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

روشهای محاسبه دبی سیالات

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.

این فناوری از دهه 1980 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:

فناوریهای مورد استفاده در ساخت جریان سنج‌های چندفازی

 - اندازه‌گیری الکترو مغناطیس

- ظرفیت الکتریکی- خازنی(Capacitance)

- ظریب هدایت الکتریکی (Conductance)

- نوترون -سنجی(Neutron Interrogation)

-  جابجایی مثبت(Positive Displacement)

- استفاده از امواج فراصوت

مهم‌ترین اجزاء این جریان‌سنج چند فازی عبارتند از :

2- حسگرها

3- میکرو پردازشگر

ابعاد این جریان‌سنج چند فازی 1.3×0.84×0.64 متر است. تصویر این دستگاه که در عملیات چاههای مناطق نفتخیزجنوب استفاده شده است در شکل-1 مشاهده می‌شود [7].

 

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-04 را با طرز کاری مشابه برای استفاده در صنایع نفت و گاز تولید کرده است.

امواج فراصوت، امواج صوتی با فرکانس بالاتر از 20 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 ارسالی

C : سرعت صوت در سیال برحسب cm/sec

α : زاویه ارسال امواج نسبت به جهت جریان

اساس اندازه‌گیری در جریان‌سنج چند فازی

-  چگالی فازهای خالص (نفت خام و گاز)

- چگالی آب تولیدی

- گرانروی سیال

- رژیم جریانی

دستگاه جریان‌سنج از یک لوله جریانی تشکیل شده است که دو صفحه اوریفیس در نقاط مجزا از آن تعبیه شده و اختلاف فشارهای dp1 و dp2 را ثبت می‌کنند. دو حسگر داپلر فراصوت سرعت سیال V1 و V2 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 2- این فرایند انتقال اطلاعات را نشان می‌دهد

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[7].

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 20 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[7].

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. 

- اطلاعات سیال و خواص جریان و تغییرات آن با زمان(مانند رژیم جریان، گرانروی، شوری آب و اطلاعاتPVT) 

- مهارت اپراتور

- محاسبات منفصل (Off-line)

اطلاعات خواص سیال

جدول-1 اطلاعات خواص سیال میدان و چاه مورد آزمایش

عملیات جریان‌سنج چندفازی

شکل 4- اطلاعات میزان سیال عبوری از جریان‌سنج

شکل 5- نمایش دبی نفت، گاز و آب بر حسب زمان

شکل 6- نمایش درصد آب، جزء حجمی گاز و نسبت گاز به نفت بر حسب زمان

صحت سنجی داده‌های جریان‌سنج

نتیجه‌گیری

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

1. Albusaidi K. H, 1997. An investigation into multiphase flowmetering techniques.PhD thesis, University of Huddersfield, UK. 1997

2. Bekkousha M. et al, , “Multiphase flow meters (MFPM)- Field trials and their applications in fields”; Abu Dhabi Company for Oil Operations (ADCO) UAE SPE 88742, U.A.E., October 2004.

3. Eivind Dahl, Christian Michelsen, HANDBOOK OF MULTIPHASE FLOW METERING, The Norwegian Society for Oil and Gas Measurement,Revision 2, March 2005, ISBN 82-91341-89-3, 18-28

4. Corneliussen, Sidsel, “Production-Well-Testing Optimization With Multiphase Flow meters”, BP Norway, Journal of Petroleum Technology, Production Operations, March 2007

5. Allan Browne, Laurence Abney, An Integrated Approach to CombatingFlow Assurance Problems, SPE Bergen,HALIBURTON, April 2006

6. Busaidi  K. and Bhaskaran H. , Petroleum Development Oman (PDO), “Multiphase Flow Meters: Experience and Assessment in PDO”; SPE 84505 was prepared for presentation at the SPE Annual Technical Conference and Exhibition held in Denver, Colorado, U.S.A, 5-8 October 2003

7. Technical Quotation of MPFM, Geno Kish Services, May 2009