Способ определения компонентного состава и расхода потока многофазной смеси, устройство и система для его реализации Российский патент 2024 года по МПК G01F1/88 G01F1/74 G01N23/46 

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к способам и устройствам для многофазной расходометрии, и может быть использовано для определения компонентного состава и расхода продукции нефте- и газодобывающих скважин.

Многофазный поток означает одновременный поток двух или более несмешивающихся веществ, обычно встречающихся в процессе нефтедобычи и переработке сырой нефти. По сути, поток продукции таких скважин представляет собой трехкомпонентное двухфазное вещество (нефть, газ, вода). Чтобы оптимизировать разработку и срок службы нефтяного/газового месторождения, нужно предоставить оператору возможность регулярно отслеживать дебит каждой скважины. Существуют сепарационные и бессепарационные способы определения дебита и компонентного состава такого многофазного потока.

Сепарационные способы основаны преимущественным образом на предварительном разделении продукции и анализе количества каждой фазы и компонента в потоке. Но они требуют дополнительного оборудования, обычно для этого используют замерный сепаратор. Однако эти приборы дороги, занимают значительное пространство, обеспечивают только умеренную точность (обычно погрешность составляет ±5-10% расхода каждой фазы), и их нельзя применять для непрерывного мониторинга дебита скважины.

Основной интерес в настоящее время представляют бессепарационные способы, которые обеспечивают непрерывное определение дебита и компонентного состава потока. Для создания бессепарационных устройств и способов, которые будут обеспечивать максимальную точность, используют комплекс различных средств измерения, которые позволяют определить состав и расход для потоков разной структуры и с разным содержанием газа. Разработки в этой области техники ведутся в направлении взаимного расположения соответствующих устройств либо взаимного использования известных подходов.

Поскольку принцип работы многофазного расходомера основан на комбинации нескольких измерений, любая ошибка только в одном из измерений может повлиять на все полученные значения расхода. Сложность измерения многофазного потока одним средством измерения так же связана с тем, что поток в любой момент времени может иметь любую структуру, изменяющуюся случайным образом, и не каждые метод или устройство будут обеспечивать возможность получить данные при той или иной структуре потока. При этом необходимо своевременно определить расходы каждого из компонентов с регламентированной точностью. Высокой точностью обладают способы, которые используют, например, рентгеновское излучение или, например, радиоизотопного источника. Однако такие способы и устройства считаются небезопасными для человека.

В связи с чем, актуальны разработки способов и устройств, которые будут обеспечивать возможность определения компонентного состава и расхода потоков продукции в широком диапазоне содержания разных фаз, реагирующих на изменчивость состава потока, обладающих высокой точностью, безопасные для человека.

Известен способ определения расходов текучей среды, содержащей многокомпонентную смесь газа и по меньшей мере одной жидкости, в трубе (патент RU2348905, опубл. 10.03.2009 г., МПК: G01F 1/74, G01N 22/00), включающий следующие этапы: (а) проводят измерения электромагнитных потерь и фазы, по меньшей мере, в двух направлениях трубы, (б) на основе измерений, проведенных на этапе (а), определяют степень формирования кольцевого потока, (в) вычисляют диэлектрическую проницаемость протекающей смеси по результатам, полученным на этапах (а) и (б), с проведением корректировки в зависимости от степени формирования кольцевого потока, (г) измеряют плотность смеси и корректируют найденное значение в зависимости от степени формирования кольцевого потока, (д) находят значения температуры и давления, (е) определяют скорости жидкости (жидкостей) и газа и (ж) на основе известных значений плотностей и диэлектрических проницаемостей компонентов текучей смеси и с использованием результатов, полученных на этапах (а)-(е), вычисляют объемный и массовый расходы газа и жидкости или жидкостей текучей смеси.

Общими признаками известного и заявляемого способов являются определение скоростей газа и жидкости, учет диэлектрической проницаемости среды и меняющейся структуры потока.

Однако, в известном способе используются допущения о гомогенности потока для оценки плотности смеси, а также при расчете диэлектрической проницаемости не учитывается, что свойства водонефтяной эмульсии в зависимости от типа: вода-в-нефти или нефть-в воде, могут значительно отличаться. Также известный способ не обладает гибкостью при значительном изменении структуры потока, что будет приводить к снижению точности.

Из указанного источника известен также расходомер для определения расходов текучей среды, содержащей многокомпонентную смесь газа и по меньшей мере одной жидкости в трубе, содержащий трубчатую секцию и следующие элементы: (а) средства проведения электромагнитных измерений потерь и фазы, по меньшей мере, в двух направлениях трубчатой секции, (б) средства определения степени формирования кольцевого потока на основе указанных измерений, включая подходящую модель данных, (в) компьютер и математическую программу для вычисления диэлектрической проницаемости протекающей смеси по результатам, полученным от элементов (а) и (б), включая корректировку в зависимости от степени формирования кольцевого потока, (г) средства определения плотности смеси и корректировки найденного значения в зависимости от степени формирования кольцевого потока, (д) средства определения скорости жидкости (жидкостей) и газа, (е) средства определения температуры и давления и (ж) средства вычисления объемного и массового расходов газа и жидкости или жидкостей текучей смеси на основе информации, полученной от элементов (а)-(е), и знания плотностей и диэлектрических проницаемостей компонентов текучей смеси.

Общими признаками известного и заявляемого расходомеров являются средства для расчета данных, средства определения скорости жидкости, а также давления и температуры.

Однако, в известном устройстве предлагаются к использованию средства для определения степени формирования кольцевого потока, но отсутствуют средства определения любой структуры потока в широком диапазоне содержания газа, отсутствуют средства определения долей компонентов в случае прохождения непроводящих эмульсий.

Известны способ и устройство для мониторинга (измерения) трехфазного потока в трубах (патент US 5929342, опубл. 27.07.1999, МПК: G01F 1/74). При этом устройство содержит по меньшей мере, два ряда кольцевых датчиков, расположенных на указанном трубопроводе и на расстоянии друг от друга, причем каждый из двух рядов кольцевых датчиков включает датчики, расположенные на равном расстоянии вокруг трубопровода для обнаружения изменений на границах раздела фаз внутри трубопровода при прохождении через него многофазного потока, а также по меньшей мере один кольцевой емкостной датчик, расположенный на расстоянии от остальных рядов датчиков для определения типа потока флюида. Способ включает этапы: определение границ раздела фаз в потоке многофазного флюида в первом местоположении с помощью сенсорного кольца (ряда сенсоров расположенного по кругу), имеющего датчики, расположенные на расстоянии вокруг выкидной линии, определение границ раздела фаз в потоке многофазного флюида во втором месте, ниже по потоку от первого места, с помощью сенсорного кольца с датчиками, расположенными вокруг выкидной линии, обнаружение изменений в фазовых интерфейсах от первого местоположения до второго местоположения; а также определение типа потока жидкости по выкидной линии с помощью кольцевого емкостного детектора.

Общими признаками известного и заявляемого устройства является использование нескольких рядов датчиков для определения доли компонентов в потоке. Общими признаками известного и заявляемого способов является определение долей компонентов с использованием датчиков, а также определение структуры потока.

Однако, в известном устройстве для определения компонентов в многофазном потоке предлагается использовать ультразвуковые датчики. При этом ультразвук может оказывать влияние на протекающую по трубопроводу водонефтяную эмульсию и влиять на её свойства, что будет приводить к снижению точности. Также в известном способе не учитывается разница в свойствах водонефтяной эмульсии разного типа, а структура потока определяется только электроемкостными датчиками, что будет приводить к снижению точности при разном типе водонефтяных эмульсий. Отсутствует учет структуры потока и содержания газа при определении скорости и плотности потока.

Ближайшим аналогом (прототипом) является техническое решение (патент US9927270, опубл. 27.03.2018, МПК: G01F 1/58, G01F 1/36), которое раскрывает мультифазный расходомер и способ определения расхода и компонентного состава с его использованием. Согласно известному способу - проводят многократное измерение электрических свойств многофазной смеси в течение определенного периода времени с использованием множества датчиков, содержащих по меньшей мере два чувствительных электрода или по меньшей мере две микроволновые антенны, причем датчики расположены вокруг одного и того же поперечного сечения канала, по которому проходит многофазная смесь; обработку полученных данных для определения значений диэлектрической проницаемости или проводимости жидкой фазы многофазной смеси в течение определенного периода времени; определение содержания воды в многофазном потоке.

Общими признаками способа является определение значений диэлектрической проницаемости или проводимости жидкой фазы, а также определение перепада давления с использованием трубы Вентури, использование электроимпедансной томографии.

Общими признаками известного и заявляемого расходомеров являются использование сенсоров (электродов) для электрорезистивной либо электроемкостной томографии, использование трубы Вентури с датчиками температуры, давления, перепада давления.

Однако, в известном способе и устройстве сенсоры для электроимпедансной томографии устанавливают в горловине трубы Вентури, при этом предлагается оценивать либо диэлектрическую проницаемость, либо проводимость. Это может приводить, во-первых, к искажению данных о перепаде давления в узкой части трубы Вентури, во-вторых, не будет обеспечивать получение данных о структуре потока в широкой части. В трубе Вентури за счет сжимаемости газа будет меняться структура потока и данные о расходах компонентов. Что в целом будет приводить к снижению точности. Известный расходомер и способ не будут обеспечивать определение компонентного состава и расходов в широком диапазоне составов и при изменении структуры потока.

Задачей заявляемого изобретения являлось разработка способа, устройства и системы для его осуществления, которые позволяют определять компонентный состав и расходы компонентов потока многофазной смеси в широком диапазоне содержания компонентов (в частности, газа) с высокой точностью и возможностью учитывать изменение структуры потока при прохождении через трубопровод и многофазный расходомер.

Техническим результатом является

- возможность использования одного устройства с элементами, принципы работы которых известны сами по себе, для определения компонентного состава и расхода многофазной смеси потока скважинной продукции в широком диапазоне состава при изменении состава и структуры потока,

- обеспечение высокой точности определения компонентного состава и расхода потока многофазной смеси при изменении структуры потока и объемного содержания газа в потоке,

- упрощение способа за счет использования методов, принципы которых являются известными для специалистов,

- безопасность используемого устройства для человека.

Технический результат достигается при реализации способа определения компонентного состава и расхода потока многофазной смеси, в котором многофазная смесь поступает в отвод устройства с образованием вертикального восходящего потока, при этом устройство включает последовательно соединенные: отвод; измерительную часть, представляющую вертикально ориентированную трубу, в которой установлены по меньшей мере 2 датчика давления, обеспечивающих определение значений абсолютного давления и разницы давлений в измерительной части, и датчик температуры, по меньшей мере два ряда электродов для электроемкостной томографии и электроимпедансной спектроскопии и по меньшей мере два ряда электродов для электрорезистивной томографии и электроимпедансной спектроскопии, при этом каждый ряд включает по меньшей мере 4 электрода; и трубу Вентури с по меньшей мере 2 датчиками давления, обеспечивающих определение значений абсолютного давления и разницы давлений в трубе Вентури, и датчиком температуры, в узкой части которой установлены по меньшей мере 2 электрода для определения обводненности и/или объемной доли газа в потоке многофазной смеси, при этом датчики и электроды устройства выполнены с возможностью передачи данных в блок анализа;

при прохождении потока многофазной смеси через устройство на электроды устройства подают напряжение и фиксируют данные, получаемые с электродов, и данные, получаемые с датчиков; данные, полученные с датчиков и электродов устройства, поступают в блок анализа, в который вводят физико-химические показатели нефти, газа и воды для данной многофазной смеси, в блоке анализа на основе полученных данных определяют структуру потока многофазной смеси и/или объемное содержание газа в измерительной части устройства;

при объемном содержании газа в измерительной части устройства менее 5% компонентный состав и расход определяют с использованием физико-химических показателей нефти, газа и воды для данной многофазной смеси по данным, получаемым с датчиков давления и электродов измерительной части устройства с использованием градиентоманометрического метода и электроемкостной или электрорезистивной импедансной спектроскопии и томографии;

при объемном содержании газа в измерительной части устройства от 5% до 80% компонентный состав и расход определяют с использованием физико-химических показателей нефти, газа и воды для данной многофазной смеси по данным, получаемым с электродов для электрорезистивной либо электроемкостной томографии измерительной части устройства, с использованием методов электроемкостной или электрорезистивной электроимпедансной спектроскопии и томографии, а также датчиков давления;

при кольцевой структуре потока и/или при объемном содержании газа более 80%, компонентный состав и расход определяют с использованием физико-химических показателей нефти, газа и воды для данной многофазной смеси по данным, получаемым с датчиков и электродов, расположенных в узкой части трубы Вентури, и электродов для электрорезистивной либо электроемкостной томографии измерительной части устройства, с использованием методов электроемкостной или электрорезистивной электроимпедансной спектроскопии и томографии, а также датчиков давления.

Достижение технического результата достигается за счет получения комплекса данных со всех датчиков и электродов устройства при прохождении через него потока многофазной смеси и определения по совокупности этих данных структуры потока и/или содержания газа в многофазном потоке. При этом, т.к. в потоке жидкая фаза (водонефтяная эмульсия - ВНЭ) может присутствовать в виде дисперсных систем разного типа: «вода-в-нефти» или «нефть-в-воде», что сильно влияет на проводимость самой эмульсии в целом, при прохождении потока многофазной смеси через устройство в зависимости от типа ВНЭ получают отклик и, соответственно, данные либо с электродов для электрорезистивной томографии и электроимпедансной спектроскопии либо с электродов для электроемкостной томографии и электроимпедансной спектроскопии. Определение компонентного состава обеспечивается во всем диапазоне содержания газа в потоке, в частности с объемным содержанием газа в потоке в диапазоне от 0% до 80% и/или от 0% до 97%. Для потоков с содержанием газа более 97% точность определения содержания воды и нефти будет немного снижаться.

По данным, поступающим с датчиков и электродов устройства (многофазного расходомера) определяют структуру потока и/или объемного содержания газа в потоке многофазной смеси. В зависимости от структуры потока и/или от объемного содержания газа определяют данные с каких датчиков и электродов устройства использовать для определения компонентного состава и расхода.

Сами по себе отдельные предложенные методы получения данных и расчета компонентного состава и расхода известны специалистам в данной области техники, поэтому сами методы не являются объектом данного изобретения. Существенным является взаимное расположение элементов устройства и подхода к осуществлению способа определения компонентного состава и расхода.

Различным значениям и соотношениям поверхностных скоростей газа и жидкой фракции соответствуют и различные структуры потока. Структура потока может также меняться при изменении наклона трубы, плотности, вязкости составляющих компонентов и др. Поэтому существенным является также обеспечение образования вертикального восходящего потока многофазной смеси при прохождении через многофазный расходомер для получения данных. Использование отвода (который может представлять собой, например, Т-образный участок трубопровода в виде тройника с одним заглушенным горизонтальным отводом) обеспечивает не только поворот горизонтального потока в направлении вертикально вверх, но и смешение и выравнивание вертикальных скоростей компонентов многофазного потока на входе в измерительную часть расходомера. Это необходимо, т.к. по трубопроводу зачастую идет расслоившийся поток с проскальзыванием газовой фазы, что будет приводить к снижению точности определения компонентного состава и расхода, и требуется его смешение, что обеспечивается путем изменения его направления.

В связи с тем, что содержание газа оказывает значительное влияние на свойства многофазной смеси и структуру потока, вывод о том данные с каких датчиков и электродов будут использоваться для определения компонентного состава и расхода делают на основе структуры потока, либо о содержании газа в потоке, либо информации о структуре потока и содержании газа.

Определение структуры потока и/или объемного содержания газа в потоке по полученным данным может быть определено различными способами:

- либо с использованием модели, предварительно обученной на основе модельных (стендовых) данных с использованием машинного обучения (например, при использовании сверточной нейронной сети);

- либо путем получения на основе данных, поступающих от электродов для электрорезистивной или электроемкостной томографии и электроимпедансной спектроскопии (в зависимости от типа ВНЭ) последовательности томографических срезов и анализа полученных томографических срезов;

- либо по известным моделям, которые определяют структуру потока в зависимости от параметров, определяющих распределение и изменение электроимпеданса в каждой из областей сечения потока по величине его среднего значения, амплитуды и по частоте колебаний.

Предпочтительно определение того, с каких устройств будут использоваться данные для расчета, осуществляется с использованием предварительно обученной нейросети (или любых других методов машинного обучения) на основе стендовых данных, это позволит сократить время на обработку полученных данных и определение на их основе компонентного состава и расхода потока многофазной смеси.

Определение структуры потока по существующим моделям известно для специалиста (Yehuda Taitel, D. B. Modelling Flow Pattern Transitions for Steady Upwards Gas-Liquid Flow in Vertical Tubes. // AIChE Journal, 26(3). 1980. - С.345-354), но этот способ обладает невысокой точностью по сравнению с остальными.

Определение структуры потока и/или объемного содержания газа в потоке может осуществляться также путем получения данных, поступающих от электродов для электрорезистивной или электроемкостной томографии и электроимпедансной спектроскопии (в зависимости от типа ВНЭ). Указанные электроды позволяют получить последовательность томоргафических срезов (изображений). Результат анализа полученной последовательности томографических срезов позволяет определить форму и размер газовой фазы в жидкой фазе (т.е. определить структуру потока), а также определить объемное содержание газа в потоке. Но для повышения эффективности способа и обработки данных предпочтительно использовать методы машинного обучения на стендовых (лабораторных) данных (например, нейросеть, которая обучена на стендовых данных). Указанные электроды также позволяют определить распределение и изменение электроимпеданса в каждой из областей сечения потока по величине его среднего значения, амплитуды и по частоте колебаний.

При измерении многофазного потока необходимо получить массовый и объемный расход воды, нефти и газа. В общем виде, уравнение расчета величины объемного расхода Q:

где A - площадь поперечного сечения трубы, α_g, α_w и α_o представляют собой доли газовой фракции, водной фракции и нефтяной фракции, соответственно, ʋ_g, ʋ_w и ʋ_o - мгновенная скорость газа, воды и масла (нефти), соответственно.

Каждый измерительный элемент устройства (датчик, электрод либо система электродов) позволяет учесть недостатки другого измерительного элемента при изменении структуры потока при получении данных о скорости потока или долей компонентов. Как указано выше – отдельно каждый метод известен для специалиста, но предлагается использовать сочетание различных методов при различном объемном содержании газа в потоке и/или различной структуре потока.

Для большинства многофазных потоков с содержанием газа 5% или более и до 80% характерна структура потока, в которой будут происходить столкновения пузырьков газа, которые находятся в потоке, и во время этих столкновений пузырьки сливаются, образуя большие пузырьки газа (пробки). Маленькие пузырьки могут быть распределены по жидкой фазе между пробками.

Дальнейшее увеличение скорости потока газа вызывает деформацию пробок и их разрушение с образованием эмульсионного режима течения. Когда расход газа достаточно велик, чтобы поддерживать пленку жидкости на стенке трубы, возникает режим кольцевого потока, при котором газовое ядро течет в центре трубы с некоторыми захваченными каплями жидкости, в то время как пленка жидкости течет у стенки трубы.

Скорость газовой и жидкой фазы для различных структур потока может отличаться. Для потоков с содержанием газа от 5% и более и до 80% скорость газовой фазы будет превышать скорость жидкой фазы (наблюдается эффект проскальзывания), что дополнительно усложняет определение скоростей компонентов и, соответственно, расхода.

В этом случае осуществляют определение доли компонентов и скоростей с использованием электродов для электрорезистивной томографии и электроимпедансной спектроскопии либо с использованием электродов для электроемкостной томографии и электроимпедансной спектроскопии (далее – томографические электроды), которые используются для получения томографических данных и для измерения импеданса. Метод электроимпедансной томографии (электрорезистивной или электроемкостной) позволяет получить информацию о пространственном распределении смеси диэлектрических и проводящих материалов в сечении измерительной части (трубы), путем измерения электрических параметров между электродами в рядах, расположенных по периметру окружности трубы. Данный метод не использует излучение, а также является неинвазивным и конструктивно надежным.

Электроды обеспечивают получение данных и электроимпедансной томографии, и электроимпедансной спектроскопии. В различных вариантах исполнения устройства могут быть использованы отдельно электроды для электроимпедансной томографии и отдельно для электроимпедансной спектроскопии, но это будет приводить к увеличению количества электродов и не оказывать влияние на функциональность.

Томографические электроды обеспечивают непрерывное получение данных (срезов/изображений) о распределении компонентов смеси в поперечном сечении, дающих представление в реальном времени о концентрации компонентов, также с использованием томографических изображений могут быть получены данные о структуре потока. На основании данных о распределении электрофизических характеристик среды по объему среды определяется распределение показателей фазового (компонентного) состава по объему, а также их количественные значения. Данный метод известен для специалиста, технология получения данных этим методов не является объектом данного изобретения и не требует подробного раскрытия.

Высокая скорость томографического сканирования (до 5 тысяч срезов в секунду) позволяет производить моментальные и точные измерения меняющейся плотности среды и ее компонентного состава.

Необходимыми аспектами при реализации этого метода в рамках данного изобретения является использование в измерительной части устройства по меньшей мере 4 электродов для каждого вида томографии и электроимпедансной спектроскопии: электроемкостной и электрорезистивной.

Необходимость использования двух типов электродов связана с тем, что в зависимости от типа водонефтяной эмульсии в многофазном потоке, диэлектрическая проницаемость будет отличаться для эмульсий типа «вода-в-нефти» (непроводящая) и для типа «нефть-в-воде» (проводящая). Для каждого типа эмульсий возможность получения данных и их точность будет обеспечиваться при использовании электрорезистивного и электроемкостного метода томографии и электроимпедансной спектроскопии соответственно. Электроды для электроемкостной томографии и электроимпедансной спектроскопии позволяют получить распределение электрических емкостей в сечении среза, которое позволит определить диэлектрическую проницаемость смеси на основании заранее установленной электрической емкости датчика, заполненного газом. Полученное значение диэлектрической проницаемости будет коррелировать с содержанием воды в многофазной смеси.

Электроды для электрорезистивной томографии и электроимпедансной спектроскопии позволяют определить распределение импеданса в срезе трубы, заполненного многофазной смесью.

Вычисление распределения диэлектрической проницаемости и удельной электропроводности базируется на решении дифференциальных уравнений, которые являются частными случаями уравнения Максвелла. Решение соответствующих дифференциальных уравнений осуществляли с помощью метода конечных элементов FEM (Finite Element Method). При этом, область исследования разбивается на большое количество треугольных элементов и на каждом из них вычисляется значение функции диэлектрической проницаемости или удельной электропроводности. Это позволяет также получить визуализацию данных распределений путем окрашивания треугольных элементов в определённый цвет в соответствии со значением функции распределения проницаемости или проводимости. Существуют различные методы решения данной задачи.

При этом для точного определения пространственного распределения электрических потенциалов в сечении томографического среза четыре электрода, расположенных по периметру окружности томографической секции, позволяют достигнуть достаточную разрешающую способность. Значительное увеличение количества электродов будет повышать количество получаемых данных и повышение точности, однако количество электродов конструктивно ограничено размерами используемого трубы и производительностью вычислителя, а также снижением частоты получения томографических срезов по мере увеличения числа электродов. Предпочтительно использовать порядка 6-8 электродов.

На основании полученных методами электроемкостной и электрорезистивной томографии и электроимпедансной спектроскопии данных о распределении электрофизических характеристик среды по объему среды определяют распределение показателей фазового (компонентного) состава по объему, а также их количественные значения.

Использование по меньшей мере двух рядов каждого типа электродов обеспечивает определение скорости потока методом кросс-корреляции. Метод кросс-корреляции основан на измерении времени запаздывания сигналов, соответствующих одному и тому же возмущению среды от двух точек контроля, разнесенных на расстоянии.

Полученные данные о доли каждого компонента и скорости каждой фазы позволяет рассчитать расход с использованием уравнения 1.

Для таких многофазных потоков дополнительно может использоваться труба Вентури для определения расхода через определение (уточнение) суммарной скорости многофазной смеси на основе значения плотности смеси и скорости жидкой фазы. Этот метод известен для специалиста и подробно не раскрывается в рамках данной заявки.

Это позволяет дополнительно уточнить значения расхода и использоваться для обучения нейросети.

Значение плотности смеси случае определяют по известным долям компонентов согласно уравнению:

где ρ_g, ρ_w и ρ_o - плотность газа, пластовой воды и нефти; α_EIS - объемная доля дисперсной фазы, т.е. суммы доли нефти и доли газа (α_EIS = α_g +α_o), α_g – объемная доля газа; данные по плотности компонентов получают из лаборатории.

Данные по объемным компонентам получают с помощью томографических электродов методами электрорезистивной и электроемкостной томографии и импедансометрии.

Сумма долей всех компонентов смеси равна 1, в связи с чем можно получить значения долей только двух компонентов, при известности значения каждой доли, в уравнении 2 будет использоваться значение доли каждого конкретного компонента (α_g, α_o, α_w, где α_w, соответственно, объемная доля воды).

В случае многофазных потоков с содержанием газа менее 5% определение скорости потока методом кросс-корреляции невозможно, т.к. получаемые томографические данные для таких потоков могут быть очень близки и повышается степень ошибки при определении значения скорости. В этом случае для определения скорости потока используют градиентоманометрический способ, т.е. данные, полученные на входе в расходомер и зафиксированные датчиками давления. Для определения скорости используется известное уравнение:

где Δp_GM - измеренный перепад давления, ʋ - скорость потока, D - диаметр трубы, h - расстояние между двумя точками измерения давления, g – постоянная ускорения, C_f - коэффициент трения Фаннинга, совмещенный с числом Рейнольдса (Mi Wang, Jiabin Jia, Yousef Faraj, Qiang Wang, Cheng-gang Xie, Gary Oddie, Ken Primrose, Changhua Qiu. A new visualisation and measurement technology for water continuous multiphase flows. // Flow Measurement and Instrumentation. Published by Elsevier Ltd. 2015).

Определение плотности потока проводят по уравнению 2 с использованием значений плотностей и объемных долей каждого компонента, получаемых с помощью электродов для электрорезистивной томографии и электроимпедансной спектроскопии или электродов для электроемкостной томографии и электроимпедансной спектроскопии.

Эффекта проскальзывания для потока такой структуры между компонентами практически нет, поэтому коэффициент проскальзывания принимается равным единице, значения скорости жидкости и скорости газа равны значению скорости потока.

Расход определяют по уравнению 1.

При этом определение кросс-корреляционной функции продолжает функционировать и в моменты выявления кросс-корреляций позволяет уточнять модель для градинетоманометрического способа с использованием методов машинного обучения (например, путем обучения сверточной нейронной сети).

Для таких потоков дополнительно может быть использован градиентоманометрический метод и данные с датчиков давления измерительной части устройства, а также данные, получаемые с датчиков трубы Вентури. Это позволяет дополнительно корректировать получаемые данные через значение объемного расхода смеси и/или использовать в машинном обучении. Для данного способа необходимо знать объемный расход эталонной смеси, который может быть получен на эталонных установках путем суммирования объемного расхода жидкости и объемного расхода газа, что не всегда возможно.

Для потоков с содержанием газа выше 80% характерно, в частности, образование кольцевой структуры потока, в которой газовое ядро течет в центре трубы с некоторыми захваченными каплями жидкости, в то время как пленка жидкости течет у стенки трубы.

Для такой структуры потока обязательно использование трубы Вентури, а также данных, получаемых перед трубой Вентури (в измерительной части устройства), в частности, доли газа, которая определяется электродами для электрорезистивной томографии и электроимпедансной спектроскопии или электродами для электроемкостной томографии и электроимпедансной спектроскопии. Использование указанных электродов измерительной части расходомера, в данном случае может не позволить определить с высокой точностью долю жидкой фазы и её скорость.

С использованием электродов, установленных в узкой части (в горловине) трубы Вентури определяют также обводненность (влагосодержание) жидкой фазы при рабочих условиях путем оценки электрического импеданса жидкой фазы. При этом в узкой части трубы Вентури (в горловине) могут быть использованы различные типы электродов и методы измерения.

В узкой части трубы Вентури может быть расположено 4 электрода для определения обводненности и объемной доли газа в потоке многофазной смеси, которые представляют собой электроды для кондуктометрических измерений импеданса методом электроимпедансной спектроскопии, либо по меньшей мере 2 электрода для диэлькометрических и/или кондуктометрических измерений импеданса методом электроимпедансной спектроскопии. Либо может быть расположен по меньшей мере один ряд электродов для определения обводненности и объемной доли газа в потоке многофазной смеси, включающий по меньшей мере 4 электрода, которые представляют собой электроды для электроемкостной томографии.

В другом варианте в узкой части трубы Вентури для определения обводненности и объемной доли газа в потоке многофазной смеси расположен по меньшей мере один ряд электродов для электроемкостной и один для электрорезистивной томографии, включающие по меньшей мере 4 электрода каждый.

Получение данных по обводненности жидкой фазы позволяет, в частности, определять доли нефти и газа через известное значение доли воды в тех случаях, когда точность данных, получаемых электродами измерительной части не позволяет вычислить долю газовой составляющей. В таком случае данные, полученные с электродов измерительной части устройства, используются для определения только доли воды методом импедансометрии, а затем значения обводненности и доли воды используют для определения доли газа и нефти.

Используемые датчики давления должны обеспечивать получение значений абсолютного давления в измерительной части устройства и в трубе Вентури, а также дифференциального давления. Таким образом, измерительная часть устройства может включать один датчик абсолютного давления и один датчик дифференциального давления. Труба Вентури также может включать один датчик абсолютного давления и один датчик дифференциального давления.

Либо в обоих случаях могут быть использованы два датчика абсолютного давления с обеспечением возможности определения разницы давлений в измерительной части устройства и в трубе Вентури соответственно.

Датчики абсолютного давления и температуры необходимы для коррекции значений плотности газа (плотность газа рассчитывается по составу, давлению и температуре газа, используя свойства пластовых флюидов (метод PVT), что является известным для специалиста), которая зависит от внешних условий. Датчики давления также необходимы для приведения значений расхода к рабочим условиям (т.е. какое значение расхода какому давлению соответствует).

Блок анализа осуществляет сбор и обработку в непрерывном режиме данных, получаемых от датчиков и электродов многофазного расходомера (устройства), вычисление по полученным данным массовых и объемных расходов в зависимости от структуры потока и объемного содержания газа в потоке, а также хранение и передачу результатов измерения в информационную систему нефтедобывающего предприятия.

Таким образом, согласно заявленному способу многофазный расходомер (устройство) позволяет определить структуру потока и/или содержание газа в потоке и на основе этого позволяет без изменения конструкции получать данные для потоков многофазной смеси в широком диапазоне содержания фаз и, соответственно, для различных типов структуры потока. При этом отдельно все используемые устройства известны и, соответственно, основные принципы получения данных для определения компонентного состава и расхода потока многофазной смеси, что упрощает данный способ и подходы, например, к обучению нейросети при использовании методов машинного обучения.

Выше показано, что технический результат достигается для устройства для определения компонентного состава и расхода многофазного потока, которое включает последовательно соединенные

отвод,

измерительную часть, представляющую вертикально ориентированную трубу, в которой установлены по меньшей мере 2 датчика давления, обеспечивающих определение значений абсолютного давления и разницы давлений в измерительной части, и датчик температуры, по меньшей мере два ряда электродов для электроемкостной томографии и электроимпедансной спектроскопии и по меньшей мере два ряда электродов для электрорезистивной томографии и электроимпедансной спектроскопии, при этом каждый ряд включает по меньшей мере 4 электрода,

и трубу Вентури с по меньшей мере 2 датчиками давления, обеспечивающих определение значений абсолютного давления и разницы давлений в трубе Вентури, и датчиком температуры, в узкой части которой установлены по меньшей мере 2 электрода для определения обводненности и объемной доли газа в потоке многофазной смеси, при этом датчики и электроды устройства выполнены с возможностью передачи данных в блок анализа.

Достижение технического результата обеспечивается также при использовании системы для определения компонентного состава и расхода многофазного потока, включающей

последовательно соединенные отвод, измерительную часть, представляющую вертикально ориентированную трубу, в которой установлены по меньшей мере 2 датчика давления, обеспечивающих определение значений абсолютного давления и разницы давлений в измерительной части, и датчик температуры, по меньшей мере два ряда электродов для электроемкостной томографии и электроимпедансной спектроскопии и по меньшей мере два ряда электродов для электрорезистивной томографии и электроимпедансной спектроскопии, при этом каждый ряд включает по меньшей мере 4 электрода, и трубу Вентури с по меньшей мере 2 датчиками давления, обеспечивающих определение значений абсолютного давления и разницы давлений в трубе Вентури, и датчиком температуры, в узкой части которой установлены по меньшей мере 2 электрода для определения обводненности и объемной доли газа в потоке многофазной смеси, при этом датчики и электроды устройства выполнены с возможностью передачи данных в блок анализа,

и блок анализа, который выполнен с возможностью приема данных от датчиков и электродов устройства и определения на основе полученных данных компонентного состава и расхода многофазной смеси.

В узкой части трубы Вентури может быть расположено 4 электрода для определения обводненности и объемной доли газа в потоке многофазной смеси, которые представляют собой электроды для диэлькометрических измерений импеданса методом электроимпедансной спектроскопии, либо электроды для определения обводненности и объемной доли газа в потоке многофазной смеси в узкой части трубы Вентури могут представлять собой электроды для диэлькометрических и/или кондуктометрических измерений импеданса методом электроимпедансной спектроскопии.

В узкой части трубы Вентури может быть расположен по меньшей мере один ряд электродов для определения обводненности и объемной доли газа в потоке многофазной смеси, включающий по меньшей мере 4 электрода, которые представляют собой электроды для электроемкостной томографии или по меньшей мере один ряд электродов для электроемкостной и один для электрорезистивной томографии, включающие по меньшей мере 4 электрода каждый.

Измерительная часть устройства может включать по меньшей мере один датчик абсолютного давления и один датчик дифференциального давления. Нижняя импульсная трубка датчика дифференциального давления может быть расположена на той же высоте, что и датчик абсолютного давления в трубе, а верхняя импульсная трубка датчика расположена по меньшей мере на 400 мм и не более чем на 1000 мм. Уменьшение расстояния может приводить к снижению точности при определении перепада давления, увеличение расстояния будет приводить к значительному увеличению габаритов устройства и не влияет не точность измерений.

Труба Венутри также может включать по меньшей мере один датчик абсолютного давления и один датчик дифференциального давления. Либо в обеих частях устройства могут быть установлено по два датчика абсолютного давления, по которым определяют перепад давления.

Ряды электродов в измерительной части устройства могут быть расположены по высоте трубы снизу вверх в следующем порядке: первый ряд электродов для электрорезистивной томографии и электроимпедансной спектроскопии, первый ряд электродов для электроемкостной томографии и электроимпедансной спектроскопии, второй ряд электродов для электрорезистивной томографии и электроимпедансной спектроскопии, второй ряд электродов для электроемкостной томографии и электроимпедансной спектроскопии, при этом расстояние между центрами рядов электродов для электрорезистивной томографии и электроимпедансной спектроскопии составляет от 40 до 150 мм, расстояние между центрами рядов электродов для электроемкостной томографии и электроимпедансной спектроскопии составляет от 40 до 150 мм. Либо в нижней части трубы расположены ряды электродов для электроемкостной томографии и электроимпедансной спектроскопии, а в верхней части трубы расположены ряды электродов для электрорезистивной томографии и электроимпедансной спектроскопии, при этом расстояние между центрами рядов электродов составляет от 40 до 150 мм и от 40 до 150 мм соответственно.

Технический результат будет обеспечиваться при использовании машиночитаемого носителя, на котором сохранена компьютерная программа, имеющая программный код, при исполнении которого на компьютере процессор выполняет: получение данных с датчиков и электродов устройства и физико-химических показателей нефти, газа и воды для данной многофазной смеси; определение на основе полученных данных структуры потока многофазной смеси и/или объемного содержания газа в измерительной части устройства; определение при объемном содержании газа в измерительной части устройства менее 5% компонентного состава и расхода по данным, получаемым с датчиков давления и электродов измерительной части устройства с использованием градиентоманометрического метода и электроемкостной или электрорезистивной импедансной спектроскопии и томографии, с использованием физико-химических показателей нефти, газа и воды для данной многофазной смеси; определение при объемном содержании газа в измерительной части устройства от 5% до 80% компонентного состава и расхода по данным, получаемым с электродов для электрорезистивной либо электроемкостной томографии измерительной части устройства, с использованием методов электроемкостной или электрорезистивной электроимпедансной спектроскопии и томографии, с использованием физико-химических показателей нефти, газа и воды для данной многофазной смеси; определение при кольцевой структуре потока и/или при объемном содержании газа более 80% компонентного состава и расхода по данным, получаемым с датчиков и электродов, расположенных в узкой части трубы Вентури, и электродов для электрорезистивной либо электроемкостной томографии измерительной части устройства, с использованием методов электроемкостной или электрорезистивной электроимпедансной спектроскопии и томографии, с использованием физико-химических показателей нефти, газа и воды для данной многофазной смеси, а также датчиков давления.

Также достижение технического результата будет обеспечиваться при использовании для реализации способа компьютерной системы, которая содержит по меньшей мере один процессор и программный код и выполнена с возможностью исполнения процессором под управлением программного кода: получения данных с датчиков и электродов устройства и физико-химических показателей нефти, газа и воды для данной многофазной смеси; определения на основе полученных данных структуры потока многофазной смеси и/или объемного содержания газа в измерительной части устройства; определения при объемном содержании газа в измерительной части устройства менее 5% компонентного состава и расхода по данным, получаемым с датчиков давления и электродов измерительной части устройства с использованием градиентоманометрического метода и электроемкостной или электрорезистивной импедансной спектроскопии и томографии, с использованием физико-химических показателей нефти, газа и воды для данной многофазной смеси; определения при объемном содержании газа в измерительной части устройства от 5% до 80% компонентного состава и расхода по данным, получаемым с электродов для электрорезистивной либо электроемкостной томографии измерительной части устройства, с использованием методов электроемкостной или электрорезистивной электроимпедансной спектроскопии и томографии, с использованием физико-химических показателей нефти, газа и воды для данной многофазной смеси, а также датчиков давления; определения при кольцевой структуре потока и/или при объемном содержании газа более 80% компонентного состава и расхода по данным, получаемым с датчиков и электродов, расположенных в узкой части трубы Вентури, и электродов для электрорезистивной либо электроемкостной томографии измерительной части устройства, с использованием методов электроемкостной или электрорезистивной электроимпедансной спектроскопии и томографии, с использованием физико-химических показателей нефти, газа и воды для данной многофазной смеси, а также датчиков давления.

Технический результат, но для объемного содержания газа в потоке от 0% до 80%, будет обеспечиваться также для другого варианта способа определения компонентного состава и расхода многофазного потока, в котором многофазная смесь поступает в отвод устройства с образованием вертикального восходящего потока, при этом устройство включает последовательно соединенные отвод, измерительную часть, представляющую вертикально ориентированную трубу, в которой установлены по меньшей мере 2 датчика давления, обеспечивающих определение значений абсолютного давления и разницы давлений в измерительной части, и датчик температуры, по меньшей мере два ряда электродов для электроемкостной томографии и электроимпедансной спектроскопии и по меньшей мере два ряда электродов для электрорезистивной томографии и электроимпедансной спектроскопии, при этом каждый ряд включает по меньшей мере 4 электрода, при этом датчики и электроды устройства выполнены с возможностью передачи данных в блок анализа; при прохождении потока многофазной смеси через устройство на электроды устройства подают напряжение и фиксируют данные, получаемые с электродов, и данные, получаемые с датчиков; данные, полученные с датчиков и электродов устройства, поступают в блок анализа, в который вводят физико-химические показатели нефти, газа и воды для данной многофазной смеси, в блоке анализа на основе полученных данных определяют структуру потока многофазной смеси и/или объемное содержание газа в измерительной части устройства; при объемном содержании газа в измерительной части устройства менее 5% компонентный состав и расход определяют с использованием физико-химических показателей нефти, газа и воды для данной многофазной смеси по данным, получаемым с датчиков давления и электродов измерительной части устройства с использованием градиентоманометрического метода и электроемкостной или электрорезистивной импедансной спектроскопии и томографии; при объемном содержании газа в измерительной части устройства от 5% до 80% компонентный состав и расход определяют с использованием физико-химических показателей нефти, газа и воды для данной многофазной смеси по данным, получаемым с электродов для электрорезистивной либо электроемкостной томографии измерительной части устройства, с использованием методов электроемкостной или электрорезистивной электроимпедансной спектроскопии и томографии, а также датчиков давления.

Достижение технического результата обеспечивается за счет тех же подходов, что указаны выше для первого варианта способа определения компонентного состава и расхода потока многофазной смеси.

Структуру потока и/или объемное содержание газа в потоке можно определить путем получения данных с электродов для электроемкостной томографии и электроимпедансной спектроскопии либо электродов для электрорезистивной томографии и электроимпедансной спектроскопии, получения на основе этих данных последовательности томографических срезов и анализа полученных томографических срезов.

Измерительная часть устройства может включать по меньшей мере один датчик абсолютного давления и один датчик дифференциального давления.

Технический результат будет обеспечиваться при использовании устройства, которое включает последовательно соединенные отвод, измерительную часть, представляющую вертикально ориентированную трубу, в которой установлены по меньшей мере 2 датчика давления, обеспечивающих определение значений абсолютного давления и разницы давлений в измерительной части, и датчик температуры, по меньшей мере два ряда электродов для электроемкостной томографии и электроимпедансной спектроскопии и по меньшей мере два ряда электродов для электрорезистивной томографии и электроимпедансной спектроскопии, при этом каждый ряд включает по меньшей мере 4 электрода, при этом датчики и электроды устройства выполнены с возможностью передачи данных в блок анализа.

Также технический результат будет достигаться при использовании системы, которая включает последовательно соединенные отвод, измерительную часть, представляющую вертикально ориентированную трубу, в которой установлены по меньшей мере 2 датчика давления, обеспечивающих определение значений абсолютного давления и разницы давлений в измерительной части, и датчик температуры, по меньшей мере два ряда электродов для электроемкостной томографии и электроимпедансной спектроскопии и по меньшей мере два ряда электродов для электрорезистивной томографии и электроимпедансной спектроскопии, при этом каждый ряд включает по меньшей мере 4 электрода, при этом датчики и электроды устройства выполнены с возможностью передачи данных в блок анализа, и блок анализа, который выполнен с возможностью приема данных от датчиков и электродов устройства и определения на основе полученных данных компонентного состава и расхода многофазной смеси.

Измерительная часть данного варианта устройства также может включать по меньшей мере один датчик абсолютного давления и один датчик дифференциального давления либо два датчика абсолютного давления с обеспечением определения перепада давления. Нижняя импульсная трубка датчика дифференциального давления может быть расположена на той же высоте, что и датчик абсолютного давления в трубе, а верхняя импульсная трубка датчика расположена по меньшей мере на 400 мм и не более чем на 1000 мм.

Ряды электродов в измерительной части устройства могут быть расположены по высоте трубы снизу вверх в следующем порядке: первый ряд электродов для электрорезистивной томографии и электроимпедансной спектроскопии, первый ряд электродов для электроемкостной томографии и электроимпедансной спектроскопии, второй ряд электродов для электрорезистивной томографии и электроимпедансной спектроскопии, второй ряд электродов для электроемкостной томографии и электроимпедансной спектроскопии, при этом расстояние между центрами рядов электродов для электрорезистивной томографии и электроимпедансной спектроскопии составляет от 40 до 150 мм, расстояние между центрами рядов электродов для электроемкостной томографии и электроимпедансной спектроскопии составляет от 40 до 150 мм.

Либо ряды электродов для электроемкостной томографии и электроимпедансной спектроскопии могут быть расположены в нижней части трубы, в верхней части трубы расположены ряды электродов для электрорезистивной томографии и электроимпедансной спектроскопии, при этом расстояние между центрами рядов электродов составляет от 40 до 150 мм и от 40 до 150 мм соответственно. Расположение рядов электродов друг относительно друга не является принципиальным.

Технический результат для данных вариантов способа, устройства и системы будет обеспечиваться также при использовании машиночитаемого носителя и компьютерной системы.

Машиночитаемый носитель для определения компонентного состава и расхода многофазного потока, на котором сохранена компьютерная программа, имеющая программный код, при исполнении которого на компьютере процессор выполняет: получение данных с датчиков и электродов устройства и физико-химических показателей нефти, газа и воды для данной многофазной смеси; определение на основе полученных данных структуры потока многофазной смеси и/или объемного содержания газа в измерительной части устройства; определение при объемном содержании газа в измерительной части устройства менее 5% компонентного состава и расхода по данным, получаемым с датчиков давления и электродов измерительной части устройства с использованием градиентоманометрического метода и электроемкостной или электрорезистивной импедансной спектроскопии и томографии, с использованием физико-химических показателей нефти, газа и воды для данной многофазной смеси; определение при объемном содержании газа в измерительной части устройства от 5% до 80% компонентного состава и расхода по данным, получаемым с электродов для электрорезистивной либо электроемкостной томографии измерительной части устройства, с использованием методов электроемкостной или электрорезистивной электроимпедансной спектроскопии и томографии, с использованием физико-химических показателей нефти, газа и воды для данной многофазной смеси, а также датчиков давления.

Компьютерная система для определения компонентного состава и расхода многофазного потока, которая содержит по меньшей мере один процессор и программный код и выполнена с возможностью исполнения процессором под управлением программного кода: получения данных с датчиков и электродов устройства и физико-химических показателей нефти, газа и воды для данной многофазной смеси; определения на основе полученных данных структуры потока многофазной смеси и/или объемного содержания газа в измерительной части устройства; определения при объемном содержании газа в измерительной части устройства менее 5% компонентного состава и расхода по данным, получаемым с датчиков давления и электродов измерительной части устройства с использованием градиентоманометрического метода и электроемкостной или электрорезистивной импедансной спектроскопии и томографии, с использованием физико-химических показателей нефти, газа и воды для данной многофазной смеси; определения при объемном содержании газа в измерительной части устройства от 5% до 80% компонентного состава и расхода по данным, получаемым с электродов для электрорезистивной либо электроемкостной томографии измерительной части устройства, с использованием методов электроемкостной или электрорезистивной электроимпедансной спектроскопии и томографии, с использованием физико-химических показателей нефти, газа и воды для данной многофазной смеси, а также датчиков давления.

Для реализации способов предпочтительно использовать методы машинного обучения, которые будут обеспечивать по поступающим данным определение структуры потока и содержания газа, принимать решение о предпочтительном варианте расчета и данных, поступающих от датчиков и электродов расходомера, необходимых для него, по установленным структуре потока и содержанию газа. Например, с использованием нейросети.

Как известно, сверточные нейронные сети – специальная архитектура искусственных нейронных сетей, основная задача которой – эффективное распознавание различных образов в данных. Использование нейронных сетей для анализа данных широко применяется в различных областях техники, поэтому ниже представлена общая характеристика использования нейронной сети для предпочтительного способа реализации изобретения, но это не является предметом изобретения. Использование нейросети предполагается как возможный инструмент реализации способа для увеличения скорости обработки данных и дополнительного повышения точности.

Для предлагаемого способа нейронная сеть при обучении на стендовых данных будет запоминать образ каждой структуры потока, который является совокупностью признаков, характеризующих конкретное течение. При этом признаки определяют примерный образ течения. В качестве входных данных для определения структуры потока служит последовательность томографических срезов, которая является упорядоченным набором распределений диэлектрической проницаемости или проводимости в трубе за определенный промежуток времени. При этом каждый срез (область исследований) разбивается на большое количество треугольных элементов и на каждом из них вычисляется значение функции диэлектрической проницаемости в электроемкостной томографии или удельной электропроводимости в электрорезистивной томографии. Перед тем как отправлять данные в нейронную сеть, необходимо их подготовить. Данные очищаются от артефактов согласно следующему критерию: если области очень резко меняются со временем, при этом эти области ведут себя непредсказуемо или имеет аномальную форму - они не будут учитываться в дальнейших расчетах, либо они будут заменены на значение соседних треугольников текущего среза. Затем последовательность срезов подается на вход в нейронную сеть, где на выходе получаем метку класса. Архитектура нейронной сети предпочтительно состоит из двух частей: первая часть из набора сверточных и «пулинг»-слоев (основной смысл которых – уменьшить размерность преобразованных сверточными слоями данных), где данные будут преобразовываться в признаки на основании паттернов поведения пролетающих пузырей газа и их размеров, а вторая - из полносвязных слоев, которая на основании признаков определит тип потока. Также необходимо упомянуть, что входными данными, по сути, является последовательность изображений, поэтому сверточный слой будет иметь дополнительную размерность – глубину, при помощи которой можно запомнить пространственный образ течения, т. е. вход сверточного слоя будет не просто один томографический срез, а упорядоченный набор срезов во времени, поэтому ядро сверточного слоя будет вектором размерности 3.

Изобретение поясняется, но не ограничивается следующими фигурами.

На фигуре 1 представлена общая схема одного из вариантов устройства для определения компонентного состава и расхода потока многофазной смеси (многофазного расходомера) с условным обозначением расположения датчиков и электродов, где 1 – слепой отвод, 2 – электроды для электрорезистивной томографии и электроимпедансной спектроскопии измерительной части, 3 – электроды для электроемкостной томографии и электроимпедансной спектроскопии измерительной части, 4 – датчик абсолютного давления измерительной части, 5 – датчик температуры измерительной части, 6 – датчик дифференциального давления измерительной части, 7 – труба Вентури, 8 – датчик температуры трубы Вентури, 9 – датчик дифференциального давления трубы Вентури, 10 – датчик абсолютного давления трубы Вентури, 11 – электроды трубы Вентури для определения обводненности и/или объемной доли газа.

На фигуре 2 представлена общая блок-схема, характеризующая первый вариант способа с указанием стадий, где 12 – стадия направления потока многофазной смеси в устройство для определения компонентного состава и расхода потока, 13 – стадия подачи напряжения на электроды измерительной части устройства, 14 – стадия получения данных с датчиков и электродов устройства, 15 – стадия определения структуры потока и/или объемного содержания газа в потоке, 16 – стадия определения компонентного состава и расхода в потоке с содержанием газа менее 5%, 17 – стадия определения компонентного состава и расхода в потоке с содержанием газа от 5% до 80%, 18 – стадия определения компонентного состава и расхода в потоке с кольцевой структурой и/или с содержанием газа более 80%.

На фигуре 3 представлена общая блок-схема, характеризующая второй вариант способа с указанием стадий, где 19 – стадия направления потока многофазной смеси в устройство для определения компонентного состава и расхода потока, 20 – стадия подачи напряжения на электроды измерительной части устройства, 21 – стадия получения данных с датчиков и электродов устройства, 22 – стадия определения структуры потока и/или объемного содержания газа в потоке, 23 – стадия определения компонентного состава и расхода в потоке с содержанием газа менее 5%, 24 – стадия определения компонентного состава и расхода в потоке с содержанием газа от 5% до 80%.

На фигуре 4 представлена схема входной, конусной и горловинной секции трубы Вентури, где 25 – горловинная секция трубы Вентури, 26 – конусная секция трубы Вентури, 27 – входная секция трубы Вентури, 28 и 29 – выходы датчиков давления в трубе Вентури.

Способ определения компонентного состава и расхода многофазного потока, в котором многофазная смесь поступает в отвод 1 устройства с образованием вертикального восходящего потока. При этом устройство включает последовательно соединенные отвод 1, измерительную часть, представляющую вертикально ориентированную трубу, в которой установлены по меньшей мере 2 датчика давления, обеспечивающих определение значений абсолютного давления 4 и разницы давлений 6 в измерительной части, и датчик температуры 5, по меньшей мере два ряда электродов для электроемкостной томографии и электроимпедансной спектроскопии 3 и по меньшей мере два ряда электродов для электрорезистивной томографии и электроимпедансной спектроскопии 2, при этом каждый ряд включает по меньшей мере 8 электродов, и трубу Вентури 7 с по меньшей мере 2 датчиками давления, обеспечивающих определение значений абсолютного давления 10 и разницы давлений 9 в трубе Вентури, и датчиком температуры 8, в узкой части которой установлены по меньшей мере 2 электрода для определения обводненности и/или объемной доли газа в потоке многофазной смеси 11, при этом датчики и электроды устройства выполнены с возможностью передачи данных в блок анализа. При прохождении потока многофазной смеси через устройство на электроды устройства подают напряжение и регистрируют данные, получаемые с электродов, и данные, получаемые с датчиков. Данные, полученные с датчиков и электродов устройства, поступают в блок анализа, в который вводят физико-химические показатели нефти, газа и воды для данной многофазной смеси. В блоке анализа на основе полученных данных определяют структуру потока многофазной смеси и/или объемное содержание газа в измерительной части устройства.

При объемном содержании газа в измерительной части устройства менее 5% компонентный состав и расход определяют с использованием физико-химических показателей нефти, газа и воды для данной многофазной смеси по данным, получаемым с датчиков давления и электродов измерительной части устройства с использованием градиентоманометрического метода и электроемкостной или электрорезистивной импедансной спектроскопии и томографии;

При объемном содержании газа в измерительной части устройства от 5% до 80% компонентный состав и расход определяют с использованием физико-химических показателей нефти, газа и воды для данной многофазной смеси по данным, получаемым с электродов для электрорезистивной либо электроемкостной томографии измерительной части устройства, с использованием методов электроемкостной или электрорезистивной электроимпедансной спектроскопии и томографии.

При кольцевой структуре потока и/или при объемном содержании газа более 80%, компонентный состав и расход определяют с использованием физико-химических показателей нефти, газа и воды для данной многофазной смеси по данным, получаемым с датчиков и электродов, расположенных в узкой части трубы Вентури, и электродов для электрорезистивной либо электроемкостной томографии измерительной части устройства, с использованием методов электроемкостной или электрорезистивной электроимпедансной спектроскопии и томографии.

Ниже представлен пример реализации заявленного способа с использованием устройства для его реализации.

Поток скважинной продукции, которая представляет собой многофазную смесь (жидкость (вода-нефть) и газ) поступает через отвод из трубопровода в измерительную часть устройства (многофазного расходомера) с образованием восходящего вертикального потока.

В измерительной части установлены датчик температуры, датчик давления и датчик дифференциального давления в трубе, нижняя импульсная трубка которого расположена на той же высоте, что и датчик абсолютного давления, а верхняя отнесена на 500 мм. С датчиков сигнал поступает в блок анализа.

Измерительная часть расходомера включает по меньшей мере два ряда электродов для электроемкостной томографии и электроимпедансной спектроскопии и по меньшей мере два ряда электродов для электрорезистивной томографии и электроимпедансной спектроскопии. Расстояние между центрами рядов электродов для электрорезистивной и электроимпедансной спектроскопии составляет 60 мм. Расстояние между центрами рядов электродов для электроемкостной и электроимпедансной спектроскопии составляет 97 мм. Расстояние обусловлено в том числе размерами самих электродов. При этом каждый ряд включает 8 электродов. Электроды размещены на внутренней цилиндрической поверхности трубы по периметру окружности. Электроды изготовлены из материала, обладающего высокой чувствительностью, высокой коррозионностойкостью и малой поляризуемостью (сталь 10Х17Н13М2Т). Форма поверхности электродов, обращенная в проточную часть, совпадает по кривизне с ее внутренней поверхностью таким образом, что электроды не создают дополнительного гидравлического сопротивления потоку своей формой и размерами. Требования к электродам известны специалистам, приведенные в примере реализации характеристики электродов не ограничивают запрашиваемый объем правовой охраны.

Между электродами протекает поток многофазный смеси из нефтяной скважины. В этом случае электрохимическая ячейка состоит из исследуемой среды и рабочих электродов.

К рабочим электродам для электроемкостной томографии и электроимпедансной спектроскопии и электродам для электрорезистивной томографии и электроимпедансной спектроскопии подводится напряжение переменного тока. Между рабочими электродами производится измерение мгновенного значения разности потенциалов и измерение мгновенных значений тока с частотой до 20 млн. измерений в секунду (20 мегавыборок в секунду).

Для осуществления измерений электрохимического импеданса электроды подключены к электронному блоку, который входит в блок анализа и расположен во взрывонепроницаемой коробке и включает двухъядерный синтезатор частоты прямого синтеза (DDS), усилители, быстродействующие 18-ти битные аналого-цифровые преобразователи (АЦП), центральный многофункциональный процессор, модуль интерфейса Ethernet и/или модуль оптоволоконного интерфейса. Синтезатор генерирует высокочастотный сигнал синусоидальной формы, который через усилитель поступает на электроды. С электродов снимается сигнал, пропорциональный току, протекающему через среду, а с потенциальных электродов снимается сигнал, пропорциональный падению напряжения на измерительном участке. Быстродействующие АЦП преобразуют сигналы, соответствующие току и напряжению в цифровой код. Центральный процессор имеет достаточное быстродействие для обеспечения безошибочного съема информации с АЦП не реже 8 млн. раз в секунду, а также возможность производить необходимые расчеты в реальном времени. Модуль интерфейса Ethernet и/или модуль оптоволоконного интерфейса обеспечивает передачу сигналов от электродов в блок анализа.

Из измерительной части расходомера поток многофазной смеси поступает в трубу Вентури, которая включает датчик давления, датчик температуры, датчик дифференциального давления и 4 электрода для определения обводненности и объемной доли газа в потоке многофазной смеси, которые представляют собой электроды для кондуктометрических и диэлькометрических измерений импеданса методом электроимпедансной спектроскопии. Частота измерений данных на этих электродах также составляет 20 млн. измерений в секунду (20 мегавыборок в секунду).

Полученные с датчиков и электродов сигналы поступают в блок анализа данных. Для реализации способов предпочтительно использовать методы машинного обучения, которые будут обеспечивать по поступающим данным определение структуры потока и содержания газа, принимать решение о предпочтительном варианте расчета и данных, поступающих от датчиков и электродов расходомера, необходимых для него, по установленным структуре потока и содержанию газа. Например, с использованием нейросети. В примерах реализации использовали нейронную сеть: архитектура нейронной сети restnet50, которая является рекуррентной сверточной нейронной сетью с 50 скрытыми слоями. На вход нейронной сети подают томографический срез, представленный тензором размерности 224x224x3, а на выходе получается 3 метки класса.

Расположение рядов электродов для электрорезистивной и электроемкостной томографии и электроимпедансной спектроскопии друг относительно друга не принципиально.

Вариант 1. Содержание газа менее 5%.

В блоке анализа с использованием методов машинного обучения и по данным с электродов для электроемкостной томографии и электроимпедансной спектроскопии, с которых был получен отклик при прохождении потока через устройство, устанавливают, что поток имеет гомогенизированную структуру с содержанием газа 3,2 %, т.е. в потоке газа равномерно распределены маленькие пузырьки газа. Скорость движения газовой и жидкой фаз сопоставимы.

Для определения компонентного состава и расхода используются данные, получаемые с датчиков перепада давления и томографических электродов.

Определение компонентного состава включает определение доли газа (α_g) в сечении томографического среза определяется путем реконструкции данных в канале томографии и определения границ между областями с одинаковым распределением параметров приращения проницаемости или путем оценки распределения диэлектрической проницаемости в сечении трубы. В качестве входных данных выступает последовательность томографических срезов за определенный промежуток времени. Томографический срез можно описать матрицей, значения которой являются распределением диэлектрической проницаемости. Далее, вычисляется средняя в срезе площадь объектов, относящихся к газовой фазе.

Томографические электроды используют также в методе импедансометрии для определения доли воды. Водонефтяная эмульсия может образовывать дисперсные системы разного типа: вода-в-нефти или нефть-в-воде, что сильно влияет на проводимость самой эмульсии в целом. В связи с чем для определения долей компонентов необходимо использовать электроимпедансометрию разного типа: электроемкостную и электрорезистивную. Подходы для определения указанным методом данных приведены в описании выше.

Таким образом, с использованием полученных с электродов данных определяют среднее значение объемной доли воды (α_w) и среднее значение объемной доли смеси диэлектрических материалов (α_EIS): нефти и газа (α_EIS = α_g + α_o, где α_g – доля газовой фазы, α_o – доля нефти).

Т.к. сумма долей всех компонентов равна 1, зная объемную долю газа α_g и измеренную сумму объемных долей фаз нефти и газа α_EIS, можно определить долю нефти по формуле:

По полученным значениям долей компонентов определяют плотность потока в соответствии с формулой 2:

где ρ_g, ρ_w и ρ_o - плотность газа, пластовой воды и нефти; α_EIS - объемная доля дисперсной фазы, т.е. суммы доли нефти и доли газа (α_EIS = α_g +α_o), α_g – объемная доля газа. Данные по плотности компонентов получены из лаборатории.

Т.к. кросс-корреляция для таких потоков не работает (фиксируемые томографическими электродами данные обладают низким разрешением), скорость потока определяют с использованием данных о перепаде давления в измерительной части устройства с использованием известного уравнения 3:

где Δp_GM - измеренный перепад давления, ʋ - скорость потока, D - диаметр трубы, h - расстояние между двумя точками измерения давления, g – постоянная ускорения, C_f - коэффициент трения Фаннинга, совмещенный с числом Рейнольдса, ρ_GM – плотность смеси.

Т.к. скорости газовой фазы и жидкой фазы одинаковы и они соответствуют скорости всего потока, можно рассчитать расход потока в соответствии с уравнением 1:

где F - площадь поперечного сечения трубы, α_g, α_w и α_o представляют собой доли газовой фракции, водной фракции и нефтяной фракции, соответственно, ʋ_g, ʋ_w и ʋ_o - мгновенная скорость газа, воды и масла (нефти), соответственно.

При этом с использованием машинного обучения дополнительно фиксируют изменения данных, поступающих с томографических электродов для определения скорости методом кросс-корреляции.

Дополнительно для такой структуры потока и/или содержания газа может использоваться комбинация градиентоманометрического способа измерения плотности и трубы Вентури.

Перепад давления на трубе Вентури для гомогенного потока:

где p_hom- перепад давления на трубе Вентури, р₁ и р₂ –статическое давление на входе в трубу Вентури и в горловине, ρ_l – плотность жидкости, g – ускорение свободного падения, h_t и θ - расстояние между точками отбора давления и угол наклона от вертикали соответственно. Для вертикальной трубы cos θ =1.

В соответствии с уравнением Бернулли можно записать:

где ρ_mix – плотность смеси, F_mixV- потеря давления на трение (от входа до горловины трубки Вентури), ʋ₁ - скорости потока до трубы Вентури, ʋ₂ - скорости потока в горловине трубы Вентури.

Преобразуя уравнения (5) и (6):

Предполагая постоянную плотность смеси такого потока, уравнение сохранения массы задается формулой:

где F_t и F_V - площади поперечного сечения на входе (измерительной части устройства) и в горловине трубки Вентури.

Из уравнений (7) и (8) можно получить:

uде F_mixV – потери давления на трение, полученные из справочных данных, равно 30 Па, F_t - площадь поперечного сечения проточной части томографического модуля (0,00181 м²), Fv - площадь поперечного сечения горловины трубы Вентури (0,00071 м²), h_t - расстояние между датчиками измерения давления (0,093 м), ρ_l - плотность жидкости
(873,2 кг/м³), Δp - перепад давления на трубе Вентури (14 000 Па).

Плотность смеси для гомогенизированного потока с низким содержанием газа определяют градиентоманометрическим способом в измерительной части устройства:

где p₁ - показание давления нижнего датчика, равное 144 600 Па;

p₂ - показание давления верхнего датчика, равное 137 400 Па;

g - ускорение свободного падения, равное 9,81 м/с²;

Δh - расстояние между верхним и нижним датчиком, равное 0,868 м.

Плотность газожидкостной смеси составляет 845,6 кг/м³.

Как указано выше – определено, что доля газа (содержание) составляет 0,032

Соответственно скорость смеси с использованием уравнения 9 будет равна
2,41 м/c.

С помощью способа электроимпедансной спектроскопии определена доля воды в жидкости, которая составила 0,22. Доля жидкости в потоке составляет 0,968 (α_l = 1 – α_g). Соответственно доля воды составляет α_w = 0,22α_l = 0,2130, доля нефти составляет
α_o = (1-0,22)α_l = 0,7550.

Т.к. скорость газовой и жидкой фазы совпадают, расходы определяются следующим образом.

Объемный расход газа определяют как:

Объемный расход газа составляет 0,000142 м³/c.

Объемный расход воды определяют как:

Объемный расход воды составляет 0,00094 м³/c.

Объемный расход нефти определяют как:

Объемный расход нефти составляет 0,00335 м³/c.

Измерение значения абсолютного давления вместе с измерениями температуры в ^oK необходимы для корректировки измеренного расхода газа.

Вариант 2. Содержание газа от 5% до 80%.

В блоке анализа с использованием методов машинного обучения и по данным с электродов для электрорезистивной томографии и электроимпедансной спектроскопии, с которых был получен отклик при прохождении потока через устройство, что содержание газа в потоке многофазной смеси составляет 15%, а поток имеет пузырьковую структуру.

Для определения компонентного состава и расхода используются данные, получаемые с томографических электродов. Определение долей компонентов и плотности многофазной смеси аналогично представленному в варианте 1. Соответственно, доля жидкости составляет 85% (или 0,85).

Доля воды в жидкости, определенная с использованием импедансометрии, составила 0,3. Таким образом, доля воды в многофазной смеси составляет:

а доля нефти в многофазной смеси:

Для определения скорости потока используют данные, полученные с одной из двух пар томографических рядов электродов разного типа (электроемкостного и электрорезистивного). Ряды электродов каждого типа разнесены друг от друга на известное расстояние по вертикали.

Сравнивая измерения с верхнего ряда электродов с измерениями нижнего ряда электродов с использованием методов взаимной корреляции, можно определить среднее время прохождения смеси между рядами электродов. Расстояние между рядами электродов и измеренное время прохождения дают скорость. Непрерывные во времени сигналы от каждой электродной системы, используемой в способе кросс-корреляционных преобразований (x(t) и y(t)), сравниваются и на этом основании находятся интервалы времени задержки, при которых оба сигнала имеют максимум сходства. Сходство двух сигналов измеряется путем взаимной корреляции как присвоения метки времени, применяемой к одному из них:

где x(t) - это сигнал верхнего датчика в момент времени t, поэтому сигнал нижнего датчика будет y(t + τ) задерживается на время τ,с; T - время интегрирования.

Значение τ, при котором корреляционная функция будет максимальной, считается как время пролета газа:

,

где t - время, за которое газ пролетает между электродными секциями (оно составило 0,017 с); h - расстояние между электродными секциями (составляет 0,06 м).

Тогда υ_g = 3,53 м/c.

Принимается, что в измерительной части устройства (томографической секции) скорости жидкой фазы и газа одинаковы.

Метод кросс-корреляции также является известным для специалистов, в связи с чем здесь приведены только общие принципы работы данного метода.

Количество рядов электродов может быть увеличено, однако это не значительно повлияет на точность получаемых данных и приведет к усложнению конструкции и повышению её стоимости. В связи с этим предпочтительно использовать 2 ряда электродов каждого типа.

Полученные значения скорости позволяют определить расход.

Объемный расход каждого отдельного компонента в первом приближении может быть определен в соответствии с уравнениями:

где Q, α и F_t - объемный расход, средняя объемная доля и площадь поперечного сечения трубы соответственно; ʋ_l и ʋ_g - средняя скорость жидкости и газа соответственно; нижний индекс g, o и w указывают конкретную фазу газа/нефти/воды. Общий расход определяют суммированием полученных значений расходов компонентов.

Расход газа составил 0,00096 м³/c, расход воды - 0,001630 м³/c, расход нефти - 0,00380 м³/c.

Вариант 3. Содержание газа более 80%.

В блоке анализа с использованием методов машинного обучения и по данным с электродов для электроемкостной томографии и электроимпедансной спектроскопии, с которых был получен отклик при прохождении потока через устройство, установлено, что содержание газа в потоке многофазной смеси составляет 85%, а поток имеет кольцевую структуру.

Для определения компонентного состава и расхода используются данные, получаемые с электродов измерительной части, а также данные, получаемые с датчиков и электродов трубы Вентури.

Т.к. определение характеристик таких потоков такой структуры вызывает серьезные сложности предпочтительно использовать в комплексе разные методы определения компонентного состава и расхода. В связи с чем, ниже подробно рассмотрены оба варианта.

Вариант 3.1. Модель вертикального кольцевого потока жидкости и газа, проходящих через трубу Вентури зависит от измерений объемных долей газа на входе и в горловине трубы Вентури, т.е., зная долю газа в горловине трубы Вентури и на ее входе, можно рассчитать массовые расходы жидкости и газа. Эта модель основана на том факте, что жидкая и газовая фазы движутся раздельно.

Для газовой фазы в вертикальном кольцевом потоке уравнение Бернулли можно записать как:

Для жидкой фазы в вертикальном кольцевом потоке уравнение Бернулли можно записать как:

Здесь и далее: p1 - давление газовой фазы (абсолютное) после верхней секции томографа; p2 - давление газовой фазы (абсолютное) в горловине трубы Вентури; ρ_g1 - плотность газовой фазы в проточной части томографического модуля; ρ_g2 - плотность газовой фазы в горловине трубы Вентури; Δp_h - величина гидростатической потери напора между входом и горловиной трубки Вентури (т. е. между отводами давления); Δp - перепад давления на трубе Вентури, с поправкой на перепад давления в импульсных трубках датчика дифференциального давления; υ_g1 - средняя скорость газовой фазы в верхнем сечении проточной части томографического модуля; υ_l1 - средняя скорость жидкой фазы в верхнем сечении проточной части томографического модуля; υ_g2 - средняя скорость газовой фазы в сечении горловины трубы Вентури; υ_l2 - средняя скорость жидкой фазы в сечении горловины трубы Вентури; α_g1 – доля газа на входе трубы Вентури; α_g2 - доля газа в горловине трубы Вентури. Индексы 1 и 2 относятся к расположению точек отбора давления до входа в трубу Вентури и в горловине трубы Вентури, а g и l к газовой и жидкой фазам соответственно.

Уравнение неразрывности газовой фазы описывается выражением:

где G_g - массовый расход газа.

Плотность газа на входе в Вентури ρ_g1 связана с плотностью газа в горловине Вентури ρ_g2 следующим уравнением:

где γ - показатель адиабаты.

где c_p и c_v - удельная теплоемкость при постоянном давлении и объеме соответственно.

Уравнение (21) может быть преобразовано в следующее:

где

Из уравнений (24), (26) и (29) получается следующее соотношение:

где ∆p_TP - перепад давления двухфазного потока газа и жидкости через трубку Вентури в кольцевом потоке, равный (p₁ - p₂), Δp_H - величина гидростатической потери напора между входом и горловиной трубки Вентури.

Уравнение (25) может быть преобразовано в следующее:

Комбинируя уравнения (26) и (32) и введя коэффициент расхода для газовой фазы в кольцевом потоке, получаем:

где G_g - расчетный массовый расход газа в кольцевом потоке; C_dg - коэффициент расхода газа в кольцевом потоке.

Учитывая, что трубки, соединяющие отводы датчика дифференциального давления, заполнены водой, ∆p_TP в уравнении (27) можно записать как:

где ∆p_изм - перепад давления в кольцевом потоке жидкости и газа, измеренный датчиком дифференциального давления.

Величина гидростатической потери напора ∆p_H в уравнении (27) рассчитывается, сделав допущение, что средняя объемная доля газа в конусной части трубки Вентури равна α, где:

где α_g1 и α_g2 - объемные доли газа на входе трубы Вентури и в ее горловине.

Объемную долю компонентов определяют аналогично варианту 1 с использованием данных томографического среза путем реконструкции данных в канале томографии, а также с использованием метода импедансометрии.

При прохождении потоком электродов посредством сегментации получаемых томографических срезов определяют объемные доли газа. Средняя объемная доля газа по верхнему сечению измерительной части (томографической секции) α_g1 составляет 0,8, при этом средняя объемная доля газа в сечении трубы Вентури α_g2 составляет 0,71. Таким образом, средняя объемная доля газа в конусной части трубы Вентури составляет 0,755.

Величину гидростатической потери напора ∆p_H теперь можно выразить следующим образом:

где h_i, h_c и h_tt - высоты, указанные на фигуре 4.

Для данного случая они составляют, соответственно, 0,0247 м, 0,0486 м и 0,0197 м. Таким образом, расстояние между осями отверстий в трубе Вентури, служащих для отбора давлений и к которым присоединены импульсные трубки, ведущие к датчику дифференциального давления, составляет 0,093 м.

Доля жидкости в смеси составляет, соответственно, 0,2. При этом установлено, что доля воды в жидкости – 0,04. Т.е. доли воды и нефти в смеси 0,008 и 0,192, соответственно.

Плотность газа при рабочих условиях на входе в трубу Вентури ρ_g1 составляет 5,440 кг/м³, плотность газа при рабочих условиях в горловине трубы Вентури ρ_g2 составляет 5,396 кг/м³. Средняя плотность газа при рабочих условиях составляет 5,418 кг/м³.

Плотность жидкости определяют через данные плотности нефти и воды из лаборатории (физико-химические показатели) и значения долей нефти и воды. В данном случае плотность нефти составила 820,5 кг/м³, плотность воды составила 998,5 кг/м3, плотность жидкости составила 827,2 кг/м³.

Величина гидростатической потери напора в соответствии с уравнением 30 равна 207 Па.

Перепад давления двухфазного потока газа и жидкости через трубу Вентури согласно уравнению 28 равен 5403 Па.

Коэффициент расхода газа C_dg можно выразить как:

где G_gref - эталонный расход газа, G_gp – прогнозируемый расход газа.

Эталонный расход газа G_gref определяется путем умножения эталонного значения объемного расхода газа, установленного на испытательном стенде при настройке расходомера, на плотность газа. Прогнозируемый массовый расход газа G_gp определен по формуле (27) для потока на испытательном стенде со значением G_dg равным единице. По формуле (31) получено значение C_dg равное 0,5.

Уравнение неразрывности жидкой фазы в двухфазном потоке газа и жидкости имеет вид:

Иначе уравнение (32) можно записать так:

Уравнения (19) и (33) теперь можно объединить, чтобы получить массовый расход жидкости G_l в кольцевом потоке газожидкостной смеси:

где C_dl - коэффициент расхода жидкости в кольцевом потоке. ∆p_TP и ∆p_H определяются уравнениями (28) и (30) соответственно.

При этом

Коэффициент расхода жидкости C_dl можно выразить как:

где G_lref - эталонный массовый расход жидкости, G_lp – прогнозируемый массовый расход жидкости.

Эталонный массовый расход жидкости G_lref определяется путем умножения эталонного значения расхода жидкости, установленного на испытательном стенде при настройке расходомера, на плотность жидкости. Прогнозируемый массовый расход жидкости G_lp определен по формуле (34) для потока на испытательном стенде со значением G_dl равным единице. По формуле (35) получено значение C_dl равное 0,99.

Согласно формулам 27 и 34, с учетом полученных данных и площади поперечного сечения измерительной части устройства A₁ равной 0,001817 м², площади поперечного сечения горловины трубы Вентури A₂ равной 0,000714 м², показателем адиабаты со значением 1,3, массовый расход газа G_g составил 0,065 кг/с, массовый расход жидкости G_l составил 0,746 кг/с. Массовый расход воды и нефти составил, соответственно, 0,036 кг/с и 0,710 кг/с.

Электроды, установленные в горловине трубы Вентури, позволяют определить объемную долю воды в сечении и влагосодержание эмульсии WLR_V, а также объемную газа α_g2 в горловине. Это связано с тем, что при прохождении жидкости через горловину трубы Вентури меняется соотношение между жидкой и газовой фазой (увеличение содержания жидкой фазы относительно газовой) и получение данных импедансометрии в трубе Вентури будет точнее по сравнению с данными измерительной части устройства.

Объемная доля газа на входе в трубу Вентури α_g1 также может быть определена через значение доли воды α_w1, полученное методом импедансометрии в измерительной части устройства с использованием электродов для электрорезистивной томографии и электроимпедансной спектроскопии, и вычисления доли нефти α_o1 через известное значение WLR_V:

Следует отметить, что массовый расход G связан с объемным расходом Q:

где ρ – плотность, Q – объемный расход рассматриваемой фазы.

Следовательно, объемные расходы газа и жидкости могут быть рассчитаны с использованием уравнений (27), (34) и (37). В данном случае они составили: объемный расход воды - 0,0000361 м³/c, объемный расход нефти 0,000866 м³/c, объемный расход газа при ст.условиях 0,0120 ст.м³/c.

Вариант 3.2. Определение компонентного состава и расходов может быть осуществлено другим методом.

Определение долей компонентов проводят аналогично представленному в варианте 3.1. Т.к. жидкость, в отличии от газа, не сжимается в трубе Вентури, то объем жидкости и обводненность в измерительной части устройства и в трубе Вентури сохраняются.

Зная долю воды и газа, можно определить долю нефти, а также плотность жидкой фазы. В работе блока анализа для расчета с использованием нейросети расхода и объемных долей каждого компонента заложены известные уравнения, пример использования которых указан ниже для объяснения реализации способа.

Измерение расходов фаз при кольцевом режиме течения сопряжено с дополнительными сложностями. При объемных долях свободного газа в потоке более 80-85% может образоваться кольцевое течение, при котором жидкая фаза образует пристеночный кольцевой слой. Для этого режима течения используется модель раздельного течения фаз.

Уравнение Бернулли для потока газовой фазы через трубу Вентури:

или

Здесь и далее: p1 - давление газовой фазы (абсолютное) после верхней секции томографа; p2 - давление газовой фазы (абсолютное) в горловине трубы Вентури; ρg1 - плотность газовой фазы в проточной части томографического модуля; ρg2 - плотность газовой фазы в горловине трубы Вентури; Δph - величина гидростатической потери напора между входом и горловиной трубки Вентури (т. е. между отводами давления); Δp - перепад давления на трубе Вентури, с поправкой на перепад давления в импульсных трубках датчика дифференциального давления; υg1 - средняя скорость газовой фазы в верхнем сечении проточной части томографического модуля; υl1 - средняя скорость жидкой фазы в верхнем сечении проточной части томографического модуля; υg2 - средняя скорость газовой фазы в сечении горловины трубы Вентури; υl2 - средняя скорость жидкой фазы в сечении горловины трубы Вентури. Индексы 1 и 2 относятся к расположению точек отбора давления до входа в трубу Вентури и в горловине трубы Вентури, а g и l к газовой и жидкой фазам соответственно.

Принимаем условие неразрывности и несжимаемости потока жидкой фазы на измерительном участке: объемный расход жидкой фазы на коротком отрезке времени одинаков на участке томографа и в горловине трубы Вентури.

Из условия неразрывности и несжимаемости потока жидкой фазы:

где α_l2 - cредняя объемная доля жидкой фазы по сечению горловины трубы Вентури, α_l1 - объемная доля жидкой фазы, средняя по верхнему сечению томографа измерительной части устройства, F₁ - площадь сечения перед сужением трубы Вентури, площадь верхнего сечения проточной части томографа, F₂ - площадь сечения горловины трубы Вентури.

Отсюда:

Объемный расход газа через сечения (1 – измерительная часть) и (2 – труба Вентури):

где: Q_g2 - объемный расход газовой фазы в горловине трубы Вентури при рабочих условиях, Q_g1 - объемный расход газовой фазы в томографическом модуле при рабочих условиях.

Отсюда

Из уравнения неразрывности потока газа

где: ρ_g1 - расчетная плотность газовой фазы измерительной части устройства, ρ_g2 - расчетная плотность газовой фазы в горловине трубы Вентури.

Соотношение (45) можно записать, как:

Подставив выражения:

в уравнение (39), получим

Отсюда найдем скорость газовой фазы в измерительной части устройства:

Из данных томографического среза установлено, что доля газа в измерительной части устройства (α_g1) составляет 0,8, доля газа в трубе Вентури (α_g2) составляет 0,71. Плотность газа 1,0241 кг/м³, перепад давления в трубе Вентури () - 5403 Па, давление среды на входе в трубу Вентури (p₁)– 536995 Па, давление среды в горловине трубы Вентури (p₂) – 531669 Па, площадь поперечного сечения измерительной части (F₁) – 0,001817 м², площадь поперечного сечения горловины трубы Вентури (F₂) - 0,000714 м², показатель адиабаты () – 1,4.

Соответственно, скорость газовой фазы составляет 16,55 м/c.

Объемный расход газовой фазы в трубопроводе определяют как:

Объемный расход газовой фазы составляет 0,0120 ст.м³/c с учетом коэффициента расхода трубы Вентури по газу (C_dg) равному 0,5.

Запишем уравнение Бернулли для потока жидкой фазы через трубу Вентури:

или

Здесь и далее: p₁ - давление жидкой фазы (абсолютное) после верхней секции томографа, p₂ - давление жидкой фазы (абсолютное) в горловине трубы Вентури, ρ_l - плотность жидкой фазы в верхнем сечении проточной части томографического модуля, Δp - перепад давления на трубе Вентури, с поправкой на перепад давления в импульсных трубках датчика дифференциального давления.

Подставив выражение:

Получим

Отсюда найдем скорость жидкой фазы в измерительной части устройства:

Плотность жидкости определяют через данные плотности нефти и воды из лаборатории (физико-химические показатели) и значения долей нефти и воды. В данном случае плотность нефти составила 820,5 кг/м3, плотность воды составила 998,5 кг/м3, плотность жидкости составила 827,2 кг/м3.

Доля жидкости (α_l) в смеси по сечению F1 составляет 0,2 (определено с использованием томографических электродов, как указано выше). С использованием электродов в трубе Вентури определено, что доля воды в жидкости составляет 0,04. Соответственно, доля воды в смеси по сечению F1 определяется как α_w = 0,04*α_l= 0,008, доля нефти в потоке определяется как
α_o=(1-0,04)*α_l= 0,192.

Скорость жидкости в соответствии с уравнением 57 составляет 2,51 м/c.

Объемный расход воды определяют как:

Объемный расход воды с учетом коэффициента расхода трубы Вентури по жидкости (C_dl = 0,99) составляет 0,000036 м³/c.

Объемный расход нефти определяют как:

Объемный расход нефти с учетом коэффициента расхода трубы Вентури по жидкости составляет 0,000866 м³/c.

Массовые расходы воды, нефти и газа составили, соответственно, 0,036 кг/с,
0,710 кг/с, 0,065 кг/с.

Общий расход определяется суммированием расходов компонентов потока многофазной смеси.

Приведенные примеры реализации описывают определение компонентного состава и расхода потока многофазной смеси с использованием заявленных способа, устройства и системы. При этом варианты реализации 1 и 2 описывают также реализацию способа, устройства и системы без трубы Вентури. В примерах приведено подробное раскрытие того с использованием каких уравнений и подходов может осуществляться расчет (определение) компонентного состава и расхода потока многофазной смеси. Данные уравнения являются известными для специалиста и приведены для раскрытия примеров реализации.

Данные примеры подтверждают достижение технического результата за счет предварительного определения структуры потока и/или объемного содержания газа в потоке, что позволяет использовать для определения компонентного состава и расхода данные с тех элементов устройства, которые будут обеспечивать высокую точность.

Технический результат достигается за счет комплекса используемых средств измерения, их взаимного расположения и использования, что позволяет реагировать на изменение состава потока многофазной смеси и его структуры с сохранением высокой точности определения компонентного состава и расхода без изменения конструкции устройства.

Достижение технического результата обеспечивается также при использовании компьютерной системы и машиночитаемого носителя для определения компонентного состава и расхода потока многофазной смеси для реализации способов.

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к способам и устройствам для многофазной расходометрии, и может быть использовано для определения компонентного состава и расхода продукции нефте- и газодобывающих скважин. При прохождении потока многофазной смеси через устройство на электроды устройства подают напряжение и фиксируют данные, получаемые с электродов, и данные, получаемые с датчиков устройства; данные, полученные с датчиков и электродов устройства, поступают в блок анализа, в который вводят физико-химические показатели нефти, газа и воды для данной многофазной смеси, в блоке анализа на основе полученных данных определяют структуру потока многофазной смеси и/или объемное содержание газа в измерительной части устройства; при объемном содержании газа в измерительной части устройства менее 5% компонентный состав и расход определяют с использованием физико-химических показателей нефти, газа и воды для данной многофазной смеси по данным, получаемым с датчиков давления и электродов измерительной части устройства, с использованием градиентоманометрического метода и электроемкостной или электрорезистивной импедансной спектроскопии и томографии; при объемном содержании газа в измерительной части устройства от 5% до 80% компонентный состав и расход определяют с использованием физико-химических показателей нефти, газа и воды для данной многофазной смеси по данным, получаемым с электродов для электрорезистивной либо электроемкостной томографии измерительной части устройства, с использованием методов электроемкостной или электрорезистивной импедансной спектроскопии и томографии; при кольцевой структуре потока и/или при объемном содержании газа более 80% компонентный состав и расход определяют с использованием физико-химических показателей нефти, газа и воды для данной многофазной смеси по данным, получаемым с датчиков и электродов, расположенных в узкой части трубы Вентури, и электродов для электрорезистивной либо электроемкостной томографии измерительной части устройства, с использованием методов электроемкостной или электрорезистивной импедансной спектроскопии и томографии. Технический результат - возможность использования одного устройства с элементами, принципы работы которых известны сами по себе, для определения компонентного состава и расхода многофазной смеси потока скважинной продукции в широком диапазоне состава при изменении состава и структуры потока, обеспечение высокой точности определения компонентного состава и расхода потока многофазной смеси при изменении структуры потока и объемного содержания газа в потоке, упрощение способа за счет использования методов, принципы которых являются известными для специалистов, безопасность используемого устройства для человека. 10 н. и 37 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ определения компонентного состава и расхода потока многофазной смеси, в котором:

- многофазная смесь поступает в отвод устройства с образованием вертикального восходящего потока, при этом устройство включает последовательно соединенные

отвод,

измерительную часть, представляющую вертикально ориентированную трубу, в которой установлены по меньшей мере два датчика давления, обеспечивающих определение значений абсолютного давления и разницы давлений в измерительной части, датчик температуры, по меньшей мере два ряда электродов для электроемкостной томографии и электроимпедансной спектроскопии и по меньшей мере два ряда электродов для электрорезистивной томографии и электроимпедансной спектроскопии, при этом каждый ряд включает по меньшей мере четыре электрода,

и трубу Вентури с по меньшей мере двумя датчиками давления, обеспечивающими определение значений абсолютного давления и разницы давлений в трубе Вентури, датчиком температуры, в узкой части которой установлены по меньшей мере два электрода для определения обводненности и/или объемной доли газа в потоке многофазной смеси, при этом датчики и электроды устройства выполнены с возможностью передачи данных в блок анализа;

- при прохождении потока многофазной смеси через устройство на электроды устройства подают напряжение и фиксируют данные, получаемые с электродов, и данные, получаемые с датчиков;

- данные, полученные с датчиков и электродов устройства, поступают в блок анализа, в который вводят физико-химические показатели нефти, газа и воды для данной многофазной смеси,

- в блоке анализа на основе полученных данных

определяют структуру потока многофазной смеси и/или объемное содержание газа в измерительной части устройства;

при объемном содержании газа в измерительной части устройства менее 5% компонентный состав и расход определяют с использованием физико-химических показателей нефти, газа и воды для данной многофазной смеси по данным, получаемым с датчиков давления и электродов измерительной части устройства, с использованием градиентоманометрического метода и электроемкостной или электрорезистивной импедансной спектроскопии и томографии;

при объемном содержании газа в измерительной части устройства от 5% до 80% компонентный состав и расход определяют с использованием физико-химических показателей нефти, газа и воды для данной многофазной смеси по данным, получаемым с электродов для электрорезистивной либо электроемкостной томографии измерительной части устройства, с использованием методов электроемкостной или электрорезистивной электроимпедансной спектроскопии и томографии, а также датчиков давления;

при кольцевой структуре потока и/или при объемном содержании газа более 80% компонентный состав и расход определяют с использованием физико-химических показателей нефти, газа и воды для данной многофазной смеси по данным, получаемым с датчиков и электродов, расположенных в узкой части трубы Вентури, и электродов для электрорезистивной либо электроемкостной томографии измерительной части устройства, с использованием методов электроемкостной или электрорезистивной электроимпедансной спектроскопии и томографии, а также датчиков давления.

2. Способ определения компонентного состава и расхода потока многофазной смеси по п.1, в котором структуру потока и/или объемное содержание газа в потоке определяют путем

получения данных с электродов для электроемкостной томографии и электроимпедансной спектроскопии либо электродов для электрорезистивной томографии и электроимпедансной спектроскопии,

получения на основе этих данных последовательности томографических срезов и анализа полученных томографических срезов.

3. Способ определения компонентного состава и расхода потока многофазной смеси по п.1, в котором при объемном содержании газа в измерительной части устройства менее 5% для определения компонентного состава и расхода дополнительно используют градиентоманометрический метод и данные с датчиков давления измерительной части устройства, а также данные, получаемые с датчиков трубы Вентури.

4. Способ определения компонентного состава и расхода потока многофазной смеси по п.1, в котором при объемном содержании газа в измерительной части устройства от 5% до 80% для определения компонентного состава и расхода дополнительно используют данные, получаемые с датчиков и/или электродов трубы Вентури.

5. Способ определения компонентного состава и расхода потока многофазной смеси по п.1, в котором в узкой части трубы Вентури расположено четыре электрода для определения обводненности и объемной доли газа в потоке многофазной смеси, которые представляют собой электроды для кондуктометрических измерений импеданса методом электроимпедансной спектроскопии.

6. Способ определения компонентного состава и расхода потока многофазной смеси по п.1, в котором электроды для определения обводненности и объемной доли газа в потоке многофазной смеси в узкой части трубы Вентури представляют собой электроды для диэлькометрических и/или кондуктометрических измерений импеданса методом электроимпедансной спектроскопии.

7. Способ определения компонентного состава и расхода потока многофазной смеси по п.1, в котором в узкой части трубы Вентури расположен по меньшей мере один ряд электродов для определения обводненности и объемной доли газа в потоке многофазной смеси, включающий по меньшей мере четыре электрода, которые представляют собой электроды для электроемкостной томографии.

8. Способ определения компонентного состава и расхода потока многофазной смеси по п.1, в котором в узкой части трубы Вентури для определения обводненности и объемной доли газа в потоке многофазной смеси расположен по меньшей мере один ряд электродов для электроемкостной и один для электрорезистивной томографии, включающие по меньшей мере четыре электрода каждый.

9. Способ определения компонентного состава и расхода потока многофазной смеси по п.1, в котором измерительная часть устройства включает по меньшей мере один датчик абсолютного давления и один датчик дифференциального давления.

10. Способ определения компонентного состава и расхода потока многофазной смеси по п.1, в котором труба Вентури включает по меньшей мере один датчик абсолютного давления и один датчик дифференциального давления.

11. Устройство для реализации способа определения компонентного состава и расхода потока многофазной смеси по п.1, которое включает последовательно соединенные

отвод,

измерительную часть, представляющую вертикально ориентированную трубу, в которой установлены по меньшей мере два датчика давления, обеспечивающих определение значений абсолютного давления и разницы давлений в измерительной части, и датчик температуры, по меньшей мере два ряда электродов для электроемкостной томографии и электроимпедансной спектроскопии и по меньшей мере два ряда электродов для электрорезистивной томографии и электроимпедансной спектроскопии, при этом каждый ряд включает по меньшей мере четыре электрода,

и трубу Вентури с по меньшей мере двумя датчиками давления, обеспечивающими определение значений абсолютного давления и разницы давлений в трубе Вентури, и датчиком температуры, в узкой части которой установлены по меньшей мере два электрода для определения обводненности и объемной доли газа в потоке многофазной смеси, при этом датчики и электроды устройства выполнены с возможностью передачи данных в блок анализа.

12. Устройство по п.11, в котором в узкой части трубы Вентури расположено четыре электрода для определения обводненности и объемной доли газа в потоке многофазной смеси, которые представляют собой электроды для кондуктометрических измерений импеданса методом электроимпедансной спектроскопии.

13. Устройство по п.11, в котором электроды для определения обводненности и объемной доли газа в потоке многофазной смеси в узкой части трубы Вентури представляют собой электроды для диэлькометрических и/или кондуктометрических измерений импеданса методом электроимпедансной спектроскопии.

14. Устройство по п.11, в котором в узкой части трубы Вентури расположен по меньшей мере один ряд электродов для определения обводненности и объемной доли газа в потоке многофазной смеси, включающий по меньшей мере четыре электрода, которые представляют собой электроды для электроемкостной томографии.

15. Устройство по п.11, в котором в узкой части трубы Вентури определения обводненности и объемной доли газа в потоке многофазной смеси расположен по меньшей мере один ряд электродов для электроемкостной и один для электрорезистивной томографии и электромпедансной спектроскопии, включающие по меньшей мере четыре электрода каждый.

16. Устройство по п.11, в котором измерительная часть устройства включает по меньшей мере один датчик абсолютного давления и один датчик дифференциального давления.

17. Устройство по п.11, в котором труба Вентури включает по меньшей мере один датчик абсолютного давления и один датчик дифференциального давления.

18. Устройство по п.11, в котором ряды электродов в измерительной части устройства расположены по высоте трубы снизу вверх в следующем порядке: первый ряд электродов для электрорезистивной томографии и электроимпедансной спектроскопии, первый ряд электродов для электроемкостной томографии и электроимпедансной спектроскопии, второй ряд электродов для электрорезистивной томографии и электроимпедансной спектроскопии, второй ряд электродов для электроемкостной томографии и электроимпедансной спектроскопии, при этом расстояние между центрами рядов электродов для электрорезистивной томографии и электроимпедансной спектроскопии составляет от 40 до 150 мм, расстояние между центрами рядов электродов для электроемкостной томографии и электроимпедансной спектроскопии составляет от 40 до 150 мм.

19. Устройство по п.11, в котором в нижней части трубы расположены ряды электродов для электроемкостной томографии и электроимпедансной спектроскопии, в верхней части трубы расположены ряды электродов для электрорезистивной томографии и электроимпедансной спектроскопии, при этом расстояние между центрами рядов электродов составляет от 40 до 150 мм и от 40 до 150 мм соответственно.

20. Устройство по п.16, в котором нижняя импульсная трубка датчика дифференциального давления расположена на той же высоте, что и датчик абсолютного давления в измерительной части, а верхняя импульсная трубка датчика расположена по меньшей мере на 400 мм и не более чем на 1000 мм.

21. Система определения компонентного состава и расхода многофазной смеси для реализации способа по п.1, включающая

последовательно соединенные отвод, измерительную часть и трубу Вентури, при этом измерительная часть представляет собой вертикально ориентированную трубу, в которой установлены по меньшей мере два датчика давления, обеспечивающих определение значений абсолютного давления и разницы давлений в измерительной части, и датчик температуры, по меньшей мере два ряда электродов для электроемкостной томографии и электроимпедансной спектроскопии и по меньшей мере два ряда электродов для электрорезистивной томографии и электроимпедансной спектроскопии, при этом каждый ряд включает по меньшей мере четыре электрода, труба Вентури включает по меньшей мере два датчика давления, обеспечивающих определение значений абсолютного давления и разницы давлений в трубе Вентури, и датчик температуры, в узкой части которой установлены по меньшей мере два электрода для определения обводненности и объемной доли газа в потоке многофазной смеси, при этом датчики и электроды устройства выполнены с возможностью передачи данных в блок анализа,

и блок анализа, который выполнен с возможностью приема данных от датчиков и электродов устройства и определения на основе полученных данных компонентного состава и расхода многофазной смеси.

22. Система по п.21, в которой в узкой части трубы Вентури расположено четыре электрода для определения обводненности и объемной доли газа в потоке многофазной смеси, которые представляют собой электроды для кондуктометрических измерений импеданса методом электроимпедансной спектроскопии.

23. Система по п.21, в которой электроды для определения обводненности и объемной доли газа в потоке многофазной смеси в узкой части трубы Вентури представляют собой электроды для диэлькометрических и/или кондуктометрических измерений импеданса методом электроимпедансной спектроскопии.

24. Система по п.21, в которой в узкой части трубы Вентури расположен по меньшей мере один ряд электродов для определения обводненности и объемной доли газа в потоке многофазной смеси, включающий по меньшей мере четыре электрода, которые представляют собой электроды для электроемкостной томографии.

25. Система по п.21, в которой в узкой части трубы Вентури определения обводненности и объемной доли газа в потоке многофазной смеси расположен по меньшей мере один ряд электродов для электроемкостной и один для электрорезистивной томографии, включающие по меньшей мере четыре электрода каждый.

26. Система по п.21, в которой измерительная часть устройства включает по меньшей мере один датчик абсолютного давления и один датчик дифференциального давления.

27. Система по п.21, в которой труба Вентури включает по меньшей мере один датчик абсолютного давления и один датчик дифференциального давления.

28. Система по п.21, в которой ряды электродов в измерительной части устройства расположены по высоте трубы снизу вверх в следующем порядке: первый ряд электродов для электрорезистивной томографии и электроимпедансной спектроскопии, первый ряд электродов для электроемкостной томографии и электроимпедансной спектроскопии, второй ряд электродов для электрорезистивной томографии и электроимпедансной спектроскопии, второй ряд электродов для электроемкостной томографии и электроимпедансной спектроскопии, при этом расстояние между центрами рядов электродов для электрорезистивной томографии и электроимпедансной спектроскопии составляет от 40 до 150 мм, расстояние между центрами рядов электродов для электроемкостной томографии и электроимпедансной спектроскопии составляет от 40 до 150 мм.

29. Система по п.21, в которой в нижней части трубы расположены ряды электродов для электроемкостной томографии и электроимпедансной спектроскопии, в верхней части трубы расположены ряды электродов для электрорезистивной томографии и электроимпедансной спектроскопии, при этом расстояние между центрами рядов электродов составляет от 40 до 150 мм и от 40 до 150 мм соответственно.

30. Система по п.26, в которой нижняя импульсная трубка датчика дифференциального давления расположена на той же высоте, что и датчик абсолютного давления в измерительной части, а верхняя импульсная трубка датчика расположена по меньшей мере на 400 мм и не более чем на 1000 мм.

31. Машиночитаемый носитель для определения компонентного состава и расхода многофазного потока, на котором сохранена компьютерная программа, имеющая программный код, при исполнении которого на компьютере процессор выполняет:

- получение данных с датчиков и электродов устройства по п.11 и физико-химических показателей нефти, газа и воды для данной многофазной смеси;

- определение на основе полученных данных структуры потока многофазной смеси и/или объемного содержания газа в измерительной части устройства;

- определение при объемном содержании газа в измерительной части устройства менее 5% компонентного состава и расхода по данным, получаемым с датчиков давления и электродов измерительной части устройства, с использованием градиентоманометрического метода и электроемкостной или электрорезистивной импедансной спектроскопии и томографии, с использованием физико-химических показателей нефти, газа и воды для данной многофазной смеси;

- определение при объемном содержании газа в измерительной части устройства от 5% до 80% компонентного состава и расхода по данным, получаемым с электродов для электрорезистивной либо электроемкостной томографии измерительной части устройства, с использованием методов электроемкостной или электрорезистивной электроимпедансной спектроскопии и томографии, с использованием физико-химических показателей нефти, газа и воды для данной многофазной смеси, а также датчиков давления;

- определение при кольцевой структуре потока и/или при объемном содержании газа более 80% компонентного состава и расхода по данным, получаемым с датчиков и электродов, расположенных в узкой части трубы Вентури, и электродов для электрорезистивной либо электроемкостной томографии измерительной части устройства, с использованием методов электроемкостной или электрорезистивной электроимпедансной спектроскопии и томографии, с использованием физико-химических показателей нефти, газа и воды для данной многофазной смеси, а также датчиков давления.

32. Компьютерная система для определения компонентного состава и расхода многофазного потока, которая содержит по меньшей мере один процессор и программный код и выполнена с возможностью исполнения процессором под управлением программного кода:

- получения данных с датчиков и электродов устройства по п.11 и физико-химических показателей нефти, газа и воды для данной многофазной смеси;

- определения на основе полученных данных структуры потока многофазной смеси и/или объемного содержания газа в измерительной части устройства;

- определения при объемном содержании газа в измерительной части устройства менее 5% компонентного состава и расхода по данным, получаемым с датчиков давления и электродов измерительной части устройства, с использованием градиентоманометрического метода и электроемкостной или электрорезистивной импедансной спектроскопии и томографии, с использованием физико-химических показателей нефти, газа и воды для данной многофазной смеси;

- определения при объемном содержании газа в измерительной части устройства от 5% до 80% компонентного состава и расхода по данным, получаемым с электродов для электрорезистивной либо электроемкостной томографии измерительной части устройства, с использованием методов электроемкостной или электрорезистивной электроимпедансной спектроскопии и томографии, с использованием физико-химических показателей нефти, газа и воды для данной многофазной смеси, а также датчиков давления;

- определения при кольцевой структуре потока и/или при объемном содержании газа более 80% компонентного состава и расхода по данным, получаемым с датчиков и электродов, расположенных в узкой части трубы Вентури, и электродов для электрорезистивной либо электроемкостной томографии измерительной части устройства, с использованием методов электроемкостной или электрорезистивной электроимпедансной спектроскопии и томографии, с использованием физико-химических показателей нефти, газа и воды для данной многофазной смеси, а также датчиков давления.

33. Способ определения компонентного состава и расхода многофазного потока, в котором:

- многофазная смесь поступает в отвод устройства с образованием вертикального восходящего потока, при этом устройство включает последовательно соединенные отвод и измерительную часть, представляющую вертикально ориентированную трубу, в которой установлены по меньшей мере два датчика давления, обеспечивающих определение значений абсолютного давления и разницы давлений в измерительной части, и датчик температуры, по меньшей мере два ряда электродов для электроемкостной томографии и электроимпедансной спектроскопии и по меньшей мере два ряда электродов для электрорезистивной томографии и электроимпедансной спектроскопии, при этом каждый ряд включает по меньшей мере четыре электрода, при этом датчики и электроды устройства выполнены с возможностью передачи данных в блок анализа;

- при прохождении потока многофазной смеси через устройство на электроды устройства подают напряжение и фиксируют данные, получаемые с электродов, и данные, получаемые с датчиков;

- данные, полученные с датчиков и электродов устройства, поступают в блок анализа, в который вводят физико-химические показатели нефти, газа и воды для данной многофазной смеси,

- в блоке анализа на основе полученных данных определяют структуру потока многофазной смеси и/или объемное содержание газа в измерительной части устройства;

- при объемном содержании газа в измерительной части устройства менее 5% компонентный состав и расход определяют с использованием физико-химических показателей нефти, газа и воды для данной многофазной смеси по данным, получаемым с датчиков давления и электродов измерительной части устройства, с использованием градиентоманометрического метода и электроемкостной или электрорезистивной импедансной спектроскопии и томографии;

- при объемном содержании газа в измерительной части устройства от 5% до 80% компонентный состав и расход определяют с использованием физико-химических показателей нефти, газа и воды для данной многофазной смеси по данным, получаемым с электродов для электрорезистивной либо электроемкостной томографии измерительной части устройства, с использованием методов электроемкостной или электрорезистивной электроимпедансной спектроскопии и томографии.

34. Способ определения компонентного состава и расхода потока многофазной смеси по п.33, в котором структуру потока и/или объемное содержание газа в потоке определяют путем получения данных с электродов для электроемкостной томографии и электроимпедансной спектроскопии либо электродов для электрорезистивной томографии и электроимпедансной спектроскопии, получения на основе этих данных последовательности томографических срезов и анализа полученных томографических срезов, а также датчиков давления.

35. Способ определения компонентного состава и расхода потока многофазной смеси по п.33, в котором измерительная часть устройства включает по меньшей мере один датчик абсолютного давления и один датчик дифференциального давления.

36. Устройство для реализации способа определения компонентного состава и расхода потока многофазной смеси по п.33, которое включает последовательно соединенные отвод, измерительную часть, представляющую вертикально ориентированную трубу, в которой установлены по меньшей мере два датчика давления, обеспечивающих определение значений абсолютного давления и разницы давлений в измерительной части, и датчик температуры, по меньшей мере два ряда электродов для электроемкостной томографии и электроимпедансной спектроскопии и по меньшей мере два ряда электродов для электрорезистивной томографии и электроимпедансной спектроскопии, при этом каждый ряд включает по меньшей мере четыре электрода, при этом датчики и электроды устройства выполнены с возможностью передачи данных в блок анализа.

37. Устройство по п.36, в котором измерительная часть устройства включает по меньшей мере один датчик абсолютного давления и один датчик дифференциального давления.

38. Устройство по п.36, в котором ряды электродов в измерительной части устройства расположены по высоте трубы снизу вверх в следующем порядке: первый ряд электродов для электрорезистивной томографии и электроимпедансной спектроскопии, первый ряд электродов для электроемкостной томографии и электроимпедансной спектроскопии, второй ряд электродов для электрорезистивной томографии и электроимпедансной спектроскопии, второй ряд электродов для электроемкостной томографии и электроимпедансной спектроскопии, при этом расстояние между центрами рядов электродов для электрорезистивной томографии и электроимпедансной спектроскопии составляет от 40 до 150 мм, расстояние между центрами рядов электродов для электроемкостной томографии и электроимпедансной спектроскопии составляет от 40 до 150 мм.

39. Устройство по п.36, в котором в нижней части трубы расположены ряды электродов для электроемкостной томографии и электроимпедансной спектроскопии, в верхней части трубы расположены ряды электродов для электрорезистивной томографии и электроимпедансной спектроскопии, при этом расстояние между центрами рядов электродов составляет от 40 до 150 мм и от 40 до 150 мм соответственно.

40. Устройство по п.37, в котором нижняя импульсная трубка датчика дифференциального давления расположена на той же высоте, что и датчик абсолютного давления в измерительной части, а верхняя импульсная трубка датчика расположена по меньшей мере на 400 мм и не более чем на 1000 мм.

41. Система определения компонентного состава и расхода многофазной смеси для реализации способа по п.33, включающая

последовательно соединенные отвод, измерительную часть, представляющую вертикально ориентированную трубу, в которой установлены по меньшей мере два датчика давления, обеспечивающих определение значений абсолютного давления и разницы давлений в измерительной части, и датчик температуры, по меньшей мере два ряда электродов для электроемкостной томографии и электроимпедансной спектроскопии и по меньшей мере два ряда электродов для электрорезистивной томографии и электроимпедансной спектроскопии, при этом каждый ряд включает по меньшей мере четыре электрода, при этом датчики и электроды устройства выполнены с возможностью передачи данных в блок анализа,

и блок анализа, который выполнен с возможностью приема данных от датчиков и электродов устройства и определения на основе полученных данных компонентного состава и расхода многофазной смеси.

42. Система по п.41, в которой измерительная часть устройства включает по меньшей мере один датчик абсолютного давления и один датчик дифференциального давления.

43. Система по п.41, в которой ряды электродов в измерительной части устройства расположены по высоте трубы снизу вверх в следующем порядке: первый ряд электродов для электрорезистивной томографии и электроимпедансной спектроскопии, первый ряд электродов для электроемкостной томографии и электроимпедансной спектроскопии, второй ряд электродов для электрорезистивной томографии и электроимпедансной спектроскопии, второй ряд электродов для электроемкостной томографии и электроимпедансной спектроскопии, при этом расстояние между центрами рядов электродов для электрорезистивной томографии и электроимпедансной спектроскопии составляет от 40 до 150 мм, расстояние между центрами рядов электродов для электроемкостной томографии и электроимпедансной спектроскопии составляет от 40 до 150 мм.

44. Система по п.41, в которой в нижней части трубы расположены ряды электродов для электроемкостной томографии и электроимпедансной спектроскопии, в верхней части трубы расположены ряды электродов для электрорезистивной томографии и электроимпедансной спектроскопии, при этом расстояние между центрами рядов электродов составляет от 40 до 150 мм и от 40 до 150 мм соответственно.

45. Система по п.42, в которой нижняя импульсная трубка датчика дифференциального давления расположена на той же высоте, что и датчик абсолютного давления в измерительной части, а верхняя импульсная трубка датчика расположена по меньшей мере на 400 мм и не более чем на 1000 мм.

46. Машиночитаемый носитель для определения компонентного состава и расхода многофазного потока, на котором сохранена компьютерная программа, имеющая программный код, при исполнении которого на компьютере процессор выполняет:

- получение данных с датчиков и электродов устройства по п.36 и физико-химических показателей нефти, газа и воды для данной многофазной смеси;

- определение на основе полученных данных структуры потока многофазной смеси и/или объемного содержания газа в измерительной части устройства;

- определение при объемном содержании газа в измерительной части устройства менее 5% компонентного состава и расхода по данным, получаемым с датчиков давления и электродов измерительной части устройства, с использованием градиентоманометрического метода и электроемкостной или электрорезистивной импедансной спектроскопии и томографии, с использованием физико-химических показателей нефти, газа и воды для данной многофазной смеси;

- определение при объемном содержании газа в измерительной части устройства от 5% до 80% компонентного состава и расхода по данным, получаемым с электродов для электрорезистивной либо электроемкостной томографии измерительной части устройства, с использованием методов электроемкостной или электрорезистивной электроимпедансной спектроскопии и томографии, с использованием физико-химических показателей нефти, газа и воды для данной многофазной смеси, а также датчиков давления.

47. Компьютерная система для определения компонентного состава и расхода многофазного потока, которая содержит по меньшей мере один процессор и программный код и выполнена с возможностью исполнения процессором под управлением программного кода:

- получения данных с датчиков и электродов устройства по п.36 и физико-химических показателей нефти, газа и воды для данной многофазной смеси;

- определения на основе полученных данных структуры потока многофазной смеси и/или объемного содержания газа в измерительной части устройства;

- определения при объемном содержании газа в измерительной части устройства менее 5% компонентного состава и расхода по данным, получаемым с датчиков давления и электродов измерительной части устройства, с использованием градиентоманометрического метода и электроемкостной или электрорезистивной импедансной спектроскопии и томографии, с использованием физико-химических показателей нефти, газа и воды для данной многофазной смеси;

- определения при объемном содержании газа в измерительной части устройства от 5% до 80% компонентного состава и расхода по данным, получаемым с электродов для электрорезистивной либо электроемкостной томографии измерительной части устройства, с использованием методов электроемкостной или электрорезистивной электроимпедансной спектроскопии и томографии, с использованием физико-химических показателей нефти, газа и воды для данной многофазной смеси, а также датчиков давления.