УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Существующие способы определения качества нефти или природного газа, транспортируемых по трубопроводу, включают прямой отбор проб жидкости или газа для проведения подробного химического анализа, например, газовой, жидкостной хроматографии и т.п. Эти точечные измерения представляют логистическую сложность, являются дорогостоящими и неизбежно привносят присущую временную задержку между двумя последовательными точками измерения. Кроме того, некоторые из существующих методов тестирования предусматривают использование опасных химических веществ. И кроме того, сложность химических измерений затрудняет, если не делает невозможной, корреляцию измеренной характеристики текучей среды в определенной точке с фактическим значением характеристики текучей среды в этой же точке в реальном времени.
Для определения некоторых неблагоприятных характеристик, таких как содержание воды в находящейся в трубопроводе сырой нефти, некоторые подходы предусматривают проведение емкостных электрических измерений или измерений поглощения в СВЧ-диапазоне. В настоящее время в случае газов применяют измерители плотности. Однако эти измерения имеют тенденцию быть медленными и неточными, приводя к повышению степени рециркуляции для улучшения качества нефтяного продукта или продукта природного газа и, тем самым, к снижению пропускной способности системы.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Следующие фигуры включены с целью демонстрации определенных аспектов описанных иллюстративных вариантов реализации изобретения и не должны рассматриваться в качестве исчерпывающих вариантов реализации изобретения. Раскрываемый объект изобретения допускает значительные модификации, изменения, сочетания и эквиваленты по форме и содержанию, которые будут очевидными специалистам в данной области техники использующим преимущества данного изобретения.
На ФИГ. 1 проиллюстрирована конфигурация нефте- и газодобычи, включающая в себя систему автоматической поставки продукта потребителю (LACT, сокр. от англ. Lease Automatic Custody Transfer).
На ФИГ. 2 изображен иллюстративный интегрированный вычислительный элемент (ICE, сокр. от англ. Integrated Computational Element) для использования в оптическом вычислительном устройстве.
На ФИГ. 3 приведена схема, иллюстрирующая немеханистическим образом, как оптическое вычислительное устройство отличает электромагнитное излучение, связанное с представляющей интерес характеристикой, от другого электромагнитного излучения.
На ФИГ. 4А изображено иллюстративное оптическое вычислительное устройство для контроля потока текучей среды в трубопроводе в точке LACT или вблизи нее в конфигурации с отражением.
На ФИГ. 4B изображено иллюстративное оптическое вычислительное устройство для контроля потока текучей среды в трубопроводе в точке LACT или вблизи нее в конфигурации передачи.
На ФИГ. 4C изображено иллюстративное оптическое вычислительное устройство для контроля потока текучей среды в трубопроводе в точке LACT или вблизи нее в конфигурации с множеством отражений.
На ФИГ. 5 изображен иллюстративный корпус, который может использоваться для оптического вычислительного устройства.
На ФИГ. 6 приведена блок-схема последовательности этапов в способе мониторинга текучей среды в рамках LACT.
Элементы на чертежах, имеющие одинаковые или сходные номера позиций, обладают идентичными или аналогичными функциями и свойствами, если не указано иное.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Описанные здесь иллюстративные варианты реализации изобретения относятся к оптическим вычислительным устройствам и способам контроля потоков текучей среды и, в частности, к системам и способам определения характеристик потока и состояния жидкостей и газов в нефтегазовой отрасли. Способы и системы согласно данному изобретению способны характеризовать поток, «видя» жидкость или газ, протекающую(ий) по трубопроводу в режиме реального времени. Возможность мониторинга жидкости или газа в режиме реального времени позволяет осуществлять интеллектуальное регулирование свойств текучей среды, таких как скорость потока, и содержание воды, газообразных компонентов или загрязняющих веществ. Как станет понятно, это может повысить ценность углеводородного продукта, транспортируемого по трубопроводу, и снизить: затраты на эксплуатацию, риск возникновения аварий и техническое обслуживание, связанного с транспортировкой.
Варианты реализации изобретения, раскрытые в данном документе, включают устройства и способы измерения показателей сырой нефти/природного газа во время их официальной поставки от добывающей компании (например, «поставщик») к подрядной трубопроводной компании. Устройства, раскрытые в данном изобретении, могут быть приобретены или временно арендованы компаниями по добыче нефти и газа, например, для выполнения расширенных исследований скважины испытателем пласта, спущенным на бурильной колонне (DST, сокр. от англ. Drill Stem Test). Например, измерение потока текучей среды в трубопроводе может помочь компании по добыче газа во время проведения DST при перекачивании флюидов в трубопровод для сокращения и контроля случаев воспламенения в трубопроводе ниже по течению от точки измерения.
Варианты реализации данного изобретения включают датчик для измерения характеристик текучей среды в точке автоматической поставки продукта потребителю (LACT). Точка LACT имеет место, когда происходит передача добываемых текучих сред (например, сырой нефти или природного газа) от добывающей компании в трубопровод подрядчика или трубопровод, принадлежащий перерабатывающей компании. Измеренные характеристики текучей среды выбирают из тех, которые могут уменьшить стоимость углеводородного продукта в составе текучей среды или сделать слишком дорогим прокачивание текучей среды по трубопроводу. Углеводородным продуктом может быть жидкость (например, сырая нефть) или газ (например, природный газ). Добывающая компания и подрядная трубопроводная компания заключают соглашение по ряду спецификаций или параметров качества, которым в желательном варианте должен удовлетворять углеводородный продукт. Добывающей компании нужно, чтобы поток текучей среды имел показатели не ниже установленных спецификаций, чтобы, тем самым, минимизировать затраты на обеспечение соответствия текучей среды спецификации. Подрядная трубопроводная компания, покупающая углеводородный продукт у добывающей компании, желает максимизировать прибыль, обеспечивая углеводородный продукт с качеством, лучшим или соответствующим спецификации, и следит за тем, чтобы затраты на транспортировку относились в основном к высокоценному углеводородному продукту. Соответственно, в точке LACT добывающая компания и подрядная трубопроводная компания могут принять решение о ценности углеводородного продукта, для которого проведены измерения. Добывающая компания и подрядная трубопроводная компания могут также решить, желательна ли дальнейшая обработка потока в трубопроводе для улучшения параметров качества углеводородного продукта. Кроме того, добывающая и подрядная трубопроводная компании могут принять решение не продолжать операцию по соображениям безопасности, стоимости или по иным причинам.
Раскрытые в данном описании оптические вычислительные устройства обеспечивают быстрый анализ по меньшей мере одной характеристики жидкости или газа (например, содержание воды, газонефтяной фактор GOR (от англ. gas-oil-ratio), содержание CO2, H2S и т.п.) с незначительной подготовкой проб или при ее отсутствии. Кроме того, поскольку анализ выполняется быстро, для уменьшения погрешности возможно получение результатов множества измерений. В некоторых вариантах реализации изобретения оптическое вычислительное устройство может быть выполнено с возможностью определения и/или измерения конкретной характеристики жидкости или газа, включая смеси многих различных компонентов в разных агрегатных состояниях (т.е. твердое тело, жидкость или газ). Характеристикой жидкости или газа может быть присутствие и концентрация определенного аналита в смеси компонентов.
Используемый здесь термин «характеристика» означает химический, механический или физический показатель (количественный или качественный) представляющего интерес материала (например, жидкости, газа или их аналита). Используемый здесь термин «аналит» означает химический компонент. Термин аналит охватывает химические компоненты, являющиеся по меньшей мере одним из следующего: присутствующие в представляющем интерес материале; те, которые могут быть добавлены в представляющий интерес материал; участвующие в химической реакции (например, реагенты и продукты), происходящей в представляющем интерес материале; и не участвующие в химической реакции, происходящей в представляющем интерес материале. Иллюстративные характеристики представляющего интерес материала, которые могут контролироваться с помощью описанных оптических вычислительных устройств, могут включать, например: химический состав (например, идентификация и концентрация, общая или отдельных аналитов), содержание загрязняющих веществ, рН, вязкость, плотность, ионную силу, содержание соли, пористость, непрозрачность, содержание бактерий, распределение частиц по размерам, цвет, температуру, уровень гидратации, состояние окисления и т.п. Кроме того, термин «представляющая интерес характеристика» может использоваться здесь для обозначения характеристики представляющего интерес материала.
Используемый здесь термин «электромагнитное излучение» относится к радиоволнам, микроволновому излучению, инфракрасному и ближнему инфракрасному излучению, видимому свету, ультрафиолетовому излучению, рентгеновскому излучению и гамма-излучению.
Используемый здесь термин «оптическое вычислительное устройство» относится к оптическому устройству, на вход которого поступает электромагнитное излучение от вещества или текучей среды, и которое формирует выходной сигнал, пропорциональный интересующему свойству образца. Оптическое вычислительное устройство содержит обрабатывающий элемент и оптический детектор, расположенные в нем. Обрабатывающим элементом может быть, например, интегрированный вычислительный элемент (ICE), используемый в оптическом вычислительном устройстве. Как подробно описано ниже, ICE оптически взаимодействует с электромагнитным излучением, поступающим от вещества или текучей среды, изменяет его и подает на выход, а оттуда, на оптический детектор —модифицированное электромагнитное излучение. Оптическое вычислительное устройство сконструировано таким образом, что выход детектора может быть скоррелирован с по меньшей мере одной характеристикой измеряемого или контролируемого вещества. Входным электромагнитным излучением для обрабатывающего элемента может быть обратно рассеянное, отраженное, диффузно отраженное, проходящее и/или рассеянное электромагнитное излучение. Анализ оптическим вычислительным устройством отраженного или проходящего электромагнитного излучения может зависеть от структурных параметров оптического вычислительного устройства и других соображений, известных специалистам в данной области техники. Кроме того, излучение и/или рассеяние веществом, например, посредством флуоресценции, люминесценции, рамановского рассеяния и рэлеевского рассеяния, может контролироваться оптическими вычислительными устройствами.
Используемый здесь термин «оптическое взаимодействие» или его варианты относится к отражению, передаче, рассеянию, дифракции или поглощению электромагнитного излучения в одном или большем количестве, через один или большее количество или от одного или большего количества обрабатывающих элементов (т.е. интегрированных вычислительных элементов). Соответственно, оптически провзаимодействовавший свет относится к электромагнитному излучению, которое было отражено, передано, рассеяно, обратно рассеяно, диффузно отражено, дифрагировано или поглощено, излучено или повторно излучено, например, с использованием интегрированных вычислительных элементов, но может также относиться к взаимодействию с жидкостью или газом в потоке внутри трубопровода.
Описанные в данном документе оптические вычислительные устройства сочетают в себе преимущества производительности, правильности и точности, связанные с лабораторными спектрометрами, будучи чрезвычайно прочными и пригодными для использования в полевых условиях. Кроме того, оптические вычислительные устройства согласно настоящему изобретению могут выполнять вычисления в реальном времени или почти в реальном времени без необходимости в проведении занимающего много времени отбора проб текучей среды. В некоторых вариантах реализации изобретения оптические вычислительные устройства обнаруживают и анализируют конкретные представляющие интерес характеристики. В результате мешающие или нежелательные сигналы различаются от представляющих интерес посредством соответствующей конфигурации оптических вычислительных устройств. Таким образом, описанные оптические вычислительные устройства обеспечивают быструю реакцию в отношении представляющей интерес характеристики на основе выходного сигнала детектора. В некоторых вариантах реализации изобретения выходной сигнал детектора представляет собой напряжение, указывающее величину представляющей интерес характеристики. Вышеупомянутые и другие преимущества делают оптические вычислительные устройства особенно пригодными для использования в полевых условиях.
В некоторых вариантах реализации изобретения оптические вычислительные устройства обнаруживают не только состав и концентрации аналита в представляющем интерес материале, но также определяют физические свойства и другие характеристики представляющего интерес материала на основе провзаимодействовавшего электромагнитного излучения, полученного от вещества. Например, оптические вычислительные устройства могут определять концентрацию аналита и коррелировать определенную концентрацию с характеристикой представляющего интерес материала с использованием подходящих средств обработки. Как будет понятно, описанные оптические вычислительные устройства могут обнаруживать столько характеристик представляющего интерес материала, сколько необходимо. Подходящие ICE для обработки и обнаружения каждой представляющей интерес характеристики могут быть включены в оптическое вычислительное устройство для мониторинга нескольких представляющих интерес характеристик (например, концентрации аналита, давления или температуры).
В некоторых вариантах реализации изобретения свойства представляющего интерес материала могут быть определены с использованием комбинации представляющих интерес характеристик (например, линейной, нелинейной, логарифмической и/или экспоненциальной комбинации). Соответственно, чем больше характеристик обнаруживается и анализируется с использованием оптических вычислительных устройств, тем точнее определяются свойства представляющего интерес материала. Например, свойства жидкости или газа, которые могут быть определены с использованием описанных оптических вычислительных устройств, могут включать без ограничения: абсолютную концентрацию аналита, соотношения двух или большего количества аналитов, наличие или отсутствие аналита и т.п. и любую их комбинацию. Характеристика представляющего интерес материала может быть свойством текучей среды, таким как давление паров, точка росы, давление насыщения, плотность, скорость или любое другое термодинамическое свойство потока жидкости или газа.
Описанные оптические вычислительные устройства используют электромагнитное излучение для выполнения расчетов, в отличие от проводных схем обычных электронных процессоров. При взаимодействии электромагнитного излучения с представляющим интерес материалом, уникальная физическая и химическая информация о представляющем интерес материале может быть закодирована в электромагнитном излучении, которое обратно рассеянно, отраженно или излучено из или передано через представляющий интерес материал. Эта информация представляет собой спектральный «отпечаток» представляющего интерес материала. Описанные оптические вычислительные устройства способны извлекать информацию спектрального отпечатка нескольких характеристик представляющего интерес материала (например, потока жидкости или газа, либо их аналитов), и преобразовывать эту информацию в детектируемый выходной сигнал, относящийся к общим свойствам исследуемого представляющего интерес материала. Таким образом, посредством подходящих конфигураций оптических вычислительных устройств электромагнитное излучение, связанное с представляющими интерес характеристиками, может быть отделено от электромагнитного излучения, связанного с другими компонентами представляющего интерес материала, для оценки свойств (например, реакционной способности) контролируемого вещества (например, потока жидкости или газа либо их аналитов) в режиме реального времени или почти в реальном времени.
В описанных вариантах реализации изобретения используется технология ICE в процессе автоматической поставки продукта потребителю в точке LACT. Точное измерение показателей углеводородного продукта в точке LACT важно, поскольку от этого зависит доход добывающей компании. В зависимости от того, содержит ли углеводородный продукт другие соединения, такие как вода, H2S или CO2, его стоимость может сильно различаться. С другой стороны, подрядные трубопроводные компании могут быть обеспокоены наличием загрязняющих соединений по соображениям безопасности или из-за их возможного разрушительного влияния на инфраструктуру трубопроводов. Кроме того, подрядные трубопроводные компании понимают отрицательное влияние наличия загрязняющих веществ на стоимость углеводородного продукта, перепродаваемого нефтеперерабатывающим заводам, операторам электростанций и т.п.
Добывающие компании заинтересованы в точном измерении объема добычи в процессе поставки продукта, поскольку это напрямую влияет на доход, получаемый от добытых текучих сред. Подрядные трубопроводные компании заинтересованы в обеспечении точного измерения объема добычи в точке LACT, поскольку это напрямую влияет на общую цену сырой нефти, а также позволяет снизить расходы на транспортировку углеводородного продукта по трубопроводу. Соответственно, желательно, чтобы транспортные расходы были связаны с ценным продуктом, а не с тяжелыми, опасными или трудно транспортируемыми загрязняющими веществами, увеличивающими сопротивление перемещению. Кроме того, и добывающая компания, и подрядная трубопроводная компания получают выгоду от точного учета загрязнителей, присутствие или отсутствие которых непосредственно влияет на стоимость углеводородного продукта, а также может быть связано со значительными рисками для безопасности трубопроводной системы и персонала. Блоки ICE в оптических вычислительных устройствах могут быть выполнены с возможностью определения представляющих экономический интерес параметров с узкими интервалами значений погрешности при относительно высокой чувствительности.
В Таблице 1 приведены потери доходов в нефте- и газодобыче, связанные с 1% ошибкой измерения потока сырой нефти с использованием механической системы измерения. Данные, приведенные в Таблице 1, включают уровни цен на сырую нефть 50 долл. США/баррель и 102 долл. США/баррель и не отражают потерю дохода из-за наличия или количества загрязняющих веществ и других соединений, содержащихся в сырой нефти. Приведенные в Таблице 1 данные представляют собой основание для определения возможной ценности описанных вариантов реализации оптического вычислительного устройства и способов измерения для потенциальных клиентов, будь то добывающая компания, подрядная трубопроводная компания, потребитель углеводородных продуктов или все вышесказанное.
добываемого продукта (баррель)
В первом варианте реализации изобретения устройство содержит интегрированный вычислительный элемент (ICE), расположенный для оптического взаимодействия с электромагнитным излучением от текучей среды и, таким образом, формирования оптически провзаимодействовавшего излучения, соответствующего характеристике текучей среды. Устройство содержит детектор, расположенный с возможностью приема оптически провзаимодействовавшего излучения и формирования выходного сигнала, пропорционального интенсивности оптически провзаимодействовавшего излучения. Устройство может дополнительно содержать процессор, расположенный с возможностью приема выходного сигнала и определения характеристики текучей среды. В некоторых вариантах реализации изобретения устройство соединено с контроллером, выполненным с возможностью предоставления команд системе перемещения для хранения и считывания. Соответственно, система передачи может быть системой LACT, выполненной с возможностью изменения потока и состава текучей среды, когда характеристика текущей среды ниже параметра качества.
Во втором варианте реализации изобретения способ включает оптическое взаимодействие потока текучей среды в добычном трубопроводе с ICE для формирования оптически провзаимодействовавшего излучения. Способ включает формирование выходного сигнала, пропорционального интенсивности оптически провзаимодействовавшего излучения, и корреляцию выходного сигнала с характеристикой текучей среды. В некоторых вариантах реализации изобретения способ включает модификацию текучей среды для поддержания параметра качества в соответствии с характеристикой текучей среды и перемещение текучей среды из добычного трубопровода в трубопровод подрядчика в соответствии с параметром качества.
В третьем варианте реализации на энергонезависимом машиночитаемом носителе хранятся команды, которые, при их выполнении процессором в измерительной системе, содержащей оптическое вычислительное устройство, побуждают измерительную систему выполнять этапы способа. Способ включает оптическое взаимодействие текучей среды в добычном трубопроводе с ICE для формирования оптически провзаимодействовавшего излучения. Способ также включает: формирование выходного сигнала, пропорционального интенсивности оптически провзаимодействовавшего излучения, корреляцию выходного сигнала с характеристикой текучей среды и модификацию текучей среды для поддержания параметра качества в соответствии с характеристикой текучей среды и для уменьшения стоимости техобслуживания в соответствии с характеристикой текучей среды. В некоторых вариантах реализации изобретения способ также включает перемещение текучей среды из добычного трубопровода в трубопровод подрядчика в соответствии с параметром качества.
На ФИГ. 1 проиллюстрирована конфигурация нефте- и газодобычи 10, включающая в себя систему автоматической поставки продукта потребителю (LACT, сокр. от англ. Lease Automatic Custody Transfer) 108. Конфигурация 10 также содержит буровую установку 101, осуществляющую добычу углеводородов из пластового резервуара 150 через ствол скважины 118, поступающих в добычный трубопровод 103. Углеводороды могут находиться в нескольких агрегатных состояниях текучей среды: жидкость (например, сырая нефть), газ (например, природный газ, включая метан, бутан, пропан, С3-С5-углеводороды и другие углеводороды), или смесь жидкости и газа (например, нефть с пузырьками природного газа, природный газ с унесенной жидкостью («туман»). Добытый материал проходит через объемный разделитель фаз 121 и поступает в накопительную емкость 123. В объемном разделителе фаз 121 происходит отделение жидких и газообразных углеводородов из потока текучей среды в добычном трубопроводе 103. В некоторых вариантах реализации изобретения объемный разделитель фаз 121 выполнен таким образом, чтобы газообразные углеводородные продукты перемещались далее по добычному трубопроводу 103. В некоторых вариантах реализации изобретения объемный разделитель фаз 121 выполнен таким образом, чтобы жидкие углеводородные продукты (например, сырая нефть) перемещались далее по добычному трубопроводу 103. Накопительная емкость 123 подает текучую среду в систему LACT 108, где она распределяется соответствующим образом. В некоторых вариантах реализации изобретения добычный трубопровод 103 при использовании природного газа может работать при давлении потока 500–800 фунтов на квадратный дюйм (фунт/кв. дюйм или psi) (3,45-5,52 МПа) после разделителя 121. Природный газ может поступать непосредственно в систему LACT 108 или в разделитель меньшего давления 128, прежде чем попасть в компрессор 129 системы LACT 108 и в трубопровод подрядчика 105.
Оптическое вычислительное устройство 106 расположено в системе LACT 108, соединяющей добычный трубопровод 103 с трубопроводом подрядчика 105, или вблизи нее. Система LACT 108 считается размещенной в точке LACT, представляющей собой точку измерения, в которой такие параметры, как количество, качество и стоимость углеводородного продукта в добычном трубопроводе 103 передаются в трубопровод подрядчика 105. Соответственно, углеводородный продукт в трубопроводе подрядчика 105 с юридической точки зрения считается находящимся в ведении подрядчика. После этого углеводородный продукт может быть перемещен в различные пункты назначения 130, включая без ограничения транспортные средства, такие как танкерное судно 133, автоцистерна 135, или мощности, такие как хранилище на нефтеперерабатывающем заводе 137, или электростанция 139. В случае электростанции 139 измерение плотности углеводородного продукта непосредственно связано с энергосодержанием продукта и, следовательно, с эффективностью работы электростанции 139.
В некоторых вариантах реализации изобретения система LACT 108 может содержать систему измерения (например, расходомер, манометр, термометр и т.п.), рециркуляционный клапан и запорный клапан. Кроме того, система LACT 108 может быть выполнена с возможностью переведения запорного клапана в закрытое положение в случае, если измеренный параметр качества углеводородного продукта оказывается ниже предварительно определенного или соответствующего предпочтительной спецификации. В таких конфигурациях поток в трубопровод подрядчика 105 может быть полностью остановлен, и клапан рециркуляции в системе LACT 108 может быть открыт для направления потока текучей среды в блок удаления загрязнений, связанный с системой LACT 108.
В некоторых вариантах реализации изобретения оптическое вычислительное устройство 106 выполнено с возможностью измерения требуемой характеристики текучей среды, такой как химический состав или физическое состояние потока. В некоторых вариантах реализации изобретения оптическое вычислительное устройство 106 выполнено с возможностью измерения содержания пузырьков в жидкости, содержания тумана в газе, или плотности, температуры, давления, вязкости или скорости текучей среды. Оптическое вычислительное устройство 106 может содержать интегрированный вычислительный элемент (ICE) 100 для измерения требуемой характеристики текучей среды. Использование ICE 100 обеспечивает повышенную точность измерения объема, состава и соединений, содержащихся в смеси сырой нефти/природного газа при официальной передаче ее в ведение другого лица. Благодаря точности ICE 100 оптическое вычислительное устройство 106 может быть выполнено с возможностью определения характеристик текучей среды, оказывающих непосредственное влияние на экономические интересы, с узкими интервалами значений погрешности при относительно небольших диапазонах значений. Кроме того, ICE 100 позволяет выполнять измерения текучей среды в добычном трубопроводе 103 в режиме реального времени, проводить обработку результатов измерений в электронном виде контроллером 110 для получения данных всестороннего анализа потока текучей среды и качества продукта. Для этого оптическое вычислительное устройство 106 может содержать множество ICE, каждый из которых предназначен для определения конкретной характеристики текучей среды.
Контроллер 110 может содержать процессор 111 и память 112. Процессор 111 выполняет команды, хранящиеся в памяти 112, и побуждает контроллер 110 выполнять этапы описанных в данном документе способов. В некоторых вариантах реализации изобретения контроллер 110 соединен с возможностью передачи данных с оптическим вычислительным устройством 106 и выполнен с возможностью получения данных от оптического вычислительного устройства 106 и передачи ему команд. Контроллер 110 также может быть соединен с возможностью передачи данных с системой LACT 108 и может быть выполнен с возможностью получения данных от системы LACT 108 и передачи ей команд. Соединение контроллера 110 с оптическим вычислительным устройством 106 и системой LACT 108 может осуществляться с использованием электрического кабеля, оптического волокна или по протоколу связи для беспроводной передачи данных. Для этого контроллер 110 может быть удаленным по отношению к местоположению оптического вычислительного устройства 106 и системы LACT 108 (т.е. точки LACT). Более того, в некоторых вариантах реализации изобретения контроллер 110 может быть соединен с множеством оптических вычислительных устройств 106 и систем LACT 108, расположенных во множестве мест, удаленных друг от друга. Контроллер 110 может направлять команды, предписывающие изменение условий текучей среды, рециркуляцию потока текучей среды или пропускание потока текучей среды в трубопровод подрядчика 105.
В некоторых вариантах реализации изобретения третье лицо определяет уровень качества углеводородного продукта в соответствии с измеренными значениями параметров качества. В любом случае параметры качества могут объективно оцениваться в режиме реального времени с помощью оптического вычислительного устройства 106. В некоторых вариантах реализации изобретения добывающая и подрядная трубопроводная компании могут договориться об изменении параметров качества углеводорода в соответствии с измерениями, выполненными оптической вычислительной системой 106. Контроллер 110 может подавать команды системе LACT 108 для регулирования конфигурации потока и поддержания значения параметра качества углеводородного продукта в пределах заданного диапазона.
В некоторых вариантах реализации изобретения ICE 100 обнаруживает по меньшей мере один или большее количество аналитов, которые могут отрицательно повлиять на стоимость углеводородного продукта, извлеченного из пластового резервуара 150. Поскольку для этих соединений будут установлены максимально допустимые количества, контроллер 110 может не допускать перекачку добытых текучих сред через добычный трубопровод 103. В некоторых вариантах реализации изобретения контроллер 110 может корректировать оценку стоимости углеводородного продукта в зависимости от присутствующих аналитов и от того, превышает ли количество присутствующих аналитов максимально допустимый предел. Например, некоторые аналиты могут увеличивать риски, связанные с безопасностью объектов и персонала в конфигурация нефте- и газодобычи 10, и, таким образом, работа буровой установки 101 может быть полностью остановлена. Аналитами, исследуемыми оптическим вычислительным устройством 106, могут быть: вода, H2S, CO2, азот и другие. По меньшей мере некоторые из этих веществ, помимо снижения стоимости транспортируемого продукта и увеличения расходов на транспортировку, могут вызывать коррозию и создавать проблемы, связанные с техобслуживанием и безопасностью трубопроводов 103 и 105. Выбирая ICE 100 соответствующей конструкции, оптическое вычислительное устройство 106 может увеличить список измеряемых характеристик текучей среды, включив в него контроль дополнительных неприемлемых компонентов, осуществляемый в точке LACT или до нее.
В некоторых вариантах реализации изобретения соответствующим параметром качества сырой нефти может выступать общее содержание в ней водяного пара. Водяной пар в сырой нефти имеет тенденцию образовывать газообразные гидраты в растворе. Газообразные гидраты могут представлять серьезную проблему безопасности, забивая клапаны и образуя пары, опасные для проводящего техобслуживание персонала. В некоторых вариантах реализации изобретения оптическое вычислительное устройство 106 измеряет общее количество водяного пара, присутствующего в сырой нефти, прежде чем позволить углеводородному продукту течь в трубопровод подрядчика 105.
В процессе добычи на буровой установке 101 и перекачки в добычный трубопровод 103 химикаты, добавленные для поддержания и улучшения работы системы текучей среды и бурения, могут загрязнять углеводородный продукт. В зависимости от количества добавок, присутствующих в добычном трубопроводе 103, возможно нанесение вреда системе трубопроводов и даже самой сырой нефти. Эти добавки могут включать противопенные агенты, хлорированные агенты, гликоль и поверхностно-активные вещества. Кроме того, в случае добычи сырой нефти некоторые добавки могут включать химикаты, используемые для дегидратации жидкой нефти, такие как этиленгликоль, амины и другие химикаты. Оптическое вычислительное устройство 106 может быть выполнено с возможностью формирования выходного сигнала для предупреждения контроллера 110 о наличии и количестве добавок в углеводородном продукте, протекающем по добычному трубопроводу 103. В некоторых вариантах реализации изобретения контроллер 110 может быть выполнен с возможностью определения того, может ли добытая текучая среда перекачиваться в трубопровод 105 «как есть», или ее следует перенаправить в блок рециркуляции или на обработку в системе LACT 108, прежде чем вновь направить в трубопровод 105.
В вариантах реализации изобретения, где добычный трубопровод 103 и трубопровод подрядчика 105 содержат поток сырой нефти, может быть желательным измерить давление паров сырой нефти. Для измерения давления паров оптическое вычислительное устройство 106 может быть выполнено с возможностью измерения концентрации метана, этана, пропана и С3-С5-углеводородов, которые являются основными факторами, влияющими на давление паров. Таким образом, в некоторых вариантах реализации изобретения контроллер 110 коррелирует количество газа в нефти, измеренное оптическим вычислительным устройством 106, с известной температурой и давлением текучей среды, определяемыми системой LACT 108, для определения давления паров. Соотношение давления паров и давления текучей среды определяет давление насыщения текучей среды, т.е. температуру, при которой в жидкости начинают формироваться пузырьки газа. В целом, чем выше давление паров, тем ниже давление насыщения жидкости, а чем ниже давление паров, тем выше давление насыщения жидкости при заданном давлении текучей среды. Соответственно, на основе оценки давления паров, полученной с помощью оптического вычислительного устройства 106, система LACT 108 может устанавливать условия потока, чтобы избежать образования пузырьков газа, например, путем снижения температуры или увеличения давления потока.
В некоторых вариантах реализации изобретения температура и давление могут быть изменены системой LACT 108 с использованием нагревателей для повышения температуры, охладителей для снижения температуры, компрессоров для повышения давления текучей среды и насосов для снижения давления текучей среды. Параметр качества, связанный с давлением паров в потоке сырой нефти, может варьироваться в зависимости от географических и сезонных условий, в которых находятся трубопроводы 103 и 105. Например, параметр качества может включать в себя значение давления паров около 6 фунт/кв. дюйм или ниже (41,37 кПа) для сырой нефти летом в зоне мягкого климата (например, со средиземноморской погодой). С другой стороны, параметр качества может включать давление паров около 12 фунт/кв. дюйм или ниже (82,74 кПа) для сырой нефти при погодных условиях Северной Калифорнии зимой. Потоки сырой нефти, имеющие более высокое давление паров, чем указано параметром качества, могут вызвать взрыв трубопровода, если не предпринять никаких корректирующих действий. В более общем плане выбор параметра качества для углеводородного продукта может включать экологическую характеристику трубопровода. Действительно, в зависимости от того, подвергается ли трубопровод воздействию высоких или низких температур либо пересекает области, где температура сильно меняется в течение суток или в течение сезонов в году, можно определить значения, которые система LACT 108 будет использовать для определения параметра качества. В вариантах реализации данного изобретения параметры качества, определенные в данном описании, могут также рассматриваться в статических условиях текучей среды, например, в резервуаре, емкости или контейнере с углеводородным продуктом (например, в накопительной емкости 123, танкерном судне 133, автоцистерне 135, хранилище на нефтеперерабатывающем заводе 137 и т.п.).
В некоторых вариантах реализации изобретения параметром качества является GOR (gas/oil ratio, газонефтяной фактор). При перекачке сырой нефти в трубопровод подрядчика 105 может быть желательным, чтобы GOR равнялся единице (равный объем нефти и газа при стандартных условиях давления и температуры) или менее. Если говорить о нефтепроводах, желательно иметь GOR существенно ниже единицы. В вариантах реализации изобретения, предусматривающих транспортировку природного газа, требуемым параметром качества может быть GOR 200 или более для передачи продукта в трубопровод подрядчика 105. Например, в некоторых режимах работы газопроводов желательно, чтобы GOR существенно превышал 20 000 (двадцать тысяч).
В то время как на ФИГ. 1 проиллюстрирована буровая установка 101, соединенная по текучей среде с добычным трубопроводом 103 и трубопроводом подрядчика 105, в некоторых вариантах реализации изобретения оптическое вычислительное устройство 106, система LACT 108 (т.е. точка LACT) могут располагаться там, где одна добывающая компания поставляет дискретное количество углеводородного продукта потенциальному покупателю или покупателю по контракту. В некоторых вариантах реализации изобретения точка LACT может быть точкой передачи углеводородного продукта в любой из пунктов назначения 130, например, в танкерное судно 133, автоцистерну 135, на нефтеперерабатывающий завод 137 или электростанцию 139.
Некоторые варианты реализации изобретения включают в себя оптическое вычислительное устройство 106, выполненное с возможностью анализа природного газа, проводимого следующим образом. Представляющим интерес показателем качества для природного газа может быть содержание азота, меркаптана (метантиола) и аналитов, которые не являются горючими, таких как H2S, вода или любые другие жидкости (включая нефтяной туман), этиленгликоль, амины и другие химические вещества, используемые для дегидратации углеводородного продукта. В некоторых вариантах реализации для подачи газового продукта в трубопровод подрядчика 105 может требоваться содержание азота менее 20-25 об.%.
Информация об удельном весе или плотности газа также влияет на стоимость топлива. В некоторых вариантах реализации изобретения параметром качества может быть количество предоставленного природного газа, выраженное в стандартных кубических футах (станд. куб. фут или SCF). В других вариантах реализации изобретения параметром качества для природного газа может быть «энергосодержание» продукта, т.е. теплота, выделяемая при сгорании определенной массы продукта. Энергосодержание может быть выражено в британских тепловых единицах (BTU или БТЕ), где одна BTU — это энергия, необходимая для нагрева одного фунта воды на один градус по Фаренгейту. Соответственно, содержание горючих аналитов в потоке газа позволяет определить параметр качества BTU природного газа. Горючие аналиты в природном газе могут включать в себя любой из следующего: метан, этан, пропан, C3-C5-углеводороды и другие горючие аналиты.
В некоторых вариантах реализации изобретения содержание тяжелых аналитов в природном газе является другим параметром качества. Молекулярная масса аналитов в природном газе важна как для добывающей компании, так и для подрядной трубопроводной компании. Например, газы с большей молекулярной массой, чем метан и этан, такие как бутан, пропан или другие компоненты, может конденсироваться из газа при охлаждении трубопровода в зимний период. Конденсат может создавать проблемы безопасности на газопроводе. Следовательно, подрядные трубопроводные компании могут определить параметр качества перекачиваемого природного газа с большим допуском по молекулярной массе в летние месяцы и с меньшим — в зимние.
В целом, в некоторых вариантах реализации изобретения параметр качества может быть определен в соответствии с точкой росы природного газа. Оптическое вычислительное устройство 106 может быть выполнено с возможностью измерения концентрации различных аналитов в потоке газа, чтобы определять минимальную точку росы для газа. Точка росы газа представляет собой температуру, при которой из газа при заданном его давлении конденсируется капля жидкости. В некоторых конфигурациях капля жидкости образуется в потоке газа, когда давление газа выше давления паров жидкой фазы аналита при температуре потока газа. Соответственно, если известны давление газа, температура и концентрация аналита, можно определить точку росы. Чтобы избежать конденсации, контроллер 110 может побуждать систему LACT 108 принимать превентивные меры, например: снизить давление газа, повысить температуру газа, увеличить расход, уменьшить концентрацию аналита или использовать любую их комбинацию. Различные аналиты могут иметь разные точки росы в потоке газа в зависимости от их относительной концентрации и молекулярной массы. Например, более тяжелые молекулы (например, C3-С5-углеводороды) могут иметь более высокие значения точки росы, чем более легкие молекулы (например, метан или этан) при одинаковом давлении потока газа. Если минимальная точка росы среды присутствующих различных аналитов выше желательного показателя качества, определяемого в зависимости от сезона или условий окружающей среды в конкретном географическом регионе, где располагается трубопровод, контроллер 110 может определить, что газ подлежит рециркуляции в системе LACT 108 для удаления из него пропана или конденсационного компонента. Одним из вариантов может быть введение в газ добавки для снижения точки росы.
На ФИГ. 2 изображен иллюстративный ICE 100, подходящий для использования в оптических вычислительных устройствах, используемых в описанных системах и способах. Как показано на чертеже, ICE 100 может содержать множество чередующихся слоев 202 и 204, например, из кремния (Si) и кварца (SiO2), соответственно. В принципе, слои 202, 204 состоят из материалов с высоким и низким показателем преломления. Другие примеры могут включать оксид ниобия и ниобий, германий и оксид германия, MgF, SiOх и другие материалы с высоким и низким показателем, известные в данной области техники. Оптическая подложка 206 обеспечивает поддержку слоев 202, 204 в соответствии с некоторыми вариантами реализации изобретения. В некоторых вариантах реализации изобретения оптическая подложка 206 представляет собой оптическое стекло BK-7. В других вариантах реализации изобретения оптическая подложка 206 может представлять собой другой тип оптической подложки, такой как кварц, сапфир, кремний, германий, селенид цинка, сульфид цинка или различные пластмассы, такие как поликарбонат, полиметилметакрилат (PMMA), поливинилхлорид (PVC), алмаз, керамика, их комбинации и т.п.
На противоположной стороне (например, напротив оптической подложки 206 на ФИГ. 2) ICE 100 может содержать слой 208, который обычно подвергается воздействию окружающей среды устройства или установки. Количество слоев 202, 204 и толщина каждого слоя 202, 204 определяются по спектральным признакам, полученным из спектроскопического анализа представляющей интерес характеристики, проведенного для образца текучей среды с использованием обычного спектроскопического прибора. Интересующий спектр представляющей интерес характеристики обычно содержит любое количество разных длин волн. Иллюстративный ICE 100 на ФИГ. 2 на самом деле не представляет какой-либо конкретной представляющей интерес характеристики, а показан только для иллюстрации. Следовательно, количество слоев 202, 204 и их относительная толщина, как показано на ФИГ. 2, не связаны с какими-либо конкретными представляющими интерес характеристиками. Также не обязательно, что слои 202, 204 и их относительная толщина представлены в масштабе, поэтому они не должны рассматриваться как ограничивающие данное раскрытие. Кроме того, специалистам в данной области будет понятно, что материалы, составляющие каждый слой 202, 204 (т.е., Si и SiO2), могут варьироваться в зависимости от применения, стоимости материалов и/или возможности использования материалов с контролируемым веществом.
В некоторых вариантах реализации изобретения материал каждого слоя 202, 204 может быть легирован, или два или большее количество материалов могут быть объединены таким образом, чтобы достичь желаемой оптической характеристики. В дополнение к твердым веществам ICE 100 может также содержать жидкости и/или газы, необязательно в сочетании с твердыми веществами, для получения желаемой оптической характеристики. В случае газов и жидкостей ICE 100 может содержать соответствующий сосуд (не показан), в котором находятся газы или жидкости. Иллюстративные варианты ICE 100 могут также включать в себя голографические оптические элементы, решетки, пьезоэлектрические устройства, световоды, цифровые световоды (DLP), переменные оптические аттенюаторы и/или акустооптические элементы, например, способные создавать представляющие интерес условия пропускания, отражения и/или поглощения.
Слои 202, 204 имеют различные показатели преломления. Путем правильного выбора материалов слоев 202, 204, их относительной толщины и расстояния между ними ICE 100 может быть выполнен с возможностью избирательного пропускания/отражения/преломления заранее определенных компонентов электромагнитного излучения при разных длинах волн. Каждой длине волны присваивается предварительно определенный весовой или нагрузочный коэффициент. Толщина и расстояние между слоями 202, 204 могут быть определены с использованием множества методов аппроксимации с использованием спектрограммы представляющей интерес характеристики. Эти методы могут включать в себя обратное преобразование Фурье (Inverse Fourier Transform, IFT) спектра оптической передачи и структурирование ICE 100 в качестве физического представления IFT. Аппроксимации преобразуют IFT в структуру на основе известных материалов с постоянными показателями преломления.
Весовые коэффициенты, которые слои 202, 204 ICE 100 применяют к той или иной длине волны, задаются равными коэффициентам регрессии, описанными с использованием известного уравнения, данных или спектральной характеристики. Вкратце, ICE 100 может быть выполнен с возможностью определения скалярного произведения светового луча на входе ICE 100 и требуемого нагрузочного вектора регрессии, представленного каждым слоем 202, 204 для каждой длины волны и связанного с представляющей интерес характеристикой. Полученная в результате интенсивность света на выходе ICE 100 связана с представляющей интерес характеристикой. В других вариантах реализации изобретения весовые слои 202 и 204 в ICE 100 выбирают таким образом, чтобы свет оптически взаимодействовал с жидкостью, а ICE 100 не был связан с представляющей интерес характеристикой. Например, в некоторых вариантах реализации изобретения толщина и количество весовых слоев 202 и 204 могут быть выбраны таким образом, чтобы ICE 100 определял скалярное произведение светового луча на входе ICE 100 и нагрузочного вектора регрессии, связанного со второй характеристикой текучей среды, отличной от представляющей интерес характеристики. Кроме того, в некоторых вариантах реализации изобретения толщина и количество слоев 202 и 204 могут быть определены так, что интенсивность света, оптически провзаимодействовавшего с текучей средой и с ICE 100, положительно или отрицательно коррелирует с представляющей интерес характеристикой. Соответственно, в таких вариантах реализации изобретения интенсивность света, оптически провзаимодействовавшего с текучей средой и с ICE 100, может быть пропорциональна желаемой характеристике текучей среды (положительная корреляция) или обратно пропорциональна желаемой характеристике текучей среды (отрицательная корреляция). Кроме того, некоторые варианты реализации изобретения могут включать в себя по меньшей мере один ICE, связанный с представляющей интерес характеристикой, и по меньшей мере один ICE, не связанный с представляющей интерес характеристикой.
На ФИГ. 3 приведена схема, иллюстрирующая немеханистическим образом, как оптическое вычислительное устройство 300 может отличить электромагнитное излучение, связанное с представляющей интерес характеристикой, от другого электромагнитного излучения. Как показано на ФИГ. 3, освещение падающим лучом электромагнитного излучения вызывает появление выходного луча электромагнитного излучения из жидкости или газа 302 (например, оптически провзаимодействовавшего излучения), часть которого представляет собой электромагнитное излучение 304, соответствующее представляющей интерес характеристике, а часть является фоновым электромагнитным излучением 306, соответствующим другим характеристикам жидкости или газа 302. В некоторых вариантах реализации изобретения жидкость или газ 302 могут иметь одну или большее количество представляющих интерес характеристик, которые могут соответствовать одному или большему количеству аналитов в жидкости или газе 302. Оптическое вычислительное устройство 300 может быть таким, как оптическое вычислительное устройство 106 (см. ФИГ. 1). Соответственно, жидкость или газ 302 могут содержать углеводородный продукт, извлеченный из пластового резервуара 150 и перемещенный из добычного трубопровода 103 в трубопровод подрядчика 105 системой LACT 108 (см. ФИГ. 1).
Хотя это не показано конкретно, один или большее количество обрабатывающих элементов могут использоваться в оптическом вычислительном устройстве 300 для ограничения оптических длин волн и/или полос пропускания системы с целью устранения нежелательного электромагнитного излучения с длинами волн, соответствующими областям, не представляющим интереса. Такие обрабатывающие элементы могут быть расположены в любом месте оптической системы, например, сразу за источником света, обеспечивающим изначальное электромагнитное излучение.
Лучи электромагнитного излучения 304 и 306 воздействуют на оптическое вычислительное устройство 300, содержащее ICE 100. В проиллюстрированном варианте реализации изобретения ICE 100 может создавать оптически провзаимодействовавший свет, например, передаваемый оптически провзаимодействовавший свет 310 и отраженный оптически провзаимодействовавший свет 314. ICE 100 может быть выполнен с возможностью отделения электромагнитного излучения 304 из фонового электромагнитного излучения 306.
Передаваемый оптически провзаимодействовавший свет 310, который может быть связан с представляющей интерес характеристикой жидкости или газа 302, может передаваться в детектор 312 для анализа и количественной оценки. В некоторых вариантах реализации изобретения детектор 312 формирует выходной сигнал в виде напряжения, соответствующего конкретной характеристике жидкости или газа 302. По меньшей мере в одном варианте реализации изобретения сигнал, создаваемый детектором 312, и характеристика жидкости или газа 302 (например, концентрация аналита или скорость потока) могут быть прямо пропорциональными. В других вариантах реализации изобретения соотношение может иметь вид полиномиальной, экспоненциальной и/или логарифмической функции. Отраженный оптически провзаимодействовавший свет 314 может быть связан с другими характеристиками жидкости или газа 302 и может направляться в сторону от детектора 312. В альтернативных конфигурациях ICE 100 таков, что отраженный оптически провзаимодействовавший свет 314 связан с представляющей интерес характеристикой, а передаваемый оптически провзаимодействовавший свет 310 относится к другим характеристикам жидкости или газа 302.
В некоторых вариантах реализации изобретения может присутствовать второй детектор 316, выполненный с возможностью обнаружения отраженного оптически провзаимодействовавшего света 314. В других вариантах реализации изобретения второй детектор 316 может быть выполнен с возможностью обнаружения электромагнитного излучения 304 и 306, полученного из жидкости или газа 302, или электромагнитного излучения, направленного к или от жидкости или газу 302. Без ограничения, второй детектор 316 может использоваться для обнаружения отклонений лучеиспускания, наблюдаемых в источнике электромагнитного излучения (не показан), обеспечивающем электромагнитное излучение (т.е., свет) для устройства 300. Например, отклонения лучеиспускания могут включать в себя без ограничения: флуктуации интенсивности электромагнитного излучения, интерференционные флуктуации (например, из-за пыли или других помех, проходящих перед источником электромагнитного излучения), изменения из-за наличия покрытий на окнах оптического вычислительного устройства 300, их комбинации и т.п. В некоторых вариантах реализации изобретения оптическое вычислительное устройство 300 может иметь конфигурацию светоделителя для разделения электромагнитного излучения 304 и 306, а затем переданное или отраженное электромагнитное излучение может быть направлено в два или большее количество ICE 100. В таких вариантах реализации изобретения прошедшее или отраженное электромагнитное излучение проходит через ICE 100, который выполняет вычисления до того, как оно будет направлено в детектор 312.
В некоторых вариантах реализации изобретения используется компьютерный алгоритм для оценки воздействия компонента или загрязняющего вещества, либо определенной характеристики потока жидкости или газа 302 на конечный состав потока в трубопроводе. Алгоритм может быть частью искусственной нейронной сети, выполненной с возможностью использования концентрации каждой представляющей интерес характеристики для оценки общей характеристики (характеристик) жидкой или газовой композиции, и прогнозирования состава и/или концентрации добавок в текучей среде, для обеспечения требуемых свойств получаемого потока в трубопроводе. Искусственную нейронную сеть можно обучить с использованием текучих сред с заранее определенными представляющими интерес характеристиками и, таким образом, составить виртуальную библиотеку. По мере увеличения виртуальной библиотеки, доступной для искусственной нейронной сети, возможности последней в точном прогнозировании представляющей интерес характеристики жидкости, газа или аналита могут возрасти. Кроме того, при достаточном обучении искусственная нейронная сеть может более точно предсказывать характеристики потока жидкости или газа даже в присутствии неизвестных аналитов.
В некоторых вариантах реализации изобретения данные, собранные с использованием оптического вычислительного устройства 300, могут архивироваться вместе с данными, связанными с параметрами качества, регистрируемыми в системе LACT или рядом с ней (например, в системе LACT 108, см. ФИГ. 1). Оценка хода перемещения текучей среды позволяет улучшить работу в будущем и, при необходимости, запланировать корректирующие действия. Кроме того, данные и информация могут передаваться (по проводной или беспроводной связи) в удаленное местоположение посредством системы связи (например, спутниковая связь или связь по глобальной сети) для дальнейшего анализа. Автоматизированное управление с использованием системы дальней связи может дополнительно способствовать дистанционному выполнению требуемых операций. В частности, искусственная нейронная сеть содействует дистанционному выполнению операций (например, через контроллер 110, см. ФИГ. 1). Однако в других вариантах реализации изобретения удаленные операции могут выполняться при непосредственном управлении оператором, находящимся не на месте выполнения операций (например, с применением беспроводных технологий).
На ФИГ. 4A показано иллюстративное оптическое вычислительное устройство 406a для контроля текучей среды 402 в трубопроводе 404 в точке или вблизи точки LACT (например, в системе LACT 108, см. ФИГ. 1) в конфигурации отражения. Текучая среда 402 может содержать жидкость или газ, находящиеся в трубопроводе 404. Конфигурация отражения, такая как показанная в оптическом вычислительном устройстве 406a, может быть желательной, если текучая среда 402 является непрозрачной жидкостью, например, сырой нефтью. По меньшей мере в одном варианте реализации изобретения трубопровод 404 может быть добычным трубопроводом или трубопроводом подрядчика (например, добычным трубопроводом 103 или трубопроводом подрядчика 105, см. ФИГ. 1). По меньшей мере в одном варианте реализации изобретения трубопровод 404 может представлять собой резервуар или контейнер транспортного средства, такого как грузовой автомобиль или судно (например, грузовой автомобиль 135, судно 137). В других вариантах реализации изобретения трубопровод 404 может быть трубопроводом любого другого типа, как это обычно описано или иным образом определено в данном описании. Например, трубопровод 404 может быть частью нефтеперерабатывающего завода или электростанции (например, НПЗ 137, электростанции 139, см. ФИГ. 1).
Оптическое вычислительное устройство 406a может быть аналогичным в некоторых отношениях оптическому вычислительному устройству 300 на ФИГ. 3 или оптическому вычислительному устройству 106 на ФИГ. 1. Хотя это не показано, устройство 406а может быть размещено внутри корпуса или кожуха, выполненного с возможностью защиты внутренних компонентов устройства 406а от повреждения или загрязнения под действием внешней среды. Корпус может соединять устройство 406а с трубопроводом 404 механически с применением механического крепежа, резьбы, технологий пайки или сварки, клея, магнитов, их комбинаций и т.п.
Оптическое вычислительное устройство 406а может использоваться для определения конкретной характеристики текучей среды 402 в трубопроводе 404, например, определения концентрации аналита, присутствующего в текучей среде 402. Интересующий аналит может представлять собой загрязнитель или вещество, которое может влиять на параметр качества текучей среды 402. Знание по меньшей мере некоторых характеристик текучей среды 402 может помочь определить ее общий состав. Получаемый поток текучей среды, передаваемый в трубопровод подрядчика, может быть более высокого качества, поскольку тип и концентрация добавок адаптированы к требуемому значению в системе LACT.
В некоторых вариантах реализации изобретения устройство 406a может содержать источник электромагнитного излучения 408, выполненный с возможностью испускания или иной генерации электромагнитного излучения 410. Источником электромагнитного излучения 408 может быть любое устройство, способное испускать или генерировать электромагнитное излучение 410, как определено в данном документе. Например, источником электромагнитного излучения 408 может быть лампа, светодиод (LED), лазер, черный излучатель, фотонный кристалл, источник рентгеновского излучения, их комбинации и т.п. В некоторых вариантах реализации изобретения линза собирает или иным образом принимает электромагнитное излучение 410 и направляет луч 414 электромагнитного излучения 410 к текучей среде 402.
В одном или нескольких вариантах реализации изобретения устройство 406a может также сдержать окно выборки 416, расположенное рядом или иным образом находящееся в контакте с текучей средой 402 для целей детектирования. В некоторых вариантах реализации изобретения окно выборки 416 содержит любой из множества прозрачных, жестких или полужестких материалов, которые обеспечивают передачу луча 414 через него. Например, окно выборки 416 может содержать материалы, такие как (без ограничения): стекла, пластмассы, полупроводники, кристаллические материалы, сапфир, поликристаллические материалы, порошки горячего или холодного прессования, их комбинации и т.п.
После прохождения через окно выборки 416 луч 414 попадает в и оптически взаимодействует с текучей средой 402, в т.ч. и любыми аналитами, присутствующими в текучей среде 402. В результате текучая среда 402 отражает или обратно рассеивает оптически провзаимодействовавшее излучение 418.
Один или большее количество ICE 420a, 420b и 420c (далее совместно называемые ICE 420) могут присутствовать в устройстве 406a. Устройства ICE 420 могут содержать спектральные компоненты, по существу аналогичные ICE 100, описанному выше со ссылкой на ФИГ. 1 и 2. В процессе работы ICE 420a принимает оптически провзаимодействовавшее излучение 418 и формирует модифицированное электромагнитное излучение 422, соответствующее конкретной представляющей интерес характеристике текучей среды 402. Модифицированное электромагнитное излучение 422 оптически взаимодействует с ICE 420a, что включает приближенное имитирование вектора регрессии, соответствующего представляющей интерес характеристике текучей среды 402. Специалисту в данной области с обычным уровнем подготовки будет понятно, что любой оптический элемент может использоваться для направления пучка 414 в текучую среду 402 с целью получения провзаимодействовавшего излучения 418 из текучей среды 402 и для направления провзаимодействовавшего излучения 418 через ICE 420 в детектор 424. Кроме того, специалисту в данной области с обычным уровнем подготовки будет понятно, что любой из оптических элементов в оптическом вычислительном устройстве 406a может представлять собой пространственный оптический элемент, такой как линза, зеркала, призма, поляризатор или любую их комбинацию, либо волоконно-оптический компонент, такой как светоделитель, циркулятор, мультиплексор с разделением по длине волны, коллиматор или любая их комбинация.
В некоторых вариантах реализации изобретения ICE 420b (как показано пунктирными линиями) может быть альтернативно размещен в оптической системе перед окном выборки 416 и может получать по существу те же результаты, что и ICE 420a. В других вариантах реализации изобретения окно выборки 416 может иметь двойное назначение и служить в качестве окна передачи и подложки для одного из ICE 420 (т.е. спектральный компонент). В других вариантах реализации изобретения компоненты ICE 420 могут формировать модифицированное электромагнитное излучение 422 путем отражения, а не пропускания через него.
Варианты реализации данного изобретения могут содержать по меньшей мере два ICE 420 в устройстве 406a, выполненные с возможностью совместного определения представляющей интерес характеристики текучей среды 402. Например, два или большее количество ICE 420, расположенных последовательно или параллельно в устройстве 406a, получают оптически провзаимодействовавшее излучение 418, тем самым повышая чувствительность и предел обнаружения устройства 406a. В некоторых вариантах реализации изобретения два или большее количество ICE 420 могут быть расположены в подвижной сборке, такой как вращающийся диск или колебательная линейная матрица, которая перемещается так, что отдельные ICE 420 подвергаются воздействию или оптически взаимодействуют с электромагнитным излучением 410 в течение определенного короткого периода. Каждый из двух или большего количества ICE 420 в любом из этих вариантов реализации изобретения может быть связан или не связан с представляющей интерес характеристикой текучей среды 402. В других вариантах реализации изобретения каждый из двух или большего количества ICE 420 имеет положительную или отрицательную корреляцию с представляющей интерес характеристикой. Кроме того, согласно некоторым вариантам реализации изобретения два или большее количество ICE 420 могут иметь противоположную корреляцию с представляющей интерес характеристикой. В таких вариантах реализации изобретения в то время как сигнал в детекторе 424 увеличивается с увеличением представляющей интерес характеристики для первого ICE 420, сигнал в детекторе 424 уменьшается для второго ICE 420.
В некоторых вариантах реализации изобретения может быть желательным одновременно отслеживать несколько представляющих интерес характеристик, используя устройство 406а. В таких вариантах реализации изобретения могут быть использованы различные конфигурации нескольких ICE, в которых каждый ICE 420 выполнен с возможностью обнаружения конкретной и/или отдельной представляющей интерес характеристики, например, текучей среды 402 или аналита в текучей среде 402. В некоторых вариантах реализации изобретения анализируется представляющая интерес характеристика последовательно, с использованием множества ICE, провзаимодействовавших с одним лучом оптически провзаимодействовавшего излучения 418, отраженного или обратно рассеянного из текучей среды 402. Например, некоторые варианты реализации изобретения включают в себя несколько ICE, расположенных на вращающемся диске. В таких вариантах реализации изобретения луч оптически провзаимодействовавшего излучения 418 взаимодействует с отдельным ICE 420 в течение меньшего времени. Преимущества такого подхода могут включать возможность анализа множества представляющих интерес характеристик текучей среды 402 с использованием устройства 406а, а также возможность анализа дополнительных характеристик путем простого добавления на вращающийся диск дополнительных ICE, соответствующих этим дополнительным характеристикам.
Модифицированное электромагнитное излучение 422, генерируемое ICE 420a, передается в детектор 424 для количественной оценки сигнала. Детектор 424 может быть любым устройством, способным детектировать электромагнитное излучение, таким как оптический преобразователь. В некоторых вариантах реализации изобретения детектор 424 представляет собой тепловой детектор, такой как термоэлектрический или фотоакустический детектор, полупроводниковый детектор, пьезоэлектрический детектор, детектор с прибором с зарядовой связью (CCD), видео- или матричный детектор, детектор с разделением, фотонный детектор (например, фотоумножитель), фотодиоды, их комбинации и т.п. или другие детекторы, известные специалистам в данной области техники.
В некоторых вариантах реализации изобретения детектор 424 может быть выполнен с возможностью формирования выходного сигнала 426 в реальном времени или почти в реальном времени в виде напряжения (или тока), который соответствует конкретной представляющей интерес характеристике текучей среды 402. Выходной сигнал 426 может быть пропорционален скалярному произведению оптически провзаимодействовавшего излучения 418 и вектора регрессии, связанного с представляющей интерес характеристикой. Таким образом, выходной сигнал 426, создаваемый детектором 424, может быть связан с амплитудой или концентрацией представляющей интерес характеристики. Например, выходной сигнал 426 может быть прямо пропорционален представляющей интерес характеристике. Однако в других вариантах реализации изобретения соотношение может соответствовать полиномиальной, экспоненциальной, логарифмической функции и/или их комбинациям. В некоторых вариантах реализации изобретения выходной сигнал 426, связанный с ICE 420a, может иметь отрицательную корреляцию с представляющей интерес характеристикой. Соответственно, выходной сигнал 426 уменьшается при увеличении представляющей интерес характеристики.
В некоторых вариантах реализации изобретения устройство 406a может содержать второй детектор 428, который может быть аналогичен первому детектору 424 в том, что он может быть любым устройством, способным обнаруживать электромагнитное излучение. Подобно второму детектору 316 на ФИГ. 3 второй детектор 428 на ФИГ. 4А обнаруживает отклонения лучеиспускания, наблюдаемые в источнике электромагнитного излучения 408. Соответственно, светоделитель 411 (пунктирная линия) может направлять часть модифицированного электромагнитного излучения 422 в детектор 428, который может быть выполнен с возможностью контроля отклонений лучеиспускания в источнике электромагнитного излучения 408. В некоторых вариантах реализации изобретения ICE 420c (показанный пунктирной линией) перед детектором 428 модифицирует электромагнитное излучение, попадающее в детектор 428. Нежелательные отклонения лучеиспускания могут наблюдаться в интенсивности электромагнитного излучения 410 по целому ряду причин, и это может оказывать различное отрицательное влияние на выходной сигнал устройства 406а. Эти негативные эффекты могут быть вредными для измерений, выполняемых в течение длительного периода времени. В некоторых вариантах реализации изобретения отклонения лучеиспускания могут возникать из-за нарастания слоя остаточного материала внутри или снаружи окна выборки 416. Это уменьшает количество и качество света, в конечном итоге достигающего первого детектора 424. Без надлежащей компенсации такие отклонения лучеиспускания могут приводить к неправильным показаниям, а выходной сигнал 426 может оказываться неточно связанным с представляющей интерес характеристикой. В некоторых вариантах реализации изобретения ICE 420c используется для предоставления дополнительной информации о представляющей интерес характеристике пробы. Например, ICE 420c может иметь противоположную корреляцию с представляющей интерес характеристикой по сравнению с ICE 420a. Кроме того, в некоторых вариантах реализации изобретения ICE 420c может быть не связан с представляющей интерес характеристикой. В других вариантах реализации изобретения ICE 420c может быть связан со второй представляющей интерес характеристикой пробы.
Чтобы компенсировать указанные нежелательные влияния, второй детектор 428 генерирует компенсирующий сигнал 430, в целом соответствующий отклонениям лучеиспускания в источнике электромагнитного излучения 408, тем самым нормализуя выходной сигнал 426, формируемый первым детектором 424. В некоторых вариантах реализации изобретения второй детектор 428 принимает электромагнитное излучение из любой части оптической системы в устройстве 406a для обнаружения отклонений лучеиспускания, не выходя за пределы объема изобретения.
В некоторых применениях выходной сигнал 426 и компенсирующий сигнал 430 могут быть переданы в процессор сигналов 434 (или получены им иным образом), соединенный с возможностью передачи данных с обоими детекторами 424, 428. Процессор сигналов 434 может быть частью компьютера, включающего в себя энергонезависимый машиночитаемый носитель, выполненный с возможностью нормализации выходного сигнала 426 с использованием компенсирующего сигнала 430 с учетом отклонений лучеиспускания, обнаруженных вторым детектором 428. Соответственно, процессор сигналов 434 может быть частью контроллера 110, такого как процессор 111 (см. ФИГ. 1). В некоторых вариантах реализации изобретения процессор сигналов 434 вычисляет отношение или разность двух сигналов 426, 430. Например, концентрация или величина каждой представляющей интерес характеристики, определенной с использованием оптического вычислительного устройства 406а, может быть направлена в алгоритм, выполняемый процессором сигналов 434. Алгоритм может быть выполнен с возможностью прогнозирования того, как текучая среда 402 в сочетании с присутствующими в ней добавками, необязательно в различных концентрациях, будет вести себя в потоке в трубопроводе.
Специалистам в данной области будет понятно, что в одном или большем количестве вариантов реализации изобретения электромагнитное излучение 410 исходит из самой текучей среды 402. Например, различные вещества естественным образом испускают электромагнитное излучение, которое может взаимодействовать по меньшей мере с одним ICE 420. В некоторых вариантах реализации изобретения, например, текучая среда 402 или вещество в текучей среде 402 может представлять собой совершенное излучающее вещество, предназначенное для излучения тепла, которое может оптически взаимодействовать по меньшей мере с одним из компонентов ICE 420. В других вариантах реализации изобретения текучая среда 402 или вещество в текучей среде 402 могут быть радиоактивными или химически люминесцирующими, и могут испускать электромагнитное излучение, которое может взаимодействовать с ICE 420. В других вариантах реализации изобретения механическое, магнитное, электрическое возбуждение индуцирует электромагнитное излучение из текучей среды 402 или из вещества в текучей среде 402. Например, по меньшей мере в одном варианте реализации изобретения напряжение в текучей среде 402 или в веществе в текучей среде 402 индуцирует электромагнитное излучение. В результате в рассматриваемых здесь вариантах реализации изобретения источник электромагнитного излучения 408 может быть исключен из определенного оптического вычислительного устройства.
На ФИГ. 4B показано иллюстративное оптическое вычислительное устройство 406b для контроля потока текучей среды 402 в трубопроводе 404 в точке или вблизи точки LACT (например, в системе LACT 108, см. ФИГ. 1) в конфигурации передачи. Конфигурация передачи, такая как показанная в оптическом вычислительном устройстве 406b, может быть желательной, если текучая среда 402 является прозрачной(ым) или полупрозрачной(ым) жидкостью или газом, например, природным газом или бензином. Луч 414 пересекает участок трубы 404, образуя прошедшее излучение 418b, достигающее детектора 424. Без ограничения в некоторых вариантах реализации изобретения ICE 420a может быть размещен в оптической системе между выходным окном 416 и детектором 424. Соответственно, прошедшее излучение 418b обеспечивает агрегированное или усредненное значение требуемой характеристики текучей среды 402 на участке трубы 404. Другие элементы на ФИГ. 4В таковы, как описано выше со ссылкой на ФИГ. 4А, например, источник электромагнитного излучения 408, электромагнитное излучение 410, окно выборки 416, светоделитель 411, ICE 420c, модифицированное электромагнитное излучение 422, детектор 428, сигналы 426 и 430, и процессор сигналов 434.
На ФИГ. 4C изображено иллюстративное оптическое вычислительное устройство 406c для контроля потока текучей среды 402 в трубопроводе 404 в точке или вблизи точки LACT (например, в системе LACT 108, см. ФИГ. 1) в конфигурации с множеством отражений. Конфигурация с множеством отражений, такая как показанная в оптическом вычислительном устройстве 406c, может быть желательной, если текучая среда 402 является непрозрачной жидкостью, плотной жидкостью (например, сырой нефтью), или плотным газом. Луч 414 падает на окно 416 под углом, так что на участке окна 416 образуется путь множества внутренних отражений 448. Луч 418с, многократно отраженный на его внутренней стороне, выходит из окна 416 и достигает детектора 424. Без ограничения в некоторых вариантах реализации изобретения ICE 420a размещен в оптической системе между окном 416 и детектором 424. Многократно отраженный луч 448 несет информацию о текучей среде 402, агрегированную по множеству точек отражения 458 на внутренней стороне окна 416. Другие элементы на ФИГ. 4С являются такими, как описано выше со ссылкой на ФИГ. 4A–B, например, источник электромагнитного излучения 408, электромагнитное излучение 410, окно выборки 416, светоделитель 411, ICE 420c, модифицированное электромагнитное излучение 422, детектор 428, сигналы 426 и 430, и процессор сигналов 434.
На ФИГ. 5 изображен иллюстративный корпус 500, который может использоваться для размещения в нем оптического вычислительного устройства 506. В некоторых вариантах реализации изобретения корпус 500 может быть механически соединен с трубопроводом (например, с добычным трубопроводом 103 или трубопроводом 404, см ФИГ. 1 и 4A–C) с использованием, например, механического крепежа, технологий пайки или сварки, клея, магнитов, их комбинации и т.п. Корпус 500 по существу защищает внутренние компоненты устройства 506 от повреждения или загрязнения под действием внешней среды. Однако специалисты в данной области легко поймут, что несколько альтернативных конструкций и конфигураций корпусов, используемых для размещения оптических вычислительных устройств, пригодны для раскрытых в данном документе систем и способов. Действительно, варианты реализации корпуса, описанные и раскрытые в данном документе, приведены только в качестве примера и не должны ограничивать объем описанных иллюстративных систем и способов.
Как показано, корпус 500 может, в целом, иметь форму болта 550, содержащего различные компоненты оптического вычислительного устройства 506. Оптическое вычислительное устройство 506 может быть таким, как любое из оптического вычислительного устройства 106 на ФИГ. 1 или оптических вычислительных устройств 406a-c на ФИГ. 4A-C. В одном варианте реализации изобретения компоненты размещенного устройства 506 могут быть, в целом, размещены внутри штока 552 болта 550, а болт 550 может иметь шестигранную головку 554 для ручного манипулирования корпусом 500 с использованием, например, гаечного ключа или другого подходящего ручного инструмента, создающего крутящий момент.
По меньшей мере в одном варианте реализации изобретения корпус 500 определяет внешнюю резьбу 556, совместимую с соответствующей резьбой на сопрягаемой трубе, предусмотренной, например, в отверстии, выполненном в трубопроводе с возможностью помещения в него корпуса 500. Герметик для резьбы между резьбой 556 и резьбой на сопрягаемой трубе может предотвращать протечку влаги или любого нежелательного вещества через соединение между корпусом 500 и трубой.
На ФИГ. 6 приведена блок-схема последовательности этапов в способе 600 мониторинга текучей среды в рамках LACT. Текучая среда в способе 600 может представлять собой жидкость, газ или любую их комбинацию, как подробно описано выше. Этапы способа 600 могут по меньшей мере частично выполняться контроллером, имеющим процессор и память (например, контроллер 110, процессор 111 и память 112, см. ФИГ. 1). Контроллер соединен с возможностью передачи данных с оптическим вычислительным устройством и системой LACT, отделяющей добычный трубопровод от трубопровода подрядчика в конфигурации нефте- и газодобычи (например, оптические вычислительные устройства 106, 406 и 506, система LACT 108, добычный трубопровод 103, трубопровод подрядчика 105 и конфигурация нефте- и газодобычи 10, см. ФИГ. 1, 4A-C и 5). Соответственно, процессор может быть выполнен с возможностью выполнения команд, хранящихся в памяти, побуждая контроллер выполнять по меньшей мере некоторые из этапов способа 600. Конфигурация нефте- и газодобычи может содержать объемный разделитель фаз для отделения жидкости от газа в текучей среде и накопительной емкости для подачи непрерывного потока в добычный трубопровод (например, объемный разделитель фаз 121, накопительная емкость 123, см. ФИГ. 1). Кроме того, система LACT в способах, согласующихся со способом 600, может содержать любое из устройств: насос, компрессор, нагреватель, охладитель, газовый конденсатор, запорный клапан для перекрывания потока текучей среды из добычного трубопровода в трубопровод подрядчика и рециркуляционный клапан для направления потока текучей среды к линии рециркуляции. Кроме того, система LACT может содержать установку для удаления воды или станцию удаления пузырьков в составе станции рециркуляции текучей среды. Описанное оптическое вычислительное устройство может содержать по меньшей мере один ICE, связанный с требуемой характеристикой текучей среды, и один ICE, не связанный с требуемой характеристикой текучей среды (например, ICE 100, ICE 420, см. ФИГ. 1 и 4А-С).
В некоторых вариантах реализации изобретения способ контроля потока текучей среды может включать некоторые, но не все этапы способа 600, выполняемые в другой последовательности. Кроме того, способ согласно данному изобретению может включать в себя по меньшей мере некоторые из этапов способа 600, выполняемые с перекрыванием во времени или почти одновременно.
Этап 610 включает оптическое взаимодействие текучей среды в добычном трубопроводе с ICE в оптическом вычислительном устройстве для генерирования оптически провзаимодействовавшего излучения. В некоторых вариантах реализации изобретения этап 610 включает обеспечение электромагнитного излучения источником электромагнитного излучения. В некоторых вариантах реализации изобретения этап 610 может включать использование электромагнитного излучения, генерируемого внутри текучей среды или поступающего извне, от природного источника (например, солнечные лучи). Этап 610 может включать взаимодействие электромагнитного излучения с текучей средой в виде одного из следующих взаимодействий: пропускание, отражение, или многократное внутреннее отражение с окном выборки, смежным с текучей средой.
Этап 620 включает формирование выходного сигнала, пропорционального интенсивности оптически провзаимодействовавшего излучения. Выходной сигнал может быть сигналом напряжения, поступающим от детектора, принимающего оптически провзаимодействовавшее излучение в оптическом вычислительном устройстве.
Этап 630 включает корреляцию выходного сигнала с характеристикой текучей среды. В некоторых вариантах реализации изобретения этап 630 может включать в себя использование процессора сигналов, связанного с оптическим вычислительным устройством и выполненного с возможностью получения выходного сигнала от детектора. Кроме того, на этапе 630 процессор может быть выполнен с возможностью выполнения алгоритма линейной регрессии или нелинейного алгоритма, такого как алгоритм нейронной сети. Команды для выполнения корреляции на этапе 630 могут храниться в памяти контроллера, соединенного с оптическим вычислительным устройством, в соответствии с раскрытыми здесь вариантами реализации изобретения.
Этап 640 включает модификацию текучей среды для поддержания параметра качества в соответствии с характеристикой текучей среды. В некоторых вариантах реализации изобретения этап 640 дополнительно включает выбор параметра качества в соответствии с характеристикой окружающей среды добычного трубопровода или трубопровода подрядчика, такой как сезонное температурное состояние. В некоторых вариантах реализации изобретения этап 640 дополнительно включает выбор параметра качества в соответствии с пунктом назначения текучей среды в трубопроводе. Например, если текучая среда представляет собой природный газ, а пунктом назначения является электростанция, этап 640 может включать в себя выбор определенного BTU природного газа в соответствии со спецификацией оператора электростанции. Аналогичным образом, если текучая среда представляет собой жидкую сырую нефть, а пунктом назначения является нефтеперерабатывающий завод, этап 640 может включать в себя выбор GOR сырой нефти в соответствии со спецификацией оператора нефтеперерабатывающего завода.
В некоторых вариантах реализации изобретения этап 640 дополнительно включает природный газ, и способ дополнительно включает в себя выбор параметра качества в соответствии с требуемой теплотой, выделяемой при сжигании природного газа. В некоторых вариантах реализации изобретения модификация текучей среды для поддержания параметра качества включает перенаправление текучей среды на станцию охлаждения для удаления жидкости из природного газа в текучей среде. Например, в некоторых вариантах реализации изобретения модификация текучей среды на этапе 640 включает удаление компонента из текучей среды, имеющей высокую точку росы, если текучая среда представляет собой поток газа. В некоторых вариантах реализации изобретения газ может быть природным газом. Аналогичным образом, в некоторых вариантах реализации изобретения модификация текучей среды на этапе 640 включает удаление компонента из текучей среды, имеющей низкую температуру образования пузырьков, если текучая среда представляет собой жидкость. В некоторых вариантах реализации изобретения жидкость представляет собой сырую нефть.
В некоторых вариантах реализации изобретения модификация текучей среды для поддержания параметра качества включает перенаправление текучей среды на станцию удаления воды в системе LACT. В некоторых вариантах реализации изобретения модификация текучей среды для поддержания параметра качества включает перенаправление текучей среды на станцию удаления пузырьков в системе LACT. В более общем плане, этап 640 может включать в себя закрытие клапана к трубопроводу подрядчика и перемещение текучей среды на станцию рециркуляции в системе LACT, если параметр качества не соответствует указанному значению.
Этап 650 включает модификацию текучей среды для снижения стоимости технического обслуживания в соответствии с характеристикой текучей среды. Например, в некоторых вариантах реализации изобретения текучая среда представляет собой жидкую сырую нефть, а этап 650 может включать в себя определение того, что давление паров сырой нефти выше, чем указано для обеспечения безопасной и чистой работы трубопровода подрядчика. Аналогичным образом, в некоторых вариантах реализации изобретения текучая среда может быть потоком природного газа, а этап 650 может включать в себя определение того, что точка росы компонента в природном газе выше, чем указано для обеспечения безопасной и чистой работы трубопровода подрядчика.
Этап 660 включает перемещение текучей среды из добычного трубопровода в трубопровод подрядчика в соответствии с параметром качества. В некоторых вариантах реализации изобретения этап 660 может включать в себя перемещение текучей среды в пункт назначения, такой как транспортное средство (танкерное судно или автоцистерна), нефтеперерабатывающий завод или электростанция.
Раскрытые в данном документе варианты реализации изобретения включают:
A. Устройство, содержащее интегрированный вычислительный элемент (ICE), расположенный с возможностью оптического взаимодействия с электромагнитным излучением от текучей среды. Устройство выполнено с возможностью генерирования оптически провзаимодействовавшего излучения, соответствующего характеристике текучей среды. Устройство может содержать детектор, расположенный с возможностью приема оптически провзаимодействовавшего излучения и формирования выходного сигнала, пропорционального интенсивности оптически провзаимодействовавшего излучения; и процессор, расположенный с возможностью приема выходного сигнала и определения характеристики текучей среды. Устройство может быть соединено с контроллером, выполненным с возможностью предоставления команд систем перемещения для хранения и считывания.
B. Способ, включающий оптическое взаимодействие текучей среды в добычном трубопроводе со встроенным вычислительным элементом (ICE) для генерирования оптически провзаимодействовавшего излучения. Способ также включает формирование выходного сигнала, пропорционального интенсивности оптически провзаимодействовавшего излучения, корреляцию выходного сигнала с характеристикой текучей среды, изменение текучей среды для поддержания параметра качества в соответствии с характеристикой текучей среды и перемещение текучей среды из добычного трубопровода в трубопровод подрядчика в соответствии с параметром качества.
C. Энергонезависимый машиночитаемый носитель, на котором хранятся команды, которые при выполнении процессором в измерительной системе, содержащей оптическое вычислительное устройство, побуждают измерительную систему выполнять способ, включающий: оптическое взаимодействие текучей среды в добычном трубопроводе со встроенным вычислительным элементом (ICE) для генерации оптически провзаимодействовавшего излучения; формирование выходного сигнала, пропорционального интенсивности оптически провзаимодействовавшего излучения. Способ также включает в себя корреляцию выходного сигнала с характеристикой текучей среды, модификацию текучей среды для поддержания параметра качества в соответствии с характеристикой текучей среды, снижение стоимости технического обслуживания в соответствии с характеристикой текучей среды и перемещение текучей среды из добычного трубопровода в трубопровод подрядчика в соответствии с параметром качества.
Каждый из вариантов реализации изобретения A, B и C может иметь один или более из следующих дополнительных элементов в любой комбинации.
Элемент 1, в котором система перемещения представляет собой систему автоматической поставки продукта потребителю (LACT), расположенную выше по потоку от трубопровода подрядчика в конфигурации нефте- и газодобычи, при этом система LACT выполнена с возможностью изменения потока и состава текучей среды, если характеристика текучей среды ниже параметра качества. Элемент 2, в котором текучая среда содержит жидкую сырую нефть, а ICE выполнен с возможностью обнаружения загрязняющего вещества в жидкой сырой нефти, причем загрязняющее вещество содержит остатки добавки, применяемой при добыче нефти, воду или природный газ. Элемент 3, в котором текучая среда содержит природный газ, а ICE выполнен с возможностью обнаружения метана, пропана, воды или унесенной жидкости. Элемент 4, в котором параметр качества выбирают в соответствии с характеристикой окружающей среды трубопровода. Элемент 5, в котором параметр качества выбирают в соответствии с пунктом назначения текучей среды в трубопроводе. Элемент 6, в котором текучая среда содержит природный газ, а параметр качества выбирают в соответствии с количеством теплоты, выделяемой при сжигании природного газа. Элемент 7, дополнительно содержащий первый оптический элемент для направления падающего света через окно выборки в трубопроводе, и второй оптический элемент для приема оптически провзаимодействовавшего излучения, отраженного от текучей среды в трубопроводе. Элемент 8, дополнительно содержащий первый оптический элемент для направления падающего электромагнитного излучения через окно выборки в трубопроводе, и второй оптический элемент для приема оптически провзаимодействовавшего излучения, прошедшего через текучую среду в трубопроводе. Элемент 9, дополнительно включающий первый оптический элемент для направления падающего электромагнитного излучения через окно выборки в трубопроводе и второй оптический элемент для приема оптически провзаимодействовавшего излучения, отраженного несколько раз на стороне окна выборки, находящейся в контакте с текучей средой в трубопроводе.
Элемент 10, в котором модификация текучей среды включает в себя модификацию текучей среды для снижения стоимости технического обслуживания в соответствии с характеристикой текучей среды. Элемент 11, дополнительно включающий выбор параметра качества в соответствии с характеристикой окружающей среды одного из следующего: добычной трубопровод или трубопровод подрядчика. Элемент 12, дополнительно включающий выбор параметра качества в соответствии с пунктом назначения текучей среды в одном из следующего: добычной трубопровод или трубопровод подрядчика. Элемент 13, в котором текучая среда содержит природный газ, и способ дополнительно включает в себя выбор параметра качества в соответствии с требуемой теплотой, выделяемой при сжигании природного газа. Элемент 14, в котором модификация текучей среды для поддержания параметра качества включает перенаправление текучей среды на станцию рециркуляции для удаления жидкости из природного газа в текучей среде. Элемент 15, в котором модификация текучей среды для поддержания параметра качества включает перенаправление текучей среды на станцию удаления воды. Элемент 16, в котором модификация текучей среды для поддержания параметра качества включает перенаправление текучей среды на станцию удаления пузырьков.
Элемент 17, в котором текучая среда содержит природный газ, и способ дополнительно включает в себя выбор параметра качества в соответствии с требуемой теплотой, выделяемой при сжигании природного газа.
В качестве неограничивающего примера иллюстративные комбинации, применимые к A, B и C, включают элемент 1 с элементом 2, элемент 11 с элементом 12 и элемент 13 с элементом 17.
Понятно, что различные варианты реализации изобретения в данном описании, относящиеся к компьютерному управлению и искусственным нейронным сетям, включая различные блоки, модули, элементы, компоненты, способы и алгоритмы, могут быть реализованы с использованием компьютерных аппаратных средств, программного обеспечения, их комбинаций и тому подобного. Для иллюстрирования такой взаимозаменяемости аппаратного и программного обеспечения, различные иллюстративные блоки, модули, элементы, компоненты, способы и алгоритмы были описаны в общем смысле, с точки зрения их функциональности. Реализация такой функциональности в виде аппаратного или программного обеспечения будет зависеть от конкретного применения и любых наложенных конструктивных ограничений. По меньшей мере по этой причине следует признать, что специалист в данной области техники сможет реализовать описанную функциональность множеством способов для конкретного применения. Кроме того, например, различные компоненты и блоки могут располагаться в другом порядке или по-разному разделяться без отступления от объема конкретно описанных вариантов реализации изобретения.
Компьютерные аппаратные средства, используемые для реализации различных иллюстративных блоков, модулей, элементов, компонентов, способов и алгоритмов, описанных в данном документе, могут содержать процессор, выполненный с возможностью выполнения одной или большего количества последовательностей команд, программных средств или кода, хранящихся на энергонезависимом машиночитаемом носителе. Процессор может представлять собой, например, микропроцессор общего назначения, микроконтроллер, цифровой процессор обработки сигналов, специализированную интегральную схему, программируемую пользователем вентильную матрицу, программируемое логическое устройство, контроллер, конечный автомат, логический вентиль, дискретные аппаратные компоненты, искусственную нейронную сеть или любой другой подобный подходящий объект, который может выполнять расчеты или другие манипуляции с данными. В некоторых вариантах реализации компьютерное аппаратное оборудование может дополнительно включать элементы, такие как память (например, оперативное запоминающее устройство (RAM), флэш-память, постоянное запоминающее устройство (ROM), программируемое постоянное запоминающее устройство (PROM), стираемое постоянное запоминающее устройство (EPROM)), регистры, жесткие диски, съемные диски, CD-ROM, DVD или любое другое подобное подходящее запоминающее устройство или носитель.
Исполняемые последовательности, описанные в данном документе, могут быть реализованы с помощью одной или большего количества последовательностей кода, содержащихся в памяти. В некоторых вариантах реализации изобретения такой код может считываться в память из другого машиночитаемого носителя. Выполнение последовательностей команд, содержащихся в памяти, может побуждать процессор выполнять описанные в данном документе этапы способа. Для выполнения последовательностей команд в памяти также может использоваться один или большее количество процессоров в режиме многопроцессорной обработки. Также, аппаратно-реализованные схемы могут использоваться вместо или в комбинации с программными командами для осуществления различных вариантов реализации изобретения, описанных в данном документе. Таким образом, варианты реализации данного изобретения не ограничиваются какой-либо конкретной комбинацией аппаратного и/или программного обеспечения.
В контексте данного изобретения, машиночитаемый носитель будет относиться к любому носителю, который прямо или косвенно предоставляет процессору команды для выполнения. Машиночитаемый носитель может принимать различные формы, включая, например, энергонезависимые носители, энергозависимые носители, а также средства передачи данных. Энергонезависимые носители среды могут включать, например, оптические и магнитные диски. Энергозависимые носители могут включать, например, динамическую память. Средства передачи данных могут включать, например, коаксиальные кабели, провода, волоконную оптику и провода, которые образуют шину. Обычные формы машиночитаемых носителей могут включать, например, дискеты, гибкие диски, жесткие диски, магнитные ленты, другие подобные магнитные носители, диски CD-ROM, диски DVD, другие подобные оптические носители, перфокарты, бумажные перфоленты и подобные физические носители с перфорацией, RAM, ROM, PROM, EPROM и флэш-EPROM.
Типовые варианты реализации, описанные в данном документе, хорошо подходят для достижения указанных, а также присущих им целей и преимуществ. Конкретные варианты реализации изобретения, описанные выше, являются только иллюстративными, так как типовые варианты реализации изобретения могут быть модифицированы и реализованы различными, но эквивалентными способами, очевидными специалисту в данной области техники благодаря идеям, изложенным в данном документе. Кроме того, для деталей конструкции или схемы, проиллюстрированных в настоящем документе, не предусмотрены никакие ограничения, кроме описанных в приведенных ниже пунктах формулы изобретения. Поэтому очевидно, что конкретные иллюстративные варианты реализации изобретения, описанные выше, могут быть изменены, скомбинированы или модифицированы, и при этом считается, что все такие вариации находятся в рамках объема и сущности данного изобретения. Изобретение, иллюстративно описанное в данном документе, может соответствующим образом применяться на практике при отсутствии любого элемента, который конкретно не описан в данном документе, и/или любого необязательного элемента, описанного в данном документе. Хотя композиции и способы описаны в терминах «содержащие» или «включающие» различные компоненты или этапы, эти композиции и способы также могут «по существу состоять из» или «состоять из» различных компонентов и этапов. Все указанные выше значения и диапазоны могут варьироваться до некоторой степени. Числовой диапазон с указанным нижним и верхним пределами должен рассматриваться как включающий в себя любое число или любой поддиапазон из указанного диапазона. В частности, любой приведенный в данном описании диапазон значений (определенный как: «от около a до около b» или, что эквивалентно, «от около a до b», или, что эквивалентно, «приблизительно a–b») следует понимать как указывающий каждое значение и поддиапазон, охватываемый(ое) этим более широким диапазоном значений. Кроме того, термины в формуле изобретения употребляются в их обычном прямом значении, если только заявителем явно и четко не указано иное. Помимо этого, применяемая в формуле изобретения форма единственного числа предполагает наличие одного или большего количества выражаемых в ней элементов. При возникновении противоречия в использовании слова или термина в данном описании изобретения и одном или нескольких патентных или других документах, которые могут быть включены в данное описание посредством ссылки, должны быть приняты определения, соответствующие данному описанию изобретения.
Используемый здесь термин «по меньшей мере один из», предшествующий ряду элементов с использованием союзов «и» или «или», изменяет список в целом, а не каждый элемент списка по отдельности. Выражение «по меньшей мере один из» не требует выбора хотя бы одного элемента; а допускает значение, включающее в себя по меньшей мере один из элементов и/или по меньшей мере одну из комбинаций элементов и/или по меньшей мере один из каждого из элементов. В качестве примера выражения «по меньшей мере один из X, Y и Z» или «по меньшей мере один из X, Y или Z» относятся только к X, только к Y или только к Z; любой комбинации X, Y и Z; и/или по меньшей мере одному из X, Y и Z.
| название | год | авторы | номер документа |
|---|---|---|---|
| НАПРАВЛЕННОЕ БУРЕНИЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОПТИЧЕСКОГО ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА | 2011 |
|
RU2613666C2 |
| ИНТЕГРИРОВАННЫЙ ФОТОИОНИЗАЦИОННЫЙ МИКРОДЕТЕКТОР С УЛЬТРАТОНКИМ ОКНОМ ПРОПУСКАНИЯ УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ | 2019 |
|
RU2792724C2 |
| УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ В ДОБЫЧЕ ТЕКУЧИХ СРЕД ИЗ ПЛАСТОВ-КОЛЛЕКТОРОВ | 2015 |
|
RU2688991C2 |
| СПОСОБ ШАХТНО-СКВАЖИННОЙ ДОБЫЧИ ТРУДНОИЗВЛЕКАЕМОЙ НЕФТИ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ | 2015 |
|
RU2593614C1 |
| ИЗМЕРЕНИЕ МНОГОФАЗНОГО ПОТОКА В ТРУБОПРОВОДЕ | 2000 |
|
RU2243510C2 |
| ОПТИЧЕСКОЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ И УСТРАНЕНИЯ НЕИСПРАВНОСТЕЙ | 2014 |
|
RU2657027C1 |
| УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРИ ТРАНСПОРТИРОВКЕ ТЕКУЧИХ СРЕД ИЗ СКВАЖИН | 2015 |
|
RU2693975C2 |
| СПОСОБ ШАХТНО-СКВАЖИННОЙ ДОБЫЧИ ТРУДНОИЗВЛЕКАЕМОЙ (БИТУМНОЙ) НЕФТИ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ | 2015 |
|
RU2579061C1 |
| ИНСТРУМЕНТ И СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРА ПЛАСТА | 2009 |
|
RU2457326C2 |
| МИКРОЖИДКОСТНЫЙ КОЛЛЕКТОР И СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ АНАЛИТА ПО ИЗМЕРЕНИЯМ ПОГЛОЩЕНИЯ С ТЕМПЕРАТУРНОЙ КОМПЕНСАЦИЕЙ | 2022 |
|
RU2824152C2 |
Изобретение относится к устройству, содержащему интегрированный вычислительный элемент (ICE), расположенный для оптического взаимодействия с электромагнитным излучением от текучей среды и, таким образом, формирования оптически провзаимодействовавшего излучения, соответствующего характеристике текучей среды, и способу использования устройства. Устройство содержит детектор, расположенный с возможностью приема оптически провзаимодействовавшего излучения и формирования выходного сигнала, пропорционального интенсивности оптически провзаимодействовавшего излучения. Устройство дополнительно содержит процессор, расположенный с возможностью приема выходного сигнала и определения характеристики текучей среды. Устройство соединено с контроллером, выполненным с возможностью предоставления команд системе перемещения текучей среды для хранения и считывания, а также изменения параметра потока текучей среды на основе параметра качества углеводородного продукта, причем изменение параметра потока текучей среды включает в себя перенаправление текучей среды. Технический результат - обеспечение быстрого анализа по меньшей мере одной характеристики жидкости или газа с незначительной подготовкой проб или при ее отсутствии. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 8 ил.
1. Устройство для определения характеристик потока текучей среды, содержащее интегрированный вычислительный элемент (ICE), расположенный для оптического взаимодействия с электромагнитным излучением от текучей среды и, таким образом, формирования оптически провзаимодействовавшего излучения, соответствующего характеристике текучей среды, содержащей углеводородный продукт; детектор, расположенный с возможностью приема оптически провзаимодействовавшего излучения и формирования выходного сигнала, пропорционального интенсивности оптически провзаимодействовавшего излучения; и процессор, расположенный с возможностью приема выходного сигнала, определения характеристики текучей среды и определения значения параметра качества углеводородного продукта на основе характеристики текучей среды, причем устройство соединено с контроллером, выполненным с возможностью предоставления команд системе перемещения текучей среды для хранения и считывания, а также изменения параметра потока текучей среды на основе параметра качества углеводородного продукта, причем изменение параметра потока текучей среды включает в себя перенаправление текучей среды.
2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что система перемещения текучей среды представляет собой систему автоматической поставки продукта потребителю (LACT), расположенную выше по потоку от трубопровода подрядчика в конфигурации нефте- и газодобычи, и при этом система LACT выполнена с возможностью изменения потока и состава текучей среды, если характеристика текучей среды ниже параметра качества углеводородного продукта.
3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что текучая среда содержит жидкую сырую нефть и ICE выполнен с возможностью обнаружения загрязняющего вещества в жидкой сырой нефти, причем загрязняющее вещество содержит остатки добавки, применяемой при добыче нефти, воду или природный газ.
4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что текучая среда содержит природный газ, а ICE выполнен с возможностью обнаружения метана, пропана, воды или унесенной жидкости.
5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что характеристика текучей среды содержит параметр качества, выбранный в соответствии с характеристикой окружающей среды трубопровода.
6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что характеристика текучей среды содержит параметр качества, выбранный в соответствии с пунктом назначения текучей среды в трубопроводе.
7. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что текучая среда содержит природный газ, при этом указанный параметр качества выбирают в соответствии с количеством теплоты, выделяемой при сжигании природного газа.
8. Устройство по п. 1, дополнительно содержащее первый оптический элемент для направления падающего света через окно выборки в трубопроводе и второй оптический элемент для приема оптически провзаимодействовавшего излучения, отраженного от текучей среды в трубопроводе.
9. Устройство по п. 1, дополнительно содержащее первый оптический элемент для направления падающего электромагнитного излучения через окно выборки в трубопроводе и второй оптический элемент для приема оптически провзаимодействовавшего излучения, прошедшего через текучую среду в трубопроводе.
10. Устройство по п. 1, дополнительно включающее первый оптический элемент для направления падающего электромагнитного излучения через окно выборки в трубопроводе и второй оптический элемент для приема оптически провзаимодействовавшего излучения, отраженного несколько раз на стороне окна выборки, находящейся в контакте с текучей средой в трубопроводе.
11. Способ определения характеристик потока текучей среды, включающий:
оптическое взаимодействие текучей среды в добычном трубопроводе со встроенным вычислительным элементом (ICE) для генерирования оптически провзаимодействовавшего излучения, причем текучая среда содержит углеводородный продукт;
получение детектором сигнала детектора от оптически провзаимодействовавшего излучения, причем сигнал детектора пропорционален интенсивности оптически провзаимодействовавшего излучения;
формирование процессором выходного сигнала из сигнала детектора на основе вектора регрессии, связанного с характеристикой текучей среды;
корреляцию выходного сигнала с параметром качества углеводородного продукта на основе характеристики текучей среды;
модификацию текучей среды для поддержания параметра качества в соответствии с параметром качества углеводородного продукта, причем модификация текучей среды включает в себя перенаправление текучей среды; и перемещение текучей среды из добычного трубопровода в трубопровод подрядчика в соответствии с параметром качества текучей среды.
12. Способ по п. 11, отличающийся тем, что модификация текучей среды включает в себя модификацию текучей среды для снижения стоимости технического обслуживания в соответствии с характеристикой текучей среды.
13. Способ по п. 11, дополнительно включающий выбор параметра качества в соответствии с характеристикой окружающей среды одного из следующего: добычной трубопровод или трубопровод подрядчика.
14. Способ по п. 11, дополнительно включающий выбор параметра качества в соответствии с пунктом назначения текучей среды в одном из следующего: добычной трубопровод или трубопровод подрядчика.
15. Способ по п. 11, отличающийся тем, что текучая среда содержит природный газ, и при этом способ дополнительно включает в себя выбор параметра качества в соответствии с требуемой теплотой, выделяемой при сжигании природного газа.
16. Способ по п. 11, отличающийся тем, что модификация текучей среды для поддержания параметра качества включает перенаправление текучей среды на станцию рециркуляции для удаления жидкости из природного газа в текучей среде.
17. Способ по п. 11, отличающийся тем, что модификация текучей среды для поддержания параметра качества включает перенаправление текучей среды на станцию удаления воды.
18. Способ по п. 11, отличающийся тем, что модификация текучей среды для поддержания параметра качества включает перенаправление текучей среды на станцию удаления пузырьков.
19. Энергонезависимый машиночитаемый носитель, на котором хранятся команды, которые при выполнении процессором в измерительной системе, содержащей оптическое вычислительное устройство, побуждают измерительную систему выполнять способ, включающий:
оптическое взаимодействие текучей среды в добычном трубопроводе со встроенным вычислительным элементом (ICE) для генерирования оптически провзаимодействовавшего излучения, причем текучая среда содержит углеводородный продукт;
получение детектором сигнала детектора от оптически провзаимодействовавшего излучения, причем сигнал детектора пропорционален интенсивности оптически провзаимодействовавшего излучения;
формирование процессором выходного сигнала из сигнала детектора на основе вектора регрессии, связанного с характеристикой текучей среды;
корреляцию выходного сигнала с параметром качества углеводородного продукта на основе характеристики текучей среды;
модификацию текучей среды для поддержания параметра качества в соответствии с параметром качества углеводородного продукта и для снижения стоимости обслуживания в соответствии с характеристикой текучей среды, причем модификация текучей среды включает в себя перенаправление текучей среды; и перемещение текучей среды из добычного трубопровода в трубопровод подрядчика в соответствии с параметром качества текучей среды.
20. Энергонезависимый машиночитаемый носитель по п. 19, отличающийся тем, что текучая среда содержит природный газ, и способ дополнительно включает в себя выбор параметра качества текучей среды в соответствии с требуемой теплотой, выделяемой при сжигании природного газа.
| US 20130033702 A1, 07.02.2013 | |||
| US 3309308 A1, 14.03.1967 | |||
| US 20140324366 A1, 30.10.2014 | |||
| US 20040112122 A1, 17.06.2004 | |||
| US 20130032340 A1, 07.02.2013. |
