устройство для измерения расхода компонентов потока газожидкостной смеси продуктов газонефтедобычи в трубопроводе

Формула изобретения

Устройство для измерения расхода компонентов потока газожидкостной смеси продуктов газонефтедобычи в трубопроводе, содержащее встраиваемую в трубопровод трубную секцию с зауженным в поперечном сечении измерительным каналом с конусообразными переходами к стандартному сечению трубопровода, измеритель сечения жидкой фракции, измерители скорости, давления и температуры, вычислительно-управляющий блок, причем измеритель сечения жидкой фракции выполнен в виде панорамного измерителя амплитудно-частотных характеристик и включает в себя микроволновый генератор качающейся частоты, выход которого соединен со входом измерительного микроволнового резонатора, расположенного в измерительном канале, причем резонатор содержит два зеркала, расположенных напротив друг друга на боковых стенках измерительного канала (трубопровода), а на двух других противоположных стенках измерительного канала в зоне зеркал резонатор содержит продольные ребра треугольного профиля, выход измерительного микроволнового резонатора соединен с амплитудным детектором, низкочастотный выход которого соединен с вычислительно-управляющим блоком, измеритель скорости выполнен в виде доплеровского микроволнового радиолокатора и содержит приемопередатчик, соединенный с антенной, встроенной в трубную секцию под острым углом к продольной оси измерительного канала через радиопрозрачную вставку с наружной поверхностью, повторяющей профиль внутренней поверхности измерительного канала, а низкочастотный выход приемопередатчика соединен с вычислительно-управляющим блоком, к другим входам которого подключены выходы измерителей давления и температуры газожидкостной смеси, отличающееся тем, что в трубную секцию встроен в качестве удлинителя измерительного канала диэлектрический каркас с двумя идентичными катушками, одна из которых, намотанная на указанный каркас, соединена с измерительным автогенератором, при этом другая катушка намотана на охватывающий каркас электрический экран с продольной щелью и соединена с автогенератором.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в газовой и нефтедобывающей промышленности для измерения расхода компонентов газожидкостной смеси (ГЖС) без разделения на фракции продуктов добычи в трубопроводах непосредственно на скважинах или на коллекторных участках первичной переработки газоконденсатных или нефтяных промыслов.

Известные расходомеры, особенно ориентированные на нефтедобычу, часто содержат элементы конструкций, помещаемые в поток. В большинстве случаев используется принудительное накопление или частичная сепарация компонентов смеси, часто расходомеры требуют предварительного формирования устойчивого потока определенного типа (патенты США 4458524, 4662219, 5025160, 5029482, 5127272, 5203211, 5211842, 5251488).

Эти устройства ориентированы на сравнительно малые дебиты ГЖС и объемную долю газа в продукте добычи, что характерно для нефтедобычи. Для газоконденсатных месторождений они часто принципиально не работают из-за высокого дебита скважин, большой объемной доли газа в продукте добычи (более 95%), а также наличия быстро флуктуирующих нестационарных потоков ГЖС, содержащих маловязкую жидкую фракцию.

Известно устройство для определения содержания газа и воды в потоке сырой нефти в трубопроводе (патент США 5389883, G 01 N 22/04, "Mesurement of gas and water content in oil"). Оно встраивается в трубопровод и выполнено в виде отрезка диэлектрической трубы, пропущенной через множество катушечных резонаторов. Резонансные частоты их зависят от диэлектрической постоянной и объемного содержания любого материала, проходящего через трубу. С помощью измерения изменений резонансных частот могут быть вычислены пропорции нефти, газа и воды в потоке.

Основным недостатком данного устройства является его непригодность к расходометрии газоконденсатных потоков в трубопроводах. Кроме того, при определении содержания воды не учитывается ее соленость, которая влияет на результат измерения.

Наиболее близким к заявляемому является устройство по патенту Российской Федерации "Способ определения покомпонентного расхода потока газожидкостной смеси продуктов газонефтедобычи в трубопроводе и устройство для его реализации" RU 2164340 С2, 7 G 01 F 1/74, Е 21 В 47/10 (прототип).

Устройство для определения покомпонентного расхода потока газожидкостной смеси продуктов газонефтедобычи содержит: измерительный участок, встроенный в трубопровод, причем с целью формирования гомогенизированного потока и выравнивания скоростей компонентов ГЖС участок выполнен зауженным в поперечном сечении, а переход от стандартного сечения трубопровода к измерительному выполнен в виде конусообразного сужения на входе измерительного участка; измеритель сечения жидкой фракции (микроволновый резонатор, установленный в канале); измеритель скорости потока ГЖС (доплеровский радиолокатор, установленный под острым углом к каналу); измерители давления и температуры (стандартные датчики и приборы); вычислительно-управляющий блок.

Устройство обеспечивает определение покомпонентного расхода ГЖС при любых объемных долях газа и дебитах скважин в условиях реальных нестационарных потоков.

Недостатками устройства является неспособность измерять отдельные компоненты жидкой фракции: конденсата и воды и невысокая точность измерения из-за невозможности учета солености водной компоненты, влияющей на результаты измерений.

Техническим результатом предложенного изобретения является возможность измерения расходов компонентов жидкой фракции: конденсата и воды и повышение при этом точности измерения.

Технический результат достигается тем, что в устройстве, содержащем встраиваемую в трубопровод трубную секцию с зауженным в поперечном сечении измерительным каналом с конусообразными переходами к стандартному сечению трубопровода, измеритель сечения жидкой фракции, измерители скорости, давления и температуры, вычислительно-управляющий блок, причем измеритель сечения жидкой фракции выполнен в виде панорамного измерителя амплитудно-частотных характеристик и включает в себя микроволновый генератор качающейся частоты, выход которого соединен со входом измерительного микроволнового резонатора, расположенного в измерительном канале, причем резонатор содержит два зеркала, расположенных на двух противоположных стенках измерительного канала трубопровода, а на двух других противоположных стенках измерительного канала в зоне зеркал резонатор содержит продольные ребра треугольного профиля, выход измерительного микроволнового резонатора соединен с амплитудным детектором, низкочастотный выход которого соединен с вычислительно-управляющим блоком, измеритель скорости выполнен в виде доплеровского микроволнового радиолокатора и содержит приемопередатчик, соединенный с антенной, встроенной в трубную секцию под острым углом к продольной оси измерительного канала через радиопрозрачную вставку с наружной поверхностью, повторяющей профиль внутренней поверхности измерительного канала, а низкочастотный выход приемопередатчика соединен с вычислительно-управляющим блоком, к другим входам которого подключены выходы измерителей давления и температуры газожидкостной смеси, а в трубную секцию встроен в качестве удлинителя измерительного канала диэлектрический каркас с двумя идентичными катушками, одна из которых, намотанная на указанный каркас, соединена с измерительным автогенератором, при этом другая катушка намотана на охватывающий каркас электрический экран с продольной щелью и соединена с автогенератором.

Устройство для измерения расхода компонентов потока газожидкостной смеси продуктов газонефтедобычи в трубопроводе представлено на чертеже. Оно содержит трубную секцию 1 с зауженным в поперечном сечении измерительным каналом 2 с конусообразными переходами к стандартному сечению трубопровода и измерители: скорости 3, сечения жидкой фракции 4, давления 5, температуры 6 и сечения водной компоненты 7.

Измеритель скорости 3 выполнен в виде доплеровского радиолокатора и включает в себя приемопередатчик 8, соединенный с антенной 9, встроенной в трубную секцию 1 под острым углом к продольной оси измерительного канала 2 через радиопрозрачную вставку 10 с наружной поверхностью, повторяющей профиль внутренней поверхности измерительного канала 2, а низкочастотный выход приемопередатчика 8 соединен с вычислительно-управляющим блоком 11.

Измеритель сечения жидкой фракции 4 выполнен в виде панорамного измерителя амплитудно-частотных характеристик и включает в себя микроволновый генератор качающейся частоты 12, соединенный со входом полуоткрытого измерительного резонатора 13, который содержит два зеркала 14, размещенных напротив друг друга в боковых стенках измерительного канала трубной секции, а на двух других противоположных стенках измерительного резонатора 13 в зоне зеркал 14 расположены продольные ребра 15 треугольного профиля. Выход измерительного резонатора 13 соединен с амплитудным детектором 16, низкочастотный выход которого соединен с вычислительно-управляющим блоком 11, к которому также подключены выходы измерителей давления 5 и температуры 6.

Измеритель сечения водной компоненты 7 содержит встроенную в трубную секцию 1 в качестве удлинителя измерительного канала 2 диэлектрический каркас 17 с двумя идентичными катушками 18 и 19, одна из которых, намотанная на указанный каркас, соединена с измерительным автогенератором 21, при этом другая катушка намотана на охватывающий каркас электрический экран 22 с продольной щелью 23 и соединена с автогенератором 20. Электрический экран препятствует взаимодействию электрического поля катушки с потоком ГЖС.

Расчет расходов компонентов ГЖС основан на измерении пяти переменных величин - температуры, давления, скорости гомогенизированного потока ГЖС, а также поперечных сечений жидкой фракции и водной компоненты. Данные о давлении и температуре вводятся автоматически в вычислительно-управляющий блок 11 от стандартных датчиков 5 и 6 в виде напряжений или токов, данные о скорости потока ГЖС и сечениях жидкой фракции формируются непосредственно соответствующими измерителями 3, 4 и 7.

Измерение скорости потока ГЖС проводится следующим образом. Приемопередатчик 8 измерителя скорости 3 вырабатывает стабильный по частоте непрерывный сигнал микроволнового диапазона длин волн, который излучается антенной 9 через радиопрозрачную вставку 10 во внутреннее пространство измерительного канала 2. Отраженный от частиц жидкой фракции потока микроволновый сигнал принимается обратно той же антенной 9 и далее в приемопередатчике 8 преобразуется в сигнал биений, который фильтруется по частоте, усиливается и с низкочастотного выхода поступает в вычислительно-управляющий блок 11.

Результатом работы измерителя скорости 3 является получение спектра доплеровских частот, составляющие которого линейно связаны со скоростью движущихся частиц жидкой фракции.

Измерение сечения жидкой фракции ГЖС проводится следующим образом. Микроволновый генератор качающейся частоты 12 осуществляет возбуждение электромагнитного поля в резонаторе 13 через отверстие связи в одном из зеркал 14 в полосе качания частоты. Наличие в резонаторе 13 ребер треугольного профиля 15 исключает возможность возникновения поперечных паразитных резонансных колебаний из-за постановки зеркал 14 в металлическое полузамкнутое пространство. Возбужденное в измерительном резонаторе 13 резонансное электромагнитное поле поступает через отверстие связи второго зеркала 14 на амплитудный детектор 16. С выхода амплитудного детектора последовательность импульсов, следующих с периодом качания частоты, подается на вход вычислительно-управляющего блока 11.

Результатом работы измерителя является получение последовательности резонансных откликов и измерение их частотных смещений, прямо пропорциональных количеству жидкой фракции, заполняющей объем измерительного резонатора, относительно частоты заполненного одним газом резонатора.

Измерение сечения водной компоненты с компенсацией влияния ее солености проводится следующим образом: с помощью автогенераторов измерителя 7 возбуждают магнитное поле внутри катушки 18 и электромагнитное поле внутри катушки 19 и настраивают автогенераторы на одинаковую частоту в отсутствие жидкости в измерительном канале 2. При протекании потока ГЖС измеряют разность частот автогенераторов, при этом в разности частотные смещения, вызванные влиянием солености воды на магнитные поля катушек, компенсируют друг друга. Поэтому разность частот будет определяться только влиянием диэлектрической проницаемости ГЖС, зависящей, в свою очередь, от сечения канала, занятого водой. Коэффициент пропорциональности, равный разности частот на один процент сечения канала, занятого водой, устанавливают при тарировке.

Расчет расходов компонентов ГЖС за установленное время t осуществляют следующим образом.

По измеренному сечению, занятому водой, рассчитывают расход воды по формуле:

Q_в= _tS_вV_иdt,

где Q _в - расход воды;

S_в - измеренное сечение, занятое водой;

V_и - скорость по измерителю скорости.

Расход конденсата вычисляют по формуле:

Q_к =О_ж-Q_в,

где Q_к - расход конденсата;

Q_ж - расход жидкой фракции.

Расход жидкой фракции рассчитывается по формуле:

где Q_ж - расход жидкой фракции;

S_ж - измеренное сечение, занятое жидкой фракцией.

Расход газа рассчитывается по формуле:

где Q_г - расход газа;

S _г - рассчитанное сечение, занятое газом.

Учет содержания воды в жидкой фракции дает возможность оптимизировать затраты на коллекторных участках первичной переработки продуктов газонефтедобычи, а также прогнозировать время жизни скважин.