СМЕСИТЕЛЬ И АППАРАТ ДЛЯ АНАЛИЗА ПАРАМЕТРОВ ПОТОКА ЖИДКОСТИ Российский патент 2000 года по МПК B01F5/06 

Данное изобретение касается смесителя и прибора для анализа параметров потока жидкости.

Смесители широко используются в различных отраслях промышленности. Одной из таких отраслей является нефтедобыча. Из нефтяной скважины добывается смесь нефти, воды и попутного газа, поэтому для точного измерения параметров потока желательно смешать эти компоненты до получения однородной субстанции.

В публикации ЕП 0395635 раскрыт ряд статических смешивающих устройств. Одно из таких устройств включает в себя пластину, расположенную перпендикулярно к потоку через трубу. Пластина имеет два отверстия и две изогнутые лопасти из листового материала, которые расположены непосредственно за отверстиями. Жидкость, протекающая через трубу, проходит через одно из отверстий, разделяется на две струи, которые отклоняются лопастями и закручиваются в противоположных, относительно оси, параллельной направлению движения жидкости, направлениях и таким образом смешиваются.

Наиболее близким к заявленному является устройство, содержащее статический смеситель для жидкостей, протекающих по трубе, который включает элемент, разделяющий набегающий поток на два потока, протекающих рядом по трубе, и отклоняющий два разделенных потока таким образом, что эти потоки вращаются в противоположных направлениях (SU 975046 А, кл. В 01 F 5/06, 23.11.1982).

Недостатком известного устройства является турбулентность течения жидкости в трубе, сохраняющаяся после прохождения жидкостью смесителя.

Одним из аспектов данного изобретения является статический смеситель для одной или нескольких протекающих по трубе жидкостей, который содержит элемент, разделяющий движущуюся внутри трубы жидкость, по крайней мере, на два потока и отклоняющий разделенные потоки таким образом, чтобы они начали вращаться в противоположных относительно вектора движения основного потока жидкости направлениях, который выполнен в такой форме, чтобы движение жидкости оставалось спокойным.

Таким образом, эффективная гомогенизация потока может проходить без возникновения нежелательной турбуленции или, более того, возмущения потока жидкости. Смеситель в данном изобретении обеспечивает необходимую степень смешивания для разнообразных условий течения жидкости, и таким образом дает возможность провести точные измерения содержания компонентов потока и скорости потока за смесителем с помощью сфокусированных рентгеновских или гамма-лучей или другого уже известного метода.

Без достижения необходимой степени смешивания компонентов потока, которые неравномерно распределены по сечению трубы, измерения процентного содержания составляющих, полученные с помощью узконаправленного луча, могут быть неверны вследствие неоднородности потока и экспоненциальной зависимости степени поглощения фотонов от состава жидкости. Более того, без необходимой степени смешивания фракций, которые движутся с различными скоростями, обычный метод измерения скорости не дает точного значения скорости потока, но эти результаты могут быть скорректированы с использованием теоретических моделей или корреляций, которые учитывают относительные скорости компонентов потока. Данное изобретение позволяет избежать подобной коррекции измерений и связанных с этим ошибок.

В дополнение к этому, характеристики смесителя в данном изобретении таковы, что информация о процентном содержании компонентов потока в сочетании со значением изменения давления жидкости при прохождении через смеситель делает возможным точное определение скорости потока для жидкостей различной природы с различными условиями течения, в том числе и порционного течения.

Предпочтительно, чтобы элемент имел плавно очерченную поверхность, направляющую поток к части, которая разделяет протекающую по трубе жидкость. Также желательно, чтобы поверхность элемента, отводящая потоки от части элемента, которая отклоняет разделенные потоки таким образом, чтобы они вращались в противоположных направлениях, имела плавно изогнутую форму.

Предпочтительно, чтобы часть элемента, которая разделяет протекающую по трубе жидкость, по крайней мере, на два потока, имела значительную осевую протяженность, которая может варьироваться от 1/2 до 3/4 диаметра трубы, желательно равную 5/8 диаметра трубы. Тот факт, что процесс разделения потока продолжается на таком значительном расстоянии, позволяет избежать ненужного возмущения и турбуленции потока. Предпочтительно, чтобы часть элемента, которая отклоняет два разделенных потока таким образом, чтобы они вращались в противоположных направлениях, имела значительную осевую протяженность, которая может варьироваться от 1/2 до 3/4 диаметра трубы, желательно равную 5/8 диаметра трубы.

Предпочтительно, чтобы на поверхности элемента, располагающейся под потоком, не было неровностей. Предпочтительно, чтобы на поверхности элемента, располагающейся под потоком, не было неровностей.

Также предпочтительно, чтобы любая часть поверхности элемента, которая отражает поток жидкости, была расположена под углом не более 85 градусов, желательно под углом не более 80 градусов, а точнее 70 градусов к направлению потока. Предпочтительно, чтобы любая часть поверхности, которая находится за отражающей поверхностью элемента, пост-отражающей поверхности элемента была расположена под углом не более 85 градусов, желательно не более 75 градусов, точнее 60 градусов к направлению потока. Предпочтительно, чтобы максимальный угол изменения направления потока при обтекании элемента составлял 90 градусов, наиболее предпочтительно 70 градусов.

Самая высокая по потоку часть элемента может содержать часть, представляющую собой поднимающуюся от внутренней стенки трубы к верхней кромке плоскость, и представляющую собой плоскость, опускающуюся назад к внутренней стенке трубы. Элемент также включает в себя центральную стенку, которая разделяет трубу на две части.

Элемент имеет две искривленные поверхности, которые отклоняют поток на угол от 60 до 120 градусов, предпочтительно от 80 до 100 градусов, наиболее желательно на угол 90 градусов. Элемент может быть изготовлен любым способом и предпочтительно состоять из одной или двух частей, изготовленных, например, литьем или формованием.

Другим аспектом данного изобретения является аппарат для отслеживания потока жидкости, который состоит из смесителя в соответствии с первой частью данного изобретения и средств для измерения падения давления жидкости при прохождении через смеситель.

Посредством измерения падения давления жидкости при прохождении через смеситель может быть рассчитана скорость потока.

Предпочтительно, в особенности для проведения измерений в смесях жидкости и газа, чтобы аппарат также включал в себя средства для измерения степени торможения жидкости после прохождения через смеситель. Результаты измерений падения давления и степени торможения жидкости при прохождении через смеситель позволяют провести расчет общей скорости потока в трубе и норму расхода потока жидкости через трубу.

Средства для измерения степени торможения жидкости могут быть выполнены в любой удобной конфигурации и включать в себя приборы для определения содержания фракций в потоке или содержания в потоке жидкой фракции. Прибор или приборы для проведения подобного анализа могут иметь, по крайней мере, один источник излучения, например, рентгеновский или предпочтительный источник гамма-излучения, и, по крайней мере, один датчик радиоактивного излучения. Невозмущенное течение, которое обеспечивается смесителем данного изобретения, дает возможность проведения последовательных и точных измерений общей скорости потока и средних значений норм расхода. Это особенно важно, например, для проведения анализа нефти, добываемой из нескольких скважин. Зная общую скорость смешанного потока и относительное содержание фракций в потоке можно определить количество и процентное соотношение добытой нефти, воды и попутного газа. Несомненно, погрешность измерений менее 5% для широкого круга условий течения, которая может быть достигнута с использованием данного аппарата, является существенным преимуществом по сравнению с другими методами измерений.

Желательно, чтобы источник или источники радиации имели возможность излучать энергию, по крайней мере, двух различных мощностей, а детектор был расположен таким образом, чтобы получать излучаемые источником или источниками лучи, которые проходят через поток, источник или источники излучают импульсы, по крайней мере, двух различных мощностей, один или несколько детекторов принимают импульсы и передают сигнал на приборы обработки данных, которые обрабатывают сигнал, превращают его в серию отхронологированных величин и группируют эти величины по их значениям для последующего анализа в анализирующих устройствах.

Одной из ситуаций, в которых необходим анализ потока жидкости, является добыча нефти из одной или нескольких скважин. Обычно из скважины нефть добывается смешанной с водой и попутным газом, таким образом получается трехкомпонентный поток жидкости. Поэтому очень важно иметь возможность определить, какую часть потока составляет каждый из компонентов.

Существующий аппарат для анализа содержания компонентов включает в себя два источника гамма-лучей, объединенных с детекторами и разнесенных друг от друга по направлению потока на некоторое расстояние. Источники излучают импульсы различных мощностей. Сигналы от детекторов пропорциональны полученной ими энергии гамма-излучения и, следовательно, показывают степень поглощения излучения потоком. Из этого можно определить содержание компонентов в потоке. Содержание компонентов в потоке, протекающем мимо детектора, может изменяться во времени в очень широких пределах, вследствие, например, возникновения порционного течения, и результаты анализа постепенно ведут к появлению неточностей, в особенности, если принять во внимание экспоненциальную зависимость степени поглощения излучения от количества жидкости, пересекающей луч.

Следующим аспектом данного изобретения является аппарат для анализа параметров потока жидкости в трубе, который имеет, по крайней мере, один источник излучения, который направляет лучи через поток жидкости, и, по крайней мере, один детектор излучения, расположенный так, чтобы принимать излучаемые источником или источниками и прошедшие через поток импульсы, источник или источники излучают импульсы, по крайней мере, двух различных мощностей, один или несколько детекторов вырабатывают сигнал для приборов обработки данных, которые переводят сигнал в последовательность отхронологированных величин и группируют их в зависимости от значения для анализирования средствами анализа.

Так как сигнал превращается в последовательность сгруппированных величин, анализирующие средства могут провести более сложную, чем простое усреднение, и поэтому более точную обработку. Предпочтительно, средства анализа используются для определения содержания компонентов в потоке жидкости. Также они могут быть использованы для определения типа течения, например слоевое или порционное. Кроме того, анализ сигнала по группам позволяет отслеживать изменение состава смеси во времени. Например, при порционном течении относительное содержание нефти и воды в отдельных порциях и тонкой пленке между порциями может существенно разниться.

Предпочтительно, чтобы излучение от источника или источников измерялось через короткие интервалы времени. В одной из конструкций аппарата применяется один детектор. В этом случае могут использоваться два источника излучения, которые изучают импульсы различных мощностей. В предыдущей системе, необходимое разделение двух источников приводит к ошибкам из-за того, что лучи "не видят" однотипных секторов потока. Благодаря проведению обработки и анализа данных аппаратом в данном изобретении, это необходимое разделение не приводит к таким ошибкам.

Вместо двух источников может использоваться один, который излучает импульсы, по крайней мере, двух различных мощностей, например цезиевый источник, излучающий импульсы мощностью в 32 keV и 661 keV.

Аппарат в основном предназначен для анализа трехкомпонентного потока и поэтому, предпочтительно, чтобы источник или источники излучали энергию только двух различных мощностей.

В качестве излучения используются рентгеновские или гамма-лучи.

Аппарат состоит из смесителя и датчиков для измерения падения давления жидкости при прохождении через смеситель. Их использование совместно с датчиками измерения степени торможения жидкости при прохождении через смеситель позволяет провести вычисление скорости потока. Предпочтительно, чтобы датчики использовались совместно с анализаторами, которые определяют норму расхода жидкости через трубу. Датчики для измерения степени измерения степени торможения жидкости содержат, по крайней мере, один источник излучения, который направляет лучи через поток к, по крайней мере, одному детектору излучения, расположенному так, чтобы улавливать излучение от одного или нескольких источников, прошедшие через поток жидкости.

В данном исполнении аппарат включает в себя только два источника излучения, два детектора и средства для анализа данных для определения содержания компонентов и нормы расхода потока. Используя импульсы двух различных мощностей от одного из источников, определяется содержание компонентов в потоке, и путем сравнения динамических сигналов, получаемых двумя детекторами, которые расположены на расстоянии друг от друга вдоль по оси трубы, определяется скорость потока. Данная конструкция использует минимум компонентов, а следовательно, недорогая и простая в применении.

Далее описывается одна из возможных конструкций данного изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, где:
фиг. 1 - вид сбоку в поперечном сечении аппарата в данном исполнении;
фиг. 2 - вид в перспективе смесителя аппарата в данном исполнении;
фиг. 3 - вид сбоку смесителя аппарата в данном исполнении;
фиг. 4 - вид сверху смесителя аппарата в данном исполнении.

Аппарат 10 включает в себя два блока гамма-излучения 12, 14, два датчика давления 16, 18 и центральный блок обработки данных 20.

Датчики давления размещены до и после статического смесителя потока 22, который расположен внутри трубы 24. Датчики давления 16, 18 соединены с центральным блоком обработки данных 20. За смесителем 22, ниже по направлению движения потока, расположен температурный датчик 26, который также соединен с центральным блоком обработки данных 20. Непосредственно за температурным датчиком 26, ниже по направлению движения потока, находится первый блок гамма-излучения 12. Первый блок гамма-излучения включает в себя цезиевый источник, который излучает импульсы мощностей 32 keV и 661 keV. Источник направляет гамма-лучи через трубу 24 к обычному детектору на другой стороне трубы 24. Детектор соединен с усилителем и анализатором 28, который в свою очередь соединен с центральным блоком обработки данных 20 через два выхода, высокой и низкой мощности. Усилитель и канальный анализатор 28 запитывается от источника постоянного тока 30, который крепится на центральном блоке обработки данных 20. Ниже по направлению потока, относительно первого блока гамма-излучения 12, расположен второй блок гамма-излучения 14. Он включает в себя простой цезиевый источник гамма-излучения мощностью 661 keV и мощный кристаллический детектор излучения, который соединен со вторым усилителем и анализатором 32, который тоже запитывается от источника постоянного тока 30 и соединен с центральным блоком обработки данных 20.

На практике трехкомпонентный поток нефти, воды и попутного газа протекает через трубу 24 и смеситель 22. Датчик температуры 26 измеряет температуру потока, а датчики давления 16, 18 передают измерения давления до и после смесителя 22 в центральный блок обработки данных 20 для расчета значения падения давления потока при прохождении через смеситель 22. Импульсы высокой и низкой мощности от первого блока гамма-излучения 12 после прохождения через поток жидкости принимаются одиночным детектором первого блока гамма-излучения 12, обрабатываются и анализируются в центральном блоке обработки данных 20 совместно с сигналами от второго блока гамма-излучения 14. Сигналы от первого блока гамма-излучения 12 хронологически разделяются и группируются по модулю для статического анализа в центральном блоке обработки данных 20 (который и представляет собой упомянутые выше "средства для обработки данных" и "средства для анализа данных"), который позволяет провести точное определение содержания компонентов в потоке. Второй блок гамма-излучения 14 в сочетании с сигналом от первого блока 12 дает возможность расчета скорости потока, что совместно со значением падения давления потока позволяет определить общую норму расхода потока и нормы расхода отдельных компонентов. Информация от датчика температуры необходима для учета сжимаемости газовой фракции в потоке.

Кроме того, второй блок гамма-излучения 14 может быть исключен из данной конструкции, так как значение скорости потока можно определить как производную из значения падения давления потока при прохождении через смеситель.

Фиг. 2 - 4 показывают смеситель 22 более детально. Смеситель 22 в данном исполнении представляется как единое целое, но может рассматриваться как состоящий из двух частей 112, 114. Смеситель 22 расположен в цилиндрической трубе 108. Первая часть 112, которая представляет собой плоскую поверхность 116 по отношению к набегающему по трубе 108 потоку жидкости, поднимается от нижней стенки трубы 108 под углом 20 градусов к продольной оси трубы 108. Поверхность 116 поднимается к плавно скругленной кромке 118 на высоту W, с которой она как плоская поверхность 120 опускается назад под углом около 40 градусов к оси трубы 108, который уменьшается при непосредственном приближении к нижней стенке трубы 108 так, чтобы поверхность 120 плавно переходила в нижнюю стенку трубы 108.

Вторая часть 114, сужающаяся к передней части, представляет собой вертикальную стенку постоянной толщины 124 со скругленной передней кромкой 126, о которую ударяется набегающий поток. Стенка 124 пересекается с поднимающейся поверхностью 116 первой части 112. Непосредственно за кромкой 118 форма второй части 114 изменяется. Нижняя кромка центральной секции 128 второй части 114 продолжается на высоте кромки 118 и имеет такую же толщину, как и стенка 124. Верхняя часть центральной секции 128 расширяется, плавно искривляясь. Степень расширения центральной секции 128 увеличивается при движении по оси трубы до точки, где вторая часть 114 пересекается со стенкой трубы 108 на уровне кромки 118, в которой угол искривления поверхности по отношению к оси составляет около 70 градусов. Задняя секция 130 второй части 114, плавно искривляясь, опускается к стенке трубы 108 под увеличивающимся по отношению к оси трубы 108 углом, максимальное значение которого составляет около 60 градусов при пересечении со стенкой трубы 108.

На практике поток, например, нефти, воды и газа проходит по трубе 108 и сначала попадает на поднимающуюся поверхность 116 первой части, которая ограничивает область течения по трубе 108. По достижении потоком стенки 124, он разделяется на два потока и продолжает движение по постепенно сужающейся области, пока не достигнет кромки 118. Так как центральная секция 128 второй части 114 расширяется, каждый из разделенных потоков подвергается воздействию, которое придает им вращение в противоположных направлениях. Затем задняя секция 130 второй части 114 и опускающаяся поверхность 120 первой части расходятся от оси трубы 108, таким образом расширяя область течения, и гомогенизированный поток жидкости двигается далее по трубе 108. Таким образом видно, что жидкость проходит через смеситель 22 без возмущений.

Расстояние A от передней кромки поверхности 116 до точки пересечения с передней кромкой 126 стенки 124 составляет около 7/8 диаметра В трубы 108. Расстояние C от передней кромки 126 до кромки 118 составляет около 5/8 диаметра В трубы 108. Расстояние D от кромки 118 до конца центральной секции 128 второй части 114 составляет около 5/8 диаметра В трубы 108. Расстояние E от конца центральной секции 128 до задней кромки задней секции 130 второй части 114, которая находится ниже по направлению течения, чем задняя кромка первой части 112, составляет около 9/16 диаметра трубы. Диаметр трубы может составлять 50-150 мм, а в данном исполнении 80 мм.

Источники рентгеновского или гамма-излучения, датчики или другие средства измерения могут устанавливаться за смесителем 22 для определения степени торможения потока жидкости, а датчики давления для определения падения давления потока при прохождении через смеситель 22, что дает возможность вычисления общей скорости смеси. Экспериментально было установлено, что падение давления D_p линейно зависит от произведения общей и поверхностной скоростей V_tV_L:
D_p = a+bV_tV_L.

Степень торможения потока жидкости E_L задается как
E = V_L/V_t.

Таким образом:
V_t = [(D_p-a)/(bE_L)],
где а и b коэффициенты, которые в основном зависят от свойств компонентов потока. Благодаря тому, что хорошо гомогенизированная смесь получается без излишнего возмущения потока, коэффициенты а и b относительно независимы от соотношения компонентов потока, в частности нефти, воды и газа. Это является отличительной чертой от известных статических смесителей, например описанных в публикации ЕП 0395635, которые создают условия, в которых данные равенства не дают результатов с достаточной точностью. С помощью данного изобретения общие скорости многокомпонентного потока и поверхностные скорости жидкости могут быть измерены с погрешностью менее 5%.

Первый блок гамма-излучения 12 может включать два отдельных цезиевых источника, либо один источник, способный излучать импульсы двух мощностей. Понятно, что могут использоваться и другие источники излучения.

В другом исполнении, первый блок излучения 12 и второй блок излучения 14 используют источники различных мощностей, и в первом блоке устанавливается источник одной мощности излучения.

Ясно, что размеры смесителя могут изменяться в зависимости от исполнения. Высота W кромки 118 может быть увеличена, для большего ограничения области движения потока, или уменьшена. Длина D центральной секции 128, которая придает вращение двум разделенным потокам, может быть увеличена для более плавного течения жидкости или уменьшения. Изменение давления потока при прохождении через смеситель таким образом регулируется под конкретные условия установки.

Аппарат используется для одной или нескольких жидкостей, протекающих по трубе, например смеси нефти, воды и газа из нефтяной скважины. Аппарат включает элемент, который разделяет протекающую по трубе жидкость на два потока и отклоняет разделенные потоки так, чтобы они вращались в противоположных направлениях, и который имеет форму, обеспечивающую невозмущенное течение жидкости вдоль его поверхности. Аппарат содержит, по крайней мере, один источник излучения, направляющий импульсы через поток, и, по крайней мере, один детектор излучения, расположенный так, чтобы улавливать импульсы от источника, прошедшие через поток. Источник или источники излучают импульсы двух различных мощностей. Детектор или детекторы посылают сигнал в блок обработки данных. Технический результат состоит в возможности определения содержания компонентов в потоке, типа потока и нормы расхода жидкости. 13 з. п. ф-лы, 4 ил.

1. Аппарат для отслеживания потока, содержащий статический смеситель для одной или нескольких жидкостей, протекающих по трубе, включающий элемент, который разделяет набегающий поток, по крайней мере, на два потока, протекающих рядом по трубе, и отклоняет два разделенных потока так, что эти потоки вращаются в противоположных направлениях, отличающийся тем, что элемент имеет форму, обеспечивающую по существу невозмущенное течение жидкости, и дополнительно включает средства для измерения падения давления жидкости при прохождении через смеситель и приборы для определения содержания компонентов в потоке. 2. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что одно или каждое средство измерения включает, по крайней мере, один источник излучения и, по крайней мере, один детектор излучения, при этом источник или источники излучения предназначены для излучения энергии, по крайней мере, двух различных мощностей, и, по крайней мере, один детектор излучения расположен так, чтобы получать излучаемые источником или источниками лучи, проходящие через поток, причем источник или источники излучают импульсы, по крайней мере, двух различных мощностей, один или несколько детекторов принимают импульсы и передают сигнал на приборы обработки данных, которые обрабатывают сигнал, превращают его в серию отхронологированных величин и группируют эти величины по их значениям для последующего анализа в анализирующих устройствах. 3. Аппарат по п. 1 или 2, отличающийся тем, что статический смеситель включает элемент, имеющий плавно очерченную поверхность, которая направляет поток к части элемента и разделяет проходящие по трубе жидкости. 4. Аппарат по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что элемент статического смесителя имеет плавно очерченную поверхность, которая отходит от части элемента и отклоняет два разделенных потока так, чтобы они вращались в противоположных направлениях. 5. Аппарат по любому из пп.1 - 4, отличающийся тем, что часть элемента статического смесителя, разделяющая набегающий поток жидкости, по крайней мере, на два потока внутри трубы, имеет значительную осевую длину. 6. Аппарат по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что часть элемента статического смесителя, отклоняющая два разделенных потока так, чтобы они вращались в противоположных направлениях, имеет значительную осевую длину. 7. Аппарат по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что поверхность элемента статического смесителя, расположенная над потоком, выполнена без неровностей, обращенных к потоку. 8. Аппарат по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что поверхность элемента статического смесителя, расположенная под потоком, выполнена без неровностей, обращенных к потоку. 9. Аппарат по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что отражающая набегающий поток поверхность элемента статического смесителя расположена под углом не более 85^o к направлению потока. 10. Аппарат по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что пост-отражающая поверхность элемента статического смесителя расположена под углом не более 85^o к направлению потока. 11. Аппарат по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что максимальный угол изменения направления потока при движении вдоль поверхности элемента статического смесителя составляет 70^o. 12. Аппарат по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что поверхность нижней части элемента статического смесителя представляет собой плоскость, поднимающуюся от внутренней стенки трубы к верхней кромке, а затем опускающуюся обратно к внутренней стенке трубы. 13. Аппарат по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что элемент статического смесителя также включает центральную стенку, которая разделяет трубу на две части. 14. Аппарат по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что элемент статического смесителя имеет две плавно искривленные поверхности, которые отклоняют поток на угол от 60 до 120^o.