Способ определения содержания компонента газожидкостной среды Российский патент 2020 года по МПК G01F1/74 G01N25/20 

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться для контроля расхода и определения массы компонента газожидкостной среды (ГЖС), извлекаемой, например, из буровой скважины.

Известны способы и устройства измерения многофазного расхода многокомпонентных веществ, например (П.П. Кремлевский. Расходомеры и счетчики количества вещества. СПб. Политехника. 2002. Книга 2, с. 245), с помощью нескольких последовательно установленных расходомеров, обладающими селективными свойствами (кориолисова, объемного и теплового), и вычислительного устройства, определяющего на основе показаний приборов расходы отдельных компонентов.

Недостатками известных решений является наличие разнообразных приборов, большие габариты устройства и суммарная большая погрешность измерения расхода.

Известен способ покомпонентного измерения расхода многофазного потока (RU 2428662 С2, 10.09.2011). Предложенный расходомер по известному способу содержит: блок измерения скорости газожидкостного двухфазного трехкомпонентного потока, блок измерения плотности данного потока и блок вычисления скорости потока каждой фазы, при этом блок измерения плотности содержит блок извлечения смешанной жидкости с генератором разности давлений. Вследствие принудительного перемешивания, даже маленькие пузырьки отделяются от смешанной жидкости в газовую фазу. При этом измерение плотности проводят на смешанной жидкости, накопленной в резервуаре для хранения жидкости.

Недостатками известного способа является большое число механических операций при определении плотности потока, отбирается часть потока для анализа, понижающие достоверность измерения всего потока, большое время разделения фаз.

За прототип принят способ, реализованный в устройстве определения параметров потока многофазной среды жидкости и газа (RU 2386930 С2, 27.06.2009). В измерительный канал помещают датчики, имеющие различные зависимости показаний от расходов компонентов потока. Для получения зависимостей показаний датчиков от измеряемых параметров потока во время калибровки производят запись показаний датчиков при различных комбинациях расходов жидкости и газа и осуществляют последовательную интерполяцию. Для определения расходов двух взаимно нерастворимых жидкостей и газа потока трехкомпонентной смеси используют три датчика, зависимость показаний которых от расходов жидкостей и газа разная. Для определения расходов двух взаимно нерастворимых жидкостей, расхода газа и вязкости потока трехкомпонентной смеси используют четыре датчика, зависимость показаний которых от расходов жидкостей, газа и вязкости разная. В частном случае однотипные датчики располагают в последовательно соединенных отрезках измерительного канала разного диаметра.

Недостатком известного способа есть сложная процедура измерения и вычисления компонентов ГЖС.

Техническим результатом изобретения является упрощение определения содержания компонента газожидкостной среды при ограниченном приборном составе устройств измерения, сокращение вычислительных и измерительных операций, требующих одновременности выполнения.

Технический результат достигается тем, что способ определения содержания компонента газожидкостной среды, характеризующийся тем, что периодически создают в поперечном сечении канала с газожидкостным потоком импульсные одинаковые порции количества тепла, измеряют в равномерно размещенных по второму по потоку сечению точках поглощенное каждым компонентом в соответствии с его теплоемкостью количество теплоты в виде импульсов разной амплитуды, затем суммируют измеренные во всех точках количество теплоты, запасенной каждым компонентом, вычисляют общую теплоемкость суммы компонентов и определяют массовые доли каждого компонента по соотношению величин их удельных теплоемкостей.

На фиг. 1 показано расположение по потоку сечений импульсного источника тепла и измерительных датчиков теплового потока.

На фиг. 2 показаны импульсы суммарной общей удельной теплоемкости всех компонентов потока по всему сечению.

Описание способа выполнено на примере определения расхода трех компонентной двухфазной среды (газ, вода, нефть).

1 - Сечение нагрева среды, по окружности которого расположен импульсный стабилизированный источник энергии; 2 - Датчики, А, В и др., введенные непосредственно в поток ГЖС; 3 - измерительное сечение с датчиками теплового потока; 4 - канал; 5 - поток ГЖС; 6 - газовая фаза потока; 7 - жидкая фаза (нефть и вода) в потоке; 8 - порция ГЖС с принятым импульсом теплоты; 9 - поток ГЖС с отданной компонентами порцией теплоты потока датчикам; 10 - вычислительный блок.

с_{р общ} - общая теплоемкость всех компонентов, Е - эдс преобразователя, М_общ - общая масса компонентов, проходящих через измерительное сечение.

Принцип работы основан на различии теплоемкости трех компонентов двухфазной среды, в способе определения массы компонента газожидкостной среды, который характеризуется вводом импульсных порций теплового потока в поперечном сечении 1 канала 4, в различном поглощении этих тепловых порций компонентами среды 6, 7, передачей потоком 5 поглощенных порций датчикам теплового потока, размещенным в различных точках в следующем по потоку сечении 3 канала 4, и основан на том, что электросигналы от поглощенных порций компонентами передаются вычислительному блоку 10 для определения массы компонента.

Вычислительный блок суммирует измеренные во всех точках количество теплоты запасенной каждым компонентом, вычисляет общую теплоемкость суммы компонентов и определяет массовые доли каждого компонента по соотношению величин их удельных теплоемкостей. Величины удельных теплоемкостей для контролируемых компонентов выявляются предварительно в лаборатории. Для принятой, как пример, среды (нефть, вода, газ) величины удельных теплоемкостей компонентов известны из литературы (см. таблицу).

Источник импульсного стабилизированного питания, расположенный по окружности сечения 1 канала 4 периодически посылает импульсы тепловой энергии в поток компонентам 6, 7 потока 5 ГЖС среды, проходящим по каналу 4. Частота импульсов выбирается с учетом скорости движения среды ГЖС в канале, которая в свою очередь определяет скорость снятия полученной энергии теплового потока с каждого датчика (предыдущих показаний сигнала).

Поскольку в зоне сечения 1 нагрева излучаемые от источника питания импульсные порции теплового потока равны между собой и одинаковы для различных по массе компонентов, то поглощенное количества тепловой энергии будет пропорционально удельной теплоемкости с_р этих компонентов.

Далее получают реакции датчиков на восприятие этих порций теплового потока от различных компонентов 6, 7 среды потока 5 с минимальной потерей информации по времени и величине. Чтобы сократить время приема информации от компонентов 6, 7 и значительно уменьшить тепловой взаимообмен между ними, повышая достоверность получаемой информации, желательно использовать известные датчики с постоянной времени порядка 10^-5 с.

Массы компонентов 6, 7 потока 5 проходят некоторое расстояние по пути следования по потоку от сечения 1 до сечения 3, с запасенными порциями тепловой энергии, датчики принимают тепловую энергию и передают информацию в приемный блок 10 вычислителя от каждого датчика.

Отклик датчиков на величины теплового потока от компонентов 6, 7 будут отличаться в зависимости от различных величин с_р компонентов, а также от величины массы компонентов. В процессе определения массы компонента в составе ГЖС имеются два этапа: первый этап - передача импульса тепловой энергии каждому компоненту от импульсного источника тепловой энергии в соответствии с законом поглощения α=Ф_погл/Ф_пит, где Ф_пит - единичная порция тепловой энергии, подведенная к компоненту, Ф_погл=Ф_к=К с_р М_К - порция теплового потока, поглощенная (усвоенная) компонентом. Второй этап - передача датчику запасенной каждым компонентом тепловой энергии. В датчике тепловой поток Ф_к компонента преобразуется в эдс в виде зависимости: Ф_к=К₁Е_к, где Е_к - выработанная датчиком эдс, К и К₁ - коэффициенты пропорциональности.

Датчик принимает тепловой поток периодическими импульсами, которые пропорциональны массе М_К компонента в окрестности датчика. Далее в вычислительный блок 10 передается величина теплового потока Ф_к в виде эдс Е_к

Ф_к=К₁Е_к=К с_р М_К, пропорциональный массе каждого компонента 6, 7 потока 5.

От источника 1 единичная порция Ф_пит тепловой энергии, одинаковая для различных компонентов, выдана компоненту 6, 7 в процессе продвижения по каналу 4 от сечения 1 до сечения 3. Для различных компонентов обозначено в данном примере величины Ф_к как Ф_н - нефть, Ф_в - вода, Ф_г - газ.

Далее по мере продвижения по каналу 4 компоненты 6, 7 проходят через сечение 3 с датчиками, которые воспринимают тепловой поток от масс компонентов 6 и 7 двухфазной среды. Датчики равномерно расположены по сечению 3 канала 4 и находятся в непосредственном контакте с компонентами. Все датчики воспринимают только поток тепловой энергии, безразлично от каких компонентов жидкой фазы 7 (нефть или вода) и газовой фазы 6. Через каждый датчик поочередно проходят в чистом виде компоненты либо нефть, либо вода, либо газ. В процедуре съема один и тот же датчик, например А или В или другой, принимает тепловой поток от масс проходящих компонентов.

Следовательно, например, датчик А с_р=К₂Е_А/М_К может периодически получать данные величин импульсов Ф_к от показаний при прохождении массы М_К. Например, импульсы величиной с_{р вода}=К₂Е_Ав/М_в от компонента воды массой М_в, импульсы величиной с_{р нефть}=К₂Е_Ан/М_н от компонента нефти массой М_н и импульсы величиной с_{р газ}=К₂Е_Аг/М_г от компонента газа массой М_г. Аналогично принимаются данные датчиком В и датчиков в других точках. Каждый датчик преобразует полученный тепловой поток в эдс Ф_к=К₁Е_к. За сутки в точке А проходит масса воды М_в≡Σс_{р вода}(Е_Ав) с с_{р вода}=К₂Е_Ав/М_в=4,2, масса нефти М_н≡Σс_{р нефть}(Е_Ан) с с_{р нефть}=К₂Е_Ан/М_н=2,0 и масса газа М_г≡Σс_{р газ}(Е_Аг) с с_{р газ}=К₂Е_Аг/М_г=1,4. На фиг. 2 показано, что через все датчики прошли компоненты в сумме составивших смесь общей теплоемкостью с_{р общ}. На графике показаны импульсы с амплитудой, равной с_{р общ} всех компонентов, проходящих через измерительное сечение, как отклик на единичную порцию поданной нагревателем тепловой энергии.

Данные по массе компонентов М потока 5 среды за сутки в канале 4 будем иметь в сумме по всем показаниям эдс в каждой точке, датчики в которых охватывают все сечение. Для этого необходимо иметь М_общ=с_{р общ}(Е) всех точек. После обработки вычислительным блоком 10 полученных от датчиков данных получим массовые суточные расходы ГЖС по каналу 4. Отдельные компоненты в чистом виде будут суточные М_г, М_в, М_н, вычисленные по удельным теплоемкостям компонентов, т.е. М_г=с_{р газ}М_общ/с_{р общ}, М_в=с_{р вода}М_общ/с_{р общ}, М_н=с_{р нефть}М_общ/с_{р общ}, где М_общ=М_г+М_в+М_н. Вычислительный блок суммирует измеренные во всех точках количество теплоты запасенной каждым компонентом, вычисляет общую теплоемкость суммы компонентов и определяет массовые доли каждого компонента по величинам их удельных теплоемкостей.

Датчики принимают тепловой поток независимо от природы компонента, только от их свойства теплоемкости. При таком способе определения масс ГЖС отсутствуют специальные приемы и датчики воды, газосодержания и др.

Таким образом, решается задача определения массы компонента с минимальным технопарком средств измерения и вычислительного процесса, не требуются данные по долям плотности и вязкости смеси.

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться для контроля расхода и определения массы компонента газожидкостной среды (ГЖС), извлекаемой, например, из буровой скважины. Предложен способ определения содержания компонента газожидкостной среды, характеризующийся тем, что периодически создают в поперечном сечении канала с газожидкостным потоком импульсные одинаковые порции количества тепла. Измеряют в равномерно размещенных по второму по потоку сечению точках поглощенное каждым компонентом в соответствии с его теплоемкостью количество теплоты в виде импульсов разной амплитуды. Затем суммируют измеренные во всех точках количество теплоты, запасенной каждым компонентом, вычисляют общую теплоемкость суммы компонентов и определяют массовые доли каждого компонента по соотношению величин их удельных теплоемкостей. Технический результат - упрощение определения содержания компонента газожидкостной среды при ограниченном приборном составе устройств измерения, сокращение вычислительных и измерительных операций, требующих одновременности выполнения. 2 ил., 1 табл.

Способ определения содержания компонента газожидкостной среды, характеризующийся тем, что периодически создают в поперечном сечении канала с газожидкостным потоком импульсные одинаковые порции количества тепла, измеряют в равномерно размещенных по второму по потоку сечению точках поглощенное каждым компонентом в соответствии с его теплоемкостью количество теплоты в виде импульсов разной амплитуды, затем суммируют измеренные во всех точках количество теплоты, запасенной каждым компонентом, вычисляют общую теплоемкость суммы компонентов и определяют массовые доли каждого компонента по соотношению величин их удельных теплоемкостей.