image
energas.ru

Газовая промышленность № 5 2017

Освоение шельфа

01.05.2017 11:00 КОЛЕБАТЕЛЬНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В СИСТЕМАХ СБОРА И ПОДГОТОВКИ УГЛЕВОДОРОДОВ НА МОРСКИХ МЕСТОРОЖДЕНИЯХ
В статье проведено исследование пульсационных характеристик давления и расхода газа в системах сбора и подготовки скважинной продукции на основе промысловых данных, полученных в ходе реализации концепции управления режимами течения газонефтяного потока на морском месторождении «Белый Тигр» (Социалистическая Республика Вьетнам) с использованием методов корреляционного анализа. На основе проведенного анализа в спектре пульсаций давления и расхода газа выявлено наличие как крупномасштабных, так и мелкомасштабных пульсаций, установлено наличие динамической связи в системах добычи, сбора и подготовки углеводородов, а также сделаны выводы о влиянии соотношения фаз в потоке на динамическую связь в системе «трубопровод – установка подготовки» и возможности оптимизации режима работы систем добычи, сбора и подготовки углеводородов на морских месторождениях без применения крупномасштабных пробкоуловителей.
Ключевые слова: МНОГОФАЗНЫЙ ТРАНСПОРТ, УПРАВЛЕНИЕ РЕЖИМАМИ ТЕЧЕНИЯ, ПУЛЬСАЦИИ, КОРРЕЛЯЦИОННЫЙ АНАЛИЗ, ОБУСТРОЙСТВО МОРСКИХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ, ПРОБКОУЛОВИТЕЛЬ, ГАЗОЖИДКОСТНЫЕ ПРОБКИ, ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ, СИСТЕМЫ СБОРА И ПОДГОТОВКИ УГЛЕВОДОРОДОВ.
Открыть PDF


При проектировании систем добычи, сбора и подготовки углеводородов обычно соблюдается соответствие между объектами этой технологической цепочки по средним параметрам потока (расходов, давлений и т. д.). Иными словами, номинальные производительности последовательно соединенных объектов должны совпадать. При относительно небольших протяженностях и пологих рельефах трасс систем сбора и внутрипромыслового транспорта, характерных для сухопутных месторождений, такой подход позволял создавать устойчиво работающие системы обустройства в широком диапазоне изменения параметров многофазной продукции скважин.

Развитие морской нефтегазодобычи с уклоном на подводное обустройство месторождения требует создания протяженных (свыше 100 км) и сильно рельефных систем сбора и внутрипромыслового транспорта углеводородов с трубопроводами большого диаметра для подачи продукции скважин в многофазном состоянии к установкам подготовки. Для глубоководных месторождений суммарная высота подъемов может достигать нескольких километров.

Как показывает опыт эксплуатации таких систем, существует высокая вероятность возникновения интенсивных колебаний параметров многофазного потока, которые могут существенно снижать эффективность работы установок подготовки углеводородов к транспорту вплоть до их полной остановки. Таким образом, наличие соответствия между объектами морского нефтегазового промысла по средним параметрам потока не всегда обеспечивает эффективную работу системы обустройства шельфового месторождения. Для компенсации негативного влияния пульсаций газожидкостного потока на выходе из трубопровода на работу системы подготовки по возможности размещается крупногабаритный сепаратор – пробкоуловитель (рис. 1). В этом случае неравномерно поступающая газожидкостная смесь разделяется по фазам и интенсивность колебаний кратно уменьшается. Фактически данный пробкоуловитель разрывает динамическую связь в промысловой системе и обеспечивает технологическую связь по средним параметрам потоков.

При размещении установок подготовки на морской платформе места для размещения такого крупногабаритного сепаратора нет. Поэтому необходимо искать другие пути снижения влияния пульсаций многофазного потока на эффективность работы установок. Для этого в первую очередь необходимо разработать методологию проведения исследований и выявить динамические взаимосвязи в системе «трубопровод – установка подготовки».

Известно, что колебательные процессы, сопровождающие движение газожидкостных смесей в системах сбора, подготовки и внутрипромыслового транспорта углеводородов, обладают определенной долей стохастичности.

Для исследования таких процессов достаточно успешно используется корреляционный анализ, в котором основными являются:

• автокорреляционная функция:

    1_1_3.png,        (1)

где t – задержка по времени между двумя значениями измеряемого параметра; ¦¢(t) – пульсационная составляющая мгновенного значения параметра f = 1_1_2.png+ f¢ в момент времени t; 1_1_2.png– средняя составляющая измеряемого параметра; Т – период осреднения.

Функция R(t) позволяет определить скрытые периодичности в стохастическом процессе, т. е.
из совокупности случайных колебаний одного параметра ¦ (например, давления) выделяется повторяющийся периодический сигнал;

• функция взаимной корреляции:

1_1.png1_1_1.png,          (2)

где ¦a¢(t), ¦¢b(t + t) – пульсационные составляющие мгновенных значений параметров ¦a(t), ¦b(t + t)
в моменты времени t и t + t, где t – задержка во времени между сигналами.

Значение Rab(t) при задержке t = 0 есть коэффициент взаимной корреляции, характеризующий наличие связи между двумя процессами.

С помощью этой функции возможно выделить внутреннюю корреляционную связь между двумя процессами на фоне общей стохастичности процессов, протекающих в системах добычи, сбора и подготовки углеводородов.

В 1990-х гг. в период интенсивного роста добычи нефти на месторождении «Белый Тигр», расположенного на шельфе Южно-Китайского моря (СРВ), была реализована концепция управления режимами течения газонефтяного потока в подводных трубопроводах в целях снижения их влияния на эффективность работы системы подготовки нефти. Последующая обработка промысловых данных, полученных в ходе освоения данной концепции, выполненная авторами с использованием методов корреляционного анализа, позволила обобщить результаты исследований на базе методологии динамических связей в системе «трубопровод – установка подготовки» на морском месторождении. Выводы и рекомендации, полученные в результате такого анализа, могут быть использованы при выборе оптимальных схем размещения промысловых объектов при различных видах обустройства морских месторождений.

На рис. 2 представлена принципиальная схема нефтегазодобывающего комплекса, включающего системы добычи, сбора и подготовки нефти и газа на центральном своде нефтяного месторождения «Белый Тигр», которое разрабатывается с использованием надводного вида обустройства [1]. Газожидкостная смесь по подводным трубопроводам поступает от скважин, располагающихся на отдельно стоящих блок-кондукторах (БК), на центральную технологическую платформу (ЦТП), где происходит подготовка нефти и газа к транспорту.

1_1_4.png

Как показывает опыт, в процессе эксплуатации такой системы в зависимости от соотношения фаз в потоке на входе в сепараторы первой ступени C-1.1, С-1.2, С-1.3 могут возникать значительные колебания давления, расходов фаз и т. д. Это связано в первую очередь с формированием газожидкостных пробок в восходящих участках подводных трубопроводов, длина которых составляет 75 м (глубина моря в районе месторождения «Белый Тигр» – 50 м).

Поступление этих пробок в сепараторы может привести к их перегрузке и, следовательно, к уменьшению эффективности сепарации. Соответственно, произойдет уменьшение объема выхода газа.

Использование установок предварительной сепарации газа (УПC) на БК позволяет отделять часть газа из потока и таким образом изменять соотношение фаз в потоке, скорость смеси и, следовательно, такие определяющие критерии, как расходное газосодержание b2 и критерий Фруда Fr.

1_1_5.png

Как известно, именно эти критерии определяют интенсивность пульсаций в пробковом потоке, длины газожидкостных пробок и объем жидкой части пробки. Необходимо отметить, что в реальных промысловых трубопроводах, транспортирующих многофазные углеводородные смеси, в спектре пульсаций могут присутствовать колебания различных масштабов, имеющие разные источники [2]. К ним относятся:

• неравномерность работы скважин;

• режим течения смеси;

• рельеф трубопровода;

• работающее оборудование (насосы, компрессоры, тепло­обменники и т. д.).

На каждом конкретном месторождении в зависимости от схемы подключения нефтепромысловых объектов в общую систему сбора могут доминировать те или иные источники формирования общего спектра пульсаций. Поэтому наряду с пульсациями, связанными с режимами течения, необходимо учитывать возможность наличия пульсаций, связанных с другими источниками.

Методика проведения исследований была составлена таким образом, чтобы охватить практически весь диапазон изменения критериев b и Fr, в котором проявляется их влияние на характеристики пульсаций. Автомодельность по числу Фруда для интенсивности пульсаций, длинам газожидкостных пробок и их жидкой части наступает при значениях Fr > 12 [2]. Поэтому из всего массива промысловых данных для обработки были отобраны тренды мгновенных значений давлений и расходов, при которых изменение числа Фруда происходило в диапазоне 0,4 < Fr < 19, и при этом расходное газосодержание b2 изменялось от 0,85 до 0. Как было отмечено, изменение этих двух критериев производилось путем отбора части газа из общего потока продукции скважины с помощью УПС, установленной на БК.

36-41_Харченко.jpg

Отобранные тренды мгновенных значений давления на стояке ЦТП и расхода газа на выходе из сепаратора обрабатывались с использованием специальной программы, которая проводила их «нормирование» (вычитание среднего значения из общего сигнала) и последующий расчет нормированных автокорреляционных функций и коэффициентов взаимной корреляции [3].

Типичная нормированная автокорреляционная функция измеряемых параметров приведена на рис. 3, а взаимокорреляционная функция – на рис. 4.

Как уже было отмечено, по автокорреляционным функциям можно оценить масштаб, т. е. размер максимальных возмущений в системе. Для этого необходимо определить время задержки t0, при котором автокорреляционная функция достигает первый раз своего ноля. Считая, что возмущение распространяется со средней скоростью потока w, получаем, что средний масштаб возмущений равен:

                L = wt0.                (3)

При этом необходимо учитывать, что такой подход можно применять только в стационарных режимах работы системы.
В переходных режимах при значительном изменении расхода, давления или температуры скорость распространения возмущений в среде равна скорости звука в этой среде.

1_1_6.png

Анализируя автокорреляционные функции пульсаций давления с использованием формулы (3), получаем, что при b = 0,82 и Fr = 0,48 средний размер возмущений составляет около 200 м. Возмущения такого размера можно ассоциировать с размерами газожидкостных пробок, формирующихся в стояке (L = 75 м) и прилегающей к нему горизонтальной части трубопровода. Колебания такого рода зависят не только от расходов фаз, но и от рельефа трубопровода и поэтому в литературе получили название «рельефные» [4].

1_1_7.png

Характерной особенностью автокорреляционных функций, полученных при реализации газожидкостного потока (рис. 3), является наличие мелкомасштабных высокочастотных флуктуаций в общем тренде.

Данный факт свидетельствует о том, что в двухфазном потоке наряду с рассматриваемыми выше крупномасштабными возмущениями существуют также относительно мелкомасштабные воз­мущения, связанные с пробковым режимом течения смеси [2].
Аналогичные флуктуации наблюдаются также и в трендах автокорреляционных функций пульсаций расхода газа на выходе из сепаратора при поступлении в него газожидкостной смеси. Причем их интенсивность снижается при уменьшении расходного газосодержания в потоке. Одновременно с этим происходит увеличение периода крупномасштабных пульсаций, что свидетельствует о более стабильном процессе разгазирования в сепараторе.

Наличие наиболее сильной динамической связи между возмущениями, поступающими в сепаратор, и возмущениями на выходе из сепаратора по газовой линии при высоких газосодержаниях (b = 0,75) подтверждается и величиной взаимной корреляции RPG(0) между этими процессами (рис. 5).

1_1_8.png

Таким образом, корреляционный анализ пульсаций давления и расхода газа (или равномерности процесса разгазирования) показал, что при высоких газосодержаниях потока, поступающего в сепаратор, зависимость эффективности разгазирования от стабильности работы трубопроводной системы вдвое больше аналогичного показателя при низких газосодержаниях (b < 0,7), причем полученные коэффициенты взаимных корреляций как для двухфазного потока при b ≤ 0,7, так и для однофазного потока совпадают и равны RPG(0) ≈ 0,22¸0,24.

В результате проведенного анализа пульсационных характеристик давления и расхода газа в сепараторе с использованием корреляционного анализа показано, что:

• систему добычи, сбора и подготовки на морских нефтегазовых месторождениях можно рассматривать как взаимосвязанную динамическую систему;

• в системе сбора на месторождении «Белый Тигр» в спектре пульсаций определяющих параметров присутствуют два масштаба возмущений: крупномасштабные пульсации с периодом до 20 мин и мелкомасштабные пульсации, обусловленные пробковым движением смеси в восходящих участках трубопровода. Период последних составляет не более 1 мин;

• при высоких газосодержаниях потока (b > 0,7) взаимодействие между системами сбора и подготовки в два раза выше, чем при низких газосодержаниях, вплоть до b = 0 (однофазный поток). Это выражается в неравномерной загрузке сепараторов и, следовательно, в снижении эффективности разделения фаз.

Проведенные исследования показали, что регулированием форм течения в рельефных трубопроводах можно перевести газожидкостной поток в беспульсационную область, снизить динамическую связь в системе «трубопровод – установка подготовки» и оптимизировать режимы работы систем сбора и подготовки углеводородов на морских месторождениях без применения крупномасштабных пробкоуловителей.



← Назад к списку