RU2820792C1 - Method for complex control of characteristics of water-oil mixture in dynamic state - Google Patents
Method for complex control of characteristics of water-oil mixture in dynamic state Download PDFInfo
- Publication number
- RU2820792C1 RU2820792C1 RU2024109497A RU2024109497A RU2820792C1 RU 2820792 C1 RU2820792 C1 RU 2820792C1 RU 2024109497 A RU2024109497 A RU 2024109497A RU 2024109497 A RU2024109497 A RU 2024109497A RU 2820792 C1 RU2820792 C1 RU 2820792C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- water
- oil
- flow
- mixture
- oil mixture
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 30
- 239000000203 mixture Substances 0.000 title claims abstract description 26
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 71
- 238000005086 pumping Methods 0.000 claims abstract description 18
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 13
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims abstract description 11
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims abstract description 11
- 238000009434 installation Methods 0.000 claims abstract description 10
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 claims abstract description 6
- 230000010365 information processing Effects 0.000 claims abstract description 6
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 claims abstract 2
- 235000019476 oil-water mixture Nutrition 0.000 claims description 34
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 claims description 5
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 235000019198 oils Nutrition 0.000 description 47
- 239000000839 emulsion Substances 0.000 description 37
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 6
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 4
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 4
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 4
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 4
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 3
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 3
- 239000002569 water oil cream Substances 0.000 description 3
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 2
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 2
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 2
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 1
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 1
- 238000010219 correlation analysis Methods 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 238000007872 degassing Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 239000012467 final product Substances 0.000 description 1
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 239000003921 oil Substances 0.000 description 1
- 239000003209 petroleum derivative Substances 0.000 description 1
- 238000003908 quality control method Methods 0.000 description 1
- 239000010802 sludge Substances 0.000 description 1
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 description 1
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 1
Abstract
Description
Изобретение относится к области нефтегазовой промышленности и может быть использовано для ведения технологического режима внутрипромысловой перекачки водонефтяной смеси. The invention relates to the field of oil and gas industry and can be used to maintain the technological regime of in-field pumping of an oil-water mixture.
Технологические процессы нефтедобывающих предприятий, начиная с добычи, внутрипромысловой перекачки и подготовки нефти, заканчивая хранением нефти, связаны с образованием высоковязких водонефтяных эмульсий. На этапе добычи и внутрипромысловой перекачки высоковязкие эмульсии, образующиеся в потоке в трубопроводе, приводят к повышенным энергетическим затратам на перекачку и нагрузкам на оборудование из-за неравномерности потока, вследствие этого происходят вибрации по трубопроводу и явление кавитации. Также происходит усложнение процессов подготовки – включение дополнительного оборудования в технологический процесс, увеличение затрат на обработку деэмульгаторами. В результате образования промежуточных слоёв, представленных множественными эмульсиями, в аппаратах подготовки наблюдаются неточные показатели расходомеров, плотномеров и влагомеров. Попадая в резервуары хранения нефти, промежуточные слои накапливаются на границе раздела фаз нефтяной и водной, что приводит к увеличению нефтесодержащих отходов в виде нефтешлама резервуарного типа. Technological processes of oil production enterprises, from production, in-field pumping and preparation of oil, to oil storage, are associated with the formation of highly viscous oil-water emulsions. At the stage of production and in-field pumping, highly viscous emulsions formed in the flow in the pipeline lead to increased energy costs for pumping and loads on equipment due to uneven flow, as a result of which vibrations along the pipeline and the phenomenon of cavitation occur. There is also a complication of preparation processes - the inclusion of additional equipment in the technological process, an increase in the cost of treatment with demulsifiers. As a result of the formation of intermediate layers represented by multiple emulsions, inaccurate readings of flow meters, density meters and moisture meters are observed in the preparation apparatus. Once in oil storage tanks, intermediate layers accumulate at the interface between the oil and water phases, which leads to an increase in oil-containing waste in the form of tank-type oil sludge.
В начале процесса перекачки водонефтяной смеси со скважин по внутрипромысловому трубопроводу до объектов подготовки в потоке происходит перераспределение водной и нефтяной фаз. Это обусловлено давлением в трубопроводе и температурой, а также скоростью потока. Так как поток идёт со скважин и потом смешивается на кустовых площадках, и только после этого по основным трубопроводам идёт на установки подготовки нефти, то в момент смешения потоков на кусту происходят резкие скачки по обводнённости потока. Так обводнённость скважин с одного куста может варьироваться в среднем до 70-80%.At the beginning of the process of pumping an oil-water mixture from wells through an in-field pipeline to treatment facilities, a redistribution of the water and oil phases occurs in the flow. This is due to pipeline pressure and temperature, as well as flow rate. Since the flow comes from the wells and then mixes at the well pads, and only after that it goes through the main pipelines to the oil treatment plants, then at the moment of mixing the flows at the well pad, sharp jumps in the water cut of the flow occur. Thus, the water cut of wells from one pad can vary on average up to 70-80%.
Водонефтяные эмульсии, как все дисперсные системы обладают способностью к переходу фаз. Вследствие этого, эмульсия из типа «вода в нефти» может переходить в тип «нефть в воде» при определённом соотношении дисперсных фаз. Этот переход называется явлением инверсии – обращение фаз. Каждый тип эмульсии характеризуется различиями в показателе вязкости, так как она зависит от содержания дисперсной фазы, т.е. той фазы, в которой диспергирована другая. Для промысловой перекачки лучшим вариантом является прямой тип эмульсии – нефть в воде, так как такой поток транспортируется при меньших энергетических нагрузках.Water-oil emulsions, like all dispersed systems, have the ability to undergo phase transition. As a result, an emulsion from the “water in oil” type can transform into the “oil in water” type at a certain ratio of dispersed phases. This transition is called the inversion phenomenon - phase reversal. Each type of emulsion is characterized by differences in viscosity, since it depends on the content of the dispersed phase, i.e. the phase in which the other is dispersed. For field pumping, the best option is the direct type of emulsion - oil in water, since such a flow is transported with lower energy loads.
Вследствие явления инверсии фаз происходит резкое увеличение вязкости потока, а затем через непродолжительное время её снижение, в результате этого могут наблюдаться вибрации в трубопроводе и явление кавитации, снижающие срок эксплуатации трубопровода и качество конечного продукта. В связи с этим существует потребность в разработке комплексной методики контроля состояния водонефтяной смеси в потоке для своевременного предотвращения явления инверсии фаз. Due to the phase inversion phenomenon, a sharp increase in the viscosity of the flow occurs, and then after a short time it decreases, as a result of which vibrations in the pipeline and the phenomenon of cavitation can be observed, reducing the service life of the pipeline and the quality of the final product. In this regard, there is a need to develop a comprehensive methodology for monitoring the state of the oil-water mixture in the flow in order to timely prevent the phenomenon of phase inversion.
Из уровня техники известен способ транспортирования высоковязкой водонефтяной эмульсии, включающий введение в нефть реагента-деэмульгатора, разгазирование и частичную сепарацию эмульсии на нефть и воду с последующей перекачкой нефти и воды по одному трубопроводу, осуществляемой для предотвращения образования высоковязких эмульсий в трубопроводе и уменьшения коэффициента гидравлического сопротивления (Авторское свидетельство СССР № 855335 А1, дата приоритета 05.02.1979, дата публикации 15.08.1981, авторы: Розенцвайг А.К. и др., RU).A method of transporting a high-viscosity oil-water emulsion is known from the prior art, including the introduction of a demulsifier reagent into the oil, degassing and partial separation of the emulsion into oil and water, followed by pumping oil and water through one pipeline, carried out to prevent the formation of high-viscosity emulsions in the pipeline and reduce the coefficient of hydraulic resistance (USSR Author's Certificate No. 855335 A1, priority date 02/05/1979, publication date 08/15/1981, authors: Rosenzweig A.K. et al., RU).
Недостатками известного способа является усложнение технологической схемы транспортировки и перекачки нефти, заключающееся в осуществлении поэтапной сепарации до поступления водонефтяной смеси на установки подготовки. Кроме того, не учитываются характеристики водонефтяной смеси в динамическом состоянии.The disadvantages of this known method are the complication of the technological scheme for transporting and pumping oil, which consists in implementing step-by-step separation before the oil-water mixture arrives at the treatment plants. In addition, the characteristics of the oil-water mixture in a dynamic state are not taken into account.
Известен способ определения характеристик эмульсий, включающий зондирование исследуемой дисперсной среды пучком монохроматического светового излучения, фоторегистрацию изображения дисперсных элементов исследуемой среды, анализ этих изображений и определение концентрации и фракционного состава дисперсных элементов. Многократная фоторегистрация изображений окрашенных капель позволяет по смещению координат изображений определить скорость и траектории дискретных капель в исследуемой среде (Авторское свидетельство СССР № 1578588 А1, дата приоритета 06.08.1987, дата публикации 15.07.1990, авторы: Мартынов Ю.В. и др., RU).There is a known method for determining the characteristics of emulsions, including probing the dispersed medium under study with a beam of monochromatic light radiation, photographic recording of images of dispersed elements of the studied medium, analysis of these images and determination of the concentration and fractional composition of dispersed elements. Multiple photographic recording of images of colored drops makes it possible to determine the speed and trajectories of discrete drops in the studied environment from the displacement of image coordinates (USSR Author's Certificate No. 1578588 A1, priority date 08/06/1987, publication date 07/15/1990, authors: Martynov Yu.V. et al., RU).
Однако данный способ не даёт полной информации о характеристиках водонефтяной смеси в динамическом состоянии, таких как вязкость и гидродинамический режим течения жидкости. Кроме того, данный способ предполагает введение фотохромного вещества в поток, которое остаётся в нём, что недопустимо для производства товарной нефти. However, this method does not provide complete information about the characteristics of the oil-water mixture in a dynamic state, such as viscosity and hydrodynamic regime of fluid flow. In addition, this method involves the introduction of a photochromic substance into the stream, which remains in it, which is unacceptable for the production of commercial oil.
В качестве прототипа принят способ оперативного контроля качества нефти и нефтепродуктов, по которому в образце, помещенном в постоянное магнитное поле, выполняют возбуждение сигналов спин-эхо протонного магнитного резонанса сериями радиочастотных импульсов, регистрируют амплитуды спин-эхо в эталонном и измеряемом образцах, после чего определяют концентрацию воды и нефти, согласно соответствующим математическим выражениям, кроме этого, определяют интегральные параметры дисперсного распределения капель воды из времен спин-решеточной релаксации воды по определенной формуле (Патент РФ № 2519496 С1, дата приоритета 24.12.2012, дата публикации 10.06.2014, авторы: Кашаев Р.С. и др., RU, прототип).As a prototype, a method for on-line quality control of oil and petroleum products is adopted, according to which, in a sample placed in a constant magnetic field, proton magnetic resonance spin-echo signals are excited by a series of radio frequency pulses, spin-echo amplitudes are recorded in the reference and measured samples, and then determined the concentration of water and oil, according to the corresponding mathematical expressions, in addition, the integral parameters of the dispersed distribution of water droplets from the times of spin-lattice relaxation of water are determined according to a certain formula (RF Patent No. 2519496 C1, priority date 12/24/2012, publication date 06/10/2014, authors : Kashaev R.S. et al., RU, prototype).
Недостатком прототипа является то, что данный способ не определяет полный комплекс характеристик потока водонефтяной смеси, а именно определяется только уточнённое количество воды и нефти, и параметры дисперсности.The disadvantage of the prototype is that this method does not determine the full range of characteristics of the oil-water mixture flow, namely, only the specified amount of water and oil, and dispersion parameters are determined.
Технической проблемой, решаемой изобретением, является предотвращение возникновения явления инверсии фаз водонефтяной эмульсии в потоке в трубопроводе при осуществлении внутрипромысловой перекачки, которое может быть реализовано за счет разработки динамического метода комплексного контроля характеристик водонефтяной смеси в потоке, алгоритм расчета которых интегрирован в комплексную схему контроля с измерительной установкой и устройством обработки информации. The technical problem solved by the invention is to prevent the occurrence of the phenomenon of phase inversion of the oil-water emulsion in the flow in the pipeline during in-field pumping, which can be implemented through the development of a dynamic method for comprehensive monitoring of the characteristics of the oil-water mixture in the flow, the calculation algorithm of which is integrated into a complex control scheme with measuring installation and information processing device.
Для решения технической проблемы предложен способ комплексного контроля характеристик водонефтяной смеси в динамическом состоянии, заключающийся в определении характеристик водонефтяной смеси в динамическом состоянии, при которых возможно наступление явления инверсии, при этом способ характеризуется тем, что включает алгоритм расчёта характеристик водонефтяного потока в динамическом состоянии, по которому последовательно определяют структуру водонефтяной смеси, тип водонефтяной смеси, её плотность, вязкость смеси в зависимости от структуры потока, среднюю скорость течения потока, гидродинамический режим потока, характеризующийся критерием Рейнольдса, коэффициент гидравлического сопротивления в зависимости от величины критерия Рейнольдса. Получение данных величин характеристик водонефтяной смеси осуществляется, согласно схемы контроля, как показано на фиг. 1, с помощью измерительной установки на кустовой площадке с расходомером гамма-измерителем многофазным, установленным на жидкостной линии, и с поточным ротационным вискозиметром на входе или на выходе измерительной установки, после чего в устройстве обработки информации на основании поступивших данных и произведенных расчетов по соответствующим математическим формулам определяется момент наступления явления инверсии фаз, который характеризуется определённым диапазоном обводнённости, вязкости и гидродинамическим режимом, в котором наблюдается максимальный скачок коэффициента гидравлического сопротивления. С учетом данных о наступлении указанного момента регулируется обводнённость смешанных потоков водонефтяной смеси, идущей с добывающих скважин на кустовую площадку, путём перенаправления потоков для избирательного смешения, при котором величина итоговой обводнённости смешанного потока будет вне рассчитанного диапазона обводнённости, при котором наступает явление инверсии, что позволяет обеспечить стабильное ведение технологического режима перекачки.To solve a technical problem, a method is proposed for comprehensive monitoring of the characteristics of an oil-water mixture in a dynamic state, which consists in determining the characteristics of an oil-water mixture in a dynamic state, in which the onset of an inversion phenomenon is possible, and the method is characterized by the fact that it includes an algorithm for calculating the characteristics of an oil-water flow in a dynamic state, according to which is successively determined by the structure of the oil-water mixture, the type of oil-water mixture, its density, the viscosity of the mixture depending on the flow structure, the average flow rate, the hydrodynamic flow regime, characterized by the Reynolds criterion, the coefficient of hydraulic resistance depending on the value of the Reynolds criterion. Obtaining these values of the characteristics of the oil-water mixture is carried out according to the control scheme, as shown in Fig. 1, using a measuring installation on a well pad with a multiphase gamma meter flowmeter installed on the liquid line, and with a flow rotational viscometer at the inlet or outlet of the measuring installation, after which in the information processing device based on the received data and calculations made using the corresponding mathematical formulas determine the moment of onset of the phase inversion phenomenon, which is characterized by a certain range of water cut, viscosity and hydrodynamic regime in which the maximum jump in the hydraulic resistance coefficient is observed. Taking into account the data on the occurrence of this moment, the water cut of mixed flows of the oil-water mixture coming from production wells to the well pad is regulated by redirecting the flows for selective mixing, in which the value of the final water cut of the mixed flow will be outside the calculated water cut range, at which the inversion phenomenon occurs, which allows ensure stable operation of the pumping process.
Алгоритм расчёта характеристик водонефтяной смеси в динамическом состоянии заключается в следующем.The algorithm for calculating the characteristics of an oil-water mixture in a dynamic state is as follows.
На промыслах для расчета характеристик водонефтяных эмульсий первоначально определяют тип и структуру водонефтяной смеси в потоке (Мищенко И.Т. Расчеты при добыче нефти и газа - М.: Изд-во «НЕФТЬ и ГАЗ» РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина. 2008. - 296 с.).In the fields, to calculate the characteristics of oil-water emulsions, the type and structure of the oil-water mixture in the flow is initially determined (Mishchenko I.T. Calculations for oil and gas production - M.: Publishing house "OIL and GAZ" Russian State University of Oil and Gas named after I.M. Gubkina. 2008. - 296 pp.).
Прежде, чем определять структуру водонефтяной смеси и ее тип, необходимо рассчитать следующие характеристики смеси:Before determining the structure of the oil-water mixture and its type, it is necessary to calculate the following characteristics of the mixture:
– объёмная доля дисперсной фазы в эмульсии: – volume fraction of the dispersed phase in the emulsion:
, , (1) , , (1)
где G н – объёмный расход нефти в м3/с;where G n – volumetric oil flow rate in m 3 /s;
G в – объёмный расход воды в м3/; G in – volumetric flow rate of water in m 3 /;
Объёмный расход воды и нефти:Volumetric flow of water and oil:
, (2) , (2)
(3) (3)
где bн и bв – соответственно объёмные коэффициенты воды и нефти при заданных p и Т.where b n and b in are, respectively, the volumetric coefficients of water and oil at given p and T.
Для воды принимают bв=1, для нефти bн – расчетное.For water take b in =1, for oil b n – calculated.
В нашем случае, bн берем из расчетов технологического режима нефтяного фонда месторождения.In our case, we take b n from calculations of the technological regime of the oil reserve of the field.
1) Выделяют две структуры потока водонефтяной смеси: капельную и эмульсионную. Их область существования оценивается по критической скорости смеси wсм кр (в м/с):1) There are two flow structures of the oil-water mixture: droplet and emulsion. Their area of existence is estimated by the critical speed of the mixture w cm cr (in m/s):
(4) (4)
где D г – гидравлический диаметр канала, м, определяемый по формуле:Where D G – hydraulic diameter of the channel, m, determined by the formula:
(5) (5)
где П – смоченный периметр поперечного сечения канала, м;where P is the wetted perimeter of the channel cross-section, m;
F – площадь поперечного сечения канала, м2. F – cross-sectional area of the channel, m2 .
Для круглой трубы Dг - гидравлический диаметр равен внутреннему диаметру трубы.For a round pipe D g - the hydraulic diameter is equal to the internal diameter of the pipe.
Смоченным периметром называют ту часть периметра живого сечения, по которой жидкость соприкасается со стенками трубопровода. Для круглой трубы, полностью заполненной жидкостью, смоченный периметр равен длине окружности:The wetted perimeter is that part of the perimeter of the live section along which the liquid comes into contact with the walls of the pipeline. For a circular pipe completely filled with liquid, the wetted perimeter is equal to the circumference:
, (6) , (6)
где Dв – внутренний диаметр трубы, м.where D in is the internal diameter of the pipe, m.
Формула для расчета площади поперечного сечения трубы:Formula for calculating the cross-sectional area of a pipe:
(7) (7)
где D в – внутренний диаметр трубы, м.Where D V – internal diameter of the pipe, m.
Также необходимо знать приведённую скорость в м/с водонефтяной смеси в данном сечении канала:It is also necessary to know the reduced speed in m/s of the water-oil mixture in a given section of the channel:
(8) (8)
где G н – объёмный расход нефти в м3/с;where G n – volumetric oil flow rate in m 3 /s;
G в – объёмный расход воды в м3/с; G in – volumetric flow rate of water in m 3 /s;
Если , то водонефтяной поток имеет капельную структуру: внутренняя диспергированная фаза в виде капель диаметром 0,5 – 2 см распределена во внешней непрерывной фазе.If , then the oil-water flow has a droplet structure: the internal dispersed phase in the form of droplets with a diameter of 0.5 - 2 cm is distributed in the external continuous phase.
Если , то водонефтяной поток имеет эмульсионную структуру: диспергированная внутренняя фаза представлена сферическими каплями диаметром 10-3-10-5 см.If , then the water-oil flow has an emulsion structure: the dispersed internal phase is represented by spherical drops with a diameter of 10 -3 -10 -5 cm.
2) Определение типа водонефтяной смеси. 2) Determination of the type of oil-water mixture.
Для капельной структуры потока тип смеси определяется по расходному объемному водосодержанию:For a droplet flow structure, the type of mixture is determined by the volumetric water content:
– если β < 0,5, то смесь будет типа вода в нефти (В/Н) – дисперсной внутренней фазой служит вода, а непрерывной внешней фазой - нефть;– if β < 0.5, then the mixture will be of the water in oil (W/O) type – the dispersed internal phase is water, and the continuous external phase is oil;
– если β > 0,5, то смесь будет типа нефть в воде (Н/В) – дискретной внутренней фазой является нефть, а непрерывной внешней фазой - вода.– if β > 0.5, then the mixture will be of the oil-in-water (O/W) type – the discrete internal phase is oil, and the continuous external phase is water.
Для эмульсионной структуры потока тип смеси определяется не только значением β, но и критической скоростью эмульсии w э кр , вычисляемой так:For an emulsion flow structure, the type of mixture is determined not only by the value of β, but also by the critical velocity of the emulsion w e cr , calculated as follows:
, (9) , (9)
– если β < 0,5 и wсм кр > wэкр — эмульсии типа В/Н; – if β < 0.5 and w cm cr > w screen - emulsions of the W/N type;
– если β < 0,5 и wсм кр wэкр или β > 0,5 - эмульсия типа Н/В.– if β < 0.5 and w cm cr w screen or β > 0.5 - N/V type emulsion.
3) Расчет плотности и вязкости.3) Calculation of density and viscosity.
А) Капельная структура:A) Drop structure:
Рассчитывается поверхностное натяжение нефти на границе с водойThe surface tension of oil at the interface with water is calculated
где σнг , σвг – поверхностное натяжение на границе «нефть-газ» и «вода-газ», мН/м.where σ ng , σ вг – surface tension at the “oil-gas” and “water-gas” boundaries, mN/m.
Поверхностное натяжение σвг – определяется по формуле:Surface tension σ вг – is determined by the formula:
, (10) , (10)
где ρ – текущее давление (в пласте, в трубопроводе, в линии), МПа.where ρ is the current pressure (in the reservoir, in the pipeline, in the line), MPa.
, (11) , (eleven)
Рассчитываются истинные объемные доли фаз в потоке. Для смеси В/Н истинная объемная доля воды:The true volume fractions of the phases in the flow are calculated. For a W/H mixture, the true volume fraction of water is:
, (12) , (12)
, (13) , (13)
где wв пр – приведенная скорость воды, м/с; where w in pr – reduced water velocity, m/s;
ρв, ρн – соответственно плотности воды и нефти при заданных р и Т, кг/м3.ρ in , ρ n - respectively, the density of water and oil at given p and T, kg/m 3 .
Истинная объемная доля внешней фазы (нефти): True volume fraction of external phase (oil):
, (14) , (14)
где φв – истинная объемная доля воды,where φ in is the true volume fraction of water,
φн – истинная объемная доля нефти. φн – true volume fraction of oil.
Для смеси Н/В истинная объемная доля нефти:For an N/W mixture, the true volume fraction of oil is:
, (15) , (15)
, (16) , (16)
где wн пр – приведенная скорость нефти, м/с.where w n pr – superficial oil velocity, m/s.
Истинная объемная доля внешней фазы (воды):True volume fraction of external phase (water):
, (17) , (17)
Рассчитывается плотность водонефтяной смеси ρвн:The density of the oil-water mixture ρ int is calculated:
, (18) , (18)
Динамическая вязкость водонефтяной смеси капельной структуры принимается равной динамической вязкости внешней фазы:The dynamic viscosity of the oil-water mixture of the droplet structure is assumed to be equal to the dynamic viscosity of the external phase:
– для смеси В/Н μвн=μн;– for a mixture of B/N μ in = μ n ;
– для смеси Н/В μвн=μв; (19)– for a mixture of H/V μ in = μ in ; (19)
Где μн, μв – соответственно вязкости нефти и воды при данных p и Т, мПа⋅с.Where μ n , μ in – respectively, the viscosity of oil and water at given p and T, mPa⋅s.
Б) Эмульсионная структура.B) Emulsion structure.
Вычисляются истинные объемные доли фаз в эмульсии. Принимая во внимание, что эмульсии характеризуются высокой степенью дисперсности фаз, относительное движение между ними не учитывается, а истинные объемные доли принимаются равными объемным расходным содержаниям:The true volume fractions of the phases in the emulsion are calculated. Taking into account that emulsions are characterized by a high degree of phase dispersion, the relative movement between them is not taken into account, and the true volume fractions are taken equal to the volumetric consumption contents:
, (20) , (20)
, (21) , (21)
Определяется плотность водонефтяной эмульсии:The density of the oil-water emulsion is determined:
, (22) , (22)
, (23) , (23)
Вязкость эмульсии кажущаяся:Apparent emulsion viscosity:
Используя известную формулу [Медведев В.Ф Сбор и подготовка неустойчивых эмульсий на промыслах. Москва. 1987. 144с.], для вязкости ВНЭ в [Тарасов М.Ю., Портнягина С.С. / Технологический расчет нефтегазосепарафионного оборудования с помощью корреляционных зависимостей вязкости водонефтяных эмульсий от плотности нефти/ Статья в электронном журнале Prooнефть. 2022. №2.] уточнили её в зависимости от температуры: Using the well-known formula [Medvedev V.F. Collection and preparation of unstable emulsions in the fields. Moscow. 1987. 144 p.], for the viscosity of VNE in [Tarasov M.Yu., Portnyagina S.S. / Technological calculation of oil and gas separation equipment using correlation dependencies of the viscosity of oil-water emulsions on oil density / Article in the electronic journal Prooneft. 2022. No. 2.] clarified it depending on the temperature:
, (24) , (24)
Так же, определение вязкости возможно по формулам:Also, determination of viscosity is possible using the formulas:
- тип эмульсии В/Н:- emulsion type W/N:
, (25) , (25)
- тип эмульсии Н/В:- type of emulsion N/V:
, (26) , (26)
- для обводнённости эмульсии в диапазонах от 50-70 %:- for emulsion water content in the range from 50-70%:
(27) (27)
4) Основы для расчета процесса наступления инверсии фаз в водонефтяном потоке взяты из расчета трубопроводов по Гужеву А.И. и Медведеву В.Ф.[ Медведев В.Ф Сбор и подготовка неустойчивых эмульсий на промыслах. Москва. 1987. 144с.]:4) The basis for calculating the process of the onset of phase inversion in an oil-water flow is taken from the calculation of pipelines according to A.I. Guzhev. and Medvedev V.F. [Medvedev V.F. Collection and preparation of unstable emulsions in the fields. Moscow. 1987. 144 p.]:
Рассчитывается средняя скорость течения эмульсии:The average emulsion flow rate is calculated:
, (28) , (28)
Рассчитывается критерий Рейнольдса:The Reynolds criterion is calculated:
, (29) , (29)
Рассчитывается коэффициент гидродинамического сопротивления, в зависимости от величины критерия Рейнольдса:The coefficient of hydrodynamic resistance is calculated, depending on the value of the Reynolds criterion:
- критерий Рейнольдса от 0 до 2000 ламинарный режим течения жидкости: - Reynolds criterion from 0 to 2000 laminar fluid flow:
(30) (thirty)
- критерий Рейнольдса от 2000 до 4000 переходный режим течения жидкости:- Reynolds criterion from 2000 to 4000 transient fluid flow:
, (31) , (31)
- критерий Рейнольдса от 4000 до 10 000 (и более) турбулентный режим течения жидкости:- Reynolds criterion from 4000 to 10,000 (or more) turbulent fluid flow:
, (32) , (32)
После проведённого расчёта характеристик водонефтяной смеси, идущей со скважин в коллектор, определяется в каком диапазоне вязкости и обводнённости происходит инверсия фаз. Об этом свидетельствует максимум величины коэффициента гидравлического сопротивления, после которого наблюдается резкое падение вязкости. Его можно увидеть при графическом анализе зависимостей, как показано на фиг. 2.After calculating the characteristics of the oil-water mixture flowing from the wells into the reservoir, it is determined in what range of viscosity and water cut the phase inversion occurs. This is evidenced by the maximum value of the hydraulic resistance coefficient, after which a sharp drop in viscosity is observed. It can be seen by graphically analyzing the dependencies, as shown in Fig. 2.
С учётом этого факта регулируется обводнённость смешанных потоков водонефтяной смеси, идущей с добывающих скважин на кустовую площадку, путём перенаправления потоков для избирательного смешения, при котором величина итоговой обводнённости смешанного потока будет вне рассчитанного диапазона обводнённости, при котором наступает явление инверсии, что позволяет обеспечить стабильное ведение технологического режима перекачки и избежать вибраций трубопровода, порывов и явления кавитации.Taking this fact into account, the water cut of mixed flows of the oil-water mixture coming from production wells to the well pad is regulated by redirecting the flows for selective mixing, in which the value of the final water cut of the mixed flow will be outside the calculated water cut range, at which the inversion phenomenon occurs, which allows for stable production technological pumping mode and avoid pipeline vibrations, gusts and cavitation phenomena.
Так же, перепады обводнённости при смешении потоков возможно регулировать скоростью и рабочими параметрами насосного оборудования.Also, differences in water cut when mixing flows can be adjusted by the speed and operating parameters of the pumping equipment.
Заявленный способ комплексного контроля характеристик водонефтяной смеси в динамическом состоянии позволяет учесть все характеристики потока, необходимые для предотвращения явления инверсии фаз, тем самым, позволяя вести технологический процесс внутрипромысловой перекачки стабильно, без перепадов давления в трубопроводе и образования множественных эмульсий в турбулентном ядре потока, которые осложняют технологические процессы подготовки и хранения нефти в дальнейшем. The claimed method for comprehensive control of the characteristics of an oil-water mixture in a dynamic state allows taking into account all the flow characteristics necessary to prevent the phenomenon of phase inversion, thereby allowing the technological process of in-field pumping to be carried out stably, without pressure drops in the pipeline and the formation of multiple emulsions in the turbulent core of the flow, which complicate technological processes of oil preparation and storage in the future.
Пример. Были взяты характеристики добываемой нефти с нефтегазового месторождения центральной Сибири. Example. The characteristics of the produced oil were taken from an oil and gas field in central Siberia.
Конструктивная система измерительной установки представляет собой набор средств измерений массы жидкости и газа, плотности, температуры, давления и объёмного содержания воды в водонефтяной смеси.The constructive system of the measuring installation is a set of instruments for measuring the mass of liquid and gas, density, temperature, pressure and volumetric water content in the oil-water mixture.
На входе в измерительную установку устанавливается поточный ротационный вискозиметр для определения вязкости водонефтяного потока, а также вязкости воды и нефти.An in-line rotational viscometer is installed at the entrance to the measuring installation to determine the viscosity of the oil-water flow, as well as the viscosity of water and oil.
Смешанный водонефтяной поток скважинной продукции поступает на измерительную установку на кустовой площадке, где при помощи сепаратора разделяется на газ и жидкость. The mixed water-oil flow of well production is supplied to a measuring installation at the well pad, where it is separated into gas and liquid using a separator.
На жидкостной линии в измерительной установке устанавливается расходомер гамма-измеритель многофазный, который с помощью гамма-излучения даёт данные о фазовом состоянии потоков в эмульсии, а в газовой линии – кориолисовый расходомер.A multiphase gamma flow meter is installed on the liquid line in the measuring installation, which, using gamma radiation, provides data on the phase state of flows in the emulsion, and a Coriolis flow meter is installed in the gas line.
Далее после разделения в сепараторе потоки направляются на жидкостную и газовую линии. В каждой линии замеряются количественные характеристики: масса жидкости и газа, объёмная доля воды (с помощью расходомеров, влагомеров). Next, after separation in the separator, the flows are sent to the liquid and gas lines. Quantitative characteristics are measured in each line: mass of liquid and gas, volume fraction of water (using flow meters, moisture meters).
Результаты измерений передаются в устройство обработки информации.The measurement results are transmitted to the information processing device.
В устройстве обработки информации вычисляются:In the information processing device the following are calculated:
- расход жидкости и газа в кг/с;- liquid and gas consumption in kg/s;
- объём газа м3/сут;- gas volume m 3 /day;
- плотность нефти и воды кг/м3;- density of oil and water kg/ m3 ;
- объёмная доля фаз в эмульсии т/ч;- volume fraction of phases in the emulsion t/h;
- плотность эмульсии кг/м3;- emulsion density kg/ m3 ;
- коэффициент гидравлического сопротивления;- coefficient of hydraulic resistance;
- критический диапазон обводнённости и значений вязкости потока для наступления явления инверсии фаз.- critical range of water cut and flow viscosity values for the onset of the phase inversion phenomenon.
Далее, согласно алгоритма расчёта характеристик водонефтяной смеси, определяются диапазоны обводнённости потока, вязкости, при которых наступает инверсия фаз.Next, according to the algorithm for calculating the characteristics of the water-oil mixture, the ranges of water cut of the flow and viscosity at which phase inversion occurs are determined.
Расчет куста показал, что структура водонефтяной смеси эмульсионная, дисперсной фазой является нефть – средняя объёмная доля воды βв=0,36, средняя объёмная доля нефти βн=0,64, тип водонефтяной смеси – «вода в нефти».Calculation of the pad showed that the structure of the oil-water mixture is emulsion, the dispersed phase is oil - the average volume fraction of water is βw = 0.36, the average volume fraction of oil is βn = 0.64, the type of oil-water mixture is “water in oil.”
По данным фиг.3, при расчетах коэффициента гидравлического сопротивления и вязкости потока установлено, что зависимость этих величин высока, так как коэффициент достоверности аппроксимации равен R2=0,70, коэффициент корреляции равен А=0,99. According to figure 3, when calculating the coefficient of hydraulic resistance and flow viscosity, it was found that the dependence of these quantities is high, since the approximation reliability coefficient is equal to R2=0.70, the correlation coefficient is equal to A=0.99.
Также, корреляционный анализ показал, что зависимость коэффициента гидравлического сопротивления от вязкости эмульсии выше, чем зависимость от средней скорости течения эмульсии, так как коэффициент достоверности аппроксимации равен R2=0,49, коэффициент корреляции равен А=0,70.Also, correlation analysis showed that the dependence of the hydraulic resistance coefficient on the viscosity of the emulsion is higher than the dependence on the average flow velocity of the emulsion, since the approximation reliability coefficient is equal to R2 = 0.49, the correlation coefficient is equal to A = 0.70.
Проведённые расчеты показывают фиг.4, что степень соответствия выбранной трендовой модели исходным данным высока и теоретическое распределение описывает реальное распределение величин. The calculations performed show Fig. 4 that the degree of correspondence of the selected trend model to the original data is high and the theoretical distribution describes the real distribution of values.
Этим подтверждается наличие зависимости коэффициента гидравлического сопротивления от вязкости и обводнённости водонефтяного потока.This confirms the existence of a dependence of the hydraulic resistance coefficient on the viscosity and water cut of the oil-water flow.
Поэтому далее были проведены расчеты по определению зависимостей распределения величины коэффициента гидравлического сопротивления от изменения объёмной доли воды и вязкости потока. Результаты представлены на фиг.5.Therefore, further calculations were carried out to determine the dependences of the distribution of the hydraulic resistance coefficient on changes in the volume fraction of water and flow viscosity. The results are presented in Fig. 5.
Также был проведён графический анализ зависимости коэффициента гидравлического сопротивления от изменения объёмной доли воды.A graphical analysis of the dependence of the hydraulic resistance coefficient on changes in the volume fraction of water was also carried out.
Согласно графику, на фиг. 5 в диапазоне объёмной доли воды от 0,63-0,75 наблюдается скачок по величине вязкости и коэффициента гидравлического сопротивления, что подтверждает наличие явления инверсии фаз в водонефтяном потоке.According to the graph, in Fig. 5 in the range of the volume fraction of water from 0.63-0.75 there is a jump in the value of viscosity and coefficient of hydraulic resistance, which confirms the presence of the phenomenon of phase inversion in the water-oil flow.
Продукция добывающих скважин под устьевым давлением (Ррасч – 6,3 МПа, Рмин – 0,5 МПа, Рраб - 4,0 МПа) поступает по нефтесборному коллектору в систему ПТ.The production of production wells under wellhead pressure (Rcalc - 6.3 MPa, Pmin - 0.5 MPa, Prab - 4.0 MPa) enters the oil-gathering reservoir into the PT system.
Согласно графической зависимости падения давления в трубопроводе от вязкости потока (фиг.6), падение давление на участке трубопровода с кустовой площадки 216 в промысловый трубопровод в среднем составляет 0,4 МПа, однако в момент повышения вязкости до 12,09 сПз (точка инверсии фаз) наблюдается падение давления 1,2 МПа. According to the graphical dependence of the pressure drop in the pipeline on the viscosity of the flow (Fig. 6), the pressure drop in the pipeline section from well pad 216 to the field pipeline averages 0.4 MPa, however, at the moment the viscosity increases to 12.09 cP (phase inversion point ) a pressure drop of 1.2 MPa is observed.
В результате расчёта характеристик потока водонефтяной смеси на кустовой площадке с нефтегазового месторождения согласно разработанного метода, установлено, что поток имеет эмульсионную структуру, при значениях вязкости 12,09 сПз и обводнённости смешанного потока 73% подтверждается наличие явления инверсии фаз, в результате чего наблюдается падение давление в трубопроводе 1,2 МПа (фиг.6).As a result of calculating the characteristics of the flow of an oil-water mixture at a well pad from an oil and gas field according to the developed method, it was established that the flow has an emulsion structure, with a viscosity value of 12.09 cP and a water cut of the mixed flow of 73%, the presence of a phase inversion phenomenon is confirmed, as a result of which a pressure drop is observed in the pipeline 1.2 MPa (Fig. 6).
Данная информация выводится сменному персоналу на пульт управления. Далее оперативный персонал принимает решения по регулированию потока с помощью задвижек на трубопроводе на кустовой площадке, либо регулируется работа насосного оборудования.This information is displayed to shift personnel on the control panel. Next, the operating personnel makes decisions on regulating the flow using valves on the pipeline at the well pad, or regulating the operation of pumping equipment.
На действующих нефтяных месторождениях регулирование смешения потоков возможно реализовать путём строительства дополнительного трубопровода, соединяющего потоки, идущие со скважин, для избирательного смешения их между собой.In operating oil fields, regulation of flow mixing can be achieved by constructing an additional pipeline connecting flows coming from wells to selectively mix them with each other.
На вновь вводимых нефтяных месторождениях необходимо строить трубопровод на кустовые площадки таким образом, чтобы все скважины были связаны между собой и была возможность смешивать потоки с учётом их обводнённости и регулировать направление потоков с помощью электрозадвижек.At newly commissioned oil fields, it is necessary to build a pipeline to well pads in such a way that all wells are connected to each other and it is possible to mix flows taking into account their water content and regulate the direction of flows using electric valves.
Технический результат, достигаемый изобретением, заключается в предотвращении явления инверсии фаз и в обеспечении стабильного ведения технологического процесса внутрипромысловой перекачки.The technical result achieved by the invention is to prevent the phenomenon of phase inversion and ensure stable operation of the technological process of in-field pumping.
Claims (1)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2820792C1 true RU2820792C1 (en) | 2024-06-10 |
Family
ID=
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU855335A1 (en) * | 1979-02-05 | 1981-08-15 | Татарский Государственный Научно-Исследовательский И Проектный Институт Нефтяной Промышленности | Method of transporting high-viscous water-oil emulsion |
SU1578588A1 (en) * | 1987-08-06 | 1990-07-15 | Институт Проблем Механики Ан Ссср | Method of determining characteristics of emulsions |
US6570382B1 (en) * | 1999-12-10 | 2003-05-27 | Schlumberger Technology Corporation | Nuclear magnetic resonance method and logging apparatus |
RU2519496C1 (en) * | 2012-12-24 | 2014-06-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский государственный энергетический университет" (ФГБОУ ВПО "КГЭУ") | Method of oil and oil product in-process quality control |
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU855335A1 (en) * | 1979-02-05 | 1981-08-15 | Татарский Государственный Научно-Исследовательский И Проектный Институт Нефтяной Промышленности | Method of transporting high-viscous water-oil emulsion |
SU1578588A1 (en) * | 1987-08-06 | 1990-07-15 | Институт Проблем Механики Ан Ссср | Method of determining characteristics of emulsions |
US6570382B1 (en) * | 1999-12-10 | 2003-05-27 | Schlumberger Technology Corporation | Nuclear magnetic resonance method and logging apparatus |
RU2519496C1 (en) * | 2012-12-24 | 2014-06-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский государственный энергетический университет" (ФГБОУ ВПО "КГЭУ") | Method of oil and oil product in-process quality control |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Falcone | Multiphase flow metering principles | |
Wang et al. | Investigation on heavy crude-water two phase flow and related flow characteristics | |
US5390547A (en) | Multiphase flow separation and measurement system | |
Sotgia et al. | Experimental analysis of flow regimes and pressure drop reduction in oil–water mixtures | |
Dehkordi et al. | CFD simulation with experimental validation of oil-water core-annular flows through Venturi and Nozzle flow meters | |
Wen et al. | Effective viscosity prediction of crude oil-water mixtures with high water fraction | |
Nädler et al. | The effect of gas injection on the flow of immiscible liquids in horizontal pipes | |
Zhang et al. | Rheological behaviour of oil and water emulsions and their flow characterization in horizontal pipes | |
Ganat et al. | Experimental investigation of high-viscosity oil–water flow in vertical pipes: flow patterns and pressure gradient | |
Skjefstad et al. | The effect of upstream inlet choking and surfactant addition on the performance of a novel parallel pipe oil–water separator | |
Rajan et al. | Multiphase flow measurement techniques—a review | |
Bannwart et al. | Water-assisted flow of heavy oil in a vertical pipe: Pilot-scale experiments | |
RU2820792C1 (en) | Method for complex control of characteristics of water-oil mixture in dynamic state | |
Colombo et al. | Water holdup estimation from pressure drop measurements in oil-water two-phase flows by means of the two-fluid model | |
Ganat et al. | Experimental investigation of oil-water two-phase flow in horizontal, inclined, and vertical large-diameter pipes: Determination of flow patterns, holdup, and pressure drop | |
Urdahl et al. | Development of a new, compact electrostatic coalescer concept | |
Gonzalez et al. | Pipe flow experiments of unstable oil-water dispersions with three different oil viscosities: Flow pattern, pressure drop and droplet size measurements | |
Chen et al. | Experimental investigation on flow patterns and pressure gradients of shale oil–water flow in a horizontal pipe | |
Ganat | Experimental investigation of viscous oil–water–sand flow in horizontal pipes: Flow patterns and pressure gradient | |
Archibong-Eso et al. | Particle-transport mechanism in liquid/liquid/solid multiphase pipeline flow of high-viscosity oil/water/sand | |
Błaszczyk et al. | Modeling and experimental data of the flow of highly concentrated emulsions in porous media | |
Asheim et al. | Holdup propagation predicted by steady-state drift flux models | |
Shmueli et al. | Oil/Water Pipe-flow dispersions: From traditional flow loops to real industrial-transport conditions | |
Asaadian et al. | Experimental quantification of the performance of a horizontal multi-pipe bulk separator of water and oil with crude spiking | |
Schümann et al. | Experimental investigation of the development of surfactant stabilized oil-water pipe flow downstream of a choke valve |