Устройство для контроля расхода компонентов продукции скважин

 

Изобретение относится к области газодобывающей промышленности для одновременного раздельного измерения расхода газа и количеств песка и водоглинопесчаной смеси в продукции эксплуатационных газовых скважин. Задачей изобретения является измерение расхода газа и раздельно количеств песка и водоглинопесчаной смеси с необходимой точностью в широком диапазоне изменения режимов работы эксплуатационных газовых скважин. Для этого в заявляемое устройство введены два информационных канала для измерения количеств песка и водоглинопесчаной смеси, что позволило расширить функциональные возможности устройства при использовании его на газовых скважинах. В измерительный канал расхода газа введен управляемый масштабирующий усилитель, оптимальный коэффициент усиления которого задается микропроцессорным контроллером. Это позволило повысить точность измерения расхода газа. Эффективное разделение полезных сигналов на этапе первичного преобразования пульсаций давления в электрический сигнал дало возможность обеспечить высокую помехоустойчивость устройства. 2 ил.

Изобретение относится к области газодобывающей промышленности и может быть использовано при измерении расхода газа и количества примесей (песка и водоглинопесчаной смеси) в продукции эксплуатационных газовых скважин.

Известно устройство для контроля твердых примесей в газожидкостных потоках, состоящее из акустического зонда и регистрирующего блока. Акустический зонд состоит из приемного стержня и пьезокристаллического датчика, помещенного в корпус, устанавливаемый на трубопроводе посредством бобышки. Пьезоэлектрический датчик соединен кабелем с блоком регистрации, который содержит последовательно соединенные усилитель, фильтр высоких частот, формирователь сигнала, индикатор и блок сигнализации, контроля и управления, связанный с исполнительным механизмом (см. патент SU N 1357795, кл. G 01 N 15/06, 1986 г.).

К недостаткам устройства следует отнести его узкие функциональные возможности, так как устройство не измеряет расход основных компонент газожидкостных потоков, а также невысокую точность измерения количества твердых примесей, так как подавление сигнала помехи возложено на элементы конструкции зонда, а при высоких дебитах, когда резко увеличиваются интенсивность и эффективная полоса спектра турбулентности, один фильтр высоких частот не обеспечит четкого выделения информативной полосы частот.

Известно устройство для определения дебитов компонентов продукции скважин (жидкости и газа), 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, подсоединенного к регистраторам расходов жидкости и газа (см. патент РФ N 1060791, МПК Е 21 В 47/00, 1991 г.).

Недостатком устройства является невысокая точность определения дебитов при изменении режимов работы скважин, когда в процессе контроля существенно изменяется расход. В этих случаях приходится работать при пониженном коэффициенте усиления, а следовательно, при низком соотношении "полезный сигнал - шум".

К недостаткам следует отнести предварительное усиление общего информационного сигнала пьезокерамического датчика согласующим усилителем, что приводит к усилению помех и затрудняет их дальнейшее подавление.

Присутствие в потоке газа значительного количества примесей (песка и водоглинопесчаной смеси) приводит к серьезным осложнениям в работе газопромыслового оборудования и к его разрушению. Поэтому контроль интенсивности выноса примесей и критических дебитов газа, при которых интенсивность выноса примесей существенно возрастает, становится необходимым на поздних этапах разработки газовых месторождений.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является устройство для контроля расхода компонентов продукции скважины, содержащее пьезокерамический датчик пульсаций давления потока, согласующий усилительный блок фильтрации, аналого-цифровой преобразователь, подключенный к входу микропроцессорного контроллера, выход которого подключен к одному из входов масштабирующего усилителя (см. патент RU N 2103502 С 1, кл. Е 21 В 47/10, 27.01.98).

Задачей предлагаемого изобретения является создание устройства для одновременного раздельного измерения расхода газа и количеств песка и водоглинопесчаной смеси (ВГПС) в продукции скважин, обладающего высокой помехоустойчивостью за счет эффективного разделения полезных сигналов на этапе первичного преобразования пульсаций давления в электрический сигнал, с повышением точности измерения расхода газа.

Решение поставленной задачи достигается тем, что устройство, содержащее пьезокерамический датчик пульсаций давления потока, согласующий усилительный блок, блок фильтрации, аналого-цифровой преобразователь, подключенный к входу микропроцессорного контроллера, выход которого подключен к одному из входов масштабирующего усилителя, согласно изобретению снабжено вторым пьезокерамическим датчиком, двумя коммутаторами уровня и двумя формирователями импульсов, причем согласующий усилительный блок выполнен в виде согласующего усилителя нижних частот и первого, и второго согласующих усилителей верхних частот, блок фильтрации выполнен в виде первого, второго и третьего активных полосовых фильтров, выход первого пьезокерамического датчика подключен ко входам согласующего усилителя нижних частот и первого согласующего усилителя верхних частот, выход второго пьезокерамического датчика подключен ко входу второго согласующего усилителя верхних частот, выход согласующего усилителя нижних частот подключен ко входу первого активного полосового фильтра, выход которого подключен к первому входу масштабирующего усилителя, а выходы первого и второго согласующих усилителей верхних частот подключены ко входам, соответственно, второго и третьего активных полосовых фильтров, выходы которых подключены ко входам, соответственно, первого и второго коммутаторов уровня, выходы которых подключены ко входам, соответственно, первого и второго формирователей импульсов, выходы которых подключены, соответственно, ко второму и третьему входам микропроцессорного контроллера.

Функционирование предлагаемого устройства осуществляется в соответствии с зависимостями, связывающими расход газа со среднеквадратическим значением информативного сигнала, а количество песка и водоглинопесчаной смеси - с количеством импульсов на выходе соответствующих формирователей импульсов: Q_г= A×Gα, (1) где Q_r - расход газа; К_п - количество песка; К_ВГПС - количество водоглинопесчаной смеси; G - среднеквадратическое значение сигнала в информативной полосе частот; S₁ - количество импульсов на выходе первого формирователя импульсов за время измерения; S₂ - количество импульсов на выходе второго формирователя импульсов за время измерения;
V - скорость потока продукции скважины;
A, B, C, - коэффициенты, определяемые на стадии калибровки,


где М - количество циклов измерения;
K - коэффициент усиления масштабирующего усилителя;
X_i - мгновенное значение сигнала в информативной полосе частот;
F - площадь поперечного сечения трубопровода.

Блок-схема устройства показана на фиг. 1. Устройство для контроля расхода компонентов продукции скважин состоит из измерительного модуля 1 и вторичного измерительного прибора 2. В состав измерительного модуля входят первый и второй пьезокерамические датчики, соответственно, 3 и 4, согласующий усилитель нижних частот 5 и первый, и второй согласующие усилители верхних частот, соответственно, 6 и 7. Во второй измерительный прибор входят первый, второй и третий активные полосовые фильтры, 8, 9 и 10, управляемый масштабирующий усилитель 11, аналогово-цифровой преобразователь 12, первый и второй компараторы уровня 13 и 14, первый и второй формирователи импульсов 15 и 16, а также микропроцессорный контролер 17 с дисплеем 18 и клавиатурой 19.

Измерительный модуль 1 устанавливается на трубопроводе 20 на определенном расстоянии от специального сужающего устройства 21, устанавливаемого в трубопровод для более интенсивной турбулизации и формирования заданной структуры потока.

Вторичный измерительный прибор 2 выполнен переносным и может периодически подключаться к измерительному модулю 1. Устройство работает следующим образом.

При формировании каналов "расход газа" и "песок" используется общий первый пьезокерамический датчик 3, а при формировании канала "ВГПС" - второй пьезокерамический датчик 4. Это обеспечивает эффективное разделение информативных сигналов каналов "песок" и "ВГПС" на этапе первичного преобразования пульсаций давления в электрический сигнал.

Сигнал с первого пьезокерамического датчика 3 поступает на согласующий усилитель нижних частот 5 и первый согласующий усилитель верхних частот 6, служащие для усиления сигнала в соответствующих частотных диапазонах. Разделение выходного сигнала пьезокерамического датчика на два канала до предварительного его усиления обеспечивает снижение уровня помех за счет последующего избирательного усиления на начальном этапе преобразования сигнала. Сигнал с согласующего усилителя нижних частот 5 поступает на первый активный полосовой фильтр 8, который формирует информативную полосу частот канала "расход газа". Он выделяет и усиливает сигнал с частотными составляющими в диапазоне от десятков до сотен герц. С выхода активного полосового фильтра 8 сигнал поступает на первый вход масштабирующего усилителя 11. Оптимальный коэффициент усиления этого усилителя задается автоматически микропроцессорным контроллером 17, выход которого подан на второй вход масштабирующего усилителя 11. Выход масштабирующего усилителя соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя 12, с выхода которого сигнал поступает на первый вход (последовательный цифровой вход) микропроцессорного контроллера 17. Микропроцессорный контроллер производит вычисления в соответствии с алгоритмом функционирования и по окончании измерений полученное значение индицируется на цифровом дисплее 18.

Формирование информационных сигналов каналов "песок" и "ВГПС" производится следующим образом. Сигналы первого и второго согласующих усилителей верхних частот 6 и 7 поступают на второй и третий активные полосовые фильтры 9 и 10, которые выделяют и усиливают сигналы с частотными составляющими в диапазоне сотен и десятков килогерц, соответственно. Выделенные и усиленные сигналы поступают на компараторы уровня, соответственно, 13 и 14. Пороги срабатывания компараторов уровня настраиваются заведомо выше уровня шумов. При появлении полезных сигналов с амплитудой выше порогового уровня компараторы срабатывают и запускают формирователи импульсов, соответственно, 15 и 16. По общему числу импульсов можно судить об интенсивности ударного воздействия частиц песка и ВГПС. Импульсы с выхода формирователей 15 и 16 поступают, соответственно, на второй и третий входы (входы внешнего прерывания) микропроцессорного контроллера 17. После соответствующей обработки информации в микропроцессорном контроллере полученные значения индицируются на цифровом дисплее 18.

Клавиатура 19 служит для ввода параметров процессора измерения.

Алгоритм работы микропроцессорного контроллера 17 приведен на фиг. 2. Он содержит следующие основные операторы.

По первому входу:
1 - пуск;
2 - подпрограмма самотестирования;
3 - подпрограмма инициализации ресурсов системы;
4 - ввод с клавиатуры количества циклов измерения М;
5 - обнуление накопителей каналов расхода газа, количества песка и количества ВГПС;
6 - инициализация коэффициента усиления К масштабирующего усилителя;
7 - чтение из АЦП мгновенного значения сигнала X_i в информативной полосе частот;
8 - накопление суммы (Х_i/K)²;
9 - подпрограмма расчета оптимального К;
10 - вывод К на выход микропроцессорного контроллера;
11 - проверка окончания последнего цикла измерения;
12 - вычисление среднеквадратического значения G;
13 - вычисление расхода газа, количества "песка" и количества "ВГПС" по формулам (1), (2) и (3), соответственно;
14 - вывод Q_г, К_п и К_ВГПС на индикацию;
15 - конец.

По второму входу:
16 - старт подпрограммы обработки прерываний от первого формирователя импульсов;
17 - увеличение на единицу накопителя канала "песок";
18 - возврат в основную программу.

По третьему входу:
19 - старт подпрограммы обработки прерываний от второго формирователя импульсов;
20 - увеличение на единицу накопителя канала "ВГПС";
21 - возврат в основную программу.

Формула изобретения

Устройство для контроля расхода компонентов продукции скважин, содержащее пьезокерамический датчик пульсаций давления потока, согласующего усилительный блок, блок фильтрации, аналого-цифровой преобразователь, подключенный к входу микропроцессорного контроллера, выход которого подключен к одному из входов масштабирующего усилителя, отличающееся тем, что оно снабжено вторым пьезокерамическим датчиком, двумя компараторами уровня и двумя формирователями импульсов, причем согласующий усилительный блок выполнен в виде согласующего усилителя нижних частот и первого и второго согласующих усилителей верхних частот, блок фильтрации выполнен в виде первого, второго и третьего активных полосовых фильтров, выход первого пьезокерамического датчика подключен ко входам согласующего усилителя нижних частот и первого согласующего усилителя верхних частот, выход второго пьезокерамического датчика подключен ко входу второго согласующего усилителя верхних частот, выход согласующего усилителя нижних частот подключен ко входу первого активного полосового фильтра, выход которого подключен к первому входу масштабирующего усилителя, выход которого подключен ко входу аналого-цифрового преобразователя, а выходы первого и второго согласующих усилителей верхних частот подключены ко входам соответственно второго и третьего активных полосовых фильтров, выходы которых подключены ко входам соответственно первого и второго компараторов уровня, выходы которых подключены соответственно ко второму и третьему входам микропроцессорного контролера.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2