УЛЬТРАЗВУКОВОЙ РАСХОДОМЕР КОМПОНЕНТОВ МНОГОФАЗНОЙ СРЕДЫ Российский патент 1999 года по МПК G01F1/74 G01F1/66 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в информационно-измерительных системах нефтеперерабатывающей, нефтедобывающей, химической и других отраслях промышленности.

Классические разработки расходомеров для оценки количественного и качественного состава нефтегазового потока, идущего из промысловых скважин, основаны на измерениях плотности потока, скорости его движения с учетом флуктуации контролируемых физических параметров, вызываемых наличием в жидкой фазе неоднородностей в форме, например, газовых пузырьков.

Так, известен ультразвуковой расходомер многофазных сред, принцип действия которого основан на выделении преобладающей частоты доплеровского сигнала (Кремлевский П.П., Расходомеры и счетчики количества. - Л.: Машиностроение, 1989). Это осуществляется путем отбора и накопления наиболее часто повторяющихся временных интервалов между моментами пересечения сигналов доплеровской частоты нулевого уровня. Отбор и накопление наиболее часто повторяющихся измеряемых интервалов времени производится с помощью блока памяти. При этом каждому измеряемому интервалу времени ставится в соответствие своя ячейка памяти.

Недостатки этого устройства, так же как и других, рассмотренных в процессе проведения патентного поиска, связаны с тем, что излучатель импульсов и приемник прошедших сигналов расположены на значительном расстоянии друг от друга с наружной стороны трубопровода. Поэтому неизбежны высокие погрешности в измерениях параметров прошедших через контролируемую среду импульсов, приводящие к искажению информации о составе среды.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является ультразвуковой расходомер в соответствии с патентом РФ 2062995, кл. G 01 F 1/66, 1996. Он снабжен вертикально установленной измерительной камерой с входным и выходным патрубками, блоком управления и последовательно соединенными блоком измерения плотности и вторым счетно-регистрирующим устройством. При этом пьезоэлектрические преобразователи размещены на верхней и нижней стенках измерительной камеры, входы блока управления подключены соответственно к входам блока измерения расхода и блока измерения плотности, а выход блока управления подключен к входу коммутирующего устройства и первому входу блока измерения плотности, ко второму входу которого подключен пьезопреобразователь, размещенный на нижней стенке измерительной камеры.

Технический результат этого решения заключается в том, что на одних и тех же преобразователях используется прямой и обратный пьезоэффект и измерение расхода и плотности в одной зоне. А это позволяет исключить погрешности при калибровке устройства и изменениях, вызываемых колебаниями свойств и параметров контролируемой среды вдоль потока.

Недостатки устройства по прототипу связаны с тем, что это прибор периодического действия, контролирующий расход многофазной среды вне трубопровода и, соответственно, не учитывающий меняющиеся во времени соотношения компонентов в потоке. Отсюда недостоверность получаемой в результате информации о реальных соотношениях фаз, что в некоторых случаях, например, при анализе состояния выработанных нефтяных скважин, может привести к принятию неадекватных ситуации решений.

Поэтому задачей предлагаемого изобретения является повышение точности определения состава многофазной многокомпонентной среды.

Поставленная задача решается за счет ультразвукового расходомера компонентов многофазной среды, содержащего измерительную камеру в трубопроводе, на противоположных сторонах камеры размещены излучатель импульсов и приемник прошедших через среду импульсов, соединенный с блоком измерения параметров зарегистрированных импульсов и с электронно-вычислительной системой, и в котором в соответствии с изобретением, для проведения измерений внутри трубопровода измерительная камера выполнена с возможностью непрерывного пропускания части потока в пространстве между расположенными на расстоянии 1-20 мм друг от друга излучателем и приемником, блок измерения параметров дополнительно содержит счетчик не прошедших через газовую среду импульсов, связанный с электронно-вычислительной системой, в которую также поступает информация с блока измерения скорости, расположенного со смещением по ходу движения потока и содержащего вторую измерительную камеру.

Отличие предлагаемого устройства состоит в том, что оно содержит контролируемый объем в виде измерительной камеры, которую размещают непосредственно в потоке многофазной многокомпонентной среды. При этом камера содержит расположенные на противоположных стенках излучатель и приемник акустических импульсов, оптимальное расстояние между которыми составляет 1-20 мм. Этот параметр установлен опытным путем. При расстоянии между излучателем и приемником меньше 1 мм трудно зафиксировать изменение параметров прошедших импульсов в зависимости от перемен в составе потока, а при расстоянии больше 20 мм повышается погрешность в измерении параметров прошедших импульсов.

Предлагаемое устройство предполагает иной по сравнению с известными подход к определению состава контролируемой среды. В процессе измерений оценивают время прохождения акустических импульсов в пространстве между излучателем и приемником непосредственно в контролируемой среде. В зависимости от перемен в составе, например, нефтегазового потока, временные отрезки соответственно изменяются. В случае появления в этом пространстве газовой фазы происходит поглощение импульсов энергии, сигнал исчезает. При этом измерительной системой фиксируется время отсутствия сигнала.

Схема ультразвукового расходомера в соответствии с заявляемым изобретением представлена на чертеже. Здесь 1 - трубопровод с многофазной многокомпонентной средой; 2 - излучатель импульсов; 3 - приемник прошедших через среду импульсов; 4 - генератор импульсов; 5 - блок измерения параметров импульсов; 6 - электронно-измерительная система; 8 - излучатель импульсов второй измерительной камеры; 9 - приемник прошедших импульсов во второй измерительной камере; 7 и 10 - контролируемые объемы; 11 - блок измерения скорости потока; 12 - блок обработки амплитуды импульсов
Устройство работает следующим образом. Измерительную камеру с излучателем 2 и приемником 3 размещают внутри трубопровода 1 так, чтобы измеряемая среда проходила через контролируемый объем 7.

Акустические импульсы, прошедшие через контролируемый объем 7, попадают на вход блока измерения параметров импульсов 5, где фиксируется время прохождения акустическими импульсами контролируемого объема (длительность импульсов) и происходит преобразование его (времени) в амплитуды измерительных сигналов. Величина амплитуды соответствует акустической проводимости среды, находящейся в данный момент в контролируемом объеме, что дает возможность определять состав контролируемой среды.

Доля газа оценивается по времени отсутствия акустического сигнала в контролируемом объеме T = Σ_jt_i
Д_г = Т/Т₀
где Т - время выборки;
t _i - время нахождения газового включения в контролируемом объеме.

Доля нефти оценивается по соотношению

где τ - время прохождения акустической волны от излучателя к приемнику (длительность импульса);
τ_н,τ_в - калибровочные значения длительности акустических импульсов соответственно в нефти и воде.

Аналогично определяется доля воды

Для определения скорости среды по ходу движения потока устанавливают вторую измерительную камеру 10, образованную излучателем 8 и приемником 9. Измерительная камера 10 и соединенный с ней блок обработки амплитуды импульсов 12 образуют блок измерения скорости потока 11, который подключен к электронно-вычислительной системе 6. Скорость среды определяется корреляционным методом. При этом в блок обработки амплитуды импульсов 12 блока измерения скорости 11 поступают сигналы от двух измерительных камер 7 и 10, и получаются две реализации дискретных случайных взаимокорреляционных величин Х_i и Y_i. При этом корреляционная функция представлена следующим образом:
,
j = 0,1,2,...k
Находя max R_xy и соответствующие ему j, определяют время движения среды от первого контролируемого объема 7 ко второму объему 10. Используя известные величины: расстояние между контролируемыми объемами L и время движения среды τ_cp, определяют объемный расход
Q = kSL/τ_cp
где S - сечение трубопровода;
k - тарировочный коэффициент.

Объемный расход компонент определяется исходя из доли каждой компоненты. Сигналы с измерительных блоков поступают в электронно-вычислительную систему 6, выдающую результат измерений в виде соотношения всех компонентов среды.

Авторами был изготовлен опытный образец прибора, в котором реализовано предлагаемое техническое решение НВГР-1. Он был испытан на Первомайском месторождении Краснокамского участка нефтедобычи ЗАО "Лукойл-Пермь" (куст скважин 4) в декабре 1997 года.

По результатам испытаний сделаны следующие выводы:
- выбранные технические решения позволили надежно фиксировать параметры принимаемых сигналов и осуществить их эффективную обработку на всех режимах работы скважин;
- численные значения параметров потока, полученные при проведении измерений, близки к измерениям с помощью штатных измерительных систем и величинам, полученным при лабораторных испытаниях.

Изобретение может быть использовано в информационно-измерительных системах нефтеперерабатывающей, нефтедобывающей и других отраслях промышленности. Для измерения внутри потока в трубопроводе измерительная камера расходомера выполнена с возможностью непрерывного пропускания части потока между излучателем и приемником акустических импульсов. Излучатель и приемник расположены на противоположных стенках камеры на расстоянии 1 - 20 мм. Измерительная камера соединена с блоком измерения параметров импульсов, связанным с электронно-вычислительной системой, в которую также поступает информация с блока измерения скорости, расположенного со смещением по ходу движения потока и содержащего вторую измерительную камеру с излучателем и приемником акустических импульсов. Изобретение позволяет с высокой точностью определять изменяющийся во времени состав многокомпонентной среды. 1 ил.

Ультразвуковой расходомер компонентов многофазной среды в трубопроводе, содержащий измерительную камеру, на противоположных стенках которой размещены излучатель импульсов и приемник прошедших через среду импульсов, соединенный с блоком измерения параметров прошедших через среду импульсов, и электронно-вычислительную систему, отличающийся тем, что размещенная в потоке измерительная камера выполнена с возможностью непрерывного пропускания части потока в пространстве между излучателем и приемником, расположенными на расстоянии 1 - 20 мм друг от друга, а по ходу движения потока установлен соединенный с электронно-вычислительной системой блок измерения скорости потока, содержащий вторую измерительную камеру.