СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ МНОГОФАЗНОГО ПОТОКА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2002 года по МПК G01F1/74 

Изобретение имеет отношение к измерению объемов и расходов текучих сред, а более конкретно, к измерению объемов и расходов (дебитов) многофазных текучих сред, которые содержат жидкий углеводород, воду и газ, в устьях скважин и в трубопроводах.

На практике измерения однофазных потоков производят с использованием ультразвуковых устройств, например, за счет измерения доплеровского сдвига в жидкостях, которые несут взвесь твердых частиц, а также различного типа вращателей, таких как газовые расходомеры. Измерение двухфазного потока жидкости также может быть произведено с использованием ультразвукового устройства, например, такого как ультразвуковой измеритель типа Контроллотрон^TM, который позволяет точно локализовать границу раздела жидкость - жидкость. Для определения состава жидкости в трубах используют также введенные измерители электрической емкости. Наконец, известно использование ультразвуковых устройств для обнаружения снарядного режима потока, например, для обнаружения жидкостной пробки в газовом потоке или газовой пробки в потоке жидкости.

В патенте США N 4, 215, 567 описаны способ и устройство для проверки протекающего через трубопровод потока, образованного нефтью, водой и газом, которые позволяют определить процентное содержание нефти, воды и газа в потоке. Порцию пробы потока добычи закачивают через линию отбора пробы в камеру пробы, где проба нагревается и расширяется в течение периода удерживания для того, чтобы в основном разделиться на слои нефти и воды. Газ, который выделяется из порции пробы, выводится из камеры. По окончании периода удерживания порция пробы закачивается назад через линию отбора пробы в трубопровод. Так как порция пробы протекает через одну и ту же линию, то могут быть измерены содержания в пробе нефти и воды, а также объем пробы, что позволяет определить процентные содержания нефти и воды в порции пробы. Кроме того, производят измерение объема порции пробы при ее закачке через линию отбора пробы в камеру пробы, что позволяет путем сравнения этого объема с объемом порции пробы, закачиваемой назад в трубопровод, определять соотношение между газом и жидкостью в порции пробы.

В патенте США N 3, 246, 145 описана система определения относительной плотности жидкости. Система включает в себя испытательную камеру, в которую вводят жидкость для проведения испытаний. На одной из боковых сторон камеры установлен источник радиоактивного излучения, который направляет излучение через содержащуюся в камере жидкость. На другой стороне камеры установлен приемник излучения, предназначенный для измерения проходящего через жидкость в камере излучения. По меньшей мере один из участков стенки камеры между источником и приемником излучения сделан из материала, который является относительно прозрачным для излучения низкого уровня энергии. Это позволяет излучению низкого уровня энергии свободно проходить от источника в жидкость и из жидкости поступать на приемник излучения. В приемник излучения встроен дискриминатор энергии, который позволяет пропускать излучение только диапазона низкого уровня энергии, а с дискриминатором связано устройство регистрации для записи показаний обнаруженного излучения в диапазоне низкого уровня энергии.

В известных ранее устройствах не решена проблема измерения трехфазного потока, такого как комбинация нефти, воды и газа в одной и той же линии (в напорном трубопроводе). До настоящего времени отсутствует устройство текущего контроля, которое позволяло бы осуществлять такую функцию. Поэтому задачей настоящего изобретения является создание устройства для измерения трехфазного потока, а также для определения режима потока в трубопроводе, в котором существует любой из режимов потока, такой как снарядный, расслоенный или кольцевой режим потока.

Настоящее изобретение имеет отношение к измерению трехфазного потока текучих сред, например, жидкого углеводорода, воды и газа, протекающих в одной трубе от скважины к сепаратору. Такие устройства для измерения могут быть установлены у устьев скважин или в непосредственной близости от них в добычном нефтяном или газоконденсатном месторождении, для осуществления текущего контроля в течение времени вклада каждой фазы от каждой скважины. Комбинированный поток от устьев скважин может быть направлен в широкую сборную линию и выведен на морскую платформу или на береговое оборудование с сепаратором. Текущий контроль полного потока от группы скважин может производиться у сепаратора, причем могут быть рассчитаны соотношения каждой текучей среды для каждой скважины. Это позволяет производить ежедневный текущий контроль каждой скважины и отмечать изменения типов текучих сред. Проблемная скважина, например такая, в которой создается нарастание потока нежелательных текучих сред, например, таких как вода или газ, может быть легко идентифицирована и для этой скважины могут быть предприняты меры улучшения ситуации. В соответствии с настоящим изобретением используют технику измерения потока при помощи ультразвука и измерения электрической емкости.

В соответствии с настоящим изобретением устройство для измерения многофазного потока текучей среды в трубе от скважины к сепаратору (в выкидной линии) включает в себя кольцо датчиков, равномерно размещенных на одинаковом расстоянии друг от друга вокруг трубы и предназначенных для обнаружения границ раздела фаз внутри трубы; указанное устройство также включает в себя кольцевой измеритель электрической емкости, предназначенный для определения типа режима потока по окружности и вдоль трубы.

В соответствии с предпочтительным вариантом настоящего изобретения предусмотрены два кольца ультразвуковых датчиков и одно кольцо конденсаторных пластин. Ультразвуковые кольца могут содержать по четыре ультразвуковых преобразователя, которые установлены соответственно в верхней и нижней точках трубы, а также в средних точках боковых сторон, ортогонально верхнему и нижнему ультразвуковым преобразователям. Определенная установка каждого преобразователя и использование двух колец позволяют получать желательную информацию относительно местоположения и перемещения границ раздела газ - жидкость и жидкость - жидкость внутри трубы.

Емкостное кольцо может содержать две конденсаторные пластины, ориентированные концентрически внутри трубы в непосредственной близости от стенки трубы. Собственно стенка трубы может быть использована как конденсаторная пластина, если применен подходящий материал. Емкостное кольцо может быть разделено ориентировочно на 12 электрически изолированных дуг, идущих по окружности трубы. Каждая дуга регистрирует диэлектрическую постоянную текучей среды, протекающей над этим участком кольцевого пространства, и используется для определения состава текучей среды, такой как вода, жидкий углеводород или газ. Пластины конденсатора также открыты для приточной жидкости. Это позволяет производить измерение диэлектрической постоянной приточной жидкости для различения воды от углеводорода и, возможно, нефти от газа. Измерение электрической емкости производится при помощи конденсаторного датчика. В сочетании с данными от ультразвуковых датчиков измерение емкости позволяет определять тип режима потока и находить относительный объем потоков текучих сред.

При определении внутренних объемов трех фаз с использованием настоящего изобретения можно измерять относительные пропорции каждой текучей среды у каждого устья скважины. Отношения этих текучих сред к полным объемам добычи, текущий контроль которых производят у сепаратора месторождения, используют для осуществления текущего контроля добычи каждой фазы у устья скважины в течение времени.

На фиг. 1 показано сечение трубы с двумя кольцами ультразвуковых преобразователей и одним емкостным кольцом, расположенным между двумя кольцами ультразвуковых преобразователей.

На фиг.2 показаны детали емкостного кольца, изображенного на фиг.1.

На фиг. 3 показано поперечное сечение трубы с четырьмя ультразвуковыми преобразователями и емкостным кольцом; в центре трубы имеется газ, окруженный жидким углеводородом и водой.

На фиг.4 показан расслоенный поток с водой в нижней части трубы, причем над водой лежат слои жидкого углеводорода и газа.

На фиг. 5 показана изображенная на фиг.1 труба с пробками воды, жидкого углеводорода и газа, предсказывающими появление снарядного режима потока в трубе.

Обратимся теперь к рассмотрению фиг.1, на которой показан пример выполнения устройства для осуществления многофазного текущего контроля, установленного на отрезке трубы 12 и содержащего три измерительных кольца 14, 16 и 18. Измерительные кольца 14, 16 и 18 преимущественно установлены на отрезке трубы 12 до его ввода в трубопровод. Альтернативно, каждое измерительное кольцо может быть установлено на участке отрезка трубы 12 после его ввода в трубопровод. Отрезок трубы показан в горизонтальном положении, однако устройство работоспособно и при другом угловом положении трубы, например, при ее расположении вертикально или под любым углом в диапазоне от горизонтали до вертикали.

Измерительное кольцо 14 образовано из ультразвуковых преобразователей (датчиков) 20, 22, 24 и 26, а измерительное кольцо 16 образовано из ультразвуковых преобразователей 28, 30, 32 и 34, причем каждый набор преобразователей состоит из преобразователей, установленных ортогонально друг к другу вверху, по бокам и внизу отрезка трубы 12. Эти ультразвуковые преобразователи показаны более детально на фиг. 3 и 4. Указанные измерительные кольца могут иметь и большее количество датчиков, например, от 8 до 16 датчиков, равномерно распределенных по внутренней окружности трубы, начиная сверху. Определенная установка каждого преобразователя и использование двух колец обеспечивают желательную информацию относительно местоположения границ раздела газ - жидкость и жидкость - жидкость и относительно изменения этого местоположения внутри трубы вблизи от колец.

Третье измерительное кольцо 18 представляет собой концентрический набор конденсаторных пластин 36 и 38, расположенных посредине отрезка трубы 12 и показанных на фиг.1 и 2, причем на фиг.2 измерительное кольцо 18 изображено с увеличением. Между концентрическими конденсаторными пластинами 36 и 38 имеется множество не электропроводных разделителей 40, что приводит к образованию множества индивидуальных емкостных дуг 42-64 в пределах кольца 18. В соответствии с настоящим изобретением предусмотрены 12 дуг, однако за рамки настоящего изобретения не выходит случай использования большего или меньшего числа дуг. Например, концентрически ориентированный набор конденсаторных пластин, использованный для измерения протяженности ареала каждой фазы текучей среды в кольцевом пространстве трубы, может быть разделен на 8-24 дискретных конденсаторов (дуг), в зависимости от требующейся чувствительности измерения. Каждая дуга измеряет электрическую емкость и, следовательно, диэлектрическую постоянную текучей среды, протекающей над этим участком кольцевого пространства, в результате чего обеспечивается измерение состава потока текучей среды в этой точке: воды, жидкого углеводорода или газа.

На фиг.1 показаны провода, идущие от каждого измерительного датчика обоих ультразвуковых измерительных колец 14 и 16 и емкостного измерительного кольца 18 к компьютеру 19, который входит в состав центрального оборудования (не показано) и предназначен для сбора данных от измерительных датчиков. Данные, полученные при помощи измерительных колец 14, 16 и 18, обеспечивают точное измерение зоны поперечного сечения отрезка трубы 12 для каждой фазы текучей среды. Ряд таких поперечных сечений может быть затем суммирован для получения относительного объема. За счет измерения комбинированного потока от всех скважин установки (вероятно, у сепаратора в центральном оборудовании) можно произвести расчет относительного вклада каждого устья скважины для каждого типа текучей среды за счет использования настоящего изобретения.

У добычных устьев скважин может встречаться ряд различных режимов потока. На фиг.3 иллюстрируется теория измерения, которая может быть применена для обнаружения и текущего контроля кольцевого режима потока. Кольцевой режим потока обычно случается при высоких дебитах газа и высоких полных дебитах добычи. При этом газ перемещается по центру трубы, а жидкости движутся через кольцевое пространство между газовым пузырем и стенкой трубы.

При кольцевом режиме потока конденсаторные пластины вокруг внутренней стенки трубы в случае, показанном на фиг.3, будут индицировать воду на всех 360^o. На всех чертежах газ показан незаштрихованным, жидкий углеводород показан со штрихами, направленными влево (снизу вверх), а вода показана штрихами, направленными вправо (снизу вверх). Граница раздела газ - жидкость может быть обнаружена при помощи ультразвукового сигнала от преобразователей. На границе раздела будет происходить очень сильное отражение, причем легко может быть измерено время прохождения сигнала до этой границы и обратно. Более сложным является случай границы раздела жидкость - жидкость нефти и воды, которая расположена между газом и преобразователем. Эта граница раздела может быть найдена с использованием ультразвуковой техники измерения двухфазного жидкостного потока. Таким образом, при помощи настоящего изобретения возможно произвести идентификацию относительной зоны, занимаемой всеми тремя текучими средами в трубе.

За счет текущего контроля изменения отношений зон, при наличии скорости изменения полного объема, измеренной у точки сбора, можно вычислить относительные скорости потока для всех трех фаз, а также их изменения во времени.

На фиг. 4 показан пример расслоенного режима потока. Этот режим потока может быть обнаружен и измерен при совместном использовании емкостного кольца и ультразвуковых преобразователей. Емкостные датчики позволяют определить, какая зона стенки трубы или другой выводной линии занята газом, водой и жидким углеводородом. Ультразвуковой датчик выполняет также диагностическую функцию. Верхний преобразователь 32 не способен пропустить звуковую волну через газ. Боковые преобразователи 30 и 34, вероятно, также не получают отраженного сигнала, если только не имеется граница раздела газ - жидкость, расположенная перпендикулярно к каждому преобразователю. Однако нижний преобразователь 28 дает четкий сигнал наличия границы раздела газ - жидкость. Переданный и принятый сигнал от преобразователя 28 совместно с данными емкостных датчиков позволяет произвести расчет ареала.

В соответствии с альтернативными вариантами настоящего изобретения измерительное кольцо 14 может содержать большее число ультразвуковых преобразователей для лучшего отображения границы раздела газ - жидкость. Например, могут потребоваться 6, 8 или даже 10 преобразователей для точного отображения показанного расслоенного режима потока.

На фиг. 5 показан снарядный режим потока в трубе 12. И в этом случае емкостное кольцо 18 обеспечивает информацию относительно местоложения границы раздела жидкость - жидкость, а ультразвуковые измерительные кольца 14 и 16 позволяют обнаружить газовые пробки, перемещающиеся вдоль трубы. Известное точное расстояние между измерительными кольцами 14 и 16 позволяет произвести дополнительные объемные расчеты газовой порции потока.

Другие варианты настоящего изобретения могут быть использованы для прямого измерения расходов (дебитов) текучих сред, в особенности вблизи от внешнего обода кольцевого пространства. Например, за счет использования второго емкостного кольца, расположенного вблизи от первого, можно производить измерения быстрых небольших изменений в жидкостях, за счет чего можно измерять их скорость. Например, волнистая граница раздела жидкость - жидкость или газ - жидкость может перемещаться вдоль кольцевого пространства, причем ее скорость перемещения может быть измерена. В соответствии с другим вариантом настоящего изобретения спаркер может быть установлен непосредственно сразу выше по течению относительно первого измерительного кольца 14 с преобразователями. За счет спаркера могут быть созданы короткие разрывы или пузырьки и может быть вычислено их время прохождения в жидкости между измерительными кольцами 14 и 16. В результате могут быть измерены скорости жидкостей. Другими словами, если спаркер помещен на дне трубы непосредственно сразу выше по течению относительно первого измерительного кольца и создает серии пузырьков в потоке текучей среды, то может быть осуществлен текущий контроль потока пузырьков при их прохождении мимо колец, в результате чего может быть произведен расчет дебита текучей среды.

В соответствии с более совершенным вариантом настоящего изобретения могут быть предусмотрены кольца с термодатчиками и с проволочными термоанемометрами для непосредственного измерения дебитов за счет текущего контроля на месте нахождения температур и степени охлаждения последовательных нагретых проволок. Расположение указанных датчиков может быть аналогичным расположению емкостного кольца, причем эти датчики функционируют совместно с ним. Указанное новое измерительное кольцо может содержать концентрически ориентированный набор проволочных термоанемометров или термобатарей, предназначенных для измерения дебитов каждой фазы текучей среды в кольцевом пространстве трубы. Это термочувствительное кольцо может быть разделено на 8-24 дуг дискретных конденсаторов, в зависимости от требуемой чувствительности. Указанный вариант настоящего изобретения может также содержать датчики температуры для текущего контроля температуры текучих сред в кольцевом пространстве трубы. Это измерение температуры в сочетании со скоростью потери температуры позволяет найти дебиты текучих сред.

Изобретения могут быть использованы для измерения дебита текучей среды, содержащей нефть, воду и газ, в устьях скважин и трубопроводах. Устройство содержит по крайней мере два измерительных кольца с ультразвуковыми датчиками, размещенными на равном расстоянии друг от друга вокруг потока, и по крайней мере один кольцевой емкостный датчик, предназначенный для определения типа режима потока. Измерительные кольца с датчиками позволяют определить местоположение межфазных границ для измерения относительных объемов каждой фазы. Изобретения обеспечивают надежный текущий контроль многофазного потока при любом режиме - снарядном, расслоенном и т.д. 2 с. и 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Устройство для измерения многофазного потока текучей среды, отличающееся тем, что оно включает в себя по крайней мере два измерительных кольца, размещенных на расстоянии друг от друга, причем каждое из двух колец имеет датчики, размещенные на равном расстоянии друг от друга вокруг потока и предназначенные для обнаружения изменений межфазных границ внутри потока при прохождении через них многофазного потока, а также по крайней мере один кольцевой емкостный датчик, предназначенный для определения типа режима потока. 2. Устройство п. 1, отличающееся тем, что датчики измерительных колец представляют собой ультразвуковые преобразователи. 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что кольцевой емкостный датчик содержит концентрически ориентированный набор конденсаторных пластин, предназначенных для измерения протяженности ареала каждой фазы текучей среды в потоке. 4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что конденсаторные пластины разделены на заданное число дуг дискретных конденсаторов. 5. Способ измерения многофазного потока текучей среды, отличающийся тем, что он включает в себя следующие операции: определение межфазных границ в многофазном потоке текучей среды в первом местоположении при помощи измерительного кольца с датчиками, размещенными вокруг потока, определение межфазных границ в многофазном потоке текучей среды во втором местоположении, расположенном ниже по течению относительно первого, при помощи измерительного кольца с датчиками, размещенными вокруг потока, обнаружение изменений межфазных границ от первого местоположения до второго местоположения и определение типа режима потока с использованием кольцевого емкостного датчика. 6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что определение типа режима потока производят путем измерения протяженности ареала в каждой фазе потока при помощи концентрически ориентированного набора конденсаторных пластин.