Способ определения массы компонента газожидкостной среды

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться для контроля расхода и определения массы компонента газожидкостной среды (ГЖС), извлекаемой, например, из буровой скважины. Суть изобретения состоит в том, что способ определения массы компонента газожидкостной среды характеризуется тем, что периодически создаются в поперечном сечении канала с газожидкостным потоком импульсные одинаковые порции количества тепла, и измеряется в равномерно размещенных по второму по потоку сечению точках поглощенное каждым компонентом в соответствии с его теплоемкостью количество теплоты в виде импульсов разной амплитуды, затем группируют полученные в каждой точке импульсы, одинаковые по амплитуде, и определяют по суммам количеств импульсов всех однотипных групп всех точек сечения доли массы каждого компонента потока. Техническим результатом изобретения является упрощение определения массы компонента газожидкостной среды при ограниченном приборном составе устройств измерения, сокращение вычислительных и измерительных операций, требующих одновременности выполнения. 2 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться для контроля расхода и определения массы компонента газожидкостной среды (ГЖС), извлекаемой, например, из буровой скважины.

Известны способы и устройства измерения многофазного расхода многокомпонентных веществ, например, Ж (П.П. Кремлевский. Расходомеры и счетчики количества вещества. СПб. Политехника. 2002. Книга 2, с. 245), с помощью нескольких последовательно установленных расходомеров, обладающими селективными свойствами (кориолисова, объемного и теплового), и вычислительного устройства, определяющего на основе показаний приборов расходы отдельных компонентов.

Недостатками известных решений является наличие разнообразных приборов, большие габариты устройства и суммарная большая погрешность измерения расхода.

Известен способ покомпонентного измерения расхода многофазного потока (RU 2428662 С2, 10.09.2011). Предложенный расходомер по известному способу содержит: блок измерения скорости газожидкостного двухфазного трехкомпонентного потока, блок измерения плотности данного потока и блок вычисления скорости потока каждой фазы, при этом блок измерения плотности содержит блок извлечения смешанной жидкости с генератором разности давлений. Вследствие принудительного перемешивания, даже маленькие пузырьки отделяются от смешанной жидкости в газовую фазу. При этом измерение плотности проводят на смешанной жидкости, накопленной в резервуаре для хранения жидкости.

Недостатками известного способа является большое число механических операций при определении плотности потока, отбирается часть потока для анализа, понижающие достоверность измерения всего потока, большое время разделения фаз.

За прототип принят способ, реализованный в устройстве определения параметров потока многофазной среды жидкости и газа (RU 2386930 С2, 27.06.2009). В измерительный канал помещают датчики, имеющие различные зависимости показаний от расходов компонентов потока. Для получения зависимостей показаний датчиков от измеряемых параметров потока во время калибровки производят запись показаний датчиков при различных комбинациях расходов жидкости и газа и осуществляют последовательную интерполяцию. Для определения расходов двух взаимно нерастворимых жидкостей и газа потока трехкомпонентной смеси используют три датчика, зависимость показаний которых от расходов жидкостей и газа разная. Для определения расходов двух взаимно нерастворимых жидкостей, расхода газа и вязкости потока трехкомпонентной смеси используют четыре датчика, зависимость показаний которых от расходов жидкостей, газа и вязкости разная. В частном случае однотипные датчики располагают в последовательно соединенных отрезках измерительного канала разного диаметра.

Недостатком известного способа есть сложная процедура измерения и вычисления компонентов ГЖС.

Техническим результатом изобретения является упрощение определения массы компонента газожидкостной среды при ограниченном приборном составе устройств измерения, сокращение вычислительных и измерительных операций, требующих одновременности выполнения.

Технический результат достигается тем, что в способе определения массы компонента газожидкостной среды периодически создают в поперечном сечении канала с газожидкостным потоком импульсные одинаковые порции количества тепла, измеряют в равномерно размещенных по второму по потоку сечению точках поглощенное каждым компонентом в соответствии с его теплоемкостью количество теплоты в виде импульсов разной амплитуды, затем группируют полученные в каждой точке импульсы одинаковые по амплитуде и определяют по суммам количеств импульсов всех однотипных групп всех точек сечения доли массы каждого компонента потока.

Описание метода определения массы компонента ГЖС выполнено на примере определения расхода трех компонентной двухфазной среды (газ, вода, нефть).

На фиг. 1 показано расположение по потоку сечений импульсного источника тепла и измерительных датчиков теплового потока.

На фиг. 2 показана диаграмма съема импульсных порций теплового потока, с датчика от различных компонентов среды ГЖС, пунктирными линиями показаны их тарифные величины удельной теплоемкости с_р, 1 - импульсы группы «вода», 2 - импульсы группы «нефть», 3 - импульсы группы «газ».

На чертежах обозначено: 1 - Сечение нагрева среды, по окружности которого расположен импульсный стабилизированный источник энергии; 2 - Датчики, например, А, В и др., введенные непосредственно в поток ГЖС; 3 - измерительное сечение с датчиками теплового потока; 4 - канал; 5 - поток ГЖС; 6 - газовая фаза потока; 7 - жидкая фаза потока; 8 - порция ГЖС с принятым импульсом теплоты; 9 - поток ГЖС с отданной компонентами порцией теплоты потока датчикам; 10 - вычислительный блок.

Принцип работы основан на различии теплоемкости трех компонентов двухфазной среды, в способе определения массы компонента газожидкостной среды, который характеризуется вводом импульсных порций теплового потока в поперечном сечении 1 канала 4, в различном поглощении этих тепловых порций компонентами среды 6, 7, передачей потоком 5 поглощенных порций датчикам теплового потока, размещенным в различных точках в следующем по потоку сечении 3 канала 4, и основан на том, что электросигналы от поглощенных порций компонентами передаются вычислительному блоку 10 для определения массы компонента.

В вычислительном блоке группируют полученные в каждой точке сечения импульсы одинаковые по амплитуде и определяют по суммам количеств импульсов всех однотипных групп всех точек сечения в массовые доли каждого компонента в контролируемом потоке.

Величины удельных теплоемкостей для контролируемых компонентов выявляются предварительно в лаборатории или пользуются известными данными. Так для принятой для примера газожидкостной среды (нефть-вода-газ) можно использовать величины удельной теплоемкости, приведенные в таблице.

Источник импульсного стабилизированного питания, расположенный по окружности сечения 1 канала 4 периодически посылает импульсы тепловой энергии в поток компонентам 6, 7 потока 5 ГЖС среды, проходящим по каналу 4. Частота импульсов выбирается с учетом скорости движения среды ГЖС в канале, которая в свою очередь определяет скорость снятия полученной энергии теплового потока, с каждого датчика (предыдущих показаний сигнала).

Поскольку в зоне сечения 1 нагрева излучаемые от источника питания импульсные порции теплового потока равны между собой и одинаковые для различных по массе компонентов, то поглощенное количества тепловой энергии будет пропорционально удельной теплоемкости с_р этих компонентов.

Далее получают реакции датчиков на восприятие этих порций теплового потока от различных компонентов 6, 7 среды потока 5 с минимальной потерей информации по времени и величине. Чтобы сократить время приема информации от компонентов 6, 7 и значительно уменьшить тепловой взаимообмен между ними, повышая достоверность получаемой информации, желательно использовать известные датчики с постоянной времени порядка 10^-5 с.

Массы компонентов 6, 7 потока 5 проходят некоторое расстояние по пути следования по потоку от сечения 1 до сечения 3, с запасенными порциями тепловой энергии, датчики принимают тепловую энергию и передают информацию в приемный блок 10 вычислителя от каждого датчика.

Отклик датчиков на величины теплового потока от компонентов 6, 7 будут отличаться в зависимости от различных величин с_р компонентов, а также от величины массы компонентов. В процессе определения массы компонента в составе ГЖС имеются два этапа: первый этап - передача импульса тепловой энергии каждому компоненту от импульсного источника тепловой энергии в соответствии с законом поглощения α=Ф_погл/Ф_пит, где Ф_пит - единичная порция тепловой энергии, подведенная к компоненту, Ф_погл=Ф_к=Кс_рМ_к - порция теплового потока, поглощенная (усвоенная) компонентом. Второй этап - передача датчику запасенной каждым компонентом тепловой энергии. В датчике тепловой поток Ф_к компонента преобразуется в эдс в виде зависимости: Ф_к=К₁Е_к, где Е_к - выработанная датчиком эдс, К и К₁ - коэффициенты пропорциональности.

Датчик принимает тепловой поток периодическими импульсами, которые пропорциональны массе М_К компонента в окрестности датчика. Далее в вычислительный блок 10 передается величина теплового потока Ф_к в виде эдс Е_к

Ф_к=К₁Е_к=Кс_рМ_К, пропорциональный массе каждого компонента 6, 7 потока 5.

От источника 1 единичная порция Ф_пит тепловой энергии, одинаковая для различных компонентов, выдана компоненту 6, 7 в процессе продвижения по каналу 4 от сечения 1 до сечения 3. Для различных компонентов обозначено в данном примере величины Ф_к как Ф_н - нефть, Ф_в - вода, Ф_г - газ.

Далее по мере продвижения по каналу 4 компоненты 6, 7 проходят через сечение 3 с датчиками, которые воспринимают тепловой поток от масс компонентов 6 и 7 двухфазной среды. Датчики равномерно расположены по сечению 3 канала 4 и находятся в непосредственном контакте с компонентами. Все датчики воспринимают только поток тепловой энергии, безразлично от каких компонентов жидкой фазы 7 (нефть или вода) и газовой фазы 6. Через каждый датчик поочередно проходят в чистом виде компоненты либо нефть, либо вода, либо газ. В процедуре съема один и тот же датчик, например А или В или другой, принимает тепловой поток от масс проходящих компонентов.

Следовательно, например, датчик А на диаграмме с_р=К₂Е_А/М_К (рис. 2) может иметь по времени данные величин импульсов Ф_к от показаний при прохождении массы М_К. Например, импульсы величиной с_{р вода}= К₂Е_Ав/М_в от компонента воды массой М_в, импульсы величиной с_{р нефть}=К₂Е_Ан/М_н от компонента нефти массой М_н и импульсы величиной с_{р газ}=К₂Е_Аг/М_г от компонента газа массой М_г. Аналогично принимаются данные датчика В и датчиков в других точках. На фиг. 2 показано, что через датчик А прошли чистые компоненты при величине импульсов равных тарифным значениям, принятым по таблице, т.е. с_{р вода}=4,2; с_{р нефть}=2,0; с_{р газ}=1,4.

Датчик преобразует полученный тепловой поток в эдс Ф_к=К₁Е_к. За сутки в точке А проходит масса воды М_в≡∑с_{р вода}(Е_Ав), т.е. сумма всех импульсов, отвечающих величине с_{р вода}=К₂Е_Ав/М_в=4,2, масса нефти М_н≡∑с_{р нефть}(Е_Ан), т.е. сумма всех импульсов, отвечающих величине с_{р нефть}=К₂Е_Ан/М_н=2,0 и масса газа М_г≡∑с_{р газ}(Е_Аг), т.е. сумма всех импульсов, отвечающих величине с_{р газ}=К₂Е_Аг/М_г=1,4. Аналогично в других точках. За сутки в точке В проходит масса газа масса воды М_в≡∑с_{р вода}(Е_Вв), масса нефти М_н≡∑с_{р нефть}(Е_Вн), масса газа М_г≡∑с_{р газ}(Е_Вг), и также по другим точкам в сечении 3.

Данные по массовому расходу М потока 5 среды за сутки в канале 4 будем иметь в сумме раздельно по всем показаниям эдс в каждой точке, датчики в которых охватывают все сечение. Для этого необходимо иметь М≡∑с_р(Е) всех точек. Это и будут массовые суточные расходы ГЖС по каналу 4. Отдельные компоненты в чистом виде будут суточные М_г, М_в, М_н, просуммированные по удельным теплоемкостям компонентов в блоке 10.

Это есть процедура определения массы каждого компонента.

По известной удельной теплоемкости компонента с_р (данные лаборатории или др.) вычисляется масса компонента в смеси, в соответствии с его величиной с_р, которая отображена пунктирными линиями на рис. 2 (для нефти принята с_{р нефть}=2,0). При этом группируют полученные в каждой точке импульсы одинаковые по амплитуде и определяют по суммам количеств импульсов всех однотипных групп всех точек сечения массовые доли каждого компонента.

Датчики принимают тепловой поток независимо от природы компонента, только от их свойства теплоемкости. При таком способе определения масс ГЖС отсутствуют специальные приемы и датчики воды, газосодержания и др.

Таким образом, решается задача определения массы компонента с минимальным технопарком средств измерения и вычислительного процесса, не требуются данные по долям плотности и вязкости смеси.

Способ определения массы компонента газожидкостной среды, характеризующийся тем, что периодически создают в поперечном сечении канала с газожидкостным потоком импульсные одинаковые порции количества тепла, измеряют в равномерно размещенных по второму по потоку сечению точках поглощенное каждым компонентом в соответствии с его теплоемкостью количество теплоты в виде импульсов разной амплитуды, затем группируют полученные в каждой точке импульсы, одинаковые по амплитуде, и определяют по суммам количеств импульсов однотипных групп всех точек сечения массовые доли каждого компонента потока.