СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОКОМПОНЕНТНОГО РАСХОДА ТРЕХКОМПОНЕНТНОГО ГАЗОЖИДКОСТНОГО ПОТОКА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2000 года по МПК G01N27/04 

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться для измерения покомпонентного расхода трехкомпонентного газожидкостного потока, в частности в нефтедобывающей отрасли при контроле работы нефтяных скважин.

Известен способ и устройства AGAR MPFM-301 и AGAR MPFM-400 для покомпонентного измерения расхода потока нефти, воды и газа (патенты РФ N 2079816 МКИ⁶ G 01 F 1/74, N 2086963 МКИ⁶ G 01 N 22/00), включающий вычисление полного объема потока ротационным счетчиком, определение объемного газосодержания потока с помощью ряда высокочастотных колебательных контуров, резонансная частота которых зависит от диаметров и длин каналов датчиков, размещаемых в потоке, а отклонение от нее - от разности диэлектрических проницаемостей жидкой и газовой фаз, определение процентного содержания нефти и воды в потоке с помощью микроволновых передатчика и приемника, работающих на частоте более 2 ГГц.

Недостатками этих способов и устройств является большой объем оборудования и использование сложной и дорогой высокочастотной аппаратуры.

Наиболее близким к предлагаемому способу и устройству является способ и устройство долевого содержания компонентов анализируемой среды (патент РФ N 2087906 МКИ⁶ G 01 N 27/04), заключающийся в том, что создают электрическое поле с помощью задающего и нескольких приемных электродов, размещенных в анализируемой среде, и измеряют электрическую проводимость среды между каждой парой электродов - задающим и одним из приемных электродов - путем интегрирования мгновенных значений токов с каждого приемного электрода за время измерения, а по результатам интегрирования определяют долевое содержание газовой компоненты среды, затем по результатам интегрирования с учетом долевого содержания газовой компоненты и в соответствии с экспериментальной зависимостью долей жидкостных компонент от проводимости среды определяют долевое содержание каждой жидкостной компоненты, далее изменяют направление электрического поля и повторно измеряют проводимость среды между каждой парой электродов, затем определяют долевое содержание газовой компоненты и каждой жидкостной компоненты, после чего определяют долевое содержание компонентов среды путем усреднения результатов, полученных при прямом и обратном направлениях электрических полей.

Недостатком этих способа и устройства является то, что точность определения долевого содержания компонентов среды зависит от скорости движения среды и от степени запарафинирования электродов, точность определения газовой составляющей зависит от количества приемных электродов, а главное, не решается задача определения расхода компонентов среды, так как метод и устройство не позволяют определить скорость движения анализируемой среды. Решение последней задачи для газожидкостного потока достигается использованием способа измерения скорости потока жидкости и устройства для его осуществления (патент РФ 2104556 МКИ⁶ G 01 P 5/08), а определение расхода - только совместным использованием обоих выше указанных способов и устройств.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является расширение функциональных возможностей способа определения долевого содержания компонентов анализируемой среды и устройства для его осуществления путем дополнительного определения скорости трехкомпонентного газожидкостного потока, вычисления покомпонентного расхода всех его составляющих, а также повышение точности вычисления долевого содержания компонентов анализируемой среды.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения достигается тем, что в способе определения покомпонентного расхода трехкомпонентного газожидкостного потока, включающем создание электрического поля с помощью задающего и принимающих электродов, размещенных в анализируемой среде, измерение электрической проводимости этой среды путем интегрирования за время измерения мгновенных значений токов, поступающих на приемные электроды, и определение по измеренной величине проводимости долевого содержания компонентов потока в соответствии c экспериментальной зависимостью долей жидкостных компонентов от проводимости среды, создают дополнительное электрическое поле, идентичное первому, и располагают его по направлению потока перед первым, причем силовые линии обоих полей направляют перпендикулярно газожидкостному потоку, измеряют зависимость проводимости среды от времени во всем интервале измерения, определяют долевое содержание компонентов анализирующей среды с учетом экспериментальных зависимостей проводимости среды от времени при различном содержании в ней жидкостных компонентов и газа, затем снимают дополнительное электрическое поле и повторно за тот же интервал времени аналогично измеряют зависимость проводимости средств от времени и находят разность зависимостей при отсутствии дополнительного поля и его наличии, сопоставляют эту разность с ранее экспериментально полученными аналогичными разностями для потоков, имеющих те же компоненты, но разные скорости, и находят скорость потока, многократно повторяют весь цикл действий, усредняют полученные значения компонентов анализируемой среды и скорости потока и по усредненным данным с учетом площади сечения газожидкостного потока перпендикулярной скорости вычисляют расход компонентов анализируемой среды.

Технический результат достигается также тем, что перед каждым измерением нагревают электроды проходящими через них электрическими токами до температуры, обеспечивающей расплавление пленки запарафинирования.

Технический результат достигается также тем, что в устройство для определения покомпонентного расхода трехкомпонентного газожидкостного потока, содержащее группу, состоящую из задающего и приемных электродов, интегратор, аналого-цифровой преобразователь, блок управления и обработки информации, блок задания входных напряжений, первый, второй и третий входы которого соединены соответственно с источниками положительного и отрицательного напряжения и с шиной земли, а выход соединен с задающим электродом, введена дополнительная группа электродов, размещенная по направлению потока перед первой, причем в каждой группе имеется, по крайней мере, один дополнительный задающий электрод, а количество приемных электродов равно числу задающих, первый выход блока задания напряжения соединен со всеми задающими электродами первой группы, а второй - с задающими электродами дополнительной группы, приемные электроды первой группы соединены с входом интегратора, а дополнительной группы - с шиной земли, выход интегратора соединен со входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с входом блока управления и обработки информации, соединенного с управляющими входами блока задания напряжений, интегратора и аналого-цифрового преобразователя.

Технический эффект достигается также тем, что в него введены трансформаторы, количество которых равно количеству электродов, причем выходы вторичных обмоток каждого трансформатора соединены с концами соответствующего электрода, а входы первичных обмоток соединены с соответствующими входами блока задания входных напряжений, четвертый и пятый входы которого соединены с источником переменного напряжения.

Технический эффект достигается также тем, что блок задания входных напряжений содержит вторую, аналогичную первой, группу элементов, состоящую из логического элемента ИЛИ и трех ключей, входы которых являются соответственно первым, вторым и третьим входами блока задания входных напряжений, выходы ключей объединены и являются соответственно вторым выходом блока, а цепи управления ключей соединены с шиной управления, и трансформатор, первичная обмотка которого соединена через ключ с источником переменного напряжения, а цепь управления ключа соединена с шиной управления, выходы вторичных обмоток трансформатора являются выходами блока.

На фиг. 1 приведен пример функциональной схемы устройства, реализующего способ, на фиг. 2 - эквивалентная электрическая модель жидкости, на фиг. 3 - пример выполнения блока задания входных напряжений, на фиг. 4 - блок-схема алгоритма работы блока управления и обработки информации, на фиг. 5 - временная диаграмма работы устройства.

На чертежах и в тексте приняты следующие обозначения:
1 - блок задания напряжений.

2, 3 - задающие электроды первой группы.

4, 5 - приемные электроды первой группы.

6, 7 - задающие электроды дополнительной группы.

8, 9 - приемные электроды дополнительной группы.

10 - интегратор.

11 - аналого-цифровой преобразователь.

12 - блок управления и обработки информации.

13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20 - трансформаторы нагрева электродов.

21 - активное сопротивление жидкости.

22 - емкостной импеданс жидкости.

23₁ - 23_n - эквивалентные емкости, связанные с пространственной поляризацией молекул жидкости.

24₁ - 24_n - эквивалентные сопротивления, определяющие совместно с емкостями 23₁ - 23_n постоянные времени пространственной поляризации молекул жидкости.

25, 26, 27 - ключи первой группы блока задания напряжений.

28 - логический элемент ИЛИ первой группы блока задания напряжений.

29, 30, 31 - ключи второй группы блока задания напряжений.

32 - логический элемент ИЛИ второй группы блока задания напряжений.

33 - трансформатор блока задания напряжений.

34 - ключ включения трансформатора.

Рассматриваемое устройство для определения покомпонентного расхода трехкомпонентного газожидкостного потока содержит блок 1 задания входных напряжений, задающие электроды 2 и 3 и приемные электроды 4 и 5 для создания основного (измерительного) электрического поля, задающие электроды 6 и 7 и приемные электроды 8 и 9 для создания дополнительного (компенсирующего) электрического поля, интегратор аналого-цифровой преобразователь 11 и блок управления и обработки информации 12 и трансформаторы 13-20. Первый, второй и третий входы блока 1 соединены с источником положительного напряжения, с шиной земли и с источником отрицательного напряжения, четвертый и пятый входы - с источником переменного напряжения, первый выход соединен с задающими электродами 2 и 3, второй выход с задающими электродами 6 и 7, вход интегратора 10 соединен с приемными электродами 4 и 5, приемные электроды 8 и 9 соединены с шиной земли, вход аналого-цифрового преобразователя 11 соединен с выходом интегратора 10, а выход со входом блока управления и обработки информации 12, соединенного с управляющими выходами блока задания выходных напряжений 1, интегратора 10 и аналого-цифрового преобразователя 11, первичные обмотки трансформаторов 13-20 соединены с соответствующими выходами блока задания входных напряжений 1, а вторичные - с концами соответствующих электродов.

Реализацию способа рассмотрим на примере использования его для определения покомпонентного расхода газожидкостного потока, протекающего по трубопроводу, изготовленному из диэлектрического материала и установленному перпендикулярно поверхности земли. Все задающие и приемные электроды выполнены в форме стержня, имеют одинаковую длину и расположены параллельно оси трубопровода на его внутренней поверхности. Электроды каждой группы, как основной - измерительный, так и дополнительный - компенсирующий, начинаются в одной плоскости, перпендикулярной оси трубопровода, причем все углы в этой плоскости между радиусами, направленными на два соседних электрода (задающий и приемный) равны. Электроды компенсирующей группы располагаются по направлению потока перед измерением соосно им.

Допустим, что скорость потока равна 0, все электроды измерительной группы покрыты двухкомпонентной жидкостью, содержащей нефть и воду, и к задающим электродам прикладывается электрический потенциал. Под его воздействием в жидкости будет происходить пространственная поляризация молекул воды, являющихся диполями, и электронная поляризация молекул нефти, практически не являющихся диполями, и пойдет электрический ток.

Эквивалентную схему жидкости с точки зрения воздействия на нее электрического поля можно представить в виде, показанном на фиг. 2. При приложении к жидкости электрического поля в жидкости возникнет прямой электрический ток, определяемый величиной активного сопротивления 21, обусловленного непосредственным переносом свободных заряженных ионов, и происходит заряд емкости 22 и емкостей RC - цепочек 23₁ - 23_n, где 22 - емкостной импеданс жидкости; 23₁ - 23_n - эквивалентные емкости, связанные с пространственной поляризацией молекул жидкости и отражающие затраты энергии на пространственную поляризацию жидкости, 24₁ - 24_n - эквивалентные сопротивления, определяющие совместно с емкостями 23₁ - 23_n постоянные времени RC - цепочек, соответствующие различным временам пространственной поляризации молекул жидкости.

Каждому составу смеси жидкости, состоящей из воды и нефти, соответствуют свои параметры элементов эквивалентной схемы, свой изменяющийся во времени ток, своя проводимость и, следовательно, своя зависимость выходного напряжения интегратора 10 от времени интегрирования во всем интервале измерения.

Если часть электродов измерительной группы будет покрыта жидкостью, а часть газом, то характер зависимости выходного напряжения интегратора 10 от времени сохранится, но пропорционально отношению объема жидкости к суммарному объему жидкости и газа, покрывающих электроды измерительной группы, изменится масштаб зависимости.

Сопоставляя кривую, полученную в результате измерения трехкомпонентной газожидкостной смеси, с кривыми, полученными заранее экспериментально для различных смесей воды, нефти и газа, можно определить долевое содержание компонентов анализирующей среды. Если компенсирующее поле отсутствует и газожидкостный поток перемещается с некоторой постоянной за время измерения скоростью V, то в объем трубопровода между измерительными электродами в процессе интегрирования непрерывно поступает неполяризованная жидкость, и выходное напряжение интегратора 10 зависит не только от компонентного состава потока, но и от объема потока, прошедшего между измерительными электродами, то есть от скорости потока, что приводит к ошибке в определении долевого содержания, но и позволяет определить скорость потока. Для исключения погрешностей при первом интегрировании вводится компенсирующее электрическое поле, идентичное измерительному, т.е. входное напряжение одновременно с началом, интегрирования подается на задающие электроды обоих групп, и осуществляется одновременная поляризация потоков, проходящих в обоих полях. Однако токи поляризации компенсирующего поля отводятся на приемные электроды, связанные с земляной шиной, а токи поляризации, поступающие на приемные электроды измерительного поля, связанные со входом интегратора 10, имеющие нулевой потенциал, теряют зависимость от скорости потока, так как объем и степень поляризации потока, поступающего за время интегрирования в область измерения, тождественны объему и степени поляризации потока, выходящего из области измерения. Длина электродов обоих групп выбирается из равенства I = V_max/t_инт, где V_max - максимальная скорость потока, t_инт - время интегрирования.

Для измерения скорости потока проводят повторное идентичное первому интегрирование, но при снятом компенсирующем поле, затем находят разность зависимостей второго и первого измерения, сопоставляют эту разность с ранее экспериментально полученными разностями для потоков, имеющих те же компоненты, но разные скорости, и находят скорость потока.

Для получения высокой точности многократно повторяют весь цикл действий при различной полярности входного напряжения, усредняют полученные значения компонентов анализируемой среды и скорости потока и по усредненным данным с учетом площади сечения трубопровода вычисляют расход компонентов потока. Для исключения влияния пленки запарафинирования электродов на точность измерения нагревают электроды проходящими через них электрическими токами до температуры, обеспечивающей расплавление пленки.

Рассматриваемое в качестве примера устройство, реализующее способ, работает следующим образом:
1 такт. В соответствии с алгоритмом работы блока управления и обработки информации 12 на его выходную шину выдается позиционный код, который одновременно поступает на блок задания выходных напряжений 1, интегратор 10 и АЦП 11. Этот код открывает ключ 25 в блоке задания входных напряжений 1 и закрывает ключи 26 и 27 в первой группе элементов, открывает ключ 29 и закрывает ключи 30 и 31 во второй группе элементов, в результате с 1 и 2 выходов блока 1 на первую и дополнительную (вторую) группу задающих электродов вместо земляного потенциала выдается напряжение +U.

Одновременно происходит пуск интегратора 10 и пуск АЦП 11. Затем с интервалами t_чтения и t_пуска позиционным кодом управления, изменяющимся только на управляющих входах АЦП 11, осуществляется многократное чтение и пуск АЦП 11 для измерения выходного напряжения интегратора 10 и передачи результатов на блок управления и обработки информации 12.

2 такт. Затем по истечении времени интегрирования T_инт на шину управления выдается новый позиционный код, который закрывает ключи 25, 29 и открывает ключи 27, 31, 34 в блоке 1, в результате на задающие электроды обеих групп вместо +U выдается нулевой потенциал, подается переменное напряжение ~ U на первичную обмотку трансформатора 33 и трансформаторы подогрева электродов 13-20 выдают напряжение на электроды. Одновременно интегратор 10 переводится из режима пуска П в режим исходного положения ИП, прекращается работа АЦП 11. В блоке управления и обработки информации 12 осуществляется определение долевого содержания компонентов потока.

3 такт. Затем по истечении времени T_ИП интегратора 10 на шину управления выдается новый позиционный код, который закрывает ключи 27, 34 и открывает ключ 25, в результате на задающие электроды первой группы выдается напряжение +U, снимается напряжение с первичной обмотки трансформатора 33. Одновременно интегратор 10 переводится в режим пуска и запускается АЦП 11. Затем с интервалами t_чтения и t_пуска позиционным кодом управления, изменяющимся только на управляющих входах АЦП 11, осуществляется многократное чтение и пуск АЦП 11 для измерения выходного напряжения интегратора 10 и передачи результатов на блок 12.

4 такт. Затем по истечении времени интегрирования T_инт на шину управления выдается новый позиционный код, который закрывает ключ 25 и открывает ключи 27 и 34 блока 1, в результате на задающих электродах первой группы устанавливается нулевой потенциал, включаются трансформатор 33 и все трансформаторы подогрева электродов. Одновременно интегратор 10 переводится в режим ИП и прекращается работа АЦП 11. В блоке 12 осуществляется определение скорости потока.

5 такт. Затем по истечении времени T_ИП повторяется первый такт с одним отличием, что вместо +U на задающие электроды из блока 1 выдается -U.

6 такт. Повторяется такт 2, но при этом вместо +U с задающих электродов снимается -U.

7 такт. Повторяется такт 3, но при этом на задающие электроды первой группы вместо +U задается -U.

8 такт. Повторяется такт 4, но при этом вместо +U с задающих электродов первой группы снимается -U.

Затем блок 12 сравнивает текущий номер измерения i с заданным числом m измерений, по которому производится усреднение долевого содержания компонентов потока и скорости. Если i ≤ m, то через интервал времени T_ИП производится последовательное повторение всех 8 тактов с суммированием соответствующих результатов измерения в каждом такте. Если i = m, то осуществляется операция деления на m всех сумм, в результате определяются средние значения компонентов и скорости потока.

Затем умножением средних значений компонентов на скорость, общее время m измерения и площадь внутреннего сечения трубопровода вычисляют покомпонентный расход потока за время измерения.

Способ и устройство были проверены на экспериментальной лабораторной установке на трехкомпонентном потоке, содержащем нефть, воду и газ. Испытания показали, что предложенное техническое решение обеспечивает определение покомпонентного расхода трехкомпонентного газожидкостного потока с максимальной погрешностью до 5%.

Использование: в измерительной технике, в частности для определения покомпонентного расхода трехкомпонентного газожидкостного потока (ГЖП) нефтяной скважины. Сущность: в газожидкостном потоке создают с помощью задающих и принимающих электродов, размещенных в анализируемой среде, основное и идентичное ему дополнительное электрическое поле, причем последнее располагают по направлению потока перед основным электрическим полем, силовые линии обоих полей направляют перпендикулярно потоку, измеряют зависимость электрической проводимости потока от времени путем интегрирования мгновенных значений токов, поступающих на принимающий электрод основного электрического поля. Далее определяют по измеренной величине электрической проводимости долевое содержание компонентов потока в соответствии с экспериментальной зависимостью электрической проводимости среды от времени и от содержания в ней компонентов жидкости и газа. Затем снимают дополнительное электрическое поле и повторно за тот же интервал времени измеряют зависимость электрической проводимости среды от времени и находят разность зависимостей первого и второго измерений, сопоставляют эту разность с ранее экспериментально полученными аналогичными разностями для потоков, имеющих те же компоненты, но разные скорости, и находят скорость потока. Многократно повторяют весь цикл действий, усредняют полученные значения компонентов анализируемой среды и скорости потока и по усредненным данным с учетом площади сечения ГЖП, перпендикулярной скорости, вычисляют расход компонентов. Для исключения влияния пленки запарафинирования электродов на точность измерения нагревают задающие и принимающие электроды проходящим через них электрическим током до температуры, обеспечивающей расплавление пленки. Устройство содержит блок 1 задания входных напряжений, задающих 2, 3 и принимающих 4, 5 электродов основного поля, задающих электродов 6, 7 и принимающих электродов 8, 9 дополнительного поля, подключенный к земляной шине, интегратор 10, подключенный к принимающим электродам 4, 5 основного поля, аналого-цифровой преобразователь 11, подключенный между интегратором и блоком управления и обработки информации 12, связанного шиной управления с блоками 1, 10 и 11. Технический результат изобретения - расширение функциональных возможностей способа определения долевого содержания компонентов анализируемой среды и устройства для его осуществления путем дополнительного определения скорости трехкомпонентного газожидкостного потока, вычисления покомпонентного расхода всех его составляющих, а также повышение точности вычисления долевого содержания компонентов. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ определения покомпонентного расхода трехкомпонентного газожидкостного потока, включающий создание электрического поля с помощью задающего и принимающих электродов, размещенных в анализируемой среде, измерение электрической проводимости этой среды путем интегрирования за время измерения мгновенных значений токов, поступающих на приемные электроды, и определение по измеренной величине проводимости долевого содержания компонентов потока в соответствии с экспериментальной зависимостью долей жидкостных компонентов от проводимости среды, отличающийся тем, что создают дополнительное электрическое поле, идентичное первому, и располагают его по направлению потока перед первым, причем силовые линии обоих полей направляют перпендикулярно газожидкостному потоку, измеряют зависимость проводимости среды от времени во всем интервале измерения, определяют долевое содержание компонентов анализируемой среды с учетом экспериментальных зависимостей проводимости среды от времени при различном содержании в ней жидкостных компонентов и газа, затем снимают дополнительное электрическое поле и повторно за тот же интервал времени измеряют зависимость проводимости среды от времени и находят разность зависимостей при отсутствии дополнительного электрического поля и его наличии, сопоставляют эту разность с ранее экспериментально полученными аналогичными разностями для потоков, имеющих те же компоненты, но разные скорости, и находят скорость потока, многократно повторяют весь цикл действий, усредняют полученные значения компонентов анализируемой среды и скорости потока и по усредненным данным с учетом площади сечения газожидкостного потока, перпендикулярной скорости, вычисляют расход компонентов анализируемой среды. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед каждым измерением нагревают электроды проходящими через них электрическими токами до температуры, обеспечивающей расплавление пленки запарафинирования. 3. Устройство для определения покомпонентного расхода трехкомпонентного газожидкостного потока, содержащее задающий и приемные электроды, интегратор, аналого-цифровой преобразователь, блок управления и обработки информации, блок задания входных напряжений, первый, второй и третий входы которого соединены соответственно с источниками положительного и отрицательного напряжений и с шиной земли, а выход соединен с задающим электродом первого поля, отличающееся тем, что в него введена дополнительная группа электродов, размещенная по направлению потока перед первой, причем в каждой группе имеется, по крайней мере, один дополнительный задающий электрод, а количество приемных электродов равно числу задающих, первый выход блока задания напряжений соединен со всеми задающими электродами первой группы, а второй - с задающими электродами дополнительной группы, приемные электроды первой группы соединены с входом интегратора, а дополнительной группы - с шиной земли, выход интегратора соединен со входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с входом блока управления и обработки информации, соединенного с управляющими входами блока задания входных напряжений, интегратора и аналого-цифрового преобразователя. 4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что в него введены трансформаторы, количество которых равно количеству электродов, причем выходы вторичной обмотки каждого трансформатора соединены с концами соответствующего электрода, а входы первичных обмоток соединены с соответствующими выходами блока задания входных напряжений, четвертый и пятый входы которого соединены с источником переменного напряжения. 5. Устройство по п.3, отличающееся тем, что блок задания входных напряжений содержит вторую, аналогичную первой, группу элементов, состоящую из логического элемента ИЛИ и трех ключей, входы которых являются соответственно первым, вторым и третьим входами блока задания входных напряжений, выходы ключей объединены и являются соответственно вторым выходом блока, а цепи управления ключей соединены с шиной управления, и трансформатор, первичная обмотка которого соединена через ключ с источником переменного напряжения, а цепь управления ключа соединена с шиной управления, выходы вторичных обмоток трансформатора являются выходами блока.