СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СУММАРНОГО И ФРАКЦИОННОГО РАСХОДОВ НЕСМЕШИВАЮЩИХСЯ СРЕД И СИСТЕМА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2015 года по МПК G01F1/74 

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в информационно-измерительных системах нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности для измерения содержания компонентов многофазной среды, в частности, для определения дебита скважины, а также в других производствах, где есть необходимость измерения расхода многофазных технологических сред.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Способы измерения и устройства для измерения суммарного и фракционного расходов несмешивающихся сред должны обеспечивать измерение расхода текущей среды без загромождения сечения трубопровода и без нарушения его герметичности, и поэтому они являются наиболее предпочтительными при измерении расхода пожароопасных и взрывоопасных сред.

Известен корреляционный способ измерения суммарного и фракционного расходов многофазных несмешивающихся сред, реализованный в устройстве, описанном в патенте РФ №2194950, G01F 1/74, 1/712, G01N 22/04, 20.12.2002. Известный способ включает в себя выделение на трубопроводе двух контрольных участков, отстоящих друг от друга на фиксированном расстоянии, измерение флуктуации диэлектрической постоянной потока на каждом из контрольных участков, включающее сканирование потока вращающимся высокочастотным электрическим полем, обработку сигнала сканирования с выделением зоны максимума амплитудно-фазовой или амплитудно-частотной характеристики сигнала, измерение времени транспортировки по максимуму корреляционной функции сигналов сканирования и определение фракционных долей многофазных несмешивающихся сред и суммарного и фракционного расходов. Используя известный способ, можно определить суммарный расход и фракционные доли двух несмешивающихся сред, если диэлектрические характеристики транспортируемых сред существенно отличаются друг от друга, в частности, можно определить содержание воды в нефти при измерении дебита скважины. Однако если транспортируемая среда дополнительно содержит газ, то выделение фракционной доли газовой среды невозможно. В известном способе точность определения скорости потока и соответственно расхода во многом зависит от наличия в потоке достаточного количества разнородных зон с изменением структуры потока по времени, чтобы получить ярко выраженный экстремум корреляционной функции.

Известно устройство для измерения расхода электропроводных двухфазных сред, содержащее измерительный участок с магнитной системой переменного тока, имеющей индуктор с двумя катушками, размещенными с двух сторон относительно трубопровода, два электрода на противоположных стенках трубопровода и модуль управления, включающий блок вычисления корреляционной функции (см. авторское свидетельство СССР №901829, G01F 1/72, G01F 1/74, 30.01.1982). Использование магнитного поля обеспечивает высокий уровень сигнала, существенно превышающий помехи, но устройство может использоваться только для электропроводных жидкостей. Устройство хорошо работает на двухфазных средах, но с увеличением количества фаз оно не может выделить фракционную долю каждой фазы. В этом устройстве существует та же проблема с выделением экстремума корреляционной функции при определении скорости потока.

Известно также устройство для измерения суммарного и фракционного расходов многофазных несмешивающихся сред, содержащее мерный участок, на стенках которого установлены две системы просвечивания трубопровода высокочастотным электромагнитным полем на двух разных частотах. Анализируя принимаемые сигналы, можно расчетным путем определить изменение комплексных диэлектрических характеристик среды (реальную и мнимую составляющие комплексной диэлектрической постоянной) и на этой базе определить соотношение фаз в потоке (см. патент США №4902961, НКИ 324/640, 20.02.1990). Устройство обеспечивает достаточно точное определение соотношения фаз в многофазных потоках, в том числе в многофазных потоках с диэлектрическими жидкостями, но с его помощью нельзя определить расход жидкости, для чего потребуется дополнительное устройство.

Широко известны способы измерения расхода жидкости в трубопроводе с использованием ультразвука.

Известен способ измерения расхода жидкости, основанный на сканировании потока транспортируемой жидкости ультразвуковыми лучами с использованием шести преобразователей, формирующих систему перекрестных измерительных каналов со смещением групп преобразователей по оси трубопровода (патент РФ №2226263, G01F 1/66 от 27.03.2004). Известный способ обеспечивает достаточно высокую точность определения скорости потока и соответственно объемного расхода транспортируемой жидкости, но он применим только к однофазным жидкостям и не может использоваться для определения фракционного расхода многофазных сред.

Известен способ измерения расхода многофазной жидкости, в соответствии с которым измеряют температуру потока и давление в трубопроводе, плотности каждой из фаз, определяют скорость звука в каждой из фаз жидкости в рабочем диапазоне температур, измеряют акустический шум, создаваемый движением жидкости при протекании ее через известное сечение, измеряют и записывают амплитуды и частоты колебаний трубы, по которой протекает многофазная жидкость, измеряемый диапазон частот делят на части, соответствующие каждой фазе, в каждой из частей после применения быстрых преобразований Фурье, выделяют максимальные значения амплитуд и соответствующие им частоты и вычисляют объемный расход каждой фазы жидкости на основе предложенных зависимостей и рассчитывают объемную или массовую доли каждой фазы (патент РФ №2489685, G01F 1/66, 10.04.2013). В данном способе точность измерений в существенной степени зависит от собственных частот колебаний трубопровода, которые изменяются с изменением внешних условий: температура воздуха, осадки в виде дождя и снега, а также усилий в узлах крепления трубопровода. Кроме того в известном способе предполагается, что известны плотности каждой из фаз, но в реальных условиях плотность каждой из фаз может отличаться от плотности заложенной в расчеты.

Таким образом, продолжает оставаться актуальной проблема измерения фракционного и суммарного расхода многофазных транспортируемых сред с учетом реальной ситуации на момент измерений.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей настоящего изобретения является разработка способа измерения суммарного и фракционного расходов многофазных несмешивающихся сред, в том числе в потоках, содержащих три и более фаз, и устройства для его осуществления, с помощью которых можно определить фракционные доли всех фаз, присутствующих в потоке несмешивающихся сред (газ, несмешивающиеся жидкости, например, смесь воды и углеводородов), а также их расходы с учетом реальной ситуации на момент измерения для потоков многофазной транспортируемой среды, состав которой и плотности отдельных фракций могут изменяться.

Для решения поставленной задачи предлагается способ измерения суммарного и фракционного расходов многофазных несмешивающихся сред, включающий

выделение на трубопроводе контрольного участка,

сканирование потока многофазной транспортируемой среды на контрольном участке высокочастотным электрическим полем, регистрацию сигнала сканирования высокочастотным электрическим полем, отображающего флуктуации диэлектрической проницаемости многофазной транспортируемой среды, обработку сигнала сканирования высокочастотным электрическим полем с выделением зоны максимума амплитудно-частотной характеристики сигнала сканирования, и определение фракционной доли воды в многофазной транспортируемой среде, используя амплитудно-частотную характеристику сигнала сканирования высокочастотным электрическим полем в зоне максимума амплитудно-частотной характеристики сигнала сканирования,

сканирование потока многофазной транспортируемой среды на контрольном участке высокочастотным магнитным полем, регистрацию сигнала сканирования высокочастотным магнитным полем, отображающего флуктуации параметров магнитного поля в многофазной транспортируемой среде, обработка сигнала сканирования высокочастотным магнитным полем с выделением зоны максимума амплитудно-частотной характеристики сигнала и определение фракционной доли жидких и газообразных углеводородов в многофазной транспортируемой среде, используя амплитудно-частотную характеристику сигнала сканирования высокочастотным магнитным полем в зоне максимума амплитудно-частотной характеристики сигнала сканирования,

определение скорости звука в многофазной транспортируемой среде в соответствии с фракционным составом многофазной транспортируемой среды,

сканирование потока в трубопроводе ультразвуковым лучом, измерение Доплеровского сдвига частот прямого и отраженного ультразвуковых сигналов и определение скорости потока в трубопроводе с использованием упомянутой определенной скорости звука и Доплеровского сдвига частот прямого и отраженного ультразвуковых сигналов,

определение фракционного и суммарного расходов в потоке многофазной транспортируемой среды на основе определенных фракционных долей воды и жидких и газообразных углеводородов и скорости потока в трубопроводе.

Кроме того в предлагаемом способе предварительно выполняют калибровочное сканирование потока многофазной транспортируемой среды высокочастотным электрическим полем на контрольном участке трубопровода с диапазоном изменения несущей частоты сигналов, лежащим в пределах от 10 МГц до 80 МГц, и выделяют диапазон частот для сканирования высокочастотным электрическим полем многофазной транспортируемой среды при определении фракционной доли воды в многофазной транспортируемой среде, охватывающий зону максимума амплитудно-частотной характеристики сигнала калибровочного сканирования. При этом при калибровочном сканировании потока многофазной транспортируемой среды несущую частоту сканирующего сигнала изменяют ступенчато, и на каждой частоте регистрацию сигнала сканирования выполняют на установившемся режиме.

Кроме того, в предлагаемом способе предварительно выполняют калибровочное сканирование потока многофазной транспортируемой среды высокочастотным магнитным полем на контрольном участке трубопровода с диапазоном изменения несущей частоты сигналов, лежащим в пределах от 10 МГц до 80 МГц, и выделяют диапазон частот для сканирования высокочастотным магнитным полем многофазной транспортируемой среды при определении фракционной доли жидких и газообразных углеводородов в многофазной транспортируемой среде, охватывающий зону максимума амплитудно-частотной характеристики сигнала калибровочного сканирования. При этом при калибровочном сканировании потока многофазной транспортируемой среды несущую частоту сканирующего сигнала изменяют ступенчато, и на каждой частоте регистрацию сигнала сканирования выполняют на установившемся режиме.

Кроме того, в предлагаемом способе при сканировании потока в трубопроводе ультразвуковым лучом используют ультразвук с частотой в диапазоне 50-1000 КГц.

Кроме того, с предлагаемом способе для определения фракционной доли воды в многофазной транспортируемой среде сравнивают амплитудно-частотные характеристики сигнала сканирования высокочастотным электрическим полем в зоне максимума амплитудно-частотной характеристики с аналогичными амплитудно-частотными характеристиками, хранящимися в банке данных в памяти, выбирают из хранящихся в банке данных амплитудно-частотных характеристик, наиболее близкие амплитудно-частотные характеристики и, используя интерполяцию, вычисляют фракционную долю воды в многофазной транспортируемой среде.

Кроме того, в предлагаемом способе для определения фракционной доли жидких и газообразных углеводородов в многофазной транспортируемой среде сравнивают амплитудно-частотные характеристики сигнала сканирования высокочастотным магнитным полем в зоне максимума амплитудно-частотной характеристики с аналогичными амплитудно-частотными характеристиками, хранящимися в банке данных в памяти, выбирают из хранящихся в банке данных амплитудно-частотных характеристик наиболее близкие амплитудно-частотные характеристики и, используя интерполяцию, вычисляют фракционную долю жидких и газообразных углеводородов в многофазной транспортируемой среде.

Как вариант, в предлагаемом способе, используя зарегистрированные амплитудно-частотные характеристики, вычисляют резонансные частоты, фазовые сдвиги, реальную и мнимую составляющие комплексной диэлектрической постоянной, реальную и мнимую составляющие магнитных потерь, сравнивают полученные значения с эталонными показателями в банке данных, выделяют из банка данных наиболее близкие сочетания указанных параметров, и, используя интерполяцию, вычисляют фракционные доли отдельных компонентов многофазной транспортируемой среды.

Кроме того, в предлагаемом способе дополнительно измеряют температуру и давление многофазной среды.

Для достижения поставленной технической задачи предлагается также система для измерения суммарного и фракционного расходов многофазных несмешивающихся сред в трубопроводе, содержащая:

первый высокочастотный генератор сканирующих сигналов, блок сканирования потока многофазной транспортируемой среды высокочастотным электрическим полем, подключенный к первому высокочастотному генератору сканирующих сигналов, при этом блок сканирования потока многофазной транспортируемой среды высокочастотным электрическим полем предназначен для сканирования потока многофазной транспортируемой среды высокочастотным электрическим полем и регистрации сигнала сканирования высокочастотным электрическим полем, отображающего флуктуации диэлектрической проницаемости многофазной транспортируемой среды, первый блок определения амплитудно-частотных характеристик зарегистрированного сигнала сканирования высокочастотным электрическим полем, соединенный с блоком сканирования высокочастотным электрическим полем, предназначенный для обработки сигнала сканирования высокочастотным электрическим полем с выделением зоны максимума амплитудно-частотной характеристики сигнала сканирования высокочастотным электрическим полем;

второй высокочастотный генератор сканирующих сигналов, блок сканирования потока многофазной транспортируемой среды высокочастотным магнитным полем, подключенный ко второму высокочастотному генератору сканирующих сигналов, при этом блок сканирования потока многофазной транспортируемой среды предназначен для сканирования потока многофазной транспортируемой среды высокочастотным магнитным полем и регистрации сигнала сканирования высокочастотным магнитным полем, отображающего флуктуации параметров магнитного поля в многофазной транспортируемой среде, второй блок определения амплитудно-частотных характеристик зарегистрированного сигнала сканирования высокочастотным магнитным полем, соединенный с блоком сканирования высокочастотным магнитным полем, предназначенный для обработки сигнала сканирования высокочастотным магнитным полем с выделением зоны максимума амплитудно-частотной характеристики сигнала сканирования высокочастотным магнитным полем;

третий высокочастотный генератор сканирующих сигналов, блок сканирования потока многофазной транспортируемой среды ультразвуковым лучом, подключенный к третьему высокочастотному генератору сканирующих сигналов, предназначенный для просвечивания потока многофазной транспортируемой среды ультразвуковым лучом, регистрации отраженного ультразвукового сигнала и блок определения Доплеровского сдвига частот прямого и отраженного ультразвуковых сигналов, соединенный с блоком сканирования потока многофазной транспортируемой среды ультразвуковым лучом;

блок хранения эталонных амплитудно-частотных характеристик сканирования потока многофазной транспортируемой среды высокочастотным электрическим полем и для хранения эталонных амплитудно-частотных характеристик сканирования потока многофазной транспортируемой среды высокочастотным магнитным полем

микропроцессор для управления работой системы для измерения суммарного и фракционного расходов многофазных несмешивающихся сред, соединенный с блоками устройства, при этом микропроцессор конфигурирован, чтобы принимать амплитудно-частотные характеристики сигнала сканирования из первого и второго блоков определения амплитудно-частотных характеристик, запрашивать аналогичные характеристики из блока хранения эталонных характеристик, получать запрошенные амплитудно-частотные характеристики из блока хранения эталонных характеристик, определять фракционные доли воды, жидких и газообразных углеводородов в многофазной транспортируемой среде на основе сравнения измеренных и эталонных амплитудно-частотных характеристик, определять скорость звука, соответствующую этому определенному составу многофазной транспортируемой среды, принимать Доплеровский сдвиг частот прямого и отраженного ультразвуковых сигналов из блока определения Доплеровского сдвига частот, определять скорость потока на основе скорости звука в потоке и Доплеровского сдвига частот и определять фракционный и суммарный расходы многофазной транспортируемой среды на основе определенных долей воды, жидких и газообразных углеводородов и скорости потока в трубопроводе.

Кроме того, предлагаемая система дополнительно оснащена датчиками температуры и давления, установленными на трубопроводе и подключенными к микропроцессору.

В заявленных способе и системе в основу изобретения положено комбинированное использование сканирования потока высокочастотным электрическим полем и высокочастотным магнитным полем для получения достоверных сведений о составе многофазной транспортируемой среды, например, объемных долей фракций в многофазной транспортируемой среде, определение на основе этих измерений скорости звука на момент проведения измерений расхода в потоке и определение скорости потока многофазной транспортируемой среды с использованием Доплеровского сдвига частот с использованием при расчетах этой скорости звука, определенной на момент проведения измерений. Это обеспечивает более точное определение скорости звук в потоке и соответственно более точное определение фракционного и суммарного расходов транспортируемой по трубопроводу многофазной среды.

Использование эталонных характеристик банка данных для определения конкретного соотношения фракционных долей многофазной среды позволяет оперативно определять фракционные доли, используя для банка данных либо сами эталонные амплитудно-частотные характеристики, полученные экспериментально в лабораторных или натурных условиях, либо цифровые значения параметров амплитудно-частотных характеристик, вычисляемые по известным формулам.

Измерение температуры и давления многофазной среды повышает точность определения фракционного состава и расходов, так как позволяет учесть изменение диэлектрических и магнитных характеристик среды по температуре и давлению.

Изобретение дает возможность оперативного контроля дебита нефтяных скважин с определением фракционного и суммарного расходов многофазной транспортируемой среды с учетом реальной ситуации на момент измерений.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Изобретение поясняется чертежом, где схематически представлена блок-схема системы измерения суммарного и фракционного расходов многофазных несмешивающихся сред в соответствии с настоящим изобретением.

ПРИМЕРЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Система для измерения суммарного и фракционного расходов многофазных несмешивающихся сред устанавливается непосредственно на трубопроводе 1 и включает измерительную секцию 2, стенки которой выполнены из диэлектрического материала.

Предлагаемая система для измерения суммарного и фракционного расходов многофазных несмешивающихся сред содержит первый высокочастотный генератор 3 сканирующих сигналов, блок 4 сканирования потока многофазной транспортируемой среды высокочастотным электрическим полем, подключенный к первому высокочастотному генератору 3 сканирующих сигналов и первый блок 5 определения амплитудно-частотных характеристик (АЦП 1) зарегистрированного сигнала сканирования высокочастотным электрическим полем, соединенный с блоком 4 сканирования высокочастотным электрическим полем, предназначенный для обработки сигнала сканирования высокочастотным электрическим полем с выделением зоны максимума амплитудно-частотной характеристики сигнала сканирования высокочастотным электрическим полем.

Предлагаемая система содержит также второй высокочастотный генератор 6 сканирующих сигналов (ГСС 2), блок 7 сканирования потока многофазной транспортируемой среды высокочастотным магнитным полем, подключенный ко второму высокочастотному генератору 6 сканирующих сигналов и второй блок 8 определения амплитудно-частотных характеристик (АЦП 2) зарегистрированного сигнала сканирования высокочастотным магнитным полем, соединенный с блоком 7 сканирования высокочастотным магнитным полем, предназначенный для обработки сигнала сканирования высокочастотным магнитным полем с выделением зоны максимума амплитудно-частотной характеристики сигнала сканирования высокочастотным магнитным полем.

Предлагаемая система содержит также третий высокочастотный генератор 9 сканирующих сигналов, блок 10 сканирования потока многофазной транспортируемой среды ультразвуковым лучом, подключенный к третьему высокочастотному генератору 9 сканирующих сигналов и процессорный блок 11 (ПБ) определения Доплеровского сдвига частот прямого и отраженного ультразвуковых сигналов, соединенный с блоком 10 сканирования потока многофазной транспортируемой среды ультразвуковым лучом.

Предлагаемая система содержит также блок 12 хранения эталонных амплитудно-частотных характеристик сканирования потока многофазной транспортируемой среды высокочастотным электрическим полем и эталонных амплитудно-частотных характеристик сканирования потока многофазной транспортируемой среды высокочастотным магнитным полем.

Дополнительно предлагаемая система для измерения суммарного и фракционного расходов многофазных несмешивающихся сред содержит датчик 13 температуры многофазной транспортируемой среды и датчик 14 давления многофазной транспортируемой среды.

В состав системы включен микропроцессор 15 для управления работой системы для измерения суммарного и фракционного расходов многофазных несмешивающихся сред, к которому подключены все блоки и датчики системы измерения суммарного и фракционного расходов многофазных несмешивающихся сред (на блок-схеме показаны наиболее существенные соединения между отдельными элементами системы, но не все соединения, чтобы не загромождать блок-схему).

Микропроцессор 15 конфигурирован, чтобы управлять блоками системы и выполнять все операции предлагаемого способа измерения суммарного и фракционного расходов многофазных несмешивающихся сред, в том числе, чтобы принимать амплитудно-частотные характеристики сигнала сканирования из первого 5 и второго 6 блоков определения амплитудно-частотных характеристик, запрашивать аналогичные характеристики из блока 9 хранения эталонных характеристик, получать запрошенные амплитудно-частотные характеристики из блока 9 хранения эталонных характеристик, определять фракционные доли воды, жидких и газообразных углеводородов в многофазной транспортируемой среде на основе сравнения измеренных и эталонных амплитудно-частотных характеристик, определять скорость звука, соответствующую этому определенному составу многофазной транспортируемой среды, принимать Доплеровский сдвиг частот прямого и отраженного ультразвуковых сигналов из процессорного блока 11 определения Доплеровского сдвига частот, определять скорость потока на основе скорости звука в потоке и доплеровского сдвига частот и определять фракционный и суммарный расходы многофазной транспортируемой среды на основе определенных долей воды, жидких и газообразных углеводородов и скорости потока в трубопроводе.

Дополнительно предлагаемая система для измерения суммарного и фракционного расходов многофазных несмешивающихся сред может содержать внешнюю ЭВМ 16, в которой можно сохранять все результаты измерений и все основные и вспомогательные программы для обработки измерений и управления системой.

Предлагаемая система может реализовать заявленный способ измерения суммарного и фракционного расходов многофазных несмешивающихся сред следующим образом.

В трубопровод 1, по которому перемещается многофазная несмешивающаяся среда, например, на трубопроводе, идущем от нефтедобывающей скважины, вставляют измерительную секцию 2, на которой производят сканирование потока высокочастотными сигналами. В общем случае транспортируемая по трубопроводу нефть может содержать минерализованную воду, жидкие и газообразные углеводороды.

Используя первый высокочастотный генератор 3 сканирующих сигналов (ГСС 1) генерируют первый высокочастотный сигнал, который передают в блок 4 сканирования потока многофазной транспортируемой среды высокочастотным электрическим полем, с помощью которого производят сканирование потока многофазной транспортируемой среды высокочастотным электрическим полем для определения фракционной доли воды в потоке многофазной среды, транспортируемой по трубопроводу.

Первый сканирующий сигнал представляет собой пакет дискретно модулированных высокочастотных электрических колебаний напряжением, например, 2В, со ступенчатым изменением несущей частоты с диапазоном изменения несущей частоты сигналов, лежащим в пределах от 10 МГц до 80 МГц. Величина ступеньки задается управляющим микропроцессором 4 и может составлять 50-150 Гц. Длительность сканирующего сигнала должна быть достаточна для выхода на установившийся режим измерения. Регистрируемые (выходные) сигналы, отражающие результаты сканирования потока, имеют переменную амплитуду и сдвиг по фазе, зависящие от несущей частоты сканирующего сигнала и флуктуации диэлектрической проницаемости многофазного потока. Абсолютная максимальная амплитуда выходного сигнала будет наблюдаться на резонансной частоте, хотя на других частотах могут наблюдаться частные максимумы амплитуды.

Блок 4 регистрирует сигнал сканирования высокочастотным электрическим полем и передает сигнал сканирования в первый блок 5 определения амплитудно-частотных характеристик зарегистрированного сигнала сканирования высокочастотным электрическим полем. Сигнал сканирования потока высокочастотным электрическим полем содержит информацию о флуктуации диэлектрической проницаемости многофазной транспортируемой среды, исследуя которую можно определить фракционную долю воды в транспортируемой многофазной среде. Первый блок 5 определения амплитудно-частотных характеристик зарегистрированного сигнала сканирования высокочастотным электрическим полем обрабатывает полученный из блока 4 сигнал сканирования высокочастотным электрическим полем и выделяет в нем зоны максимума амплитудно-частотной характеристики сигнала сканирования высокочастотным электрическим полем.

Обработанный сигнал сканирования высокочастотным электрическим полем передают из первого блока 4 в микропроцессор 15, в котором определяют фракционную долю воды в многофазной транспортируемой среде. В соответствии с основным вариантом осуществления изобретения для определения фракционной доли воды запрашивают из блока хранения эталонных характеристик 12 хранящиеся там аналогичные эталонные характеристики для сканирования потока высокочастотным электрическим полем. Для сокращения времени обработки запрашивают эталонные характеристики, лежащие в зоне частот, прилежащей к зоне максимума замеренной амплитудно-частотной характеристики. Получив из блока 12 эталонные характеристики, выбирают из них эталонные характеристики наиболее близкие к замеренным амплитудно-частотным характеристикам. При выборе подходящих эталонных характеристик можно использовать известные корреляционные методы. Используя выбранные эталонные характеристики, определяют фракционную долю воды в многофазной транспортируемой среде, например, используя известные линейные и нелинейные интерполяционные методы расчета.

Для выявления предпочтительных диапазонов частот сканирования выполняют калибровочное сканирование потока многофазной транспортируемой среды высокочастотным электрическим полем на контрольном участке трубопровода с диапазоном изменения несущей частоты сигналов, лежащим в пределах от 10 МГц до 80 МГц, например, с изменением несущей частоты от 10 МГц до 50 МГц, и выделяют диапазон частот для сканирования высокочастотным электрическим полем многофазной транспортируемой среды при определении фракционной доли воды в многофазной транспортируемой среде, охватывающий зону максимума амплитудно-частотной характеристики сигнала калибровочного сканирования. Как правило, выделенный диапазон частот для сканирования высокочастотным электрическим полем выбирается в пределах 0,9-1,1 от выбранной резонансной частоты. Расширение диапазона частот приводит к необоснованному увеличению операционного времени для сканирования и обработки результатов сканирования.

Используя второй высокочастотный генератор 6 сканирующих сигналов генерируют второй высокочастотный сигнал, который передают в блок 7 сканирования потока многофазной транспортируемой среды высокочастотным магнитным полем, с помощью которого производят сканирование потока многофазной транспортируемой среды высокочастотным магнитным полем для определения фракционной доли жидких и газообразных углеводородов в потоке многофазной среды, транспортируемой по трубопроводу.

Второй сканирующий сигнал представляет собой пакет дискретно модулированных высокочастотных электрических колебаний напряжением, например, 2 В, со ступенчатым изменением несущей частоты с диапазоном изменения несущей частоты сигналов, лежащим в пределах от 10 МГц до 80 МГц. Величина ступеньки задается управляющим микропроцессором 15 и может составлять 50-150 Гц. Длительность сканирующего сигнала должна быть достаточна для выхода на установившийся режим измерения. Регистрируемые (выходные) сигналы, отражающие результаты сканирования потока, имеют переменную амплитуду и сдвиг по фазе, зависящие от несущей частоты сканирующего сигнала и флуктуации параметров магнитного поля в потоке многофазной транспортируемой среды. Абсолютная максимальная амплитуда выходного сигнала будет наблюдаться на резонансной частоте, хотя на других частотах могут наблюдаться частные максимумы амплитуды.

Блок 7 регистрирует сигнал сканирования высокочастотным магнитным полем и передает сигнал сканирования во второй блок 8 определения амплитудно-частотных характеристик зарегистрированного сигнала сканирования высокочастотным магнитным полем. Сигнал сканирования потока высокочастотным магнитным полем содержит информацию о флуктуации параметров магнитного поля в потоке многофазной транспортируемой среды, исследуя которую можно определить фракционные доли жидких и газообразных углеводородов в транспортируемой многофазной среде. Второй блок 8 определения амплитудно-частотных характеристик зарегистрированного сигнала сканирования высокочастотным магнитным полем обрабатывает полученный из блока 7 сигнал сканирования высокочастотным магнитным полем и выделяет в нем зоны максимума амплитудно-частотной характеристики сигнала сканирования высокочастотным магнитным полем.

Обработанный сигнал сканирования высокочастотным магнитным полем передают из второго блока 8 в микропроцессор 15, в котором определяют фракционные доли жидких и газообразных углеводородов в многофазной транспортируемой среде. В соответствии с основным вариантом осуществления изобретения для определения фракционных долей жидких и газообразных углеводородов запрашивают из блока хранения эталонных характеристик 12 хранящиеся там аналогичные эталонные характеристики для сканирования потока высокочастотным магнитным полем. Для сокращения времени обработки запрашивают эталонные характеристики, лежащие в зоне частот, прилежащей к зоне максимума замеренной амплитудно-частотной характеристики. Получив из блока 12 эталонные характеристики, выбирают из них эталонные характеристики наиболее близкие к замеренным амплитудно-частотным характеристикам. При выборе подходящих эталонных характеристик можно использовать известные корреляционные методы.

Используя выбранные эталонные характеристики, определяют фракционные доли жидких и газообразных углеводородов в многофазной транспортируемой среде, например, используя известные линейные и нелинейные интерполяционные методы расчета.

Для выявления предпочтительных диапазонов частот сканирования выполняют калибровочное сканирование потока многофазной транспортируемой среды высокочастотным магнитным полем на контрольном участке трубопровода с диапазоном изменения несущей частоты сигналов, лежащим в пределах от 10 МГц до 80 МГц, и выделяют диапазон частот для сканирования высокочастотным магнитным полем многофазной транспортируемой среды при определении фракционной доли воды в многофазной транспортируемой среде, охватывающий зону максимума амплитудно-частотной характеристики сигнала калибровочного сканирования. Предпочтительно использовать диапазон частот, лежащий в пределах 0,9-1,1 от резонансной частоты при калибровочном сканировании.

После выполнения этих операций становится известным фракционный состав многофазной транспортируемой среды и можно определить по известным зависимостям скорость звука для многофазной транспортируемой среды с этим фракционным составом и соответственно можно точно определить скорость потока многофазной транспортируемой среды в трубопроводе.

Для повышения точности определения скорости звука и фракционных долей дополнительно измеряют датчиками 13 и 14 температуру и давление многофазной транспортируемой среды. Результаты измерений передают в микропроцессор 15.

Используя третий высокочастотный генератор 9 сканирующих сигналов, генерируют третий высокочастотный сигнал, который передают в процессорный блок 10 сканирования потока многофазной транспортируемой среды ультразвуковым лучом, для сканирования потока многофазной транспортируемой среды в трубопроводе ультразвуковым лучом и измерения Доплеровского сдвига частот прямого и отраженного ультразвуковых сигналов. Процессорный блок 10 передает результаты измерения Доплеровского сдвига частот прямого и отраженного ультразвуковых сигналов в микропроцессор 15 в котором определяют скорость потока в трубопроводе с использованием упомянутой выше определенной скорости звука и Доплеровского сдвига частот прямого и отраженного ультразвуковых сигналов.

Зная скорость потока и фракционный состав многофазной транспортируемой среды (фракционные доли воды и жидких и газообразных углеводородов), микропроцессор 15 рассчитывает фракционные и суммарный расходы в потоке многофазной транспортируемой среды.

Фракционные доли можно также определить, проанализировав форму амплитудно-частотных характеристик, определив по известным методикам резонансные частоты, фазовые сдвиги, реальную и мнимую составляющие комплексной диэлектрической постоянной, реальную и мнимую составляющие магнитных потерь и сравнив их с данными, хранящимися в банке данных в блоке хранения эталонных характеристик.

Управляющий микропроцессор 15 может обрабатывать поступившие сигналы по нескольким процедурам.

По первой процедуре управляющий микропроцессор 15 запрашивает из блока 12 хранящиеся там данные эталонных характеристик многофазной среды и сравнивает результирующие амплитудно-частотные характеристики с эталонными, выбирая из них наиболее близкие к замеренным характеристикам, сравнение с которыми позволяет достаточно точно определить фракционные доли многофазного потока, и скорость звука для полученного состава многофазной транспортируемой среды.

По второй процедуре микропроцессор 15 обрабатывает непосредственно оцифрованные результаты обработки амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик, поступившие из блоков 5 и 8. Фракционные доли можно определить, проанализировав форму амплитудно-частотных характеристик и определив по известным методикам резонансные частоты, фазовые сдвиги, реальную и мнимую составляющие комплексной диэлектрической постоянной, реальную и мнимую составляющие магнитных потерь и сравнив их с данными, хранящимися в банке данных. Результаты измерений передаются во внешнюю ЭВМ для постоянного хранения и анализа.

Процедуру сканирования потока многофазной транспортируемой среды высокочастотным электрическим полем можно выполнять с использованием двух схем. По первой схеме сканирование выполняют, например, единичным высокочастотным сигналом, генерирующим одномерное переменное высокочастотное электрическое поле. По второй схеме сканирование выполняют вращающимся высокочастотным электрическим полем.

Процедуру сканирования потока многофазной транспортируемой среды высокочастотным магнитным полем также можно выполнять с использованием двух схем. По первой схеме сканирование выполняют с использованием, например, просвечивания магнитным полем перпендикулярно оси трубопровода. По второй схеме сканирование выполняют вращающимся высокочастотным магнитным полем.

Выбор схемы сканирования определяется требованиями заказчика.

ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ

Специалисту в данной области техники должно быть очевидным, что в настоящем изобретении возможны разнообразные модификации и изменения. Изобретение можно использовать на трубопроводах любого диаметра с любой формой поперечного сечения (круглое, квадратное, прямоугольное и т.п.). Соответственно, предполагается, что настоящее изобретение охватывает указанные модификации и изменения, а также их эквиваленты, без отступления от сущности и объема изобретения, раскрытого в прилагаемой формуле изобретения.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в информационно-измерительных системах нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности, в частности для определения дебита скважины. Предлагается способ измерения суммарного и фракционного расходов многофазных несмешивающихся сред, включающий сканирование потока многофазной транспортируемой среды на контрольном участке высокочастотным электрическим полем, обработку результатов сканирования, определение амплитудно-частотных характеристик и определение на их основе фракционных долей в потоке многофазной среды и скорости звука для этого потока многофазной среды. Дополнительно сканируют поток транспортируемой многофазной среды ультразвуковым лучом и определяют скорость потока в трубопроводе с использованием Доплеровского сдвига частот прямого и отраженного ультразвуковых сигналов и определенной скорости звука. Используя результаты измерения скорости потока и фракционного состава определяют фракционный и суммарный расходы в потоке многофазной транспортируемой среды. Предлагается также система для измерения суммарного и фракционного расходов многофазных несмешивающихся сред в трубопроводе, реализующая этот способ. Технический результат - возможность оперативного контроля дебита нефтяных скважин с учетом реальной ситуации на момент измерений. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ измерения суммарного и фракционного расходов многофазных несмешивающихся сред, включающий
выделение на трубопроводе контрольного участка,
сканирование потока многофазной транспортируемой среды на контрольном участке высокочастотным электрическим полем, регистрацию сигнала сканирования высокочастотным электрическим полем, отображающего флуктуации диэлектрической проницаемости многофазной транспортируемой среды, обработку сигнала сканирования высокочастотным электрическим полем с выделением зоны максимума амплитудно-частотной характеристики сигнала сканирования и определение фракционной доли воды в многофазной транспортируемой среде, используя амплитудно-частотную характеристику сигнала сканирования высокочастотным электрическим полем в зоне максимума амплитудно-частотной характеристики сигнала сканирования,
сканирование потока многофазной транспортируемой среды на контрольном участке высокочастотным магнитным полем, регистрацию сигнала сканирования высокочастотным магнитным полем, отображающего флуктуации параметров магнитного поля в многофазной транспортируемой среде, обработку сигнала сканирования высокочастотным магнитным полем с выделением зоны максимума амплитудно-частотной характеристики сигнала и определение фракционной доли жидких и газообразных углеводородов в многофазной транспортируемой среде, используя амплитудно-частотную характеристику сигнала сканирования высокочастотным магнитным полем в зоне максимума амплитудно-частотной характеристики сигнала сканирования,
определение скорости звука в многофазной транспортируемой среде в соответствии с фракционным составом многофазной транспортируемой среды,
сканирование потока в трубопроводе ультразвуковым лучом, измерение Доплеровского сдвига частот прямого и отраженного ультразвуковых сигналов и определение скорости потока в трубопроводе с использованием упомянутой определенной скорости звука и Доплеровского сдвига частот прямого и отраженного ультразвуковых сигналов,
определение фракционного и суммарного расходов в потоке многофазной транспортируемой среды на основе определенных долей воды, жидких и газообразных углеводородов и скорости потока в трубопроводе.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что предварительно выполняют калибровочное сканирование потока многофазной транспортируемой среды высокочастотным электрическим полем на контрольном участке трубопровода с диапазоном изменения несущей частоты сигналов, лежащим в пределах от 10 МГц до 80 МГц, и выделяют диапазон частот для сканирования высокочастотным электрическим полем многофазной транспортируемой среды при определении фракционной доли воды в многофазной транспортируемой среде, охватывающий зону максимума амплитудно-частотной характеристики сигнала калибровочного сканирования.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что при калибровочном сканировании потока многофазной транспортируемой среды высокочастотным электрическим полем несущую частоту сканирующего сигнала изменяют ступенчато, и на каждой частоте регистрацию сигнала сканирования выполняют на установившемся режиме.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что предварительно выполняют калибровочное сканирование потока многофазной транспортируемой среды высокочастотным магнитным полем на контрольном участке трубопровода с диапазоном изменения несущей частоты сигналов, лежащим в пределах от 10 МГц до 80 МГц, и выделяют диапазон частот для сканирования высокочастотным магнитным полем многофазной транспортируемой среды при определении фракционной доли жидких и газообразных углеводородов в многофазной транспортируемой среде, охватывающий зону максимума амплитудно-частотной характеристики сигнала калибровочного сканирования.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что при калибровочном сканировании потока многофазной транспортируемой среды высокочастотным магнитным полем несущую частоту сканирующего сигнала изменяют ступенчато, и на каждой частоте регистрацию сигнала сканирования выполняют на установившемся режиме.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что при сканировании потока в трубопроводе ультразвуковым лучом используют ультразвук с частотой в диапазоне 50-1000 КГц.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что для определения фракционной доли воды в многофазной транспортируемой среде сравнивают амплитудно-частотные характеристики сигнала сканирования высокочастотным электрическим полем в зоне максимума амплитудно-частотной характеристики с аналогичными амплитудно-частотными характеристиками, хранящимися в банке данных в памяти, выбирают из хранящихся в банке данных амплитудно-частотных характеристик наиболее близкие амплитудно-частотные характеристики и, используя интерполяцию, вычисляют фракционную долю воды в многофазной транспортируемой среде.

8. Способ по п,1, отличающийся тем, что для определения фракционной доли жидких и газообразных углеводородов в многофазной транспортируемой среде сравнивают амплитудно-частотные характеристики сигнала сканирования высокочастотным магнитным полем в зоне максимума амплитудно-частотной характеристики с аналогичными амплитудно-частотными характеристиками, хранящимися в банке данных в памяти, выбирают из хранящихся в банке данных амплитудно-частотных характеристик наиболее близкие амплитудно-частотные характеристики и, используя интерполяцию, вычисляют фракционную долю жидких и газообразных углеводородов в многофазной транспортируемой среде.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что, используя зарегистрированные амплитудно-частотные характеристики, вычисляют резонансные частоты, фазовые сдвиги, реальную и мнимую составляющие комплексной диэлектрической постоянной, реальную и мнимую составляющие магнитных потерь, сравнивают полученные значения с эталонными показателями в банке данных, выделяют из банка данных наиболее близкие сочетания указанных параметров и, используя интерполяцию, вычисляют фракционные доли отдельных компонентов многофазной транспортируемой среды.

10. Способ по любому из пп.1-9, отличающийся тем, что дополнительно измеряют температуру и давление многофазной среды.

11. Система для измерения суммарного и фракционного расходов многофазных несмешивающихся сред в трубопроводе, содержащая:
первый высокочастотный генератор сканирующих сигналов, блок сканирования потока многофазной транспортируемой среды высокочастотным электрическим полем, подключенный к первому высокочастотному генератору сканирующих сигналов, при этом блок сканирования потока многофазной транспортируемой среды высокочастотным электрическим полем предназначен для сканирования потока многофазной транспортируемой среды высокочастотным электрическим полем и регистрации сигнала сканирования высокочастотным электрическим полем, отображающего флуктуации диэлектрической проницаемости многофазной транспортируемой среды, первый блок определения амплитудно-частотных характеристик зарегистрированного сигнала сканирования высокочастотным электрическим полем, соединенный с блоком сканирования высокочастотным электрическим полем, предназначенный для обработки сигнала сканирования высокочастотным электрическим полем с выделением зоны максимума амплитудно-частотной характеристики сигнала сканирования высокочастотным электрическим полем;
второй высокочастотный генератор сканирующих сигналов, блок сканирования потока многофазной транспортируемой среды высокочастотным магнитным полем, подключенный ко второму высокочастотному генератору сканирующих сигналов, при этом блок сканирования потока многофазной транспортируемой среды предназначен для сканирования потока многофазной транспортируемой среды высокочастотным магнитным полем и регистрации сигнала сканирования высокочастотным магнитным полем, отображающего флуктуации параметров магнитного поля в многофазной транспортируемой среде, второй блок определения амплитудно-частотных характеристик зарегистрированного сигнала сканирования высокочастотным магнитным полем, соединенный с блоком сканирования высокочастотным магнитным полем, предназначенный для обработки сигнала сканирования высокочастотным магнитным полем с выделением зоны максимума амплитудно-частотной характеристики сигнала сканирования высокочастотным магнитным полем;
третий высокочастотный генератор сканирующих сигналов, блок сканирования потока многофазной транспортируемой среды ультразвуковым лучом, подключенный к третьему высокочастотному генератору сканирующих сигналов, предназначенный для просвечивания потока многофазной транспортируемой среды ультразвуковым лучом, регистрации отраженного ультразвукового сигнала, и процессорный блок определения Доплеровского сдвига частот прямого и отраженного ультразвуковых сигналов, соединенный с блоком сканирования потока многофазной транспортируемой среды ультразвуковым лучом;
блок хранения эталонных амплитудно-частотных характеристик сканирования потока многофазной транспортируемой среды высокочастотным электрическим полем и для хранения эталонных амплитудно-частотных характеристик сканирования потока многофазной транспортируемой среды высокочастотным магнитным полем;
микропроцессор для управления работой системы для измерения суммарного и фракционного расходов многофазных несмешивающихся сред, соединенный с блоками системы, при этом микропроцессор конфигурирован, чтобы принимать амплитудно-частотные характеристики сигнала сканирования из первого и второго блоков определения амплитудно-частотных характеристик, запрашивать аналогичные характеристики из блока хранения эталонных характеристик, получать запрошенные амплитудно-частотные характеристики из блока хранения эталонных характеристик, определять фракционные доли воды, жидких и газообразных углеводородов в многофазной транспортируемой среде на основе сравнения измеренных и эталонных амплитудно-частотных характеристик, определять скорость звука, соответствующую этому определенному составу многофазной транспортируемой среды, принимать Доплеровский сдвиг частот прямого и отраженного ультразвуковых сигналов из блока определения Доплеровского сдвига частот, определять скорость потока на основе скорости звука в потоке и доплеровского сдвига частот и определять фракционный и суммарный расходы многофазной транспортируемой среды на основе определенных долей воды, жидких и газообразных углеводородов и скорости потока в трубопроводе.

12. Система по п.11, отличающаяся тем, что она дополнительно оснащена датчиками температуры и давления, установленными на трубопроводе и подключенными к микропроцессору.