УЛЬТРАЗВУКОВОЙ УРОВНЕМЕР Российский патент 1998 года по МПК G01F23/28 

Изобретение относится к области измерительной техники и предназначено для непрерывного контроля положения границы раздела несмешивающихся сред. Оно может быть использовано для прецизионного контроля объемов жидкости и газа при их совместной фильтрации через пористую среду и тем самым найти применение при подготовке проектов разработки нефтяных и газоконденсатных месторождений. Кроме того, оно найдет широкое применение в нефтеперерабатывающей и химической промышленности.

Для всех практически важных случаев совместная фильтрация через пористые материалы двух несжимаемых несмешивающихся сред удовлетворительно описывается уравнением Бакли-Леверетта [1]. При вытеснении пластовых жидкостей газом определение относительной проницаемости движущихся сред осложняется конечной сжимаемостью и особым характером движения газа. Это вызывает необходимость выполнения экспериментальных исследований по определению объемов совместно движущихся сред при различных температурах и давлениях.

В измерительной технике широко известны устройства, предназначенные для контроля объемов контактирующих сред путем определения положения границы раздела сред, в частности границы "жидкость-газ". Значительное место среди них занимают ультразвуковые уровнемеры [2]. Основным требованием для большинства таких уровнемеров является знание скорости распространения ультразвуковых волн в одной из контактирующих сред при данных температурах и давлениях. Технически это требование чаще всего реализуется с помощью калиброванных каналов, длина которых фиксируется.

Известен, например, акустический уровнемер [3], содержащий измерительный и эталонный датчики, измерительную и эталонную трубу, размещенную в направляющей трубе, сообщающейся с контролируемой жидкостью. Устройство обладает недостаточной точностью вследствие использования для излучения и приема колебаний одного и того же датчика и сложностью производства измерений.

Наиболее близким по технической сущности является устройство, содержащее уровнемерную трубку, заполненную эталонной жидкостью и выполненную из материала, акустическое сопротивление которого близко к акустическому сопротивлению контролируемой жидкости, две пары пьезоэлементов, размещенных на противоположных концах этой трубки, и рефлектор, установленный в трубке под углом 45^o к оси трубки, перемещение которого производится тросом [4].

Данное устройство обладает недостаточной точностью вследствие расхождения ультразвукового луча при распространении в эталонной жидкости и 3-х кратном отражении его на всем пути от излучателя к приемнику ультразвуковых колебаний. Оно может быть использовано в узком диапазоне термобарических параметров в связи с необходимостью соблюдения акустической "прозрачности" уровнемерной трубки по отношению к контролируемой жидкости.

Задачей изобретения является повышение точности определения положения уровня и расширении диапазона применения уровнемера для различных сред и термобарических параметров.

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, состоит в измерении скорости распространения ультразвуковых волн в одной из контактирующих сред при различных термобарических параметрах.

Поставленная задача и технический результат достигаются тем, что ультразвуковой уровнемер, содержащий два пьезоэлемента и электронную схему, отличающийся тем, что он дополнительно содержит сосуд высокого давления, с размещенным в нем поршнем-разделителем, жидкость, заполняющую нижнюю часть сосуда, и индукционную катушку, причем пьезоэлементы установлены на верхней поверхности поршня-разделителя, а поршень-разделитель снабжен штоком, размещенным в полости индукционной катушки.

Таким образом, изобретение отвечает критерию "новизна".

Использование изобретения позволит достичь результата, удовлетворяющего потребность. Таким образом, изобретение отвечает критерию "изобретательский уровень".

Предлагаемый ультразвуковой уровнемер схематично представлен на чертеже.

Уровнемер содержит сосуд высокого давления 1, внутри которого размещен поршень-разделитель 2. Поршень снабжен штоком 3, на верхней поверхности поршня размещены пьезоэлементы 4 и 5, являющиеся излучателем и приемником ультразвуковых колебаний, соответственно. Нижняя часть сосуда 1 заполнена буферной жидкостью, например, силиконовым маслом. В состав уровнемера входит индукционная катушка 7, в полости которой находится шток 3 поршня-разделителя. Уровнемер снабжен измерительным электронным блоком 8, включающем генератор синхроимпульсов, генератор видеоимпульсов, усилитель, частотомер, осциллограф, а также мостовую схему, в одно плечо которой включена индукционная катушка.

Устройство работает следующим образом.

Перед началом фильтрации сред поршень-разделитель 2 с помощью буферной жидкости 6 переводится в верхнюю часть сосуда высокого давления до упора. Совместная фильтрация при определенном давлении, контролируемом манометром 12, жидкости 9, например, нефти и газа 10, например метана, через насыщенную жидкостью пористую среду 11 буферной жидкостью. При этом поршень движется вниз. Его перемещение фиксируется мостовой схемой измерительного блока 8. В вытесняемой жидкости, вошедшей в сосуд вслед за поршнем, определяется время распространения ультразвукового сигнала. С этой целью генератором синхроимпульсов запускается частотомер и временная развертка осциллографа, одновременно подается сигнал на видеогенератор, с которого видеоимпульс подается на излучающий пьезоэлемент 4. Пьезоэлемент 4 преобразует электромагнитный импульс в ультразвуковой сигнал, который распространяется в жидкости и отражаясь от плоской верхней части сосуда 1 попадает на приемный пьезоэлемент 5, выполненный в виде кольца. Пьезоэлемент 5 преобразует ультразвуковой сигнал в электрический импульс, который после усиления поступает на осциллограф и частотомер, останавливая временную развертку осциллографа и счет частотомера. На экране осциллографа отображается амплитуда прошедшего импульса, на цифровом табло частотомера - время распространения ультразвукового сигнала от поршня до крышки сосуда и обратно. Высота слоя жидкости в данном случае равна длине хода поршня, определяемой с помощью мостовой схемы измерительного блока 8. Поэтому, зная длину хода поршня и время распространения ультразвукового сигнала, находят скорость звука в жидкости при данном давлении и температуре фильтрации по формуле :
c = 2l/τ,
где
l - длина хода поршня; τ - время на цифровом табло частотомера.

Вследствие различия проницаемости жидкости и газа при фильтрации через образец пористой среды поршнеобразного вытеснения жидкости газом не происходит. Поэтому через некоторое время после начала фильтрации в верхней части сосуда появляется газ и возникает граница раздела "жидкость-газ". Возникновение этой границы четко фиксируется ростом амплитуды ультразвукового сигнала, наблюдаемого на экране осциллографа. Это объясняется тем, что коэффициент отражения ультразвуковых волн на границе "жидкость-газ" практически равен 1 вследствие того, что волновое сопротивление жидкости на несколько порядков больше волнового сопротивления газа при температурах и давлениях, далеких от критических. В то время как на границе "твердое тело-жидкость" коэффициент отражения составляет 0,6-0,7.

При дальнейшей фильтрации наблюдается увеличение объема газовой и жидкой фаз. Значение объема газовой фазы определяется как разность полного объема над поршнем по известной длине хода поршня и объема жидкой фазы по известной скорости звука и измеренному в данный момент времени распространения ультразвукового сигнала при данной температуре и давлении фильтрации.

Предлагаемый ультразвуковой уровнемер, в отличие от прототипа, обладает большей точностью в определении положения уровня жидкости, обусловленной относительно малым расхождением луча, а также измерением общей высоты контактирующих фаз и скорости звука в одной из них. Он может быть использован, в отличие от прототипа, в широком диапазоне температур и давлений.

Внедрение предлагаемого ультразвукового уровнемера в целях контроля фазовой проницаемости пород-коллекторов углеводородного сырья позволит повысить надежность и обоснованность проектов разработки месторождений.

Источники информации
1. Коллинз Р. Течение жидкостей через пористые материалы. -М.: Мир, 1964, с. 189 - 201.

2. Бабиков О. И. Контроль уровня с помощью ультразвука. -М.: Энергия, 1971, с. 30 - 50.

3. Авт. св. СССР N 436241 кл. G 01 F 23/28 БИ, N 26, 15.07.1974.

4. Авт. св. СССР N 512380, G 01 F 23/28, БИ N 16, 30.04.1976. (прототип)

Ультразвуковой уровнемер предназначен для непрерывного контроля положения границы раздела несмешивающихся сред и может быть использован при разработке нефтяных и газоконденсатных месторождений, а также в нефтеперерабатывающей и химической промышленности. В сосуде высокого давления размещен поршень-разделитель, на верхней поверхности которого установлены два пьезоэлемента. Нижняя часть сосуда заполнена жидкостью. Поршень-разделитель снабжен штоком, размещенным в полости индукционной катушки. Изобретение позволяет повысить точность определения положения уровня и расширяет диапазон применения уровнемера для различных сред и термобарических параметров. 1 ил.

Ультразвуковой уровнемер, содержащий два пьезоэлемента и электронную измерительную схему, отличающийся тем, что он дополнительно содержит сосуд высокого давления с размещенным в нем поршнем-разделителем, жидкость, заполняющую нижнюю часть сосуда, и индукционную катушку, причем пьезоэлементы установлены на верхней поверхности поршня-разделителя, а поршень-разделитель снабжен штоком, размещенным в полости индукционной катушки.