СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПОКОМПОНЕНТНОГО РАСХОДА ГАЗОЖИДКОСТНОЙ СМЕСИ
MEASURING METHOD OF COMPONENT-BY-COMPONENT FLOW RATE OF GAS-LIQUID MIXTURE

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться для контроля расхода газожидкостной смеси (ГЖС), извлекаемой, например, из буровой скважины.
Известны способы измерения многофазного расхода или многокомпонентных веществ, например (П.П. Кремлевский. Расходомеры и счетчики количества вещества. СПб. Политехника. 2002. Книга 2, с.245), с помощью нескольких последовательно установленных расходомеров, обладающих селективными свойствами (кориолисова, объемного и теплового), и вычислительного устройства, определяющего на основе показаний приборов расходы отдельных компонентов.
Недостатками известных решений является суммарная большая погрешность измерения расхода, а также наличие разнообразных приборов и большие габариты устройства.
Известен способ покомпонентного измерения расхода многофазного потока (RU 2428662 С2, 10.09.2011). Предложенный расходомер содержит: блок измерения скорости газожидкостного двухфазного трехкомпонентного потока, блок измерения плотности данного потока и блок вычисления скорости потока каждой фазы, при этом блок измерения плотности содержит блок извлечения смешанной жидкости, причем блок извлечения смешанной жидкости содержит генератор разности давлений, установленный в трубопроводе, через который проходит трехкомпонентный поток, пару соединительных труб, соединенных с расположенными выше по потоку и ниже по потоку сторонами генератора разности давлений. Резервуар для извлечения газа- жидкости служит в качестве места, где принудительно перемешивается посредством изменения давления между входной и выходной сторонами сопла (генератора разности давлений). То есть часть отбираемого трехфазного потока принудительно встряхивается горизонтально, вертикально и т.д. для перемешивания. При этом пузырьки, содержащиеся в смешанной жидкости, вырастают в более крупные пузырьки в результате столкновения друг с другом и отделяются от смешанной жидкости в газовую фазу. Вследствие принудительного перемешивания, даже в случае маленьких пузырьков, пузырьки отделяются от смешанной жидкости в газовую фазу. Далее смешанную жидкость, из которой были отделены пузырьки, накапливают в резервуаре для хранения жидкости посредством регулирования вентиля регулировки скорости потока жидкости. Смешанную жидкость, накопленную в резервуаре для хранения жидкости, используют для измерения плотности. Измерение плотности проводят на смешанной жидкости, из которой были удалены пузырьки, и, следовательно, можно получить измеряемую величину высокой точности.
Недостатками известного способа является большое число механических операций при определении плотности потока, отбирается часть потока для анализа, понижающих достоверность измерения всего потока, большие габариты устройства при выстаивании для отделения фаз.
Известен способ определения параметров потока многофазной смеси жидкости и газа (RU 2386930 С2, 27.06.2009). В измерительный гидроканал помещают датчики, имеющие различные зависимости показаний от расходов компонентов потока. Для получения зависимостей показаний датчиков от измеряемых параметров потока во время калибровки производят запись показаний датчиков при различных комбинациях расходов жидкости и газа и осуществляют последовательную интерполяцию. Для определения расходов двух взаимно нерастворимых жидкостей и газа потока трехкомпонентной смеси используют три датчика, зависимость показаний которых от расходов жидкостей и газа разная. Для определения расходов двух взаимно нерастворимых жидкостей, расхода газа и вязкости потока трехкомпонентной смеси используют четыре датчика, зависимость показаний которых от расходов жидкостей, газа и вязкости разная. В частном случае однотипные датчики располагают в последовательно соединенных отрезках измерительного гидроканала разного диаметра.
Недостаток известного способа - определение параметров по тарировочным данным, предварительно полученным на стендах. Реальные показания могут значительно отличаться от полученных в лабораторных условиях из-за отличия показаний по давлению в трубе, температуре, различных сочетаний и соотношения фаз потока, что ухудшает точность измерения скоростей фаз, их скольжения относительно друг друга и др.
К предлагаемому способу наиболее близким, принятым за прототип, является способ измерения покомпонентного расхода газожидкостной смеси, проходящей по трубопроводу, с помощью устройства измерения покомпонентного расхода газожидкостной смеси, содержащего узел подготовки потока, устанавливаемые последовательно ему радиоволновый датчик жидкой фазы, расходомер с измерителем перепада давления на механическом измерительном элементе, связанным с вычислителем, и плотномер (RU №2008617 С1, 28.02.1994).
Недостатком известного способа является измерение покомпонентного расхода с помощью вихревого расходомера, имеющего недостаточный диапазон измерения в условиях кустового расположения скважин с различным дебитом, недостаточная точность измерения, сложная схема преобразования сигналов, характеризующих текущий расход. Кроме того, вихревой расходомер имеет ограниченный минимальный расход, менее которого расходомер не работает, а также связанное с этим ограничение по диаметру трубы. Кроме того, в этом известном способе измерение расхода вихревым расходомером несмотря на присутствие мешалки необходимо перестраиваться на измерение вихрей Кармана на разных фазах - легких и тяжелых, которые присутствуют в трубопроводе при дебите скважины. Не все вихри различной интенсивности разных фаз попадают в поле измерений.
Кроме того, узел подготовки потока в известном способе смешивает все компоненты в единую массу ГЖС и только после этого начинается измерение, которое определяет состав по средним величинам потока смеси, при этом искажается состав смеси, исчезает физическое явление скольжения компонент между собой.
Наличие подогревателя в плохообтекаемом теле вихревого расходомера изменяет физическую картину обтекания чувствительного элемента и усложняет измерительную схему.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является упрощение способа измерения покомпонентного расхода газожидкостной смеси при ограниченном приборном составе устройств измерения, т.е. сокращение измерительных операций, требующих одновременности для более достоверного измерения массового расхода среды, а также измерение параметров потока в одном приборном месте.
Технический результат достигается тем, что предлагается способ измерения покомпонентного расхода газожидкостной смеси, включающий измерение объемного расхода и передачу данных вычислителю, отличающийся тем, что поддерживают частоту вращения ротора при нулевом перепаде давления на нем, измеряют величины крутящего момента ротора, его частоты вращения и вязкость смеси, определяют плотность смеси по величине крутящего момента и приравнивают ее одному из двух известных уравнений, связывающих плотность, вязкость и покомпонентные доли трехкомпонентной смеси, измеренный коэффициент вязкости смеси сравнивают с другим из двух известных уравнений, извлекают вычислителем из трех независимых уравнений массовые и объемные покомпонентные составляющие смеси.
По предлагаемому способу на измерительном устройстве объемного расходомера в виде ротора поддерживается перепад давления, равный нулю, который позволяет не искажать и деформировать течение потока, не нарушать его структуру со скользящими эффектами между фазами, не подвергать его сжатию и расширению, как это происходит в большинстве аналогов, использующих измерители плотности по перепаду, например на трубе Вентури.
На чертеже представлена схема устройства, реализующего предлагаемый способ.
см
см
см
Вращающийся ротор 1 объемного расходомера 2 приводится во вращение приводом 3, частота вращения которого измеряется датчиком 4. Объемный расход смеси Q поступает на вход расходомера 2 и проходит через вращающийся ротор 1 на выход 5 и далее проходит сквозь набор дисков 6, вращающихся с постоянной частотой приводом 7. Вязкость смеси измеряется датчиком вязкости 8 и передается вычислителю 9. Частота вращения n ротора 1 поддерживается контуром регулирования при ∆Р≈0, состоящим из датчика 10 перепада давления, вычислителя 9 и привода 3. Крутящий момент М ротора 1 привода 3 измеряется датчиком момента (тока I) 11.
Способ реализуется по алгоритму при следующих условиях:
- перепад давления на роторе (измерительном устройстве) поддерживается равным нулю,
- температура и давление измеряется соответствующими датчиками (на чертеже не показаны) для измеряемого расхода в данном месте и передаются вычислителю.
см
Объемный расход Q ГЖС расходомера определяется частотой вращения n ротора 1 (датчик 3)
<mrow><msub><mi>Q</mi><mrow><mi>с</mi><mi>м</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>к</mi><mn>1</mn></msub><mi>n</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mi>г</mi><mi>д</mi><mi>е</mi><mtext> </mtext><msub><mi>к</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><mtext> </mtext><mi>р</mi><mi>а</mi><mi>з</mi><mi>м</mi><mi>е</mi><mi>р</mi><mi>н</mi><mi>ы</mi><mi>й</mi><mtext> </mtext><mi>к</mi><mi>о</mi><mi>э</mi><mi>ф</mi><mi>ф</mi><mi>и</mi><mi>ц</mi><mi>и</mi><mi>е</mi><mi>н</mi><mi>т</mi><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
см
Крутящий момент М привода 3 ротора 1 для преодоления гидравлических сил сопротивления определяется в основном плотностью смеси. Другие силы сопротивления на роторе не учитываются в покомпонентном расчете.
<mrow><msub><mi>M</mi><mrow><mi>с</mi><mi>м</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>k</mi><mn>2</mn></msub><msub><mi>G</mi><mrow><mi>с</mi><mi>м</mi></mrow></msub><mi>n</mi><mo>=</mo><msub><mi>k</mi><mn>2</mn></msub><msub><mi>Q</mi><mrow><mi>с</mi><mi>м</mi></mrow></msub><msub><mi>ρ</mi><mrow><mi>с</mi><mi>м</mi></mrow></msub><mi>n</mi><mo>=</mo><msub><mi>k</mi><mn>3</mn></msub><msub><mi>ρ</mi><mrow><mi>с</mi><mi>м</mi></mrow></msub><msup><mi>n</mi><mn>2</mn></msup><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
При вращении ротора с частотой n и величине перепада давления ∆Р≈0 на измерительном участке 4, включая ротор 1, величина гидравлического сопротивления может быть выражена как
2
3
k, k - постоянные размерные коэффициенты.
см
см
3
2
Определим плотность смеси как ρ=М/k n.
см
см
см
Величины n, М, µ измеряются датчиками 4, 11 и 8 при  ∆Р≈0, G - величина массового расхода смеси.
Известно выражение плотности и вязкости смеси через покомпонентные составляющие массового и объемного расхода смеси
<mrow><msub><mi>ρ</mi><mrow><mi>с</mi><mi>м</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>G</mi><mi>н</mi></msub><msub><mi>ρ</mi><mi>н</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>G</mi><mi>в</mi></msub><msub><mi>ρ</mi><mi>в</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>G</mi><mi>г</mi></msub><msub><mi>ρ</mi><mi>г</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>/</mo><msub><mi>G</mi><mrow><mi>с</mi><mi>м</mi></mrow></msub><mtext> </mtext><mi>и</mi><mtext> </mtext><msub><mi>ρ</mi><mrow><mi>с</mi><mi>м</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>α</mi><mi>н</mi></msub><msub><mi>ρ</mi><mi>н</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>α</mi><mi>в</mi></msub><msub><mi>ρ</mi><mi>в</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>α</mi><mi>г</mi></msub><msub><mi>ρ</mi><mi>г</mi></msub><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><msub><mi>μ</mi><mrow><mi>с</mi><mi>м</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>/</mo><mrow><mo>[</mo><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>G</mi><mi>н</mi></msub><mo>/</mo><msub><mi>μ</mi><mi>н</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>G</mi><mi>в</mi></msub><mo>/</mo><msub><mi>μ</mi><mi>в</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>G</mi><mi>г</mi></msub><mo>/</mo><msub><mi>μ</mi><mi>г</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>]</mo></mrow><mtext> </mtext><mi>и</mi><mi>л</mi><mi>и</mi><mtext> </mtext><msub><mi>μ</mi><mrow><mi>с</mi><mi>м</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>/</mo><mrow><mo>[</mo><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>Q</mi><mi>н</mi></msub><mo>/</mo><msub><mi>ν</mi><mi>н</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>Q</mi><mi>в</mi></msub><mo>/</mo><msub><mi>ν</mi><mi>в</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>Q</mi><mi>г</mi></msub><mo>/</mo><msub><mi>ν</mi><mi>г</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>]</mo></mrow><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>4</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><mn>1</mn><mo>=</mo><msub><mi>α</mi><mi>н</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>α</mi><mi>в</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>α</mi><mi>г</mi></msub><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>5</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
а также и единства массы смеси
н
н
см
в
в
см
г
г
см
при α=Q/Q, α=Q/Q, α=Q/Q
н
в
г
н
в
г
Индексы, обозначающие н - нефть, в - вода, г - газ, относятся к плотности, вязкости и покомпонентным массовым и объемным долям смеси G, G, G и Q, Q, Q.
н
в
г
н
в
г
Считаем, что величины плотности ρ, ρ, ρ и вязкости µ, µ, µ компонентов смеси известны для конкретной буровой скважины, постоянны и внесены поправки для конкретных условий измерения.
н
в
г
Выражение (3) и (4) содержит объемные покомпонентные составляющие Q, Q, Q.
Имеем три уравнения с тремя неизвестными покомпонентными составляющими.
см
н
в
г
н
в
г
При наличии известных величин плотности и кинематической и динамической вязкости компонентов смеси (считая их const для исследуемой буровой скважины, и внесены поправки для конкретных условий измерения), а также измеренной величины Q, далее из трех независимых уравнений (3), (4) и (5) получаем массовые и объемные покомпонентные составляющие ГЖС - G, G, G и Q, Q, Q.
Сущность предлагаемого способа состоит в том, что без паразитных утечек через ротор определяются объемный и массовый расходы смеси как сумма покомпонентных расходов с учетом плотности и вязкости смеси расчетным путем по известным уравнениям, а далее определяется покомпонентный состав смеси.
Предлагаемый способ оценки покомпонентного состава расхода из скважины имеет следующие преимущества:
- упрощение способа измерения покомпонентного объемного и массового расхода при ограниченном приборном составе устройства измерения, т.е. сокращение измерительных и вычислительных операций, требующих одновременности для более достоверного измерения расхода среды.
- при измерении объемного расхода сохраняется текущая погрешность на всем диапазоне,
- отсутствие протечек расхода обеспечивает высокую точность,
- смесь не подвергается сжатию и расширению, проходя через измерительный участок при измерении объемного и массового расхода,
- повышается точность расходомера из-за уменьшения влияния вязкости, плотности,
- повышается точность и надежность работы расходомера при измерении расходов с высокими уровнями давления и пульсациями давления в широком диапазоне изменения расходов измеряемой среды.