Устройство для контроля дебита газовых, газоконденсатных и нефтяных скважин

 

Использование: для измерения дебита двухфазных потоков эксплуатационных скважин. Сущность изобретения: в устройство для контроля дебита газовых, газоконденсатных и нефтяных скважин введены управляемый масштабирующий усилитель, оптимальный коэффициент усиления которого задается микропроцессорным контроллером, и датчик избыточного давления, устанавливаемый на трубопроводе устья скважины; это позволило повысить точность определения дебитов жидкости и газа при изменении в широком диапазоне режимов работы скважины по расходу в условиях изменяющегося давления в трубопроводе на устье скважины. Устройство позволяет измерять дебит скважин по жидкости и газу с необходимой точностью без сепарации газожидкостного потока в широком диапазоне изменения режимов работы скважин по расходу и при изменении давления на устье. 2 ил.

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и может быть использовано при измерении дебита двухфазных потоков эксплуатационных газовых, газоконденсатных и нефтяных скважин.

При измерении расходов двухфазных потоков стандартными сужающими устройствами необходимо осуществлять сепарацию потока и производить раздельное измерение расходов жидкости и газа [1].

Недостаток таких измерительных устройств заключается в необходимости использования специального дополнительного сепаратора со сложной обвязкой и большим количеством запорной и регулирующей арматуры, что повышает стоимость измерительного устройства и усложняет его эксплуатацию.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является устройство для определения дебита по жидкости и газу, содержащее измерительный модуль, включающий пьезокерамический датчик пульсаций давления и согласующий усилитель, подключенный к двум идентичным каналам, состоящим из фильтров соответственно нижних и верхних частот, блоков детектирования, блоков извлечения квадратного корня и интеграторов, причем выходы последних подключены к блоку вычитания сигналов, подсоединенному к регистраторам расходов жидкости и газа [2].

Недостатком известного устройства является невысокая точность определения дебитов при измерении режимов работы скважин, когда в процессе контроля существенно изменяются расход, а также давление в трубопроводе на устье скважины. В первом случае приходится работать при пониженном коэффициенте усиления, что сказывается на точности определения дебитов. Существенные изменения давления в трубопроводе на устье скважины также понижают точность определения дебитов, так как влияние этого давления на результаты измерений не учитывается в алгоритме работы устройства.

Задачей изобретения является создание технического устройства, обеспечивающего повышение точности раздельного определения дебитов жидкости и газа в широком диапазоне изменения режимов работы скважины по расходу с учетом изменяющегося давления в трубопроводе на устье скважин.

Задача решается тем, что в устройство для определения дебита скважины по жидкости и газу, содержащее измерительный модуль, включающий последовательно соединенные датчик пульсаций давления и согласующий усилитель, фильтры нижних и верхних частот и регистраторы дебитов жидкости и газа, согласно изобретению дополнительно введены управляемый масштабирующий усилитель, первый и второй вычислители среднеквадратичного значения сигналов, коммутатор, аналого-цифровой преобразователь, микропроцессорный контроллер с клавиатурой и датчик избыточного давления потока продукции в трубопроводе на устье скважины, причем выход согласующего усилителя подключен к первому входу масштабирующего усилителя, выход которого подключен к входам фильтров нижних и верхних частот, выходы которых подключены к входам вычислителей среднеквадратичного значения сигналов, выходы которых и выход датчика давления на устье скважины подсоединены соответственно к первому, второму и третьему входам коммутатора, выход которого через аналого-цифровой преобразователь подключен к входу микропроцессорного контроллера, первый и второй выходы которого подключены соответственно к регистраторам дебитов жидкости и газа, третий выход - к второму входу масштабирующего усилителя.

Устройство выполняет измерения в соответствии с эмпирическими зависимостями, связывающими расход компонентов газожидкостного потока с пульсациями давления в соответствующих частотных диапазонах и давлением на устье скважины.

F₁(p) = a₀₁ + a₁₁p + a₂₁p² F₂(p) = a₀₂ + a₁₂p + a₂₂p² где Q₁ и Q₂ - расход газа и жидкости; A, B, α, β - коэффициенты, определяемые при калибровке; q_1i, q_2i - среднеквадратичные значения сигналов в первом и втором частотных диапазонах в i-м цикле измерений; ΔP₁(t), ΔP₂(t) - сигналы, пропорциональные скорости пульсаций давления потока соответственно в первом и втором частотных диапазонах; K_i - коэффициент усиления сигнала датчика пульсаций давления потока в i-м цикле измерения; T - длительность цикла измерений; N - количество циклов измерений;
F₁(p), F₂(p) - функции, учитывающие изменение давления в трубопроводе на устье скважины;
a₀₁, a₁₁, a₂₁, a₀₂, a₁₂, a₂₂ - коэффициенты, определяемые при калибровке.

На фиг.1 показана блок-схема устройства; на фиг.2 - блок-схема алгоритма работы микропроцессорного контроллера.

Устройство для контроля дебита газовых, газоконденсатных и нефтяных скважин по жидкости и газу содержит измерительный модуль 1, в состав которого входят пьезокерамический датчик 2 пульсаций давления потока и согласующий усилитель 3. Выход согласующего усилителя соединяется с вторичным измерительным прибором 4, в состав которого входят управляемый масштабирующий усилитель 5, фильтры нижних и верхних частот 6 и 7, первый и второй вычислители среднеквадратичного значения сигнала 8 и 9, коммутатор 10, на вход которого поступают сигналы от первого 8 и второго 9 вычислителей среднеквадратичного значения сигнала. Выход коммутатора соединен с входом аналого-цифрового преобразователя 11, с выхода которого сигнал в цифровом коде поступает на первый вход микропроцессорного контроллера 12, его второй вход соединен с клавиатурой, а первый и второй выходы соединены с цифровыми индикаторами расхода жидкости 13 и газа 14, третий выход микропроцессорного контроллера соединен с масштабирующим усилителем 5 для задания его коэффициента усиления. Сигнал от датчика давления 16, установленного в трубопроводе 17 на устье скважины, поступает на третий вход коммутатора.

Измерительный модуль 1 устанавливается на трубопроводе 17 на расстоянии от 1 до 1,6 м от специального сужающего устройство 18, устанавливаемого в трубопроводе для более интенсивной турбулизации потока и формирования его структуры. Конструктивно измерительный модуль выполнен так, чтобы пьезокерамический элемент 2, защищенный металлически корпусом, находился непосредственно в потоке.

Устройство работает следующим образом.

Пьезокерамический элемент 2 осуществляет преобразование пульсаций давления потока в пропорциональный электрический сигнал, который поступает на согласующий усилитель 3, служащий для предварительного усиления сигнала и согласования высокоомного сопротивления пьезокерамического датчика с входным сопротивлением вторичного измерительного прибора 4. Электрический сигнал с выхода согласующего усилителя 3 поступает на вход масштабирующего усилителя 5. Оптимальный коэффициент усиления этого усилителя задается автоматически от микропроцессорного контроллера 12, в зависимости от усредненного значения амплитуды поступающего сигнала либо оператором с помощью клавиатуры 15. С выхода масштабирующего усилителя 5 сигнал поступает на фильтры 6 и 7 нижних и верхних частот соответственно. Фильтр 6 выделяет первую информативную полосу частот (первый частотный диапазон), интенсивность сигнала в которой связана с расходом жидкой фазы. С выхода фильтра сигнал поступает на вычислитель среднеквадратичного значения сигнала 8, вычисляющий его интенсивность за время одного цикла измерений. Вычислитель 8 осуществляет детектирование сигнала и его интегрирование за время одного цикла измерений. С выхода вычислителя 8 сигнал поступает на первый вход коммутатора 10, на второй вход которого поступает сигнал от вычислителя среднеквадратичного значения сигнала 9 во втором частотном диапазоне, выделяемом фильтром верхних частот 7. На третий вход коммутатора поступает сигнал от датчика давления 16. С выхода коммутатора сигнал поступает на аналого-цифровой преобразователь 11 и преобразуется в двоичный код. С выхода аналого-цифрового преобразователя информация поступает на микропроцессорный контроллер 12, в котором осуществляется расчет значений газа и жидкости в соответствии с формулами 1 и 2. По окончании измерений полученные значения индицируются на цифровом индикаторе 13 в виде кода, соответствующего расходу жидкой фазы, и цифровом индикаторе 14 в виде кода, соответствующего расходу газовой фазы.

Алгоритм работы микропроцессорного контроллера 12 приведен на фиг.2. Он содержит следующие основные операторы:
19 - пуск;
20 - подпрограмма самотестирования;
21 - подпрограмма инициализации ресурсов системы (задание по умолчанию значений коэффициента усиления K масштабирующего усилителя 5 и количества циклов измерений N);
22 - опрос клавиш клавиатуры изменения K и N;
23 - ввод новых значений K и N;
24 - опрос клавиш "измерение";
25 - проверка окончания времени одного цикла измерений;
26 - переключение коммутатора 10 на первый вход;
27 - чтение микропроцессорным контроллером 12 из АЦП 11 кода q_1i, соответствующего значению сигнала на выходе вычислителя 8;
28 - переключение коммутатора 10 на второй вход;
29 - чтение микропроцессорным контроллером 12 из АЦП 11 кода q_2i, соответствующего значению сигнала на выходе вычислителя 9;
30 - переключение коммутатора 10 на третий вход;
31 - чтение микропроцессорным контроллером 12 из АЦП 11 кода P, соответствующего значению давления от датчика 16;
32 - расчет оптимального значения коэффициента усиления K;
33 - корректировка коэффициента усиления K масштабирующего усилителя 5;
34 - расчет Σq^α_1i, Σq^β_2i, F₁(p), F₂(p);
35 - проверка количества циклов измерений (i = N?);
36 - вычисление Q₁ и Q₂ в соответствии с формулами 1 и 2;
37 - вывод значений Q₁ и Q₂;
38 - конец.

Формула изобретения

Устройство для контроля дебита газовых, газоконденсатных и нефтяных скважин, содержащее измерительный модуль, включающий последовательно соединенные акустический датчик пульсаций давления потока продукции на устье скважины и согласующий усилитель, фильтры нижних и верхних частот и регистраторы дебитов жидкости и газа, отличающееся тем, что в него дополнительно введены масштабирующий усилитель, первый и второй вычислители среднеквадратичного значения сигналов, коммутатор, аналого-цифровой преобразователь, микропроцессорный контроллер с клавиатурой и датчик избыточного давления потока продукции в трубопроводе на устье скважины, причем выход согласующего усилителя подключен к первому входу масштабирующего усилителя, выход которого подключен к входам фильтров нижних и верхних частот, выходы которых подключены к входам вычислителей среднеквадратичного значения сигналов, выходы которых и выход датчика давления на устье скважины подсоединены соответственно к первому, второму и третьему входам коммутатора, выход которого через аналого-цифровой преобразователь подключен к входу микропроцессорного контроллера, первый и второй выходы которого подключены соответственно к регистраторам дебитов жидкости и газа, третий выход к второму входу масштабирующего усилителя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2