Способ измерения покомпонентного расхода трехкомпонентного газожидкостно-твердотельного потока и устройство для его осуществления

Предложенный способ включает в себя измерение общего расхода потока смеси, определение относительного содержания компонентов и вычисление расхода каждого компонента (нефть, газ, вода). Для определения относительного содержания всех трех компонентов с помощью одного объемного - резонатора ВЧ-диапазона - измеряют первую и вторую резонансные частоты его выходного сигнала, выводят или подбирают аналитические зависимости резонансной частоты и амплитуды сигнала от относительного содержания компонентов и их диэлектрических проницаемостей. Общий расход смеси определяют путем измерения скорости потока корреляционным методом, используя флуктуации сигналов, получаемых с двух ВЧ - резонаторов радиоволновых датчиков, установленных вдоль измеряемого потока. Устройство содержит гомогенизатор, зондирующий блок в виде отрезка трубопровода с двумя объемными резонаторами с первичными преобразователями в виде обмоток и датчиками температуры и давления и электронный блок, включающий модуль центрального процессора. Изобретения обеспечивают измерения при любом содержании каждого из компонентов в широком интервале скоростей: как малых - до десятых долей м/сек, так и больших - до 200 м/сек, а также в условиях снижения влияния солености воды, температуры и давления в трубопроводе, с помощью простой конструкции. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике, а также к системам управления технологическими процессами и может быть использовано для измерения покомпонентного расхода трехкомпонентного потока (нефть, газ, вода или газовый конденсат, газ, вода) в нефтедобывающей и газодобывающей отраслях при контроле дебита добывающих скважин и для оптимизации процесса добычи, например по критерию увеличения дебита нефти и газа.

В нефтяной и газовой промышленности находят применение разнообразные измерения многофазных потоков (МФП), к которым предъявляются, соответственно, различные требования. Все более остро ощущается потребность в системе измерений МФП, позволяющей достичь и непрерывно поддерживать высокую точность измерений в реальных условиях эксплуатации без физического разделения потока на его отдельные фазы и компоненты и без внедрения в измеряемый движущийся поток каких-либо элементов конструкции расходомера, особенно подвижных (требование нонинтрузивности). Весьма существенными являются также требования искробезопасности и экологической чистоты.

При создании средств измерения МФП можно выделить три основные задачи:

определение относительного содержания фаз и компонентов измеряемого потока;

измерение общего объемного или массового расхода смеси;

разработка алгоритмов и программ для компьютера изделия по определению покомпонентного относительного содержания и расхода.

В настоящее время ряд фирм за рубежом и предприятий в России ведут разработку трехкомпонентных расходомеров для нефтедобывающей промышленности. Однако в силу сложности проблемы до сих пор нет трехкомпонентных расходомеров, широко используемых в нефтедобывающей и газодобывающей отраслях.

Среди аналогов трехкомпонентных расходомеров можно указать на следующие:

многофазный расходомер Scrollflow meter (Multistream meter), разработанный фирмой Бритиш Петролеум [1];

многофазные измерители потока MPFM-301 и MPFM-400 фирмы Агар Корпорейшн (США) [2];

трехкомпонентный расходомер для нефтяных добывающих скважин, запатентованный ИПУ РАН [3];

трехкомпонентный нонинтрузивный расходомер газонефтеводяного потока, разработанный АО “Импульс” и ИПУ РАН [4];

микроволновый измеритель для текущих смесей, запатентованный Rockwell International Corporation [5].

Каждое из перечисленных устройств обладает определенными недостатками.

В расходомере Scrollflow основное внимание разработчиков было обращено на создание механического расходомера общего потока на принципе “дозированного перемещения” (“positive displacement”) шнекового типа. Этот принцип позволяет выровнять скорости отдельных компонент, особенно газа и жидкости, в зоне измерений, т.е. устранить скольжение одной фазы относительно другой. Однако серьезной проблемой этого устройства, порождаемой использованием механических вращающихся с большими скоростями конструктивных узлов изделия, помещенных в измеряемый поток смеси, является обеспечение долговечности и отсутствия заклинивания при наличии в потоке твердых частиц.

Много усилий и времени было затрачено разработчиками на создание конструкции (в частности, радиально-упорных подшипников) и выбор материалов, обеспечивающих надежную работу в условиях наличия в потоке твердых частиц и очень больших скоростей потока при газовых пробках. При этом для получения малых погрешностей в измерении расхода необходимо обеспечение противоречивых требований – очень малого собственного момента сопротивления и одновременно очень малых зазоров между узлами ротора и статора, что требует очень высоких точностей изготовления упомянутых деталей и узлов.

Кроме того, рекомендуемое объединение указанного механического расходомера смеси с гамма-лучевым плотномером для определения водосодержания требует специального мониторинга по безопасности и экологии.

Трехфазные расходомеры MPFM-301 и MPFM-400 фирмы Агар Корпорейшн используют электромагнитные волны СВЧ-диапазона и экологически чисты, но также содержат механический расходомер “дозированного перемещения” ролико-лопастного типа и не гарантированы от заклинивания и поломок при больших скоростях газовых пробок. Кроме того, использование двух трубок Вентури с четырьмя датчиками давления для реализации определения соотношения газовой и жидкостной составляющих с помощью решения пяти нелинейных дифференциальных уравнений в реальном масштабе времени предъявляет очень большие требования к вычислительной части изделия. Эти обстоятельства делают расходомер чрезвычайно дорогим (от 70000 $ до 120000 $) и поэтому не пригодным для оснащения каждой скважины.

Трехкомпонентный расходомер, предложенный ИПУ РАН, имеет своим положительным качеством использование радиоволнового датчика (РВД), резонансная частота которого с высокой точностью соответствует значению диэлектрической проницаемости протекающей через него смеси и, как следствие, относительному содержанию воды в ней. Но большое количество конструктивных узлов, располагаемых в измеряемом потоке (активная мешалка, чувствительный элемент расходомера), делает его ненадежным и недолговечным.

Микроволновый измеритель для текущих смесей, запатентованный Rockwell International Corporation, не содержит элементов конструкции, располагаемых в движущемся потоке, определение общего расхода в нем осуществляется путем измерения скорости потока корреляционным методом. Но это не трехкомпонентный, а двухкомпонентный расходомер, использующий только частотные зависимости.

Ближайшим аналогом настоящего изобретения является трехкомпонентный нонинтрузивный расходомер газонефтеводяного потока, разработанный АО “Импульс” и ИПУ РАН. Он содержит два зондирующих блока, один из которых представляет собой объемный резонатор типа радиоволнового датчика (РВД), работающий в ВЧ-диапазоне длин волн, а второй представляет собой отрезок трубопровода с расположенными с противоположных сторон его внутреннего диаметра передающей и приемной антеннами, работающий в СВЧ-диапазоне. При этом в радиоволновом датчике используется значение резонансной частоты, а в СВЧ-блоке – сдвиг фазы электомагнитного сигнала, прошедшего через слой измеряемого потока. В силу различия диэлектрической проницаемости смеси в ВЧ и СВЧ диапазонах этих данных достаточно для определения относительного содержания трех компонентов. Вторым положительным свойством является то, что скорость потока измеряется доплеровским методом с использованием того же самого сигнала в ВЧ зондирующем блоке, и изделие не имеет конструктивных узлов, располагаемых в потоке. Однако область применения изделия ограничена со стороны увеличения диаметра трубопровода или относительного содержания воды в смеси и со стороны измерения малых скоростей потока. Это связано с большим затуханием СВЧ электромагнитных волн в воде (к примеру, около 40 децибел на сантиметр на частоте 10 ГГц) и с небольшим доплеровским сдвигом частоты на малых скоростях потока (около 7 Гц в воздухе при скорости 0.1 м/с).

Техническим результатом от использования настоящего изобретения является расширение области применения трехкомпонентного расходомера, в частности обеспечение измерения относительного содержания любого из компонентов, в том числе и воды, в диапазоне от нуля до ста процентов, а измерение покомпонентного расхода в диапазоне от двух до 98 процентов, расширение диапазона измеряемых скоростей в сторону малых значений до десятых долей метра в секунду, а в сторону больших значений – до двухсот метров в секунду и более, уменьшение влияния таких дестабилизирующих факторов, как изменение солености воды, температуры и давления в трубопроводе, при существенном упрощении и удешевлении конструкции изделия.

Первый технический результат достигается за счет существенного снижения рабочей частоты второго зондирующего блока - перехода с десятков и единиц гигагерц СВЧ-диапазона на десятки и сотни мегагерц ВЧ-диапазона, где затухание сигнала даже в воде незначительно.

Второй технический результат достигается за счет использования корреляционного метода измерения скорости потока путем обработки сигналов, полученных с двух упомянутых выше зондирующих блоков, установленных последовательно на определенном расстоянии вдоль потока. В частности, это могут быть два одинаковых радиоволновых датчика. Но при этом для определения относительного содержания трех компонентов необходимо взамен информации, содержащейся в фазе сигнала СВЧ-блока, иметь какую-либо другую информацию, зависящую от относительного содержания компонентов. Это может быть выполнено путем измерения в радиоволновом датчике помимо его резонансной частоты также затухания или коэффициента передачи сигнала на резонансной частоте, который имеет свою зависимость от комплексной диэлектрической проницаемости смеси, и/или путем использования нескольких резонансных частот объемного резонатора. Таким образом, оказывается, что достаточно одного зондирующего блока, чтобы определить относительное содержание трех компонентов, если замерять два параметра его сигнала. В общем случае имеется возможность определения относительного содержания и покомпонентного расхода более трех компонентов. Однако надо иметь в виду, что резонансные частоты, и особенно амплитуда сигнала, помимо относительного содержания компонентов зависят также и от солености воды и при изменении последней появится погрешность в измерении относительного содержания компонентов. Поэтому, если требуются высокие точности, необходимо периодически вводить коррекцию в программу вычислений на основании значений солености воды, получаемых путем лабораторного анализа проб добываемой смеси. Но это не является существенным недостатком, так как изменения в физических свойствах смеси из скважины происходят медленно.

Влияние на точность измерения изменений температуры и давления измеряемой смеси может быть скорректировано учетом в программе модуля центрального процессора изделия известных зависимостей диэлектрических проницаемостей компонентов от этих дестабилизирующих факторов с использованием информации от датчиков температуры и давления, установленных в зондирующем блоке. Такая коррекция совершенно необходима в отношении газовой составляющей смеси ввиду существенной зависимости диэлектрической проницаемости газа от температуры и давления.

Вторым вариантом компенсации влияния изменения температуры на точность измерения может быть создание при калибровке изделия банка данных с набором комплектов коэффициентов, полученных при различных температурах, и автоматический переход от одного комплекта на другой по информации с датчика температуры. Этот вариант является предпочтительным, так как не требует знания точных аналитических зависимостей параметров изделия от температуры.

Таким образом, технический результат от использования изобретения в части способа достигается тем, что в способе измерения покомпонентного расхода трехкомпонентных газожидкостных, газожидкостнотвердотельных или жидкостнотвердотельных смесей, проходящих по трубопроводу, включающем измерение общего расхода смеси, определение относительного содержания компонентов с использованием зависимости резонансной частоты объемного высокочастотного резонатора от диэлектрической проницаемости пропускаемой через него измеряемой смеси компонентов, вычисление расхода каждого из компонентов в соответствии с их относительным содержанием и обработку полученных результатов,

для определения относительного содержания всех трех компонентов с помощью только одного объемного резонатора измеряют и используют две резонансные частоты, выводят теоретические или подбирают под эксперимент аналитические зависимости указанных резонансных частот от относительного содержания компонентов и их диэлектрических проницаемостей и используют эти зависимости для определения относительного содержания каждого из трех компонентов,

влияние на точность измерения изменений температуры измеряемой смеси устраняют путем создания при калибровке изделия банка данных с набором комплектов коэффициентов, полученных при различных температурах, и автоматического перехода c одного комплекта на другой по информации с датчика температуры,

информация с датчиков давления и температуры используется также для пересчета расхода газа, полученного при реальных значениях давления и температуры, на нормальные условия,

общий расход определяют путем измерения скорости потока смеси через объемный резонатор и умножения ее на площадь его внутреннего поперечного сечения, а скорость потока измеряют корреляционным методом, установив вдоль потока второй объемный резонатор на заданном расстоянии от первого, периодически записывают в блоке памяти отрезки реализаций амплитуд сигналов с этих двух объемных резонаторов на частоте, смещенной от резонансной частоты в сторону ее возрастания и, соответственно, большего значения крутизны амплитудно-частотной характеристики, записанные реализации центрируют и, кроме того, реализацию с одного из объемных резонаторов дифференцируют (вычисляют первые разности), перемещают полученные таким образом реализации со второго датчика относительно первого и вычисляют их взаимно-корреляционную функцию (ВКФ), по положению максимального значения которой определяют время, за которое измеряемый поток проходит расстояние между объемными резонаторами, аналогичную процедуру осуществляют с упомянутой первой разностью со второго объемного резонатора и получают при этом дискриминационную характеристику (ДХ), по положению нуля которой в области экстремальных значений ВКФ также определяют время, за которое измеряемый поток проходит расстояние между объемными резонаторами, и вычисляют два значения скорости потока путем деления расстояния между объемными резонаторами на указанные времена, а затем путем усреднения получают замеренное значение скорости потока.

Технический результат в устройстве для измерения покомпонентного расхода трехкомпонентных газожидкостных, газожидкостнотвердотельных или жидкостнотвердотельных смесей, проходящих по трубопроводу, состоящем из зондирующего блока в виде отрезка трубопровода с установленными последовательно на нем двумя первичными преобразователями, и датчиками температуры и давления, а также электронного блока, достигается тем, что оба первичных преобразователя являются первичными преобразователями высокочастотного резонатора, например радиоволнового датчика, и что электронный блок содержит: синтезатор частот, возбуждающий через усилитель эти два первичных преобразователя; подключенные к выходу усилителя последовательно соединенные детектор и АЦП, выходной сигнал которого поступает на первый вход модуля центрального процессора; подключенные к выходам первичных преобразователей две цепи из последовательно соединенных второго усилителя, второго детектора и второго АЦП, третьего усилителя, третьего детектора и третьего АЦП, выходные сигналы которых поступают на второй и пятый входы модуля центрального процессора, на третий и четвертый входы которого подаются сигналы с датчиков температуры и давления; причем первый выход модуля центрального процессора соединен с управляющим входом синтезатора частоты, а второй выход - с введенным в электронный блок интерфейсным модулем, обеспечивающим двустороннюю связь по линиям RS-232, RS-422 или RS-485 c такими устройствами, как персональный компьютер, консоль оператора, матричная клавиатура, знакосинтезирующие дисплеи, принтеры, НГМД и др.

Целесообразна также техническая реализация электронной части устройства с включением в его состав одноплатного компьютера, выполняющего функции как модуля центрального процессора, так и интерфейсного модуля.

Для функционирования корреляционного метода измерения скорости необходимо наличие в измеряемой смеси неоднородностей, дающих в выходном сигнале зондирующего блока уровень флуктуаций, достаточный для корреляционного сравнения. Этими неоднородностями являются пузырьки газа и глобулы воды в нефти или глобулы нефти в воде. Кроме того, необходима структура хорошо перемешанной смеси с одинаковыми скоростями движения всех компонентов. Это условие, как правило, выполняется. В противном случае зондирующий блок дополняется на его входе гомогенизатором. В качестве гомогенизатора может быть, например, использован механический расходомер “дозированного перемещения” лопастного, ролико-лопастного или шнекового типа.

На фиг.1 показана блок-схема изделия без гомогенизатора; на фиг.2 представлена зависимость коэффициента поглощения воды β от частоты; на фиг.3 приведены графики аналитической зависимости первой f1w/o и второй f2w/o резонансных частот от относительного содержания воды V_w в смеси вода-нефть с нанесенными на них экспериментальными значениями f1w/oexp и f2w/oexp; на фиг.4 представлена экспериментальная реализация амплитуды сигнала для одного из РВД, с 12-ти разрядным АЦП и частотой выборки 100 Кг при пролете через его рабочую область одной частицы воды диаметром один сантиметр со скоростью 2.36 м/с.

Сущность изобретения базируется на следующих положениях. Как упоминалось выше, ослабление сигнала при распространении электромагнитной волны в воде существенно возрастает с увеличением частоты этого сигнала, что представлено на фиг.2 графиком зависимости коэффициента поглощения β от частоты при различных значениях проводимости воды σ_w, соответствующих солености пресной (σ_w=0,02 мо/м), морской (σ_w=1.5 мо/м) и соленой до насыщения воды (σ_w=3.5 мо/м). Из этих графиков видно, что в области высоких частот (десятки мегагерц) затухание сигнала мало, и проблемы пробивания сигналом толщи воды не существует. С помощью этих графиков может быть сделана оценка влияния изменения солености воды на точность определения относительного содержания компонентов и предельное значение этого изменения, при котором необходимо вводить коррекцию в программу изделия.

Второй задачей, относящейся к сущности изобретения, является определение зависимостей резонансной частоты на выходе объемного резонатора от относительного содержания компонентов. Рассмотрим это на примере радиоволнового датчика. Известно [6], что в РВД получают равномерное электрическое поле с распределением потенциала по окружности по косинусоидальному закону с противоположными знаками относительно нулевого потенциала. Проведенный нами теоретический анализ позволил выявить определенное соотношение конструктивных и схемных параметров, при которых его можно описать математической моделью распространения и переотражения электромагнитной волны между двумя параллельными металлическими поверхностями, пространство между которыми заполнено измеряемой смесью из нескольких компонентов, учитывая влияние обмотки в виде вносимого ею сдвига фаз в функции частоты. Коэффициенты этой модели подбираются, исходя из наилучшего приближения полученных аналитических зависимостей к экспериментальным данным.

Вычисление относительного содержания газа V_g, нефти V_O и воды V_w при значениях давления и температуры в момент замера могут быть получены из следующей системы трех уравнений

Вычисление общего расхода (расхода смеси) производится по формуле

.

Вычисление расхода газа Q_g, нефти Q_O и воды Q_w при текущих значениях давления и температуры могут быть получены по формулам

,

,

.

В представленных выше формулах часть параметров известна, а именно

S - площадь поперечного сечения объемного резонатора,

l - внутренний диаметр объемного резонатора,

c - скорость света,

n_w1, n_w2, - показатели преломления воды на первой и второй резонансных частотах,

n_O, n_g, n_d, - показатели преломления нефти, газа и диэлектрической трубы объемного резонатора,

l_d - двойная толщина стенки диэлектрической трубы объемного резонатора; величины: r, r_w, r_O, К_SWO, К_SOW, К_sgo - введены, чтобы учесть характер структуры потока в зависимости от относительного содержания компонентов;

коэффициент К_n и слагаемые с коэффициентами:, a, a₁, a₂, b, b₁, b₂, - отражают замедляющие свойства обмоток радиоволновых датчиков и зависят от конструкции объемного резонатора.

Численные значения указанных величин и коэффициентов автоматически определяются с помощью специально разработанных компьютерных программ при калибровке изделия по ограниченному количеству экспериментальных частот, полученных для образцов нефти, воды и газа с конкретного нефтяного месторождения. Это делается при нескольких температурах образцов компонентов и данные наборы величин и компонентов заносятся в память компьютера изделия, откуда в рабочем режиме автоматически выбирается набор, соответствующий рабочей температуре.

Расход газа, замеренный при текущих значениях температуры и давления, пересчитывают на условия нормального давления и нормальной температуры по приближенной формуле

.

В приведенных формулах показатели преломления воды n_w, нефти n_O и газа n_g, зависят от температуры и давления, а n_w зависит также и от частоты.

В общем случае для поглощающей среды коэффициент преломления определяется формулой

где и - действительная и мнимая составляющие комплексной диэлектрической проницаемости поглощающей среды.

Для воды комплексная диэлектрическая проницаемость выражается формулой

где σ_w - проводимость воды;

ε∞ - диэлектрическая постоянная воды для бесконечно большой частоты;

C, D, E - константы, которые могут быть найдены в R.P.Wharton et al. Doc. of Petroleum Engineers, Paper 9267 (1981);

τ - постоянная времени, связанная со свойствами диэлектрической абсорбции для воды (из справочных таблиц);

ν - константа (см. Shaw et al., J. Chem. Physics, vol.67, p.2257);

.

Учет зависимости диэлектрической проницаемости газа от давления и температуры может быть сделан на основе известного в газодинамике уравнения для диэлектрической проницаемости газа

где - вещественная диэлектрическая постоянная газа при давлении P и температуре T и, соответственно, при давлении P₀ и температуре T₀ (T в град. Кельвина).

В приведенную выше формулу (19) для комплексной диэлектрической проницаемости воды входит проводимость воды σ_w, значение которой индивидуально для каждой нефтяной скважины и, кроме того, со временем изменяется. При этом, как упоминалось выше, необходимо периодически корректировать в программе компьютера расходомера значение проводимости воды, получаемого путем лабораторного анализа проб измеряемой смеси или провести новую калибровку изделия.

В качестве примера работоспособности рассмотренного алгоритма измерения относительного содержания компонентов трехкомпонентных потоков смесей на фиг.3 приведены графики аналитически полученных из описанных выше уравнений первой и второй резонансных частот с нанесенными на них экспериментальными калибровочными значениями. Откуда видно хорошее совпадение теоретических и экспериментальных значений. Эти данные относятся к конкретному опытному образцу изделия со следующими параметрами и коэффициентами:

l=0.069 м, n_w1=8.955, n_w2=8.885, n_O=1.8, n_g=1, n_d=1.75, l_d=0.021 м, r=0.77, r_w=1.084, r_O=0.8025, К_SWO=0.475, К_SOW=0, К_sgo=0, К_n=2.477, a=10.14, a₁=9.71·10^-8, a₂=-5·10^-17, b=-0.00177, b₁=-0.00177, b₂=-0.00172.

Приступим к рассмотрению способа измерения скорости потока. Измеряемая смесь не является гомогенной и структура ее может быть самой разнообразной (пузырьковое, волновое, кусковое, пробковое течение и т.п.). В любом случае относительное содержание компонентов в рабочем объеме датчика непрерывно изменяется, флуктуирует. Амплитуда и частота изменения этих флуктуаций зависят от размера, количества, распределения в рабочем объеме неоднородностей и скорости потока. Следом за изменением относительного содержания компонентов флуктуируют также измеряемые значения резонансной частоты и амплитуды сигнала. Для вычисления относительного содержания компонентов необходимо использовать усредненные на некотором отрезке времени их значения, а для использования этих флуктуаций в целях измерения скорости их необходимо сохранить, т.е. изделие должно быть высокочувствительным и быстродействующим. В качестве примера, удовлетворяющего этим требованиям, на фиг.4 представлена экспериментальная реализация амплитуды сигнала для одного из радиоволновых датчиков с 12-ти разрядным АЦП и частотой выборки 100 килогерц при пролете через его рабочую область одной частицы воды диаметром один сантиметр со скоростью 2.36 м/с.

Дальнейшим существенным моментом является алгоритм обработки замеренных реализаций сигнала (резонансной частоты или амплитуды). Известно, что корреляционный метод измерения скорости состоит в определении временного сдвига реализаций сигналов, полученных с двух датчиков, установленных на определенном расстоянии вдоль потока, при котором они совпадают. О совпадении судят по максимуму взаимно-корреляционной функции (ВКФ), либо по нулю дискриминационной характеристики (ДХ), представляющей собой ВКФ одного из сигналов и производной от другого сигнала, при этом реализации должны быть центрированными.

В качестве сигналов, используемых для измерения скорости потока, применительно к рассматриваемым изделиям могут быть использованы либо резонансная частота, либо амплитуда сигнала. Во втором случае это может быть значение амплитуды на резонансной частоте. Для увеличения отклика в амплитуде на флуктуации относительного содержания компонентов целесообразно применить следующий прием: после определения усредненного значения резонансной частоты установить постоянное значение частоты, смещенное в сторону ее больших значений, где крутизна спада амплитудно-частотной характеристики максимальна, и произвести необходимое количество замеров для получения реализаций нужной длительности и поместить их в память для дальнейшей корреляционной обработки.

В тех случаях, когда в рабочей зоне может находиться одновременно много неоднородностей, наблюдаются несколько ВКФ и ДХ, но одна из ВКФ и одна из ДХ являются преобладающими, по которым и определяются временные задержки и, соответственно, скорости, которые подвергаются усреднению, результат которого принимается за замеренную величину скорости.

Все вышеизложенное определило, как было упомянуто выше, варианты устройства изделия. Рассмотрим более подробно состав и работу изделия, используя блок-схему на фиг.1, на которой представлены все блоки и узлы изделия, кроме гомогенизатора, обеспечивающего только перемешивание измеряемой среды. Устройство состоит из следующих блоков: первый и второй объемные резонаторы радиоволновых датчиков 1 и 2, образующие вместе зондирующий блок; первичный преобразователь первого радиоволнового датчика 3; первичный преобразователь второго радиоволнового датчика 4; датчик давления 5; датчик температуры 6; синтезатор частоты 7; усилители 8, 9 и 10; амплитудные детекторы 11, 12 и 13; АЦП 14, 15 и 16; модуль центрального процессора 17; интерфейсный модуль 18.

Зондирующий блок содержит первичные преобразователи радиоволновых датчиков, представляющие собой обмотку из медного провода, расположенную в толще диэлектрической трубы. Один из объемных резонаторов содержит датчик давления и датчик температуры. Указанные первичные преобразователи либо располагаются внутри стальной трубы, которая тогда является частью трубопровода с измеряемой смесью, либо снаружи диэлектрической (радиопрозрачной) трубы, которая в данном случае является частью трубопровода. Внутренние поверхности диэлектрических труб, соприкасающиеся с протекающей по ним измеряемой смесью, должны быть из материала, стойкого как к механическому износу, так и к химическому воздействию со стороны измеряемой смеси, а их внутренние диаметры целесообразно иметь равными внутренним диаметрам основного трубопровода. Датчики давления и температуры могут располагаться также на специально предусмотренной для них секции трубопровода.

Конструктивно оба объемных резонатора могут быть самостоятельными блоками или объединены в едином стальном корпусе и с единой диэлектрической трубой.

Синтезатор частоты 7 выдает на своем выходе высокочастотный сигнал синусоидальной или прямоугольной формы, частота которого практически мгновенно и с большой точностью соответствует поступающему на его вход цифровому управляющему сигналу, поступающему с модуля центрального процессора 17. Подходящими для использования в данном изделии являются, в частности, синтезаторы, выполненные по технологии прямого цифрового синтеза (DDS) фирмы ANALOG DEVICES (например, синтезаторы AD9850, AD9851, AD9854).

Усилители 8, 9 и 10 должны выбираться так, чтобы их АЧХ была горизонтальной в рабочем диапазоне частот изделия. Детекторы 11, 12 и 13 представляют собой амплитудные детекторы пассивного или активного типа с малым прямым падением напряжения. Оба эти требования необходимы для высокой точности измерения амплитуды сигналов на входе и выходе первичных преобразователей ВЧ резонаторов.

АЦП 14, 15 и 16 должны удовлетворять требованиям по точности и быстродействию. Так, для обеспечения измерения амплитуды с точностью 0.1 % и измерения скорости потока до 50 м/с с точностью 1% достаточно применить 12-разрядные АЦП с частотой выборок 40 килогерц, что легко осуществимо.

Модуль центрального процессора 17 обеспечивает общее управление изделием и вычисления по заложенному в него алгоритму работы. Он должен иметь быстродействие не менее 40 МГц, объем оперативной памяти не менее 1 мегабайта, объем флэш-памяти не менее 2 мегабайт, параллельные и последовательные порты ввода-вывода.

Интерфейсный модуль обеспечивает связь изделия с верхним уровнем АСУТП непосредственно, либо через средства телекоммуникации. Модуль позволяет по линиям RS-232, RS-422 или RS-485 связаться с любым устройством, имеющим в своем составе соответствующие интерфейсы, а также подключить консоль оператора, матричную клавиатуру, знакосинтезирующие дисплеи, принтеры, НГМД.

Работа устройства происходит следующим образом. Модуль центрального процессора 17 направляет на вход синтезатора частоты 7 цифровой код, соответствующий наименьшей частоте рабочего диапазона частот изделия. Полученный на выходе синтезатора сигнал через усилитель 8 подается на входы обмоток первичных преобразователей 3 и 4, сигналы с выходов которых через усилители 9 и 10 поступают на амплитудные детекторы 12 и 13. Продетектированные сигналы преобразуются в АЦП 15 и 16 и в цифровом виде направляются в модуль центрального процессора 17. Детектированию в детекторе 11 и преобразованию в АЦП 14 подвергается также сигнал с входа первичных преобразователей и также поступает в модуль центрального процессора. После этого модуль центрального процессора выставляет на входе синтезатора частот код следующего значения частоты, и снова выполняются все указанные действия. Эта процедура повторяется, пока с требуемым шагом не будет пройден весь рабочий диапазон частот. Полученная таким образом амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) обрабатывается на предмет выявления резонансных частот, значения которых запоминаются в памяти модуля центрального процессора. Для снижения влияния флюктуаций амплитуды сигналов эта операция может выполняться заданное количество раз с последующим усреднением значений резонансной частоты и амплитуды сигналов на резонансной частоте. Эти средние значения резонансной частоты и амплитуды сигналов в дальнейшем будут использованы при определении относительного содержания компонентов.

После определения усредненных значений резонансной частоты и амплитуд сигналов модуль центрального процессора переходит к алгоритму определения скорости потока. Для этого он выставляет на входе синтезатора частот код частоты, сдвинутой от средней резонансной частоты в сторону больших значений, где крутизна спада АЧХ большая, и считывает из АЦП 14 и 15 реализации флюктуаций амплитуды их сигналов заданной длины, необходимой для их дальнейшего корреляционного сравнения, и помещает их в память. Затем модуль центрального процессора производит корреляционную обработку записанных флуктуационных реализаций по описанному выше алгоритму, заносит полученное значение скорости потока в память, вычисляет общий расход и также заносит его значение в память.

Дальнейшим этапом в работе модуля центрального процессора является вычисление по заданному алгоритму относительного содержания компонентов, помещение их значений в память, вычисление относительного расхода компонентов, вычисление дебита нефти, дебита воды и газового фактора и помещение их значений в память. Далее все рассмотренные этапы работы модуля центрального процессора циклически повторяются.

Кроме того, осуществляется усреднение информации на заданном интервале времени, программно устанавливаемом, например за каждый час, и соответствующие средние значения и мгновенные значения в конце каждого часа заносятся в долговременную память с указанием соответствующих даты и времени. Таким образом, в долговременной памяти изделия хранится банк данных о результатах измерений на определенном интервале времени. Эти данные периодически через интерфейсный модуль сбрасываются в центральный компьютер диспетчерского пункта и могут быть выданы также по его запросу. При этом долговременная память освобождается и заполняется новыми значениями текущих замеров.

Литература

1. Измерения многофазных потоков: THE SCROLLFLOW^TM, обновленное описание на стадии разработки изделия, апрель 1994 г. Бюллетень технической информации ISA Controls Limited.

2. Parviz Mehdizadeh, Consultant and David Farchy, Agar Corporation. Multi-Phase Flow metering using dissimilar flow Sensors: Theory and Field trial Results. Доклад на выставке Общества инженеров-нефтяников (SPE) Среднего востока в Бахрейне 11-14 марта 1995 г.

3. Рафиков Л.Г., Маргулов А.Р., Шовкун М.З., Шубладзе А.М., Беляев М.М., Булушев В.С., Викторов В.В., Иванов А.В., Лункин Б.В. ИПУ РАН. Способ измерения покомпонентного расхода трехкомпонентного газожидкостного потока, проходящего по трубопроводу, и устройство для его осуществления. Патент РФ №4947883 от 25.06.91.

4. Андрейчиков Б.И., Шубладзе А.М., Рафиков Л.Г. и Стасевич И.А. Способ измерения покомпонентного расхода трехкомпонентного газожидкостного потока и устройство для его осуществления. Патент РФ №2063615 от 10.07.96.

5. William W. Ho., Alan B. Harker., Ira B. Goldberg., Kwang E. Chung, Rockwell International Corporation, Калифорния, Микроволновый измеритель для текущих смесей, Патент США №4,423,623 от 03.01.93.

6. Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. М. “Наука”, 1978.

1. Способ измерения объемного относительного содержания и расхода компонентов трехкомпонентного потока среды, проходящего по трубопроводу из добывающей нефтяной скважины, включающий зондирование потока высокочастотными электромагнитными волнами в рабочем диапазоне частот объемного резонатора радиоволнового датчика, измерение двух резонансных частот ω₁ и ω₂ объемного резонатора в зоне измерения указанных частот, давления Р и температуры Т, а также скорости ν_см потока смеси путем корреляционного метода сравнения флуктуаций амплитуды выходных сигналов указанного объемного резонатора и дополнительного объемного резонатора, установленного последовательно по потоку, и вычисление относительного содержания компонентов потока - газа V_g, нефти V_о и воды V_w – при значениях давления и температуры в момент замера из системы трех уравнений

вычисление общего расхода смеси по формуле

вычисление расхода газа Q_g, нефти q_o и воды Q_w при текущих значениях давления и температуры по формулам

где S - площадь поперечного сечения объемного резонатора,

l - внутренний диаметр объемного резонатора,

с - скорость света,

n_w1, n_w2 - показатели преломления воды на первой и второй резонансных частотах,

n_о, n_g, n_d - показатели преломления нефти, газа и диэлектрической трубы объемного резонатора,

l_d - двойная толщина стенки диэлектрической трубы объемного резонатора,

r, r_w, r_о, К_swo, К_sow, К_sgo - величины, учитывающие зависимость диэлектрических свойств среды от структуры потока и относительного содержания компонентов,

К_n, a, a₁, a₂, b, b₁, b₂ - коэффициенты, зависящие от конструкции объемного резонатора.

2. Устройство для измерения объемного относительного содержания и расхода компонентов трехкомпонентного потока среды, включающее в себя гомогенизатор, зондирующий блок в виде отрезка трубопровода, содержащий первичные преобразователи радиоволновых датчиков, выполненные в виде обмоток, и датчики давления и температуры, а также модуль центрального процессора, синтезатор частоты, через первый усилитель подключенный к входам первичных преобразователей, подключенные к выходу первого усилителя последовательно соединенные первый детектор и первый АЦП, подключенный к первому входу модуля центрального процессора, две цепи соответственно из последовательно соединенных второго усилителя, второго детектора и второго АЦП, и последовательно соединенных третьего усилителя, третьего детектора и третьего АЦП, подключенные к выходам соответствующих первичных преобразователей и к второму и пятому входам модуля центрального процессора, к третьему и четвертому входам которого подключены датчики температуры и давления, первый выход модуля центрального процессора соединен с входом синтезатора частоты, а второй выход - с интерфейсным модулем.