Виброакустический многофазный расходомер

Многофазные расходомеры производятся в различном конструктивном исполнении, что не стало пока поводом для их массового внедрения. Помехой этому являются параметры низкой точности измерений в сочетании с высокой стоимостью. Фирмой «Петролеум Технолоджи» реализована разработка альтернативного метода по измерению многофазных потоков, в основе которого лежит анализ виброакустических колебаний, происходящих в трубопроводах. Опробование многофазного расходомера DIP произведено на нескольких скважинах, и все больше распространяется  на территории Северной Америки. Уровень стоимости прибора меньше аналогичных приборов.

Сегодня по всему миру функционирует около одного миллиона скважин в сфере нефтяной и газовой добычи. Только в оснащении 0,3% скважин установлены многофазные расходомеры (МФРМ), а также расходомеры жирного газа. В качестве причины называют недостаточную точность и высокую стоимость этого оборудования, составляющую $100 000 —  $500 000 за единицу. По мнению экспертов, установка МФРМ необходима для каждой скважины. Отметим готовность нефтегазодобывающих компаний массово устанавливать МФРМ на все скважины, если их стоимость снизится от $20 000 до $60 000 за единицу. Следовательно, во всем мире емкость такого оборудования сможет достичь $20 — $60 млрд. Затраты международных нефтесервисных компаний и добывающих компаний от Chevron до Schlumberger  и General Electric в течение последних лет достигли десятки млн. долларов, связанные с разработкой многофазных расходомеров, которые способствуют  измерению дебита в газовых и нефтяных  скважинах.

У существующих МФРМ имеется целый набор недостатков. Функционирование известных МФРМ связано с определенным программным обеспечением. Для поставки МФРМ необходимо обучать персонал заказчика и осуществлять последующее обслуживание МФРМ. Устройства не способствуют обеспечению заявленной производителем точности измерения фаз и нуждаются в технической  поддержке, обеспеченной  поставщиками, как правило, не очень качественной.

Параметры существующих аналогов характеризуются следующими недостатками:

• содержанием радиоактивного элемента;
• требованием  врезки в трубопровод;
• соответствием ограниченному диапазону скоростей и  диаметров потока;
• требованием  постоянного лабораторного доступа;
• требованием  постоянного наличия специалистов.

Принцип функционирования МФРМ

Конструкции МФРМ, изготовленные из металла, являются набором различных датчиков, предназначенных для одновременного выделения и измерения физические параметров газа, нефти  и воды. Применение такого подхода к измерению дебита связано с тем, что отсутствуют единые математические и физические модели турбулентных течений многофазных жидкостей, позволяющие добиться достаточно точного  вычисления дебита.

В качестве основных параметров жидкости, служащих для определения скорости движения однородных жидкостей (газа, воды и нефти, относящихся к жидкостям  в гидродинамике) в системе трубопроводов, используют динамическую или кинематическую плотность и вязкость. Отметим также зависимость между этими параметрами и температурой и давлением в трубопроводе. Благодаря использованию простейших зависимостей, к примеру, уравнения Бернулли, можно достаточно точно добиться расчета скорости движения в трубопроводе жидкостей.

Функционирование всех закономерностей прекращается при переходе от однофазных к многофазным жидкостям. Для примера возьмем  продукцию скважин – нефтегазоводяную эмульсию. Из-за случайного состава эмульсии, сжимаемости газа и турбулентного характера движения в трубопроводе жидкости невозможно пользоваться теми же расчетными зависимостями, что и для однородных и однофазных жидкостей.

Теоретическая гидродинамика использует для описания турбулентного движения однородных и однофазных жидкостей систему из 6 уравнений Навье Стокса. Правда, решить эти уравнения пока не удалось никому. Соответственно, для того, чтобы описать движение 3-хфазных жидкостей, нужны 18 подобных уравнений. Не удается решить проблему и с помощью вычислительной гидродинамики, современных суперкомпьютеров, которые не могут решить матрицы размером свыше 1000х1000Х1000 элементов в течение приемлемого времени.

Разработчики могут воспользоваться результатами экспериментальных исследований со статистическими моделями, опытом и интуицией. Попытки воспользоваться иными физическими процессами, описывающими параметры движения жидкости, способствуют возникновению решений, которые годятся лишь для очень узкого диапазона измерений. Только в США таких попыток было сделано около пяти тысяч, если судить по представленным патентам.

Многофазный расходомер DIP

Еще в 19878 году в СССР началось проведение опытно-промысловых испытаний пассивно акустических расходомеров. Их конструкция способствовала выделению полезного виброакустического сигнала, преобразованию его и выведению на дисплей результатов измерений.  Тогда же удалось описать зависимость генерации механических колебаний в трубопроводе от потока жидкости, движущегося в трубе. Задача состояла в стандартном уравнении вынужденных колебаний в трубопроводе массы жидкости. Но не удалось создать адекватную  математическую модель для  многофазных жидкостей. Кроме того, отсутствовала вычислительная техника с большим быстродействием, что препятствовало проведения достаточно точных измерений.

Первый патент был получен ООО «Петролеум Технолоджи» в 2011 году по внедрению способа измерения расходования многофазных жидкостей. В его основе лежала собственная математическая модель по измерению виброакустических сигналов, которые генерирует поток движущейся в трубопроводах жидкости.

Благодаря использованию результата данной задачи, а также пакета  LabVIEW и «железа» от National Instruments, специалисты  «Петролеум Технолоджи» добились достаточно точного измерения дебита многофазной водогазонефтяной жидкости. При этом оборудование и программное обеспечение обошлись в минимальную стоимость. Итогом стало создание многофазного расходомера DIP. Девять патентов подтвердили новизну данного способа, благодаря которому успешно измерялся расход многофазной жидкости, включая один американский и один РСТ. Отметим активное участие компании в конференциях и выставках по всему миру, включая мировой конгресс нефтяников CERAWeek, конференции, проводимые Обществом инженеров нефтегазовой промышленности SPE. Помимо этого, компания победила в нескольких конкурсах  инновационных проектов и получила  статус резидента Сколково.

В основе функционирования лежит анализ виброакустического шума, который создает движение многофазной жидкости, которая протекает по известному сечению трубопровода. Производится измерение и запись амплитуд и частот колебаний трубопровода, в котором происходит протекание многофазной жидкости. После измерения диапазона частот его делят на соответствующие всем фазам части. Для определения скорости прохождения фаз измеряют амплитуду и частоту виброакустических шумов, которые происходят из-за неравномерного движения многофазных жидкостей. Массу воды и массу жидких углеводородов измеряют в соответствии с методиками измерений, которые аттестованы и утверждены установленным порядком и фиксируются в расходомере. Если необходимо привести измеренный свободный газ к стандартным условиям, одновременно осуществляют измерения температуры и избыточного давления многофазной жидкости в трубопроводе.

С помощью  многофазного расходомера DIP:

• измеряют объемный расход газа в многофазной эмульсии;
• измеряют объемный расход нефти в многофазной эмульсии;
• измеряют объемный расход воды в многофазной эмульсии;
• измеряют температуру многофазной эмульсии;
• измеряют давление в трубопроводе, где происходит протекание многофазной эмульсии;
• хранятся в памяти полученные результаты измерений;
• передаются полученные результаты измерений в информационную систему нефтегазодобывающих предприятий в реальном времени.

В конструкцию многофазного расходомера DIP входит модуль измерительный (МИ) и модуль контроля и управления (МКУ), которые  выполнены в раздельных корпусах.

В МИ накладного вида входит акселерометр, посредством которого измеряют виброакустические сигналы, передавая их в МКУ. Дополнительно возможна установка на трубопроводе датчиков избыточного давления и температуры.

МКУ используется для обеспечения питания, управления работой расходомера, сбора, преобразования, хранения, индикации на дисплее и передачи  результатов измерений до верхнего уровня информационных систем (диспетчерских пунктов, пунктов сбора информации систем телемеханики, SCADA, АСУ ТП и центральных серверов  корпоративных баз данных), функционирующих в нефтегазодобывающих компаниях.

Упомянем также об успешном проведении компанией «Петролеум Технолоджи» и канадской компанией RTS Services Inc. Большой серии ОПИ многофазных расходомеров DIP на территориях разных нефтеносных провинций США и Канады.

Модели многофазных расходомеров DIP, входящих в систему по сбору и обработке информации в реальном режиме, для нефтегазодобывающих предприятий позиционируются в качестве дешевого конкурента существующих многофазных расходомеров и сепараторов. Они могут быть приобретены любой нефтегазодобывающей компанией, желающей заниматься автоматизированным  оперативным учетом многофазной продукции нефтегазовых месторождений в онлайн режиме.