در طول سال‌ها، افرادی که در صنعت نفت و گاز فعالیت می‌کنند، نوآوری کرده‌اند و راه‌هایی برای اندازه‌گیری دقیق ایجاد کرده‌اند. از استخراج تا تحویل این مواد خام، همه افراد در این کسب و کار عمیقاً برای دریافت دقیق ترین اندازه گیری های ممکن سرمایه گذاری کرده اند. در این مسیر دانشمندان و مهندسان برای کشف راه‌ها و فناوری‌های جدید برای ساختن سیستم‌های اندازه‌گیری کارآمدتر تلاش کرده‌اند. ماحصل سخت کوشی آنها، ایجاد دبی سنج های مختلفی شده که با تکیه بر آنها صنعت نفت و گاز امروز قوی و کارآمد است.

این دبی سنج ها توسط صنایع مختلف، بویژه گاز و نفت، برای محاسبه دبی جرمی یا دبی حجمی سیالات استفاده می شوند. نیازها و نوع کاربرد ظرفیت و نوع فلومتر را تعیین می کند. گازها، مایعات و سیالات بر حسب دبی جرمی و دبی حجمی اندازه گیری می شوند.

نفت و گاز طبیعی کجا و چگونه تشکیل می شود؟

قبل از اینکه دبی سنج های مختلفی را که معمولا در صنعت نفت و گاز استفاده می شود به شما بگوییم، چند نکته رد مورد فرآیند جمع آوری مواد خام در این صنایع را با هم مرور کنیم. هر دوی این مواد خام از منابع مختلف زمین شناسی استخراج می شوند. بیشتر میادین گاز و نفت روی سنگ های رسوبی مانند ماسه سنگ و سنگ آهک وجود دارند. دلیل اصلی این پدیده عبور راحت تر این مواد از میان سنگ ها و تجمع آسان تر آنها در چنین شرایطی است. در حالی که ظرفیت مخازن اکتشافی را می توان با میزان تخلخل بستر آن تخمین زد، میزان بهره وری میدان اکتشافی با نفوذپذیری آن متناسب می باشد.

برای شروع یک جریان، داخل این سنگ ها را سوراخ می کنند که استخراج مایعات را آسان تر می کند. برای شروع استخراج، افزایش تولید و یا تداوم بخشی به جریان، آب به داخل سنگ هایی که معمولاً در زیر زمین قرار دارند پمپ می شود. آب با فشار بالا در این سنگ ها پمپاژ می شود که باعث افزایش دبی و افزایش استخراج سیالات از داخل منافذ آنها می شود. نوعی دبی سنج به نام دبی سنج الکترومغناطیسی ABB برای اندازه گیری دقیق و نزدیک آب پمپاژ شده به داخل سنگ ها استفاده می شود.

با این حال، موارد خاصی وجود دارد که حفاری و پمپاژ آب برای استخراج نفت و گاز کافی نیست. نفت یا گاز طبیعی موجود در سنگ‌های نفوذناپذیر عمدتاً قادر به تبدیل شدن به گونه ای متعارف جهت استخراج نیستند. این مواد «هیدروکربن‌های غیر متعارف» نامیده می‌شوند که از بین آنها می توان نفت شیل، متان بستر زغال‌سنگ و گاز شیل را نام برد. به دلیل نفوذپذیری بسیار کم سنگ، فرایند تجمع با یک محرک انجام می شود تا جریان مد نظر جهت استخراج آغاز گردد و فرآیند استخراج فعال شود. برای انجام این کار، روشی به نام «شکستن یا ترک دادن هیدرولیکی» ضروری است.

در شکست هیدرولیکی مخلوطی از ماسه و آب به داخل سنگ ها پمپ می شود. به دلیل فشار زیاد، شکستگی های کوچک (شکاف) ایجاد می شود که باعث می شود مواد در داخل بستر آزادانه حرکت کنند. شکستگی هیدرولیکی با باز شدن این شکاف ها جهت آزاد شدن مواد انجام می شود، کاری که توسط ماسه انجام می پذیرد در حقیقت باز کردن این شکستگی هاست که در نهایت منجر به ایجاد نفوذپذیری بالا می شود. برای اندازه گیری دقیق سیال مورد استفاده در فرآیند ایجاد شکستگی و مخلوط مواد افزوده شده در ترکیب نیز می توان از دبی سنج الکترومغناطیسی ABB استفاده کرد.

اکنون که مروری بر چگونگی دستیابی به این مواد خام در صنعت نفت و گاز توضیح داده ایم. قدم بعدی این است که بدانیم چگونه آن را با انواع مختلف سیستم های اندازه گیری اندازه گیری می کنند.

فلومترهای کوریولیس

فناوری مورد استفاده در فلومترهای کوریولیس در مبحث اندازه گیری مواد طبیعی در صنعت نفت و گاز تقریبا جدیدترین تکنولوژی ها نمی باشد. اولین ثبت اختراع صنعتی انجام شده برای فلومتر کوریولیس به دهه 1950 باز می گردد. با این حال، شروع به کارگیری فناوری مذکور در این زمینه تا سال 1970 صورت پذیرفت. و تا به حال، بجز در مورد به روزرسانی این فلومتر ها برای اندازه گیری دقیق تر چیز زیادی تغییر نکرده است.

یکی از طراحی های اصلی فلومتر به صورت یک تک لوله با دیواره های نازک است. این فلومتر بسیار دقیق است؛ با این حال، در عمل برای بکارگیری این مدل به دلیل وجود مسائل مرتبط با ارتعاش نگرانی هایی وجود دارد. که البته در طراحی دو لوله این نوع فلومتر ها این نگرانی رفع گردیده است.

هرچند با این گونه تغییرات در طراحی، در اصل و پایه فلومتر کوریولیس هرگز تغییر بوجود نیامده است. سیال با جریان یافتن در داخل لوله های در حال نوسان اینرسی مقاومتی ایجاد کرده که لوله ها را تحت تاثیر قرار می دهد. این تاثیر بصورت یک پیچ و تاب خوردن نا متقارن در ورودی و خروجی لوله های در حال ارتعاش خود را نشان می دهد. دو سنسور گیرنده ی نوسان در ورودی و خروجی لوله های نوسانی اطلاعات را به ترنسمیتر ها یا منتقل کنند های فلومتر انتقال می دهند. سپس ترنسمیتر ها یا فرستنده های جریان سنج با استفاده از سیگنال های جریان خطی اندازه گیری شده توسط سنسور کوریولیس میزان فلو یا جریان را برحسب جرمی دریافت کرده و در صورت تمایل با تبدیل به واحد حجمی نمایش می دهند.

استفاده از فلومتر کوریولیس چندین مزیت دارد. یکی از این موارد این است که دقت بالایی دارد. این دبی سنج ها بیشتر برای اندازه گیری طیف وسیعی از فرآورده های نفتی مانند نفت خام و گاز طبیعی استفاده می شوند. نکته اصلی فلومتر این است که به جای حجم آن، به طور عمده دبی جرمی را اندازه گیری می کند. این بهترین حالت را برای اندازه گیری فرآورده های نفتی می کند زیرا نگرانی اصلی در اندازه گیری این محصولات گرما است تا کمیت.

به طور معمول، این نوع دبی سنج برای لوله هایی با قطر 1 تا 4 اینچ اعمال می شود. اما امروزه مدل های بزرگتر از قبل بیشتر در دسترس هستند. احتمالاً تنها نقطه ضعف فلومترهای کوریولیس گرانتر بودن آن نسبت به سایر انواع سیستم های اندازه گیری است. این می تواند ارزش داشته باشد زیرا نسبت به سایر دبی مترها تعمیر و نگهداری کمتری دارد.

فلومتر التراسونیک با استفاده از امواج صوتی سرعت سیال را که از لوله عبور می کند اندازه گیری می کند. هنگامی که سرعت سیال به آرامی افزایش یابد، تغییر خطی در فرکانس آن قابل تشخیص خواهد بود.

فلومترهای اولتراسونیک را می توان برای اندازه گیری سرعت مایع در داخل و خارج لوله استفاده کرد. طرح های درون خطی را میتوان در حالی استفاده کرد که مدل های ارای گیره جریان سنج را در داخل لوله نصب می کنند، با اینحال جریان سنج هایی نیز از این دست وجود دارند که با کمک گیره ها در خارج از لوله نصب می شوند ولی این مدل ها نسبت به مدل های درون خطی دقت کمتری دارند. بنابراین، آنها فقط برای بررسی های نقطه ای استفاده می شوند زمانی که اندازه گیری در لحظه نیاز است.

برخلاف دبی سنج کوریولیس، دبی سنج های اولتراسونیک و سایر دبی سنج ها که به طور خاص برای نفت خام طراحی شده اند را می توان برای لوله هایی که اندازه 20 اینچ دارند به صورت خطی استفاده کرد. همچنین طراحی گیره در موارد مختلف قابل اجرا بوده و بادوام است. ناگفته نماند که این فلومتر ها نیاز به نگهداری کمی دارند.

فلومترهای حرارتی

در مفهوم اولیه آن، فلومترهای حرارتی، سرعت انتشار حرارتی را که به طور مستقیم به جریان گاز اعمال می شود را اندازه گیری می کند. بیشتر دبی سنج های حرارتی منحصراً برای اندازه گیری گازها استفاده می شود.

انتشار گرما بسته به ترکیب و دمای گاز متفاوت است. دبی سنج های حرارتی زمانی بهترین انتخاب هستند که ترکیب یا دما در حداقل قرارداشته باشند یا این سطح دقت در پارامترهای قابل قبول باشد.

دبی سنج توربین

این نوع جریان سنج از روتور مکانیکی استفاده می کند که به شفتی که در داخل لوله قرار دارد متصل می شود. سپس برای اندازه گیری حجم گاز، سیال یا بخاری که از لوله عبور می کند استفاده می شود. همانطور که ماده از لوله عبور می کند، روتور با سرعت خود بسته به سرعت عبور مواد از خط لوله می چرخد. سرعت چرخشی حاصل از چرخش روتور با استفاده از حسگرها یا سایر روش های مکانیکی تعیین می شود.

به طور معمول، مغناطیس برای اجازه دادن به سنسورها برای خواندن از روتور، با آهنربا در خارج از لوله استفاده می شود. سنسورها و فرستنده‌ها با استفاده از سیگنال‌ها، حجم مواد در حال حرکت در داخل لوله را تعیین می‌کنند.

دبی متر توربین از نظر قیمت ارزان هستند. همچنین، زمانی که ماده در حال اندازه‌گیری گاز یا هر ماده دیگری باشد که در سرعت جریان های آهسته هیچ ذره جامد و ته نشینی ندارد، نتایج دقیق‌تری به دست می‌دهد.

یکی از معایب استفاده از دبی سنج توربین این است که با دبی متغیر به خوبی کار نمی کند زیرا قطعات مکانیکی می توانند به طور قابل توجهی فرسوده شوند و نیاز به تعویض فوری دارند. همچنین، دبی سنج های توربین در هنگام اندازه گیری جرم گازی با خواص ناشناخته بهترین عملکرد را دارند.

علاوه بر کاربردهای آن، معمولاً برای کنتورهای صورتحساب برای اندازه گیری میزان گاز یا آب در ساختمان های تجاری، صنعتی و مسکونی نیز استفاده می شوند. از این رو با دبی سنج های جابجایی مثبت رقابت می کند. دبی سنج های جابجایی مثبت برای لوله‌هایی با اندازه‌های 1.5 تا 10 اینچ مناسب‌تر هستند، در حالی که فلومترهای توربین برای لوله‌های 10 اینچ یا بالاتر مناسب‌تر هستند.

فلومترهای تفاضلی

همچون فامیل دور خود، فلومتر اولتراسونیک، حجم جریان عبوری از داخل لوله را نیز اندازه گیری می کند. چیزی که آن را از سایر دبی سنج ها متمایز می کند، استفاده از معادله برنولی است. همچنین دبی سنج های تفاضلی از کوچک کننده برای کاهش جریان و فشار ماده داخل لوله استفاده می کنند.

دبی سنج های تفاضلی معمولاً کم هزینه هستند. و نسخه های مختلف برای مواد مختلف نیز برای اندازه گیری دقیق هر مایع وجود دارد. اما در مورد گازها شرایط قدری متفاوت است زیرا برای بدست آوردن یک قرائت دقیق از جریان یک گاز خاص، دبی سنج های تفاضلی باید به سنسورهای دیگری مانند دما، فشار، ترکیب گاز و چگالی گاز نیز مجهز شوند.

اگرچه به خودی خود این فلومترها یک جریان سنج عالی می باشند، صنایع انواع دیگر سیستم های اندازه گیری را ترجیح می دهند. این امر بیشتر به دلیل کاهش دقت این گونه فلومترها در هنگام دخیل شدن عوامل دیگری مانند دما، فشار و غیره می باشد. به هرحال برای به دست آوردن دقیق ترین اندازه گیری برای گاز، همانطور که گفته شد این فلومتر ها باید به سنسورهای دیگر نیز مجهز شوند یا به کلا جریان سنج متفاوتی استفاده شود. با توجه به عوامل ذکر شده، خواندن دقیق ممکن است دشوار باشد. عمدتاً به همین دلیل است که صنعت نفت و گاز انواع دیگر اندازه گیری را ترجیح می دهد، به ویژه در مورد گازها.

فلومترهای جابجایی مثبت

انواع مختلفی از فلومترهای جابجایی مثبت وجود دارد: دنده بیضی، پیستونی، چرخشی، دیافراگمی، دیسک nutating، و مارپیچ.

فلومتر متر جابجایی مثبت می تواند برای طیف گسترده ای از موارد که شامل کاربردهای تجاری، صنعتی و مسکونی است، قابل استفاده باشد. آنها بیشتر برای اندازه گیری جریان گاز استفاده می شوند. از این رو دبی سنج های توربین با دبی سنج های جابجایی مثبت رقابت می کند. یکی از مزایای آن نسبت به کنتورهای توربین این است که در برخورد با نرخ جریان ثابت در خط لوله ای که قطر آن 10 اینچ یا کمتر است، عالی می باشند.

هم دیافراگمی و هم دبی سنج های جابجایی مثبت مبتنی بر چرخش معمولاً برای اندازه گیری جریان گاز استفاده می شوند. به هرحال در مقایسه فلومترهای کوریولیس نسبت به فلومترهای جابجایی مثبت عمدتاً اولین انتخاب که  می باشند بخصوص که نیاز به تأییدیه‌های صنعتی مورد نیاز برای کاربرد در این زمینه را ندارند.

فلومترهای گردابی

یکی از همه کاره ترین فلومترها، فلومترهای گردابی است که می تواند به راحتی جریان گاز، مایع و بخار را اندازه گیری کند.

در سال های گذشته، فلومترهای گردابی فاقد تاییدیه های لازم برای کاربرد در صنعت بودند. با این حال، در سال 2007، موسسه نفت آمریکا پیش نویس استانداردی را برای استفاده از دبی سنج مذکور تصویب کرده بود. و از آن زمان، چندین شرکت در صنعت به طور فعال با API برای پیشرفت بیشتر در مورد این استاندارد و تایید آن کار می کنند.

استاندارد مذکور برای جریان های مایع، بخار و گاز اعمال می شود و در سال 2010 برای استفاده بیشتر تمدید شد. علیرغم داشتن آینده نامشخص، مدل های احتصاصی از این دستگاه برای گاز و مایع وجود دارد. با این حال، تأثیر آن در بازار در مورد انتقال گاز طبیعی به دلیل سایر رقبا مانند سنج های اولتراسونیک، فشار دیفرانسیل و جریان سنج توربین کم است.

نتیجه گیری

فناوری‌های زیادی برای استفاده و سازگاری در صنعت نفت و گاز وجود دارد. ناگفته نماند که بازار انواع جدیدی از فلومترها را در انتظار تایید API معرفی کرده است. با توجه به تنوع سیالات مختلف در صنایع مختلف، نیاز به سیستم های اندازه گیری کم هزینه و مقرون به صرفه در تعمیر و نگهداری در حال افزایش است. این امر منجر به ایجاد مدل‌های بزرگ‌تری از فلومترهای کوریولیس شده و آن را به یکی از پرکاربردترین سیستم‌های اندازه‌گیری تا به امروز تبدیل کرده است.