Изобретение относится к способу и системе для измерения потока двухфазной смеси "жидкость/жидкость" или "жидкость/газ" или трехфазной смеси "жидкость/жидкость/газ", протекающей через эксплуатационный или транспортный трубопровод. Данные способ и система предназначены для измерения в любой момент времени процентного соотношения фаз в поперечном сечении трубопровода, а также скоростей отдельных фаз. Таким образом, на основе этих измерений способ и система предоставляют возможности для вычисления объемного расхода каждой отдельной соответствующей фазы в двухфазной или трехфазной смеси. Плюс к этому, зная плотности отдельных фаз, также можно вычислить массовые расходы фаз. Данные способ и система, в частности, предназначены для применения в нефте- и газодобывающей промышленности, где фазы в двухфазной смеси могут в типичном случае представлять собой углеводороды в жидкой форме, как сырая нефть или конденсат, и углеводороды в газообразной форме - природный газ или смесь из сырой нефти/конденсата и извлекаемой или нагнетаемой воды. Фазы в трехфазной смеси могут в типичном случае представлять собой сырую нефть/конденсат, воду и природный газ.
При добыче нефти и газа требуется проводить измерение потока в виде массового расхода или объемного расхода в потоке через трубопровод, представляющем собой двухфазную или трехфазную комбинацию "нефть/вода/газ", так называемое многофазное измерение. Оно может осуществляться с использованием измерительных систем, стационарно установленных, например, на морской добывающей платформе или в наземном добывающем предприятии. Такие измерительные системы понемногу заменяют обычные способы измерения, основанные на применении апараторов объемной пробы, в состав которых входят такие измерители однофазного потока, как расходомеры турбинного типа и диафрагмовые расходомеры, измеряющие отдельные фазы после их разделения. Чтобы иметь возможность эффективным образом контролировать процесс добычи и регулировать его, необходимо измерять количество, добываемое из продуктивного пласта. Это позволяет обеспечить оптимальную суммарную добычу в течение срока эксплуатации месторождения. Кроме того, требуется также измерять добычу из отдельных скважин индивидуально, так как изменения в отдельной скважине, например внезапное увеличение извлечения воды, трудно обнаружить при измерении коллективной добычи из нескольких скважин. Там, где важным является распределение добычи из отдельных скважин законным владельцам, и при этом добытое из таких скважин обрабатывается на общем перерабатывающем предприятии, имеющем отличающуюся от структуры для скважин структуру владельцев, также часто предусматривается включение фискальных элементов. Также было бы желательно иметь возможность измерять добычу нефти с точностью, достаточной для ее покупки и продажи, но в настоящее время это нельзя реализовать с использованием многофазных расходомеров.
Многие из открытых в последнее время месторождений нефти расположены в небольших продуктивных пластах на относительно больших водных глубинах, и в таких случаях часто нецелесообразно применять обычные конструктивные решения, например, на современных морских добывающих платформах. Следовательно, чтобы извлечь такие ресурсы, находящиеся на границе рентабельности, затрачиваются большие усилия для создания подводных систем. В состав этих систем включают как магистральные системы управления в устье скважины, так и, постепенно, сепараторы, и уже становятся видны контуры предприятий комплексной переработки, расположенных на морском дне. В этой связи также возникает потребность в измерении извлекаемого потока непосредственно на морском дне, и, следовательно, для таких областей применения планируется установка многофазных расходомеров.
Кроме того, возникла заинтересованность в возможности измерять расход в скважине непрерывно, и в настоящее время ведутся работы по созданию таких средств измерения. Современные измерения в скважинах часто проводятся на временной основе, например, как каротаж в случаях, когда измерительные системы опускаются в скважину при помощи кабеля или свернутого трубопровода. Это дорого и обеспечивает в большей степени качественные измерения. Между выполнением таких измерений может проходить относительно много времени, в результате чего существует риск управления скважинами в соответствии с устаревшими данными, особенно, если добыча могла изменяться в промежутках. Кроме того, за последнее время сложность скважин сильно возросла из-за новых и более совершенных способов, относящихся к технологии бурения и завершения, и добыча из слоистых коллекторов, скважин с многочисленными ответвлениями и горизонтальных скважин стала обычной практикой. Возможность на постоянной основе выполнять непрерывное по времени многофазное измерение в скважине обеспечит эффективный контроль продуктивного пласта, а в комбинации, например, с клапанами, предназначенными для управления поступлением из продуктивного пласта, позволит создать так называемые "интеллектуальные скважины", что в результате приведет к увеличению добычи нефти, снижению извлечения воды и, в конце концов, к снижению частоты вмешательства в работу скважины. Современные средства проведения измерений в скважине на постоянной основе по существу состоят из измерителей давления и температуры, а также иногда включают расходомеры Вентури, предназначенные для измерений расхода жидкости. В определенной степени используются модели потоков, которые основаны на результатах измерения, поступивших от расположенных в различных местах измерителей давления и температуры, законах сохранения массы и количества движения, термодинамических соотношениях, физических параметрах и эталонных измерениях, полученных в результате проведения каротажа. Однако эти способы зависят от "добротности" моделей, т.е. их способности прогнозировать расходы отдельных фаз в условиях неизбежных неопределенностей, а также от правильности предположений, касающихся физических и геометрических параметров скважины. Они также требуют высокого уровня калибровки на месте для получения желаемой точности.
Когда нефть, вода и газ одновременно протекают через трубопровод, при распределении трех фаз может возникнуть большое количество различных режимов или схем как в осевом, так и в радиальном направлениях. Таким образом, влияние потока на измерительную систему будет соответствующим образом меняться, что станет особенно заметно, если измерения проводятся непрерывно по времени. В общем поток будет состоять из сплошной и дискретной фаз. Обычно жидкость является сплошной фазой, в которой свободный газ является дискретной фазой. Свободный газ может распределяться по существу двумя способами: как большие скопления или как мириады очень маленьких пузырьков, распределенных в жидкой фазе. В дополнение к этому некоторое количество газа часто может быть растворено в нефтяной фазе, особенно в условиях высоких давлений. Что касается жидкости как таковой, она может представлять собой сплошной объем нефти с распределенными в ней каплями воды. Часто это имеет место в начале эксплуатации скважины, когда нефть обычно является доминирующей в процентном отношении фазой. Более того, эта смесь не является электропроводящей. В противном случае, при сплошном потоке воды капли нефти распределены в воде, что создает электропроводящую жидкую фазу. Размер распределенных капель может меняться, и механизмы смешивания могут различаться в непрерывном диапазоне от стабильных эмульсий до более неустойчивых смесей из двух фаз. Фактически жидкость будет перемещаться как одна фаза с одной общей скоростью. Исключения из этого возникают при низких скоростях потока, когда нефть и вода могут подвергаться полному или частичному разделению, а также когда трубопровод наклонен относительно горизонтальной плоскости. В этом случае сила тяжести будет заставлять более тяжелый компонент, обычно воду, перемещаться с более низкой скоростью, чем у нефти. Эта разница в скорости часто называется "скольжение". В скважинном потоке также может случиться, что вода имеет отрицательную скорость в направлении общего потока. С увеличением давления в скважине будет извлекаться больше свободного газа, и может случиться так, что газ станет доминирующей фазой потока. Тогда жидкость часто будет распределяться как пленка, перемещающаяся относительно медленно вдоль стенки трубопровода, в комбинации с капельной фазой, которая в большей степени следует за газом. Так как плотность газа обычно существенно меньше плотности жидкой фазы, как правило, всегда будет иметься скольжение между газом и жидкостью. Описанные выше ситуации часто подразделяются на основные группы и классифицируются как пузырьковый режим, снарядный режим, эмульсионный режим, ламинарный режим и кольцевой режим. Измерительная система, таким образом, должна быть способна проводить измерения в условиях всех из описанных выше ситуаций, включая случаи с изменением скорости между фазами и, в особенности, между жидкостью и газом.
Далее настоящее изобретение описывается как система для измерения характеристических параметров многофазного потока сырой нефти или конденсата, извлекаемой и/или нагнетаемой воды и природного газа в транспортном трубопроводе, а также как способ, в котором измеренные параметры используются для определения отдельных расходов сырой нефти/конденсата, воды и природного газа. Система содержит компактный корпус датчика, имеющий по существу круглое поперечное сечение и расположенный по центру внутри транспортного трубопровода, имеющего относительно постоянный внутренний диаметр и круглое поперечное сечение. Корпус датчика в первом варианте будет образовывать коаксиально расположенный датчик, где поток перемещается в кольцевом пространстве между внешней поверхностью корпуса и внутренней поверхностью трубопровода. В другом варианте вставка датчика будет сконструирована как вставка датчика, имеющая форму, которая в принципе обратна первому датчику, с сужением диаметра, характеризующимся переходом от диаметра, равного внутреннему диаметру транспортного трубопровода, через уменьшение диаметра к цилиндрической части и затем через увеличение диаметра снова к внутреннему диаметру, равному внутреннему диаметру транспортного трубопровода.
Кроме того, корпус датчика размещен соосно с транспортным трубопроводом. При протекании многофазной текучей среды через трубопровод из-за уменьшения площади поперечного сечения, обусловленного вставкой, между областью по направлению потока выше вставки датчика и областью в середине вставки датчика будет возникать разность давлений. Следовательно, система снабжается измерителем первой разности давлений для измерения упомянутой разности давлений непрерывно по времени. Эта разность давлений будет зависеть от суммарного массового расхода и в результате этого также косвенным образом будет зависеть от плотности многофазной текучей среды. Сама по себе вставка датчика снабжена несколькими электродами, имеющими частично отличающиеся размеры и предназначенными для измерения электрических характеристик текучей среды, движущейся в упомянутом выше сужении, путем измерения электрического поля между упомянутыми выше отдельными электродами и их противоэлектродными средствами. Система содержит электронные схемы, подходящие для данной задачи и имеющие для ее выполнения соответствующие входы и выходы. Способ состоит в использовании измерения электрического поля, вместе со вторым измерением, для вычисления фракций фаз с взаимной корреляцией мгновенных, меняющихся во времени значений электрического поля для первой пары электродов для определения скорости газовой фазы в потоке. Для формирования упомянутых выше принципов измерения используются сами по себе известные физические модели, и эти модели объединяются, чтобы преобразовать измеренные значения разности давлений и электрических характеристик в фазовые фракции нефти, воды и газа. Все вычисления производятся в подходящем для этого вычислительном блоке, представляющем собой компьютер, снабженный входами для приема всех соответствующих сигналов от индивидуальных датчиков/измерителей, программой, вычисляющей и сохраняющей требуемые величины, а также выходами для вывода результата вычислений. При размещении дополнительных дифференциальных манометров возникают фактически четыре варианта использования устройства для определения фракций и объемных расходов. Ниже эти варианты будут описаны более подробно.
В первом варианте способа электрические сигналы, поступающие от второй пары электродов в корпусе датчика, взаимно коррелируются, чтобы найти скорость жидкой фазы. Эта скорость может быть выражена как функция измеренной разности давлений, плотностей отдельных фаз, которые, как предполагается, известны, фракции газа и фракции воды в текучей среде. Измеренная электрическая величина может также быть выражена как функция фракции газа и фракции воды в текучей среде, а также как функция электрических характеристик отдельных фаз, которые, как также предполагается, известны. Путем решения этих уравнений находятся фракции трех фаз. Так как измеряются также скорости жидкостной и газовой фазы, путем умножения долей отдельных фаз на соответствующие расходы и площадь поперечного сечения могут быть определены объемные расходы отдельных фаз. Кроме того, путем умножения объемных расходов на соответствующие плотности отдельных фаз можно определить массовые расходы отдельных фаз.
Во втором варианте способа в области нижнего по направлению потока конца корпуса датчика в месте перехода от корпуса и обратно к свободному трубопроводу может быть установлен второй дифференциальный манометр. Там разность давлений будет возникать между позицией в кольцевом пространстве и позицией по направлению потока ниже корпуса. Этот сигнал разности давлений в принципе представляет собой зеркальную версию первой разности давлений, может, при предварительном инвертировании, быть взаимно коррелирован с первой разностью давлений, и предоставляет в соответствующем виде скорость жидкости, как при взаимной корреляции электрических сигналов. В результате этого взаимная корреляция электрических сигналов может быть заменена, и далее фракции фаз и объемные расходы могут быть вычислены таким же образом, как и описанный выше для первого варианта способа.
В третьем варианте способа может использоваться третий дифференциальный манометр, расположенный на определенном расстоянии выше или ниже по потоку относительно корпуса датчика. При помощи этого третьего дифференциального манометра может быть измерена разность давлений, которая определяется плотностью трехфазной смеси, и обусловлена разностью статических давлений, возникающей из-за веса смеси. Это предполагает, что трубопровод размещен приблизительно вертикально, в результате чего два ввода третьего дифференциального манометра разнесены по вертикали на определенное минимальное расстояние. Так как плотность смеси является функцией плотностей отдельных фаз и фракций трех фаз, можно путем объединения данного измерения с измерением электрического поля между одним из электродов и стенкой трубопровода вычислить доли трех фаз. В этом случае измерение первой разности давлений будет использоваться для определения расхода жидкости с применением уравнения количества движения, а измерение второй разности давлений становится дублирующим. Во всех этих трех вариантах способа используется вариант коаксиально расположенного корпуса датчика, и, кроме того, используют взаимную корреляцию электрических сигналов, поступающих от первой пары электродов, чтобы определить скорость газа, которая, как подразумевается, в большинстве случаев отличается от скорости жидкости.
В четвертом варианте способа, соответствующего настоящему изобретению, принцип по существу идентичен третьему варианту, но вставка датчика представляет собой вставку датчика, создающую сужение трубопровода с центральным проходом для потока. В этом случае электрические детекторные элементы образованы парами устройств "электрод/противоэлектрод", размещенных внутри цилиндрической части сужения, так как более невозможно использовать в качестве противоэлектрода стенку транспортного трубопровода. Более того, первый и третий дифференциальные манометры будут использоваться как и в третьем варианте, и скорость газа будет измеряться путем взаимной корреляции между парой упомянутых выше электродных устройств.
Из норвежской заявки на патент № 971791 (компании Japan National Oil Corp., Yokogawa Electric Corp., NKK Corp., Japan Petroleum Exploration Co. Ltd., Teikoku Oil Co. Ltd.) известно устройство, использующее принципы, которые могут в некоторой степени характеризоваться схожестью с настоящим изобретением. Общими особенностями является то, что в обоих изобретениях измеряются скорость и фракции фаз в многофазной смеси и в обоих используется один или несколько коаксиально расположенных датчиков, измеряющих электрические характеристики трехфазной смеси, протекающей между внешним электродом, выполненным в форме цилиндра, и внутренним цилиндрическим электродом, размещенных соосно внутри трубопровода. Кроме того, чтобы определить одну или несколько скоростей, для двух датчиков, размещенных на фиксированном расстоянии друг от друга по оси трубопровода, производится взаимная корреляция. И, наконец, принцип проведения электрических измерений может быть объединен с манометром перепада давления для определения одной из фракций путем объединения уравнения перепада давления с уравнением для электрических характеристик. Однако два изобретения существенно отличаются в том, что средство проведения измерений, описанное в заявке на патент № 971791, измеряет диэлектрическую постоянную соответственно между двумя внешними электродами с раздельным возбуждением, которые возбуждаются качанием частоты в микроволновом диапазоне, и размещенным соосно, общим внутренним электродом, возможно, двумя отдельными такими электродами, постоянно имеющими электрический потенциал Земли. Внутренний электрод является полым, т.е. трубчатым, в результате чего поток проходит как внутри, так и снаружи него. В настоящем изобретении электрическое поле измеряется между несколькими электродами, расположенными снаружи массивного, по существу цилиндрического внутреннего корпуса, размещенного соосно в трубопроводе, и связанными с ними противоэлектродами. В заявке на патент № 971791 измерения осуществляются путем изменения частоты в относительно большом диапазоне, после чего, чтобы измерить фракцию одной отдельной фазы в жидкости, выбираются две частоты. Сначала измеряется фракция воды путем измерения разницы в диэлектрической проницаемости на двух частотах, исходя из диэлектрических потерь в воде или дисперсии в этом диапазоне. После этого аналогичным образом измеряется фракция нефти на двух других частотах при условии, что нефть имеет диэлектрические потери в диапазоне качания частоты. Если в нефти потери отсутствуют, для определения фракции нефти используется измерение, поступающее от расходомера типа дифференциального манометра, с подходящим для этого уравнением количества движения, которое объединяется с одним из измерений сопротивления. Дифференциальный манометр размещается по направлению потока выше датчиков сопротивления и отдельно от них. Фракция газа всегда вычисляется путем вычитания фракций двух других фаз из суммы фракций, которая равна 1. Вариант реализации настоящего изобретения, который напоминает расходомер, описанный в заявке на патент № 971791, отличается от него тем, что он сначала измеряет скорость жидкой фазы полностью путем взаимной корреляции двух измерений электрических характеристик. В то же время, между позицией, например, по направлению потока выше относительно внутреннего корпуса, и позицией в сужении, проходящем вдоль корпуса, измеряется перепад давления. Общее уравнение количества движения для дифференциальных манометров, в которое включена скорость жидкой фазы, затем объединяется с уравнением для электрических характеристик, чтобы определить фракцию газа, а также одновременно с этим фракцию воды в жидкости. Другим важным отличием является то, что в настоящем изобретении один и тот же корпус используется как для создания перепада давления, так и для измерения электрических характеристик, в результате чего оба измерения производятся приблизительно в одной и той же позиции. В дополнение к этому при помощи второй взаимной корреляции для второй пары электродов на внутреннем корпусе измеряется скорость газа. В заявке на патент № 971791 отсутствует описание, касающееся отдельного измерения скорости газа, имеется только описание измерения скорости воды и нефти. В случае, когда описанное в заявке на патент № 971791 средство проведения измерений использует уравнение количества движения, чтобы определить фракцию нефти, предполагается, что после смешивания фаз в статическом смесителе, расположенном по направлению потока выше манометров, между этими фазами отсутствует разница в скоростях.
Другое изобретение, которое имеет некоторые признаки, общие с настоящим изобретением, описано в патенте США № 4829831. Этими общими признаками является то, что оно использует устройство измерения разности давлений со вторым элементом датчика, расположенным внутри узкого прохода дросселирующего устройства. Это дает два, но только два независимых измерения, позволяя в упомянутом изобретении измерять один массовый расход и две фракции в поперечном сечении. Возможность измерять последнее основана на физической неизбежности того, что сумма фракций двух фаз всегда дает 1, и две фракции могут быть определены, если две текучие среды имеют различные физические свойства с точки зрения принципа работы используемого элемента датчика. Также подчеркивается, что позиционирование используемого элемента датчика, будь это емкостный датчик или датчик плотности, внутри сужения дросселирующего устройства дает увеличение точности измерения из-за заявленного эффекта гомогенизации текучей среды, оказываемого дросселирующим устройством.
Настоящее изобретение имеет несколько особенностей, существенно отличающих его от технологии, описанной в патенте США № 4829834. В то время как в патенте США описывается система, способная измерять две фракции и один расход, в настоящем изобретении могут обрабатываться фракции трех фаз и две различных скорости. Мы признаем, что размещение устройства измерения емкости внутри сужения дросселирующего устройства оказывает положительный эффект на точность при измерении двухфазной смеси "жидкость/жидкость" благодаря определенному эффекту гомогенизации. Однако при обработке двухфазной текучей среды "жидкость/газ" этот эффект гомогенизации существует только до тех пор, пока рассматривается радиальное смешивание, и снижается, если учитывается продольное смешивание. Это означает, что, например, в часто возникающем прерывистом потоке с большими газовыми скоплениями, разделенными порциями жидкости, в котором в нормальных условиях имеется различие в скоростях между газовой и жидкой фазой, эффект, оказываемый дросселирующим устройством, сильно ограничен с точки зрения выравнивания данных скоростей. Эксперименты показали, что это не зависит от того, установлено ли дросселирующее устройство горизонтально или вертикально.
Размещение устройств проведения электрических измерений внутри сужения, имеющего место по настоящему изобретению, в своей основе никоим образом не связано с возможным использованием какого-либо эффекта гомогенизации. Причиной этого является скорее положительный эффект, заключающийся в осуществлении всех измерений в одно и то же время и в одном и том же месте, в дополнение к выгоде от создания компактной и простой конструкции блока.
В патенте США № 5367911 описывается устройство, имеющее некоторые особенности, общие с настоящим изобретением. Оно представляет собой устройство для измерения скорости многофазного потока в кольцевом пространстве между расположенным в центре измерительным инструментом и внутренней поверхностью стенки трубопровода, которое использует датчики, реагирующие на некоторые характеристики потока. Если говорить более подробно, в данном изобретении описываются датчики, предназначенные для измерения качественного уровня удельной электропроводности/удельного сопротивления, или датчики, использующие акустические сигналы для измерения таких характеристик. Чтобы сделать возможным использование взаимной корреляции для определения скорости, вдоль направления потока со смещением друг относительно друга размещаются, по меньшей мере, два датчика. Чтобы менять чувствительность датчиков и интервал между ними, также указывается возможность объединения различных электродов в случае многоэлектродного блока, но подробная информация о том, как это используется, отсутствует. Кроме того, отсутствует указание на проведение какого-либо количественного измерения для получения информации о фракциях фаз в поперечном сечении, и в данной публикации не упоминаются средства, предназначенные для измерения диэлектрической проницаемости, когда текучая среда является непроводящей. Также отсутствует какое-либо указание возможности измерять отличающиеся скорости газовой и жидкой фаз в случаях, когда имеет место скольжение между жидкостью и газом. Последней особенностью, отличающей данный патент от настоящего изобретения, является то, что в нем не содержится каких-либо средств, предназначенных для измерения расходов (массовых или объемных) с использованием какой-либо разности давлений или аналогичного устройства. В своей основе этот патент США описывает измеритель скорости для текучей среды, характеризующейся некоторой обнаруживаемой прерывистостью.
В европейской заявке на патент № ЕР-А2-0510774 описываются способ и устройство, имеющие некоторые признаки, общие с настоящим изобретением. Эти признаки включают использование множественных датчиков емкости для измерения диэлектрической проницаемости текучей среды, двух взаимных корреляций для измерения скоростей протекания жидкости и газа, а также определение расходов путем объединения этих измерений. Датчики емкости по данной европейской заявке используют общий возбуждающий электрод и множественные измерительные электроды, которые могут выбираться таким образом, чтобы обеспечить выполнение задач, поставленных создателем изобретения. В противоположность этому в настоящем изобретении используются автономные электродные пары, где емкость или проводимость измеряется между каждой парой. Измерение фракций в поперечном сечении в ЕР-А2-0510774 в основном осуществляется путем проведения одного измерения, объединенного с физической закономерностью, приведенной в уравнении 3 настоящего изобретения. Это дает два уравнения с тремя неизвестными и является недостаточным, чтобы определить три фракции. Следовательно, доказывается, что жидкая смесь не содержит газа в области дна трубопровода, в результате чего может быть определена водная фракция в жидкой фазе. Однако специалисты в области проведения многофазных измерений знают, что порции жидкости содержат пузырьки газа (см. также стр.5, строки 24-25 европейской публикации) и что для трехфазной среды требуется проведение двух независимых измерений. Система, описанная в ЕР-А2-0510774, не измеряет проводимость в случаях, когда текучая среда является проводящей, т.е. при содержании водных фракций более 40%. Система определяет, что текучая среда является проводящей, но не обеспечивает количественного измерения проводимости. Это очевидно из Фиг.5 заявки ЕР-А2-0510774, где емкость меняется как функция диэлектрической проницаемости, что показано на примере чистого газа (Е), чистой нефти (F) и нефти с некоторым содержанием воды (G). В сплошном потоке воды указанное значение емкости ниже, чем измерение для газа, что фактически является результатом, полученным при проведении измерения короткозамкнутым измерителем емкости (Н), и не зависит от содержания нефти в воде. В противоположность этому в настоящем изобретении проводимость текучей среды измеряется также и количественно путем, аналогичным измерению диэлектрической проницаемости. Создателем изобретения ЕР-А2-0510774 указывается, что его изобретение работает преимущественно в режимах прерывистого потока, и что почти все потоки, для которых оно применяется, относятся к этому режиму. Однако необходимо подчеркнуть, что многие области применения характеризуются другими режимами, например, очень хорошо смешанный поток с очень маленькими пузырьками газа, распределенными в жидкости. Настоящее изобретение создано для обработки всех типов режимов и, таким образом, не подвержено влиянию ограничений, подобных указанным. И, наконец, система, описанная в ЕР-А2-0510774, не содержит устройства измерения разности давлений, в результате чего не обладает возможностями для объединения измерений, чтобы решить необходимые уравнения, объединения тем путем, которым это осуществляется в настоящем изобретении.
Далее из норвежского патента № 304333 (компания Fluenta AS) к настоящему времени известны способ и средство для измерения фракций в многофазном потоке. Общими признаками с настоящим изобретением является то, что используется измерение электрических характеристик для определения электрических характеристик трехфазной смеси, протекающей через отверстие между двумя электродами. В обоих случаях оно объединяется с другим принципом измерения, который чувствителен к плотности смеси. Уравнения, получаемые на основе двух принципов измерения, группируются, чтобы вычислить фракции трех компонентов. Однако способ и средство проведения измерений, описанные в патенте № 304333, существенно отличаются, так как в этом случае устанавливается гамма-денситометр, который содержит источник радиоактивного излучения и детектор гамма-излучения, формируя другой принцип измерения, в то время как в настоящем изобретении при вычислении фракций используется вариант из одного или нескольких манометров перепада давления. В частности, существенным различием является то, что настоящее изобретение основано на первоначальном измерении скорости жидкости при помощи взаимной корреляции как в первом, так и втором вариантах устройства и последующем вычислении фракций фаз на основе объединения двух других измерений. Третий и четвертый варианты реализации настоящего изобретения также существенно отличаются тем, что плотность по настоящему изобретению определяется путем измерения разности давлений, а не путем измерения плотности с использованием гамма-излучения. Более того, достаточно сильно различается конструкция датчика, так как в патенте № 304333 описывается не интрузивный датчик, у которого находящиеся напротив электроды включены в стенку трубопровода, но отделены от протекающей среды изоляционным материалом. В настоящем изобретении используется интрузивный датчик, имеющий несколько цилиндрических электродов, контактирующих с потоком, где электрическое поле измеряется между этими электродами и стенкой трубопровода и, возможно, непосредственно между двумя электродами, размещенными в сужении.
Кроме того, из патента США № 5693891 (А.Браун (А.Brown), Дж.Аллен (J.Allen)) к настоящему времени также известен принцип измерения, предназначенный для измерения количества двухфазной смеси, протекающей через трубопровод. Измерительное устройство использует сужение трубопровода с плавным переходом от большего к меньшему диаметру и производит на этом участке измерение разности давлений для вычисления расхода двухфазной смеси "жидкость/жидкость" или "жидкость/газ". В дополнение к этому, чтобы определить плотность текучей среды (принцип дифференциального скважинного манометра), измеряется вторая разность давлений для двух точек, расположенных вдоль трубопровода на разных уровнях высоты. Затем плотность используется для вычисления расхода, чтобы получить суммарный расход. В других отношениях это тот же самый принцип, что и описанный в патенте США № 4856344, за исключением того, что в двух патентах применяются отличающиеся в некоторой степени комбинации позиций вдоль трубопровода, предназначенных для измерения разности давлений. В обеих упомянутых выше запатентованных измерительных системах используются три точки отбора давления, размещенные последовательно вдоль трубопровода, причем центральная точка является общей для двух измерений разности давлений. Общим с настоящим изобретением признаком является измерение разности давлений между точкой по направлению потока выше сужения и точкой в сужении и использование соотношения между разностью давлений и расходом для вычисления требуемого параметра. В общем это хорошо известная технология, в основе которой лежит принцип Вентури. Наиболее важным отличием является то, что в обоих изобретениях, описанных в патентах США № 5693891 и 4856344, отсутствует использование принципов электрических измерений и, следовательно, они могут использоваться только для измерения двухфазной смеси. В настоящем изобретении как в первом, так и во втором вариантах его реализации сначала измеряется скорость, которая используется в соотношении между объемным расходом и разностью давлений. После чего это соотношение объединяется с соотношением между электрическими характеристиками фаз и отношением фракций, и система уравнений решается для фракций всех трех фаз. В третьем и четвертом вариантах реализации настоящего изобретения перепад давления для проведения измерения расхода создается за счет сужения, в котором, кроме того, размещены электроды для определения электрических характеристик текучей среды, а материал сужения также выполняет функцию электрического изолятора между электродами и окружающей средой. Таким образом, в результате этого образуется отдельная комбинированная вставка датчика, которая устанавливается в обычный транспортный трубопровод. В дополнение к этому в настоящем изобретении для измерения двух разностей давлений используются две пары точек отбора давления (т.е. в сумме четыре точки), которые независимы друг от друга.
Комбинация одной из двух последних упомянутых публикаций, патента США № 5693891 или патента США № 4856344, с норвежским патентом № 304333 могла бы, возможно, предоставить законченный измеритель многофазного потока путем использования расхода, вычисленного в результате применения патента США № 5693891 или патента США № 4856344, и вычисления фракций фаз с применением устройства, описанного в патенте № 304333, с последующим вычислением расходов фаз при условии, что все фазы текут с одинаковой скоростью. В настоящем изобретении гамма-денситометр становится лишним. Так как скорость потока может быть измерена путем взаимной корреляции двух измерений электрических полей, как в первом варианте устройства, настоящее изобретение будет, следовательно, составлять дальнейшее усовершенствование рассмотренной комбинации перечисленных выше публикаций, так как здесь имеется возможность использования только одного дифференциального манометра. В дополнение к этому настоящее изобретение будет включать одно дополнительное измерение скорости для определения скорости газа, когда она отличается от скорости жидкости. Такое устройство не описано в каком-либо из перечисленных выше трех патентов, и с использованием этих патентов, следовательно, нет возможности учитывать скольжение скорости между фазами. Однако наиболее важным отличием является то, что ни один из упомянутых выше патентов не описывает объединение электрического измерения и измерения разности давлений в одном и том же блоке, в результате чего эти измерения могут проводиться в одной и той же позиции или в очень ограниченной области вокруг одной позиции.
Способ и система, соответствующие настоящему изобретению, точно определены в пунктах приложенной формулы изобретения.
Способ и система, лежащие в основе настоящего изобретения, основаны на устойчивых принципах, имеющих долгую историю получения хороших результатов в области измерения потоков. При применении соответствующей данному изобретению системы достигаются следующие преимущества:
- Изобретение не содержит каких-либо источников радиоактивного излучения, что означает устранение связанных с этим опасностей, а также, и не в последнюю очередь, необходимости выполнения существующих нормативов, касающихся транспортировки, хранения, использования и утилизации радиоактивного материала. Плюс к этому система не зависит от возможных покрытий из радиоактивного материала, что очень часто может встречаться в эксплуатационных трубопроводах, предназначенных для сырой нефти.
- Электромагнитные принципы предоставляют возможность использования простой и крепкой конструкции и относительно низкочастотной электроники, которая уже сертифицирована для подводных и внутрискважинных вариантов применения. В дополнение к этому использование подходящих и устойчивых физических моделей обеспечивает надежность системы.
Дифференциальные манометры являются надежными и используются многими операторами для проведения многофазных измерений в течение продолжительного времени. Динамический диапазон таких манометров является широким и может использоваться для фракции газа от 0 до 100%.
- Можно создать очень компактное средство проведения измерений, в результате отличающееся небольшим весом и малой потребностью в пространстве для размещения по сравнению с другими имеющимися на рынке средствами проведения измерений.
- Может использоваться стандартная система трубопроводов, только с точками отбора для измерений разности давлений, измерения абсолютного давления и измерения температуры, что обеспечивает существенную экономию по сравнению со специальными конструкциями, использующимися во многих существующих системах.
На Фиг.1 показан первый вариант реализации изобретения с транспортным трубопроводом, корпусом датчика с электродами, а также дифференциальным манометром, расположенным в области верхнего по направлению потока конца корпуса датчика.
На Фиг.2 показаны детали варианта изобретения с транспортным трубопроводом, корпусом датчика, включая электроды, опорами, а также внешним возбуждающим электродом.
На Фиг.3 показан второй вариант реализации изобретения с транспортным трубопроводом, корпусом датчика, включая электроды, дифференциальным манометром, расположенным в области верхнего по направлению потока конца корпуса датчика, и дифференциальным манометром, расположенным в области нижнего по направлению потока конца корпуса датчика.
На Фиг.4 показан третий вариант реализации изобретения с транспортным трубопроводом, корпусом датчика, включая электроды, дифференциальным манометром, расположенным в области верхнего по направлению потока конца корпуса датчика, а также дополнительным дифференциальным манометром, расположенным по направлению потока еще выше относительно корпуса датчика.
На Фиг.5 показан четвертый вариант реализации изобретения с транспортным трубопроводом, вставкой датчика, имеющей внутренние электродные устройства, дифференциальным манометром, расположенным в области верхнего по направлению потока конца корпуса датчика, а также дополнительным дифференциальным манометром, расположенным по направлению потока еще выше относительно корпуса датчика.
На Фиг.6(а, b) показаны две возможных конфигурации электродных устройств, установленных в цилиндрической части вставки датчика.
Обратимся теперь к Фиг.1, на которой изображен первый вариант реализации настоящего изобретения. Расположенный корпус 1 внутреннего датчика устройства имеет круглое поперечное сечение с диаметром, меняющимся в осевом направлении трубопровода 11. Он имеет входную секцию 2 с диаметром, увеличивающимся в направлении потока, который поднимается вертикально вверх по указанной на Фиг.1 стрелке, продолжается цилиндрической измерительной секцией 3 и оканчивается выходной секцией 4, имеющей уменьшающийся диаметр, в результате чего образуется обтекаемый корпус 1. Входная и выходная секции 2, 4 характеризуются постепенным, плавным изменением диаметра (например, по конусу) соответственно до и после перехода в измерительную секцию 3. Это гарантирует, что постоянный перепад давления по длине корпуса 1 датчика будет насколько возможно малым, так как его конструкция создает наименьшую возможную турбулентность и трение. Упомянутые выше переходные секции 2 и 4 могут в одинаковой степени характеризоваться криволинейным изменением диаметра (например, по параболе). Кроме того, входная и выходная секции 2, 4 изготавливаются из стойкого к эрозии материала, чтобы они могли сопротивляться возможному воздействию частиц потока 14 текучей среды. Этот материал может представлять собой высококачественный металл, промышленную керамику или другой материал, обладающий свойством высокого сопротивления механическому износу. Корпус 1 датчика поддерживается опорами 5, закрепленными в кольце 33, имеющем тот же внутренний диаметр, что и транспортный трубопровод, которое закреплено между двумя фланцами 32а и 32b, причем один фланец 32а принадлежит трубопроводу 11, в котором установлен корпус 1 датчика, а другой фланец 32b принадлежит смежному трубопроводу 34, установленному по направлению потока ниже относительно упомянутого выше трубопровода 11. Эти опоры 5 могут устанавливаться под наклоном или под прямым углом относительно продольной оси трубопровода и в то же время одна или несколько из них, являясь при этом полыми, будут работать как вводы для кабелей 8, проходящих между корпусом 1 датчика и блоком 9 электроники, расположенным снаружи трубопровода 11.
Цилиндрическая часть корпуса 1 датчика, также называемая измерительной секцией 3, состоит из цилиндрических элементов 6, изготовленных из электроизоляционного материала, и цилиндрических металлических электродов 7а-7d, чередующихся в продольном направлении таким образом, что они образуют гладкий блок. Изолирующие элементы 6 могут быть изготовлены из термопласта или какого-то другого подходящего электроизоляционного материала. Кроме того, данные элементы должны иметь внутренний диаметр 35 насколько возможно малый, чтобы обеспечить прочность корпуса, однако достаточно большой, чтобы создать пространство для кабелей 8, идущих от электродов 7а-7d в блок 9 электроники. Соответственно, металлические электроды 7а-7d будут также снаружи иметь форму цилиндров с внутренним отверстием, которое соответствует внутреннему диаметру 35 изолирующих модулей 6. Таким образом, кабели 8 будут проходить изнутри измерительной секции 3 через опоры 5 и выходить наружу трубопровода 11 для потока. Там кабели направляются далее в блок 9 электроники, расположенный снаружи трубопровода 11 через кабельные вводы во фланцевом кольце 33.
Эта конструкция датчика приводит к созданию коаксиально расположенного датчика, который характеризуется двумя особыми преимуществами: это один из самых чувствительных типов датчика для измерения электрических характеристик, и он обеспечивает симметричную геометрию в измерительной области 10, расположенной в кольцевом пространстве между измерительной секцией 3 и трубопроводом 11, делая электрическое поле симметричным. Электроды 7а-7d могут иметь различную длину, и расстояние между ними может меняться, в зависимости от того, что они предназначены измерять. По существу будут иметься две пары измерительных электродов 7а и 7b, а также 7с и 7d, где одна пара 7а и 7b состоит из одинаковых по размеру, но относительно коротких электродов, имеющих между собой относительно малое расстояние. Вторая пара 7с и 7d состоит из одинаковых по размеру, но в определенной степени более длинных электродов, имеющих между собой относительно большое расстояние. В дополнение к этому измерительная секция 3 может быть снабжена, если требуется, дополнительными электродами, так называемыми "защитными электродами", чтобы гарантировать, что электрическое поле в измерительной области 10 будет как можно более однородным. К защитным электродам в таких случаях будет приложен тот же потенциал, что и на измерительные электроды 7а-7d, и геометрически они будут размещаться поблизости от измерительных электродов 7а-7d. Способ состоит в непрерывном измерении электрического поля между электродами 7а-7d и стенкой трубопровода 11, расположенными в измерительной области 10, чтобы определить электрические характеристики текучей среды 14, протекающей в любой момент времени в кольцевом пространстве 10 между измерительной секцией 3 и внутренней поверхностью трубопровода 11 для потока. Это может быть сделано двумя путями. Один путь - возбуждение электродов 7а-7d, расположенных на корпусе 1 датчика, приложением электрического напряжения и измерение величины электрического поля между этими электродами 7а-7d и стенкой трубопровода 11, которая сохраняет электрический потенциал Земли. В этом случае будет особенно важным использовать защитные электроды. Второй путь изображен на Фиг.2 и осуществляется при помощи размещения большого цилиндрического электрода 12 ближе к стенке трубопровода 11 таким образом, что он размещается соосно с трубопроводом 11, но изолирован от него при помощи электроизоляционного материала 13. Такой электрод будет иметь длину, которая, по меньшей мере, равна расстоянию от верхнего по направлению потока конца первого электрода 7а до нижнего по направлению потока конца последнего электрода 7d, расположенных на корпусе 1 датчика. При использовании этого принципа упомянутый выше цилиндрический электрод 12 возбуждается приложением электрического напряжения, и измеряется величина электрического поля между этим электродом 12 и отдельными электродами 7а-7d, расположенными на корпусе 1 датчика, который в этом случае фактически может иметь электрический потенциал Земли. Электрические характеристики протекающей среды 14 зависят от отношения фракций (например, процентного) между нефтью, водой и газом в потоке 14 текучей среды и, если снова обратиться к Фиг.1, выходные сигналы, представляющие это соотношение фракций, берутся из электронных схем 9а-9d. Существует несколько физических моделей, касающихся взаимосвязи между отношениями фракций и электрическими характеристиками для смеси 14 текучих сред. В качестве примера можно сослаться на модель Бойля для параллельно-ориентированных сфероидов фазы 15, распределенных в сплошной среде другой фазы 16. В этой модели электрические характеристики выражаются через диэлектрические проницаемости (диэлектрические постоянные) отдельных фаз в смеси, а также диэлектрическую проницаемость самой смеси 14, как функция фракции прерывистой фазы 15 в смеси 14. Для двухфазной смеси 14 "жидкость/жидкость", где прерывистая фаза 15 представляет собой капли воды, распределенные в сплошной среде 16 нефти, может быть использована следующая примерная модель:
Уравнение 1.
если присутствуют только вода и нефть, так как φвода+φнефть=1, и где εводa, εнeфmь и εж. представляют собой соответственно диэлектрические проницаемости воды, нефти и жидкой смеси, φвода - фракция воды в жидкой фазе и Аа - коэффициент формы, зависящий от формы сфероидов. Для маленьких шариков совершенной формы этот коэффициент в типичном случае равен 1/3. Общая сумма фракции воды и фракции нефти в этом случае равна 1, что дает второе необходимое уравнение для этой системы. Тогда можно непосредственно вычислить фракции двух фаз 15 и 16, так как предполагается, что диэлектрические проницаемости отдельных фаз известны, в то время как диэлектрическая проницаемость жидкой смеси является результатом измеренной величины.
Приведенная выше модель также может быть обобщена для использования в трехфазной смеси, где жидкость рассматривается как хорошо перемешанная, сплошная фаза 16 с пузырьками газа в качестве прерывистой фазы 15, распределенной соответствующим образом, как описано выше:
Уравнение 2.
если присутствуют как нефть и вода, так и газ (так как φвода + φнефть + φгаз=1), и где εгаз и εсмесь представляют собой соответственно диэлектрические проницаемости газа и трехфазной смеси, и φгаз - фракция газа. В приведенном выше уравнении εсмесь является результатом измеренной величины, и оказывается, что эта величина задается как неявный параметр. Предполагается, что диэлектрические проницаемости отдельных фаз заранее известны. Параметр εж может быть исключен путем объединения Уравнения 2 и Уравнения 1. Что касается оставшегося, в этом случае оно представляет собой общую сумму фракции воды, фракции нефти и фракции газа, которая равна 1, задаваемую общим соотношением:
Уравнение 3.
В результате имеются два уравнения, но, чтобы найти фракции всех трех фаз, требуется одно дополнительное уравнение. К этой проблеме мы еще вернемся, но сначала рассмотрим дальнейшее использование измерений электрических характеристик. Уравнение 1 и Уравнение 2 могут заменяться другими моделями, касающимися взаимосвязи между теми же параметрами, или моделями, касающимися взаимосвязи между, например, удельными электропроводностями отдельных фаз и отношениями фракций. Таким образом, в последнем случае удельная электропроводность будет представлять собой измеренные электрические характеристики.
При измерении электрического поля в измерительной области 10 непрерывно по времени с одновременной выборкой отдельных измерений с относительно высокой частотой получаем меняющиеся во времени сигналы от измерительных схем 9а-9d, выражающие более или менее случайные вариации отношений фракций в текучей среде 14 в соответствующий период времени. Эта вариация во времени иллюстрирует динамику потока, возникающую из-за многочисленных возможных схем потока. Если такая схема остается достаточно постоянной в течение короткого промежутка времени при прохождении электродной пары 7а и 7b или 7с и 7d, сигналы будут повторяться от одного электрода, например 7а, к другому, например 7b. Следовательно, эти сигналы могут быть использованы для вычисления одной из скоростей в потоке при помощи самого по себе известного способа взаимной корреляции, где коэффициент взаимной корреляции Rxy(t) вычисляется с использованием следующей формулы:
Уравнение 4.
Путем взаимной корреляции сигналов х(t) и y(t) находится временная задержка t от момента, когда возмущение 17 в потоке 14 текучей среды проходит, например, первый большой электрод 7с (расположенный выше по направлению потока) до момента, когда оно проходит второй большой электрод 7d (расположенный ниже по направлению потока), исходя из того факта, что коэффициент взаимной корреляции будет принимать там свое максимальное значение. Так как расстояние между электродами известно, это является простым способом вычисления скорости возмущения 17. На практике это осуществляется путем посылки соответствующих сигналов от измерительной схемы 9с, предоставляющей сигнал х(t), и детекторной схемы 9d, предоставляющей сигнал у(t), которые соединены с соответствующими им электродами 7с и 7d, во взаимный коррелятор 22. Такой взаимный коррелятор 22 может представлять собой либо выпускаемую промышленностью микроэлектронную схему, обрабатывающую сигналы, поступающие непосредственно от детекторных схем 9с и 9d, либо часть программного обеспечения в вычислительном блоке 31, обрабатывающую данные после их первоначальной обработки во входном каскаде. Часто бывает так, что относительно большие электроды, подобные, например, 7с и 7d, имеют тенденцию обнаруживать крупные вариации 17 в потоке, например, связанные с большими пузырьками газа, и в то же время с большой вероятностью отфильтровывать небольшие вариации 36, которые могут быть связаны с небольшими неоднородностями в жидкой фазе. По этой причине измеренная скорость будет представлять собой по существу скорость больших пузырьков газа νгаз. В противоположность этому небольшие электроды 7а и 7b имеют длину, которая меньше, чем у больших электродов 7с и 7d и, таким образом, они обладают более высоким пространственным разрешением. Следовательно, эти электроды могут обнаруживать небольшие вариации 36 в потоке. Небольшие вариации 36 обусловлены соответственно небольшими пузырьками газа и/или небольшими каплями воды или скоплениями таких капель воды, распределенными в нефти. Эти небольшие возмущения 36 в обычном случае будут иметь скорость перемещения, которая приблизительно равна средней скорости жидкости νж. Сигналы, поступающие от небольших электродов 7а и 7b, могут также содержать информацию о более крупных возмущениях в потоке 14, и, следовательно, они также могут использоваться для измерения скорости этих более крупных возмущений. Таким же образом, что и в случае сигналов от детекторных схем 9с и 9d для больших электродов 7с и 7d, меняющиеся во времени сигналы от детекторных схем 9а и 9b для небольших электродов 7а и 7b предоставляют сигналы x(t) и y(t) для обработки во взаимном корреляторе 21, чтобы в результате этого определить значение, которое представляет собой скорость жидкости νж.
В приведенных выше вычислениях для определения долей необходимо одно дополнительное уравнение, и в данном изобретении для разрешения этой проблемы используется измерение разности давлений. Именно корпус 1 датчика будет создавать перепад давления ΔР, когда поток проходит через суженную область 10 в кольцевом пространстве между корпусом 1 датчика и стенкой трубопровода 11. Эта разность давлений измеряется при помощи подходящего дифференциального манометра 18 между позицией 19 по направлению потока выше корпуса 1 датчика и позицией 20 в зоне цилиндрической части 3 корпуса 1 датчика в измерительной секции. Конечно, эта разность давлений может быть измерена аналогичным образом также и между позицией в зоне цилиндрической части корпуса 1 детектора и позицией по направлению потока ниже этого же корпуса 1 детектора. При помощи самих по себе известных физических соотношений можно использовать разность давлений для определения суммарного массового расхода Q в трубопроводе. Такое общее физическое соотношение приведено ниже в Уравнении 5:
Уравнение 5.
где
cd - "коэффициент расхода"
γ - удельная теплопроводность
ρ - плотность текучей среды 14
ΔР - измеренная разность давлений от манометра 18
d - внешний диаметр корпуса 1 датчика
D - внутренний диаметр трубопровода 11.
Доказано (например, в публикации Е.А.Hammer, J.E.Nordtvedt "Scientific/Technical Report № 239: Miltiphase flow measurement using a venturimeter” University of Bergen, ноябрь 1990), что для потока "жидкость/газ" можно использовать следующее выражение для объемного расхода жидкой фазы, предполагая наличие низкого давления, в результате чего плотность газа может не приниматься в расчет:
Уравнение 6.
Используя очевидное соотношение, приведенное в Уравнении 7:
Уравнение 7.
и объединяя это уравнение с приведенным выше Уравнением 6, в результате получим:
Уравнение 8.
Из Уравнения 8 можно видеть, что фракция газа φгаз непосредственно зависит от плотности жидкости ρж, скорости жидкости νж и площади поперечного сечения трубопровода А, а также измеренной разности давлений ΔР. Существует также известное соотношение для плотности текучей среды (при этом предполагается, что плотности отдельных фаз известны):
Уравнение 9.
при этом в общем истинным сохраняется следующее:
Для относительно низких давлений плотность газа будет пренебрежимо мала по сравнению с плотностями жидкостей, а плотность смеси будет приблизительно той же, что и плотность жидкостей, как видно из приведенного выше Уравнения 9. При более высоких давлениях это не будет обязательным, и тогда плотность газа должна учитываться, и уравнения должны быть соответствующим образом изменены.
В первом варианте реализации настоящего изобретения скорость жидкости измеряется при помощи взаимной корреляции электрических сигналов, поступающих от детекторов 9а и 9b, посредством взаимокоррелятора 21, как упомянуто выше, и фракция газа включается в модель диэлектрической проницаемости, приведенную в Уравнении 2. При подстановке ρж в Уравнение 8 получаем второе уравнение, где φгаз выражается при помощи фракций двух других фаз, и его вместе с Уравнением 2 и Уравнением 3, следовательно, можно решить для нахождения фракций всех трех фаз. Здесь предполагается, что плотности отдельных фаз известны, в результате чего в вычислениях может быть использовано Уравнение 9. Так как скорость жидкости уже измерена, расходы нефти и воды находятся путем умножения измеренной скорости на фракции фаз соответственно нефти и воды и на площадь поперечного сечения трубопровода. Как описано ранее, при помощи взаимной корреляции сигналов от детекторов 9с и 9d, соединенных с двумя электродами 7с и 7d, находящимися в измерительной секции 3 корпуса 1 датчика, будет измеряться также скорость газа. Это осуществляется во взаимокорреляторе 21. В результате простым образом находится также расход газа аналогично описанному выше для жидких фаз. Если требуются массовые расходы, они могут быть получены путем умножения объемных расходов отдельных фаз на их соответствующие плотности. Данное изобретение имеет очевидное преимущество, заключающееся в том, что отсутствует зависимость от других типов манометров плотности, например, гамма-денситометров, содержащих источники радиоактивного излучения. Другим преимуществом является то, что дифференциальный манометр 18 является весьма быстродействующим по сравнению с гамма-денситометром и, таким образом, имеется возможность отслеживать вариации потока с той же скоростью, с которой обладает устройство 9 измерения электрического поля и, следовательно, гарантировать, что репрезентативные данные измеряются в любое время. Плюс к этому измерения также проводятся в той же физической позиции, чтобы получить полную синхронизацию измерения.
В другом варианте реализации настоящего изобретения, если обратиться к Фиг.3 и предполагать, что первый дифференциальный манометр установлен в области верхнего по направлению потока конца корпуса 1 датчика, для измерения разности давлений между точкой 24, расположенной в измерительной области 10, и точкой 25 измерения, расположенной по направлению потока ниже корпуса 1 датчика, вводится второй дифференциальный манометр 23. Расстояние от точки 24, расположенной в кольцевом пространстве, до точки 25 измерения, расположенной по направлению потока ниже корпуса 1 датчика, абсолютно идентично расстоянию от точки 19 измерения, расположенной по направлению потока выше корпуса 1 датчика, до точки 20 измерения, расположенной в суженной области 10 в измерительной секции 3, разность давлений между которыми измеряется первым дифференциальным манометром 18. В результате этого две измеренные разности давлений будут близки по величине. Если принимается в расчет вариация по времени для сигналов, поступивших от дифференциальных манометров 18 и 23, то эти сигналы будут в обоих случаях приблизительно однородны, за исключением того, что они будут зеркальным отображением друг друга. Тогда в данном способе сигнал дифференциального манометра 23 должен будет инвертироваться, после чего он будет взаимно коррелироваться с сигналом манометра 18 во взаимокорреляторе 26. Так как зависящая от времени вариация сигналов разности давлений по существу будет обусловлена локальными вариациями фракции жидкости, будет иметься возможность путем взаимной корреляции этих сигналов найти скорость жидкости альтернативным путем по сравнению с приведенным выше первым вариантом реализации настоящего изобретения. Чтобы вычислить все фракции и расходы, последующая часть способа будет идентична тому, что описано в приведенном выше первом варианте реализации настоящего изобретения. Этот второй вариант реализации настоящего изобретения может быть использован как законченный измеритель расхода трех фаз, и можно, если снова обратиться к Фиг.1, удалить небольшие электроды 7а и 7b с относящимися к ним электронными схемами 9а и 9b, чтобы упростить устройство и сделать короче корпус 1 датчика. Однако если этот вариант используется совместно с первым вариантом реализации настоящего изобретения, можно получить преимущество дублирования измерения скорости жидкости.
В третьем варианте реализации настоящего изобретения, если обратиться к Фиг.4, будет использоваться третий дифференциальный манометр 27, расположенный на расстоянии по направлению потока еще несколько выше корпуса 1 датчика, в секции трубопровода 11, который не имеет каких-либо внедренных элементов или других помех. В дополнение к этому предполагается, что эта часть трубопровода установлена приблизительно вертикально, в результате чего два ввода 28 и 29 дифференциального манометра 27 устанавливаются на определенном минимальном расстоянии А друг от друга по вертикали. Дифференциальный манометр 27 и относящиеся к нему вводы 28 и 29 могут для этого также размещаться по направлению потока ниже корпуса 1 датчика. При помощи этого устройства может быть измерена разность давлений, которая не зависит от плотности многофазной смеси 14 и основана на разности статических давлений, возникающей из-за веса жидкости. Так как плотность смеси 14 согласно Уравнению 9 является функцией плотностей отдельных фаз, а также фракций трех фаз, то, объединяя это с измерением электрических характеристик, выполненным между одним из электродов, например, 7d с относящейся к нему детекторной схемой 9d, и стенкой трубопровода 11, и соотношением, приведенным в Уравнении 2 и Уравнении 3, можно вычислить фракции трех фаз. Соотношение между фракцией газа φгаз и разностью статических давлений ΔР является таким, как определено ниже в Уравнении 10:
Уравнение 10.
где, как определено ранее:
Здесь g - ускорение свободного падения, Fr - потери при трении и ρл - плотность текучей среды в линиях 30 подачи в дифференциальный манометр 27, где два последних параметра должны быть известны. Так как φгаз задается в Уравнении 10 явным образом, при помощи Уравнения 2 и Уравнения 3 можно найти фракции двух других фаз, после чего с использованием Уравнения 9 может быть вычислена плотность смеси. В этом случае для определения расхода жидкости с использованием уравнения количества движения (Уравнение 6) применяется первый дифференциальный манометр 18, в результате чего в этом варианте реализации настоящего изобретения, и если обратиться к Фиг.3, дифференциальный манометр 23 может быть сделан дублирующим. В дополнение к этому, если обратиться к Фиг.1, можно аналогично описанному выше второму варианту реализации настоящего изобретения удалить небольшие электроды 7а и 7b с относящимися к ним детекторами 9а и 9b и взаимокоррелятор 21, чтобы сделать устройство проще.
Во всех трех упомянутых выше вариантах устройства взаимная корреляция электрических сигналов, поступающих от детекторов 9с и 9d, связанных с электродной парой 7с и 7d, будет использоваться для определения скорости газа, которая, как предполагается, в большинстве случаев отличается от скорости жидкости.
В четвертом варианте реализации настоящего изобретения, и если обратиться к Фиг.5, тот же первый дифференциальный манометр 18 будет использоваться для измерения разности давлений между вводом 19, расположенным по направлению потока выше вставки 39 датчика, и вводом 20, расположенным в сужении, созданном вставкой 39 датчика. Аналогично описанному ранее, эта разность давлений могла бы одинаково хорошо измеряться также между позицией по направлению потока ниже вставки 39 датчика и позицией в сужении вставки 39 датчика. В этом варианте вставка 39 датчика и, следовательно, сужение, включающее измерительную область 10, выполнены с конфигурацией, альтернативной предыдущим вариантам реализации настоящего изобретения. Вставка 39 датчика создана из электроизоляционного материала 42, который может представлять собой, например, термопласт или какой-то другой электроизоляционный материал. Она изготавливается из цельного стержня, имеющего внешний диаметр, который соответствует внутреннему диаметру трубопровода 11. Растачивается сходящаяся секция 43, затем изготавливается цилиндрическая секция 44, которая образует измерительную область 10, после чего растачивается сходящаяся секция 45, в результате чего возвращаемся к исходному внутреннему диаметру трубопровода 11. В измерительной области 10 размещены два электродных устройства 40 и 41, предназначенных для измерения электрических характеристик протекающей среды 14. В этом случае невозможно использовать стенку трубопровода 11 как противоэлектрод, и, таким образом, для выполнения измерений должны встраиваться пары электродов. Примеры этих электродных пар показаны на Фиг.6а и 6b, и будет делаться ссылка на эти чертежи для более подробного описания того, как организовать подобные устройства. На Фиг.6а изображены два изогнутых электрода 40а и 40b, размещенных друг напротив друга в направлении поперечного сечения трубопровода 11. Эти электроды дополнительно дублируются ниже по направлению потока в цилиндрической секции 44 вставки 39 датчика в виде электродов 41а и 41b. В качестве альтернативного варианта, как показано на Фиг.6b, они могут быть выполнены в форме колец, расположенных близко друг к другу, например, как представлено с использованием электродов 40а и 40b, где эта пара колец опять же дублируется ниже по направлению потока в виде электродов 41а и 41b. Одно из этих устройств, например 40, применяется для измерения электрических характеристик протекающей среды 14 с целью их использования при вычислении фракций. После чего сигналы, поступающие от устройств 40 и 41, используются для взаимной корреляции, чтобы найти скорость больших возмущений 17, которые часто будут представлять собой газ. В соответствии с другими вариантами реализации настоящего изобретения, и если обратиться к Фиг.5, устройства 40 и 41 будут соединяться с электронными схемами 9с и 9d при помощи кабелей 8 для генерации сигналов, которые должны обрабатываться взаимокоррелятором 22 перед передачей результирующего сигнала в вычислительный блок 31. Одна из точек отбора давления для дифференциального манометра 18, представленная вводом 20, будет размещаться в цилиндрической части 44 сужения. Следовательно, чтобы иметь возможность измерять правильную разность давлений, должен существовать канал 46, проходящий через вставку 39 датчика, который достигает измерительной области 10. Кроме того, идентичный третий дифференциальный манометр 27 будет установлен с целью его использования для измерений на расстоянии еще немного выше по направлению потока или на этом же расстоянии ниже по направлению потока относительно вставки 39 датчика, в области трубопровода 11, не имеющей каких-либо интрузивных элементов или других помех. Также в этом случае предполагается, что эта часть трубопровода установлена вертикально, в результате чего два ввода 28 и 29 дифференциального манометра 27 устанавливаются на определенном минимальном расстоянии h друг от друга по вертикали. Чтобы выполнить вычисления, производятся те же действия, что и в третьем варианте реализации настоящего изобретения, однако используются результаты измерения электрических характеристик, поступившие, например, от устройства 40, вставленные в Уравнение 3; это уравнение объединяется с Уравнением 2 и Уравнением 10, получившим необходимые значения от дифференциального манометра 27. Далее с использованием Уравнения 9 вычисляется плотность смеси, и для определения расхода жидкости с использованием Уравнения 6 применяется первый дифференциальный манометр 18. Скорость газа вычисляется с использованием Уравнения 4, которое получает свои входные данные от электронных схем 9с и 3d, соединенных с устройствами 40 и 41.
Все вычисления производятся в вычислительном блоке 31, представляющем собой компьютер, который также включает входной каскад, предназначенный для чтения и преобразования данных, поступающих от измерительных элементов 9, 18, 22 и 27. Затем данные обрабатываются процессором данных, управляемым подходящим для этого программным обеспечением. Как часть программного обеспечения могут устанавливаться вычислительные средства для повторного пересчета результатов, полученных для существующих во время измерения условий по давлению и температуре, в результаты для стандартных условий по давлению и температуре. Вычислительный блок 31 также включает средство для хранения данных. Кроме того, вычислительный блок 31 содержит выходной каскад, посредством которого результаты вычислений могут передаваться в блок 37 считывания для вывода данных, например, на экран, результаты могут посылаться на принтер, или результаты могут посылаться по линии 38 связи, например, в пользовательскую систему управления.
Изобретения предназначены для использования в нефте- и газодобывающей промышленности для измерения фракционного состава и расхода фаз в потоке трехфазной смеси при любом режиме течения. Посредством пар электродов, размещенных по длине дросселирующей измерительной секции (корпуса), установленной в трубопроводе, измеряют удельную электропроводность или диэлектрическую проницаемость смеси. Одновременно корпус используют для создания перепада давления, который измеряют в кольцевом пространстве между корпусом и стенкой трубопровода, а также вблизи корпуса. Путем взаимной корреляции сигналов, поступающих от электродов, определяют скорости фаз. Фракционный состав вычисляют путем объединения измерений электрических характеристик с измерениями перепада давления. При объединении с измерениями скоростей вычисляют объемные расходы фаз, а при последующем объединении последних с плотностями фаз - массовые расходы фаз. Изобретения учитывают скольжение между газовой и жидкой фазами и благодаря компактному средству измерения позволяют проводить все измерения практически в одном и том же месте. 6 н. и 24 з.п. ф-лы, 7 ил.
| US 4829831, 16.05.1989 | |||
| СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДОЛЕВОГО СОДЕРЖАНИЯ КОМПОНЕНТОВ АНАЛИЗИРУЕМОЙ СРЕДЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ | 1995 |
|
RU2087906C1 |
| US 5367911 A, 29.11.1994 | |||
| US 4856344 А, 15.08.1989 | |||
| US 5693891 А, 02.12.1997 | |||
| УСТРОЙСТВО И СПОСОБ УДАЛЕНИЯ КОНЦЕВЫХ ОБРЕЗКОВ ИЗ СЕРИЙ ИЗДЕЛИЙ, ТАКИХ КАК РУЛОНЫ ИЛИ ПОДОБНЫЕ ИМ ИЗДЕЛИЯ | 2004 |
|
RU2313445C2 |
