УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СОСТАВА ПОТОКА МНОГОФАЗНОЙ СМЕСИ Российский патент 2015 года по МПК G01F1/74 

Область техники

Изобретение относится к устройству и к способу для определения состава потока многофазной смеси.

Предшествующий уровень техники

Во многих отраслях промышленности существует потребность в способах для измерения состава потока многофазной смеси. В частности, в области газовой и нефтяной промышленности известны неинтрузивные (неагрессивные) способы для измерения потока многофазной смеси, исходящего из нефтяной или газовой скважины.

В документе US 6097786 раскрыт способ и устройство для определения состава потока многофазной смеси на основе рентгеновского излучения. Согласно этому принципу измерения поток многофазной смеси облучают высокоэнергетичным и низкоэнергетичным рентгеновским излучением. Излучение, которое проходит через поток, измеряется многоуровневым детектором. Поскольку ослабление излучения зависит от состава потока многофазной смеси, фракции из различных фаз могут быть определены.

В документе WO 2011/005133 А1 описано устройство и способ для измерения расхода потока многофазной смеси флюидов. Для этого изображения пространственных распределений фотонов из рентгеновских источников детектируются средством детектирования в разных интервалах времени. На основе этих распределений может быть определен расход потока смеси флюидов.

В известных решениях для анализа потока многофазной смеси измерительное устройство нуждается в калибровке вручную. В частности, различные коэффициенты поглощения фаз в потоке должны быть определены заранее, чтобы можно было вычислить состав потока на основе этих коэффициентов поглощения. Ручная калибровка занимает много времени, потому что образец потока должен быть взят оператором в местоположении устройства. Кроме того, в связи с затратами на выполнение ручной калибровки эта калибровка не повторяется очень часто, что приводит к ошибочным результатам для измеренного состава потока многофазной смеси.

Краткое изложение сущности изобретения

Задачей изобретения является создание устройства и способа для измерения состава потока многофазной смеси, имеющих возможность самокалибровки.

Эта задача решается с помощью устройства по п.1 формулы изобретения и способа по п.18 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления описаны в зависимых пунктах формулы изобретения.

Устройство в соответствии с изобретением измеряет состав потока многофазной смеси, содержащего по меньшей мере одну жидкую фазу, например различные жидкости, такие как нефть и вода, и по меньшей мере одну газообразную фазу, например различные виды газов. В частности, устройство предназначено для измерения потока жидких и газообразных углеводородов, исходящих из скважины. Устройство содержит измерительную трубку, образующую трубопровод для потока многофазной смеси. Термин "измерительная трубка” должен интерпретироваться в широком смысле и может относиться к любому участку измерения, имеющему произвольное поперечное сечение, например прямоугольное или круговое поперечное сечение. Устройство дополнительно содержит средство излучения для облучения многофазной смеси в измерительной трубке электромагнитным излучением. Предусмотрено средство детектирования для детектирования излучения средства излучения, которое проходит через многофазную смесь в измерительной трубке. Средство анализа используется для определения состава многофазной смеси на основе детектированного излучения и калибровочных данных по меньшей мере одной жидкой фазы и по меньшей мере одной газообразной фазы. Принцип измерения, используемый в изобретении, может основываться на известных методах. В частности, измерение может быть основано на способе, раскрытом в документе US 6097786, согласно которому излучение на различных энергетических уровнях детектируется для определения состава потока многофазной смеси. Все раскрытие этого документа включено посредством ссылки в настоящую заявку.

В отличие от известных устройств, в устройстве согласно изобретению реализован блок самокалибровки. Устройство включает в себя калибровочный сосуд, который расположен рядом с измерительной трубкой, так что при работе устройства средство излучения может облучать калибровочный сосуд, и средство детектирования может детектировать излучение средства излучения, проходящее через калибровочный сосуд.

Калибровочный сосуд может быть соединен с измерительной трубкой таким образом, что калибровочный сосуд заполняется многофазной смесью или соответствующими фазами многофазной смеси из измерительной трубки. Калибровочный блок дополнительно содержит средство сбора данных для сбора калибровочных данных из излучения, детектированного средством детектирования, которое проходит через калибровочный сосуд, когда калибровочный сосуд заполнен многофазной смесью или соответствующими фазами многофазной смеси из измерительной трубки.

Изобретение имеет то преимущество, что простая автоматическая калибровка может быть выполнена путем заполнения калибровочного сосуда многофазной смесью и автоматического сбора калибровочных данных посредством средства сбора данных. Следовательно, нет необходимости в ручной калибровке. Автоматическая калибровка может выполняться с регулярными интервалами, обеспечивая высокую точность измеренного состава потока многофазной смеси.

В предпочтительном варианте осуществления излучением средства излучения является высокоэнергетичное электромагнитное излучение с энергией фотонов по меньшей мере 10 кэВ. В частности, рентгеновское излучение и/или гамма-излучение хорошо подходят, так как это излучение только частично поглощается многофазной смесью, так что излучение может детектироваться средством детектирования.

Как упоминалось выше, известные способы могут быть использованы для определения состава потока многофазной смеси, например способ, описанный в документе US 6097786. Для этого средство излучения может генерировать по меньшей мере два различных импульса излучения, один импульс, имеющий низкий уровень энергии, и другой импульс, имеющий высокий уровень энергии. Аналогично, средство детектирования может детектировать различные импульсы излучения. Кроме того, средство анализа предназначено для определения состава потока многофазной смеси на основе детектированных различных импульсов излучения и калибровочных данных, причем калибровочные данные получены средством сбора данных от различных импульсов излучения, детектированных средством детектирования, которые проходят через калибровочный сосуд, когда калибровочный сосуд заполнен многофазной смесью или соответствующими фазами многофазной смеси из измерительной трубки.

В предпочтительном варианте осуществления калибровочные данные включают в себя коэффициенты поглощения для фаз в многофазной смеси по отношению к излучению средства излучения. Эти коэффициенты обеспечивают возможность вычисления различных фракций фаз потока многофазной смеси в измерительной трубке.

Для того чтобы обеспечить простую калибровку, условия измерения для измерительной трубки и для калибровочного сосуда должны быть сходными. Таким образом, в предпочтительном варианте осуществления измерительная трубка и калибровочный сосуд изготовлены из того же самого материала и/или имеют одинаковое поперечное сечение. В частности, измерительная трубка и/или калибровочный сосуд изготовлены из бериллиевой бронзы, и/или углеродного волокна, и/или стеклоуглерода, которые являются прозрачными для электромагнитного излучения и, в частности, высокоэнергетичного электромагнитного излучения.

Кроме того, измерительная трубка и/или калибровочный сосуд предпочтительно имеют эллиптическое поперечное сечение или поперечное сечение в форме удлиненного отверстия. Эти поперечные сечения, с одной стороны, обеспечивают высокую устойчивость по отношению к давлению в трубке и сосуде и, с другой стороны, гарантируют, что траектории пучков излучения через трубку и сосуд не слишком сильно варьируются.

В особенно предпочтительном варианте осуществления изобретения измерительная трубка и калибровочный сосуд расположены симметрично относительно средства излучения и средства детектирования, так что излучение, достигающее средство детектирования, которое соответственно прошло через измерительную трубу и калибровочный сосуд, не изменяется, когда положения измерительной трубки и калибровочного сосуда меняются местами. Таким образом, условия измерения для трубки и сосуда по существу одинаковы, так что простое вычисление на основе калибровочных данных без каких-либо преобразований может быть выполнено, чтобы определить состав потока многофазной смеси.

Для того, чтобы обеспечить аналогичные условия во время калибровки и измерений, температура в калибровочном сосуде и измерительной трубке должна быть одинаковой. Следовательно, секция измерительной трубки и секция калибровочного сосуда предпочтительно находятся в непосредственном контакте друг с другом для обеспечения хорошей теплопередачи. Кроме того, измерительная трубка и калибровочный сосуд предпочтительно окружены теплоизоляцией таким образом, что на тепловой режим трубки и сосуда не оказывает влияние окружающая среда.

Средство детектирования в устройстве согласно изобретению может быть реализовано различными способами. В частности, средство детектирования может содержать один или более датчиков детектирования. В предпочтительном варианте осуществления средство детектирования содержит матричное средство детектирования, обеспечивающее возможность пространственного разрешения детектируемого излучения, и/или средство детектирования содержит два датчика детектирования, где один датчик детектирования предназначен для детектирования излучения, проходящего через измерительную трубу, а другой датчик детектирования предназначен для детектирования излучения, проходящего через калибровочный сосуд. С помощью матричного средства детектирования различные фазы в многофазной смеси в калибровочном сосуде можно различить после этапа разделения.

В другом варианте осуществления изобретения устройство выполнено так, что во время работы устройства измерительная трубка и калибровочный сосуд ориентированы в вертикальном направлении, что обеспечивает возможность гравитационного расслоения (стратификации) различных фаз в многофазной смеси внутри калибровочного сосуда.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения для того, чтобы соединить калибровочный сосуд с измерительной трубкой, предусмотрена система клапанов, включающая в себя один или более клапанов и один или более трубопроводов. Система клапанов расположена между измерительной трубкой и калибровочным сосудом и управляется с помощью средства сбора данных. Эта система позволяет заполнять калибровочный сосуд многофазной смесью или соответствующими фазами многофазной смеси из измерительной трубки.

В предпочтительном варианте осуществления система клапанов содержит пробоотборник, расположенный в измерительной трубке и соединенный через первый трубопровод, включающий в себя первый клапан, с калибровочным сосудом, причем калибровочный сосуд заполняется многофазной смесью из измерительной трубки, когда открывается первый клапан.

Кроме того, система клапанов предпочтительно содержит второй трубопровод, включающий в себя второй клапан, причем по меньшей мере одна газообразная фаза многофазной смеси может быть взаимообмениваемой между измерительной трубкой и калибровочным сосудом, когда второй клапан открыт.

Система клапанов может также содержать третий трубопровод, включающий в себя третий клапан, причем многофазная смесь в калибровочном сосуде подается обратно в измерительную трубку, когда третий клапан открыт, причем третий трубопровод предпочтительно подключен к ограничению потока в измерительной трубке. Это ограничение потока позволяет уменьшить давление в измерительной трубке, тем самым обеспечивая хороший возвратный поток в измерительную трубку.

В другом варианте осуществления система клапанов включает в себя четвертый трубопровод, включающий в себя четвертый клапан, причем по меньшей мере одна газообразная фаза из многофазной смеси в калибровочном сосуде выпускается из калибровочного сосуда, когда четвертый клапан открыт. Этот вариант осуществления может быть использован для измерения состава стабильных и нестабильных газовых конденсатов, включенных в поток газового конденсата.

Кроме описанного выше измерения состава многофазной смеси, устройство согласно изобретению может также обеспечить возможность измерения скорости потока (расхода) на основе изображений, полученных с помощью средства детектирования. Предпочтительно, для определения расхода может быть использован способ, как описано в документе WO 2011/005133 A1. Все раскрытие данного документа включено посредством ссылки в настоящую заявку.

Помимо вышеупомянутого устройства, изобретение также относится к способу калибровки этого устройства, включающему в себя следующие этапы:

i) заполнение калибровочного сосуда многофазной смесью соответствующих фаз многофазной смеси из измерительной трубки;

ii) облучение калибровочного сосуда электромагнитным излучением от средства излучения и детектирование излучения, которое проходит через калибровочный сосуд, с помощью средства детектирования;

iii) сбор калибровочных данных с помощью средства сбора данных из излучения, детектируемого средством детектирования.

В предпочтительном варианте осуществления этого способа калибровочный сосуд затем заполняется по меньшей мере одной газовой фазой и по меньшей мере одной жидкой фазой многофазной смеси из измерительной трубки, или наоборот, где этапы ii) и iii) выполняются как для по меньшей мере одной жидкой фазы, так и для по меньшей мере одной газообразной фазы. Этот способ предпочтительно используется для потока газового конденсата.

В другом варианте осуществления калибровочный сосуд не заполняется отдельно различными фазами. Вместо этого калибровочный сосуд заполняется многофазной смесью из измерительной трубки, после чего расслоение многофазной смеси происходит таким образом, что по меньшей мере одна жидкая фаза и по меньшей мере одна газообразная фаза разделяются в сосуде, причем этапы ii) и iii) выполняются после расслоения. Этот способ предпочтительно используется для потока многофазной смеси, исходящего из нефтяной скважины, который обычно содержит нефть, воду и газ.

В предпочтительном варианте вышеописанного варианта осуществления по меньшей мере одна жидкая фаза отделяется в различных типах жидкостей, в частности нефти и воды, во время расслоения, причем калибровочные данные получают для каждого типа жидкости.

В другом варианте осуществления изобретения многофазная смесь представляет собой газовый конденсат, причем отношение устойчивых и неустойчивых конденсатов определяется с помощью средства сбора данных при атмосферном давлении.

Краткое описание чертежей

В дальнейшем варианты осуществления изобретения будут описаны подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых представлено следующее:

Фиг. 1 - вид спереди многофазного расходомера в соответствии с вариантом осуществления изобретения;

Фиг. 2 - вид сверху расходомера по фиг. 1;

Фиг. 3 - вид слева расходомера по фиг. 1, и

Фиг. 4 - вид справа расходомера по фиг. 1.

Описание предпочтительных вариантов воплощения

Вариант осуществления, описанный далее, относится к расходомеру, который используется в нефтяных скважинах и газовых скважинах для определения состава потока многофазной смеси, исходящего из скважины. Кроме того, расходомер может быть установлен в нефтепроводах и газопроводах для анализа потока в этих трубопроводах. Помимо определения состава многофазного потока расходомер, как описано в дальнейшем, также позволяет определять скорость потока на основе метода, как раскрыто в документе WO 2011/005133 A1. Однако это является опциональной характеристикой, и расходомер может включать в себя только функцию определения состава потока многофазной смеси.

На фиг. 1 показан вид спереди расходомера. Измеритель содержит измерительную трубку 1, которая расположена в вертикальном направлении по отношению к силе тяжести. Сила тяжести показана стрелкой g. В измерительной трубке 1 многофазный поток транспортируется в вертикальном направлении вверх. Направление этого потока указано стрелкой F. Для того чтобы проанализировать фазы, включенные в многофазный поток, средство 2 излучения в виде источника рентгеновских лучей облучает измерительную трубку 1 пучком рентгеновских лучей. Поперечное сечение этого пучка показано треугольником С. Материал измерительной трубки 1 является прозрачным для рентгеновских лучей. Предпочтительно, трубка выполнена из бериллиевой бронзы, или углеродного волокна, или стеклоуглерода, или любого другого материала, являющегося относительно прозрачным для рентгеновского излучения. Часть излучения поглощается многофазной смесью внутри измерительной трубки. Остальная часть излучения (т.е. не поглощенное излучение) детектируется средством 3 детектирования за измерительной трубкой 1. Средство детектирования содержит матричные датчики, обеспечивающие возможность пространственного разрешения детектируемой интенсивности в вертикальном и горизонтальном направлениях.

В варианте осуществления, как показано на фиг. 1, измерительная трубка облучается излучением на высоком энергетическом уровне и низком энергетическом уровне. Фотоны на высоком энергетическом уровне имеют коэффициент поглощения, который является одинаковым как для нефти, так и для воды, которые включены в многофазный поток скважины. В противоположность этому, фотоны на низком энергетическом уровне поглощаются значительно сильнее водой, чем нефтью. В отношении газов в многофазной смеси коэффициенты поглощения всех газов являются очень низкими для обоих уровней энергии. Средство 3 детектирования может разрешать лучи с различными энергетическими уровнями. С использованием вышеописанной зависимости между уровнями энергии фотонов и коэффициентами поглощения фотонов в многофазном потоке можно определить состав многофазного потока, т.е. можно определить проценты различных материалов в потоке. Для этого используется общий метод, в частности метод, описанный в документе US 6265713 B1. Поскольку этот метод уже известен, он не будет описываться ниже.

Для вычисления состава потока многофазной смеси коэффициенты поглощения для газовой фазы и жидкой фазы, предпочтительно отдельно для нефтяной фазы и водной фазы и газовой фазы (фаз), должны быть известны. Таким образом, эти коэффициенты являются параметрами калибровки, которые должны быть определены заранее в процессе калибровки. Обычно расходомер калибруется вручную. То есть берется образец из потока многофазной смеси и анализируется в отдельном процессе. Эта ручная калибровка занимает много времени, а также требует прибытия оператора к скважине или трубопроводу для взятия образца. В противоположность этому, расходомер по фиг. 1 обеспечивает возможность автоматической калибровки, например, в определенные промежутки времени и, таким образом, устраняет описанные выше недостатки ручной калибровки.

Для выполнения автоматической калибровки расходомер, как показано на фиг. 1, включает в себя калибровочный сосуд 4, который расположен рядом с измерительной трубкой 1. В представлении на фиг. 1 калибровочный сосуд 4 расположен перед измерительной трубкой 1. Калибровочный сосуд 4 также облучают пучком C источника 2 рентгеновских лучей. Кроме того, средство детектирования 3 также продолжается за калибровочный сосуд 4, так что интенсивность фотонов, проходящих через калибровочный сосуд 4, также может детектироваться с помощью средства 3 детектирования. Как будет описано более подробно ниже, калибровочный сосуд 4 соединен системой клапанов, включающей в себя клапаны и трубопроводы, с измерительной трубкой 1. В частности, калибровочный сосуд 4 может заполняться многофазной смесью из измерительной трубки 1 путем открытия соответствующих клапанов, которые не показаны в представлении на фиг. 1.

Однако в представлении на фиг. 1 показан верхний трубопровод 10 с клапаном 1001. Этот трубопровод соединен с верхней стороной калибровочного сосуда 4. Путем открытия клапана 1001 газы, выделяющиеся из многофазной смеси внутри калибровочного сосуда 4, могут выйти во внешнюю атмосферу. Кроме того, нижний трубопровод 9 соединен с нижней стороной калибровочного сосуда 4. Этот трубопровод содержит клапан 901 (фиг. 3), который не виден на фиг. 1. Путем открытия этого клапана поток многофазной смеси можно подавать обратно из калибровочного сосуда 4 в измерительную трубку 1. Измерительная трубка 1 включает в нижней части ограничение потока в форме кольцеобразной выемки 101, проходящей по окружности трубки 1. Трубопровод 9 соединен с измерительной трубкой в этом ограничении 101 потока. Из-за эффекта Вентури давление на ограничении потока 101 уменьшается, вследствие чего многофазная смесь в калибровочном сосуде 4 будет вытесняться в измерительную трубку 1.

Для калибровки расходомера калибровочный сосуд 4 заполняется через систему клапанов многофазной смесью из измерительной трубки 1, после чего происходит гравитационное расслоение, таким образом, разделяя различные фазы и смесь. Альтернативно, калибровочный сосуд отдельно заполняется жидкими фазами и газообразными фазами из многофазного потока, как будет описано более подробно ниже. Затем калибровочный сосуд облучается источником 2 рентгеновских лучей с двумя уровнями энергии, и соответствующая интенсивность фотонов, проходящих через калибровочный сосуд 4, измеряется средством 3 детектирования 3. Так как средством детектирования является матричный детектор, имеющий пространственное разрешение, различные фазы могут быть выделены в связи с различным поведением поглощения. В конечном счете определяются коэффициенты поглощения для различных фаз, и эти коэффициенты используются в качестве калибровочных данных для измерений потока многофазной смеси в измерительной трубке.

Как показано стрелкой Р на фиг. 1, данные из средства 3 детектирования обрабатываются в средстве 5 анализа и средстве 6 сбора данных, которые опущены на других чертежах (хотя имеются). Средство анализа выполняет вычисления, чтобы определить состав многофазной смеси на основе обнаруженных интенсивностей излучения, проходящего через трубку 1. Как упоминалось выше, это определение предпочтительно основано на методе, как раскрыто в документе US 6097786. Для вычислений средство 5 анализа использует калибровочные данные, которые определяются средством 6 сбора данных. Средство 6 сбора данных получает детектированные интенсивности фотонов по отношению к излучению, проходящему через калибровочный сосуд, и вычисляет на основе этих данных известным и простым способом коэффициенты поглощения различных фаз, которые затем используются средством 5 анализа. Средство 5 анализа и средство 6 сбора данных реализованы аппаратными средствами и программным обеспечением, например, в форме компьютера. Таким образом, средство анализа и средство сбора данных могут образовывать программное обеспечение, установленное на одном компьютере, так что эти средства интегрированы в одном модуле.

На фиг. 2 показан вид сверху расходомера, как показано на фиг. 1. Как видно из этого чертежа, средство 3 детектирования включает в себя два датчика 301 и 302 детектирования, оба из которых являются матричными детекторами. Детектор 301 предназначен для детектирования излучения, проходящего через измерительную трубку 1, а детектор 302 - для детектирования излучения, прошедшего через калибровочный сосуд 4. В целях обеспечения простой калибровки чувствительности обоих детекторов одинаковы и положение детектора 301 по отношению в измерительной трубке 1 соответствует положению детектора 302 по отношению к калибровочному сосуду 4. Более того, поперечное сечение и размер измерительной трубки 1 и калибровочного сосуда 4, по существу, одинаковы. Кроме того, измерительная трубка и сосуд выполнены из того же самого материала, так что пропускание излучения является одинаковым для трубки и сосуда.

Выбор формы поперечного сечения измерительной трубки основан на критериях, что труба должна выдерживать высокое давление (оптимально: круговое поперечное сечение), и что путь для различных рентгеновских лучей, проходящих через измерительную трубку к средству детектирования, должен варьироваться как можно меньше (оптимально: прямоугольное поперечное сечение). Исходя из этих критериев, эллипсовидная форма поперечного сечения выбрана для измерительной трубки 1. Более конкретно, форма измерительной трубки 1 имеет форму удлиненного отверстия, содержащего два плоских участка и два круговых участка. Как видно из фиг. 1, калибровочный сосуд 4 имеет ту же форму, что и измерительная трубка 1, и расположен рядом с измерительной трубкой таким образом, что две плоские поверхности трубки и сосуда находятся в непосредственном контакте друг с другом.

Как упоминалось выше, предпочтительно, чтобы как измерительная трубка 1, так и калибровочный сосуд 4 были изготовлены из того же или аналогичного материала и имели идентичные формы. Кроме того, температура калибровочного сосуда 4 должна быть как можно ближе к температуре измерительной трубки 1. Для выполнения этого требования хороший тепловой контакт обеспечивается через контактирующие плоские поверхности трубки и сосуда. Кроме того, для того, чтобы изолировать трубку и сосуд от окружающей среды, теплоизоляция 11 расположена вокруг трубки и сосуда. Эта тепловая изоляция не была показана на фиг. 1.

Помимо трубопровода 10 и клапана 1010 другие трубопроводы и клапаны видны из фиг. 2. В частности, канал 7 проходит внутри измерительной трубки 1 к пробоотборнику 702 (фиг. 3). Трубопровод 7 включает в себя клапан 701, и при открытии этого клапана многофазная смесь может протекать через трубопровод 7 к соединению, указанному кружком CI. В этом соединении трубопровод продолжается, с одной стороны, вниз к сосуду 4, так что многофазная смесь может вводиться в сосуд. Кроме того, это соединение продолжается к трубопроводу 10 через клапан 1010. При открытии этого клапана 1010 газы многофазной смеси могут выпускаться наружу.

Кроме того, другой трубопровод 8, включающий в себя клапан 801, можно видеть на фиг. 2. Этот трубопровод продолжается в вертикальном направлении в измерительной трубке 1 и в горизонтальном направлении в калибровочном сосуде 4 (см. также фиг. 3). При открытии клапана 801 газообразные фазы многофазной смеси в измерительной трубе 1 могут вводиться в калибровочный сосуд 4.

На фиг. 3 показан вид сбоку слева расходомера согласно фиг. 1. Как видно из этого чертежа, трубопровод 7 продолжается внутри измерительной трубки 1 и заканчивается в пробоотборнике 702. Кроме того, можно видеть соединение CI между трубопроводом 10 и трубопроводом 7. Пробоотборник 702 позволяет транспортировать многофазную смесь внутри измерительной трубки в калибровочный сосуд 4, когда клапан 701 открыт. Кроме того, из фиг. 3 можно видеть расположение трубопровода 8 с соответствующим клапаном 801 между измерительной трубкой 1 и калибровочным сосудом 4. Фиг. 3 также показывает, что трубопровод 9 включает в себя клапан 901 и заканчивается в ограничении потока 101, как описано выше. На фиг. 4 показан вид справа расходомера по фиг. 1. Структура средства 3 детектирования видна из этого чертежа. В частности, можно видеть, что средство детектирования включает два идентичных матричных детектора 301 и 302, где матричный детектор 301 размещен рядом с измерительной трубкой 1, а матричный детектор 302 расположен рядом с калибровочным сосудом 4.

В варианте осуществления расходомера, как описано выше, расположение измерительной трубки 1 по отношению к источнику 2 рентгеновских лучей и детектору 301 соответствует расположению калибровочного сосуда 4 по отношению к источнику 2 рентгеновских лучей и детектору 302. Кроме того, материал и размер сосуда и трубки одинаковы, и используется один и тот же тип детекторов 301 и 302. Кроме того, обеспечивается, что многофазные смеси в сосуде и трубке находятся в одинаковом тепловом состоянии. Как следствие, коэффициенты поглощения, вычисленные средством 6 сбора данных, могут быть использованы непосредственно средством 5 анализа без каких-либо вычислений преобразования. Таким образом, достигается очень простая калибровка расходомера, и качество калибровочных данных улучшается.

Далее поясняются два режима работы расходомера, как описано со ссылкой на фиг. 1 - фиг. 4. В обоих режимах работы клапаны системы клапанов открываются и закрываются в предопределенном порядке. Управление клапанами осуществляется средством 6 сбора данных, показанным на фиг. 1.

В первом рабочем режиме описывается калибровка потока газового конденсата, исходящего из газовой скважины. В таком потоке от 90% до 95% по объему смеси представляет собой газ. На первом этапе выполняется калибровка газообразной фазы. Чтобы сделать это, клапан 801 расходомера открыт, в то время как все другие клапаны закрыты. Как следствие, калибровочный сосуд заполняется газовой смесью. В этом состоянии могут быть собраны данные калибровки для чисто газообразной фазы с использованием источника 2 рентгеновских лучей и средства 3 детектирования.

На следующем этапе собирается жидкая фаза из газового конденсата. Чтобы сделать это, клапаны 801 и 701 открываются, в то время как все остальные клапаны закрыты. Таким образом, калибровочный сосуд 4 заполняется жидкой фазой. Этот процесс может занять некоторое время, так как доля жидкости в газовом конденсате является довольно низкой по сравнению с другими многофазными смесями. После сбора жидкой фазы данные калибровки для этой фазы собираются посредством источника 2 рентгеновского излучения и средства 3 детектирования.

На опциональном этапе дополнительное измерение может быть выполнено в течение калибровки. Для этого дополнительного измерения клапан 6 открыт, а все остальные клапаны закрыты. Как следствие, атмосферное давление будет устанавливаться в калибровочном сосуде, вследствие чего нестабильный конденсат будет испаряться, в то время как стабильные фракции останутся в калибровочном сосуде. Через измерение уровня жидкости в калибровочном сосуде (что возможно в связи со способностью пространственного разрешения матричного детектора 302) можно определить соотношение между устойчивыми и неустойчивыми конденсатами, сравнивая уровни в сосуде до и после открытия клапана 1010.

На заключительном этапе производится продувка калибровочного сосуда. На этом этапе все клапаны кроме клапанов 801 и 901 закрыты. Так как давление в зоне 101 ограничения потока понижено, содержимое калибровочного сосуда будет вытесняться в измерительную трубку. Таким образом, калибровочный сосуд снова заполняется газообразной фракцией многофазной смеси из измерительной трубки, и вышеупомянутые этапы могут повторяться вновь.

Во втором рабочем режиме процедура калибровки выполняется для многофазного потока, исходящего из нефтяной скважины. Такой многофазный поток содержит фазы воды, газа и нефти. На первом этапе этого способа клапаны 701 и 901 открываются. Как следствие, многофазная смесь будет протекать через калибровочный сосуд. Продолжительность этого этапа выбирается таким образом, чтобы многофазная смесь в калибровочном сосуде 4 была полностью заменена смесью из измерительной трубки. Так как калибровочный сосуд заполняется сверху, а клапан 901 расположен внизу, содержание газа в смеси будет выше в калибровочном сосуде по сравнению с фактическим потоком в измерительной трубке.

На втором этапе происходит расслоение смеси в калибровочном сосуде. На этом этапе открыт только клапан 801. Из-за гравитационного расслоения (стратификации) происходит разделение смеси из-за различных плотностей нефти, воды и газа. Время этого этапа должно быть достаточно длинным, так чтобы смесь была полностью разделена. В результате содержимое калибровочного сосуда распределяется таким образом, что внизу содержится вода, затем следует нефть и затем газ в верхней части.

На следующем этапе осуществляется сбор данных с помощью источника 2 рентгеновских лучей и средства 3 детектирования. Так как нефть, вода и газ имеют разное поглощение рентгеновских лучей, различные фазы могут быть выделены с помощью матричного детектора 302. Таким образом, калибровочные данные в форме коэффициентов поглощения могут быть получены для трех фаз нефти, воды и газа.

Изобретение, как описано выше, имеет ряд преимуществ. В частности, автоматическая калибровка расходомера может быть реализована без необходимости взятия образца потока многофазной смеси вручную. Автоматическая калибровка может повторяться с регулярными интервалами, таким образом, обеспечивая высокое качество калибровочных данных и очень точное измерение состава многофазного потока, проходящего через расходомер.

Использование: для измерения состава потока многофазной смеси. Сущность изобретения заключается в том, что устройство для измерения состава потока многофазной смеси содержит измерительную трубку (1), формирующую трубопровод для потока многофазной смеси, средство (2) излучения для облучения многофазной смеси в измерительной трубке (1) электромагнитным излучением, средство (3) детектирования для детектирования излучения средства (2) излучения, которое проходит через многофазную смесь в измерительной трубке (1), средство (5) анализа для определения состава многофазной смеси на основе детектированного излучения и калибровочных данных по меньшей мере одной жидкой фазы и по меньшей мере одной газообразной фазы, при этом калибровочный сосуд (4) размещен рядом с измерительной трубкой (1) таким образом, что средство (2) излучения может облучать калибровочный сосуд (4), и средство (3) детектирования может детектировать излучение средства (2) излучения, проходящее через калибровочный сосуд (4); калибровочный сосуд (4) может соединяться с измерительной трубкой (1) таким образом, что калибровочный сосуд (4) заполняется многофазной смесью или соответствующими фазами многофазной смеси из измерительной трубки (1); предусмотрено средство (6) сбора данных для получения калибровочных данных из излучения, детектированного средством (3) детектирования, которое проходит через калибровочный сосуд (4), когда калибровочный сосуд (4) заполнен многофазной смесью или соответствующими фазами многофазной смеси из измерительной трубки (1). Технический результат: обеспечение возможности самокалибровки при измерении состава потока многофазной смеси. 2 н. и 20 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство для измерения состава потока многофазной смеси, содержащего по меньшей мере одну жидкую фазу и/или по меньшей мере одну газообразную фазу, в частности поток жидких и газообразных углеводородов, исходящих из скважины, содержащее:
измерительную трубку (1), формирующую трубопровод для потока многофазной смеси;
средство (2) излучения для облучения многофазной смеси в измерительной трубке (1) электромагнитным излучением;
средство (3) детектирования для детектирования излучения средства (2) излучения, которое проходит через многофазную смесь в измерительной трубке (1);
средство (5) анализа для определения состава многофазной смеси на основе детектированного излучения и калибровочных данных по меньшей мере одной жидкой фазы и по меньшей мере одной газообразной фазы;
отличающееся тем, что
калибровочный сосуд (4) размещен рядом с измерительной трубкой (1) таким образом, что средство (2) излучения может облучать калибровочный сосуд (4), и средство (3) детектирования может детектировать излучение средства (2) излучения, проходящее через калибровочный сосуд (4);
калибровочный сосуд (4) может соединяться с измерительной трубкой (1) таким образом, что калибровочный сосуд (4) заполняется многофазной смесью или соответствующими фазами многофазной смеси из измерительной трубки (1);
предусмотрено средство (6) сбора данных для получения калибровочных данных из излучения, детектированного средством (3) детектирования, которое проходит через калибровочный сосуд (4), когда калибровочный сосуд (4) заполнен многофазной смесью или соответствующими фазами многофазной смеси из измерительной трубки (1).

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что излучение средства (2) излучения является высокоэнергетичным электромагнитным излучением с энергией фотонов по меньшей мере 10 кэВ, в частности рентгеновским излучением и/или гамма-излучением.

3. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что
средство (2) излучения может генерировать по меньшей мере два различных импульса излучения - один импульс, имеющий низкий уровень энергии, и другой импульс, имеющий высокий уровень энергии;
средство (3) детектирования (3) может детектировать различные импульсы излучения;
средство (5) анализа предназначено для определения состава потока многофазной смеси на основе детектированных различных импульсов излучения и калибровочных данных, при этом калибровочные данные получены с помощью средства (6) сбора данных из различных импульсов излучения, детектированных средством (3) детектирования, которые проходят через калибровочный сосуд (4), когда калибровочный сосуд (4) заполнен многофазной смесью или соответствующими фазами многофазной смеси из измерительной трубки (1).

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что калибровочные данные включают в себя коэффициенты поглощения для фаз в многофазной смеси по отношению к излучению средства (2) излучения.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что измерительная трубка (1) и калибровочный сосуд (4) выполнены из одинакового материала и/или имеют одинаковое поперечное сечение.

6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что измерительная трубка (1) и/или калибровочный сосуд (4) изготовлены из бериллиевой бронзы, и/или углеродного волокна, и/или стеклоуглерода.

7. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что измерительная трубка (1) и/или калибровочный сосуд (4) имеют эллиптическое поперечное сечение и/или поперечное сечение в форме удлиненного отверстия.

8. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что измерительная трубка (1) и калибровочный сосуд (4) расположены симметрично по отношению к средству (2) излучения и средству (3) детектирования, так что излучение, достигающее средство (3) детектирования, которое соответственно прошло через измерительную трубку (1) и калибровочный сосуд (4), не изменяется, когда положения измерительной трубки (1) и калибровочного сосуда (4) меняются местами.

9. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что участок измерительной трубки (1) и участок калибровочной емкости (4) находятся в непосредственном контакте друг с другом.

10. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что измерительная трубка (1) и калибровочный сосуд (4) окружены тепловой изоляцией (11).

11. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что средство (3) детектирования включает в себя матричное средство детектирования, что обеспечивает возможность пространственного разрешения детектируемого излучения, и/или средство (3) детектирования содержит два датчика (301, 302) детектирования, причем один датчик (301) детектирования предназначен для детектирования излучения, проходящего через измерительную трубу (1), а другой датчик (302) детектирования предназначен для детектирования излучения, проходящего через калибровочный сосуд (4).

12. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что устройство сконструировано так, что во время работы устройства измерительная трубка (1) и калибровочный сосуд (4) ориентированы в вертикальном направлении.

13. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что между измерительной трубкой (1) и калибровочным сосудом (4) расположена система клапанов, содержащая один или более клапанов (701, 801, 901, 1001) и один или более трубопроводов (7, 8, 9, 10), причем система клапанов управляется средством (6) сбора данных и обеспечивает возможность заполнения калибровочного сосуда (4) многофазной смесью или соответствующими фазами многофазной смеси из измерительной трубки (1).

14. Устройство по п. 13, отличающееся тем, что система клапанов содержит пробоотборник (702), расположенный в измерительной трубке (1) и соединенный посредством первого трубопровода (7), включающего в себя первый клапан (701), с калибровочным сосудом (4), причем калибровочный сосуд (4) заполняется многофазной смесью из измерительной трубки (1), когда первый клапан (701) открыт.

15. Устройство по п. 13, отличающееся тем, что система клапанов содержит второй трубопровод (8), включающий в себя второй клапан (801), причем по меньшей мере одна газообразная фаза из многофазной смеси может взаимно заменяться между измерительной трубкой (1) и калибровочным сосудом (4), когда второй клапан (801) открыт.

16. Устройство по п. 13, отличающееся тем, что система клапанов содержит третий трубопровод (9), включающий в себя третий клапан (901), причем многофазная смесь в калибровочном сосуде (4) подается назад в измерительную трубку (1), когда третий клапан (901) открыт, при этом третий трубопровод (9) предпочтительно соединен с ограничением (101) потока в измерительной трубке (1).

17. Устройство по п. 13, отличающееся тем, что система клапанов включает в себя четвертый трубопровод (10), включающий в себя четвертый клапан (1001), причем по меньшей мере одна газообразная фаза из многофазной смеси в калибровочном сосуде (4) выпускается из калибровочного сосуда (4), когда четвертый клапан (1001) открыт.

18. Способ калибровки устройства по любому из пп. 1-17, включающий в себя этапы, на которых:
i) заполняют калибровочный сосуд (4) многофазной смесью или соответствующими фазами многофазной смеси из измерительной трубки (1);
ii) облучают калибровочный сосуд (4) электромагнитным излучением средства (2) излучения и детектируют излучение, которое проходит через калибровочный сосуд (4), средством (3) детектирования;
iii) собирают калибровочные данные с помощью средства сбора данных из излучения, детектированного средством (3) детектирования.

19. Способ по п. 18, отличающийся тем, что калибровочный сосуд (4) затем заполняют по меньшей мере одной газообразной фазой и по меньшей мере одной жидкой фазой многофазной смеси из измерительной трубки (1), или наоборот, при этом этапы ii) и iii) выполняют как для по меньшей мере одной жидкой фазы, так и для по меньшей мере одной газообразной фазы.

20. Способ по п. 18, отличающийся тем, что калибровочный сосуд (4) заполняют многофазной смесью из измерительной трубки (1), после чего происходит расслоение многофазной смеси, так что по меньшей мере одна жидкая фаза и по меньшей мере одна газообразная фаза отделяются в сосуде, причем этапы ii) и iii) выполняют после расслоения.

21. Способ по п. 20, отличающийся тем, что по меньшей мере одна жидкая фаза отделяется в различных типах жидкостей, в частности нефти и воды, в процессе расслоения, при этом калибровочные данные получают для каждого типа жидкости.

22. Способ по п. 18, отличающийся тем, что многофазная смесь представляет собой газовый конденсат, при этом отношение стабильного и нестабильного конденсата определяют при атмосферном давлении с помощью средства (6) сбора данных.