ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ ДЛЯ МНОГОКОМПОНЕНТНОЙ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ С СЖИМАЕМЫМИ И НЕСЖИМАЕМЫМИ КОМПОНЕНТАМИ Российский патент 2016 года по МПК G01N9/26 

Область техники

Описанные ниже варианты осуществления относятся к многокомпонентным текучим средам и, в частности, к способу определения различных характеристик текучей среды для многокомпонентной текучей среды с одним или более сжимаемыми компонентами и одним или более несжимаемыми компонентами.

Уровень техники

Вибрационные датчики расхода текучей среды, например, кориолисовы массовые расходомеры и вибрационные денситометры обычно действуют путем обнаружения движения вибрирующего патрубка, который содержит текущее вещество. Свойства, связанные с текучей средой в патрубке, например массовый расход, плотность и прочее, можно определять посредством обработки сигналов измерения, принятых от преобразователей движения, связанных с патрубком. Колебательные моды вибрирующей системы, наполненной веществом, в общем случае, определяются комбинированной массой, жесткостью и характеристиками затухания содержащего патрубка и содержащегося в нем вещества.

Типичный вибрационный расходомер включает в себя один или более патрубков, которые врезаны в трубопровод или другую транспортную систему и переносят вещество, например текучие среды, суспензии и прочее, в системе. Каждый патрубок можно рассматривать как имеющий набор естественных колебательных мод, включающих в себя, например, простую изгибную, торсионную, радиальную и связанные моды. В типичном приложении кориолисова измерения массового расхода, патрубок возбуждается в одной или более колебательных модах, когда вещество течет через патрубок, и движение патрубка измеряется в точках, разнесенных вдоль патрубка. Возбуждение обычно обеспечивается приводом, например, электромеханическим устройством, например возбудителем типа звуковой катушки, которое возмущает патрубок в периодическом режиме. Массовый расход можно определять путем измерения задержки по времени или разностей фаз между движениями в положениях преобразователя. Два таких преобразователя (или тензодатчиков) обычно применяются для измерения колебательного отклика расходного патрубка или патрубков и обычно располагаются в позициях до и после привода. Два тензодатчика подключены к электронной измерительной аппаратуре проводкой, например, двумя независимыми парами проводов. Измерительная аппаратура принимает сигналы от двух тензодатчиков и обрабатывает сигналы для вывода измерения массового расхода.

Вибрационные расходомеры обеспечивают высокую точность для однокомпонентных потоков. Однако, когда вибрационный расходомер используется для измерения текучих сред, включающих в себя увлеченный газ, газ, включающий в себя увлеченные капли жидкости, или другие типы текучих сред, включающих в себя сжимаемые и несжимаемые компоненты, точность измерителя может значительно снижаться. Увлеченный газ обычно присутствует в виде пузырьков в текущем веществе. Одной проблемой, обусловленной пузырьками газа, является разделение. Малые пузырьки обычно движутся с жидким текущим веществом, когда расходомер вибрирует. Однако более крупные пузырьки не движутся с жидкостью в ходе вибрации расходной трубки. Вместо этого пузырьки могут отделяться от жидкости и могут двигаться независимо от жидкости. Следовательно, жидкость может течь вокруг пузырьков. Это негативно влияет на колебательный отклик расходомера.

Размер увлеченных пузырьков газа может изменяться в зависимости от скорости, вязкости, поверхностного натяжения и других параметров текучей среды. Степень снижения показателей связана не только с тем, сколько всего газа присутствует, но и с размером отдельных пузырьков газа в потоке. Размер пузырьков влияет на точность измерения. Более крупные пузырьки занимают больший объем и разделяются в большей степени, что приводит к увеличению погрешности измерений текущего вещества. Благодаря сжимаемости газа, пузырьки могут изменяться в количестве газа, но не обязательно изменяются в размере. Напротив, если давление изменяется, размер пузырька может соответственно изменяться в сторону увеличения при падении давления или в сторону уменьшения при увеличении давления. Это также может приводить к изменениям в естественной или резонансной частоте расходомера.

Вибрационные расходомеры используются для осуществления измерений массового расхода и плотности для разнообразных потоков текучей среды. Одна область, в которой можно использовать кориолисовы расходомеры, это выполнение измерений нефтяных и газовых скважин. Продукт таких скважин может содержать многокомпонентную текучую среду, включающую в себя нефть или газ, а также включающую в себя другие компоненты, например воду и воздух. Весьма желательно, чтобы результат выполнения измерений был как можно точнее, даже для такого многокомпонентного потока. Кроме того, в таких ситуациях, пользователь часто хочет знать не только общие расход и плотность текучей среды, но и другие характеристики текучей среды, например плотность жидкой фазы и расход отдельных компонентов многокомпонентного потока. Часто кориолисов расходомер будет измерять только общие расход и плотность текучей среды. В случае двух компонентов жидкости известной плотности, в расходомерах, отвечающих уровню техники, могут определяться доли и расходы отдельных компонентов. Расходомерная электроника, в настоящее время присутствующая на рынке, исходит из того, что поток текучей среды содержит только нефть и воду, и использует уравнения (1) и (2) для определения количества каждого компонента. Этот алгоритм известен в нефтяной и газовой промышленности как Net Oil Computer.

(1), (2),

где

- объемная доля нефти;

- объемная доля воды;

ρ_measured - плотность текучей среды, измеренная вибрационным расходомером;

ρ_o - плотность нефти; и

ρ_w - плотность воды.

С использованием уравнений (1) и (2), из известных или предполагаемых плотностей воды и нефти можно определять объемные доли нефти и воды. Когда объемные доли определены, можно определить расход отдельных компонентов. Важно отметить, что измеренная плотность в уравнении (2) фактически немного неточна вследствие разделения между двумя разными компонентами. Однако, поскольку плотность воды и нефти аналогичны, разделение очень мало и измерения, в общем случае, достаточно точны.

Однако когда система использует только уравнения (1) и (2), и если присутствует увлеченный газ, результирующая более низкая общая плотность текучей среды неверно интерпретируется как обусловленная более высокой объемной долей нефти, и, таким образом, измерительная электроника выводит более высокий расход нефти и общее количество нефти в потоке. Во многих приложениях реального мира текучая среда может содержать некоторое количество газа, что может значительно снижать точность измерения Net Oil Computer. Поэтому текучая среда может не содержать столько нефти, сколько показывает расходомер. Проблема может состоять в том, что пользователь может думать, что нефтяная скважина все еще производит удовлетворительное количество нефти, тогда как фактически скважина производит только воду и газ. Присутствие газа в системе приводит к тому, что уравнения (1) и (2) преобразуются в уравнения (3) и (4).

(3), (4),

где

- объемная доля газа; и

ρ_g - плотность газа.

Как можно видеть, уравнения (3) и (4) приводят к двум уравнениям с тремя неизвестными (тремя объемными долями), которые не имеют однозначного решения.

Другой областью, где используются вибрационные расходомеры, является пищевая промышленность. Например, в молочной промышленности пользователи могут хотеть знать плотность молока, доставляемого по различным причинам обработки и качества. Однако часто текущее молоко включает в себя увлеченные пузырьки воздуха. Поэтому для данной плотности, обеспеченной вибрационным расходомером, пользователь не может быть уверен в плотности молока, поскольку измеренная плотность подвергается влиянию более низкой плотности воздуха. Дополнительно, объемные доли молока и воздуха неизвестны.

Хотя вышеизложенные проблемы касались, в основном, жидкости с увлеченным газом, очевидно, что существуют аналогичные проблемы с многокомпонентными текучими средами, содержащими одну или более сжимаемых жидкостей, смешанных с одной или более несжимаемыми жидкостями. “Сжимаемый” означает, что плотность компонента изменяется на пороговую величину в условиях эксплуатации в системе, представляющей интерес. Эти многокомпонентные текучие среды могут содержать жидкости с увлеченным газом, две или более жидкости (по меньшей мере, одна из которых содержит сжимаемую жидкость), или газ с увлеченными каплями жидкости.

В уровне техники остается необходимость в вибрационном расходомере, который может точно измерять характеристики потока многокомпонентной текучей среды с одной или более несжимаемыми текучими средами и одной или более сжимаемыми текучими средами.

Сущность изобретения

Предусмотрен способ согласно варианту осуществления. Способ содержит этап измерения первой плотности, ρ₁, многокомпонентной текучей среды, содержащей один или более несжимаемых компонентов и один или более сжимаемых компонентов в состоянии первой плотности. Согласно варианту осуществления, способ дополнительно содержит этап регулировки многокомпонентной текучей среды из состояния первой плотности в состояние второй плотности. Согласно варианту осуществления, способ дополнительно содержит этапы измерения второй плотности, ρ₂, многокомпонентной текучей среды в состоянии второй плотности и определения одной или более характеристик текучей среды, по меньшей мере, одного из сжимаемых компонентов или несжимаемых компонентов.

Предусмотрена система измерения текучей среды согласно варианту осуществления. Система измерения текучей среды содержит трубопровод, выполненный с возможностью приема многокомпонентной текучей среды, содержащей один или более несжимаемых компонентов и один или более сжимаемых компонентов. Согласно варианту осуществления, система измерения текучей среды дополнительно содержит первый расходомер, включающий в себя первую сборку датчиков, гидравлически связанную с трубопроводом, и измерительную электронику, выполненную с возможностью измерения, по меньшей мере, первой плотности, ρ₁, многокомпонентной текучей среды. Согласно варианту осуществления, система измерения текучей среды дополнительно содержит регулятор плотности, гидравлически связанный с трубопроводом и первой сборкой датчиков, выполненный с возможностью регулировки плотности многокомпонентной текучей среды из состояния первой плотности в, по меньшей мере, состояние второй плотности путем регулировки давления и/или температуры многокомпонентной текучей среды. Предусмотрена система обработки, выполненная с возможностью генерации одной или более характеристик текучей среды, по меньшей мере, одного из несжимаемых компонентов или сжимаемых компонентов на основании первой плотности, ρ₁, многокомпонентной текучей среды в состоянии первой плотности и второй плотности, ρ₂, многокомпонентной текучей среды в состоянии второй плотности.

Аспекты

Согласно аспекту, способ содержит этапы, на которых:

измеряют первую плотность, ρ₁, многокомпонентной текучей среды, содержащей один или более несжимаемых компонентов и один или более сжимаемых компонентов в состоянии первой плотности;

регулируют многокомпонентную текучую среду из состояния первой плотности в состояние второй плотности;

измеряют вторую плотность, ρ₂, многокомпонентной текучей среды в состоянии второй плотности; и

определяют одну или более характеристик текучей среды, по меньшей мере, одного из сжимаемых компонентов или несжимаемых компонентов.

Предпочтительно, этап определения содержит определение комбинированной плотности одного или более несжимаемых компонентов.

Предпочтительно, этап измерения первой плотности, ρ₁, содержит использование первого кориолисова расходомера.

Предпочтительно, этап измерения второй плотности, ρ₂, содержит использование второго кориолисова расходомера.

Предпочтительно, способ дополнительно содержит этап ожидания порогового времени после измерения первой плотности, ρ₁, до измерения второй плотности, ρ₂.

Предпочтительно, состояние первой плотности содержит первое давление, ρ₁, и первую температуру, T₁, и состояние второй плотности содержит второе давление, ρ₂, и/или вторую температуру, T₂.

Предпочтительно, способ дополнительно содержит этапы, на которых:

измеряют расход многокомпонентной текучей среды;

определяют объемную долю одного или более из компонентов многокомпонентной текучей среды; и

определяют расход одного или более из компонентов на основании измеренного расхода и объемной доли.

Согласно другому аспекту, система измерения текучей среды содержит:

трубопровод, выполненный с возможностью приема многокомпонентной текучей среды, содержащей один или более несжимаемых компонентов и один или более сжимаемых компонентов;

первый расходомер, включающий в себя:

первую сборку датчиков, гидравлически связанную с трубопроводом;

измерительную электронику, выполненную с возможностью измерения, по меньшей мере, первой плотности, ρ₁, многокомпонентной текучей среды; и

регулятор плотности, гидравлически связанный с трубопроводом и первой сборкой датчиков, выполненный с возможностью регулировки плотности многокомпонентной текучей среды из состояния первой плотности в, по меньшей мере, состояние второй плотности путем регулировки давления и/или температуры многокомпонентной текучей среды; и

систему обработки, выполненную с возможностью генерации одной или более характеристик текучей среды, по меньшей мере, одного из несжимаемых компонентов или сжимаемых компонентов на основании первой плотности, ρ₁, многокомпонентной текучей среды в состоянии первой плотности и второй плотности, ρ₂, многокомпонентной текучей среды в состоянии второй плотности.

Предпочтительно, система измерения текучей среды дополнительно содержит второй расходомер, включающий в себя:

вторую сборку датчиков, гидравлически связанную с трубопроводом и регулятором плотности, причем регулятор плотности располагается между первой сборкой датчиков и второй сборкой датчиков.

Предпочтительно, система измерения текучей среды дополнительно содержит вторую измерительную электронику, выполненную с возможностью измерения, по меньшей мере, второй плотности, ρ₂, многокомпонентной текучей среды в состоянии второй плотности.

Предпочтительно, система измерения текучей среды дополнительно содержит один или более датчиков давления вблизи первой сборки датчиков и один или более датчиков давления вблизи второй сборки датчиков.

Предпочтительно, первый датчик давления располагается до первой сборки датчиков, и второй датчик давления располагается после первой сборки датчиков, и третий датчик давления располагается после регулятора плотности и до второй сборки датчиков, и четвертый датчик давления располагается после второй сборки датчиков.

Предпочтительно, система измерения текучей среды дополнительно содержит один или более датчиков температуры, выполненных с возможностью измерения температуры многокомпонентной текучей среды в состояниях первой и второй плотности.

Предпочтительно, система обработки содержит часть первой измерительной электроники.

Предпочтительно, первый расходомер содержит кориолисов расходомер.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 показана система измерения текучей среды согласно варианту осуществления.

На Фиг. 2 показан график погрешности плотности от плотности смеси, определяемой независимыми измерителями газа и жидкости, в зависимости от сжимаемой объемной доли текучей среды согласно варианту осуществления.

На Фиг. 3 показана процедура обработки согласно варианту осуществления.

Подробное описание изобретения

Фиг. 1-3 и нижеследующее описание демонстрируют конкретные примеры, поясняющие специалистам в данной области техники, как создавать и использовать предпочтительные варианты осуществления системы измерения текучей среды. Для раскрытия принципов изобретения некоторые традиционные аспекты упрощены или опущены. Специалисты в данной области техники могут вносить изменения в эти примеры, не выходя за рамки объема настоящего описания. Специалистам в данной области техники очевидно, что описанные ниже признаки можно комбинировать по-разному для формирования многочисленных модификаций системы измерения текучей среды. В результате, описанные ниже варианты осуществления ограничиваются не описанными ниже конкретными примерами, а только формулой изобретения и ее эквивалентами.

На Фиг. 1 показана система 100 измерения текучей среды согласно варианту осуществления. Согласно варианту осуществления, система 100 измерения текучей среды содержит первый расходомер 5 и второй расходомер 6. В других вариантах осуществления, можно обеспечить единственный расходомер 5 без второго расходомера 6. Такие варианты осуществления наиболее пригодны для ситуаций, когда текучая среда не течет, что будет описано ниже более подробно. Согласно варианту осуществления, первый расходомер 5 содержит сборку 101 датчиков и измерительную электронику 22. Сборка 101 датчиков и измерительная электроника 22 могут быть электрически соединены посредством одного или более проводников 21. Согласно варианту осуществления, второй расходомер 6 содержит сборку 102 датчиков и измерительную электронику 24. Сборка 102 датчиков и измерительная электроника 24 могут быть электрически соединены посредством одного или более проводников 23. Согласно показанному варианту осуществления, первый и второй расходомеры 5, 6 содержат кориолисовы расходомеры; однако можно использовать другие типы расходомеров, которым не хватает измерительных возможностей кориолисовых расходомеров, например, вибрационные денситометры и т.д. Конкретный тип используемого расходомера ни в коем случае не должен ограничивать объем настоящего варианта осуществления. Однако расходомеры 5, 6 могут предпочтительно измерять, по меньшей мере, плотность текучей среды.

Согласно варианту осуществления, два измерительных электронных прибора 22, 24 могут быть электрически соединены друг с другом. Согласно другому варианту осуществления, два измерительных электронных прибора 22, 24 могут быть электрически соединены с общей системой 25 обработки посредством проводников 27, 28, соответственно. Общая система 25 обработки может обрабатывать сигналы, принятые от двух измерительных электронных приборов 22, 24, и выводить желаемую информацию пользователю посредством проводника 26. Например, система 25 обработки может принимать различные измерения от каждого из измерительных электронных приборов 22, 24 и определять одну или более характеристик текучей среды для многокомпонентной текучей среды на основании принятых измерений. Хотя система 25 обработки показана как отдельный компонент, в других вариантах осуществления, система 25 обработки может содержать часть одного из измерительных электронных приборов 22, 24.

Согласно еще одному варианту осуществления, обе сборки 101, 102 датчиков могут быть электрически соединены с единственной измерительной электроникой, например, измерительной электроникой 22, и система 25 обработки измерительной электроники 22 может осуществлять всю необходимую обработку сигнала и выводить желаемую информацию пользователю посредством проводника 30. Проводники 29 и 30 показаны пунктирными линиями для иллюстрации альтернативного варианта осуществления.

Согласно варианту осуществления, первая и вторая сборки 101, 102 датчиков могут быть гидравлически связаны с трубопроводом 103 для текучей среды. Трубопровод 103 для текучей среды может принимать многокомпонентную текучую среду, содержащую один или более сжимаемых компонентов и один или более несжимаемых компонентов. Когда многокомпонентная текучая среда поступает в трубопровод 103 для текучей среды, по меньшей мере, первый расходомер 5 может измерять плотность многокомпонентной текучей среды. В ходе измерений текучая среда может быть текущей или неподвижной.

Согласно варианту осуществления, первая и вторая сборки 101, 102 датчиков разделены в трубопроводе 103 для текучей среды регулятором 104 плотности. Регулятор 104 плотности может содержать клапан, насос, отрезок трубы, причем отрезок трубы содержит уменьшенную или увеличенную площадь поперечного сечения, нагреватель, охладитель и т.д. Специалистам в данной области техники легко понять, что регулятор 104 плотности может содержать устройство любого типа, способное изменять состояние плотности многокомпонентной текучей среды, чтобы плотность сжимаемого компонента текучей среды, текущей в трубопроводе 103, изменялась. Например, благодаря использованию вышеописанной комбинации нефти, воды, газа, регулятор 104 плотности будет способен изменять плотность газа при неизменных плотностях нефти и воды. Поэтому регулятор 104 плотности обеспечен таким образом, что плотности и, следовательно, объемные доли сжимаемых компонентов текучей среды отличаются между первой сборкой 101 датчиков, которая находится в состоянии первой плотности, и второй сборкой 102 датчиков, которая находится в состоянии второй плотности. Специалистам в данной области техники легко понять, что плотность сжимаемых текучих сред может изменяться между двумя состояниями плотности путем регулировки давления и/или температуры. Например, если текучая среда течет через трубопровод, и обеспечены первый и второй датчики 5, 6 расхода текучей среды, регулятор 104 плотности может содержать насос, который увеличивает давление многокомпонентной текучей среды между первой и второй сборками 101, 102 датчиков. Альтернативно, в других вариантах осуществления, регулятор 104 плотности может содержать управляющий клапан или любой компонент, через который происходит утечка энергии в многокомпонентной текучей среде, приводящая к потере давления. Многокомпонентная текучая среда может поступать в первую сборку 101 датчиков и содержать состояние первой плотности с первыми температурой и давлением. Затем многокомпонентная текучая среда может проходить через управляющий клапан или другой компонент, что приводит к повышению или снижению давления, переводя многокомпонентную текучую среду в состояние второй плотности при втором давлении и/или температуре во второй сборке 102 датчиков. В другом варианте осуществления, можно обеспечить только первую сборку 101 датчиков, наполненную многокомпонентной текучей средой в состоянии первой плотности с первыми температурой и давлением. Клапан может открываться на короткое время, чтобы некоторая часть текучей среды могла выходить, и затем снова закрываться для перевода многокомпонентной текучей среды в состояние второй плотности при втором давлении и/или температуре. Очевидно, регулятор 104 плотности не изменяет плотность никаких несжимаемых компонентов текучей среды.

На фиг. 1 также показаны вышерасположенный 105a и нижерасположенный 105b датчики давления, связанные с первой сборкой 101 датчиков, а также вышерасположенный 106a и нижерасположенный 106b датчики давления, связанные со второй сборкой 101 датчиков. Хотя на фиг. 1 показаны четыре датчика 105a, 105b, 106a, 106b давления, очевидно, что можно обеспечить меньше четырех датчиков давления. Например, в некоторых вариантах осуществления, может потребоваться только два датчика давления, в которых один датчик давления расположен перед регулятором 104 плотности, а другой датчик давления - после регулятора 104 плотности. В некоторых вариантах осуществления, обеспечение только двух датчиков давления, один из которых расположен выше, а другой ниже, может давать достаточно точную оценку давления в сборках 101, 102 датчиков. Например, если система 100 измерения текучей среды включает в себя только датчик 105a давления и датчик 106a давления, то эти два давления можно использовать для следующих вычислений, и в некоторых вариантах осуществления будут обеспечивать достаточно точные оценки фактических давлений в сборках 101, 102 датчиков в пределах допустимого отклонения. В других вариантах осуществления, может потребоваться только один датчик давления. Это может иметь место в ситуациях, когда присутствует один единственный расходомер, или если падение давления между двумя расходомерами известно или предполагается на основании расхода через систему 100.

Однако обеспечение вышерасположенного датчика 105a давления и нижерасположенного датчик 105b давления позволяет вычислять среднее давление текучей среды в первой сборке 101 датчиков. Аналогично, вышерасположенный датчик 106a давления и нижерасположенный датчик 106b давления позволяет вычислять среднее давление текучей среды во второй сборке 102 датчиков.

Согласно варианту осуществления, система 100 измерения текучей среды может дополнительно включать в себя первый и второй датчики 107, 108 температуры. Согласно варианту осуществления, первый датчик 107 температуры может определять температуру текучей среды в первой сборке 101 датчиков, а второй датчик температуры 108 может определять температуру текучей среды во второй сборке 102 датчиков. В общем случае, не требуется иметь датчик температуры до и после каждого расходомера, поскольку маловероятно, что температура значительно изменяется при прохождении через измеритель. Однако такие дополнительные измерения температуры можно использовать для повышения точности определения средней температуры в каждом расходомере. Первый и второй датчики 107, 108 температуры могут содержать датчики RTD, что, в общем случае, известно для расходомеров, например, кориолисовых расходомеров. Очевидно, что первый и второй датчики 107, 108 температуры могут не непосредственно определять температуру текучей среды, а напротив, определять температуру текучей среды косвенно. Например, в уровне техники известно использование одного или более датчиков температуры, которые могут быть подключены к расходным трубкам сборки датчиков и другим местам, и температуру текучей среды можно определять на основании одной или более измеренных температур. Поэтому первый и второй датчики 107, 108 температуры могут содержать любую из общеизвестных конфигураций, используемых в сфере измерений текучей среды.

Как рассмотрено выше, проблема систем, отвечающих уровню техники, состоит в том, что, если текучая среда, текущая через систему измерения, содержит один или более сжимаемых компонентов и один или более несжимаемых компонентов, определить характеристики потока отдельных компонентов невозможно. Например, в рассмотренной выше иллюстрации нефти, воды и газа, уровень техники не обеспечивает систему для точного определения характеристик текучей среды для жидкой фазы (несжимаемых компонентов). Напротив, кориолисов расходомер, отвечающий уровню техники, способен определять только полную плотность смеси и не может отличить плотность жидкости от плотности газа. Вышеприведенное уравнение (2) невозможно решить, поскольку измеряемая плотность является полной плотностью, включающей в себя газ, тогда как уравнение (2) требует просто плотности жидкости. С использованием системы 100 измерения текучей среды, можно вычислять плотность несжимаемых компонентов совместно с другими характеристиками текучей среды для многокомпонентной текучей среды. При наличии двух несжимаемых компонентов, когда их индивидуальные плотности известны, можно обеспечить усовершенствованный Net Oil Computer, который, по существу, игнорирует газовую фазу при вычислении таких параметров, как обводненность (отношение объемной доли воды к полному объему) и расходы отдельных жидких компонентов, например, расход нефти.

Хотя в примере нефти, воды и газа, плотность несжимаемой текучей среды, по существу, содержит комбинированную плотность жидкости; в других ситуациях, сжимаемый компонент может быть сжимаемой жидкостью, а не газом. Следовательно, настоящий вариант осуществления не ограничивается только вычислением плотности жидкости газожидкостной смеси.

Согласно варианту осуществления, система 100 измерения текучей среды позволяет определять различные характеристики текучей среды, поскольку регулятор 104 плотности переводит многокомпонентную текучую среду из состояния первой плотности в состояние второй плотности с использованием следующих уравнений состояния (5-11).

(5), (6), (7), (8), (9), (10), (11),

где входные параметры, которые можно измерять с использованием системы 100 измерения текучей среды, таковы:

P₁ - давление текучей среды в состоянии первой плотности;

P₂ - давление текучей среды в состоянии второй плотности;

T₁ - температура в состоянии первой плотности;

T₂ - температура в состоянии второй плотности;

ρ₁ - плотность, измеренная в состоянии первой плотности; и

ρ₂ - плотность, измеренная в состоянии второй плотности.

С вышеперечисленными измеренными входными параметрами, следующие переменные являются неизвестными из уравнений (5-11):

_I1 - объемная доля несжимаемых компонентов в состоянии первой плотности;

_I2 - объемная доля несжимаемых компонентов в состоянии второй плотности;

_C1 - объемная доля сжимаемых компонентов в состоянии первой плотности;

_C2 - объемная доля сжимаемых компонентов в состоянии второй плотности;

ρ_INCOMP - комбинированная плотность одного или более несжимаемых компонентов (предполагается, что она не изменяется при переходе между состояниями первой и второй плотности);

ρ_C1 - плотность сжимаемых компонентов в состоянии первой плотности; и

ρ_C2 - плотность сжимаемых компонентов в состоянии второй плотности.

Специалисту в данной области техники нетрудно понять, что это дает семь уравнений с семью неизвестными. Семь уравнений можно решить при условии, что регулятор 104 плотности изменяет плотность сжимаемых компонентов таким образом, что две разные сжимаемые плотности и пустые доли присутствуют в состояниях первой и второй плотности. Согласно показанному варианту осуществления с первой и второй сборками 101, 102 датчиков, измерения состояния первой плотности могут осуществляться первым расходомером 5, и измерения состояния второй плотности могут осуществляться вторым расходомером 6. Согласно одному варианту осуществления, измерения, осуществляемые вторым расходомером 6, могут отставать от измерений, осуществляемых первым расходомером 5 на пороговое время. Пороговое время может базироваться на расходе, определяемом одним из расходомеров. Задержанная обработка сигналов может позволять второму расходомеру 6 измерять плотность той же многокомпонентной текучей среды, которая измеряется первым расходомером 5. Это может улучшать измерения, если пользователь или оператор знает, что пропорции одного или более сжимаемых компонентов и одного или более несжимаемых компонентов в потоке текучей среды быстро изменяются. Однако если относительные пропорции остаются, по существу, постоянными или изменяются очень медленно во времени, то первый и второй расходомеры 5, 6 могут измерять плотности, по существу, одновременно.

Однако, если присутствует только один из расходомеров, то измерения обоих состояний плотности будет осуществляться единственным расходомером в разное время (до и после того, как регулятор 104 плотности отрегулирует состояние плотности многокомпонентной текучей среды путем регулировки давления и/или температуры).

С использованием, опять же, примера нефти, воды и газа, обычно представляет интерес количество нефти и воды, которое, как упомянуто выше, требует известной комбинированной плотности жидкости (несжимаемых компонентов). Поэтому, согласно одному варианту осуществления, уравнения (5-11) можно свести к единственному уравнению

(12),

которое можно решить относительно ρ_INCOMP.

Специалистам в данной области техники легко понять, что уравнение (12) является неявным уравнением, которое требует решателя. Уравнение (12) также можно преобразовать в явное решение с использованием некоторых подстановок следующим образом.

(13), (14), (15), (16).

С использованием уравнений (13-16), уравнение (17) обеспечивает явное решение для плотности несжимаемых компонентов.

(17).

Знак “+” в уравнении 17 используется, когда плотность сжимаемого компонента в состоянии первой плотности меньше плотности сжимаемого компонента в состоянии второй плотности. Знак “-“ в уравнении 17 используется, когда плотность сжимаемого компонента в состоянии первой плотности больше плотности сжимаемого компонента в состоянии второй плотности.

Вычислив плотность несжимаемых компонентов текучей среды, из уравнений (1) и (2) можно определить объемные доли воды и нефти. Дополнительно, можно определить любую из вышеперечисленных неизвестных характеристик текучей среды, например, объемную долю сжимаемых компонентов.

Очевидно, что в случае использования двух измерителей в двух разных состояниях плотности, вышеперечисленные уравнения можно решать относительно плотностей и объемных долей всех сжимаемых и несжимаемых компонентов. Если плотности несжимаемых компонентов известны, что обычно имеет место для Net Oil Computer, то вышеописанный алгоритм также может определять до двух отдельных объемных долей для жидкостей, образующих несжимаемый компонент. Однако, если в комбинированном потоке присутствуют более трех компонентов, то для вычисления отдельных характеристик текучей среды для каждого из компонентов может потребоваться больше информации.

Кроме того, специалистам в данной области техники легко понять, что решение вышеуказанных уравнений требует поддержания определенных условий текучей среды. Например, чтобы уравнения (9) и (10) были точными, сжимаемые компоненты должны подчиняться закону идеального газа. Если сжимаемая текучая среда не подчиняется закону идеального газа, то уравнения должны учитывать коэффициенты Z сжимаемости компонентов. Если сжимаемые компоненты являются жидкостями, то уравнения (9) и (10) следует заменить надлежащими уравнениями состояния для этой текучей среды. Эти уравнения состояния могут быть аналитически определенными или могут быть поисковыми таблицами, указывающими экспериментально определенные данные. Кроме того, уравнения предполагают, что несжимаемые компоненты поддерживают одинаковую плотность между двумя сборками 101, 102 датчиков, т.е. регулятор 104 плотности не влияет на несжимаемые компоненты. По этой причине плотности несжимаемых текучих сред не включены в уравнения (9) и (10). Другое предположение, лежащее в основе решения уравнений, состоит в том, что ни один из сжимаемых компонентов не поглощается и не высвобождается из несжимаемых компонентов между состояниями первой и второй плотности при регулировке регулятором 104 плотности. Это предположение обычно соответствует действительности, если расстояние между первой и второй сборками 101, 102 датчиков остается ниже некоторого порогового расстояния, которое, например, можно определять экспериментально. Кроме того, использование регулятора плотности, повышающего давление, например насоса, а не снижающего давление, способствует выполнению этого требования. Кроме того, поглощение и мерцание более проблематичны для газов, увлеченных в жидкостях, чем для смесей сжимаемых и несжимаемых жидкостей.

Специалистам в данной области техники понятно, что, часто, когда текучая среда содержит несжимаемые и сжимаемые компоненты, например, жидкость с увлеченным газом, сжимаемые компоненты приводят к погрешностям в показаниях плотности расходомеров, например кориолисовых расходомеров. Погрешности, в общем случае, обусловлены плотностью сжимаемых компонентов и отделением сжимаемой текучей среды от несжимаемой текучей среды. Как будет показано ниже, погрешность, обусловленную сжимаемыми компонентами, можно игнорировать при решении уравнений (5-11) относительно плотности несжимаемого компонента.

Согласно варианту осуществления, чтобы доказать, что погрешность можно игнорировать, уравнение (12) можно преобразовать, включив в него погрешность. Это показано в уравнении (18).

(18),

где

e₁ - погрешность при измерении и

e₂ - погрешность при измерении

Специалистам в данной области техники легко понять, что погрешности e₁ и e₂ можно игнорировать при решении уравнений (5-11), если обе погрешности равны нулю. Однако это бывает редко. Тем не менее, если уравнения (12) и (18) заданы равными друг другу, можно определить, какие другие обстоятельства требуются, чтобы погрешности можно было игнорировать. Чтобы лучше продемонстрировать этот момент, плотность сжимаемой текучей среды задается равной нулю, что является разумным предположением для случая жидкости с увлеченным газом при типичных давлениях. Это доказательство можно приводить, не задавая плотность сжимаемой текучей среды равной нулю, но математическое выражение усложняется; поэтому, в целях демонстрации концепции, плотность сжимаемой текучей среды задается равной нулю. Когда плотность сжимаемой текучей среды задана равной нулю, уравнения (6) и (8) можно выразить как уравнения (19) и (20).

(19), (20).

После некоторых подстановок, которые опущены для краткости описания, что специалисты в данной области техники легко могут осуществить, упрощенные формы уравнений (12) и (18) можно задавать равными друг другу, как показано в уравнении (21), для определения обстоятельств, необходимых для того, чтобы погрешностями e₁ и e₂ можно было пренебречь при вычислении плотности несжимаемых компонентов.

(21),

Дополнительно упрощая уравнение (21), можно показать, что для того, чтобы уравнения (12) и (18) были эквивалентными, уравнение (22) должно быть истинным.

(22)

Поэтому уравнение (22) показывает, что для того, чтобы погрешностями разделения и сжимаемости можно было пренебречь, e₁ и e₂ должны быть линейно связаны с отношениями давления и температуры. Из вышеприведенного уравнения (11), уравнение (22) можно преобразовать в отношении объемных долей как:

(23).

Поэтому, если погрешности сжимаемости и разделения линейно возрастают с объемной долей несжимаемого компонента, то решение вышеприведенных уравнений (5-11) относительно плотности несжимаемого компонента нечувствительно к наличию погрешностей сжимаемости и разделения. Эксперименты показали, что существует линейное соотношение между погрешностью и объемной долей сжимаемого компонента, по меньшей мере, для кориолисовых измерителей или денситометров на основе технологии вибрирующей трубки. Это проиллюстрировано на фиг. 2.

На Фиг. 2 показан график полной погрешности плотности в зависимости от плотности смеси. Это определяется измерением плотности смеси и измерениями из отдельных измерителей газа и жидкости до того как две части станут смесью. При разных расходах берутся различные линейные линии тренда. Однако для каждого расхода можно видеть, что с увеличением объемной доли сжимаемого компонента погрешность плотности увеличивается линейно. Поэтому при условии, что расход между первой и второй сборками 101, 102 датчиков остается, по существу, одинаковым, погрешность будет оставаться на единой линии тренда, как показано на фиг. 2, и погрешность плотности можно игнорировать при решении уравнений (5-11). Поддержание одинакового расхода через обе сборки 101, 102 датчиков обычно достигается благодаря тому, что две сборки 101, 102 датчиков располагаются в одном и том же трубопроводе 103. Таким образом, система 100 измерения текучей среды не только обеспечивает новую информацию и характеристики текучей среды отдельных компонентов, которые раньше не удавалось измерять в многокомпонентных текучих средах, но также решает проблему неточности измерений вследствие погрешностей разделения и сжимаемости в расходомерах и денситометрах с вибрирующей трубкой. Хотя оба измерителя страдают погрешностями, погрешности компенсируются при использовании вышеописанного алгоритма для вычисления плотности несжимаемого компонента.

При эксплуатации систему 100 измерения текучей среды можно использовать для определения различных характеристик текучей среды в трубопроводе 103, который содержит один или более сжимаемых компонентов и один или более несжимаемых компонентов. Процедура 300 демонстрирует один возможный вариант осуществления для определения различных характеристик текучей среды для, по меньшей мере, одного из сжимаемых или несжимаемых компонентов.

На Фиг. 3 показана процедура 300 обработки согласно варианту осуществления. Согласно варианту осуществления, процедура 300 обработки может осуществляться с использованием первой и второй измерительной электроники 22, 24 совместно с системой 25 обработки. Согласно другому варианту осуществления, процедура 300 обработки может осуществляться с использованием одной из первой или второй измерительной электроники 22, 24. Согласно другому варианту осуществления, процедура 300 обработки может осуществляться с использованием первой и второй измерительной электроники 22, 24, где система 25 обработки содержит часть одной из измерительной электроники 22, 24.

Согласно варианту осуществления, процедура 300 обработки начинается на этапе 301, где первая плотность, ρ₁, многокомпонентной текучей среды измеряется в состоянии первой плотности. Многокомпонентная текучая среда содержит один или более сжимаемых компонентов и один или более несжимаемых компонентов. Состояние первой плотности содержит первое давление P₁ и первую температуру T₁, как описано выше. Согласно варианту осуществления, первая плотность, ρ₁, содержит плотность, например, в первой сборке 101 датчиков. В некоторых вариантах осуществления, можно определять дополнительную информацию о многокомпонентной текучей среде, например, расход текучей среды, который можно определять, если первый расходомер 5 содержит, например, кориолисов расходомер. Согласно варианту осуществления, первую плотность, ρ₁, можно определять, например, в первой измерительной электронике 22.

На этапе 302, вторая плотность, ρ₂, многокомпонентной текучей среды измеряется в состоянии второй плотности. Согласно варианту осуществления, состояние второй плотности отличается от состояния первой плотности. Состояние второй плотности может отличаться из-за регулятора 104 плотности, который может менять давление и/или температуру текучей среды на второе давление P₂ и вторую температуру T₂. Согласно варианту осуществления, вторую плотность, ρ₂, можно определять, например, во второй измерительной электронике 22.

Согласно варианту осуществления, состояния первой и второй плотности можно определять, например, одним или более датчиками 105a, 105b, 106a, 106b давления и одним или более датчиками 107, 108 температуры.

На этапе 303 можно определять одну или более характеристик текучей среды, по меньшей мере, одного из сжимаемых компонентов и несжимаемых компонентов. Согласно варианту осуществления, одну или более характеристик текучей среды можно определять на основании первой и второй плотностей, ρ₁, ρ₂, и состояния первой и второй плотности. Согласно варианту осуществления, система 25 обработки может принимать первую и вторую плотности, ρ₁, ρ₂, и определять одну или более характеристик текучей среды, например, комбинированную плотность одного или более несжимаемых компонентов, ρ_INCOMP, как рассмотрено выше. Комбинированная плотность несжимаемого компонента, ρ_INCOMP, может содержать плотность смеси, если многокомпонентная текучая среда включает в себя два или более несжимаемых компонентов. Альтернативно, если в многокомпонентной текучей среде присутствует только один несжимаемый компонент, то плотность, ρ_INCOMP, будет содержать просто плотность единственного несжимаемого компонента. Как рассмотрено выше, другие характеристики текучей среды также можно определять, например, отдельные объемные доли одного или более сжимаемых и одного или более несжимаемых компонентов, расход отдельных компонентов несжимаемых и сжимаемых компонентов текучей среды. Например, если текучая среда содержит смесь нефти, воды и газа, можно определять отдельные расходы и объемные доли нефти, воды и газа.

Вышеописанные варианты осуществления позволяют системе 100 измерения текучей среды получать характеристики текучей среды, по меньшей мере, одного из несжимаемого компонента или сжимаемого компонента многокомпонентной текучей среды. Изменяя состояние плотности текучей среды и измеряя комбинированную плотность текучей среды в разных состояниях плотности, можно определять объемные доли и, таким образом, характеристики текучей среды компонентов. Поэтому системе 100 измерения текучей среды не требуется опираться на сложное и дорогостоящее оборудование разделения на отдельные сжимаемые компоненты из несжимаемых компонентов как в уровне техники. Поэтому желаемую информацию многокомпонентной текучей среды можно получать, по существу, в реальном времени, когда текучая среда течет через систему 100 измерения.

Подробные описания вышеописанных вариантов осуществления не являются исчерпывающими описаниями всех вариантов осуществления, предусмотренных авторами изобретения в объеме настоящего описания. Действительно, специалистам в данной области техники очевидно, что определенные элементы вышеописанных вариантов осуществления можно по-разному комбинировать или исключать для создания дополнительных вариантов осуществления, и такие дополнительные варианты осуществления отвечают объему и сущности настоящего описания. Специалистам в данной области техники также очевидно, что вышеописанные варианты осуществления можно комбинировать полностью или частично для создания дополнительных вариантов осуществления в объеме и принципов настоящего описания.

Таким образом, хотя конкретные варианты осуществления описаны здесь в целях иллюстрации, различные эквивалентные модификации возможны в объеме настоящего описания, что очевидно специалистам в данной области техники. Обеспеченные здесь принципы можно применять к другим системам измерения текучей среды, а не только к вышеописанным вариантам осуществления, представленным в прилагаемых чертежах. Соответственно, объем вышеописанных вариантов осуществления следует определять из нижеследующей формулы изобретения.

Предусмотрен способ определения характеристик текучей среды для многокомпонентной текучей среды. Способ включает в себя этап измерения первой плотности, ρ₁, многокомпонентной текучей среды, содержащей один или более несжимаемых компонентов и один или более сжимаемых компонентов в состоянии первой плотности. Способ дополнительно включает в себя этап регулировки многокомпонентной текучей среды из состояния первой плотности в состояние второй плотности. Затем вторая плотность, ρ₂, многокомпонентной текучей среды измеряется в состоянии второй плотности, и определяются одна или более характеристик текучей среды по меньшей мере одного из сжимаемых компонентов или несжимаемых компонентов. Причем пропорция одного или более несжимаемых компонентов и одного или более сжимаемых компонентов в потоке многокомпонентной текучей среды является, по существу, одинаковой при состоянии первой плотности и состоянии второй плотности. Технический результат - улучшение измерений. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ определения характеристик текучей среды, содержащий этапы, на которых:
измеряют первую плотность, ρ₁, многокомпонентной текучей среды, содержащей один или более несжимаемых компонентов и один или более сжимаемых компонентов в состоянии первой плотности;
регулируют многокомпонентную текучую среду из состояния первой плотности в состояние второй плотности;
измеряют вторую плотность, ρ₂, многокомпонентной текучей среды в состоянии второй плотности; и
определяют одну или более характеристик текучей среды по меньшей мере одного из сжимаемых компонентов или несжимаемых компонентов,
причем пропорция одного или более несжимаемых компонентов и одного или более сжимаемых компонентов в потоке многокомпонентной текучей среды является, по существу, одинаковой при состоянии первой плотности и состоянии второй плотности.

2. Способ по п. 1, в котором этап определения содержит определение комбинированной плотности одного или более несжимаемых компонентов.

3. Способ по п. 1, в котором этап измерения первой плотности, ρ₁, содержит использование первого кориолисова расходомера.

4. Способ по п. 1, в котором этап измерения второй плотности, ρ₂, содержит использование второго кориолисова расходомера.

5. Способ по п. 1, дополнительно содержащий этап, на котором ожидают в течение порогового времени после измерения первой плотности, ρ₁, до измерения второй плотности, ρ₂.

6. Способ по п. 1, в котором состояние первой плотности содержит первое давление, P₁, и первую температуру, T₁, и состояние второй плотности содержит второе давление, Р₂, и/или вторую температуру, Т₂.

7. Способ по п. 1, дополнительно содержащий этапы, на которых:
измеряют расход многокомпонентной текучей среды;
определяют объемную долю одного или более из компонентов многокомпонентной текучей среды; и
определяют расход одного или более из компонентов на основании измеренного расхода и объемной доли.

8. Система (100) измерения для определения характеристик текучей среды, содержащая:
трубопровод (103), выполненный с возможностью приема многокомпонентной текучей среды, содержащей один или более несжимаемых компонентов и один или более сжимаемых компонентов;
первый расходомер (5), включающий в себя:
первую сборку (101) датчиков, гидравлически связанную с трубопроводом (103);
измерительную электронику (22), выполненную с возможностью измерения, по меньшей мере, первой плотности, ρ₁, многокомпонентной текучей среды; и
регулятор (104) плотности, гидравлически связанный с трубопроводом (103) и первой сборкой (101) датчиков, выполненной с возможностью регулировки плотности многокомпонентной текучей среды из состояния первой плотности в, по меньшей мере, состояние второй плотности путем регулировки давления и/или температуры многокомпонентной текучей среды; и
систему (25) обработки, выполненную с возможностью генерации одной или более характеристик текучей среды по меньшей мере одного из несжимаемых компонентов или сжимаемых компонентов на основании первой плотности, ρ₁, многокомпонентной текучей среды в состоянии первой плотности и второй плотности, ρ₂, многокомпонентной текучей среды в состоянии второй плотности,
причем пропорция одного или более несжимаемых компонентов и одного или более сжимаемых компонентов в потоке многокомпонентной текучей среды является, по существу, одинаковой при состоянии первой плотности и состоянии второй плотности.

9. Система (100) измерения текучей среды по п. 8, дополнительно содержащая второй расходомер (6), включающий в себя:
вторую сборку (102) датчиков, гидравлически связанную с трубопроводом (103) и регулятором (104) плотности, причем регулятор (104) плотности располагается между первой сборкой (101) датчиков и второй сборкой (102) датчиков.

10. Система (100) измерения текучей среды по п. 9, дополнительно содержащая вторую измерительную электронику (24), выполненную с возможностью измерения, по меньшей мере, второй плотности, ρ₂, многокомпонентной текучей среды в состоянии второй плотности.

11. Система (100) измерения текучей среды по п. 9, дополнительно содержащая один или более датчиков (105а, 105b) давления вблизи первой сборки (101) датчиков и один или более датчиков (106а, 106b) давления вблизи второй сборки (102) датчиков.

12. Система (100) измерения текучей среды по п. 11, в которой первый датчик (105а) давления располагается до первой сборки (101) датчиков, и второй датчик (105b) давления располагается после первой сборки (101) датчиков, и третий датчик (106а) давления располагается после регулятора (104) плотности и до второй сборки (102) датчиков, и четвертый датчик (106b) давления располагается после второй сборки (102) датчиков.

13. Система (100) измерения текучей среды по п. 8, дополнительно содержащая один или более датчиков температуры, выполненных с возможностью измерения температуры многокомпонентной текучей среды в состояниях первой и второй плотности.

14. Система (100) измерения текучей среды по п. 8, в которой система (25) обработки содержит часть первой измерительной электроники (22).

15. Система (100) измерения текучей среды по п. 8, в которой первый расходомер (5) содержит кориолисов расходомер.