استفاده از جریان سنج فراصوتی برای اندازه‌گیری جریان چندفازی

فاطمه یاس

کاربر ممتاز
دستگاه جریان سنج چندفازی برای اندازه‌گیری همزمان دبی تولیدی نفت و گاز، درصد آب تولیدی و نسبت گاز به نفت در چاههای تولیدی نفت و گاز مورد استفاده قرار می‌گیرد.

چکیده

دستگاه جریان سنج چندفازی پس از نصب، با قرار گرفتن در مسیر جریان تولیدی از طریق لوله و اتصالات مربوطه دبی نفت و گاز را اندازه‌گیری و ثبت می‌کند. با اندازه‌گیری پیوسته مقدار و نسبت این سیالات در یک فاصله زمانی خاص (بسته به نوع و مقدار سیال تولیدی و شرایط چاه) از مقادیر اندازه‌گیری شده میانگین گرفته و مقدار تولید نفت، آب و گاز هر چاه مشخص می‌شود. استفاده از این دستگاه در مقایسه با سیستمهای فعلی دارای مزایایی مانند زمان اندازه‌گیری کوتاه، وزن کم دستگاه، نیاز نداشتن به جداسازی فازها و خارج کردن چاه از مدار تولید است.
در این مقاله ابتدا مفاهیم مربوط به فناوری مزبور مورد بحث قرار گرفته و سپس به شرح اولین تجربه استفاده از این دستگاه در چاههای یکی از میدانهای جنوب کشور پرداخته شده و راهکارهای استفاده از این فناوری مورد بحث قرار می‌گیرد.

مقدمه


جریانهای چندفازی یکی از مهمترین بحثهای اندازه‌گیری در صنایع نفت و گاز هستند که استفاده از آن در بخشهایی از سامانه تولید اجتناب ناپذیر است، از آن جمله می‌توان به جریان چندفازی در ستون چاه و به دنبال آن در لوله‌های انتقال از چاه تا واحد بهره‌برداری اشاره کرد. در میدانهای دریایی که امکان تفکیک فازهای موجود تا فواصل زیادی امکانپذیر نیست این مسئله و مشکلات ناشی از آن بسیار مورد توجه قرار گرفته‌اند. در میدانهای خشکی مهمترین مشکل موجود، در زمینه انتقال و اندازه‌گیری این نوع جریانهاست. آگاهی داشتن از جریان نفت، گاز و برش آب در سیال تولیدی از مخزن به تفکیک هرچاه در زمینه‌هایی مانند مدیریت مخزن، توسعه میدانها، کنترل عملیات، اطمینان از سلامت جریان(Flow Assurance) و تخصیص تولید (Production Allocation) امری ضروری است.


روشهای محاسبه دبی سیالات


برای محاسبه دبی سیال روشهای متفاوتی به کار می‌رود. روش مورد استفاده فعلی بر مبنای اختلاف فشار جریان سیال در دو طرف یک کاهنده جریان (Choke) استوار است. به این صورت که در مسیر جریان سیال دو عدد سرلوله (Flange) تعبیه و یک کاهنده جریان در بین این دو سرلوله گذاشته می‌شود. (قطر دهانه کاهنده جریان با توجه به محل و پیش‌بینی دبی و مشخصات سیال و در نظر داشتن قطر لوله طراحی می‌شود) بر روی دو سرلوله، محل اندازه‌گیری فشار منظور می‌شود.


روش دیگر در اندازه‌گیری جریان، تفکیک آن و اندازه‌گیری توسط جریان‌سنج‌های تک فاز است. از آنجا که پس از فرآیند تفکیک در واحد بهره‌برداری، امکان تعیین دبی هرکدام از فازها به طور مجزا برای هر چاه به دلیل ترکیب جریان چاهها امکان‌پذیر نیست، بنابراین در صورت نیاز به داده‌های مربوط به تولید چاه، باید به تفکیک جریان خروجی از هر چاه قبل از واحد بهره‌برداری و اندازه‌گیری دبی هر فاز توجه کرد و این کار را انجام داد.

روش مرسوم دیگر در مورد جریانهای دو یا سه فازی، استفاده از تفکیک‌گر سیار است که عملیات آنها بسیار پر زحمت و پرهزینه بوده و نیازمند نیروی انسانی، تعمیر و نگهداری مداوم است. با این حال بسیاری از نیازهای موجود توسط این روش رفع نمی‌شود. از جمله این‌که این دستگاهها قادر به پایش و اندازه‌گیری دائم نیستند و داده‌های به دست آمده به صورت درجا به دست نمی‌آیند. با توسعه میدانها در نقاطی که دسترسی به سامانه‌های تولید دشوارتر است این مسائل به طور محسوس‌تری وجود دارند. گزینه‌ای که امروز جایگزین این روش شده و به تدریج درحال گسترش بوده، استفاده از جریان‌سنج‌های چندفازی(MPFM) است. این فناوری توانسته بسیاری از نیازهای صنعت در مورد اندازه‌گیری جریانهای چندفازی و از طرف دیگر مشکلات و محدودیتهای روشهای مرسوم را رفع کند.


این فناوری از دهه ١٩٨٠ پا به عرصه صنایع نفت و گاز نهاده و به مرور زمان با بهره‌گیری از پیشرفتهای علمی و فنی تکمیل شده و امروز می‌تواند جوابگوی بسیاری از نیازهای صنعت در این زمینه باشد. دستگاه جریان سنج چندفازی برای اندازه‌گیری همزمان دبی تولیدی نفت، درصد آب تولیدی و نسبت گاز به نفت در چاههای تولیدی نفت و گاز مورد استفاده قرار می‌گیرد. این دستگاه به صورت یکپارچه و نصب شده بر روی تریلر قابل حمل بر روی چاه است و پس از آن با قرار گرفتن در مسیر جریان تولیدی از طریق لوله و اتصالات مربوطه به صورت مستقیم، دبی‌ها را اندازه‌گیری و ثبت می‌کند.

مهمترین زمینه‌هایی که نیاز به استفاده از این فناوری احساس می‌شود، عبارتند از:
پایش و مدیریت تولید یک چاه به منظور، بهینه‌سازی تولید (Production Optimization)، اطمینان جریان (Flow Assurance)، چاه‌آزمایی و اندازه‌گیری میزان و خصوصیات تولید نفت و گاز.


فناوریهای مورد استفاده در ساخت جریان سنج‌های چندفازی

جریان سنج‌های چندفازی معمولاً ترکیبی از دو یا چند فناوری هستند که برخی از آنها عبارتند از:

- اندازه‌گیری الکترو مغناطیس- فناوری مایکرو ویو (Microwave Technology)
- ظرفیت الکتریکی- خازنی(Capacitance)- ظریب هدایت الکتریکی (Conductance)- طیف سنجی یا چگالی سنجی با استفاده از اشعه گاما (Gamma ray densitometry or spectroscopy)
- نوترون -سنجی(Neutron Interrogation)- فشار جزئی با استفاده از ونچوری، مخروط Vشکل و اوریفیس
- جابجایی مثبت(Positive Displacement)- رابطه عرضی(Cross-Correlation) سیگنالهای الکترومغناطیس، رادیواکتیو، فراصوت (به منظور محاسبه سرعتهای فازهای جریان)
- استفاده از امواج فراصوت

دستگاه شرکت NPS که در چاههای یکی از میدانهای مناطق نفتخیزجنوب مورد استفاده قرار گرفته و مورد بحث این مقاله است از حسگرهای فراصوت و صفحات اورفیس در کنار هوش مصنوعی برای ساخت دستگاه خود استفاده کرده است. مشخصه اصلی این دستگاهها جابجایی و نصب آسان و سریع به همراه اندازه‌گیری در مدت زمان کم است که آنها را جایگزین روش اندازه‌گیری با تفکیک‌گر کرده است[٧].


مهم‌ترین اجزاء این جریان‌سنج چند فازی عبارتند از :

١- لوله جریانی اصلی
٢- حسگرها٣- میکرو پردازشگر٤- کامپیوتر (سیستم انتقال اطلاعات)
ابعاد این جریان‌سنج چند فازی ١,٣×٠.٨٤×٠.٦٤ متر است. تصویر این دستگاه که در عملیات چاههای مناطق نفتخیزجنوب استفاده شده است در شکل-١ مشاهده می‌شود [٧].



شکل١- جریان سنجهای چندفازی با فناوری فراصوت

این دستگاه فاقد خواص رادیواکتیو است و برای اندازه‌گیری خود از روشی استفاده می‌کند که در آن نیازی به تفکیک فازها وجود ندارد. ایده ساخت این دستگاه از وسیله‌ای با همین اساس کار در علوم پزشکی برای اندازه‌گیری جریان خون در رگها به دست آمده است و این شرکت دستگاه MD-٠٤ را با طرز کاری مشابه برای استفاده در صنایع نفت و گاز تولید کرده است.

استفاده از امواج فراصوت برای
اندازه‌گیری جریان


امواج فراصوت، امواج صوتی با فرکانس بالاتر از ٢٠ هزار هرتز هستند. از روش داپلر برای اندازه‌گیری سرعت سیال درون لوله استفاده می‌شود. در جریان سنج‌های چند فازی از این فناوریها به منظور درک رژیم جریان و سرعت فازها استفاده شده است. این روش به وسیله کریستین داپلر ابداع شد و اساس کار آن، اختلاف فرکانس خروجی از یک منبع صوت متحرک است. به این صورت که امواج فراصوت به درون سیال فرستاده و توسط ذرات موجود در سیال، بازتاب داده مى‌شوند، سپس دستگاه فرکانس امواج بازتاب را محاسبه می‌کند. اختلاف فرکانسی که بین موج فرستاده شده و موج دریافتی وجود دارد از طریق رابطه یک به سرعت جریان، ارتباط داده می‌شود :

که در این رابطه:Fo : فرکانس موج ارسالیF : فرکانس موج دریافتی
C : سرعت صوت در سیال برحسب cm/secV : سرعت سیال
α : زاویه ارسال امواج نسبت به جهت جریان

اساس اندازه‌گیری در جریان‌سنج چند فازی


مبنای اندازه‌گیری در جریان‌سنج چند فازی بر پایه مدلسازی ریاضی جریان چند فازی است. این مدل برای سیال غیر نیوتنی و تحلیل جریان چندفازی گذرا توسعه یافته است. سه مجهولی که در معادلات تعریف شده در این مدل وجود دارند دبی‌های هر فاز هستند. در ایجاد این مدل از یک معادله پیوستگی و دو معادله اندازه حرکت استفاده شده است.
متغیرهای این مدل به پارامترهای زیر بستگی دارند:


- چگالی فازهای خالص (نفت خام و گاز)- چگالی آب تولیدی- گرانروی سیال- رژیم جریانی
چگالی فازها در هنگام نصب دستگاه توسط چگالی‌سنج اندازه‌گیری می‌شوند. رژیم جریانی نیز با استفاده از سیگنالهای دریافتی از حسگرهای فراصوت تشخیص داده می‌شود و گرانروی سیال به طور دائم توسط مدل ریاضی با استفاده از سیگنالهای دریافتی محاسبه می‌شود.


دستگاه جریان‌سنج از یک لوله جریانی تشکیل شده است که دو صفحه اوریفیس در نقاط مجزا از آن تعبیه شده و اختلاف فشارهای dp١ و dp٢ را ثبت می‌کنند. دو حسگر داپلر فراصوت سرعت سیال V١ و V٢ را محاسبه و دو حسگر اضافی فشار و دما را در لوله اندازه‌گیری می‌کنند. این حسگرها سیگنالهای مستقیمی تولید می‌کند که توسط میکرو کامپیوتر هوشمند پیش از ارسال به کامپیوتر اصلی پردازش می‌شوند.

شکل ٢- این فرایند انتقال اطلاعات را نشان می‌دهد


شکل ٢- فرایند انتقال اطلاعات از حسگرها به کامپیوتر

سیگنالهای مستقیم به عنوان متغیرها در تعدادی از توابع پردازش شده که با هم مدل ریاضی را تشکیل می‌دهند. هیچ سیگنالی به تنهایی مؤید اندازه‌گیری خاصی نیستند. کلیه اندازه‌گیریهای دبی سیالات، درصد آب و GVF از توابعی مشتق شده‌اند که از سیگنال تمام حسگرها، با درجه‌ای از فراوانی و بررسی متقابل استفاده می‌کند. مدل ریاضی یک تحلیل جامع چگالی انجام داده، به این صورت که چگالی مخلوط و چگالی جداگانه هر فاز را می‌گیرد. در نتیجه دقت اندازه‌گیریها وابسته به خصوصیات فیزیکی سیال نیست (نه اطلاعات PVT وارد شده).

اندازه‌گیریها در شرایط واقعی از طریق معادلات حالت موجود و اختصاصی مدل ریاضی، به شرایط استاندارد تبدیل می‌شوند. با توجه به این نحوه اندازه‌گیری دیگر نیازی به داشتن خواص سیال وجود ندارد تنها اطلاعات سیال مورد نیاز شامل چگالی نفت خام(DOD) و چگالی آب تولیدی در زمان کالیبراسیون درجاست. اندازه‌گیریهای این جریان سنج مستقل از رژیم جریانی و تغییرات آن با زمان هستند. نتایج آزمایش به طور مستقیم بر روی صفحه مانیتور میکروپردازشگر و دستگاه رایانه قابل مشاهده است و هرگونه تغییری که در سیستم تولید داده شود بر روی مانیتور دیده می‌شود. در نهایت اطلاعات با فرمت Microsoft access بر روی کامپیوتر ذخیره می‌شود[٧].

کالیبراسیون دستگاه



در مرحله اول پس از ساخت دستگاه در کارخانه با توجه به خصوصیات فنی دستگاه از یک سیال مدل برای کالیبراسیون دستگاه استفاده می‌شود. در هنگام نصب دستگاه نیز با استفاده از چگالی نفت خام و آب تولیدی چگالی سنج کالیبره می‌شود. مهمترین ویژگی این دستگاه که سبب بالا رفتن دقت آن می‌شود توانایی کالیبراسیون خودکار دستگاه است. پس از هر ٢٠ دقیقه، اندازه‌گیری چگالی‌سنج با اندازه‌گیری جریان‌سنج تطبیق داده می‌شود. با توجه به دقت بالای اندازه‌گیری چگالی‌سنج از آن به عنوان مبنا استفاده شده و پردازشگر با تغییر ضرایب مربوط به برخی متغیرها مانند رژیم جریان، گرانروی و چگالی آب، مدل را اصلاح می‌کند[٧].

چگالی سنج


این ابزار اندازه‌گیری چگالی را از طریق قرائتهای اختلاف فشار و حسگر فراصوت انجام می‌دهد. همچنین قادر به اندازه‌گیری چگالی کل سیال، از جمله گاز( اگر در سیستم وجود داشته باشد)، و نسبت اجزاء فازها مانند درصد آب و جزء حجمی گاز (GVF) است. دقت اندازه‌گیری دستگاه جریان سنج به عامل زیر بستگی دارد:
- تطابق مدل ریاضی و کاربرد آن. این فرایند قابل پیش‌بینی بوده و به خوبی قابل کنترل است. یک تطابق با استفاده از اندازه‌گیری چگالی‌سنج در مرحله شروع به دست آمده و در مقابل هر رویداد با زمان از طریق تابع کالیبراسیون خودکار پیوسته محافظت می‌شود.
تطابق و دقت جریان‌سنج به عوامل زیر وابسته نیست:

- اطلاعات سیال و خواص جریان و تغییرات آن با زمان(مانند رژیم جریان، گرانروی، شوری آب و اطلاعاتPVT) - مهارت اپراتور- محاسبات منفصل (Off-line)اجزای مختلف چگالی‌سنج در شکل-٣ دیده می‌شود.



شکل٣- اجزای مختلف چگالی‌سنج

اطلاعات خواص سیال

اطلاعات خواص سیال یکی از موارد موثر در بررسی عملکرد دستگاه جریان‌سنج چندفازی است. جدول -١ اطلاعات خواص سیال میدان و چاه مورد آزمایش را نشان می‌دهد.

جدول-١ اطلاعات خواص سیال میدان و چاه مورد آزمایش



عملیات جریان‌سنج چندفازی

پس از این‌که جریان‌سنج در مسیر جریان و قبل از تفکیک‌گر سیال نصب شد، ابتدا چاه بر روی کاهنده موجود جریان می‌یابد و بسته به شرایط چاه پس از این‌که چاه به حالت پایدار رسید اندازه‌گیری شروع می‌شود. معمولاً بین سه تا ٦ ساعت اطلاعات ثبت شده و بر روی یک یا دو کاهنده دیگر نیز همین عملیات اجرا می‌شود. اطلاعات خروجی جریان‌سنج شامل حجم سیالات عبوری از آن بوده که بر روی صفحه مانیتور مانند شکل-٤ مشاهده می‌شود.



شکل ٤- اطلاعات میزان سیال عبوری از جریان‌سنج

همچنین دبی سیالات را به طور مجزا و بر حسب زمان به صورت نموداری مانند شکل-٥ نمایش می‌دهد.



شکل ٥- نمایش دبی نفت، گاز و آب بر حسب زمان

سایر خواص سیالات و نسبت آنها شامل درصد آب، جزء حجمی گاز و نسبت گاز به نفت بر حسب زمان به صورت شکل-٦ نمایش می‌دهد. با فشردن دکمه‌های موجود می‌توان هر پارامتر را به صورت نمودار مشاهده کرد.



شکل ٦- نمایش درصد آب، جزء حجمی گاز و نسبت گاز به نفت بر حسب زمان

خروجی نهایی در یکی از چاههای مناطق نفتخیزجنوب در شکل-٧ آمده است.




شکل٧- خروجی نهایی دستگاه جریان سنج

صحت سنجی داده‌های جریان‌سنج

برای صحت سنجی داده‌های جریان‌سنج می‌توان پس از آن در مسیر جریان یک تفکیک‌گر سیار قرار داد. البته باید دقت کرد که هرگونه تغییری در فشار ورودی تفکیک‌گر به طور مستقیم در اندازه‌گیریهای جریان‌سنج تأثیر مستقیم می‌گذارد و باید مدنظر قرار گیرد. همچنین می‌توان از مدلسازی و معادلات تجربی کاهنده برای بررسی دقت محاسبات جریان‌سنج بهره برد. لازم به ذکر است که معادلات تجربی کاهنده برای هر میدان متفاوت است.

نتیجه‌گیری


با افت فشار مخازن و افزایش تولید گاز و آب اضافی ، به تدریج نیاز به آگاهی از جریان سیالات چند فازی و میزان تولید هر فاز، اهمیت پیدا مى‌کند. به منظور مدیریت صحیح مخزن و تولید صیانتی از آن و طراحی مناسب چاههای تولیدی، به پایش دایمی سیالات تولیدی از هر چاه نیاز است، تا بتوان اطلاعات به دست آمده را به بخشهای مختلف مخزن و در نهایت به تمام مخزن تعمیم داد.


در این مقاله مفهوم جریان‌سنجهای چندفازی که اندازه‌گیری آنها بر پایه فراصوت است مورد بحث و بررسی قرار گرفت. استفاده از این ابزار در چاههایی که سه فاز نفت، گاز و آب با هم جریان دارند و محاسبه میزان جریان هر فاز با روشهای متداول بسیار مشکل است کمک شایانی می‌کند.

منابع



١. Albusaidi K. H, ١٩٩٧. An investigation into multiphase flowmetering techniques.PhD thesis, University of Huddersfield, UK. ١٩٩٧

٢. Bekkousha M. et al, , “Multiphase flow meters (MFPM)- Field trials and their applications in fields”; Abu Dhabi Company for Oil Operations (ADCO) UAE SPE ٨٨٧٤٢, U.A.E., October ٢٠٠٤.

٣. Eivind Dahl, Christian Michelsen, HANDBOOK OF MULTIPHASE FLOW METERING, The Norwegian Society for Oil and Gas Measurement,Revision ٢, March ٢٠٠٥, ISBN ٨٢-٩١٣٤١-٨٩-٣, ١٨-٢٨

٤. Corneliussen, Sidsel, “Production-Well-Testing Optimization With Multiphase Flow meters”, BP Norway, Journal of Petroleum Technology, Production Operations, March ٢٠٠٧

٥. Allan Browne, Laurence Abney, An Integrated Approach to CombatingFlow Assurance Problems, SPE Bergen,HALIBURTON, April ٢٠٠٦

٦. Busaidi K. and Bhaskaran H. , Petroleum Development Oman (PDO), “Multiphase Flow Meters: Experience and Assessment in PDO”; SPE ٨٤٥٠٥ was prepared for presentation at the SPE Annual Technical Conference and Exhibition held in Denver, Colorado, U.S.A, ٥-٨ October ٢٠٠٣

٧. Technical Quotation of MPFM, Geno Kish Services, May ٢٠٠٩



 
Similar threads
بالا