Универсальный баллон для отбора и исследования сепараторных проб газа и жидких углеводородов

Универсальный баллон разработан для нефтегазодобывающей промышленности и может быть использован при отборе из промыслового сепаратора проб газообразной или жидкой фаз, сосуществующих при динамическом равновесии условий сепарации. Универсальный баллон включает корпус баллона с горловиной и штатный вентиль, который выполнен с тонкой регулировкой и размещен в отдельном массивном верхнем блоке, состоящем из стального корпуса блока в форме правильного пятиугольника с резьбой для крепления в горловину баллона, в корпусе верхнего блока выполнены два вертикальных сверления, одно из которых несквозное и доходит снизу до горизонтального канала со штатным игольчатым вентилем тонкой регулировки на конце, другое сверление сквозное и выполнено с резьбой на верхнем конце для подключения образцового манометра, ниже манометра сквозное вертикальное сверление сообщено с двумя горизонтальными каналами, один из которых сообщен со вторым игольчатым вентилем тонкой регулировки, а другой канал сообщен с предохранительным пружинно-поршневым клапаном, причем оба вентиля тонкой регулировки в закрытом состоянии перекрывают горизонтальные каналы, выходящие на соответствующие штуцеры для подключения универсального баллона к линиям отбора сепараторных проб газа или жидких углеводородов, в нижнюю резьбовую часть вертикального несквозного сверления ввернута сифонная трубка, которая противоположным концом, срезанным под углом 30°, касается днища баллона, а корпус отдельного верхнего блока и выступающие части встроенных в него образцового манометра, предохранительного клапана, вентилей тонкой регулировки для сепараторных проб газа и жидких углеводородов, сообщенных с соответствующими штуцерами подачи из сепаратора газа или жидких углеводородов, защищены от повреждений при эксплуатации и транспортировке металлической круговой корзиной, приспособленной для переноса универсального баллона. 2 ил.

Заявляемый универсальный баллон разработан для нефтегазодобывающей промышленности и может быть использован для отбора из промыслового или исследовательского сепаратора представительных проб любой из двух газообразной или жидкой фаз, сосуществующих при динамическом равновесии условий сепарации. В этих равновесных условиях жидкая фаза представлена углеводородным конденсатом или нефтью, насыщенными природным газом. Представительные пробы равновесных газовой и жидкой фаз необходимы для проведения т.н. «рекомбинации» с целью воссоздания при термобарических условиях продуктивного пласта на лабораторной установке высокого давления (УВД), снабженной сосудами рекомбинации и «бомбой PVT», текущего физико-химического состояния пластовой углеводородной системы (газоконденсатной или нефтяной) путем расчетной дозировки в сосуды рекомбинации сепараторных проб газа и насыщенного газом углеводородного конденсата (или нефти) с учетом так называемого конденсатно-газового фактора (КГФ), предварительно установленного для изучаемого объекта с помощью исследовательского или промыслового сепаратора на разных режимах работы скважины.

Известно использование стандартных 40-литровых баллонов [1] «тупикового» типа, имеющих только один вентиль впуска-выпуска исследуемого газа для отбора из промыслового сепаратора объемов газа, достаточных для проведения физической рекомбинации 350-500 см³ пластовой углеводородной системы или других специальных исследований. Стандартные баллоны для сжатых, сжиженных и растворенных газов относятся к оборудованию, работающему под давлением, категорируются по рабочему давлению и работы с ними, включая периодическое освидетельствование, нормируются правилами Госгортехнадзора [2].

Недостаток стандартных баллонов «тупикового» типа, являющихся прототипом настоящей полезной модели, состоит в том, что для отбора представительной пробы агрессивного по химическому составу сероводородсодержащего газа сепарации (или же устьевого газа) необходимо многократное (до 8-10 раз) их заполнение и опорожнение в рабочей зоне газового или нефтяного промысла, что крайне неудобно и опасно для обслуживающего персонала. Если же эту операцию многократной промывки исследуемым газом баллона «тупиковой» конструкции не проводить или же проводить частично, то после отбора новой пробы газа сепарации в нем неизбежно окажется примесь предыдущей пробы, что приведет к некачественной рекомбинации на установке высокого давления (УВД) исследуемой пластовой углеводородной системы и снятию ее искаженных физико-химических параметров в процессе дальнейшего PVT-исследования. В этом случае неприемлем метод очистки от примесей газов, выходящих из баллона, с помощью различных поглотителей [3].

Известно также использование так называемых транспортных контейнеров, представляющих собой небольшие (объемом 100-500 см³) и рассчитанные на диапазон давлений промысловой сепарации сквозные пробоотборники с вентилями на обоих концах для отбора из промыслового сепаратора объемов насыщенного (т.е. «сырого») конденсата или нефти, достаточных для рекомбинации того же рационального объема 350-500 см³ пластовой углеводородной системы, необходимого для последующего PVT-исследования на УВД. Однако главный недостаток этих пробоотборников для углеводородной жидкости, сжимаемость которой на порядок меньше сжимаемости природного газа, состоит в том, что при их сообщении с сосудом рекомбинации с целью перевода жидкой части пробы и рекомбинации пластовой системы происходит мгновенное падение давления в транспортном контейнере. Поэтому для снижения ошибки при дозировке в сосуд рекомбинации расчетного объема насыщенного конденсата или нефти приходится поддерживать в пробоотборнике постоянное давление перевода пробы с помощью сложных технических средств, например, промежуточного контейнера с рассолом, поджимаемым измерительным прессом. Однако такой широко практикуемый в настоящее время прямой контакт ингредиентов пластовой углеводородной системы с рассолом, вводимым с постоянной скоростью из промежуточного контейнера в нижний конец вертикально установленного транспортного контейнера посредством измерительного пресса для поддержания заданного давления перевода жидких углеводородов из его верхней части в сосуд рекомбинации, приводит к заметному искажению компонентного состава, а следовательно, и физико-химических свойств рекомбинированной углеводородной смеси из-за пересыщения исследуемой пластовой системы водяными парами, вышедшими из рассола.

Задача заявляемого технического решения - создать на основе выпускаемого в настоящее время стандартного 20-литрового баллона 20-150У «тупикового» типа, устойчивого к воздействию сероводорода, а также научно-практического опыта авторов в изучении пластовых углеводородных систем надежное и востребованное нефтегазодобывающей промышленностью устройство - универсальный баллон для отбора и исследования сепараторных проб газа и жидких углеводородов.

Технический результат, достигаемый при реализации заявляемого устройства, заключается в трансформации путем конструкторской доработки существующего стандартного баллона «тупикового» типа, имеющего единственный штатный вентиль для впуска-выпуска исследуемого газа, в универсальный баллон проточного типа с целью отбора и исследования сепараторных проб не только газа, но и жидких углеводородов, в расширении за счет этого технических возможностей нового пробоотборного устройства, а также в повышении достоверности результатов PVT-исследования на установке высокого давления рекомбинированной пластовой углеводородной системы в результате более точной дозировки ее ингредиентов в сосуд рекомбинации.

Указанный технический результат достигается тем, что штатный вентиль выполнен с тонкой регулировкой и размещен в отдельном массивном верхнем блоке, состоящем из стального корпуса блока в форме правильного пятиугольника с резьбой для крепления в горловину баллона, в корпусе блока выполнены два вертикальных сверления, одно из которых несквозное и доходит снизу до горизонтального канала со штатным игольчатым вентилем тонкой регулировки на конце, другое сверление сквозное и выполнено с резьбой на верхнем конце для подключения образцового манометра, ниже манометра сквозное вертикальное сверление сообщено с двумя горизонтальными каналами, один из которых сообщен со вторым игольчатым вентилем тонкой регулировки, а другой канал сообщен с предохранительным пружинно-поршневым клапаном, причем оба вентиля тонкой регулировки в закрытом состоянии перекрывают горизонтальные каналы, выходящие на соответствующие штуцеры для подключения универсального баллона к линиям отбора сепараторных проб газа или жидких углеводородов, в нижнюю резьбовую часть вертикального несквозного сверления ввернута сифонная трубка, которая противоположным концом, срезанным под углом 30°, касается днища баллона, а корпус отдельного верхнего блока и выступающие части встроенных в него образцового манометра, предохранительного клапана, вентилей тонкой регулировки для сепараторных проб газа и жидких углеводородов, сообщенных с соответствующими штуцерами подачи из сепаратора газа или жидких углеводородов, защищены от повреждений при эксплуатации и транспортировке металлической круговой корзиной, приспособленной для переноса универсального баллона.

На рис.1 представлен заявляемый универсальный баллон для отбора и исследования сепараторных проб газа и жидких углеводородов. Он разработан и изготовлен в ООО «Технология» (г.Оренбург) после конструкторской доработки выпускаемого в настоящее время специального 20-литрового стального баллона «тупикового» типа для сероводорода 20-150У, имеющего единственный штатный вентиль для впуска-выпуска газа. В процессе усовершенствований, превративших этот баллон заводского исполнения из «тупикового» в проточный без какого-либо нарушения прочности самого антикоррозионного корпуса 1, авторами разработан дополнительный верхний блок, заменивший единственный штатный вентиль «тупикового» баллона. Верхний блок представляет собой отдельный корпус 2 из легированной стали, имеющий снизу уплотненную резьбу для надежного крепления в горловину баллона 1, два вертикальных сверления (на рисунке: слева нескозное сверление 4 до горизонтального канала с игольчатым вентилем тонкой регулировки 3 на конце и справа сквозное сверление 5 с резьбой на верхнем конце для подключения образцового манометра 6), а также указанные ниже дополнительные горизонтальные каналы. Образцовый манометр 6 предназначен для контроля давления в полости универсального баллона при отборе, транспортировке и хранении проб газообразных и/или жидких углеводородов, а также их дозировке в бомбу PVT перед проведением рекомбинации пластовой системы. Ниже манометра сквозное вертикальное сверление 5 сообщается с двумя дополнительными горизонтальными каналами, один из которых выходит на второй игольчатый вентиль тонкой регулировки 8, а другой канал 7 сообщен с предохранительным пружинно-поршневым клапаном 11, показанным на следующем рисунке 2.

Рис.2 представляет собой вид сверху на заявляемый универсальный баллон. На этом рисунке с сохраненной для удобства нумерацией деталей рисунка 1 показан отдельный верхний блок с массивным стальным корпусом 2 в форме правильного пятиугольника, внутри которого выполнены вышеупомянутые несквозное и сквозное сверления, горизонтальные каналы и рационально размещены уже рассмотренные компоненты - игольчатые вентили тонкой регулировки 3 и 8, а также пружинно-поршневой предохранительный клапан 11. Вентили 3 и 8 в закрытом состоянии перекрывают горизонтальные каналы, выходящие на соответствующие штуцеры 12 и 13, предназначенные для подключения универсального баллона к линиям отбора исследуемого газа (сепарированного, устьевого) или жидких углеводородов (насыщенных газом конденсата или нефти). В нижнюю резьбовую часть вертикального несквозного (т.е. «тупикового») сверления 4 ввернута сифонная трубка 10 (показанная на рис.1), которая противоположным концом, срезанным под углом 30°, касается днища баллона. Корпус верхнего блока и все выступающие части встроенных в него легкосъемных компонентов - образцовый манометр, предохранительный клапан, вентили тонкой регулировки для газа и углеводородной жидкости, сообщенные с соответствующими штуцерами для подачи проб из сепаратора - защищены от повреждений при эксплуатации и транспортировке металлической круговой корзиной 9, выполненной как защитный элемент верхнего блока и удобной для переноса универсального баллона двумя операторами.

Работа универсального баллона для отбора и исследования сепарированных проб газа и жидких углеводородов иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. Отбор сепараторной пробы природного газа

При закрытых игольчатых вентилях тонкой регулировки 3 и 8 универсальный баллон соединяют через штуцер газовой линии 13 с промысловым или исследовательским сепаратором, работающим в установившемся режиме. Затем открывают полностью вентиль газовой линии 8, а вентиль 3 жидкостной линии, связанной с сифоном и маркированный «С», тонко регулируют (т.е. постепенно «поджимают») таким образом, чтобы давление в универсальном баллоне в процессе его промывки отбираемым из сепаратора газом было не ниже текущего давления сепарации. Таким образом, подачу газа сепарации из промыслового сепаратора через вентиль 8 производят в верхнюю часть баллона, а удаление из него остатка предыдущей пробы газа вместе с выпавшими при снижении давления жидкими углеводородами осуществляют через сифонную трубку 10 и сообщенный с ней вентиль 3 за счет давления газовой шапки. Организация такой продувки исследуемым газом всего объема баллона при термобарических условиях сепарации и своевременная регистрация по показаниям образцового манометра 6 прекращения выброса остаточной жидкой фазы через сифонную трубку 10 позволяют существенно сократить время отбора пробы и повысить ее качество.

Пример 2. Отбор сепараторной пробы жидких углеводородов

При закрытых игольчатых вентилях тонкой регулировки 3 и 8 универсальный баллон соединяют через штуцер жидкостной линии 12 с сепаратором, работающим в установившемся режиме. Этот штуцер тоже имеет маркировку «С», поскольку связан с сифоном через вентиль 3. Затем открывают вентиль тонкой регулировки жидкостной линии 3, маркированный «С», а вентиль газовой линии 8 тонко регулируют (т.е. постепенно «поджимают») таким образом, чтобы в процессе отбора насыщенных газом жидких углеводородов в универсальном баллоне поддерживалось текущее давление сепарации. Таким образом, промывку универсального баллона при отборе насыщенного газом углеводородного конденсата или нефти осуществляют в обратном направлении, т.е. подачу жидких углеводородов производят в нижнюю часть баллона через маркированный жидкостной вентиль 3 и сифонную трубку, а выдавливание из верхней части баллона остаточного газа поднимающимся фронтом жидких углеводородов - через немаркированный газовый вентиль 8. После заполнения баллона насыщенными жидкими углеводородами и их появления на выходе из регулируемого вентиля 8 закрывают вначале этот вентиль, затем входной маркированный вентиль 3.

Поскольку сжимаемость насыщенных газом жидких углеводородов обычно колеблется в пределах 0.0013-0.0025 МПа^-1 и на порядок меньше сжимаемости равновесной газовой фазы, во избежание резкого увеличения давления в универсальном баллоне и срабатывания предохранительного клапана 11 при транспортировке или хранении пробы в результате повышения температуры, например, от -30°С (t° сепарации) до +30°С (t° окружающей среды) необходимо создать демпфирующую газовую шапку. Для этого заполненный жидкими углеводородами универсальный баллон соединяют с линией отбора газа сепарации, как в примере 1, и большую часть жидких углеводородов через сифонную трубку и тонко регулируемый жидкостной вентиль 3 выдавливают при давлении сепарации равновесным газом для создания демпфирующего объема, составляющего не менее 75% от объема баллона. Создание в универсальном баллоне демпфирующей шапки равновесного газа сепарации обеспечивает помимо безопасности транспортировки и хранения отобранной сепараторной пробы углеводородной жидкости дополнительный эффект, технически упрощающий и уточняющий описанную в следующем примере ее дозировку в сосуд рекомбинации и проведение PVT-исследований.

Пример 3. Перевод сепараторной пробы жидких углеводородов из универсального баллона в сосуд рекомбинации УВД

Техника перевода сепараторной пробы жидких углеводородов из заявляемого универсального баллона в сосуд рекомбинации УВД иллюстрируется следующим примером рекомбинации пластовой нефтегазоконденсатной системы Нугумановского месторождения Оренбургской области, залегающей в жестких термобарических условиях (Рпл=47.3 МПа, Тпл=81°С). Ранее разработанная автором рациональная технология рекомбинации таких околокритических систем состоит в предварительной наработке небольшими порциями при комнатной температуре газа промысловой сепарации из баллона в один из двух мембранных сосудов рекомбинации УВД, поджатии посредством измерительного пресса вначале до 300 кгс/см² (29.43 МПа) и экспериментальном определении коэффициента сверхсжимаемости Z путем выпуска-расширения до стандартных условий небольшой части наработанного газа. Найденное значение Z газа промысловой сепарации (0.9449) используют для расчета объема загрузки в сосуд рекомбинации сырого конденсата после предварительного экспериментального определения коэффициента его сжимаемости _ск=0,001435 МПа^-1), перевода в мягких условиях расчетного объема сепараторной пробы жидких углеводородов из универсального баллона в сосуд рекомбинации и последующего поджатия измерительным прессом до давления загрузки (19.62 МПа при 22.5°С). Расчет объема сырого конденсата с учетом вышеуказанных условий его загрузки в сосуд рекомбинации после предварительного экспериментального определения коэффициентов сжимаемости _ск и термического расширения _ск (0.0008°С^-1) проводят по следующей формуле автора, исправляющей ранее известную [4] и учитывающей наряду с условиями загрузки и отбора пробы из сепаратора также оставшийся в сосуде рекомбинации после экспериментального определения Z объем поджатого до Р=29.43 МПа газа сепарации (V=300 см³):

V_{сыр.кон}=КГФ2893.2[(PV10^-6):(ZТ_ком.)][1-_ск(Р_заг-Р_отб)+(1_заг-t_отб)]

V _{сыр.кон.}=778.452893,2[(29.4330010^-6):(0.9449295.65)][1-14.3510^-4(19.62-4.41)+810^-4(22.5-14)]=70.11 см³

Перед проведением рекомбинации пластовой углеводородной системы переносят из металлического шкафа, находящегося снаружи инженерного корпуса, в лабораторное помещение универсальный баллон с ранее отобранной сепараторной пробой жидких углеводородов, находящихся под равновесной газовой шапкой, и устанавливают рядом с установкой высокого давления. После выравнивания температуры в баллоне с комнатной, что фиксируют по стабилизации в нем давления (6.38 МПа при 22.5°С или 295.65°К), эти термобарические условия учитывают как условия перевода сырого конденсата из баллона в сосуд рекомбинации. Дозировку из баллона объема сырого конденсата (71.44 см³ при меньшем давлении), рассчитанного для рекомбинации исследуемой пластовой системы, проводят следующим образом. Эластичную разделительную мембрану сосуда рекомбинации УВД, изолирующую его надмембранное пространство с рабочей поджимной жидкостью (тосолом) от подмембранного пространства для исследуемой углеводородной системы, приводят в крайнее нижнее положение путем нагнетания сверху указанной «поджимки» с помощью прецизионного измерительного пресса и одновременного полного вытеснения из подмембранного пространства остатков предыдущей пробы в систему сбора и нейтрализации. Затем присоединяют универсальный баллон через штуцер 12 и вентиль тонкой регулировки 3, имеющие маркировку «С», к входному вентилю сосуда рекомбинации. Убедившись в подходе насыщенного конденсата из универсального баллона к закрытому входному вентилю сосуда рекомбинации путем кратковременного стравливания небольшого объема пробы через вспомогательный вентиль тройника, установленного на конце подводящего стального капилляра, медленно перепускают расчетный объем сырого конденсата 71.44 см³ через тонко регулируемый входной вентиль сосуда рекомбинации в его подмембранное пространство, отсчитывая по лимбу прецизионного измерительного пресса выдвижение плунжера и отвод из надмембранного пространства такого же объема тосола под давлением газовой шапки. При этом постоянное давление перевода поддерживают с помощью упругой равновесной газовой шапки в баллоне.

После дозировки расчетных объемов сырого конденсата и наработанного газа промысловой сепарации температуру сосудов рекомбинации постепенно доводят до пластовой, перемешивая их содержимое путем многократного перепуска из одного сосуда в другой. В конце рекомбинации с помощью измерительного пресса и рабочей «поджимки» корректируют давление под пластовое и домешивают углеводородную смесь. В процессе дальнейших PVT-исследований рекомбинированной смеси экспериментально устанавливают значения Z самой пластовой углеводородной системы при ее расширении до стандартных условий путем выпуска как от пластовых термобарических условий (47.3 МПа, 81°С), так и от найденного более высокого давления (54.9 МПа), при котором вся жидкая часть пережатой околокритической углеводородной системы, состоящая из смеси конденсата и так называемой «летучей» нефти, переходит в парофазное состояние, наблюдаемое через смотровое окно бомбы PVT.

Длительные испытания заявляемого универсального баллона в 2007-2008 годах при отборе сепараторных проб газа и жидких углеводородов из ряда скважин Оренбургского НГКМ подтвердили его высокую эффективность и надежность как при отборе сепараторных проб, так и рекомбинации пластовых углеводородных систем для PVT-исследований на установке высокого давления. Изготовитель сертифицированного универсального баллона ООО «Технология» (г.Оренбург, пр. Победы, 120) в настоящее время планирует его массовое производство для нефтяной и газовой промышленности.

Источники информации:

1. Воскресенский П.И. Техника лабораторных работ. - М.: Химия, 1969, 719 с.

2. Краткая химическая энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия, 1967, том 5, с.135.

3. Краткий справочник химика. Издание седьмое / Составитель Перельман В.И. - Москва-Ленинград: Химия, 1964. - с.320.

4. Инструкция по комплексному исследованию газовых и газоконденсатных пластов и скважин / Под ред. Г.А.Зотова и др. - М.: Недра, 1980. - с.228.

Универсальный баллон для отбора и исследования сепараторных проб газа и жидких углеводородов, включающий корпус баллона с горловиной и штатный вентиль, отличающийся тем, что штатный вентиль выполнен с тонкой регулировкой и размещен в отдельном массивном верхнем блоке, состоящем из стального корпуса блока в форме правильного пятиугольника с резьбой для крепления в горловину баллона, в корпусе блока выполнены два вертикальных сверления, одно из которых несквозное и доходит снизу до горизонтального канала со штатным игольчатым вентилем тонкой регулировки на конце, другое сверление сквозное и выполнено с резьбой на верхнем конце для подключения образцового манометра, ниже манометра сквозное вертикальное сверление сообщено с двумя горизонтальными каналами, один из которых сообщен со вторым игольчатым вентилем тонкой регулировки, а другой канал сообщен с предохранительным пружинно-поршневым клапаном, причем оба вентиля тонкой регулировки в закрытом состоянии перекрывают горизонтальные каналы, выходящие на соответствующие штуцеры для подключения универсального баллона к линиям отбора сепараторных проб газа или жидких углеводородов, в нижнюю резьбовую часть вертикального несквозного сверления ввернута сифонная трубка, которая противоположным концом, срезанным под углом 30°, касается днища баллона, а корпус отдельного верхнего блока и выступающие части встроенных в него образцового манометра, предохранительного клапана, вентилей тонкой регулировки для сепараторных проб газа и жидких углеводородов, сообщенных с соответствующими штуцерами подачи из сепаратора газа или жидких углеводородов, защищены от повреждений при эксплуатации и транспортировке металлической круговой корзиной, приспособленной для переноса универсального баллона.