Измерительный пункт «Кварта-Н-50» для контроля дебета и параметров нефтяной эмульсии и нефти на скважине Текст научной статьи по специальности «Физика»

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПУНКТ «КВАРТА-Н-50» ДЛЯ КОНТРОЛЯ ДЕБЕТА И ПАРАМЕТРОВ НЕФТЯНОЙ ЭМУЛЬСИИ И НЕФТИ НА СКВАЖИНЕ

Анатолий Федорович Серов

Федеральное научное бюджетное учреждение Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Ак. Лаврентьева, 1, д.т.н., профессор, гл. н.с., тел. (383)3306466, e-mail: serov@itp.nsc.ru

Валерий Николаевич Мамонов

Федеральное научное бюджетное учреждение Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Ак. Лаврентьева, 1, к.т.н., н.с., тел. (383)3306466

Александр Дмитриевич Назаров

Федеральное научное бюджетное учреждение Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Ак. Лаврентьева, 1, к.т.н., с.н.с., тел. (383)3306466

Константин Михайлович Кириллов

Федеральное научное бюджетное учреждение Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Ак. Лаврентьева, 1, вед. инж., тел. (383)3306466

Измерительный пункт «КВАРТА-Н-50» предназначен для измерения текущих значений объемного и массового расхода нефте-водяной эмульсии (далее - НВЭ) и нефти, давления в устье скважины, температуры и средней скорости потока, динамической вязкости НВЭ и процентного содержания воды в НВЭ.

Ключевые слова: интеллектуальная скважина, контроль дебета, интеграция с АСУ ТП, информация для оптимизации добычи.

MEASURING ITEM "КВАРТА-Н-50" FOR THE CONTROL OF THE DEBIT AND PARAMETERS PETROLEUM MIX AND PETROLEUM ON THE CHINK

Anatoly F. Serov

The professor, Federal scientific budgetary establishment Institute of thermophysics him, Kutateladze Institute of Thermophysics, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, 630090, Russia, Novosibirsk, Lavrentev Avenue, 1, tel. (383)3306466, e-mail: serov@itp.nsc.ru

Valery N. Mamonov

Senior assistant, Federal scientific budgetary establishment Institute of thermophysics him, Kutateladze Institute of Thermophysics, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, 630090, Russia, Novosibirsk, Lavrentev Avenue, 1, tel. (383)3306466

Alexander D. Nazarov

Senior assistant, Federal scientific budgetary establishment Institute of thermophysics him, Kutateladze Institute of Thermophysics, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, 630090, Russia, Novosibirsk, Lavrentev Avenue, 1, tel. (383)3306466

Konstantin M. Kirillov

Senior assistant, Federal scientific budgetary establishment Institute of thermophysics him, Kutateladze Institute of Thermophysics, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, 630090, Russia, Novosibirsk, Lavrentev Avenue, 1, tel. (383)3306466

The created measuring item(point) "КВАРТА -Н-50" is intended for measurement of the current values of the volumetric and mass charge mix and petroleum, pressure in a mouth of a chink, temperature and average speed of a stream, dynamic viscosity mix and percentage of water in mix.

Key words: an intellectual chink, the control of the debit, integration from АСУ ТП, the information for optimization of extraction.

Основными элементами измерительного пункта является расходомер -счетчик «КВАРТА» с программно-вычислительным комплексом. Первичный преобразователь расходомера представляет собой конструкцию, в которой совмещены три устройства: сужающее устройство с дифференциальным манометром, оригинальный ультразвуковой измеритель скорости потока НВЭ и скорости звука, СВЧ измеритель влажности и манометр рабочего давления в магистрали. Эти устройства конструктивно объединены в одном модуле, оснащены первичными микропроцессорными преобразователями, но функционируют независимо друг от друга. Результаты измерений каждого из этих приборов используются в интегральном алгоритме вычисления объемного и массового расхода, проходящей через измерительную секцию НВЭ. На рис. 1 приведена фотография модуля.

Рис. 1. Общий вид измерительного пункта

Вычислитель расходомера оснащен мощным программным обеспечением, которое позволяет производить быструю обработку поступающей информации. Питание подается от искробезопасного блока с резервным гальваническим источником.

Опыт создания ультразвукового расходомера «Тритон»» (сертификат об утверждении типа средств измерений № 20775 от 15 июня 2005 г., № 29307-05 в Государственном реестре средств измерений), а также исследования, проведенные в Институте теплофизики СО РАН [1, 2], позволили найти такое решение для конструкции измерительной линии расходомера, что величина вязкости протекающей жидкости не влияет на результат измерения величины средней по сечению скорости потока.

Использование расходомеров в системах учета потребления жидкого топлива, особенно с неньютоновскими свойствами, невозможно без учета влияния вязкости на показания расходомера. Вязкость нефтепродуктов зависит от температуры, увеличиваясь с ее понижением. В схеме гидродинамического канала расходомера «Кварта-Н-50» найдено хорошее сочетание простоты конструкции и точности изготовления, что позволяет обеспечить высокие метрологические параметры в широком диапазоне изменения вязкости жидкости, расход которой измеряется.

Особенностью расходомера «Кварта» является измерительная линия, представляющая собой канал плоской формы, который состоит из трех частей: плоского конфузора, плоского измерительного участка и плоского диффузора. Входное и выходное сечения измерительной линии расходомера имеют круглую форму диаметром 50 мм и плавно сопрягаются с плоским каналом. В плоском измерительном участке измерительной линии устанавливаются ультразвуковые датчики так, что ультразвуковой луч «просвечивает» поток жидкости под углом 30о к продольной оси канала по всей его ширине.

Для определения механизма влияния конструкции измерительной линии и величины вязкости жидкости на погрешность определения скорости потока было проведено математическое моделирование трехмерного течения жидкости в области «просвечивания» потока ультразвуковым лучом.

Для моделирования течения жидкости в измерительной линии был применён пакет Fluent. Пакет Fluent - это CFD (Computational fluid dynamics) пакет общего назначения, способный моделировать большое разнообразие задач для ограниченных и внутренних течений жидкости. Графический интерфейс пользователя связывает воедино постановку задачи (включая создание/импорт геометрии и генерацию сетки), препроцессинг, решение и обработку результатов и использует фиксированную сетку из пирамидальных элементов, что упрощает генерацию и обеспечивает многие желательные свойства (например, регулярность, улучшает точность, уменьшает требования к памяти, облегчает численную аппроксимацию). Для решения задачи была применена низкорейнольдсов-ская K-эпсилон модель (Low Reynolds K-epsilon) с шагом сетки 2 мм.

3 3

Динамический диапазон расходомера 1:20 (от 1,0 м /ч до 20,0 м /ч), что соответствует диапазону средней скорости во входном сечении измерительной

линии от 0,14 м/с до 2,8 м/с. Расходомер может быть использован для измерения расхода жидкостей, имеющих динамическую вязкость в диапазоне от 0,005 кг/(м*с) до 0,08 кг/(м*с). Такой диапазон расходов и вязкости жидкости соответствует диапазону числа Рейнольдса, определенному по диаметру входного сечения измерительной линии и средней скорости потока в её входном сечении, от 88 до 28000. Это означает, что при измерении расхода в измерительной линии может быть реализован ламинарный, турбулентный или переходной тип течения.

На рис. 2 в качестве иллюстрации возможностей метода расчета приведен пример расчета поля скоростей для одного из значений средней скорости потока во входном сечении измерительной линии. В правой части рисунка приведена цветовая шкала, для определения величины вектора скорости потока. Приведено поле скорости в вертикальной плоскости по оси измерительной линии и линии равных скоростей в поперечном сечении плоского измерительного участка.

Velocity Vectors Colored By Velocity Magnitude (m/s) FLUENT S O (3d, segregated, ske)

пуск — Єз*=ч*.т I=a w и I" ..niil.-i... > V -Vr :oc; г Я* ... -H —_

Рис. 2. Поле скоростей по оси измерительной линии

На рис. 3 изображена схема расположения ультразвуковых датчиков А и В расходомера в вертикальной плоскости по оси измерительной линии и распределение продольной составляющей вектора скорости потока вдоль измерительного луча АВ, проходящего через центры датчиков А и В.

Рис. 3. Схема расположения ультразвуковых датчиков расходомера

Были проведены расчеты среднего значения продольной составляющей вектора скорости потока вдоль измерительного луча АВ Уср(АВ) для четырех значений вязкости потока жидкости (0,01, 0,02, 0,04 и 0,08 кг/(м*с)) в диапазоне

3 3

расходов от 0,5 м /ч до 4 м /ч.

На рис. 4 приведены результаты этих расчетов, которые отражают следующий факт: если ультразвуковые датчики расходомера представляют собой точечные источники-приемники излучения, то результаты измерения расхода будут иметь погрешность, зависящую от величины измеряемого расхода и от вязкости жидкости. Результат вполне очевидный, так как при изменении расхода и вязкости жидкости изменяется режим течения в плоском измерительном участке измерительной линии (ламинарный, переходной или турбулентный режим течения). Величина Уср(АВ) зависит от степени наполненности профиля скорости в измерительном участке (от режима течения).

2

1,8

1,6

1,4

1,2

1

0,8

0,6

0,4

0,2

0

X ♦ ♦

♦

$

1

*

2 3

Расход, м3/ч

0

4

5

♦ вязкость 0,01 кг/(м*с)

♦ вязкость 0,02 кг/(м*с)

♦ вязкость 0,04 кг/(м*с)

♦ вязкость 0,08 кг/(м*с)

Рис. 4. Влияние вязкости жидкости на показания расходомера при точечных источниках-приемниках ультразвукового излучения

На рис. 5 приведены результаты предыдущих расчетов (рис.4), но обработанные в виде относительной погрешности д измерения скорости Уср(АВ). Величина д определена как д = (Уср(АВ)\„ - Уср(АВ)\0,01)/ Уср(АВ)\0,01. Здесь величина Уср(АВ)\0,01 рассчитана для жидкости с вязкостью 0,01

кг/(м*с), а Уср(АВ)\г - рассчитана для жидкости с вязкостью V (0,02, 0,04 или

0,08 кг/(м*с)).

Из рис. 5 следует, что в рассматриваемом случае можно ожидать погрешности измерения среднего значения продольной составляющей вектора скорости потока вдоль измерительного луча АВ Уср(АВ) более 10%. Для устранения данной погрешности и был разработан расходомер с особой конструкцией измерительной линии (Рис 6).

Рис. 5. Относительная погрешность измерения средней скорости

Рис. 6. Плоский конфузор и плоский измерительный участок расходомера «Кварта-Н-50»

На рисунке 6 показана форма канала измерительной линии и способ установки ультразвуковых датчиков, которые позволяют измерять среднюю скорость потока (расход жидкости) без погрешности, связанной с вязкостью жидкости [3]. На рис. 7 приведена калибровочная кривая расходомера, которая подтверждают такое свойство расходомера.

Измерительный пункт «КВАРТА-Н-50» предназначен для комплектации узлов оперативного учета текущих значений объемного и массового расхода смеси нефть-вода и ее компонентов на пунктах сбора нефти от скважин. Возможна адаптация прибора для измерения расхода и состава других многокомпонентных смесей в химической, пищевой и других отраслях промышленности.

Технические характеристики

-5

1. Расход, м/сутки 2 - 100

2. Обводненность, % 0 - 100

3. Давление, макс., атм. 15

4. Окружающая температура, °С - 40 - +50

5. Рабочая температура смеси, °С +10 - +50

6. Вязкость, динамическая, кг/м*с 0,00116 - 0,04

7. Плотность, кг/м3 700 - 1300

8. Соленость, % (по весу) 0 - 10

9. Присоединительный диаметр, мм Ду50

10.Усредненная погрешность, от полной шкалы,%: +/- 2

11. Мгновенная погрешность, от полной шкалы,%: +/- 5

Рис 7. Калибровочная кривая расходомера

Выполнено проектирование прибора, изготовлен опытный образец, проведены динамические и статические испытания на стенде ИТ СО РАН, отлажен первый вариант программного обеспечения вычислителя, разработаны паспорт прибора, методика поверки, техническое описание, получено разрешение на применение и разработан поверочный стенд.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Серов А.Ф., Назаров А.Д., Мамонов В.Н., Бодров М.В. Принцип построения двухкомпонентного счетчика-расходомера для нефтяной скважины // Научный вестник НГТУ. -2012. - Вып. 4. - С. 176-182

2. А.Ф. Серов, А.Д. Назаров, М.В. Бодров, Аппаратура и алгоритм для определения содержания нефти в смеси у скважины. Сборник материалов Международного научного конгресса Гео-Сибирь-2007, т. 5, с. 218 - 224, 25 - 27 апреля 2007 г., Новосибирск, СГГА.

3. Патент №85227. Измеритель расхода нефти. Серов А.Ф., Мамонов В.Н., Назаров А.Д., Кротов, С.В. (РФ). Заявка №2009106182. Приоритет 24 февраля 2009г. Зарегистрировано в Г осударственном реестре Российской Федерации 27 июля 2009 г.

4. Кремлевский. П.П. Расходомеры и счетчики количества вещества. Справочник. Кн.2 - Санкт-Петербург: Изд-во «Политехника». - 2004. - 412 с.

© А.Ф. Серов, В.Н. Мамонов, А.Д. Назаров, К.М. Кириллов, 2013