. Неопределенность в определении давления газового ядра находится в пределах 5% для измерения при низких давлениях в трубопроводе при значениях объемной доли газа вплоть до 95%. Из уравнений (8) и (10) относительная погрешность давления газового ядра в горловине (gas/gas) может быть выведена как функция абсолютной погрешности в жидкостной задержке (liq) следующим образом: Фиг. 7 показывает относительную погрешность в давлении газового ядра (в горловине) для модели твердотельного вращения (уравнение (11 и модели твердотельного/безвихревого движения (уравнение(12 с абсолютной погрешностью в жидкостной задержке (liq), равной среднеквадратичному отклонению значения liq (как показано в фиг. 3), нанесенной на график относительно горловины gas. Для обеих моделей большинство измерительных точек gas/gas находится в пределах 5% показаний приборов. Выводы. Эксперименты показывают, что давление газового ядра может быть определено из измерений давления на стенке, задержки жидкостного слоя и тангенциальной скорости жидкости. В многофазных расходомерах расходы жидкости и газа типично измеряют в условиях трубопровода, но это величины расхода при стандартных условиях (то есть при атмосферном давлении и температуре 15C), которые требуются. Для определения этих стандартных величин расхода требуется значение давления в трубопроводе вместе с описанием условий давление-объем-температура текучих сред. Таким образом, давление газового ядра, определяемое, как показано выше, может быть использовано в измерении стандартных величин расхода. Более конкретно, общий расход может быть определен из измеренного перепада давления в пределах сужения (такого как входной конус и горловина трубы Вентури), вместе с измеренной задержкой жидкости (например, ультразвуковым методом), и плотностями газа и жидкости (причем плотность газа рассчитывают из давления газового ядра, как описано выше). Расход жидкости может быть определен(непосредственно) из ультразвуковых (например, задержки жидкостного слоя и осевой скорости) измерений. Расход газа затем может быть определен из разности между величиной общего расхода и измеренного ультразвуковым методом расхода жидкости. Фиг. 8 показывает блок-схему способа определения давления газового ядра в газожидкостном потоке согласно настоящему изобретению. В то время как изобретение было описано в связи с вышеописанными примерными вариантами осуществления, многие эквивалентные модификации и вариации будут очевидными квалифицированным специалистам в этой области технологии после ознакомления с этим описанием. Соответственно этому, примерные варианты осуществления изобретения, изложенные выше, рассматриваются как иллюстративные и не ограничивающие. Разнообразные изменения описанных вариантов осуществления могут быть сделаны без выхода за пределы области изобретения. Все цитированные выше литературные источники включены ссылкой. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ определения статического давления газа в газожидкостном потоке, согласно которому закручивают газожидкостный поток через трубопровод для разделения на газовое ядро и жидкостный наружный слой; измеряют параметры потока в трубопроводе, которые являются тангенциальной скоростью жидкостного слоя, объемным содержанием жидкости и статическим давлением потока на стенке трубопровода; определяют статическое давление газа в газовом ядре по измеренным параметрам потока. 2. Способ по п.1, согласно которому трубопровод содержит сужение с уменьшенным поперечным сечением трубопровода и параметры потока измеряют в этом сужении. 3. Способ по п.1, согласно которому по меньшей мере одно из тангенциальной скорости жидкостного слоя и объемного содержания жидкости измеряют с помощью ультразвука. 4. Способ по п.1, согласно которому газожидкостный поток включает две жидкостные фазы и измеренные параметры потока включают относительные доли двух жидкостных фаз. 5. Способ по п.1, согласно которому дополнительно используют статическое давление газа для обработки величин расхода в газожидкостном потоке. 6. Устройство для определения статического давления газа в газожидкостном потоке, содержащее трубопровод для транспортировки закрученного газожидкостного потока, разделенного на газовое ядро и наружный жидкостный слой, средства для измерения параметров потока в трубопроводе, которыми являются тангенциальная скорость жидкостного слоя, объемное содержание жидкости и статическое давление потока на стенке трубопровода и процессор для определения величины статического давления газа в газовом ядре на основании результатов измерений указанных параметров потока. 7. Устройство по п.6, которое дополнительно содержит закручивающий элемент для закручивания газожидкостного потока. 8. Устройство по п.6, в котором трубопровод имеет сужение с поперечным сечением, уменьшенным по сравнению с трубопроводом, и параметры потока измеряются в этом сужении. 9. Устройство по п.6, в котором приспособление для измерения параметров потока в трубопроводе содержит один или несколько ультразвуковых датчиков для ультразвукового измерения по меньшей мере одного из тангенциальной скорости жидкостного слоя и объемного содержания жидкости. 10. Устройство по п.6, в котором газожидкостный поток содержит две жидкостные фазы и измеряемые параметры потока включают в себя относительные доли двух жидкостных фаз. 11. Многофазный расходомер, содержащий устройство по п.6 и компьютерную систему для определения расхода по меньшей мере одного из газа, жидкости и общего расхода газа и жидкости с использованием найденного значения статического давления газа. 12. Скважинный трубопровод для нефти или газа, включающий в себя устройство по п.6.

МПК / Метки

МПК: G01L 9/00, G01F 1/34, G01F 1/74

Метки: газожидкостном, газа, устройство, способ, определения, потоке, давления

Код ссылки

<a href="http://easpatents.com/11-19564-sposob-i-ustrojjstvo-dlya-opredeleniya-davleniya-gaza-v-gazozhidkostnom-potoke.html" rel="bookmark" title="База патентов Евразийского Союза">Способ и устройство для определения давления газа в газожидкостном потоке</a>

Похожие патенты