Приложение А (справочное). Расчет повышения давления

Приложение А
(справочное)

Расчет повышения давления

А.1 Общие требования

А.1.1 Клапаны-отсекатели, не позволяющие измерять утечку прямыми методами в виду особенностей установки, требуют применения альтернативных методов измерения. Одним из косвенных способов оценки утечки является метод повышения давления в закрытом объеме ниже по течению от клапана-отсекателя. В этом приложении представлены два способа его реализации.

А.1.2 Первый способ, представленный в пункте А.5, подразумевает использование выкидного трубопровода. Второй способ, указанный в пункте А.6, использование фонтанной арматуры в качестве испытательной камеры.

А.1.3 В обоих случаях утечку можно измерить косвенным методом, закрыв клапан-отсекатель, снизив давление ниже по течению от него, а затем закрыв первый подходящий изоляционный клапан ниже по потоку от клапана-отсекателя.

А.1.4 Давление в изолированном объеме можно контролировать в течение заданного промежутка времени. Если клапан-отсекатель не герметичен, то давление в испытательной камере будет повышаться. Увеличение давления больше допустимых значений указывает на то, что клапан-отсекатель не соответствует критериям приемки.

А.1.5 Другие косвенные методы измерения применимы в том случае, если их точность достаточна или превосходит указанные в этом приложении требования.

А.1.6 Данный метод не может быть применим к оборудованию с газожидкостным соотношением, стремящимся к нулю при фактических условиях потока через клапан-отсекатель. Такие условия возникают в нагнетательных скважинах, нагнетаемых жидкостью. Для них потребуется метод, учитывающий сжимаемость жидкости.

А.2 Ограничения метода

А.2.1 Метод имеет следующие ограничения:

а) перед изоляцией испытательной полости давление и температура перед клапаном-отсекателем необходимо стабилизировать;

б) давление перед клапаном-отсекателем не должно меняться в результате утечки через механизм закрытия проходного сечения клапана-отсекателя;

в) эффект изменения температуры учитывают в соответствии с требованиями стабилизации давления перед клапаном-отсекателем;

г) критический поток через механизм закрытия клапана-отсекателя необходимо поддерживать на протяжении всего испытания, гарантируя постоянную интенсивность утечки в тестовую полость;

д) во время испытаний только газовая фаза может проходить через механизм закрытия проходного сечения клапана;

е) обязательно, чтобы испытательная полость была герметична. Изменение параметров среды в испытательной полости должно зависеть только от механизма закрытия проходного сечения клапана;

ж) недопустимо, чтобы жидкость или газ, попавшие в испытательную полость, изменяли фазовое состояние в течение периода выдержки;

ГАРАНТ:

Нумерация подпунктов приводится в соответствии с источником

и) оборудование, используемое для проведения испытаний, должно иметь достаточную точность для определения результатов;

к) закон идеального газа, скорректированный коэффициентами сжимаемости, применим для описания поведения реальных газов.

Номенклатура обозначений, используемых в расчетах метода повышения давления согласно приложению А, указана в таблице А.1.

Порядок проведения измерений и вычислений метода изменения давления продемонстрирован на блок-схеме А.2.

Таблица А.1 - Система обозначений

Обозначение	Определение обозначения
k	Показатель адиабаты газа
nt	Максимально допустимое количество вещества в испытательной полости по результатам испытаний, моль
n 1	Начальное количество вещества, моль
n 2	Количество вещества утечки, моль
Р а	Допустимое давление в испытательной полости (при начальных условиях), Па
Р	Допустимое давление в испытательной полости (при фактических условиях), Па
P std	Нормальное давление, Па (101,325 МПа)
Р up	Давление перед клапаном-отсекателем, Па
P 1	Начальное давление в испытательной полости, Па
Р 2	Давление в испытательной полости в конце испытания, Па
Q	Допустимая скорость утечки, м 3/мин. 0,42 м 3/мин для периодических испытаний, согласно 8.2.2; 0,21 м 3/мин для испытаний после установки/ремонта в условиях эксплуатации согласно 8.5.3
Q act	Расчетная скорость утечки в соответствии с методом испытаний, м 3/мин
R	Универсальная газовая постоянная (8,31 )
R gl	Газожидкостное соотношение добываемого газа в нормальных атмосферных условиях
	Газожидкостное соотношение газа в измеряемом объеме (фактические условия)
T std	Стандартная температура, К (280 К/15,6 °С)
T 1	Температура в испытательной полости в начале испытания, К
T 2	Температура в испытательной полости в конце испытания, К
t	Продолжительность испытания, с
V m	Общий объем испытательной полости, м 3
V 1	Начальный объем газа в испытательной полости, м 3
xc	Критическое отношение давлений
Z 1	Предполагаемый начальный коэффициент сжимаемости,
Z 2	Итоговый фактический коэффициент сжимаемости,

А.3 Блок-схема

Блок схема А.2 - Порядок измерений и вычислений метода повышения давления

Примечание - Номенклатура обозначений указана в таблице А.1 приложения А.

А.4 Выполнение расчетов

1) Если газожидкостное отношение измеряется в реальных условиях, относящихся к клапану-отсекателю, то перейти к шагу 2, если газожидкостное соотношение измеряется в нормальных условиях, то требуется перевести флюид в условия, наблюдаемые в испытательной полости согласно (А.1):

.

(А.1)

2) Определить объем жидкости, попавшей в испытательную полость, согласно (А.2):

.

(А.2)

3) Вычислить начальный объем газа в испытательной полости согласно (А.3):

.

(A.3)

4) Вычислить количество вещества в испытательной полости в начале испытания согласно (А.4):

.

(А.4)

Примечание - Р ₁ - это давление, до которого флюид, ограниченный в контролируемом объеме, стравливается перед этапом контроля повышения давления.

5) Максимально допустимый объем утечки в испытательную полость (с учетом допустимой скорости подачи в полость) согласно (А.5):

.

(А.5)

6) Максимальное количество вещества, поступающее в испытательную полость (с учетом допустимой скорости подачи в полость), согласно (А.6):

.

(А.6)

7) Общее количество вещества в испытательной полости в конце периода удержания давления согласно (А.7):

.

(А.7)

8) Максимально допустимое давление в испытательной полости для эффективности данного метода согласно (А.8):

.

(А.8)

9) Определить критическое отношение давления согласно (А.9):

.

(А.9)

Примечание - Значение k можно принять равным 1,293 (значение метана), если оно не известно.

10) Рассчитать критическое давление согласно (А.10):

.

(А.10)

11) Сравнить Р _а и Р _с:

а) если Р _а  Р _с, то перейти к шагу 12;

б) если Р _а > Р _с, то нарушаются требования пункта 2 г приложения А, следовательно:

- откорректировать/уменьшить время испытания t, соблюдая требование t  5 мин;

- увеличить объем испытательной полости V _m;

- увеличить Q.

12) Провести испытание.

13) По окончании испытания сравнить полученное давление в испытательной полости Р ₂ с критериями приемки в соответствии с (А.11):

,

(А.11)

где .

14) Рассчитать величину расхода в соответствии с методикой испытаний согласно (А.12):

.

(A.12)

Примечание - Чтобы сократить время простоя оборудования, шаги с 1 по 11 должны быть выполнены до начала испытаний. Шаги с 8 по 11 определяют объем и длительность испытаний, гарантирующих точность расчета допустимой скорости утечки.

А.5 Пример 1 - Периодическое испытание

Выкидной трубопровод в качестве испытательной области.

Параметры трубопровода:

- 2 1/16 дюйма;

- внешний диаметр 2,375 дюйма;

- внутренний диаметр 1,996 дюйма;

- длина 31 000 дюйма.

Исходные данные для проведения расчета:

1) объем испытательной полости V _m = 1,5894 м ³;

2) температура флюида Т ₁ = 80°;

3) нормальная температура T _std = 60°;

4) нормальное давление P _std = 101,3 кПа;

5) давление в закрытой скважине Р _up = 20 786 кПа;

6) начальное давление в испытательной полости Р ₁ = 101,4 кПа;

7) газожидкостное отношение R _gl = 267,1;

8) газ - метан. K = 1,293. Z ₁ = Z ₂ = 1,0;

9) давление в испытательной полости по окончании теста Р ₂ = 689 кПа;

10) температура в испытательной полости по окончании теста Т ₂ = T _std.

Расчет:

1) Перевести газожидкостное соотношение в соответствии с условиями, наблюдаемыми при испытании, согласно (А.13):

.

(А.13)

2) Определить объем жидкости, попавшей в испытательную полость, согласно (А.14):

.

(А.14)

3) Вычислить начальный объем газа в испытательной полости согласно (А.15):

.

(А.15)

4) Количество вещества в испытательной полости в начале испытания согласно (А.16):

.

(А.16)

5) Максимально допустимый объем утечки в испытательную полость (исходя из допустимой скорости подачи в полость и предлагаемой продолжительности испытания 1 час) согласно (А.17):

.

(А.17)

Примечание - Данный пример предусматривает продолжительность испытания в 60 мин. Время может быть уменьшено до 5 мин, если это соответствует критериям приемки согласно 7.2 и 7.3.

6) Максимальное количество вещества, поступающее в испытательную полость (исходя из допустимой скорости подачи в полость), согласно (А.18):

.

(А.18)

7) Общее количество вещества в испытательной полости согласно (А.19):

.

(А.19)

8) Допустимое давление в испытательной полости в конце испытания согласно (А.20):

.

(A.20)

9) Критическое отношение давлений согласно (А.21):

.

(А.21)

10) Рассчитать критическое давление согласно (А.22):

.

(А.22)

Примечание - Если Р _с значительно больше Р _а, то время испытания может быть уменьшено.

11) Сравнить Р _а и Р _с. Поскольку Р _а  Р _с (1 794 028 Па  11 369 942 Па), перейти к шагу 12.

12) Провести испытание. Контролировать давление в течение одного часа (шаг 5). Зафиксировать максимальное давление Р ₂.

13) По результатам испытания сравнить полученное по формуле (А.23) давление в испытательной полости Р ₂ с критерием приемки:

Р ₂  P _f, где допускается, что Т ₂ = T _std,

.

(A.23)

Учитывая измеренное значение Р ₂ = 689 кПа, клапан проходит испытание.

14) Рассчитать скорость утечки в соответствии с методикой испытаний согласно (А.24):

.

(A.24)

A.6 Пример 2 - Периодическое испытание

Фонтанная арматура в качестве испытательного объема:

- съемная часть фонтанной арматуры 3 1/16 дюйма;

- общая длина испытательной полости 88 дюймов;

- проходное сечение 3 дюйма.

Исходные данные для проведения расчета:

1) объем испытательной полости V _m = 0,0102 м ³;

2) температура флюида Т ₁ = 80°;

3) нормальная температура T _std = 60°;

4) нормальное давление P _std = 101,3 кПа;

5) давление в закрытой скважине Р _up = 20 786 кПа;

6) начальное давление в испытательной полости Р ₁ = 101,4 кПа;

7) газожидкостное отношение R _gl = 267,1;

8) газ - метан. K = 1,293. Z ₁ = Z ₂ = 1,0;

9) давление в испытательной полости по окончании теста Р ₂ = 689 кПа;

10) температура в испытательной полости по окончании теста Т ₂ = T _std.

Расчет:

1) Перевести газожидкостное соотношение в соответствии с условиями, наблюдаемыми при испытании, согласно (А.25):

.

(А.25)

2) Определить объем жидкости, попавшей в испытательную полость, согласно (А.26):

.

(А.26)

3) Вычислить начальный объем газа в испытательной полости согласно (А.27):

.

(А.27)

4) Количество вещества в испытательной полости в начале испытания согласно (А.28):

.

(А.28)

5) Максимально допустимый объем утечки в испытательную полость (исходя из допустимой скорости подачи в полость и предлагаемой продолжительности испытания 1 час) согласно (А.29):

.

(А.29)

6) Максимальное количество вещества, поступающее в испытательную полость (исходя из допустимой скорости подачи в полость), согласно (А.30):

.

(А.30)

7) Общее количество вещества в испытательной полости согласно (А.31):

.

(А.31)

8) Допустимое давление в испытательной полости в конце испытания согласно (А.32):

.

(А.32)

9) Критическое отношение давлений согласно (А.33):

.

(А.33)

10) Рассчитать критическое давление согласно (А.34):

.

(А.34)

11) Сравнить Р _а и Р _с. Поскольку Р _а  P _с (21,1 МПа  11,37 МПа), то имеющийся объем полости и/или продолжительность испытаний не применимы в данном случае. Так как продолжительность испытаний уже минимально допустимая, следует увеличить объем испытательной полости или уменьшить скорость подачи в полость:

а) если объем испытательной полости изменяется, убедиться, что рабочее давление оборудования, используемого для создания испытательного объема, не превышено. Следующее уравнение (А.35) (полученное из приведенных выше) может быть использовано для аппроксимации минимально требуемого испытательного объема:

.

(А.35)

Для проходного сечения клапана диаметром 3 дюйма длина испытательной полости составляет 4,19 м. Для проходного сечения клапана диаметром 4 дюйма - 2,35 м;

б) предполагая, что испытательный объем не может быть изменен, можно уменьшить скорость утечки. Следующее уравнение (А.36) (полученное из приведенных выше) может быть использовано для аппроксимации верхнего предела скорости утечки:

.

(А.36)

После выбора допустимой скорости утечки, например Q = 0,2124 м ³/мин, повторить шаги с 5 по 8:

.

Примечание - Метод, используемый в шаге 11, позволяет уменьшить испытательный объем, но это влечет за собой использование более строгого критерия соответствия. Такие допущения могут привести к тому, что результат испытаний может быть не определен, если фактическая скорость утечки через механизм закрытия проходного сечения клапана превышает значение, установленное в расчетах.

12) Провести испытание согласно шагу 11 б.

13) После испытания сравнить полученное по формуле (А.37) давление в испытательной полости Р ₂ с критерием приемки согласно:

Р ₂  P _f, где допускается, что Т ₂ = T _std,

.

(А.37)

14) Учитывая измеренное значение Р ₂ = 6895 кПа, клапан проходит испытание.

15) Рассчитать скорость утечки в соответствии с методом испытаний согласно (А.38):

.

(A.38)