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!