РАСХОДОМЕР ГАЗОНАСЫЩЕННОЙ НЕФТИ Российский патент 1998 года по МПК G01F1/74 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения расхода отдельных компонентов продукции скважин в нефтяной промышленности.

В настоящее время известны расходомеры на основе радиационных датчиков плотности, позволяющие осуществлять измерение покомпонентного расхода продукции нефтяных скважин бесконтактным способом без сепарации жидкой и газовой фаз.

Известен расходомер газонасыщенной нефти [1] содержащий радиационный датчик плотности, размещенный на трубопроводе, блок определения скорости движения газовой фазы, реализующий флуктуационный метод измерения скорости газа, задатчик значения газового фактора, а также блоки определения покомпонентного расхода нефти, воды и газа с использованием измеренных и заданных параметров.

Недостатком указанного расходомера является то, что вычисление расходов компонентов базируется на постоянстве величины газового фактора, который, однако, остается постоянным для каждой скважины лишь в течение ограниченного времени.

Наиболее близким к заявляемому устройству является флуктуационный расходомер газонасыщенной нефти [2] который выбран за прототип.

Устройство содержит радиационный датчик плотности смеси, размещенный на трубопроводе, блок определения скорости жидкой фазы, блок определения скорости газовой фазы, блок определения объемных долей компонентов смеси, блок определения объемных расходов газа, нефти и жидкости, а также задатчики значений плотности воды и нефти, задатчик площади поперечного сечения трубопровода.

Указанный расходомер позволяет определить покомпонентный объемный расход по известным зависимостям с использованием измеренных значений скоростей движения жидкой и газовой фаз, объемной доли газа в смеси и нефти в жидкости и заданного значения площади поперечного сечения трубопровода.

Расходомер позволяет измерить скорость распространения как низкочастотных колебаний плотности, отражающую скорость движения газа, так и скорость распространения высокочастотных колебаний плотности, отражающую скорость движения жидкости, по которым определяется покомпонентный расход, что повышает точность измерения.

Однако данному расходомеру присуща погрешность, обусловленная изменениями гидродинамической структуры потока контролируемой смеси.

Задачей заявленного изобретения является повышение точности результатов измерения путем обеспечения инвариантности измерений к изменению гидродинамической структуры потока контролируемой смеси.

Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что расходомер газонасыщенной нефти, содержащий расположенный на трубопроводе радиационный датчик плотности смеси, блок определения скорости жидкой фазы, блок определения скорости газовой фазы, блок определения объемных долей компонентов смеси, блок определения расхода газа, блок определения расхода нефти, блок определения расхода жидкости, задатчик плотности воды, задатчик плотности нефти, задатчик площади поперечного сечения трубопровода, при этом выход датчика плотности смеси соединен с первым входом блока определения объемных долей компонентов смеси, второй и третий входы блока определения объемных долей компонентов смеси соединены соответственно с выходом задатчика плотности воды и с выходом задатчика плотности нефти, первый выход блока определения объемных долей компонентов смеси соединен с первым входом блока определения расхода газа, второй выход блока определения объемных долей компонентов смеси соединен с первым входом блока определения расхода жидкости, третий выход блока определения объемных долей компонентов смеси соединен с первым входом блока определения расхода нефти, второй вход блока определения расхода газа соединен с выходом блока определения скорости газовой фазы, второй вход блока определения расхода жидкости соединен с выходом блока определения скорости жидкой фазы, третьи входы блока определения расхода газа и блока определения расхода жидкости соединены с выходом задатчика площади поперечного сечения трубопровода, второй вход блока определения расхода нефти соединен с выходом блока определения расхода жидкости, дополнительно содержит устройство обработки структурной функции процесса изменения плотности смеси, блок задания базы измерения скорости жидкой фазы, блок задания базы измерения скорости газовой фазы, а блоки определения скоростей жидкой и газовой фаз выполнены в виде блоков деления, причем устройство обработки структурной функции включает блок определения структурной функции, блок задания аргумента структурной функции, блок задания констант, три блока деления, два блока вычитания, первый вычислитель, второй вычислитель, при этом выход датчика плотности смеси соединен с первым входом блока определения структурной функции, второй, третий, четвертый и пятый входы которого соединены соответственно с первым, вторым, третьим и четвертым выходами блока задания аргумента структурной функции, первый выход блока определения структурной функции соединен с первым входом первого блока вычитания и с первым входом второго вычислителя, второй выход блока определения структурной функции соединен со входом "Делимое" первого блока деления, третий выход блока определения структурной функции соединен со входом "Делимое" второго блока деления, четвертый выход блока определения структурной функции соединен со входом "Делимое" третьего блока деления, первый, второй и третий выходы блока задания констант соединены соответственно с первым, вторым и третьим входами блока определения аргумента структурной функции, а также со входами "Делитель" соответственно первого, второго и третьего блоков деления, выход первого блока деления соединен со вторыми входами первого и второго блоков вычитания, выход второго блока деления соединен с первым входом второго блока вычитания, выходы первого и второго блоков вычитания соединены соответственно с первым и вторым входами первого вычислителя, выход третьего блока деления соединен со вторым входом второго вычислителя, третьи входы первого и второго вычислителей соответственно соединены с четвертым и пятым выходами блока задания констант, выход первого вычислителя соединен с входом "Делимое" блока определения скорости жидкой фазы, выход второго вычислителя соединен с входом "Делитель" блока определения скорости газовой фазы, а входы "Делимое" блоков определения скорости жидкой фазы и скорости газовой фазы соответственно соединены с выходами блоков задания баз измерения скоростей жидкой и газовой фаз, причем первый вычислитель реализует алгоритм решения уравнения вида:

второй вычислитель реализует алгоритм решения уравнения вида:

значение структурной функции процесса изменения плотности смеси при значениях аргумента τ, aτ, bτ, mτ, при этом a, b, m, П₁, П₂ константы, определенные экспериментально.

Новым в заявляемом изобретении является то, что расходомер дополнительно содержит устройство обработки структурной функции процесса изменения плотности смеси, блок задания базы измерения скорости жидкой фазы, блок задания базы измерения скорости газовой фазы, а блок определения скоростей жидкой и газовой фаз выполнены в виде блоков деления, причем устройство обработки структурной функции включает блок определения структурной функции, блок задания аргумента структурной функции, блок задания констант, три блока деления, два блока вычитания, первый вычислитель, второй вычислитель, при этом выход датчика плотности смеси соединен с первым входом блока определения структурной функции, второй, третий, четвертый и пятый входы которого соединены соответственно с первым, вторым, третьим и четвертым выходами блока задания аргумента структурной функции, первый выход блока определения структурной функции соединен с первым входом первого блока вычитания и с первым входом второго вычислителя, второй выход блока определения структурной функции соединен со входом "Делимое" первого блока деления, третий выход блока определения структурной функции соединен со входом "Делимое" второго блока деления, четвертый выход блока определения структурной функции соединен со входом "Делимое" третьего блока деления, первый, второй и третий выходы блока задания констант соединены соответственно с первым, вторым и третьим входами блока определения аргумента структурной функции, а также со входами "Делитель" соответственно первого, второго и третьего блоков деления, выход первого блока деления соединен со вторыми входами первого и второго блоков вычитания, выход второго блока соединен с первым входом второго блока вычитания, выходы первого и второго блоков вычитания соединены соответственно с первым и вторым входами первого вычислителя, выход третьего блока деления соединен со вторым входом второго вычислителя, третьи входы первого и второго вычислителя соответственно соединены с четвертым и пятым выходами блока задания констант, выход первого вычислителя соединен с входом "Делимое" блока определения скорости жидкой фазы, выход второго вычислителя соединен с входом "Делитель" блока определения скорости газовой фазы, а входы "Делимое" блоков определения скорости жидкой фазы и скорости газовой фазы соответственно соединены с выходами блоков задания баз измерения скоростей жидкой и газовой фаз, причем первый вычислитель реализует алгоритм решения уравнения вида:

второй вычислитель реализует алгоритм решения уравнения вида:

значения структурной функции процесса изменения плотности смеси при значениях аргумента τ, aτ, bτ, mτ, при этом a, b, m, П₁, П₂ константы, определенные экспериментально.

Продукция нефтяных скважин представляет собой двухфазный поток, образованный свободным газом, нефтью, водой и растворенным газом, которые распределяются в потоке неравномерно, вследствие чего процесс изменения плотности смеси носит пульсирующий характер. По среднему значению плотности и характеру ее пульсации можно судить об объемном содержании компонентов смеси, о скоростях движения жидкой и газовой фаз и о покомпонентном расходе смеси, который можно вычислить с использованием перечисленных параметров по следующим известным зависимостям:

где ρ_ж, ρ_н, ρ_в, ρ_см плотности жидкой фазы потока, нефти, воды и нефтегазоводяной смеси соответственно;
K постоянный коэффициент, определяемый экспериментально;

где ϕ объемная доля газа в смеси;
(1 - ϕ) объемная доля жидкости в смеси;

где η объемная доля нефти в жидкости;
Q_г = S • ϕ • V_г, (5)
где Q_r, S, V_r объемный расход газа, площадь поперечного трубопровода, скорость газа соответственно;
Q_ж = S • (1 - ϕ) • V_ж, (6)
где Q_ж, V_ж объемный расход жидкости, скорость жидкости соответственно;
Q_н = η • Q_ж, (7)
где Q_н объемный расход нефти.

Для получения более достоверной информации о скоростях движения жидкой и газовой фаз необходимо обеспечить инвариантность результатов измерения к измерению гидродинамической структуры потока смеси, что достигается введением в схему расходомера устройства обработки структурной функции процесса изменения плотности смеси.

Указанное устройство содержит блок определения структурной функции, блок задания аргумента структурной функции, три устройства деления, два вычитающих устройства, два вычислителя, а также блок задания констант.

Как известно [ВНИИОЭНГ, серия "Автоматизация и телемеханизация нефтяной промышленности", вып. 11 (27), М. 1983, с. 8] структурная функция представляет собой средний квадрат приращений плотности контролируемой смеси за фиксированные промежутки времени (τ) т.е.

Осуществляя обработку вычисленной структурной функции, можно выделить из суммарного спектра флуктуаций плотности высокочастотную и низкочастотную составляющие, по которым судят о скоростях движения жидкой и газовой фаз.

В предлагаемом расходомере реализованы новые приемы обработки структурной функции, основанные на экспериментально полученных данных о свойствах потока газонефтяной смеси, с целью достижения более точных результатов измерения скоростей движения жидкой и газовой фаз.

В устройстве обработки структурной функции осуществляется ее модификация.

Первая модифицированная структурная функция определяется в виде:

где a экспериментально подобранный коэффициент, значение которого составляет от 2 до 5.

Определение первой модифицированной функции позволяет выделить из структурной функции высокачастотную составляющую приращений плотности, обусловленных движением жидкости вместе с мелкими газовыми включениями.

Однако указанная функция зависит не только от скорости движения жидкости, но и от гидродинамической структуры потока.

Для учета влияния структуры потока осуществляется вторая модификация структурной функции.

Вторая модифицированная структурная функция определяется в виде:

где b экспериментально подобранный коэффициент, значение которого составляет от 1,5 до 2, при этом a > b.

Вторая модифицированная структурная функция отражает зависимость высокочастотной составляющей приращений плотности от структуры потока и слабо зависит от скорости движения жидкости.

Для обеспечения инвариантности результатов измерения скорости газа к изменениям структуры потока определяется третья модифицированная структурная функция в виде:

где m экспериментально подобранный коэффициент, значение которого составляет от 2 до 5.

После проведения указанных модификаций в вычислителях определяются значения временных интервалов (τ_ж, τ_г) которые используются для последующего вычисления скоростей жидкости и газа.

Первый вычислитель реализует алгоритм решения уравнения вида:

при этом он осуществляет решение следующего уравнения:
1MF_стр. П₁•(2MF_стр.) 0,
а второй вычислитель реализует алгоритм решения уравнения вида:

при этом он осуществляет решение следующего уравнения:
F_стр. П₂•(3MF_стр.) 0
где П₁, П₂ константы, определяемые экспериментально.

Решение уравнения (12) инвариантно к изменениям структуры потока и целиком определяется скоростью движения жидкости.

Решение уравнения (13) инвариантно к изменениям структуры потока и целиком определяется скоростью движения газа.

Полученные при решении уравнений (12), (13) значения (τ_ж, τ_г) представляют собой времена транспортного запаздывания соответственно жидкости и газа на базах измерения скоростей жидкости и газа.

Выполнение блоков измерения скоростей жидкой и газовой фаз в виде блоков деления позволяет осуществить вычисление скоростей по формулам:

где X₀₁, X₀₂ базы измерения скоростей соответственно жидкости и газа, определяемые экспериментально при градуировке.

Константы (фиксированные значения структурной функции) П₁, П₂ и базы измерения скоростей X₀₁, X₀₂ определяются следующим образом.

Для определения П₁ и X₀₁ строят для ряда потоков с различными скоростями жидкости графики функции:

где X пространственная координата вдоль направления движения потока, связанная с координатой τ зависимостью:
X = V_эт.ж. • τ, (17)
где V_эт.ж значение скорости жидкости, измеренное образцовым средством.

Значения П₁ и X₀₁ определяют как соответственно ординату и абсциссу точки пересечения графиков всех функций (16).

Аналогичным образом для определения П₂ и X₀₂ строят для потоков с различными скоростями газа графики функции:

где X пространственная координата, связанная с координатой τ зависимостью:
X = V_эт.г. • τ, (19)
где V_эт.г значение скорости жидкости, измеренное образцовым средством.

Значения П₂ и X₀₂ определяют как соответственно ординату и абциссу точки пересечения графиков всех функций (18).

На фиг. 1 изображена функциональная схема расходомера. На фиг. 2 изображена функциональная схема устройства обработки структурной функции процесса изменения плотности смеси.

Расходомер содержит (фиг. 1) радиационный датчик 1 плотности, блок 2 определения объемных долей компонентов смеси, устройство 3 обработки структурной функции, блок 4 определения скорости газа, блок 5 определения скорости жидкости, блок 6 задания базы измерения скорости газа, блок 7 задания базы измерения скорости жидкости, блок 8 определения расхода газа, блок 9 определения расхода жидкости, блок 10 определения расхода нефти, задатчик 11 плотности нефти, задатчик 12 плотности воды, задатчик 13 площади поперечного сечения трубопровода 14, датчик 15 давления смеси, датчик 16 температуры смеси.

Устройство 3 обработки структурной функции содержит блок 17 определения структурной функции, блок 18 задания аргумента структурной функции, блоки 19, 20, 21 деления, блоки 22, 23 вычитания, вычислители 24, 25, блок 26 задания констант.

Устройство работает следующим образом.

Сигнал с выхода датчика 1 плотности смеси поступает на вход блока 2 и в устройство 3.

В блоке 2 из сигналов от датчика 1 плотности смеси и задатчиков 11 и 12 плотности нефти и плотности воды формируется сигнал в соответствии с выражением (1), пропорциональный плотности жидкости ρ_ж а также формируются выходные сигналы в соответствии с выражениями (2), (3) и (4), пропорциональные объемной доле газа в смеси ϕ объемной доле жидкости в смеси (1 - ϕ) и объемной доле нефти в жидкости η
Сигнал с выхода датчика 1 плотности смеси, поступающий в устройство 3, подается на вход блока 17, в котором формируется сигнал, соответствующий значению структурной функции F_стр., вычисляемый по выражению (8). На другие входы блока 17 из блока 18 поступают сигналы, задающие значения аргументов структурной функции t, aτ, bτ и mτ, в соответствии с которыми на выходе блока 17 формируются сигналы, пропорциональные значениям структурной функции Сигналы, соответствующие значениям констант a, b и m, поступают на вход блока 18 из блока 26 задания констант.

В блоке 19 деления из сигналов от блока 17 и от блока 26 формируется выходной сигнал, пропорциональный отношению который поступает на входы блоков 22 и 23 вычитания.

В блоке 22 вычитания из сигналов от блока 17 и блока 19 формируется выходной сигнал в соответствии с выражением (9), пропорциональный значению модифицированной структурной функции 1MF_стр., который подается в вычислитель 24.

В блоке 20 деления из сигналов от блока 17 и от блока 26 формируется выходной сигнал, соответствующий отношению который поступает на вход блока 23.

В блоке 23 формируется выходной сигнал в соответствии с выражением (10), пропорциональный значению второй модифицированной структурной функции 2MF_стр., который подается в вычислитель 24.

В вычислителе 24 осуществляется решение уравнения (12) с использование сигналов от блоков 22 и 23, соответствующих значениям 1MF_стр. и 2MF_стр., а также сигнала от блока 26, соответствующего значению константы П₁. На выходе вычислителя 24 формируется сигнал, пропорциональный значению τ_ж
В блоке 21 деления из сигналов от блока 17 и от блока 26 формируется сигнал в соответствии с выражением (11), пропорциональный значению третьей модифицированной структурной функции 3MF_стр..

На вход вычислителя 25 поступают сигналы из блока 17 и блока 21, соответствующие значению структурной функции и значению функции 3MF_стр., а также сигнал от блока 26, соответствующий значению константы П₂.

В вычислителе 25 аналогичным образом, как в вычислителе 24, осуществляется решение уравнения (13) и формируется сигнал, пропорциональный значению τ_г
Выходные сигналы от вычислителей 24 и 25, соответствующие значениям τ_ж и τ_г поступают соответственно на входы блока 5 и блока 4.

В блоках 4 и 5 из сигналов от вычислителей 24 и 25 и от задатчиков 6 и 7 баз измерения скоростей формируются сигналы в соответствии с выражениями (15) и (14), пропорциональные скорости газа V_r и скорости жидкости V_ж.

В блоке 8 из сигнала от блока 2, соответствующего значению объемной доле газа в смеси ϕ сигнала от блока 4, соответствующего значению скорости V_Г, сигналов от задатчика 13 и датчиков 15, 16 формируется сигнал согласно выражению (5), пропорциональный значению объемного расхода газа, а также приведения его к стандартным условиям, Q_Гст.

Соответственно, в блоке 9 из сигналов от блока 2, соответствующего значению объемной доли жидкости в смеси (1 - ϕ), сигнала от блока 5, соответствующего значению скорости жидкости V_ж, и сигнала от задатчика 13 формируется сигнал согласно выражению (6), пропорциональный значению объемного расхода жидкости Q_ж.

В блоке 10 из сигналов от блоков 2 и 9, соответствующих объемной доле нефти в жидкости и объемному расходу жидкости Q_ж, формируется сигнал согласно выражению (7), пропорциональный значению объемного расхода нефти Q_н.

Выходные сигналы блоков 8, 9 и 10, соответствующие значениям объемных расходов Q_Гст., Q_н и Q_ж, подаются на индикатор (на чертеже не показан). В качестве элементной базы расходомера могут быть использованы интегральные схемы микроэлектроники и однокристальные микро ЭВМ, например серии 1816. Радиационный датчик выполнен на основе радионуклида C137s

Использование: измерение расхода отдельных компонентов продукции скважин в нефтяной промышленности. Сущность изобретения: расходомер содержит радиационный датчик плотности 1 смеси, расположенный на трубопроводе, блок определения объемных долей 2 компонентов смеси, устройство обработки структурной функции 3 процесса изменения плотности смеси, два блока определения скорости 4, 5 соответственно газовой и жидкой фаз, два блока задания базы измерений скорости 6, 7, соответственно газовой и жидкой фаз, три блока определения расхода 8. 9, 10 компонентов смеси соответственно газа, жидкости и нефти, два задатчика плотности 11, 12, соответственно нефти и воды, задатчик площади поперечного сечения 13 трубопровода, датчик давления 15 смеси, датчик температуры 16 смеси. Изобретение позволяет повысить точность измерения путем обеспечения инвариантности измерений к изменению гидродинамической структуры потока контролируемой смеси. 2 ил.

Расходомер газонасыщенной нефти, содержащий расположенный на трубопроводе радиационный датчик плотности смеси, блок определения скорости жидкой фазы, блок определения скорости газовой фазы, блок определения объемных долей компонентов смеси, блок определения расхода газа, блок определения расхода нефти, блок определения расхода жидкости, задатчик плотности воды, задатчик плотности нефти, задатчик площади поперечного сечения трубопровода, при этом выход датчика плотности смеси соединен с первым входом блока определения объемных долей компонентов смеси, второй и третий входы блока определения объемных долей компонентов смеси соединены соответственно с выходом задатчика плотности воды и с выходом задатчика плотности нефти, первый выход блока определения объемных долей компонентов смеси соединен с первым входом блока определения расхода газа, второй выход блока определения объемных долей компонентов смеси соединен с первым входом блока определения расхода жидкости, третий выход блока определения объемных долей компонентов смеси соединен с первым входом блока определения расхода нефти, второй вход блока определения расхода газа соединен с выходом блока определения скорости газовой фазы, второй вход блока определения расхода жидкости соединен с выходом блока определения скорости жидкой фазы, третьи входы блока определения расхода газа и блока определения расхода жидкости соединены с выходом задатчика площади поперечного сечения трубопровода, второй вход блока определения расхода нефти соединен с выходом блока определения расхода жидкости, отличающийся тем, что он дополнительно содержит устройство обработки структурной функции процесса изменения плотности смеси, блок задания базы измерения скорости жидкой фазы и блок задания базы измерения скорости газовой фазы, а блоки определения скоростей жидкой и газовой фаз выполнены в виде блоков деления, причем устройство обработки структурной функции включает блок задания констант, блок задания аргумента структурной функции, блок определения структурной функции, три блока деления, два блока вычитания, первый вычислитель, второй вычислитель, при этом выход датчика плотности смеси соединен с первым входом блока определения структурной функции, второй, третий, четвертый и пятый входы которого соединены соответственно с первым, вторым, третьим и четвертым выходами блока задания аргумента структурной функции, первый выход блока определения структурной функции соединен с первым входом первого блока вычитания и с первым входом второго вычислителя, второй выход блока определения структурной функции соединен с входом "Делимое" первого блока деления, третий выход блока определения структурной функции соединен с входом "Делимое" второго блока деления, четвертый выход блока определения структурной функции соединен с входом "Делимое" третьего блока деления, первый, второй и третий выходы блока задания констант соединены, соответственно, с первым, вторым и третьим входами блока определения аргумента структурной функции, а также с входами "Делитель" соответственно первого, второго и третьего блоков деления, выход первого блока деления соединен с вторыми входами первого и второго блоков вычитания, выход второго блока деления соединен с первым входом второго блока вычитания, выходы первого и второго блоков вычитания соединены соответственно с первым и вторым входами первого вычислителя, выход третьего блока деления соединен с вторым входом второго вычислителя, третьи входы первого и второго вычислителей соответственно соединены с четвертым и пятым выходами блока задания констант, выход первого вычислителя соединен с входом "Делимое" блока определения скорости жидкой фазы, выход второго вычислителя соединен с входом "Делитель" блока определения скорости газовой фазы, а входы "Делимое" блоков определения скорости жидкой фазы и скорости газовой фазы соответственно соединены с выходами блоков задания без измерения скоростей жидкой и газовой фаз, причем первый вычислитель реализует алгоритм решения уравнения вида

а второй вычислитель реализует алгоритм решения уравнения вида

где значения структурной функции процесса изменения плотности смеси при значениях аргумента τ, aτ, bτ, mτ, a, b, m, П₁,П₂- константы, определенные экспериментально.