ИЗМЕРИТЕЛЬ РАСХОДА И СОСТАВА ЖИДКОСТЕЙ Российский патент 2002 года по МПК G01F1/716 G01N24/08 

Изобретение относится к области измерений, осуществляемых методом анализа сигналов ядерного магнитного резонанса (ЯМР) в движущейся водородсодержащей жидкости, и может быть использовано в различных областях науки и техники, в частности, при измерении расхода и состава двухфазной трехкомпонентной скважинной жидкости (жидкости, добываемой из нефтяных скважин), а также нефти и нефтепродуктов, транспортируемых по трубопроводам различного назначения.

Из патента США 4785245 известна конструкция измерителя расхода жидкости на основе ЯМР, включающая трубопровод, проходящий вдоль общей оси линейно размещенных подковообразных магнитов (магнитный поляризатор), при этом измерительный участок сигналов ЯМР (приемно-передающие катушки) размещен на трубопроводе вдоль общей оси внутри магнитного поля.

Недостатком указанной конструкции являются большие габаритные размеры и вес магнитного поляризатора, обусловленные линейным размещением магнитов и трубопровода вдоль их общей оси, так как чем больше линейный размер поляризатора, тем выше и полнее намагниченность жидкости в поперечном сечении потока в трубопроводе, а следовательно, и выше точность измерений.

Наиболее близким решением к заявленному изобретению является конструкция устройства для намагничивания жидкости в измерительных приборах на основе ЯМР (см. Авторское свидетельство СССР 543866), которое содержит штуцеры для подсоединения к трубопроводам и цилиндрическое ярмо, соосно установленные с зазором кольцевые магниты и немагнитный вкладыш, образующие кольцевой объем для поляризации жидкости, а также приемно-передающую катушку, охватывающую трубопроводы на измерительном участке и взаимодействующую с блоком регистрации и измерений сигналов ЯМР.

Недостатком указанной конструкции является то, что намагничивание протекающей жидкости происходит не в трубопроводе, а в больших кольцевых объемах, соединенных с трубопроводом штуцерами. При выходе потока жидкости из кольцевого объема в трубопровод, перед подачей его на участок измерения, имеется вероятность возникновения турбулентных возмущений, что скажется на точности измерений. Кроме того, так как измерительный участок находится вне магнитного поля поляризатора, то при подходе к нему происходит частичное размагничивание потока жидкости, а также влияние на намагниченную жидкость посторонних магнитных полей, что также снижает точность измерений. Эти факторы значительно снижают точность измерений, ограничивают скорости движения жидкости и тем самым ограничивают диапазон расходов жидкости.

В основу данного изобретения положена задача создания устройства, в котором будут устранены вышеуказанные недостатки, повышена точность и достоверность измерений, расширен диапазон скоростей движения потока жидкости на измерительном участке (расширение диапазона пропускной способности устройства), обеспечена возможность измерения расхода и состава многофазных (газ, жидкость, коллоид, твердая фаза) и многокомпонентных (вода, нафтены, парафины, высшие гомологи углеводорода, ароматика и другие компоненты нефти и нефтепродуктов, а также другие водородсодержащие молекулярные комплексы) жидкостей.

В измерителе расхода и состава жидкости на основе ЯМР, включающем штуцеры, подсоединенные к трубопроводу, цилиндрическое ярмо, охватывающее соосно установленные с зазором постоянные кольцевые магниты с вкладышами, а также приемно-передающую катушку на измерительном участке, взаимодействующую с блоком регистрации и измерений, эта задача решается тем, что согласно изобретению вкладыши выполнены из магнитомягкого материала и установлены с зазором между их плоскими торцевыми поверхностями, а с противоположной стороны торцевая поверхность обеих вкладышей выполнена с полостью в виде усеченного конуса с диаметром входного отверстия "D", являющимся большим основанием усеченного конуса, и площадкой с диаметром "d" внутри полости вкладыша, являющейся его меньшим основанием, и определенным углом наклона образующей конуса α, при этом входное отверстие полости с диаметром "D" при установке вкладыша в отверстие каждого кольцевого магнита размещено в одной плоскости с торцом кольцевого магнита, а в зазоре между кольцевыми магнитами и вкладышами с диаметром "D" размещен диск диаметром "D1", выполненный из немагнитного неэлектропроводного материала, установленный соосно с кольцевыми магнитами и вкладышами и контактирующий с ними по всей площади обеих торцевых поверхностей, при этом диск снабжен многоколенчатым каналом круглого поперечного сечения с диаметром "dn", где входное и выходное колена многоколенчатого канала, посредством коаксиально размещенных в них немагнитных неэлектропроводных патрубков соединены со штуцерами, подсоединенными к трубопроводу для подвода и отвода жидкости, при этом продольные оси прямолинейных и криволинейных участков многоколенчатого канала круглого поперечного сечения равноудалены от торцов диска, а вдоль оси выходного колена пересекающей центр диска, размещен измерительный участок с линейным размером "l", симметричный относительно центра диска, снабженный приемно-передающей катушкой, охватывающей наружный диаметр немагнитного неэлектропроводного патрубка и имеющей линейный размер, равный размеру "l" измерительного участка, при этом линейный размер "l" измерительного участка выбирается из следующего условия: l≤d.

Далее изобретение поясняется с помощью чертежей. На фиг.1 показан общий вид измерителя и состава жидкости на основе ЯМР в разрезе; на фиг.2 представлен общий вид диска, соединенного со штуцерами; на фиг.3 представлено сечение диска по А-А; на фиг.4 представлено сечение диска по Б-Б.

Измеритель расхода и состава жидкости на основе ЯМР (фиг.1) включает цилиндрическое ярмо 1, охватывающее соосно установленные с зазором постоянные кольцевые магниты 2 с вкладышами 3, а также приемно-передающую катушку 4, взаимодействующую с блоком 5 регистрации и измерений, при этом вкладыши 3 выполнены из магнитомягкого материала и установлены с зазором между их плоскими торцевыми поверхностями, а с противоположной стороны торцевая поверхность обоих вкладышей 3 выполнена с полостью 6 в виде усеченного конуса с диаметром входного отверстия "D", являющегося большим основанием усеченного конуса, и площадкой с диаметром "d" внутри полости вкладыша, являющейся его меньшим основанием, и определенным углом наклона образующей конуса α, при этом входное отверстие полости с диаметром "D" при установке вкладыша 3 в отверстие каждого кольцевого магнита 2 размещено в одной плоскости с торцом кольцевого магнита 2, а в зазоре между кольцевыми магнитами 2 и вкладышами 3 размещен диск 7 с диаметром "D1", выполненный из немагнитного неэлектропроводного материала, установленный соосно с кольцевыми магнитами 2 и вкладышами 3 и контактирующий с ними по всей площади обеих торцевых поверхностей, при этом диск 7 снабжен многоколенчатым каналом 8 круглого поперечного сечения с диаметром "dn". Штуцеры 9 (фиг.2) подсоединяются к трубопроводу для подвода и отвода жидкости, а к штуцерам 9 подсоединяются патрубки 10 и 11, которые выполняются из немагнитных и неэлектропроводных материалов.

Многоколенчатый канал 8 круглого поперечного сечения (фиг.3) выполнен так, что продольные оси прямолинейных и криволинейных участков равноудалены от торцов диска 7.

Вышеуказанные патрубки 10 и 11 (фиг.4) коаксиально размещены во входном колене 12 и выходном колене 13 вышеуказанного многоколенчатого канала 8, при этом вдоль оси выходного колена 13, пересекающей центр диска 7, размещен измерительный участок 14 с линейным размером "l", симметричный относительно центра диска 7, снабженный приемно-передающей катушкой 4, охватывающей наружный диаметр немагнитного неэлектропроводного патрубка 11, и имеющей линейный размер, равный размеру "l" измерительного участка, при этом линейный размер "l" измерительного участка 14 не должен превышать размера "d" диаметра площадки полости вкладыша 3, т.е. l≤d.

Измеритель расхода и состава жидкости работает следующим образом.

Постоянные кольцевые магниты 2, выполненные из твердомагнитных материалов и установленные соосно с зазором между собой в цилиндрическом ярме 1, образуют внутри зазора магнитное поле, а вкладыши 3, выполненные из магнитомягкого материала и установленные с зазором между их торцевыми поверхностями и имеющие на противоположной стороне полость 6, выполненную в виде усеченного конуса с диаметром входного отверстия "D", являющегося большим основанием усеченного конуса, и площадкой с диаметром "d" внутри полости 6 вкладыша, являющейся его меньшим основанием, определяемым углом наклона образующей конуса α, формируют общее магнитное поле, обеспечивая его максимальную однородность в зазоре между торцами вкладышей 3 в зоне, определяемой размером диаметра "d" площадки внутри полости 6, являющейся меньшим основанием усеченного конуса, а в зазоре между кольцевыми магнитами 2 и вкладышами 3 в образуемом ими магнитном поле размещен диск 7 с диаметром "D1", выполненный из немагнитного неэлектропроводного материала и установленный соосно между кольцевыми магнитами 2 и вкладышами 3, контактирующий с ними по всей площади обеих торцевых поверхностей. При этом диск 7 снабжен многоколенчатым каналом 8 круглого поперечного сечения с диаметром "dn", где во входное колено 12 через коаксиально размещенный в нем немагнитный неэлектропроводный патрубок 10 через подсоединенный к трубопроводу штуцер 9 поступает поток поляризуемой жидкости и последовательно перемещается в магнитном поле по прямолинейным и криволинейным участкам каждого колена, продольные оси которых равноудалены от торцов диска 7, и достигает выходного колена 13, ось которого проходит через центр диска 7, при этом, прежде чем поступить в немагнитный неэлектропроводный патрубок 11, соединенный с трубопроводом штуцером 9, поток жидкости проходит через симметрично размещенный относительно центра диска 7 измерительный участок 14 с линейным размером "l", снабженный приемно-передающей катушкой 4, охватывающей наружный диаметр немагнитного неэлектропроводного патрубка 11, при этом оптимальный линейный размер "l" измерительного участка 14 не должен превышать размера диаметра "d" площадки внутри полостей 6 вкладышей 3, определяющего зону максимальной однородности магнитного поля и являющегося функцией угла наклона α, образующей выполненной в виде усеченного конуса полости 6, при этом размер диаметра d =f(α) определяется в зависимости от свойств исследуемой жидкости и требуемой величины максимального расхода жидкости.

Таким образом, поток поляризуемой жидкости, проходящей по многоколенчатому каналу 8, находится постоянно в мощном магнитном поле и при этом постоянно намагничивается по мере продвижения к измерительному участку 14, а наличие диска 7 обеспечивает строгую фиксацию потока поляризуемой жидкости, проходящего в многоколенчатом канале 8 в магнитном поле, исключая влияние веса жидкости и гидродинамических факторов, что обеспечивает стабильность намагничивания на всем протяжении пути потока жидкости с тем, чтобы при подходе к измерительному участку 14 поляризуемый поток был однородно намагничен по всему поперечному сечению канала 8 и длине измерительного участка 14, что значительно повышает точность, чувствительность и достоверность измерений, при этом угол наклона образующей усеченного конуса полости 6 вкладышей 3 определяется по авторской методике таким образом, чтобы обеспечить однородность магнитного поля в пределах измерительного участка 14 не хуже 10^-6, что существенно снижает уровень шумов при регистрации сигналов ЯМР и обеспечивает измеряемое с большой точностью расщепление спектральных линий ЯМР воды, растворенного и попутного природного газа, высших гомологов углеводорода и других компонентов нефти, нефтепродуктов и водородсодержащих молекулярных комплексов иного состава. Высокая однородность магнитного поля на измерительном участке позволяет производить измерения расхода и состава движущейся жидкости с погрешностями не более 0,1-0,25%, что на порядок лучше, чем у других измерителей расхода и состава того же назначения. Величина расхода жидкости определяется по интенсивности затухания импульса спада свободной индукции, регистрируемой приемной катушкой, за счет выноса потоком из измерительного участка 14 той части жидкости, на которую было произведено импульсное радиочастотное воздействие передающей катушкой в момент времени, когда эта часть жидкости находилась в центре измерительного участка 14. Поскольку скорости процессов движения жидкости по каналу 8 и спада свободной индукции существенно различны и, кроме того, постоянная времени импульса спада свободной индукции для данного состава жидкости (определяемого в это же время) - величина известная с высокой точностью, то скорость движения жидкости (и, соответственно, величина расхода) определяется с высокой точностью. Измеренная величина затухания импульса спада свободной индукции, зафиксированная приемной частью приемно-передающей катушки 4, поступает в блок 5 регистрации и измерений, а состав жидкости определяется путем построения спектра ЯМР по импульсу спада свободной индукции в блоке регистрации и измерения и сравнения полученного спектра ЯМР с библиотекой эталонных спектров ЯМР, хранящихся в памяти блока 5 регистрации и измерения. По измеренной скорости движения потока жидкости и определенному покомпонентному составу этой жидкости в сечении измерительного участка 14 в блоке 5 регистрации и измерения определяется общий и покомпонентный расход жидкости, при этом чувствительность по определению состава жидкости составляет 1: 10000 (например, на 10 000 частей воды одна часть определяемого вещества).

Для реализации изобретения был создан опытный образец измерителя расхода и состава жидкости, содержащий цилиндрическое ярмо, выполненное из сплава АРМКО, кольцевые магниты из магнитного материала неодим-железо-бор (Nd-Fe-B), вкладыши из сплава АРМКО, между которыми соосно размещен диск, выполненный из высокопрочной керамики, с пятиколенчатым каналом для протока и поляризации жидкости, входное и выходное колена которого с помощью патрубков, также выполненных из высокопрочной керамики, соединены со штуцерами, подсоединенными к трубопроводу. Диаметр диска D1=490 мм, диаметр поперечного сечения пятиколенчатого канала для протока и поляризации жидкости dn=48 мм. Длина измерительного участка: l=50 мм.

Измеритель состава и расхода жидкости испытывался на Нижнекамском нефтехимическом комбинате (г.Нижнекамск) и при расходах нефтесодержащей жидкости в пределах скоростей движения потока Vr=0-2 м/с погрешность измерений расхода и состава составила 0,1-0,25%, а при определении чувствительности измерителя при различных концентрациях (разведениях) определяемого вещества была достигнута чувствительность 1:10000.

Изобретение относится к области измерения расхода жидкости методом анализа сигналов ЯМР. Измеритель содержит цилиндрическое ярмо 1, охватывающее соосно установленные с зазором постоянные кольцевые магниты 2 с вкладышами 3, а также приемно-передающую катушку 4 на измерительном участке, взаимодействующую с блоком 5 регистрации и измерений, при этом вкладыши выполнены из магнитомягкого материала и установлены с зазором между их плоскими торцевыми поверхностями, а с противоположной стороны торцевая поверхность обоих вкладышей выполнена с полостью 6 в виде усеченного конуса с диаметром входного отверстия D, являющегося большим основанием усеченного конуса, и площадкой с диаметром d внутри полости вкладыша, являющейся его меньшим основанием, при этом входное отверстие полости с диаметром D при установке вкладыша в отверстие магнита размещено в одной плоскости с торцом магнита, а в зазоре между магнитами и вкладышами размещен диск 7, установленный соосно с магнитами и вкладышами и контактирующий с ними по всей площади обеих торцевых поверхностей, при этом диск снабжен многоколенчатым каналом 8 круглого поперечного сечения, где входное колено и выходное колено посредством коаксиально размещенных в них патрубков соединены со штуцерами, подсоединенными к трубопроводу, а вдоль оси выходного колена, пересекающей центр диска, размещен измерительный участок. Техническим результатом изобретения является компактность устройства, расширенный диапазон скоростей движения потока жидкостей, повышенная точность измерений. 4 ил.

Измеритель расхода и состава жидкости, включающий штуцеры, подключенные к трубопроводу, цилиндрическое ярмо, соосно установленные с зазором постоянные кольцевые магниты с вкладышами, а также приемно-передающую катушку на измерительном участке, взаимодействующую с блоком регистрации и измерений, отличающийся тем, что вкладыши выполнены из магнитомягкого материала и установлены с зазором между их плоскими торцевыми поверхностями, а с противоположной стороны торцевая поверхность обоих вкладышей выполнена с полостью в виде усеченного конуса, с диаметром входного отверстия D, являющегося большим основанием усеченного конуса, и площадкой с диаметром d внутри полости вкладыша, являющейся его меньшим основанием, и определяемым углом наклона образующей конуса α, при этом входное отверстие полости с диаметром D при установке вкладыша в отверстие каждого кольцевого магнита размещено в одной плоскости с торцом кольцевого магнита, а в зазоре между кольцевыми магнитами и вкладышами размещен диск диаметром D1, выполненный из немагнитного и неэлектропроводного материала, установленный соосно с кольцевыми магнитами и вкладышами и контактирующий с ними по всей площади обеих торцевых поверхностей диска, при этом диск снабжен многоколенчатым каналом круглого сечения диаметром dn, входное и выходное колена которого посредством коаксиально размещенных в них немагнитных и неэлектропроводных патрубков соединены со штуцерами для подвода и отвода жидкости, при этом продольные оси прямолинейных и криволинейных участков многоколенчатого канала круглого поперечного сечения равноудалены от торцов диска, а вдоль оси выходного колена, пересекающего центр диска, размещен измерительный участок с линейным размером 1, симметричный относительно центра диска, снабженный приемно-передающей катушкой, охватывающей наружный диаметр немагнитного и неэлектропроводного патрубка и имеющей линейный размер, равный размеру 1 измерительного участка, при этом линейный размер l измерительного участка выбирается из условия l≤d.