Способ и устройство определения объемных долей жидкого углеводородного конденсата и воды в потоке газожидкостной смеси природного газа

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано на скважинах или участках первичной переработки газа. Технический результат - возможность определения объемных долей жидкого углеводородного конденсата и воды в потоке газожидкостной смеси природного газа. Способ включает заполнение потоком газожидкостной смеси измерительного резонатора и измерение его резонансной частоты, отделение потока газовой фазы от жидкой фазы, заполнение им опорного резонатора, измерение резонансной частоты и добротности измерительного и опорного резонаторов и вычисление объемных долей жидкого углеводородного конденсата и воды. Для возбуждения резонаторов используют радиоволны дециметрового диапазона. Устройство состоит из блока управления частотой, соединенного с генератором качающейся частоты, выход которого соединен с входом делителя мощности, причем первый выход делителя мощности связан с блоком измерения и обработки частоты, а второй - с входом измерительного резонатора, установленного в зауженном сечении трубной секции, встроенной с помощью фланцев в трубопровод. Выход измерительного резонатора соединен с первой детекторной секцией, связанной с блоком измерения и обработки частоты. Блок фильтрации газовой фазы потока и трубная секция с опорным резонатором встроены с помощью фланцев в отводящий участок трубопровода, соединенного с регулируемым вентилем, установленным на выходе трубной секции с измерительным резонатором. Третий выход делителя мощности соединен с входом опорного резонатора, выход которого связан со второй детекторной секцией, соединенной с блоком измерения и обработки частоты. Резонаторы заполнены диэлектриком с высокой диэлектрической проницаемостью и малыми потерями на рабочей частоте моды ТМ₀₁₀. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано на скважинах или участках первичной переработки газа для определения объемных долей жидкого углеводородного конденсата и воды в потоке газожидкостной смеси (ГЖС) природного газа без разделения на составляющие его компоненты.

Известен способ и устройство определения относительных пропорций нефти, газа и воды в потоке сырой нефти в трубопроводе по патенту США [1]. Посредством помещения соосно на трубу из диэлектрического материала множества катушечных резонаторов, имеющих различные резонансные частоты, и измерения изменений их резонансных частот вычисляют пропорции нефти, воды и газа, протекающих через трубу.

Недостатком данного способа является отсутствие учета влияния изменения плотности газа от давления на результаты измерений, а также сложность проведения калибровки множества катушечных резонаторов.

Основным недостатком данного устройства является его непригодность к расходометрии газоконденсатных потоков в трубопроводах.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ определения покомпонентного расхода потока газожидкостной смеси продуктов газонефтедобычи в трубопроводе [2], основанный на результате взаимодействия потока с электромагнитным полем миллиметрового диапазона длин волн, измерении частоты Доплера и резонансной частоты микроволнового резонатора, заполненного ГЖС, вычислении скорости потока и площадей поперечных сечений, занятых жидкой и газовой фазой, и затем определении объемных расходов газа и жидкости. При этом жидкостно-газовый фактор (ЖГФ), определяемый как отношение расхода жидкости к расходу газа (число см³ жидкости, находящихся в одном м³ газа при нормальных условиях), позволяет оценить объемную долю жидкости, находящейся в газожидкостном потоке.

Недостатками способа являются: невозможность определения соотношения объемных долей воды и углеводородного конденсата в жидкости; необходимость проведения калибровки перед выполнением измерений, заключающейся в остановке газожидкостного потока в измерительном резонаторе, отделении жидкости путем естественного стока за выбранный интервал времени и измерении частоты заполненного газом измерительного резонатора при рабочем давлении и температуре; погрешность калибровки вследствие падения температуры газа за выбранный интервал времени.

Устройство определения покомпонентного расхода потока газожидкостной смеси продуктов газонефтедобычи в трубопроводе [2], выбранное за прототип, содержит встроенную в трубопровод измерительную секцию с переходами от стандартного сечения к зауженному сечению с установленным в ней измерительным микроволновым резонатором, панорамный амплитудно-частотный измеритель, включающий в себя генератор качающейся частоты с блоком управления частотой, блок измерения и обработки частоты и детекторную секцию, а также измеритель скорости, выполненный в виде доплеровского микроволнового радиолокатора, содержащего приемопередатчик с антенной, встроенной через радиопрозрачную вставку в трубопровод.

Недостатками устройства являются: высокая чувствительность микроволнового резонатора к воде, что ограничивает диапазон измерений низкими значениями объемной доли воды; неоднородная структура электромагнитного поля микроволнового резонатора, содержащая максимумы и нули поля по всему поперечному сечению зондируемого потока, что приводит к нестабильности отклика резонатора и требует применения сложных статистических методов обработки сигнала.

Техническим результатом предложенного изобретения является возможность определения объемных долей жидкого углеводородного конденсата и воды в потоке газожидкостной смеси природного газа.

Технический результат достигается тем, что в способе определения объемных долей жидкого углеводородного конденсата и воды в потоке газожидкостной смеси природного газа, включающем заполнение потоком газожидкостной смеси установленного в зауженном сечении трубопровода измерительного резонатора и измерение его резонансной частоты f_гжс, отделяют газовый поток из газожидкостной смеси, заполняют им опорный резонатор, измеряют резонансную частоту f_г опорного резонатора и добротности измерительного Q_гжс и опорного Q_г резонаторов на рабочей частоте возбуждения в резонаторе моды ТМ₀₁₀, и вычисляют объемную долю воды α_в и объемную долю конденсата α_к по соотношениям

где Δf=f_г-f_гжс;

С_j - формфактор, коэффициент определяющий часть объема резонатора, совместно занимаемую электромагнитным полем и потоком газожидкостной смеси;

и - действительная и мнимая части диэлектрической проницаемости воды на частоте f_гжс.

Для возбуждения резонаторов используют радиоволны дециметрового диапазона.

Технический результат достигается тем, что в устройство определения объемных долей жидкого углеводородного конденсата и воды в потоке газожидкостной смеси природного газа, состоящее из блока управления частотой, соединенного с генератором качающейся частоты, выход которого соединен с входом делителя мощности, причем первый выход делителя мощности связан с блоком измерения и обработки частоты, а второй - с входом измерительного резонатора, установленного в зауженном сечении трубной секции, встроенной с помощью фланцев в трубопровод, причем выход измерительного резонатора соединен с первой детекторной секцией, связанной с блоком измерения и обработки частоты, введены блок фильтрации газовой фазы потока и трубная секция с опорным резонатором, встроенные с помощью фланцев в отводящий участок трубопровода, соединенного с регулируемым вентилем, устанавливаемым на выходе трубной секции с измерительным резонатором, причем третий выход делителя мощности соединен с входом опорного резонатора, выход которого связан со второй детекторной секцией, соединенной с блоком измерения и обработки частоты. Измерительный и опорный резонаторы заполнены диэлектриком с высокой диэлектрической проницаемостью и малыми потерями на рабочей частоте моды ТМ₀₁₀ и имеют отверстие для пропуска измеряемого потока.

На фиг.1 изображена схема устройства определения объемных долей жидкого углеводородного конденсата и воды в потоке газожидкостной смеси природного газа. На ней показаны: блок управления частотой 1 генератора качающейся частоты 2; делитель мощности 3; трубная секция с измерительным резонатором 4; первая детекторная секция 5; блок измерения и обработки частоты 6; трубная секция с опорным резонатором 7; вторая детекторная секция 8; блок фильтрации газовой фазы потока 9; регулируемый вентиль 10.

На фиг.2 представлена трубная секция с измерительным (или опорным) резонатором. Резонатор выполнен из двух фигурных корпусных деталей 11, 12, каждая из которых содержит крепежные фланцы 13, 14 и фланцы 15, 16 с цилиндрическими выемками. Соединенные совместно с помощью болтов 17 фигурные детали 11, 12 составляют силовой корпус, выдерживающий рабочее давление. Внутри фигурных деталей 11, 12 выполнены конусообразные переходы 18 от стандартного сечения трубопровода к измерительному сечению. Совместно соединенные фланцы 15, 16 образуют закрытый цилиндрический резонатор дециметровых волн. Полость резонатора заполнена диэлектриком 19 с отверстием 20 для пропуска газожидкостного потока. Элементами связи резонатора служат два штыря 21 и 22, введенных в диэлектрик сквозь фланцы 15 и 16: штырь 21 - для возбуждения колебаний резонатора, штырь 22 - для их приема и передачи на детекторную секцию. Отверстие 23 предназначено для установки регулируемого вентиля.

Способ реализуется следующим образом.

Измерительный резонатор, возбуждаемый на моде ТМ₀₁₀, в случае отсутствия потока газожидкостной смеси характеризуется собственной частотой f_o и собственной добротностью Q_o, определяемой в случае квадратичной характеристики детектора как отношение собственной частоты к ширине сигнала на полувысоте ΔF_o:

Значение собственной частоты f_o, определяется размерами резонатора, диэлектрической постоянной диэлектрика, заполняющего объем измерительного резонатора, и долей заполнения объема резонатора. Значение собственной добротности, в свою очередь, определяется потерями СВЧ-энергии в стенках резонатора, в диэлектрике, в элементах связи и на излучение в пространство через проходное отверстие зауженного сечения.

В случае, когда резонатор заполняется газожидкостным потоком при рабочих давлении и температуре с объемной долей жидкого углеводородного конденсата α_к и объемной долей воды α_в, частота резонанса понижается, а форма резонансной кривой изменяется - она расплывается. Это отражает факт падения добротности из-за поглощения СВЧ-энергии водой в дисперсной фазе.

Значение смещения частоты резонатора Δf_гжс=Δf_г+Δf_к+Δf_в определяется смещением частоты Δf_г за счет диэлектрической постоянной газовой компоненты и давления газовой компоненты, смещением частоты Δf_к за счет диэлектрической постоянной углеводородного конденсата в дисперсной фазе с объемной долей α_k, и смещением частоты Δf_в за счет диэлектрической постоянной воды в дисперсной фазе с объемной долей α_в. Значение изменения добротности - определяется потерями в дисперсной фазе углеводородного конденсата и воды. На дециметровых волнах потери в углеводородном конденсате в ≈10³-10⁴ раз меньше потерь в воде. Поэтому можно считать, что снижение добротности полностью определяется потерями в воде. С другой стороны, значение частотного смещения за счет газовой компоненты и его зависимость от давления можно найти из измерений частоты резонатора при заполнении его чисто газовой компонентой при разных давлениях. Значение частотного смещения за счет воды можно определить зная α_в из измерений изменения добротности. Оставшаяся разница между смещением Δf_гжс и значениями Δf_г и Δf_в полностью обусловлена наличием углеводородного конденсата, т.е. значением α_к.

Реакция резонатора на введение в него газовой компоненты и дисперсных фаз углеводородного конденсата и воды, т.е. значения смещения частоты Δf_гжс и изменения добротности определяются по известным формулам теории возмущений [3]. В частности, так как потери в резонаторе обусловлены только количеством воды в дисперсной фазе с объемной долей α_в, представляется возможным выразить α_в через , используя соотношения Клаузиуса-Моссотти [4], [5].

Соответствующее выражение имеет вид:

где

Q_г и Q_гжс - добротности резонатора, заполненного газовой фазой или газожидкостной смесью;

С_j - коэффициент, определяющий часть объема резонатора, совместно занимаемую электромагнитным полем и газожидкостным потоком (находится из предварительных измерений с известным диэлектриком, помещаемым в отверстие 20, по известной методике [3]);

и - действительная и мнимая части диэлектрической проницаемости воды на частоте f_гжс.

Далее, поскольку сдвиг частоты резонатора определяется объемными долями углеводородного конденсата α_к и воды α_в, то, определив из (2) α_в, по сдвигу частоты резонатора Δf_гжс за счет двух компонент (углеводородного конденсата и воды) можно найти α_к.

Соответствующее соотношение имеет вид:

где Δf=f_г-f_гжс.

Устройство, реализующее указанный способ, работает следующим образом.

С блока управления частотой 1 на генератор качающейся частоты 2 поступает пилообразное напряжение. СВЧ-сигнал с линейно изменяющейся частотой с выхода генератора 2 через делитель мощности 3 поступает на трубную секцию с измерительным резонатором 4, через который проходит поток газожидкостной смеси, и трубную секцию с опорным резонатором 7, через который проходит газовая фаза, полученная после прохождения потока газожидкостной смеси через блок фильтрации газовой фазы 9. Скорость прохождение газовой фазы через трубную секцию с опорным резонатором 7 регулируется вентилем 10 и определяется перепадом давления, возникающим при прохождении газожидкостного потока через зауженное сечение трубной секции с измерительным резонатором 4 в выходной трубопровод. При совпадении линейно изменяющейся частоты генератора 2 с собственными частотами резонаторов осуществляется их возбуждение на моде ТМ₀₁₀. Импульсные СВЧ-сигналы с выхода резонаторов поступают на детекторные секции 5, 8, с выходов которых импульсы напряжения в виде резонансных кривых поступают в блок измерения и обработки частоты 6, где определяются значения резонансной частоты f_гжс и добротности Q_гжс измерительного резонатора, а также значения резонансной частоты f_г и добротности Q_г опорного резонатора.

После этого проводится обработка результатов измерений: по изменению добротности по формуле (2) вычисляется объемная доля воды α_в, а по формуле (3) - объемная доля углеводородного конденсата α_к.

Метод и макет устройства были проверены в лабораторных условиях на воздушных газожидкостных смесях при атмосферном давлении. В качестве источника газожидкостной смеси использовался медицинский генератор аэрозоля для физиотерапии Boreal, дающий поток воздуха с известным объемным содержанием жидкости в дисперсной фазе.

В качестве прибора, измеряющего частоту и добротность резонатора, использовался панорамный амплитудно-частотный измеритель ослабления типа Р2-50. Измерительный и опорный резонаторы имели размеры: диаметр 2а=310 мм, высоту h=70 мм; в качестве диэлектрика, заполняющего полость резонаторов, использовался полиэтилен. Диаметр проходного отверстия был равен 50 мм. Рабочая частота резонаторов на моде ТМ₀₁₀ в отсутствие газа составляла f_o=1,07 ГГц (λ≈30 см). Добротность Q_o=830.

Проделанные эксперименты подтвердили правильность исходных соотношений (2) и (3), положенных в основу расчета объемных содержаний углеводородного конденсата и воды в дисперсной фазе.

Зафиксирована также значительно более высокая устойчивость во времени сигнала с выхода измерительного резонатора при прохождении через него газожидкостного потока.

Диапазон измеряемого водогазового фактора (ВГФ) также передвинулся в область высоких значений, что позволяет фиксировать ВГФ от ≈400 до ≈4000 г/м³, т.е. использовать метод при средних и высоких содержаниях воды в продуктах газоконденсатных скважин.

Литература

1. Патент США US 5389883, G 01 N 022/04, от 14.02.1995 г. Mesurement of gas and water content in oil. Автор: Harper, R.

2. Патент РФ № 2164340 от 20.03.2001 г. Способ определения покомпонентного расхода потока газожидкой смеси продуктов газонефтедобычи в трубопроводе и устройство для его реализации. Авторы: Орехов Ю.И., Москалев И.Н., Костюков В.Е., Хохрин Л.П., Ремизов В.В., Битюков В.С., Филоненко А.С., Рылов Е.Н., Вышиваный И.Г., Филиппов А.Г.

3. Голант В.Е. СВЧ-методы исследования плазмы. М.: Наука, 1968, с.326.

4. Тареев Б.М. Физика диэлектрических материалов. М.: Энергоатомиздат, 1982, 320 с.

5. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Электродинамика сплошных сред. - Сер. Теоретическая физика, т.VIII. - М.: Наука, 1992.

1. Способ определения объемных долей жидкого углеводородного конденсата и воды в потоке газожидкостной смеси природного газа, включающий заполнение потоком газожидкостной смеси установленного в зауженном сечении трубопровода измерительного резонатора и измерение его резонансной частоты f_гжс, отличающийся тем, что отделяют газовый поток от газожидкостной смеси, заполняют им опорный резонатор, измеряют резонансную частоту f_г опорного резонатора и добротности измерительного Q_гжс и опорного Q_г резонаторов на рабочей частоте возбуждения в резонаторе моды ТМ₀₁₀ и вычисляют объемную долю воды α_в и объемную долю конденсата α_к по соотношениям

где Δf=f_г-f_гжс;

C_j - формфактор, коэффициент определяющий часть объема резонатора, совместно занимаемую электромагнитным полем и потоком газожидкостной смеси;

и - действительная и мнимая части диэлектрической проницаемости воды на частоте f_гжс.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для возбуждения измерительного и опорного резонаторов используют радиоволны дециметрового диапазона.

3. Устройство определения объемных долей жидкого углеводородного конденсата и воды в потоке газожидкостной смеси природного газа, состоящее из блока управления частотой, соединенного с генератором качающейся частоты, выход которого соединен с входом делителя мощности, причем первый выход делителя мощности связан с блоком измерения и обработки частоты, а второй - с входом измерительного резонатора, установленного в зауженном сечении трубной секции, встроенной с помощью фланцев в трубопровод, причем выход измерительного резонатора соединен с первой детекторной секцией, связанной с блоком измерения и обработки частоты, отличающееся тем, что введены блок фильтрации газовой фазы потока и трубная секция с опорным резонатором, встроенные с помощью фланцев в отводящий участок трубопровода, соединенного с регулируемым вентилем, устанавливаемым на выходе трубной секции с измерительным резонатором, причем третий выход делителя мощности соединен с входом опорного резонатора, выход которого связан со второй детекторной секцией, соединенной с блоком измерения и обработки частоты.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что измерительный и опорный резонаторы заполнены диэлектриком с высокой диэлектрической проницаемостью и малыми потерями на рабочей частоте моды ТМ₀₁₀ и имеют отверстия для пропуска измеряемого потока.