Обзор принципов и технических решений многофазной...
Post on 20-Jun-2015
1.333 Views
Preview:
DESCRIPTION
TRANSCRIPT
Принципы многофазной расходометрии
Задачи мониторинга дебитовРасходометрия на месторождении
• Учёт продукции по каждой скважине и месторождению в целом согласно действующим нормативам (ГОСТ Р 8.615). Массовый или объёмный поток.
Фискальные
• Построение гидродинамических моделей резервуара.Геологические
• Конструирование интеллектуальных систем управления.• Раннее распознавание и предотвращение
неоптимальных режимов добычи или работы скважинного оборудования.
• Оптимизация извлечения углеводородов из продуктивного пласта согласно заложенным критериям.
Технологические
Классификация методов расходометрии
• Разделение скважинного флюида гравитационным методом с последующим замером потоков нефти, вода и газа однофазными счётчиками-расходомерами (корилисовые, вихревые, тахометрические).
Полная трёхфазная сепарация
• Отделение газа от жидкости на циклонно-вихревом сепараторе с последующим замером потоков газа и жидкости однофазными счётчиками-расходомерами (корилисовые, вихревые, тахометрические) одновременно с определением удельной доли воды в жидкости (отбор проб или иные методы влагометрии).
Двухфазная сепарация
• Определение полного многофазного потока по перепаду давления на сужающем устройстве известной геометрии.
• Применение методов кросс-кореляцинного анализа сигналов от набора однотипных компонентных сенсоров, разнесённых на известное расстояние.
• Определение компонентного состава флюида посредством измерения свойств, наиболее сильно контрастирующих между отдельно взятыми фазами с поправкой на термобарические условия в трубопроводе, режим течения и межфазное проскальзывание.
МФРМ: без разделения фаз
Классификация методов многофазной расходометрииТехнология измерения
Сепараторные
Трёхфазные гравитационные
сепараторы
Счетчики
Тахометрические
Кориолисовые
Вихревые
Двухфазная сепарация на
циклонно-вихревом
сепаратореWLR
Без разделения фаз
Определение скоростей
потокаПерепад
давления на сужающем устройстве
Кросс-корреляции
Шестерённый
счётчик
Определение компонентного
состава
Электрофизика (WLR)
Акустика (GVF)
Оптика (WLR)Денситометри
я (WLR
и GVF)
Трёхфазный гравитационный сепаратор
Недостатки: сложные и громоздкие сооружения, не мгновенные, а только усреднённые значения за период, зависящий от времени сепарации, создают существенные потери давления, невозможна инверсия потока.
Преимущества: достаточно точные (определяется качеством сепарации) измерения дебитов, усреднённые за определённый интервал времени.
Принцип работы: Разделение многофазного потока на составляющие (вода, нефть и газ) в поле тяжести в силу различной плотности с последующим замером потока каждой фазы однофазными счётчиками-расходомерами (корилисовые, вихревые, акустические тахометрические).Для ускорения разделения прибегают к различным техническим приёмам: разрушение пены и деэмульгация (хим. реагенты, нагрев, электрокоалесценция и т.д.).
Особенности: точность замеров определяетсякачеством сепарации и точностью однофазных расходомеров в линиях.
Циклонно-вихревой сепараторПринцип работы: Отделение газа от жидкости в поле центробежных сил, возникающих при вихревом течении флюида в силу различной плотности с последующим замером потока каждой фазы однофазными счётчиками-расходомерами (корилисовые, вихревые, акустические, тахометрические) и удельной доли воды в жидкости (анализ проб или иные методы влагометрии). Далее возможна рекомбинация потоков обратно в многофазное течение.
Недостатки: ограниченный дин. диапазон расходов (устойчивость вихревого течения), для сепарации принципиально необходим минимальный напор на входе, создает существенные потери давления, невозможна инверсия потока.
Преимущества: простота и компактность конструкции, хорошая точность особенно при высокой доле газа (определяется качеством сепарации – устойчивость вихревого течения).
Особенности: точность замеров определяетсякачеством сепарации и точностью однофазных расходомеров в линиях.
МФРМ: без разделения фаз
Q𝑖𝑚=𝜌𝑖 𝐴𝑖𝑉 𝑖Массовый расход i-ой компоненты
При наличии 3 фаз в потоке необходимо знать 6 параметров, необходимо 5 измерений.При отсутствии проскальзывания измерений нужно только 3.
𝐴=∑ 𝐴𝑖
𝛼 𝑖=𝐴𝑖
𝐴Q𝑡𝑜𝑡𝑚 =∑Q𝑖
𝑚
∑ 𝛼𝑖=1 𝛼𝑔 - Удельная доля газа.
𝛼𝑤- Удельная доля воды.
𝛼𝑜 - Удельная доля нефти.
В общем случае при наличии проскальзывания нужно ещё 2 дополнительных параметра. Однако часто допускается, что
- полный массовый расход
Тогда требуется всего один дополнительный параметр, задающий проскальзывание газа относительно жидкости.
Обычно его либо измеряют, основываясь на кросс-корреляциях плотности, либо задают как внешний параметр модели, используя сторонние замеры (сепаратор и т.д.).
МФРМ: без разделения фаз
𝛼𝑔
𝛼𝑤
𝛼𝑜
Первичные измерения
𝑃𝑇
Δ 𝑃
𝜌 𝑚𝑖𝑥
оценка илиизмерение
Закон проскальзыванияWLR
Q𝑡𝑜𝑡❑
Вычисление полногомассового потока
GVF
Вычисление массовых потоков каждой фазы при условиях в трубопроводе
Q𝑔❑
Q𝑙❑ Q𝑤
❑
Q𝑜❑
Уравнение состояния
Q𝑜❑Q𝑤
❑Q𝑔❑
Геометрический фактор
Вычисление массовых потоковкаждой фазы при нормальных условиях
Метод перепада давления на сужающем устройстве
𝑄=𝐶𝐷 (𝑅𝑒 ,𝑋 )𝑆2
√1 −𝛽2 √2Δ𝑃𝜌𝛽=
𝑆2
𝑆1
Недостатки: только полный поток, создаёт потери давления (обычно 1/3 ), не учитывает межфазное проскальзывание, невысокий дин. диапазон расходов (обычно 10).
𝑅𝑒=𝜌𝑉𝐷𝜂
Определение полного объёмного (или массового) расхода по перепаду давления на сужающем устройстве известной геометрии (трубка Вентури, диафрагма с отверстием и т.д.).
Преимущества: простая математическая модель; простота и дешевизна сенсоров (только ). широкий диапазон вязкостей флюида, независимость от режима течения, возможна инверсия потока.
Уравнение Бернулли:
𝑃+ 𝜌𝑉2
2=𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝜌𝑉𝑆=𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡
Метод кросс-корреляционного анализа
Определение времени запаздывания сигнального паттерна на двух идентичных фракционных сенсорах, разнесённых по ходу течения на расстояние . Скорость движения фазы .
𝑋 (𝜏 )=∫❑
❑
𝑋 1 (𝑡+𝜏 )𝑋 2 (𝑡 )𝑑𝑡
Компонентные сенсоры
Сигнальные паттерны
Недостатки: требует установки нескольких идентичных компонентных сенсоров (увеличивает стоимость), сложный сигнальный анализ, слабо применим для однородного потока.
𝑋 2 (𝑡 )𝑋 1 (𝑡 )
Преимущества: может определять скорости фаз даже в условиях проскальзывания и неравномерного транспорта фазы, не создаёт падение давления, широкий дин. диапазон расходов и вязкостей флюида, работает в условиях сильно неоднородной среды, возможна инверсия потока;
Определение компонентного состава
• Акустические свойства скважинного флюида: скорость пробега акустических волн и коэффициент ослабления акустических колебаний.
• Плотность скважинного флюида путём определения параметров механической колебательной системы, заполненной флюидом (резонансная частота и добротность, фазовый сдвиг и т.д.).
• Ослабление и/или рассеяние скважинным флюидом ионизирующего излучения: потока гамма-квантов или нейтронов.
Удельная доля газа
• Электрофизические свойства скважинного флюида: вещественная и мнимая части полной диэлектрической проницаемости или удельная электропроводность.
• Прозрачность скважинного флюида в оптическом ближнем ИК или радиочастотном сантиметровом и/или дециметровом диапазонах.
• Ослабление и/или рассеяние скважинным флюидом ионизирующего излучения: потока гамма-квантов или нейтронов.
Удельная доля жидкости
Многофазные течения. Режимы течения
Режим течения характеризует структуру потока, т.е. пространственное распределение фаз, и может варьироваться в зависимости от условий в трубопроводе, физических свойств индивидуальных компонентов, массовых расходов и от ориентации и локальной геометрии трубопровода.
Дисперсное течение – равномерное распределение фаз как в радиальном, так и в аксиальном направлениях (пузырьковый и капельный режимы течения).Отрывное течение – прерывистое распределение фаз в радиальном и непрерывным в аксиальном направлении (слоевой и кольцевой режимы течения).Прерывистое течение – характеризуется прерывистым распределением фаз в аксиальном направлении, т.е. по сути характеризуется неустойчивым поведением потока (пробковый режим течения).
Многофазный поток представляет собой сложную и пространственно неоднородную смесь нескольких фаз, и в случае нефтегазовой скважины – это смесь жидкой (вода и нефть), газовой и твёрдой фазы (песок и т.д.).
ИмпедансометрияПринцип работы: определение удельной доли воды по ёмкости до точки инверсии фаз (вода-в-нефти), или проводимости за точкой инверсии фаз (фаза нефть-в-воде). Коммерциализован: Fluenta, ESMER, Halliburton.
Недостатки: требуется предварительная калибровка, низкая точность в области инверсии фаз, чувствительность к режиму течения и изменению свойств и состава флюида (минерализации или газового фактора);* не отличает газ от нефти, требуется корректировка по удельной доле газа.
Преимущества: простота изготовления и дешевизна сенсоров, предельно простая физическая модель; требуется 2 сенсора для измерений во всём диапазоне.
∑𝑖=1
𝑁
𝛼𝑖
𝜀𝑖−𝜀𝑚𝑖𝑥𝜀𝑖+2 𝜀𝑚𝑖𝑥
=0
модель Бруггемана
С=𝜀𝑚𝑖𝑥С 0 R=𝜎𝑚𝑖𝑥
𝑅𝑤
𝜎𝑤
Вода: e = 80; s < 5 мСм/смНефть: e = 2 – 2.7; s = 0;
Резонансный методПринцип работы: определение удельной доли воды по параметрам объёмного резонатора, заполненного флюидом.Коммерциализован: Roxar, PhaseDynamics.
Недостатки: Сложная конструкция сенсоров, низкая точность в области за точкой инверсии фаз (нефть-в-воде), высокая чувствительность к изменению свойств флюида, сложная физическая модель.
Преимущества: Сенсоры специальной конструкции достигают приемлемой точности во всём диапазоне удельной доли воды. Простые сенсоры нормально работают только до точки инверсии фаз (вода-в-нефти).
𝐿=𝜋𝑛𝑐𝜔 √𝜀Условие резонанса:
СВЧ методПринцип работы: определение удельной доли воды по пропусканию ЭМИ СВЧ диапазона (1 – 10 ГГц) флюидом.Коммерциализован: Agar.
Недостатки: высокая чувствительность к изменению свойств флюида, высокие требования к чистоте ВЧ вводов.
Преимущества: Сенсоры простой конструкции, работа во всём диапазоне водосодержания, независимость от режима течения, чувствует воду в любом состоянии.
𝜀=𝜀′+𝑖 𝜀′ ′ 𝜀′ ′=𝜔𝜏 (𝜀𝑆−2𝐻𝑁𝐶−𝜀∞ )
1+(𝜔𝜏 )2+ ΛC𝜔𝜀0
𝑘= 𝜔2𝑐
𝜀′ ′
√𝜀′Коэффициент поглощения:
𝐼 (𝑑 )=𝐼 ( 0 )𝑒𝑥𝑝 (−𝑘𝑑 ) 𝑘=∑ 𝑘𝑖𝛼 𝑖
Дуальная γ-денситометрия
Преимущества: хорошая точность и всего один сенсор для полного компонентного анализа;Недостатки: требуется предварительная калибровка, высокая чувствительность к изменению свойств и состава флюида (устраняется измерениями на 3 и более энергиях), сложная многопараметрическая модель линеаризации.
Принцип работы: Определение поглощающих свойств среды на высоких энергиях (свыше 50 кэВ) – газовый фактор, и на низких энергиях (ниже 50 кэВ) – удельная доля воды.Коммерциализован: Fluenta, Roxar (SEGRA); Schumberger Daniel, Haimo MEGRA).
𝜎 h𝑝𝑍5
𝜀𝛾7 /2𝜎𝐶
𝑍𝜀𝛾
N
N 𝜇𝑚=∑ 𝜇𝑖𝑚 𝜌𝑖𝛼 𝑖
Ba133
Детектор: П/п (Ge, Si) или NaI(Tl) или BGO + ФЭУ + ААВ традиционных решениях применяется радиоактивный источник обычная денситометрия – Cs137, дуальная - Ba133, Am241. В перспективе – рентгеновский источник.
Оптический методПринцип работы: Измерение пропускания среды в ближнем ИК диапазоне (0.8 - 1.8 mm), где вода прозрачна, а сырая нефть – сильно поглощает излучение.Коммерциализован: Premier Instruments, Weatherford.
Недостатки: требуется чистота оптических вводов;* не отличает газ от воды, так что для многофазных потоков в обязательном порядке требуется предварительное отделение газа.
Преимущества: высокая селективная чувствительность к содержанию нефти (и как следствие – удельной доли воды); требуется только однократная калибровка и только по нефти, не чувствителен к изменению свойств флюида (минерализация и т.д.);
N
𝑘=∑ 𝑘𝑖𝛼 𝑖
Акустический метод
𝑘= 𝜔2
2 𝜌С3 ( 43𝜂+𝜉+𝜅 𝛾− 1
𝛾С𝑉)Формула Стокса-Кирхгофа
Принцип работы: определение скорости звука в среде время-пролётным способом, а также коэффициента ослабления акустических колебаний.
𝑝 (𝑑 )=𝑝 (0 )𝑒𝑥𝑝 (−𝑘𝑑 )
Недостатки: чувствительность к режиму течения, изменению свойств и состава флюида (плотность и вязкость).* Работает в паре с денситометром.
Преимущества: предельно простая конструкция, дешевизна сенсоров (просто применить кросс-корреляционный анализ);
𝑉 𝑖=𝐷
𝜏𝑖𝑐𝑜𝑠 (𝜃 )𝑉 0= (𝑉 1+𝑉 2) /2𝐶=(𝑉 1−𝑉 2) /2
Перспективные подходы к МФРМУстранение зависимости от режима течения флюида.1. Гомогенизация потока.2. Прогнозирование режима течения и учёт структур потока в компонентной модели.- Сигнальный анализ данных от компонентных сенсоров, блока термобарометрии, пассивных
виброакустических сенсоров (частотный и фрактальный анализ, нейронные сети).- Прямая визуализация структуры потока методами томографии (многоэлектродный резистивный или
емкостной датчик, рентгеновская томография и т.д.). - Многолучевые методы (g-плотнометрия, время-пролётная акустика).
Weatherford REMMSПринцип работы: Отделение газа от жидкости на циклонно-вихревом вертикальном сепараторе;Замер раздельных потоков газа и жидкости однофазными счётчиками-расходомерами (для газа – вихреакустические, для жидкости – кориолисовый массомер).
Определение удельной доли воды в жидкости оптическим сенсором (Red EyeTM).
Технические характеристики: Рабочие диапазоны: удельная доля воды 0-100%, газовый фактор 0-95%. Точность измерений: удельная доля воды ±2% абс., поток газа ±2% отн., поток жидкости ±2% отн.
Преимущества: Устойчивость с изменению физико-химических свойств флюида: вязкости, минерализации, состава. Ограничения: нет контроля глубины сепарации.Red EyeTM – пропускание в
ближнем ИК диапазоне.
Weatherford VSRDПринцип работы: Определение полного потока по перепаду давления на калиброванной трубке Вентури; Измерение скорости потока акустическим сенсором (допплерометрия);Определение плотности среды по g-денситометрии (Cs137@2 mCi); Определение удельной доли воды в жидкости оптическим сенсором (Red EyeTM).Регуляризация потока (гомогенизация) посредством T-образной вставки.
Технические характеристики: Рабочие диапазоны: удельная доля воды 0-100%, газовый фактор 0-99.5%. Точность измерений:
GVF <20 20-90 90-96 >98
Qg ±10% отн. ±7% отн. ±5% отн. ±5% отн.
Ql ±5% отн. ±5% отн. ±10% отн. ±0.5m3 абс.
GVF <20 20-95 95-98 98-99.5
WLR ±2% абс. ±3% абс. ±4% абс. ±10% абс.
Agar MPFM 400Принцип работы:Отделение газа от жидкости на циклонно-вихревом сепараторе (Fluid flow diverterTM). Измерение раздельных потоков газа и жидкости однофазными счётчиками-расходомерами (для газа – по перепаду давления на калиброванной трубке Вентури, для жидкости – вытеснительного типа).Определение удельной доли воды в жидкости с помощью СВЧ сенсора (поглощение ЭМИ).
Технические характеристики:Рабочие диапазоны: удельная доля воды 0-100%, газовый фактор 0-99.6%. Точность измерений: поток газа, нефти, воды ±5% отн.;
Преимущества: Устойчивость с изменению физико-химических свойств флюида: вязкости, минерализации, состава;
Haimo MFM 2000Принцип работы:Отделение газа от жидкости на циклонно-вихревом сепараторе. Измерение потока газа вихревым счётчиком.Определение плотности и потока жидкости по кросс-корреляциям от пары g-денситометров (Am241).Определение полного состава по дуальной g-денситометрии (Am241|Ag).
Рабочие диапазоны:Удельная доля воды 0-100%;Газовый фактор 0-99%;Точность измерений: Удельная доля воды ±2% абс.Поток газа ±10% отн.Поток жидкости ±5% отн. (при GVF < 50%)
±10% отн. (при GVF > 50%).
Roxar MPMF 2600Принцип работы: Определение удельной доли воды c помощью многоэлектродного импедансомера (ZectorTM Technology);Картирование режима течения и учёт межфазного проскальзывания.Опционально:Определение плотности среды по g-денситометрии (Cs137@5 mCi) при высоком GVF (более 85%);Измерение полного потока по перепаду давления на калиброванной трубке Вентури.Технические характеристики: Рабочие диапазоны: удельная доля воды 0-100%, газовый фактор 0-100%. Точность измерений: удельная доля воды ±2.5% абс., поток газа ±6% отн., поток жидкости ±3.5% отн. Для мокрого газа: полный поток ±5% отн., удельная доля воды ±0.5% абс.;Преимущества:
Устойчивость с изменению физико-химических свойств флюида: вязкости, минерализации, состава; устойчивость к отложениям парафинов на поверхности сенсора. Отсутствие падения давления (без Вентури).
Roxar MPMF 1900VIПринцип работы: Определение удельной доли по электрическому импедансу;Измерение скорости потока по кросс-корреляциям от импедансомеров.Прямое измерение межфазного проскальзывания.Опционально:Определение плотности среды по g-денситометрии (Cs137@5 mCi) при высоком GVF (более 85%);Измерение полного потока по перепаду давления на калиброванной трубке Вентури.Технические характеристики: С g-денситометром.Рабочие диапазоны: удельная доля воды 0-100%, газовый фактор 0-100%. Точность измерений: удельная доля воды ±2% абс., поток газа ±6% отн., поток жидкости ±3% отн. Дин. диапазон скоростей: 10.Без g-денситометра.Рабочие диапазоны: удельная доля воды 0-100%, газовый фактор 0-85%. Точность измерений: удельная доля воды ±3.5% абс., поток газа ±10% отн., поток жидкости ±5% отн. Дин. диапазон скоростей: 10.
Преимущества:Устойчивость с изменению физико-химических свойств флюида: вязкости, минерализации, состава. Отсутствие падения давления (без Вентури).
Schlumberger VxПринцип работы: Определение полного объёмного потока по перепаду давления на калиброванных трубках Вентури;Компонентный состав по дуальной g-денситометрии (Ba133@10 mCi);Межфазное проскальзывание задаётся как внешний параметр.
Технические характеристики: Рабочие диапазоны: удельная доля воды 0-100%, газовый фактор 0-96%. Точность измерений: удельная доля воды ±2.5-5% абс., поток газа ±5% отн., поток жидкости ±2.5-5% отн.
MPM High Performance FlowmeterПринцип работы:Определение удельной доли воды c помощью многомодовой параметрической СВЧ томографии (поглощение ЭМИ) 3D BroadbandTM tomography;Измерение полного потока по перепаду давления на калиброванной трубке Вентури. Определение плотности среды по g-денситометрии.Картирование режима течения.
Технические характеристики:Рабочие диапазоны: удельная доля воды 0-100%, газовый фактор 0-100%. Точность измерений: поток газа, нефти, воды ±5% отн. (при GVF < 95%) или ±5% отн. (при GVF > 95%);
Преимущества: Устойчивость с изменению физико-химических свойств флюида: вязкости, минерализации, состава;
Благодарю за внимание!
top related