УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ ВОДЫ И КОНЦЕНТРАЦИИ СОЛИ В ПОТОКЕ МНОГОФАЗНОГО ФЛЮИДА Российский патент 2013 года по МПК G01N27/22 E21B49/10 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к устройству и способу, предназначенным для измерения содержания воды и концентрации соли в потоке многофазного флюида.

Уровень техники

В настоящее время наблюдается потребность в измерении содержания воды и концентрации соли в потоке многофазного флюида, причем в особенности это относится к оборудованию для подводной добычи нефти.

Раскрытие изобретения

Сущность изобретения раскрыта в прилагаемой формуле.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 схематично представлен узел трубных компонентов, через который проходит поток многофазного флюида.

На фиг.2 в поперечном сечении показана трубная секция, через которую проходит поток многофазного флюида.

На фиг.3 представлена упрощенная блок-схема, иллюстрирующая устройство для измерения содержания воды и концентрации соли в потоке многофазного флюида.

На фиг.4 упрощенная блок-схема, иллюстрирующая устройство для измерения содержания воды и концентрации соли в потоке многофазного флюида, представлена более подробно.

На фиг.5 представлена блок-схема последовательности шагов, иллюстрирующая способ измерения содержания воды и концентрации соли в потоке многофазного флюида.

Осуществление изобретения

На фиг.1 схематично представлен узел трубных компонентов, через который проходит поток многофазного флюида. Указанный узел предназначен преимущественно для использования в подводном оборудовании для добычи нефти.

Поток многофазного флюида может содержать, например, нефтяную фазу, такую как сырая нефть, водную фазу, которая может содержать определенное количество соли, а также, как вариант, газовую фазу. Содержание воды в таком потоке многофазного флюида часто обозначают термином "обводненность нефти".

В виде примера можно рассмотреть ситуацию, в которой поток многофазного флюида проходит на чертеже через указанный узел слева направо. В этом случае трубные компоненты 2 и 3 представляют собой части трубной конструкции, расположенные, соответственно, впереди и сзади по течению потока. Промежуточная трубная секция 5, через которую проходит поток многофазного флюида, составляет часть устройства для измерения содержания воды и концентрации соли в указанном потоке. Секция 5 оборудована емкостным датчиком, более подробно описанным далее. Поперек секции 5 сквозь стенку трубы проведен канал 4 для электродов.

Должно быть понятно, что поток флюида может течь в направлении, противоположном указанному выше.

На фиг.2 в поперечном сечении показана трубная секция 5, через которую проходит поток многофазного флюида. В данном примере секция 5 имеет кольцевое поперечное сечение, но возможны также и другие конфигурации указанного сечения.

Концентрично стенке секции 5 на внутренней стороне трубы установлен трубчатый (цилиндрический) первый емкостный электрод 6, проходящий по всей длине секции 5 или по ее части. Через этот электрод 6 проходит поток многофазного флюида.

Первый емкостной электрод 6 посредством электрического проводника (далее - проводника) электрически связан с первой присоединительной точкой 8.

Второй емкостной электрод 7 также установлен в потоке флюида. Как показано на чертеже, указанный электрод 7, имеющий линейную или точечную форму, образован на дистальном конце проводника, проходящего через канал 4 перпендикулярно трубной секции 5.

Второй емкостной электрод 7 через данный проводник электрически связан со второй присоединительной точкой 9.

В одном из вариантов осуществления изобретения второй емкостной электрод 7 снабжен стеклянным/металлическим наконечником для проводки данного электрода через уплотнение. Такие электроды используют в технологии подводных работ, чтобы обеспечить герметизацию, которая будет выдерживать рабочие условия, преобладающие при подводной добыче нефти, в частности высокое давление.

Первый и второй емкостные электроды 6, 7 в совокупности образуют емкостной датчик с присоединительными точками 8 и 9. Должно быть понятно, что результирующие электрические свойства емкостного электрода будут изменяться, среди других факторов, согласно свойствам многофазного потока флюида (включая его солесодержание и скорость, в особенности скорость водного компонента флюида).

На фиг.3 представлена упрощенная блок-схема, иллюстрирующая устройство для измерения содержания воды и концентрации соли в потоке многофазного флюида в подводном оборудовании для добычи нефти.

Как показано на фиг.3, между точками 8 и 9 включены переменная емкость 28 и переменное сопротивление 30, соединенные параллельно. Должно быть понятно, что при таком соединении указанные емкость 28 и сопротивление 30 являются условными изображениями соответственно результирующей емкости и результирующего сопротивления электрода (такого как емкостный электрод, описанный выше со ссылками на фиг.1 и 2), помещенного в трубную секцию, через которую проходит поток многофазного флюида.

К емкостному датчику, показанному на чертеже, в присоединительных точках 8, 9 подключен генератор 10 сигналов, который выполнен в специальной модификации, с возможностью генерировать радиочастотный сигнал с частотой в интервале 10 МГц - 2 ГГц. В одном из вариантов осуществления изобретения частотный интервал составляет 50-125 МГц. Для указанного генератора можно выбрать схему типа DDS (Direct Digital Synthesiser, прямой цифровой синтезатор).

Как будет дополнительно показано далее со ссылками на фиг.4, в одном из вариантов осуществления предусмотрена возможность регулировать генератор сигналов.

Первый измерительный преобразователь 40 выполнен с возможностью измерять напряжение на емкостном датчике, т.е. между точками 8 и 9.

Как показано на чертеже, генератор сигналов подключен к емкостному датчику через второй измерительный преобразователь 50, который выполнен с возможностью измерять ток, проходящий через указанный датчик. Данный преобразователь 50 представляет собой амперметр, поэтому теоретически его можно приравнять к проводнику, оказывающему минимальное воздействие на проходящий через него ток.

Таким образом, первый измерительный преобразователь 40 генерирует сигнал, например сигнал напряжения, соответствующий напряжению на емкостном датчике, причем одновременно с этим второй измерительный преобразователь 50 генерирует второй сигнал, например сигнал напряжения, соответствующий току, проходящему через емкостной датчик. Первый и второй сигналы подаются затем в выходной контур 60, который выполнен с возможностью генерировать, на основе сигналов, сгенерированных первым и вторым преобразователями 40, 50, выходные сигналы 70, 72, характеризующие концентрацию соли и содержание воды в потоке многофазного флюида.

С этой целью предусмотрена возможность выполнить выходной контур 60, в частности, с возможностью определять разность фаз между сигналами, сгенерированными первым и вторым измерительными преобразователями 40, 50. Выходной контур 60 можно выполнить также с возможностью определять амплитуду сигнала, сгенерированного вторым измерительным преобразователем 50.

Более подробно измерительные преобразователи 40, 50 и выходной контур 60 будут описаны далее со ссылками на фиг.4.

На фиг.4 упрощенная блок-схема, иллюстрирующая пример варианта осуществления устройства для измерения содержания воды и концентрации соли в потоке многофазного флюида, проходящем в подводном оборудовании для добычи нефти, представлена с большими подробностями.

Вариант осуществления, проиллюстрированный на фиг.4, в основном, соответствует варианту по фиг.3. Поэтому в той своей части, в которой оба варианта имеют общие, идентичные или подобные элементы, детальное описание со ссылками на фиг.3 применимо также и как описание варианта, представленного на фиг.4.

Конкретно, как показано на фиг.4, в данном варианте изобретения выходной контур 60 может содержать два ограничивающих усилителя 62, 64, по одному на каждый из сигналов, сгенерированных первым и вторым измерительными преобразователями 40, 50. Каждый из указанных усилителей 62, 64 можно выполнить в виде усилителя с экстремально высоким усилением, который в случае небольшого изменения входного сигнала переходит в режим насыщения, например, подобно тому, как это происходит в компараторе, сопоставляющем свой входной сигнал с нулевым сигналом. Тем самым гарантируется, что сигнал, сгенерированный ограничивающими усилителями 62, 64, имеет, по меньшей мере, приблизительно прямоугольную форму.

Кроме того, выходной контур 60 в данном варианте осуществления изобретения содержит фазочувствительный демодулятор 66, подключенный к соответствующим выходам ограничивающих усилителей 62, 64 и выполненный с возможностью генерировать первый выходной сигнал 70, строго или приблизительно пропорциональный разности фаз между двумя входными сигналами, поданными на демодулятор. Для получения такого результата демодулятор 66 в данном варианте выполнения (не проиллюстрированном специальным образом) может содержать порт, обеспечивающий операцию "ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ" (XOR-порт), входы которого подключены к соответствующим выходам ограничивающих усилителей 62, 64. Предусмотрена возможность серию импульсов, сгенерированную XOR-портом, дополнительно передать на низкочастотный фильтр (не показан), также содержащийся в демодуляторе 66. В типичном случае критическая частота (частота излома) для указанного фильтра существенно меньше частоты сигнала, поступающего от генератора 10. Например, значение такой критической частоты может составлять 0,1 от частоты генератора сигналов, хотя предусмотрена возможность выбрать и другие частоты. Выходной сигнал низкочастотного фильтра формирует первый выходной сигнал 70 демодулятора 66, характеризующий концентрацию соли в потоке многофазного флюида.

Далее, как показано на фиг.4, выходной контур 60 в данном варианте содержит амплитудный детектор 68, выполненный с возможностью определения амплитуды сигнала, сгенерированного вторым измерительным преобразователем 50. Амплитудный детектор формирует второй выходной сигнал 72, характеризующий содержание воды в потоке многофазного флюида. Для этого в данном (непроиллюстрированном) примере амплитудный детектор содержит выпрямитель и низкочастотный фильтр. В типичном случае критическая частота указанного фильтра также существенно меньше частоты сигнала, поступающего от генератора 10. Например, значение такой критической частоты может составлять 0,1 от частоты генератора сигналов, хотя предусмотрена возможность выбрать и другие частоты.

Кроме того, на фиг.4 представлены и другие возможные детали первого и второго измерительных преобразователей 40, 50. Как схематично показано на чертеже, в данном варианте изобретения первый измерительный преобразователь 40 содержит первый трансформатор (индуктивный элемент связи), который обеспечивает сигнал, характеризующий напряжение, измеренное на емкостном датчике, и гальванически разделен с этим датчиком. Первичная обмотка первого трансформатора шунтирует емкостной датчик, т.е. включена между присоединительными точками 8 и 9. Кроме того, первый трансформатор имеет вторичную обмотку, которая одним концом подключена к электрической опорной точке (нейтральной точке/заземлению), а другим - к входу выходного контура 60. Для обеспечения магнитной связи между первичной и вторичной обмотками первый трансформатор можно дополнительно снабдить ферромагнитным сердечником.

Как схематично показано на чертеже, второй измерительный преобразователь 50 представляет собой второй трансформатор (индуктивный элемент связи). Первичная обмотка указанного трансформатора связана с присоединительной точкой 9 на емкостном датчике, а также с генератором 10 сигналов. Второй трансформатор имеет также вторичную обмотку, которая одним концом подключена к электрической опорной точке (нейтральной точке/заземлению), а другим - к входу выходного контура 60. Для обеспечения магнитной связи между первичной и вторичной обмотками второй трансформатор можно дополнительно снабдить ферромагнитным сердечником.

В варианте изобретения, представленном на фиг.4, показан также блок 80 управления, входы которого через аналого-цифровые преобразователи 78, 76 принимают соответственно первый и второй выходные сигналы 70, 72. Блок управления содержит обрабатывающее устройство, такое как микропроцессор, с подключенной к нему памятью для данных и выполняемой программы, а также надлежащие входные/выходные контуры, контур синхронизации и другие схемы и контура, выбор которых не составит трудности для специалиста в этой области. Блок 80 управления выполнен с возможностью принимать первый и второй выходные сигналы 70, 72, причем в его схеме дополнительно учтена возможность обработки значений сигналов, соответствующих входным сигналам. Кроме того, блок управления выполнен с возможностью обеспечить коммуникацию с внешней коммуникационной шиной 86, например с последовательной коммуникационной шиной такого типа, который отвечает требованиям стандарта RS485. Можно использовать также цифровой коммуникационный канал, например CAN, или другое коммуникационное средство, пригодное для использования под водой. Чтобы обеспечить такую коммуникацию, используют надлежащий коммуникационный адаптер 84.

В схеме блока 80 управления по одному из вариантов осуществления изобретения дополнительно учтена возможность генерировать управляющий сигнал 82, проходящий к управляющему входу генератора 10 сигналов. В таком варианте блок 80 управления выполнен с дополнительной возможностью управлять конкретными параметрами сигналов, генерируемых генератором 10, причем в особенности частотой и амплитудой сигнала.

Кроме того, в схеме блока 80 управления можно учесть возможность извлечения дополнительных данных из поступивших первого и второго выходных сигналов 70, 72. Имеется в виду, например, возможность корреляции содержания воды с концентрацией соли (которые характеризуют соответственно первый и второй выходные сигналы 70, 72) с целью определения концентрации соли в водной фазе (в отличие от концентрации соли в суммарном многофазном потоке).

На фиг.5 представлена схема последовательности операций, иллюстрирующая способ измерения содержания воды и концентрации соли в потоке многофазного флюида, проходящем в подводном оборудовании для добычи нефти.

Реализацию способа начинают с шага 100 "запуск".

Затем выполняют шаг 110 подачи, на котором сигнал, поступающий от генератора 10 сигналов, подают на емкостный датчик, помещенный в трубной секции, через которую проходит поток многофазного флюида. Как упоминалось выше, генератор 10 генерирует периодический, например синусоидальный, сигнал.

Далее выполняют шаг 120 измерения напряжения, на котором измеряют напряжение на емкостном датчике.

Затем на шаге 130 измерения тока измеряют ток, проходящий через емкостный датчик.

Должно быть понятно, что, без какого-то влияния на результат, шаги 120 и 130 измерения можно по желанию провести в описанном порядке, поменять их местами или реализовать одновременно.

Далее выполняют шаг 140 генерирования выходных сигналов, на котором, исходя из измеренного напряжения на емкостном датчике и измеренного тока, проходящего через емкостной датчик, генерируют выходные сигналы 72 и 70, характеризующие соответственно содержание воды и концентрации соли в потоке многофазного флюида.

В одном из вариантов осуществления шаг, на котором генерируют выходные сигналы, включает определение разности фаз между измеренными напряжением и током и генерирование, на основе указанной разности, первого выходного сигнала 70, характеризующего концентрацию соли в потоке многофазного флюида.

В одном из вариантов осуществления шаг, на котором генерируют выходные сигналы, включает определение амплитуды измеренного тока и генерирование, на основе указанной амплитуды, второго выходного сигнала 72, характеризующего содержание воды в потоке многофазного флюида.

В одном из вариантов предлагаемого способа первый и второй выходные сигналы 70, 72 подают в блок 80 управления.

В частности, шаг генерирования выходных сигналов может включать получение усиленного сигнала и сигнала, ограниченного по амплитуде, на основе измеренных напряжения и тока, а также подачу результирующего усиленного сигнала и результирующего сигнала, ограниченного по амплитуде, на фазочувствительный демодулятор.

В одном из вариантов осуществления на шаге 120 измерения напряжения используют первый трансформатор, у которого первичная обмотка шунтирует емкостной датчик, а вторичная обмотка одним концом подключена к электрической опорной точке, а другим - к входу выходного контура 60.

В одном из вариантов осуществления на шаге 130 измерения тока используют второй трансформатор, у которого первичная обмотка подключена последовательно к емкостному датчику и генератору 10 сигналов, а вторичная обмотка одним концом подключена к электрической опорной точке, а другим - к входу выходного контура 60.

Электрической опорной точкой может быть электрическое заземление или какая-то другая нейтральная или нулевая точка.

Должно быть понятно, что для реализации способа, описанного со ссылками на фиг.5, пригодны трубная конструкция и устройство, проиллюстрированные соответственно на фиг.1-2 и 3-4. В данном случае поток флюида проходит через первый емкостный электрод 6, помещенный внутри трубной секции 5, а второй емкостный электрод 7 находится в потоке флюида, как это было описано выше.

Устройство и способ согласно изобретению наиболее эффективны при их использовании с подводным оборудованием для добычи нефти.

Приведенное описание было представлено только в качестве примера. Для специалистов в этой области должно быть понятно, что для описанных примеров технических решений возможны многочисленные изменения и альтернативы, лежащие в границах формулы изобретения.

Изобретение относится к оборудованию для подводной добычи нефти. Изобретение касается устройства измерения содержания воды и концентрации соли в потоке многофазного флюида в подводном оборудовании для добычи нефти, содержащего: емкостный датчик, находящийся внутри трубной секции (5), через которую проходит поток многофазного флюида, генератор (10) сигналов, подключенный к емкостному датчику; первый измерительный преобразователь (40), выполненный с возможностью измерения напряжения на емкостном датчике; второй измерительный преобразователь (50), выполненный с возможностью измерения тока, проходящего через емкостный датчик; выходной контур (60), выполненный с возможностью, на основе сигналов, сгенерированных первым (40) и вторым (50) измерительными преобразователями, генерировать выходные сигналы (70, 72), которые характеризуют концентрацию соли и содержание воды в потоке многофазного флюида, и блок (80) управления, выполненный с возможностью приема первого и второго выходных сигналов (70, 72), обработки значений принятых сигналов, обеспечения связи с внешней коммуникационной шиной (86), и управления параметрами сигналов генератора (10) сигналов. Изобретение также касается способа измерения содержания воды и концентрации соли в потоке многофазного флюида в подводном оборудовании для добычи нефти. Технический результат - возможность управления параметрами сигналов при измерении содержания воды и концентрации соли в потоке многофазного флюида в подводном оборудовании для добычи нефти. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Устройство для измерения содержания воды и концентрации соли в потоке многофазного флюида в подводном оборудовании для добычи нефти, содержащее:
емкостный датчик, находящийся внутри трубной секции (5), через которую проходит поток многофазного флюида,
генератор (10) сигналов, подключенный к емкостному датчику,
первый измерительный преобразователь (40), выполненный с возможностью измерения напряжения на емкостном датчике,
второй измерительный преобразователь (50), выполненный с возможностью измерения тока, проходящего через емкостный датчик,
выходной контур (60), выполненный с возможностью, на основе сигналов, сгенерированных первым (40) и вторым (50) измерительными преобразователями, генерировать выходные сигналы (70, 72), которые характеризуют концентрацию соли и содержание воды в потоке многофазного флюида, и
блок (80) управления, выполненный с возможностью
приема первого и второго выходных сигналов (70, 72),
обработки значений принятых сигналов,
обеспечения связи с внешней коммуникационной шиной (86) и
управления параметрами сигналов генератора (10) сигналов.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что выходной контур (60) выполнен с возможностью
определения разности фаз между сигналами, сгенерированными первым (40) и вторым (50) измерительными преобразователями, и
генерирования, на основе указанной разности фаз, первого выходного сигнала (70), который характеризует концентрацию соли.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что выходной контур (60) выполнен с возможностью
определения амплитуды сигнала, сгенерированного вторым измерительным преобразователем (50), и
генерирования, на основе указанной амплитуды, второго выходного сигнала (72), который характеризует содержание воды.

4. Устройство по любому из пп.1-3, отличающееся тем, что выходной контур (60) содержит
ограничивающий усилитель (62, 64) для каждого сигнала, сгенерированного первым (40) и вторым (50) измерительными преобразователями, и
фазочувствительный демодулятор (66), подключенный к выходам ограничивающих усилителей (62, 64).

5. Устройство по любому из пп.1-3, отличающееся тем, что первый измерительный преобразователь (40) представляет собой первый трансформатор, содержащий
первичную обмотку, шунтирующую емкостный датчик, и
вторичную обмотку, одним концом подключенную к электрической опорной точке, а другим - к входу выходного контура (60).

6. Устройство по любому из пп.1-3, отличающееся тем, что второй измерительный преобразователь (50) представляет собой второй трансформатор, содержащий
первичную обмотку, подключенную последовательно к емкостному датчику и к генератору (10) сигналов, и
вторичную обмотку, одним концом подключенную к электрической опорной точке, а другим - к входу выходного контура (60).

7. Устройство по любому из пп.1-3, отличающееся тем, что емкостный датчик содержит:
первый емкостный электрод (6), находящийся внутри трубной секции (5) и расположенный таким образом, чтобы через него проходил поток флюида, и
второй емкостный электрод (7), установленный в потоке флюида.

8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что второй емкостной электрод (7) содержит металлический наконечник для проводки указанного электрода через уплотнение.

9. Способ измерения содержания воды и концентрации соли в потоке многофазного флюида в подводном оборудовании для добычи нефти, включающий следующие шаги:
подачу сигнала от генератора (10) сигналов на емкостный датчик, находящийся внутри трубной секции (5), через которую проходит поток многофазного флюида,
измерение напряжения на емкостном датчике,
измерение тока, проходящего через емкостный датчик,
генерирование, на основе напряжения на емкостном датчике и проходящего через него тока, выходных сигналов (70, 72), характеризующих содержание воды и концентрацию соли в потоке многофазного флюида,
причем способ дополнительно включает:
подачу первого и второго выходных сигналов (70, 72) в блок (80) управления,
обработку блоком (80) управления значений введенных сигналов,
обеспечение, посредством блока (80) управления, связи с внешней коммуникационной шиной (86), и
управление, посредством блока (80) управления, параметрами сигналов, генерируемых генератором (10) сигналов.

10. Способ по п.9, отличающийся тем, что шаг генерирования выходных сигналов включает:
определение разности фаз между указанными напряжением и током и
генерирование, на основе указанной разности фаз, первого выходного сигнала (70), который характеризует концентрацию соли.

11. Способ по п.10, отличающийся тем, что шаг генерирования выходных сигналов включает:
определение амплитуды указанного тока и
генерирование, на основе значения указанной амплитуды, второго выходного сигнала (72), который характеризует содержание воды.

12. Способ по любому из пп.9-11, отличающийся тем, что шаг генерирования выходного сигнала включает:
формирование, на основе указанных напряжения и тока, усиленного сигнала и сигнала, ограниченного по амплитуде, и
подачу указанных усиленного сигнала и сигнала, ограниченного по амплитуде, на фазочувствительный демодулятор.

13. Способ по любому из пп.9-11, отличающийся тем, что шаг измерения напряжения на емкостном датчике включает использование первого трансформатора, содержащего:
первичную обмотку, шунтирующую емкостной датчик, и
вторичную обмотку, одним концом подключенную к электрической опорной точке, а другим - к входу выходного контура (60).

14. Способ по любому из пп.9-11, отличающийся тем, что шаг измерения тока, проходящего через емкостный датчик, включает использование второго трансформатора, содержащего:
первичную обмотку, подключенную последовательно к емкостному датчику и к генератору (10) сигналов, и
вторичную обмотку, одним концом подключенную к электрической опорной точке, а другим - к входу выходного контура (60).

15. Способ по любому из пп.9-11, отличающийся тем, что дополнительно включает прохождение потока флюида через первый емкостный электрод (6), находящийся внутри трубной секции (5), при этом второй емкостный электрод (7) установлен в потоке флюида.

16. Способ по п.15, отличающийся тем, что второй емкостный электрод (7) содержит металлический уплотнительный наконечник для проводки указанного электрода через уплотнение.