Устройство для контроля расхода компонентов продукции скважин

 

Изобретение относится к газодобывающей промышленности для одновременного раздельного измерения расхода газа и количеств песка и водоглинопесчаной смеси в продукции эксплуатационных газовых скважин. Техническая задача изобретения: измерять расход газа и раздельно количество песка и водоглинопесчаной смеси с необходимой точностью в широком диапазоне изменения режимов работы эксплуатационных газовых скважин. Для этого устройство содержит два информационных канала для измерения количеств песка и водоглинопесчаной смеси. Это позволяет расширить функциональные возможности устройства при использовании его на газовых скважинах. Введение в измерительные каналы "песок" и "ВГПС" регулируемых усилителей верхних частот с обратной связью позволиляет обеспечить широкий динамический диапазон измерения по этим измерительным каналам. Эффективное разделение полезных сигналов на этапе первичного преобразования пульсаций давления в электрический сигнал дает 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) 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. авторское свидетельство SU N 1357795, кл. G 01 N 15/06, 1986 г.).

К недостаткам устройства следует отнести его узкие функциональные возможности, так как устройство не обеспечивает измерения расхода основных компонентов 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 увеличивается интенсивность и эффективная полоса спектра турбулентности, один фильтр высоких частот не обеспечит четкого выделения информативной полосы частот.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является устройство для контроля дебита газовых, газоконденсатных и нефтяных скважин, содержащее пьезокерамический датчик пульсаций давления, согласующий усилитель, масштабирующий усилитель, фильтры нижних и верхних частот, вычислители среднеквадратичного значения сигнала, коммутатор, аналого-цифровой преобразователь и микропроцессорный контроллер (см. патент RU N 2103502, кл. E 21 B 47/10, 1998 г.).

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.

Существенным недостатком рассматриваемого устройства при использовании его на газовых скважинах является отсутствие информационных каналов для измерения примесей в газовом потоке.

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

Задачей изобретения является создание устройства, обеспечивающего одновременное раздельное измерение расхода газа и количеств песка и водоглинопесчаной смеси (ВГПС) в продукции скважин, обладающего широким динамическим диапазоном измерения по всем измерительным каналам за счет применения обратных связей и высокой помехоустойчивостью за счет эффективного разделения полезных сигналов на этапе первичного преобразования пульсаций давления в электрический сигнал.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в устройство для контроля дебита газовых, газоконденсатных и нефтяных скважин, содержащее пьезокерамический датчик пульсаций давления потока, согласующий усилительный блок, блок фильтрации, масштабирующий усилитель, аналого-цифровой преобразователь и микропроцессорный контроллер, согласно изобретению дополнительно введены второй пьезокерамический датчик, первый и второй регулируемые усилители верхних частот, первый и второй компараторы уровня, первый и второй формирователи импульсов, первый и второй детекторы, первый и второй интеграторы, при этом согласующий усилительный блок выполнен в виде согласующего усилителя нижних частот и первого и второго согласующих усилителей верхних частот, а блок фильтрации выполнен в виде первого, второго и третьего активных полосовых фильтров, причем выход первого пьезокерамического датчика подключен ко входам согласующего усилителя нижних частот и первого согласующего усилителя верхних частот, а выход второго пьезокерамического датчика - 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, выход которого подключен к первому входу микропроцессорного контроллера, выход которого подключен ко второму входу масштабирующего усилителя, а выходы первого и второго согласующих усилителей верхних частот подключены к первым входам, соответственно, первого и второго регулируемых усилителей верхних частот, выходы которых подключены ко входам, соответственно, второго и третьего активных полосовых фильтров, выходы которых подключены ко входам, соответственно, первого и второго компараторов уровня, выходы которых подключены ко входам, соответственно, первого и второго формирователей импульсов, выходы которых подключены, соответственно, ко второму и третьему входам микропроцессорного контроллера, а также ко входам, соответственно, первого и второго детекторов, выходы которых подключены ко входам, соответственно, первого и второго интеграторов, выходы которых подключены ко вторым входам, соответственно, первого и второго регулируемых усилителей верхних частот.

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_г - расход газа; К_п - количество песка; К_ВГПС - количество водоглинопесчаной смеси; G - среднеквадратическое значение сигнала в информативной полосе частот преобладающего влияния газовой фазы; 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;
коэффициенты, определяемые на стадии калибровки.

V=Q_г/F (5)
M - 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 и согласующий усилительный блок 5, включающий согласующий усилитель нижних частот 6 и первый и второй согласующие усилители верхних частот, соответственно, 7 и 8.

Во вторичный измерительный прибор входят первый и второй регулируемые усилители верхних частот, соответственно, 9 и 10, блок фильтрации 11, включающий первый, второй и третий активные полосовые фильтры, соответственно, 12, 13 и 14, управляемый масштабирующий усилитель 15, аналого-цифровой преобразователь 16, первый и второй компараторы уровня, соответственно, 17 и 18, первый и второй формирователи импульсов, соответственно, 19 и 20, первый и второй детекторы, соответственно, 21 и 22, первый и второй интеграторы, соответственно, 23 и 24, а также микропроцессорный контроллер 25 с дисплеем 26 и клавиатурой 27.

Измерительный модуль 1 устанавливается на трубопроводе 28 на определенном расстоянии от специального сужающего устройства 29, устанавливаемого в трубопровод для более интенсивной турбулизации и формирования заданной структуры потока.

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 и повышает помехоустойчивость устройства.

Сигнал с первого пьезокерамического датчика 3 поступает на согласующий усилитель нижних частот 6 и первый согласующий усилитель верхних частот 7, служащие для усиления сигнала в соответствующих информативных частотных диапазонах. Разделение выходного сигнала первого пьезокерамического датчика на два канала до предварительного его усиления обеспечивает снижение уровня помех за счет избирательного усиления на начальном этапе преобразования сигнала. Сигнал с согласующего усилителя нижних частот 6 поступает на первый активный полосовой фильтр 12, 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 12 сигнал поступает на первый вход масштабирующего усилителя 15. Оптимальный коэффициент усиления этого усилителя задается автоматически микропроцессорным контроллером 25, выход которого подан на второй вход масштабирующего усилителя 15. Выход масштабирующего усилителя соединен с входом аналого-цифрового преобразователя 16, с выхода которого сигнал поступает на первый вход (последовательный цифровой вход) микропроцессорного контроллера 25. Микропроцессорный контроллер производит вычисления в соответствии с алгоритмом функционирования и по окончании измерений полученное значение индицируется на цифровом дисплее 26.

Формирование информационных сигналов каналов "песок" и "ВГПС" реализовано по единому принципу. Сигналы с первого и второго согласующих усилителей верхних частот 7 и 8 поступают на первые входы первого и второго регулируемых усилителей верхних частот, соответственно, 9 и 10. Введение регулируемых усилителей верхних частот в измерительные каналы "песок" и "ВГПС" обусловлено тем, что при околокритических дебитах газа процесс выноса примесей приобретает лавинообразный характер и измерительные каналы "песок" и "ВГПС" быстро насыщаются. Усиленные сигналы с первого и второго регулируемых усилителей верхних частот поступают на второй и третий активные полосовые фильтры 13 и 14, которые выделяют и усиливают сигналы с частотными составляющими в диапазоне сотен и десятков килогерц, соответственно. Выделенные и усиленные сигналы каналов "песок" и "ВГПС" со второго и третьего активных полосовых фильтров поступают на первый и второй компараторы уровня 17 и 18. Пороги срабатывания компараторов уровня настраиваются заведомо выше уровня шумов. При появлении полезных сигналов с амплитудой выше порогового уровня компараторы уровня срабатывают и запускают первый и второй формирователи импульсов 19 и 20. По общему числу импульсов можно судить об интенсивности ударного воздействия частиц песка и ВГПС. Импульсы с выхода формирователей импульсов 19 и 20 поступают, соответственно, на второй и третий входы (входы внешнего прерывания) микропроцессорного контроллера 25, а также в виде сигналов обратной связи на вторые входы первого и второго регулируемых усилителей верхних частот, соответственно, 9 и 10. Обратные связи обоих каналов идентичны и включают первый детектор 21 и первый интегратор 23 для первого регулируемого усилителя верхних частот 9 и второй детектор 22 и второй интегратор 24 для второго регулируемого усилителя верхних частот 10. С помощью сигналов обратной связи коэффициенты усиления регулируемых усилителей автоматически подстраиваются, что обеспечивает широкий динамический диапазон измерения количества песка и ВГПС.

После соответствующей обработки в микропроцессорном контроллере полученные значения индицируются на цифровом дисплее 26.

Клавиатура 27 служит для ввода параметров процесса измерения.

Алгоритм работы микропроцессорного контроллера 25 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 (X_i/K)²;
9 - подпрограмма расчета оптимального K;
10 - вывод K 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, K_п и K_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, согласующий усилительный блок, блок фильтрации, масштабирующий усилитель, аналого-цифровой преобразователь и микропроцессорный контроллер, отличающееся тем, что в него дополнительно введены второй пьезокерамический датчик, первый и второй регулируемые усилители верхних частот, первый и второй компараторы уровня, первый и второй формирователи импульсов, первый и второй детекторы, первый и второй интеграторы, при этом согласующий усилительный блок выполнен в виде согласующего усилителя нижних частот и первого и второго согласующих усилителей верхних частот, а блок фильтрации выполнен в виде первого, второго и третьего активных полосовых фильтров, причем выход первого пьезокерамического датчика подключен ко входам согласующего усилителя нижних частот и первого согласующего усилителя верхних частот, а выход второго пьезокерамического датчика - 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, выход которого подключен к первому входу микропроцессорного контроллера, выход которого подключен ко второму входу масштабирующего усилителя, а выходы первого и второго согласующих усилителей верхних частот подключены к первым входам соответственно первого и второго регулируемых усилителей верхних частот, выходы которых подключены ко входам соответственно второго и третьего активных полосовых фильтров, выходы которых подключены ко входам соответственно первого и второго компараторов уровня, выходы которых подключены ко входам соответственно первого и второго формирователей импульсов, выходы которых подключены соответственно ко второму и третьему входам микропроцессорного контроллера, а также ко входам соответственно, первого и второго детекторов, выходы которых подключены ко входам соответственно первого и второго интеграторов, выходы которых подключены ко вторым входам соответственно первого и второго регулируемых усилителей верхних частот.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2