ДИЭЛЬКОМЕТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ ВОДЫ И НЕФТИ В ВОДОНЕФТЯНОЙ СМЕСИ Российский патент 1995 года по МПК G01N27/22 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в нефтяной промышленности в средствах измерения содержания воды и нефти в продукции нефтяных скважин.

На нефтепромыслах в системах сбора, подготовки и учета продукции скважин для определения обводненности добываемой нефти широко применяются диэлькометрические влагомеры, действие которых основано на использовании зависимости диэлектрической проницаемости среды от соотношения содержаний в ней воды и нефти. Они состоят из емкостного преобразователя (датчика), в котором находится испытуемая нефть и изменение влажности последней преобразуется в изменение емкости, и измерительной схемы, воспринимающей изменение емкости и на основании этого выдающей информацию об обводненности нефти. Известно устройство для определения процентного содержания нефти и воды в водонефтяной смеси, в котором реализуется диэлькометрический метод измерения и датчик которого представляет собой систему двух электродов, один из которых выполнен в виде прямого тройника, два выхода которого, расположенные под прямым углом друг к другу, снабжены средствами соединения с трубопроводом, по которому прокачивается контролируемая водо-нефтяная смесь, а второй в виде изолированного стержня, размещенного внутри первого электрода коаксиально с двумя его соосно расположенными патрубками, в который (первый электрод) он входит через третий выход, снабженный соответствующими средствами герметизации [1]
В датчике этого влагомера поток контролируемой жидкости резко меняет направление движения на 90^о, что ведет к увеличению гидравлического сопротивления потоку и образованию застойной зоны в области патрубка, через который стержневой электрод входит в тройник, а это способствует отложению на электродах смол, асфальтенов, парафина и других загрязнений, что вносит большие погрешности в измерения.

В меньшей степени указанные недостатки присущи являющемуся наиболее близким аналогом прямоточному датчику влагосодержания, содержащему коаксиально расположенные наружный трубчатый электрод, включаемый в трубопровод, по которому протекает контролируемая водонефтяная смесь, и внутренний стержневой электрод, покрытый изоляционной (диэлектрической) оболочкой, толщина которой определяется неравенством
0,1 < < 0,2 где ε_п и ε диэлектрические проницаемости материала изоляции и измеряемой среды;
D, r, d диаметры соответственно внешнего электрода, изоляционной оболочки и внутреннего электрода [2]
Благодаря прямолинейному течению жидкости и отсутствию застойных зон этот датчик имеет меньшее гидравлическое сопротивление и менее благоприятные условия для образования на электродах отложений смол, асфальтенов, парафина и других загрязнений, отрицательно влияющих на точность измерений. Кроме того, выбором с использованием приведенного неравенства толщины изоляционного покрытия внутреннего электрода в нем снижено влияние на точность измерений содержания солей в пластовой воде и "сорта" нефти.

Однако устранением застойных зон в датчике невозможно полностью исключить образование отложений смол, асфальтенов и парафина на электродах (исследования на скважинах Башкирии, имеющих повышенное содержание в нефти смол и асфальтенов, показали, что при приемлемых для нефтепромысловых систем скоростях потока снизить толщину слоя загрязнений до величин менее 0,1 мм не удается), а так как при измерениях в прямых эмульсиях, когда непрерывной фазой является вода, отложения смол, асфальтенов и парафина на внутреннем электроде оказывают, среди других факторов, наибольшее влияние на точность измерений (в ходе вышеупомянутых исследований установлено, что погрешность за счет отложений смол и асфальтенов может достигать 70% а за счет влияния других факторов не превышает 30%), то снижение влияния на нее содержания солей в пластовой воде и "сорта" нефти в этом случае не ведет к существенному улучшению точности измерения содержания воды в продукции нефтяных скважин.

Техническим результатом изобретения является повышение точности определения содержания воды в продукции нефтяных скважин, в особенности при измерениях в прямых эмульсиях. Это достигается тем, что в диэлькометрическом датчике для определения содержания воды и нефти в водонефтяной смеси, содержащем коаксиально расположенные наружный трубчатый электрод и внутренний стержневой электрод, покрытый слоем изоляции, соотношения диаметров электродов и изоляции внутреннего стержневого электрода определяются неравенством
< 0,25 где ε_п, ε_н, ε_з соответственно диэлектрическая проницаемость материала изоляции, средняя величина диэлектрической проницаемости обезвоженной нефти и средняя величина диэлектрической проницаемости загрязнений;
D, r, d соответственно внутренний диаметр трубчатого электрода, диаметр изоляционного покрытия и диаметр стержневого электрода;
n коэффициент размерности длины, при измерениях в м, равный 1, а при измерениях в см 0,1.

Приведенное неравенство получено путем вывода в общем виде математической зависимости безразмерного параметра диэлькометрического датчика, характеризующего влияние загрязнения центрального электрода на точность измерения влажности нефти, от соотношения конструктивных и эксплуатационных параметров датчика D, d, r, ε_п, ε_н, ε_з и дальнейшего экспериментального исследования этой зависимости в направлении уточнения предельного значения безразмерного параметра.

Исследования подтвердили, что при соблюдении соотношений, устанавливаемых этим неравенством, можно при сохранении в приемлемых пределах влияния на точность измерений солей в пластовой воде и "сорта" нефти свести к минимуму влияние загрязнений центрального электрода, вносящих наибольшие погрешности в измерения, и таким образом существенно повысить точность определения содержания воды в продукции нефтяных скважин, особенно при измерениях в прямых эмульсиях.

На чертеже схематически изображен предлагаемый диэлькометрический датчик для определения содержания воды и нефти в водо-нефтяной смеси.

Датчик содержит коаксиально расположенные наружный трубчатый электрод 1, включаемый в трубопровод, по которому прокачивается контролируемая среда (не показан), и внутренний стержневой электрод 2, покрытый слоем изоляции 3. Соотношения внутреннего диаметра D трубчатого электрода 1, диаметра d стержневого электрода 2 и диаметра r изоляционного покрытия 3 определяются неравенством
< 0,25 где ε_п, ε_н, ε_з соответственно диэлектрическая проницаемость материала изоляции, средняя величина диэлектрической проницаемости обезвоженной нефти и средняя величина диэлектрической проницаемости загрязнений;
n коэффициент размерности длины, при измерениях в мм равный 1, а при измерениях в см 0,1.

Предпочтительный вариант исполнения датчика при средней величине диэлектрической проницаемости загрязнений ε_з 2,35 и выполнении изоляции внутреннего стержневого электрода из пентопласта имеет следующие размеры: D 50 мм, d 20 мм и r21 мм.

При работе влагомера нефть, содержащая воду, проходит между электродами 1 и 2 датчика, при этом в зависимости от содержания воды в нефти меняется диэлектрическая проницаемость среды, разделяющей электроды, и соответственно пропорционально изменяется электрическая емкость датчика. Изменение электрической емкости датчика воспринимается измерительной схемой (не показана), которая на основании этого в том или ином виде выдает информацию о содержании воды в нефти.

Благодаря соблюдению соотношений, установленных приведенным неравенством, слой загрязнений, образующийся в процессе работы на внутреннем электроде в основном за счет отложений смол, асфальтенов и парафина, оказывает минимальное влияние на точность измерений, что позволяет с большей точностью определять содержание воды в продукции нефтяных скважин как при измерениях в обратных, так и при измерениях в прямых эмульсиях.

П р и м е р. При оптимальных конструктивных параметрах датчика D 50 мм, d 20 мм и при величинах диэлектрической проницаемости ε_н 2,3, ε_п 2,6 (пентопласт) и ε_з 2,35 для различных толщин диэлектрического покрытия (изоляции) стержневого электрода (r Var) рассчитывались значения безразмерного параметра А, определяемого левой частью неравенства, и экспериментальным путем определялась погрешность α измерения влажности нефти. Стендовые испытания проводились в эмульсиях типа "нефть в воде" после формирования на поверхности стержневого электрода слоя загрязнений толщиной до 0,3 мм, выделяющихся из нефти. Погрешность измерения определялась путем сравнения результатов измерения влагосодержания с данными, полученными методом лабораторного анализа. Полученные результаты представлены (фрагментарно) в таблице. Из таблицы видно, что загрязнение стержневого электрода датчика не оказывает существенного влияния на погрешность измерения влажности нефти при значениях параметра А меньше 0,25, что соответствует толщине слоя диэлектрического покрытия (изоляции) около 0,5 мм. Как показали исследования, при значениях параметра А значительно меньших 0,25 и, соответственно, толщине диэлектрического покрытия больше 0,5 мм начинает снижаться чувствительность датчика к содержанию воды в нефти, поэтому на практике целесообразно использовать ближайшие к указанному значению величины параметра А.

Опытные образцы датчика, изготовленные с размерами вышеупомянутого предпочтительного варианта, при измерениях в обратных эмульсиях имеют абсолютную погрешность не более 2,5% а при измерениях в прямых эмульсиях не более 4,0%

Использование: аналитическое приборостроение . Сущность изобретения: датчик содержит коаксиально расположенные наружный трубчатый электрод и внутренний стержневой электрод, покрытый слоем изоляции. Соотношения диаметров электродов и изоляции внутреннего стержневого электрода определяются неравенством, приведенным в тексте описания. 1 ил., 1 табл.

ДИЭЛЬКОМЕТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ ВОДЫ И НЕФТИ В ВОДОНЕФТЯНОЙ СМЕСИ, включающий коаксиальные наружный трубчатый электрод и внутренний стержневой электрод, покрытый слоем изоляции, отличающийся тем, что отношения диаметров электродов и изоляции внутреннего стержневого электрода определяются неравенством

где ε_п, ε_н, ε_з соответственно диэлектрическая проницаемость материала изоляции, средняя величина диэлектрической проницаемости обезвоженной нефти и средняя величина диэлектрической проницаемости загрязнений;
D, r, d соответственно внутренний диаметр трубчатого электрода, диаметр изоляционного покрытия и диаметр стержневого электрода;
n 1 мм или 0,1 см коэффициент размерности длины.