Устройство для контроля расхода компонентов продукции скважин

 

Изобретение предназначено для одновременного измерения расхода газа и количеств песка и водоглинопесчаной смеси (ВГПС) в продукции газовых скважин. Устройство содержит измерительный модуль с двумя пьезокерамическими датчиками, усилителем нижних частот и двумя усилителями верхних частот. Первый из датчиков используют при формировании измерительных каналов "расход газа" и "песок", а второй - при формировании канала "ВГПС". Канал "расход газа" содержит первый активный полосовой фильтр, управляемый масштабирующий усилитель и АЦП. В каналы "песок" и "ВГПС" введены регулируемые усилители верхних частот с обратной связью, второй и третий активные полосовые фильтры, первый и второй компараторы уровня и первый и второй формирователи импульсов. Капал "песок" также содержит управляемый усилитель верхних частот, коэффициент усиления которого задается микропроцессорным контроллером, что обеспечивает нечувствительность канала к ударному воздействию капельной жидкости. Изобретение позволяет получить высокую точность измерений в широком диапазоне изменения режимов работы газовых скважин. 2 ил.

Предлагаемое 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 измерение 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 В 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 и высокой точностью по всем измерительным каналам за счет многоступенчатого избирательного усиления сигналов с применением 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, управляемый усилитель верхних частот, 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 и цифроаналоговый преобразователь, 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 первого согласующего усилителя верхних частот подключен к первому входу управляемого усилителя верхних частот, выход которого, а также выход второго согласующего усилителя верхних частот подключены к первым входам 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, а 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, первый выход которого подключен ко второму входу масштабирующего усилителя, а второй выход подключен ко входу цифроаналогового преобразователя, выход которого подключен ко второму входу управляемого усилителя 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; K_п - количество песка; K_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;
A, B, C, - коэффициенты, определяемые на стадии калибровки.

V = Q_г/F (5)
где M - количество циклов измерения;
К - 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 управляемый усилитель верхних частот 9, первый и второй регулируемые усилители верхних частот, соответственно, 10 и 11, блок фильтрации 12, включающий первый, второй и третий активные полосовые фильтры, соответственно, 13, 14 и 15, управляемый масштабирующий усилитель 16, аналого-цифровой преобразователь 17, первый и второй компараторы уровня, соответственно, 18 и 19, первый и второй формирователи импульсов, соответственно, 20 и 21, первый и второй детекторы, соответственно, 22 и 23, первый и второй интеграторы, соответственно, 24 и 25, микропроцессорный контроллер 26 с дисплеем 27 и клавиатурой 28, а также цифроаналоговый преобразователь 29.

Измерительный модуль 1 устанавливается на трубопроводе 30 на определенном расстоянии от специального сужающего устройства 31, 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.

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 13, 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 первого активного полосового фильтра 13 сигнал поступает на первый вход масштабирующего усилителя 16. Оптимальный коэффициент усиления этого усилителя задается автоматически микропроцессорным контроллером 26, первый выход которого подан на второй вход масштабирующего усилителя 16. Выход масштабирующего усилителя соединен с входом аналого-цифрового преобразователя 17, с выхода которого сигнал поступает на первый вход (последовательный цифровой вход) микропроцессорного контроллера 26. Микропроцессорный контроллер производит вычисления в соответствии с алгоритмом функционирования и по окончании измерений полученное значение индицируется на цифровом дисплее 27.

Формирование информационных сигналов каналов "песок" и "ВГПС" реализовано следующим образом. Сигнал с первого согласующего усилителя верхних частот 7 поступает на первый вход управляемого усилителя верхних частот 9. Коэффициент усиления этого усилителя задается в зависимости от расхода газа микропроцессорным контроллером 26, второй выход которого подан через цифроаналоговый преобразователь 29 на второй вход управляемого усилителя верхних частот 9. Это позволяет избежать ложного срабатывания канала "песок" от ударного воздействия капельной жидкости при больших скоростях потока. Сигналы с выхода управляемого усилителя верхних частот 9 и согласующего усилителя верхних частот 8 поступают на первые входы первого и второго регулируемых усилителей верхних частот, соответственно, 10 и 11. 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, соответственно, 14 и 15, 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, соответственно, 18 и 19. 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, соответственно, 20 и 21. По общему числу импульсов можно судить об интенсивности ударного воздействия частиц песка и ВГПС. Импульсы с выхода формирователей импульсов 20 и 21 поступают, соответственно, на второй и третий входы (входы внешнего прерывания) микропроцессорного контроллера 26, а также в виде сигналов обратной связи на вторые входы регулируемых усилителей верхних частот, соответственно, 10 и 11. Обратные связи обоих каналов идентичны и включают первый детектор 22 и первый интегратор 24 для первого регулируемого усилителя верхних частот 10 и второй детектор 23 и второй интегратор 25 для второго регулируемого усилителя верхних частот 11. С помощью сигналов обратной связи коэффициенты усиления регулируемых усилителей верхних частот автоматически подстраиваются, что обеспечивает широкий динамический диапазон измерения количества песка и ВГПС.

После соответствующей обработки в микропроцессорном контроллере полученные значения индицируются на цифровом дисплее 27.

Клавиатура 28 служит для ввода параметров процесса измерения.

Алгоритм работы микропроцессорного контроллера 26 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/К)²;
9 - подпрограмма расчета оптимального К;
10 - вывод К на 1-й выход микропроцессорного контроллера;
11 - вычисление управляющего воздействия на управляемый усилитель Y_в~ [(X_i/K)²]/i;
12 - вывод Y_в на 2-й выход микропроцессорного контроллера;
13 - проверка окончания последнего цикла измерения;
14 - вычисление среднеквадратического значения G;
15 - вычисление расхода газа, количества песка и количества ВГПС по формулам (1), (2) и (3), соответственно;
16 - вывод Q_г, К_п и К_вгпс на индикацию;
17 - конец.

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

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

Формула изобретения

Устройство для контроля расхода компонентов продукции скважин, содержащее первый пьезокерамический датчик, усилительный блок, блок фильтрации, управляемый масштабирующий усилитель, микропроцессорный контроллер и аналого-цифровой преобразователь, подключенный к первому входу контроллера, отличающееся тем, что в него дополнительно введены второй пьезокерамический датчик, управляемый усилитель верхних частот, первый и второй регулируемые усилители верхних частот, первый и второй компараторы, первый и второй формирователи импульсов, первый и второй детекторы, первый и второй интеграторы, и цифроаналоговый преобразователь, при этом усилительный блок выполнен в виде усилителя нижних частот и первого и второго усилителей верхних частот, а блок фильтрации - в виде первого, второго и третьего активных полосовых фильтров, причем выход первого пьезокерамического датчика подключен ко входам усилителя нижних частот и первого усилителя верхних частот, а выход второго пьезокерамического датчика - ко входу второго усилителя верхних частот, выход первого усилителя верхних частот подключен к первому входу управляемого усилителя верхних частот, выход которого, а также выход второго усилителя верхних частот подключены к первым входам регулируемых усилителей верхних частот, выходы которых подключены ко входам соответственно второго и третьего активных полосовых фильтров, подключенных ко входам соответственно первого и второго компараторов уровня, выходы которых подключены ко входам первого и второго формирователей импульсов, подключенных 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, подключенных ко вторым входам соответственно первого и второго регулируемых усилителей верхних частот, а выход усилителя нижних частот подключен ко входу первого активного полосового фильтра, выход которого подключен к первому входу управляемого масштабирующего усилителя, подключенного ко входу аналого-цифрового преобразователя, первый выход микропроцессорного контроллера подключен ко второму входу масштабирующего усилителя, а второй выход подключен ко входу цифроаналогового преобразователя, выход которого подключен ко второму входу управляемого усилителя верхних частот.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2