УЗЕЛ УЧЕТА НЕФТИ Российский патент 2004 года по МПК G01N24/08 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к области определения расхода и состава нефтесодержащих и иных водородсодержащих жидкостей с помощью ядерно-магнитного резонанса.

Известен ЯМР расходомер, состоящий из анализатора, передающей катушки, приемной катушки, приемника сигнала ЯМР, генератора передатчика, подключенного к передающей катушке (А.И. Жерновой. Ядерно-магнитные расходомеры, Л.: Машиностроение, 1985, стр.11 и 12). Недостатком устройства является невозможность определения массы парциальных компонентов в потоке.

Известен узел учета нефти, описанный в патенте RU 2084832, опубл. 20.07.1997, принятый в качестве прототипа, который содержит измерительные и контрольную линии с установленными на них массовыми счетчиками расхода жидкости, гомогенизаторами, установленным на входном коллекторе устройством отделения свободного газа, ЯМР анализатором, который позволяет определять состав потока нефтесодержащей жидкости. Недостатком устройства является невозможность определения массы парциальных компонентов в потоке и необходимость использования устройства отделения свободного газа и гомогенизаторов, которые превращают исходный поток в смесь высокой степени однородности.

Предлагаемое изобретение направлено на определение состава и расхода не подготовленных потоков, т.е. при наличии в жидкости одновременно твердой, коллоидальной, жидкой и газообразной фаз, причем газообразная фаза может быть как растворенной, так и свободной. Таким образом, возможна работа с реальными скважинными жидкостями и иными водородсодержащими технологическими жидкостями, не прерывая движение потока жидкости.

Это достигается тем, что узел учета состоит из:

1. Спектрометра ЯМР, имеющего следующие конструктивные особенности: спектрометр имеет три расположенные по оси локального трубопровода спектрометра катушки - одну передающую К0 и две приемные К1 и К2. Приемная катушка К1 расположена внутри К0. Катушка К0 имеет длину L0, которая выбирается из условия образования количества ядер в состоянии ЯМР в объеме V₀ потока под воздействием 90°-го импульса с обеспечением регистрации спада сигналов ЯМР, скоростного спада сигналов ЯМР, обусловленного выходом V₀ из катушки К1, и спектра ЯМР катушкой К1 при минимальной скорости движения потока.

Из условия набора большой статистики сигналов ЯМР на один 90°-ный импульс и возможности регистрации двух процессов: спада сигнала ЯМР и резкого спада сигнала ЯМР при выходе объема V₀ из катушки К1 используется система из двух приемных катушек: первая катушка К1, служащая для регистрации спада сигналов ЯМР, скоростного спада сигналов ЯМР и регистрации спектра сигналов ЯМР, имеет длину L1=V_min·Т*2

, где Т*2 - постоянная времени спада свободной индукции, V_min - минимальная скорость потока. В том случае, если скорость потока велика, спектр сигналов ЯМР будет регистрироваться также катушкой К2 длиной L2, т.к. сигнал ЯМР в области К2 будет достаточно велик. Между катушками К1 и К2 имеется зазор Δ длиной, равной L0, позволяющий регистрировать катушкой К1 резкий спад сигнала ЯМР. Верхний предел длины измерительного участка L1+Δ+L2 и диаметр локального трубопровода спектрометра определяются требованием однородности поля постоянного магнита в области трубопровода измерительного участка. Спектрометр имеет возможность корректировки поля постоянного магнита за счет введения блока компенсации температурного влияния на величину постоянного магнитного поля на измерительном участке, термодатчика, компенсационной катушки.

2. Системы промывки локального трубопровода от водородсодержащих и иных отложений на внутренней поверхности трубопровода, которая использует процессор с выделенным частотным окном, соответствующим ядру ¹³С. При появлении пика в спектре ЯМР, превышающем заданный порог количества ядер ¹³С, находящихся в неподвижном состоянии, процессор подает сигнал на блок промывки и на вентильную арматуру узла учета, состоящую из четырех вентилей, два из которых направляют исследуемый поток в узел учета, а два других направляют промывочную жидкость в локальный трубопровод. Система промывки состоит из: трубопроводной обвязки, обеспечивающей соединение блока промывки с трубопроводом спектрометра, блока промывки, состоящего из бака-накопителя, насоса, фильтра Ф1, отделяющего металломагнитные частицы и песок, фильтра Ф2, удаляющего из промывочной жидкости налипшие на трубопровод и отмытые с него соединения.

Особенность определения скорости потока, а следовательно, и расхода нефти состоит в том, что при выходе объема V₀ из объема катушки К1 происходит резкое изменение спада сигнала ЯМР в результате уменьшения количества ядер в состоянии ЯМР, находящегося в пределах длины катушки К1. Процессор управления спектрометром и обработки сигналов ЯМР определяет расход нефти по формуле

Q_нефти=m·k·tgα, (1)

где α - острый угол между касательными к огибающей линии спада сигналов и скоростного спада сигналов ЯМР, одна из которых определена точкой начала скоростного спада, а другая - точкой, находящейся в середине временного интервала, относящегося к скоростному спаду, m - доля парциального компонента нефти, мас.%, в потоке, определяемая по спектру, k - коэффициент пропорциональности, который определяется пропусканием эталонного потока через спектрометр.

Спектрометр ЯМР состоит из постоянного магнита, процессора, генератора импульсов, модулятора импульсов, передающей катушки, двух приемных катушек, детектора, локального трубопровода, блока компенсации температурного влияния на величину постоянного магнитного поля на измерительном участке, термодатчика, компенсационной катушки.

На фиг.1 показана схема спектрометра ЯМР; на фиг.2 - общая схема узла учета.

К магистральному или иному транспортному трубопроводу 18 присоединены входной и выходной коллекторы 19 и 20, на которых установлены вентили 11 и 12, один из которых направляет поток нефти в локальный трубопровод 17 спектрометра, а другой возвращает поток в магистральный трубопровод. При работе узла учета магистральный трубопровод перекрыт вентилем 20.

Первый выход процессора 1 соединен с входом генератора импульсов 2, выход которого соединен с входом модулятора импульсов 3. Первый выход модулятора импульсов соединен с передающей катушкой К0 4, второй выход модулятора соединен с соответствующим входом опорного сигнала детектора 7. Приемные катушки К1 5 и К2 6 соединены с соответствующими первым и вторым входами детектора 7. Выход детектора соединен с первым входом процессора. Четвертый вход сигнала переключения катушек детектора соединен со вторым выходом процессора. Третий выход процессора соединен с входом блока промывки 9 и с вентильной арматурой 10-13 узла учета (на фиг.2 связь с вентильной арматурой не показана). Второй вход процессора соединен с термодатчиком 14. Четвертый выход процессора соединен с блоком компенсации температурного влияния на величину магнитного поля 15, соединенным с компенсационной катушкой 16, установленной в постоянном магните 8.

Устройство работает следующим образом. Исследуемый поток, проходя через трубопровод спектрометра, под действием постоянного магнитного поля приобретает намагниченность. Сигнал с процессора поступает на вход генератора импульсов, который вырабатывает сигнал спектрального состава, соответствующий возбуждению ядерно-магнитного резонанса в ядрах водорода парциальных компонент исследуемого потока, далее этот сигнал модулируется модулятором импульсов с тем, чтобы создать 90°-ный импульс передающей катушки К0, который возбуждает в ядрах водорода в потоке магнитный резонанс и отклоняет векторы магнитных моментов ядер водорода от направления поля постоянного магнита на 90°. Со второго выхода модулятор подает на первый вход детектора опорный сигнал. После действия 90°-го импульса процессор подает сигнал на детектор, который подключает К1 и К2 после окончания переходных процессов в К0. Катушка К1 принимает сигнал ЯМР, который через детектор преобразуется в электрический импульс и поступает на вход процессора, который начинает регистрировать спектр ЯМР сигналов и спад сигналов ЯМР. В том случае, если скорость потока велика, статистика сигналов ЯМР будет регистрироваться также катушкой К2, т.к. сигнал ЯМР в области К2 будет достаточно велик. После окончания регистрации сигналов ЯМР процессор подает сигнал на детектор, который отключает К1 и К2.

Затем начинается следующий цикл измерений: вырабатывается 90°-ный импульс и начинается регистрация сигналов. Через некоторый промежуток времени процессор набирает достаточный спектр ЯМР для определения состава потока и для расчета огибающей спада сигнала ЯМР, содержащей участок скоростного спада сигнала, который обусловлен выходом объема V₀ за пределы катушки К1, и по соотношению (1) определяет расход нефти. При появлении пика в спектре ЯМР, превышающем заданный порог количества ядер ¹³С, находящихся в неподвижном состоянии, процессор с третьего выхода подает сигнал начала промывки на блок промывки и на вентильную арматуру узла учета. Процессор сравнивает температуру, измеренную посредством термодатчика, установленного в области приемных катушек, и в случае отклонения ее значения от значения заданной рабочей температуры Т_р подает сигнал корректировки магнитного поля постоянного магнита с четвертого выхода на блок компенсации, который создает ток в компенсационной катушке, установленной в постоянном магните и создающей поле, параллельное полю магнита.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к области определения расхода и состава нефтесодержащих и иных водородсодержащих жидкостей. Устройство отличается наличием второй приемной катушки в спектрометре ЯМР; передающая катушка выбрана из условия образования количества ядер в состоянии ЯМР в объеме V₀ потока под воздействием 90°-го импульса с обеспечением регистрации спада сигналов ЯМР, скоростного спада сигналов ЯМР, обусловленного выходом V₀ из катушки К1, и спектра ЯМР катушкой К1 при минимальной скорости движения потока, при этом длина катушки К1 выбрана из условия возможности регистрации скоростного спада при минимальной скорости потока, катушка К2 выполнена с возможностью осуществления дополнительного набора спектра ЯМР; детектор выполнен с возможностью одновременного включения по сигналу с процессора катушек К1 и К2 после воздействия 90°-го импульса и окончания переходного процесса в передающей катушке и одновременного отключения катушек К1 и К2 перед подачей сигнала с процессора на генератор импульсов. Техническим результатом изобретения является определение состава и потока не подготовленных потоков, т.е. при наличии в жидкости одновременно твердой, коллоидальной, жидкой и газообразной фаз, причем газообразная фаза может быть как растворенной, так и свободной. 2 ил.

Узел учета нефти, содержащий ЯМР-спектрометр, состоящий из постоянного магнита, последовательно соединенных процессора, генератора импульсов, модулятора импульсов и передающей катушки для 90°-го импульса, первой приемной катушки К1, детектора, соединенного с модулятором, катушкой К1 и процессором, и локального трубопровода; систему промывки локального трубопровода, состоящую из блока промывки, трубопроводной обвязки и вентильной арматуры, отличающийся тем, что в спектрометр введена вторая приемная катушка К2, соединенная с детектором, термодатчик, установленный в области приемных катушек, соединенный с процессором, блок компенсации температурного влияния на величину магнитного поля, соединенный с компенсационной катушкой, установленной в постоянном магните, все три катушки расположены соосно по оси локального трубопровода; катушка К1 размещена внутри передающей катушки длиною L0, выбираемой из условия образования количества ядер в состоянии ЯМР в объеме V₀ потока под воздействием 90°-го импульса с обеспечением регистрации спада сигналов ЯМР, скоростного спада сигналов ЯМР, обусловленного выходом V₀ из катушки К1, и спектра ЯМР катушкой К1 при минимальной скорости движения потока, при этом длина катушки К1 выбрана из соотношения

L1=V_min·T*2

,

где Т*2

- постоянная времени спада свободной индукции;

V_min - минимальная скорость потока,

катушка К2 длиною L2 выполнена с возможностью осуществления дополнительного набора спектра ЯМР, между катушками К1 и К2 имеется зазор Δ длиной L0, позволяющий регистрировать катушкой К1 скоростной спад сигналов ЯМР; верхний предел длины прямолинейного измерительного участка L1+Δ+L2 и диаметр локального трубопровода выбраны из условия обеспечения однородности поля постоянного магнита в области трубопровода измерительного участка; детектор выполнен с возможностью одновременного включения по сигналу с процессора катушек К1 и К2 после воздействия 90°-го импульса и окончания переходного процесса в передающей катушке и одновременного отключения катушек К1 и К2 перед подачей сигнала с процессора на генератор импульсов; процессор выполнен с возможностью определения расхода нефти по соотношению

Q_нефти=m·k·tgα,

где α - острый угол между касательными к огибающей линии спада сигналов и скоростного спада сигналов ЯМР, одна из которых определена точкой начала скоростного спада, а другая - точкой, находящейся в середине временного интервала, относящегося к скоростному спаду;

m - доля парциального компонента нефти, мас.%, в потоке, определяемая по спектру;

k - коэффициент, который определяется пропусканием эталонного потока через спектрометр,

с возможностью подачи сигнала начала процесса промывки на блок промывки и на вентильную арматуру системы промывки при появлении пика в спектре ЯМР, превышающем заданный порог количества ядер ¹³С, находящихся в неподвижном состоянии, а также с возможностью сравнения температуры, измеренной посредством термодатчика, и в случае отклонения ее значения от заданной рабочей температуры Т_р подачи сигнала корректировки магнитного поля в блок компенсации, который создает ток в компенсационной катушке, создающей поле, параллельное полю постоянного магнита.