Способ определения расхода фаз многофазного жидкостного потока и устройство для его осуществления

 

Использование: в нефтедобывающей промышленности для определения общего расхода многофазной жидкости и расхода ее отдельных фаз в промысловых трубопроводах. Сущность изобретения: с целью повышения точности определения количественных значений фаз при одновременном повышении безопасности работы запускают тепловой импульс в зависимости от предварительно определенного по электропроводящим свойствам типа мощности и регистрируют его амплитудно-временные характеристики не менее, чем двумя удаленными друг от друга датчиками температур. В течение времени прохождения теплового импульса между этими датчиками измеряют диэлектрическую проницаемость, определяют истинное значение объемной теплоемкости многофазного потока с учетом диссипации энергии начального теплового потока и расход каждой фазы многофазного потока. Устройство содержит расположенные внутри теплоизоляционной трубы 1 импульсный источник света и расположенные ниже и выше его датчики температуры 8, 9, 10. Между датчиками температуры помещены датчик диэлектрической проницаемости 11 и датчик давления 3. Источник тепла выполнен в виде двух независимых источников, подключенных в зависимости от типа жидкости по электропроводящим свойствам. При этом источник тепла для нагрева диэлектрической жидкости выполнен в виде спирали 4, 5, температура которой установлена ниже температуры самовоспламенения углеводородных газов, а источник тепла для нагрева электропроводной жидкости - в виде центрального подводящего электрода 6 и цилиндрического электрода 7. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности и может быть использовано для определения общего расхода многофазной жидкости, расхода ее отдельных фаз (нефти, воды, газа), газового фактора нефти, солености водной фазы, температуры и давления многофазного потока в промысловых трубопроводах.

Известен способ измерения расходов фаз многофазного потока в скважинах, основанный на измерении общего расхода многофазного потока, плотности жидкости методом гамма-просвечивания и ее диэлектрической проницаемости и устройство для его осуществления, состоящее из наземного регистрирующего устройства и скважинного прибора, в котором установлены турбинный преобразователь расхода жидкости, счетчик Гейгера, источник гамма-излучения для измерения плотности жидкости и датчик диэлектрической проницаемости.

Недостатками указанного технического решения являются большие погрешности метода гамма-просвечивания в средах с низкой плотностью, каковыми являются газожидкостные смеси, и низкая точность турбинных преобразователей при измерении расхода многофазной жидкости, содержащей свободный газ, органические и неорганические соли. Кроме того, применение источников радиоактивного излучения опасно для жизни обслуживающего персонала.

Известен способ измерения расхода фаз многофазного потока, основанный на запуске теплового импульса, регистрации с помощью датчика температуры его амплитудно-временных характеристик и замере электропроводности жидкости и устройство для реализации этого способа, состоящее из скважинной части, включающей импульсный источник тепла и термочувствительные элементы, расположенные на противоположных концах трубы из теплоизоляционного материала, нагревательные электроды, выведенные в поток исследуемой жидкости и шунтированные сопротивлением, и панели управления, позволяющей измерить общий расход, электрическую проводимость и теплоемкость жидкости в скважине.

Основным недостатком известного технического решения является низкая точность измерения в связи с регистрацией теплового импульса только одним датчиком температур, что сопряжено с погрешностями определения теплоемкости жидкости. Использование нагревательных электродов, выведенных в поток исследуемой жидкости и шунтированных открытым сопротивлением, для импульсного нагрева электропроводящей и диэлектрической жидкости приводит к перегоранию шунтирующего сопротивления за счет электролиза в электропроводящей жидкости.

Целью изобретения является повышение точности измерения общего расхода нестационарного многофазного потока и расхода его отдельных фаз при одновременном повышении безопасности работы.

Это достигается тем, что предварительно определяют тип измеряемой жидкости, формируют тепловой импульс в зависимости от типа жидкости, измеряют амплитудно-временную характеристику теплового импульса не менее, чем в двух точках, удаленных друг от друга на фиксированное расстояние, одновременно определяют диэлектрическую проницаемость жидкости и вычисляют истинное значение объемной теплоемкости многофазного потока с учетом диссипации теплового импульса и расход каждой фазы многофазного потока. Кроме того, в устройство, содержащее расположенные в измерительном участке трубопровода импульсный источник тепла, датчик температуры и блок управления, снабжено не менее чем двумя датчиками температуры, датчиком давления и измерителем диэлектрической проницаемости, а импульсный источник тепла выполнен в виде двух независимых источников для нагрева электропроводной и диэлектрической жидкости, причем один датчик температуры установлен перед импульсным источником тепла, а остальные за ним на фиксированном расстоянии друг от друга, датчики давления и диэлектрической проницаемости установлены между ними и связаны с входами блока управления, выходы которого соединены с каждым из независимых источников тепла, при этом независимый источник тепла для диэлектрической жидкости выполнен в виде спирали.

На фиг. 1 представлена конструктивная схема устройства; на фиг.2 - функциональная схема устройства.

Устройство состоит из блока первичных преобразователей (БПП) (фиг. 1) и блока приема и передачи информации (БППИ) (фиг. 2), соединенных между собой и центральной ЭВМ каналами связи.

БПП состоит из патрубка 1 с фланцами на противоположных концах, с помощью которых патрубок вертикально встраивается в трубопровод, по которому течет многофазная жидкость. Внутри патрубка 1 коаксиально устанавливается труба 2 из теплоизоляционного материала, живое сечение которой в несколько раз меньше живого сечения патрубка 1. В межтрубном пространстве устанавливается датчик давления 3. Во внутренней полости трубы 2 установлены два типа нагревательных элементов 4 и 5 импульсного источника тепла. Один из нагревательных элементов состоит из центрального токоподводящего электрода (анода( 6 и цилиндрического катода 7, которые одновременно являются измерительными электродами датчика электрической проводимости. Другой нагревательный элемент выполнен в виде спирали из открытой нагревательной проволоки, совмещенный по длине с электродами первого нагревательного элемента. Каждый нагревательный элемент имеет независимые источники питания. Во внутренней полости трубы 2 установлены датчики температур 8, 9 и 10. Датчик 8 установлен до импульсных нагревательных элементов, два и более датчиков 9, 10 - за импульсными нагревательными элементами. Между двумя верхними датчиками температур на наружную поверхность теплоизоляционной трубы 2 намотан из изолированного провода датчик диэлектрической проницаемости 11.

БППИ состоит из измерителей тока (ИТ) 12, блока тиристорных ключей (БТК) 13, нагревательного трансформатора (НТ) 14, блока предварительных усилителей и формирователей (БПУ и Ф) 15, блока аналого-цифровых преобразователей и коммутаторов (АЦП и К) 16, схем управления коммутаторами и временных преобразователей (СУК и ВП) 17, блока питания (БП) 18 и центрального процессорного модуля (ЦПМ) 19.

Устройство работает в следующей последовательности.

Центральная ЭВМ передает команду ЦПМ 19 о начале цикла измерения. ЦПМ через БТК, СУК и ВП, БПУ и Ф включает в действие датчики электрической проводимости, диэлектрической проводимости, давления и температуры. Электрическая проводимость многофазной жидкости определяется на основе измерения времени разряда накопительного конденсатора через БТК, электроды 6, 7 и жидкость. Диэлектрическая проницаемость определяется измерением электрической емкости среды в межтрубном пространстве между обмоткой датчика 11 и корпусом патрубка 1. Величины температуры и давления измеряются датчиками 8, 9, 10 и 3. Информация о физических параметрах многофазной жидкости ЦПМ 19 передает в центральную ЭВМ, которая по специальной программе рассчитывает электрические характеристики многофазной жидкости. При течении через БПП электропроводящей жидкости ЦПМ через СУК и ВП, БТК, ИТ включает нагревательный элемент с электродами 4 и 5, обеспечивающий импульсный нагрев жидкости в результате прохождения электрического тока через жидкость. При течении через БПП диэлектрической жидкости импульсный нагрев жидкости производится нагревательным элементом, имеющим вид спирали, причем ток питания спирали устанавливают таким образом, чтобы температура нагрева спирали была ниже температуры самовоспламенения попутных углеводородных газов при наличии в газовой фазе воздуха, например, при компрессорной эксплуатации скважин.

Одновременно с запуском импульсного источника тепла включаются в действие датчики давления и температур. При подходе к ближнему датчику температур 8 теплового импульса включается с определенной частотой регистрации датчик диэлектрической проницаемости 11. Измерение диэлектрической проницаемости продолжается до переноса к дальнему датчику температур 10 этого же теплового импульса. После прохождения заднего фронта теплового импульса через самый удаленный датчик температур 10 центральная ЭВМ дает команду ЦПМ 19 об остановке заданного цикла измерений. Устройство приходит в исходное состояние и готово к следующему измерению.

Способ осуществляют последовательностью следующих технологических операций.

Определяют тип жидкости по электропроводящим свойствам, для чего по команде с центральной ЭВМ через ЦПМ 19 запускают блок измерения электрических характеристик (проводимости и диэлектрической проницаемости) многофазного потока.

Проводимость жидкости σ определяют путем измерения времени разряда τ калиброванной емкости C_τ через электроды и жидкость. Диэлектрическую проницаемость ε определяют по информации, полученной с емкостного датчика 11. Информация с датчиков 11 и 6, 7 передается в центральную ЭВМ, где по алгоритмам, описанным ниже, определяют параметры σ и ε. По их значениям устанавливают тип жидкости - проводящая или диэлектрическая. В зависимости от типа жидкости включают соответствующий источник для возбуждения теплового импульса. В диэлектрической жидкости тепловой импульс создают с помощью спирального электрического нагревателя, а в электропроводящей жидкости - путем пропускания тока через жидкость (разрядный нагреватель). Мощности источников подбирают таким образом, чтобы в рабочем диапазоне измерения расходов многофазного потока амплитуды тепловых импульсов были не менее 0,5-1^оС. Для оптимизации выбора мощности источников используют соотношение T = , (1) где Т - средняя температура теплового импульса, С^о; Р - мощность источника, Вт; С_v - объемная теплоемкость, Дж (м³˙град); Q - общий расход МФП, м³/с.

Установлено, что мощность спирального нагревателя должна составлять 200-400 Вт, а мощность разрядного нагревателя должна быть в пределах 1,5-5 кВт.

Длительность теплового импульса (время работы нагревателя) Δt_nдолжна превышать время инерционности тепловых датчиков и быть в 2-3 раза меньше времени прохождения теплового импульса от источника до ближнего температурного датчика t_m1, т.е. длительность импульса выбирается из условия t₃<t<t.

После определения типа жидкости и подачи теплового импульса БППИ с заданной дискретностью по времени ведут опрос температурных датчиков 8, 9, 10 и передают информацию в центральную ЭВМ.

ЭВМ реализует следующий алгоритм обработки данных температурных датчиков. На каждый текущий момент времени t_m вычисляется среднее значение температуры Т_m и дисперсия σ_m по каждому из датчиков по формулам = T_i; = ; i=1, 2, ..., m (2) За момент прихода тепловой метки к температурному датчику принимается время t_m, для которого выполняется условие
1/3(T_m+T_m+1+T_m+2)>(+3σ_m) (3)
С момента времени t_m вычисления средней температуры и дисперсии прекращают и начинают интегрирование кривой изменения температуры
J= T(t)dt (4)
Момент времени t_к, когда прекращают опрос температурного датчика, определяется из аналогичного условия, приведенного выше
1/3(T_к-2+T_к+1+T_к)≅(+3σm) (5)
Операции (2)-(5) проводятся с данными обоих температурных датчиков. В момент времени t_m1 (время прихода тепловой метки к ближнему от источника датчику 9) БППИ начинает опрос и передачу данных емкостного датчика 11 в ЭВМ. Здесь данные емкостного канала усредняются в интервале времени прохождения тепловой метки от ближнего датчика 9 к дальнему датчику 10.

Среднее значение емкости С в указанном интервале времени (Δt=t_m2-t_m1) определяется по формуле
C= c_i, (6)
где n - число спросов емкостного датчика в интервале времени Δ t.

К моменту времени t_k2, когда прекращается опрос дальнего температурного датчика 10, в ЭВМ накапливается вся необходимая информация для расчета общего расхода и расходов фаз иного фазного потока.

Помимо перечисленных выше операций с первичной информацией ЭВМ с использованием ряда калибровочных зависимостей, полученных на этапе метрологической настройки измерителя, пересчитывает выходные сигналы датчиков в соответствующие физические параметры (диэлектрическую проницаемость, удельную проводимость, общий расход и т.д.).

Значения σ и ε, вычисленные по калибровочным зависимостям ε=f(c_x); σ= f(τ), служат для определения типа жидкости по электрическим свойствам.

Мощность разрядного источника W находится по калибровочной зависимости W(τ). Мощность спирального нагревателя в непроводящей жидкости постоянна и вычисляется по известной формуле
W=V²/R, (7) где V - напряжение, подаваемое на нагреватель,
R - сопротивление нагревателя.

Энергия, переданная тепловому импульсу, вычисляется по формуле
E=W˙Δ t_n, (8)
где Δ t_n - длительность импульса.

Время переноса тепловой метки от источника до температурного датчика определяется общим расходом Q МФП (многофазного потока).

По найденным выше величинам t_m1, t_m2, Δ t по калибровочным зависимостям определяют расходы Q₁(1/t_m1); Q₂(1/t_m2); Q_Δ(1/ Δ t) и вычисляют общий расход Q МФП по формуле
Q= (Q₁+Q₂+Q_Δ), (9)
Малая дисперсия Q₁, Q₂, Q_Δ от их среднего значения служит критерием надежности расчета общего расхода Q.

Значение объемной теплоемкости C_v многофазного потока рассчитывают по формуле
C_V= · exp(-αL₁) , (10) где α - коэффициент, учитывающий диссипацию энергии теплового импульса Е при прохождении от источника тепла до температурных датчиков, вычисляется по формуле
α=ln/(L₂-L₁) , (11) где L₁, L₂ - расстояния от источников до ближайшего 9 и дальнего 10 датчиков соответственно.

Расчет объемного содержания фаз (нефти, газа и воды) осуществляют на основе решения следующей системы уравнений
где C_vi, α_i (i=1,2,3) - объемные теплоемкости воды, нефти и газа и объемные содержания фаз в потоке соответственно;
ε, α - скалярные векторы диэлектрической проницаемости компонент их объемных содержаний;
σ_в,α_в - удельная проводимость воды и ее содержание.

Первое уравнение системы вытекает из закона сохранения энергии.

Удовлетворительные результаты с макетом измерителя получены при использовании зависимостей Ф₁₍ε, α), Ф₂(σ_в,α_в), основанных на теоретических построениях Бруггемана (для удельной проводимости) и Оделевского (для диэлектрической проницаемости).

(1-α_в)^3/2 (13)
Σ ·α_i=0 (14)
С учетом соотношений (13) и (14) система (12) сводится к линейной системе уравнений. Алгоритм решений систем (12) базируется на вычислительных схемах, устойчивых к погрешностям измерений, основанных на методах решения некорректных обратных задач.

Рассчитывают фазовые расходы Q_i (воды, нефти и газа)
Q_i=Q˙α_i (15) где i=1,2,3
обводненность продукции η:
η= (16) газовый фактор Г
Г= . (17)
Все рассчитанные параметры МФП выводят на печать или магнитный носитель и измерительно-вычислительный комплекс готов к проведению нового цикла измерений.

Формула изобретения

1. Способ определения расхода фаз многофазного жидкостного потока, включающий формирование теплового импульса, регистрацию его амплитудно-временных характеристик и обработку полученных результатов, отличающийся тем, что предварительно определяют тип измеряемой жидкости по ее электропроводности, формирование теплового импульса осуществляют в зависимости от типа жидкости, измерение амплитудно-временных характеристик производят не менее чем в двух точках, удаленных одна от другой на фиксированное расстояние, одновременно определяют диэлектрическую проницаемость измеряемой жидкости, а при обработке полученных результатов вычисляют истинное значение объемной теплоемкости многофазного потока с учетом диссипации энергии теплового импульса и расход каждой фазы многофазного потока.

2. Устройство для определения расхода фаз многофазного жидкостного потока, содержащее расположенные в измерительном участке трубопровода импульсный источник тепла и датчик температуры, а также блок управления, отличающееся тем, что оно снабжено не менее чем двумя датчиками температуры, датчиком давления и измерителем диэлектрической проницаемости, а импульсный источник тепла выполнен в виде двух независимых источников для нагрева электропроводной и диэлектрической жидкости, причем один датчик температуры установлен перед импульсным источником тепла, а остальные за ним на фиксированном расстоянии друг от друга, датчик давления и измеритель диэлектрической проницаемости установлены между ними, а их выходы связаны с входами блока управления, выходы которого соединены с каждым из независимых источников тепла.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что независимый источник тепла для нагрева диэлектрической жидкости выполнен в виде спирали.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2