Неточность в определении расхода газа, идущего на факельную установку, при испытаниях скважин



Целью работы является оценка ошибки расхода газа, идущего на факельную установку, поиск и анализ возможных технологических решений.

Ключевые слова : диафрагменный измеритель критического течения (ДИКТ), расход газа, потери давления, факельная установка, обвязка устья.

В нефтегазовой отрасли зачастую прибегают к сжиганию добытого природного газа, по причинам невозможности его транспортировки, например при испытаниях скважин. При данном процессе рассчитывается расход газа с целью определения продуктивности скважины, для планирования дальнейшей инфраструктуры в области подготовки и транспортировки углеводородных ресурсов. «Для исследований скважину переводят в работу на факельную линию и измеряют термобарические параметры (давление и температуру) на устье и на факеле, где устанавливается специальное устройство — диафрагменный измеритель критических течений (ДИКТ)» [1, с. 27]. Расчёт расхода газа производится перед факельной установкой на ДИКТе, согласно формуле № 1. Расчёта расход газа зависит от давления и температуры в точке прохождения через диафрагменный измеритель критического течения. Процесс прохождения газом диафрагмы ДИКТа, осуществляется в режиме критического истечения вследствие разности давлений до и после неё. Использование устройства ДИКТ и вывод формулы для его применения представлен в работе Rawlins E. L. Schelhardt M. A. [3, с. 28]. В момент критического перепада давления, газ достигает скорости звука. Расход газа перестаёт зависеть от противодавления за диафрагмой и определяется термобарическими параметрами среды до неё [2, с. 73].

,(1)

Однако замер этих параметров осложняется тепловым воздействием факельной установки на приборы измерения давления и температуры. В результате этого датчики устанавливаются на некотором расстоянии от необходимой точки замера параметров среды. Это приводит к неточности определения расхода газа по формуле № 1, так как не учитываются потери давления на участке между манометром и ДИКТ. Тепловое воздействие на датчик давления происходит, через воздействие с атмосферным воздухом и поверхностью трубопровода, при этом температурное воздействие от движущейся во внутритрубном пространстве среды менее значимо и не учитывается при поиске решений в данной работе.

Для определения величины ошибки в определении расхода газа, были рассчитаны потери давления на участке 100 метров, с расположением манометра в 20 метрах от необходимой точки замера. Моделирование системы проводилось в программном обеспечении PIPESIM. Система состоит из источника, линии газа и стока. В источнике задавалось давление 39,477 (атм.), температура -17,73 (°C), и объёмный расход газа. Результаты приведены в таблице 1.

Таблица 1

Рассчитанные потери давления

Диаметр	Действительный расход газа (тыс. м3/сут)
	200		350		500		550		600		650
D, мм	атм.	%	атм.	%	атм.	%	атм.	%	атм.	%	атм.	%
73	0,58	1,58	1,92	6,41	3,7	17,64	-	-	-	-	-	-
89	0,17	0,44	0,53	1,45	1,61	5,13	2,04	6,97	2,57	9,65	3,25	13,99
114	0,04	0,10	0,13	0,33	0,27	0,70	0,33	0,86	0,39	1,04	0,46	1,24
168	0,01	0,01	0,01	0,03	0,03	0,07	0,03	0,08	0,04	0,09	0,04	0,11

Потери давления на участке 20 метров были определены с учётом равномерного линейного снижения давления вдоль трубопровода. Ошибки в определении давления и расхода газа связаны прямо пропорциональной зависимостью, без учёта влияния изменения температуры. Ошибка, указанная в процентах была вычислена как отношение ошибки в атмосферах к полученному значению давления в атмосферах на конце участка трубопровода. Исходя из этого, при большем давлении в начале трубопровода неточность в определении давления и соответственно расхода газа будут ниже. На практике для обвязки устья используются трубы с диаметром 73 и 89 мм, так как для их использования не требуется крановое оборудование. Потери давления для линий газа с диаметрами 114 и 168 приведены для сравнения.

Рис. 1. Зависимость ошибки расхода газа от величины расхода газа для разных диаметров

По полученным данным были построены линии тренда для диаметров 73, 89, 114 мм, позволяющие определить ошибку в расчёте газа. Данные зависимости справедливы при условии, что давление в начале газовой линии составляет 4,0 (МПа). На практике это давление находится в диапазоне от 6,0 до 4, 0 (МПа) в зависимости от пластового давления и потерь давления в сепараторе.

Для исключения ошибки связанной с измерением давления датчиком, следует измерять расход газа идущего на факельную установку с помощью расходомера. В таком случае ошибка в определении расхода газа будет соответствовать погрешности используемого расходомера. Для измерения газа используют следующие виды расходомеров: ультразвуковой расходомер, вихревой расходомер.

Одним из возможных решений данной проблемы является установка теплового экрана между датчиками и факельной установкой. Это позволит уменьшить количество передаваемой энергии от атмосферы к манометру, что позволит установить датчик ближе к необходимой точке замера. При данном решении не изменится нагрев манометра, от теплопередачи с поверхностью трубопровода. Для оценки этого решения требуется провести расчёт количества тепла, которое получает датчик с тепловым экраном и без него, а также количественно сравнить энергию получаемую манометром от атмосферного воздуха и от трубопровода.

Также существует возможность уменьшить ошибку в расчёте расхода газа без изменения положения манометра. Для этого необходимо уменьшить потери давления, на участке, увеличив диаметр линии газа в обвязке устья (Рисунок 1).

При наличии манометра после сепаратора более простым и универсальным решением станет внесение поправок в формулу расчёта (формула № 1). При данном подходе можно определить линейные потери давления на участке между ДИКТ и ближайшим манометром.

,(2)

По формуле 2 можно рассчитать потери давления на участке, зная его длину — x, и расстояние между манометрами — L, P _ман — давление основного манометра, P _сеп — давление с манометра расположенного после сепаратора.

В данной работе была произведена оценка ошибки расхода газа, связанная с удалением манометра на расстояние от необходимой точки замера соответствующей методике ДИКТ. В диапазоне дебитов скважин по газу от 200 (тыс. м ³ /сут) до 650 (тыс. м ³ /сут) ошибка измерения давления может достигать 17,64 %, для линии газа с внешним диаметром 73 мм, и 13,99 % для линии газа с внешним диаметром 89 мм. При обвязке устья в текущий момент большие диаметры не используются. Из анализа решений можно сделать вывод что, для решения проблемы необходима модификация стандартной обвязки устья газовой скважины при проведении испытаний.

Литература:

1. Ермолкин О. В. Контроль работы газовых и газоконденсатных скважин / О. В. Ермолкин, Д. Н. Великанов, И. Ю. Храбров. — Текст: непосредственный // Neftegaz.RU. — 2016. — № 1–2. — С. 26–32.
2. Определение расхода газового потока при проведении гидродинамических исследований скважин. Часть 3 / М. С. Рогалев, Н. В. Саранчин, В. Н. Маслов, А. Б. Дерендяев. — Текст: непосредственный // Известия высших учебных заведений. Нефть и газ. — 2017. — № 1. — С. 72–82.
3. E. L. Rawlins, M. A. Schelhardt Back-Pressure Data on Natural-Gas and Their Application to Production Practices / L. Rawlins M. A. Schelhardt E. — Monograph 7. — State of Oklahoma: U. S. Bureau of Mines, 1936. — 210 c. — Текст: непосредственный.