УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СОСТАВА ФЛЮИДА Российский патент 1998 года по МПК G01N23/12 G01N9/24 

Изобретение относится к устройствам для измерения состава флюида, протекающего через напорный трубопровод. Когда многокомпонентный флюид транспортируется через напорный трубопровод к перерабатывающей установке, обычно требуется измерять состав флюида либо вдоль напорного трубопровода, либо на его верхнем по потоку торце. В нефтегазовой индустрии флюиды из скважины могут транспортироваться от устья скважины, находящейся на побережье или на небольшом расстоянии от берега, по напорному трубопроводу к перерабатывающей установке, где происходит разделение друг от друга различных компонентов флюида. Флюиды из скважины могут содержать нефть, газ и воду в соотношениях, которые могут изменяться во времени и могут различаться для различных скважин, производящих добычу из одного и того же подземного резервуара. Непосредственное измерение состава флюида в устье скважины или дальше, ниже по потоку, где сливаются потоки из различных скважин, позволяет получать характеристики конкретного резервуара, которые корректируются в течение времени добычи из этого резервуара. Они также позволяют проводить, если это необходимо, своевременные корректирующие измерения.

В Европейском патенте N 269432 раскрыто устройство для измерения состава флюида, протекающего через напорный трубопровод. Устройство содержит трубопровод, выполненный с возможностью подсоединения к напорному трубопроводу таким образом, чтобы поток упомянутого флюида протекал через трубопровод, источник радиоактивного излучения, расположенный так, что радиоактивное излучение от источника проходит через стенку трубопровода и через поток флюида, радиационный детектор, установленный таким образом, чтобы детектировать упомянутое радиоактивное излучение, проходящее через стенку трубопровода и поток флюида, и средство генерации сигнала, соответствующего упомянутому радиоактивному излучению, детектируемому детектором. Доза радиации, прошедшая через поток флюида, которая детектируется детектором, позволяет определить состав флюида. Стенка трубопровода, через которую проходит радиация, образует радиоактивное окно, выполненное из бериллия. Стенка этого окна окружена трубчатой защитой, снабженной диаметрально противоположными отверстиями для прохода излучения. Недостаток известного устройства заключается в том, что на поверхности бериллиевого окна образуется токсичный оксид бериллия. Кроме того, для использования устройства при большом давлении потока флюида требуется довольно толстая бериллиевая стенка, что приводит к значительному ослаблению радиации в бериллиевой стенке и к соответствующему уменьшению точности измерения состава.

Задачей настоящего изобретения является создание устройства измерения состава флюида в потоке многокомпонентного флюида, которое лишено недостатков устройства прототипа.

Другая задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы создать устройство измерения состава флюида потока многокомпонентного флюида, которое является компактным и позволяет получать точные измерения.

В соответствии с настоящим изобретением устройство для измерения состава потока флюида, протекающего через напорный трубопровод, отличается тем, что детектор представляет собой твердотельную детекторную конструкцию, по меньшей мере, с двумя детектирующими поверхностями и фильтром, который расположен между источником радиации и первой из детектирующих поверхностей.

Обычно эффективность твердотельного детектора уменьшается с увеличением уровня радиационной энергии. Например, если используется источник радиации из америция (Am241), который излучает при низком уровне энергии 18 КэВ и при высоком уровне энергии 60 КэВ, то эффективность детектора на низком уровне энергии радиации составляет примерно 50-60%, а эффективность детектора на высоком уровне энергии радиации составляет примерно 5%. В устройстве согласно изобретению эффективность детектора улучшается за счет конструкции из твердотельных детекторов, по крайней мере, с двумя поверхностями, детектирующими излучение, при этом между радиоактивным источником и первой из поверхностей расположен фильтр.

Предпочтительно, чтобы фильтр в значительной степени препятствовал прохождению через него излучения низкой энергии и, по существу, пропуская излучение с высоким уровнем энергии. Благодаря этому часть излучения, которая характеризуется низким уровнем энергии, после прохождения через флюидную смесь и стенку трубопровода, по существу, детектируется второй из двух детектирующих поверхностей. Кроме того, часть излучения, имеющая высокий уровень энергии, которая проходит через флюидную смесь и стенку трубопровода, по существу, детектируется первой детектирующей поверхностью с повышенной эффективностью, поскольку из-за размещения фильтра скорость счета для части излучения с высоким уровнем энергии значительно увеличивается. Предпочтительно, фильтр состоит из меди.

Должно быть понятно, что в контексте настоящего изобретения выражение "твердотельный детектор" относится к полупроводниковому диодному детектору, например, какой описан в публикации ISBNO-471-49545-x с названием "Радиационное детектирование и измерение", глава 11. Такой детектор является компактным и имеет высокую разрешающую способность в диапазоне энергии между 15 - 100 КэВ, который подходит для измерений. Разрешение и эффективность полупроводникового диодного детектора может увеличиваться при условии, что детектор снабжен средством для охлаждения, которое поддерживает температуру детектора между 0-15^oC или, предпочтительно, между 5-10^oC.

Подходящее средство для охлаждения образует элемент Пельтье, поскольку такой элемент компактный, благодаря чему компактность устройства даже улучшается, если детектор непосредственно прикрепляется к элементу Пельтье.

Предпочтительно, чтобы стенка трубопровода состояла из смолы, армированной волокнами. Установлено, то стенка из смолы, армированной волокнами, образует подходящее радиационное окно со слабым поглощением радиации, в то же время такая стенка позволяет проводить измерения при относительно высоких внутренних давлениях. Более того, благодаря отсутствию бериллия исключается опасность образования оксида бериллия и дальнейшие проблемы, связанные с устранением осаждающегося бериллия.

Поглощение радиации в стенке трубопровода особенно мало, когда стенка армирована углеродными нитями. С этой точки зрения предпочтительно, чтобы стенка состояла с относительно высоким процентным содержанием из углеродных волокон, например, на 50-70% вес. из углеродных волокон.

Подходящим матричным материалом, применяемым для формирования стенки, является полиэфирная смола, как например, эпоксидная смола.

Состав флюида, протекающего через напорный трубопровод, определяется из сигналов, соответствующих радиации, детектируемой детектором, выполненным согласно изобретению, в соответствии со следующей методикой.

Поглощение гамма-лучей в веществе описывается следующим уравнением:
I(e) = I₀(e)•exp(-μ(e)•h),
где
I₀(e) - начальная интенсивность гамма-лучей с энергией e;
I(e) - интенсивность гамма-лучей после поглощения с энергией e;
μ(e) - линейный коэффициент поглощения при энергии e;
h - толщина слоя вещества.

Для смеси нефть/вода/газ в трубе с внутренним диаметром d и толщиной стенки t следующие уравнения могут быть выведены для двух уровней энергии e1 и e2:

где

и

Символ α обозначает объемную долю фазы, указанной в подиндексе; сумма всех трех долей должна быть равна 1:
α_нефть + α_вода + α_газ = 1
если производятся сначала отдельные калибровочные измерения для коэффициентов поглощения нефти, воды и газа, то затем, измеряя поглощение радиации через трубопровод, заполненный нефтью, водой и газом, при двух уровнях энергии гамма-лучей, с использованием вышеприведенных уравнений можно определить три фракции: α_нефть, α_вода, α_газ.
Из Международного журнала "Прикладная радиация и изотопы", т. 34, N 1, январь 1982, известно, что твердотельный детектор, который охлаждается элементом Пельтье, может использоваться в устройстве для анализа в потоке пульпы металлосодержащей руды. Из Европейской патентной заявки N 0187460 известно использование нескольких детекторов гамма-лучей для измерения состава потока многофазного флюида в напорном трубопроводе вдоль нескольких хорд. Из Европейской патентной заявки 0236623 известно использование одного радиационного детектора вместе с дифференциальным манометром в многофазном объемном счетчике.

Теперь изобретение будет описано более подробно с помощью примера со ссылкой на чертежи, на которых:
фиг. 1 - схематичный продольный разрез устройства согласно изобретению;
фиг. 2 - разрез по линии 2-2 устройства, изображенного на фиг. 1.

Устройство, показанное на фиг. 1 и 2, представляет собой стальной трубопровод 1, центральная часть 3 которого имеет уменьшенный внутренний диаметр. Цилиндр 5 из эпоксидной смолы, армированной углеродными волокнами (CFRE), размещен в углублении 7, выполненном с внутренней стороны центральной части 3 трубопровода 1. В стенке центральной части 3 трубопровода 1 выполнено четыре отверстия 10, 11, 12, 13, при этом отверстия 11, 12, 13 расположены напротив отверстия 10 и расположены с интервалом вдоль окружности трубопровода 1. Каждое из отверстий 10, 11, 12, 13 проходит от наружной поверхности трубопровода 1 к наружной поверхности CFRE цилиндра 5.

Радиационный источник рентгеновских или гамма-лучей 15 расположен в отверстии 10, которое образует коллиматор для источника 15. Три твердотельных детектора 16, 17, 18 расположены в отверстиях 11, 12, 13, соответственно, причем отверстия 11, 12, 13 образуют соответствующие коллиматоры для детекторов 16, 17, 18 таким образом, что детекторы могут детектировать излучение от источника 15. Детекторы 16, 17, 18 прикреплены к соответствующим элементам Пельтье 20, 21, 22, которые предназначены для поддержания температуры детекторов 16, 17, 18 между 5-10^oC. Электронный процессор (не показан) подсоединен к детекторам 16, 17, 18 для приема и обработки сигналов, соответствующих излучению, детектируемому детекторами 16, 17, 18.

Каждый из детекторов 16, 17, 18 выполнен по крайней мере с двумя поверхностями "a" и "b", детектирующими излучение.

Между радиоактивным источником 15 и первой из поверхностей "a", детектирующей излучение, расположен фильтр 16', 17', 18'.

Указанный фильтр в значительной степени препятствует прохождению через него излучения низкой энергии и по существу пропускает излучение с высоким уровнем энергии.

Однако часть излучения с низким уровнем энергии после прохождения через флюидную смесь и стенку трубопровода детектируется по существу второй из по меньшей мере двух детектирующих поверхностей "b". Кроме того, часть излучения, имеющая высокий уровень энергии, которая проходит через флюидную смесь и стенку трубопровода, детектируется по существу первой детектирующей поверхностью "a" с повышенной эффективностью, поскольку из-за размещения фильтра 16', 17', 18' скорость счета для части излучения с высоким уровнем энергии значительно увеличивается.

Предпочтительно фильтр выполнен из меди.

Радиационный источник 15 выбирается так, чтобы он испускал подходящие уровни энергии e1 и e2 и α_нефть, α_вода и α_газ можно было вычислить с использованием вышеприведенных уравнений.

Дифференциальный манометр 24 присоединен к штуцеру для измерения давления 26, расположенному на внутренней поверхности трубопровода 1 рядом с его центральной частью 3, а штуцер для измерения давления 28 расположен на внутренней поверхности центральной части 3 трубопровода 1.

Трубопровод 1 с обоих торцов снабжен фланцами 30, 32 для присоединения трубопровода 1 к напорному трубопроводу (не показан) для транспортировки флюида, содержащего нефть, воду и газ, выкачиваемого из ствола скважины, выполненной в земле.

Во время нормальной работы устройства, показанного на фиг. 1 и 2, трубопровод 1 подсоединен к напорному трубопроводу и поток флюида, содержащего нефть, воду и газ, добываемого из ствола скважины, протекает через трубопровод 1. Рентгеновское или гамма-излучение, испускаемое радиоактивным источником 15, проходит через стенку цилиндра 5, армированного углеродными волокнами, и через поток флюида к детекторам 16, 17, 18, при этом излучение частично поглощается стенкой CFRE цилиндра 5 и потоком флюида. Таким образом, излучение, испускаемое источником 15, ослабляется стенкой CFRE цилиндра 15 и потоком флюида. Ослабленное излучение детектируется детекторами 16, 17, 18 и сигналы, соответствующие ослабленному излучению, принимаются электронным процессором, который определяет состав флюида, используя вышеприведенные уравнения. Кроме того, дифференциальный манометр 24 выдает сигналы, соответствующие скорости течения флюидной смеси, так что могут быть вычислены расходы отдельных компонентов флюида.

Применение нескольких детекторов, расположенных с интервалом по окружности трубопровода, имеет преимущество по сравнению с использованием только одного детектора, поскольку при этом увеличивается скорость счета и гомогенность флюида может быть проконтролирована путем сравнения состава флюида, получаемого с помощью отдельных датчиков. В варианте изобретения, показанном на фиг. 1 и 2, применяются три детектора, однако, количество детекторов, применяемых в устройстве согласно изобретению, может быть меньше или больше трех в зависимости от требующихся характеристик.

Подходящим материалом для изготовления CFRE цилиндра для использования в устройстве, описанном со ссылками на фиг. 1 и 2, является смола Araldit LY556 с отвердителем HY 917 и ускорителем отверждения DY 070, изготавливаемая Ciba Geigy, и углеродные волокна. Тенах IM - 400 - 12000, изготавливаемые AKZO. CFRE цилиндр был выполнен из этого материала с внутренним диаметром 43 мм и толщиной стенки 2 мм и расположен внутри стального трубопровода, снабженного одним отверстием диаметром 16 мм и тремя отверстиями диаметром 8 мм для размещения радиоактивного источника и трех детекторов, соответственно. Проверка по давлению показала, что CFRE цилиндр может выдерживать внутреннее давление 120 МПа.

Для уменьшения ослабления радиации в стенке трубопровода в другом варианте устройства согласно изобретению, по крайней мере, один источник или детектор расположен внутри трубопровода.

В таком варианте предпочтительно, чтобы источник располагался внутри трубопровода, а детектор располагался снаружи трубопровода. Таким образом, излучение проходит через стенку трубопровода только один раз. Предпочтительно, чтобы источник был окружен втулкой, размещенной внутри трубопровода, при этом втулка, предпочтительно, расположена концентрично в трубопроводе.

Устройство для измерения состава флюида, протекающего через напорный трубопровод, содержит трубопровод, выполненный с возможностью присоединения к напорному трубопроводу таким образом, чтобы поток флюида протекал через трубопровод, радиоактивный источник, размещенный так, чтобы излучение от источника проходило через поток флюида и стенку трубопровода, детектор для детектирования излучения, проходящего через поток и стенку, и средство для генерации сигнала, соответствующего излучению, детектируемому детектором. Стенка трубопровода состоит из смолы, армированной волокнами. Детектор представляет собой твердотельный детектор, охлаждаемый элементом Пельтье. Детектор имеет две поверхности, детектирующие излучение, одна из которых закрыта фильтром. Фильтр задерживает излучение с низкой энергией и пропускает излучение с высокой энергией. Технический результат заключается в создании компактного устройства, позволяющего получать точные измерения. 12 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для измерения состава флюида, протекающего через напорный трубопровод, содержащее трубопровод, выполненный с возможностью подсоединения к напорному трубопроводу для прохождения потока флюида через трубопровод, радиоактивный источник, расположенный с возможностью прохождения излучения от источника через стенку трубопровода и поток флюида, радиационный детектор для детектирования излучения, проходящего через стенку трубопровода и поток флюида, и средство для генерации сигнала, соответствующего излучению, детектируемому детектором, отличающееся тем, что детектор представляет собой твердотельную детекторную конструкцию, которая снабжена по крайней мере двумя поверхностями, детектирующими излучение, и фильтром, который расположен между радиоактивным источником и первой из детектирующих поверхностей, при этом фильтр задерживает по существу излучение с низкой энергией и пропускает излучение с высокой энергией, а стенка трубопровода состоит из смолы, армированной волокнами. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что фильтр содержит медь. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что твердотельная детекторная конструкция снабжена средствами охлаждения для поддержания температуры конструкции между 0 - 15^oC. 4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что твердотельная детекторная конструкция снабжена средствами охлаждения для поддержания температуры конструкции между 5 - 10^oC. 5. Устройство по п.3 или 4, отличающееся тем, что средство охлаждения выполнено в виде элемента Пельтье. 6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что твердотельная детекторная конструкция прикреплена непосредственно к элементам Пельтье. 7. Устройство по любому из пп.1 - 6, отличающееся тем, что напорный трубопровод имеет вдоль части своей длины уменьшенный диаметр, а устройство дополнительно содержит средство для измерения дифференциального давления в потоке флюида, протекающего через часть с уменьшенным диаметром. 8. Устройство по любому из пп.1 - 7, отличающееся тем, что радиоактивный источник расположен внутри трубопровода, а твердотельная детекторная конструкция расположена снаружи трубопровода. 9. Устройство по любому из пп.1 - 8, отличающееся тем, что твердотельная детекторная конструкция содержит несколько детекторов, расположенных вокруг трубопровода по окружности с интервалом. 10. Устройство по п.1, отличающееся тем, что стенка трубопровода состоит из смолы, армированной углеродными волокнами. 11. Устройство по п.10, отличающееся тем, что смола состоит из полиэфирной смолы. 12. Устройство по п.11, отличающееся тем, что полиэфирная смола состоит из эпоксидной смолы. 13. Устройство по любому из пп.10 - 12, отличающееся тем, что стенка трубопровода включает относительно высокий процент содержания углеродных волокон.