ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СЕКЦИЯ РАСХОДОМЕРА ГАЗОЖИДКОСТНОГО ПОТОКА
MEASURING SECTION OF GAS-LIQUID FLOW METRE

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано на продуктивных газоконденсатных скважинах, на установках подготовки газа к транспорту, установках первичной переработки газа для определения расхода газа, расхода жидкости, доли воды и доли конденсата в жидкости без разделения продукта добычи на газообразную и жидкую фазы.
Известны устройства для определения расходов газа и жидкости в потоках сырой нефти [1]. Посредством размещения на трубе из диэлектрического материала множества резонаторов и измерения изменения их собственных частот при появлении газожидкого потока вычисляют объемные доли нефти, воды и газа, протекающие по трубопроводу. Ввиду резкого различия в скоростях нефтяного и газоконденсатного потоков этот метод практически невозможно применить для решения аналогичных задач в газовой промышленности.
Известны также устройства с использованием ультразвуковых колебаний [2-4]. Скорость звука в эмульсии "вода-нефть" зависит от объемной концентрации нефти и ее температуры. Размещая по объему трубопровода пары датчиков (излучатель-приемник) и измеряя амплитуды и фазы ультразвуковых (УЗ) сигналов или их запаздывание в отдельных точках измерительной секции, можно сделать выводы о скорости и плотности среды, и отсюда рассчитать расходы газа, нефти и воды.
Недостатком этих расходомеров является необходимость вводить в поток штанги, поддерживающие УЗ датчики и приемники, которые при их большом числе (~10-20) вносят в поток неконтролируемые возмущения. Кроме того, малые амплитуды приемных сигналов и их малые времена прохода от излучателя до приемника предъявляют высокие требования к регистрирующей их электронике.
Известны также устройства регистрации газожидкостных потоков с помощью резонаторов СВЧ- и КВЧ-диапазонов, основанные на изменении электродинамических характеристик резонаторов при прохождении сквозь них продуктов добычи скважины [5, 6, 7]. Устройство [5] использует эффект реакции открытого цилиндрического резонатора на тело возмущения, входящее в область, занятую полем резонатора, под действием аэродинамического напора и рассчитанное на регистрацию небольших скоростей или расходов.
Устройство [6] также реализует принцип зондирования потока, но с помощью волн дециметрового диапазона. Оно представляет собой закрытый резонатор, диаметр которого превышает диаметр стандартного трубопровода; резонатор работает на
010
ТМ типе колебаний в диапазоне частот ~1 ГГц. Чтобы выдержать высокие давления в стандартном трубопроводе резонатор размещен в специальном силовом корпусе и выполнен как отдельная измерительная секция.
3
3
Однако переход на такой резонатор повлек ухудшение чувствительности: район малых водосодержаний (~10-50 см/м) стал регистрироваться с невысокой точностью. Кроме того, размещение резонатора дециметровых волн в отдельном силовом корпусе значительно удорожает стоимость измерительной секции. Это является недостатками устройства [6].
Наиболее близким к предлагаемой измерительной секции является устройство, описанное в патенте [7], которое мы и примем за прототип.
Устройство [7], реализующее принцип зондирования потока с помощью электромагнитных волн малой (~8 мм) длины волны, представляет собой сужающее устройство типа сопла Вентури, внутри которого располагаются два вогнутых зеркала микроволнового резонатора Фабри-Перо, просвечивающее все сечение газожидкостного потока. Кроме того, переход от стандартного сужения к измерительному участку выполнен в виде конусного сужения с рифленой боковой поверхностью и кольцевым выступом. Скорость потока измеряется доплеровским измерителем скорости по смещению частоты радиоволны 8 мм диапазона от движущегося со скоростью газа капельно-жидкого аэрозоля.
Рассмотренному устройству присущи следующие недостатки.
1. Газожидкостный поток на большой скорости (~20-60 м/с), проходя район микроволнового резонатора, из-за наличия вогнутых зеркал в цилиндрическом канале сужающего устройства и расположенной там же вставки в виде ребер треугольного профиля (установленной для селекции нерабочих типов колебаний) испытывает резкое изменение геометрии, что приводит к возникновению аэродинамических вихрей и аэродинамической нестабильности потока как целого. К этому же приводит и наличие рифленого конуса в начале сужающего устройства и кольцевого выступа. Следствием этого являются резко турбулентный характер движения потока в измерительном канале, приводящий к значительному разбросу показаний датчика плотности и необходимости большого набора статистики.
3
3
3
3
3
3
3
3
2. Из-за высокой чувствительности к воде верхняя граница водогазового фактора - ВГФ - (число см воды в одном м газа при стандартных условиях) лежит в районе <100 cм/м, что недостаточно при работе со скважинами, подвергнутыми обводнению (ВГФ>100 cм/м). При ВГФ>100 cм/м датчик плотности достигает верхней границы рабочего диапазона, сигнал от него опускается до уровня шумов.
3
3
3
3
Технической задачей, решаемой в предлагаемом устройстве, является возможность измерять ВГФ в диапазоне как малых значений (10-100 cм/м), так и больших значений (ВГФ ~100-1000 cм/м), сокращение времени измерения и уменьшение стоимости диагностической секции.
Эти технические результаты достигаются тем, что в измерительной секции расходомера газожидкостного потока, состоящей из участка измерения малых ВГФ на основе резонатора миллиметровых волн, участка измерения скорости потока и участка измерения больших ВГФ на основе закрытого резонатора дециметровых волн, все три измерительных участка объединены в одну конструкцию - измерительный канал, в качестве резонатора миллиметровых волн используется открытый цилиндрический резонатор (ОЦР); форма измерительного канала, по которому проходит газожидкостный поток, сделана одинаковой на протяжении всей длины измерительной секции: она цилиндрическая и ее диаметр равен внутреннему диаметру ОЦР, а сопряжения стандартного трубопровода с измерительным каналом выполнены гладкими с постепенным и плавным переходом от одного диаметра к другому и с полировкой как самих переходов, так и внутреннего диаметра канала, а внешний диаметр закрытого цилиндрического резонатора дециметровых волн сделан равным или меньше внутреннего диаметра корпуса измерительной секции.
В результате того, что измерительный канал сделан однорядным и имеет полированные стенки и плавные переходы от трубопровода к каналу и обратно, газожидкостный поток не испытывает заметного сопротивления, это способствует стабилизации его положения в пространстве и приводит к тому, что отпадает необходимость набора статистики при регистрации его параметров - скорости и плотности, и параметров диагностических резонаторов.
Технический результат - отсутствие силового корпуса у закрытого резонатора дециметровых волн достигается тем, что варьируя форму резонатора и величину диэлектрической проницаемости заполняющего его диэлектрика, удалось добиться сокращения внешнего диаметра резонатора, что позволило ввести резонатор внутрь измерительной секции и отказаться от специального силового корпуса.
На чертеже изображена схема измерительной секции. На ней обозначены: 1 - измерительная секция, выполненная на основе стандартного трубопровода; 2 - ее присоединительные фланцы; 3 - плавный переход от стандартного трубопровода к измерительному каналу; 4 - стенка измерительного канала; 5 - участок измерительного канала, где происходит измерение малых ВГФ; 6 - открытый цилиндрический резонатор (ОЦР), работающий в миллиметровом диапазоне длин волн; 7 - волновод связи ОЦР с КВЧ-генератором; 8 - волновод связи ОЦР с КВЧ-детектором; 9 - присоединительные фланцы; 10 - радиопрозрачное окно для ввода/вывода миллиметрового излучения в ОЦР; 11 - участок измерительного канала, где происходит измерение скорости потока; 12 - приемопередающая антенна доплеровского измерителя скорости; 13 - радиопрозрачное окно для ввода/вывода зондирующего излучения датчика скорости; 14 - присоединительный фланец; 15 - участок измерительного канала, где происходит измерение больших ВГФ; 16 - корпус закрытого цилиндрического резонатора (ЗЦР) дециметровых волн; 17 - кабель связи ЗЦР с СВЧ-генератором; 18 - кабель связи ЗЦР с СВЧ-детектором; 19 - проходные изоляторы; 20 - диэлектрик с большой величиной диэлектрической проницаемости.
Работа устройства происходит следующим образом. Газожидкостный поток, идущий по трубопроводу, плавно входит в измерительный канал, при этом его скорость увеличивается в  раз
1
2
1
0
2
г
к
в
(а - диаметр стандартного трубопровода, а - диаметр измерительного канала). Соотношение  выбирают в границах 2-3, так что скорость возрастает в 4-10 раз, достигая 20-80 м/с. (Стараются подобрать это соотношение таким образом, чтобы скорость газа при средних расходах газа составляла ~50 м/с). При такой скорости пленка жидкости с поверхности трубы и полированных переходов срывается и переходит в аэрозоль. Газожидкостный поток проходит через ОЦР; при этом измеряется смещение его частоты Δω и изменение добротности . На участке между ОЦР и ЗЦР измеряют доплеровский сдвиг частоты Δf. Далее поток проходит через ЗЦР, где также измеряется сдвиг его частоты Δω и изменение добротности . Эти данные поступают в электронно-вычислительное устройство (не показано), где используя алгоритмы, описанные в [6] и [7], находят расходы газа Q, углеводородного конденсата Q, воды Q и вычисляют водогазовый, конденсатогазовый факторы (ВГФ, КГФ).
Опытный образец устройства был проверен в лабораторных условиях на газожидкостных смесях; в качестве газа использовался сжатый воздух из баллонов при давлениях от 1 до 10 атм и температуре 10-25°С; в качестве жидкости - вода и масляно-водяная эмульсия.
3
3
3
3
Проделанные эксперименты подтвердили значительно более высокий уровень стабильности работы измерительной секции. При работе с малыми ВГФ (1-50 см/м) данные по плотности газожидкостной смеси поступали с обоих резонаторов ОЦР и ЗЦР (последний находился в начале рабочего диапазона); при больших ВГФ (100-1000 см/м) показания снимались только с ЗЦР, так как сигнал с ОЦР в виду большого затухания не регистрировался.
3
3
Таким образом, полный диапазон измерения ВГФ составил от ~1 до 1000 см/м.
Литература
1. Патент США US 1155389883, G01N 022/04, от 14.02.1995. Measure-ment of gas and water antentinoil. Автор Harper R.
2. Patent 2393727 Canada, Intem. C1 Golf 1/74, от 05.03.01. Simultaneos determination of multiphase flowrates and concentrations от 05.03.01. Melnikov V., Drobkov V., Shustov A.
3. Патент РФ 2126143, МКН G01F 1/74. Ультразвуковой расходомер компонентов многофазной среды. / В.И.Мельников, В.П.Дробков, А.В.Шустов.
4. Дробков В.П. Разработка и исследование ультразвуковых методов и информационно-измерительной системы измерения расхода нефтеводогазового потока. Автореферат на соискание ученой степени д.т.н.
5. Патент РФ №2286546 С2, от 23.11.2004. Способ и устройство измерения расхода газожидкого потока. / Вышиваный И.Г., Костюков В.Е., Москалев И.Н. и др.
6. Патент РФ №2289808 от 20.12.2006. Способ и устройство определения объемных долей жидкого углеводородного конденсата и воды в потоке газожидкостной смеси природного газа. / Вышиваный И.Г., Костюков В.Е., Москалев И.Н. и др.
7. Патент РФ №2164340 от 20.03.2001. Способ определения покомпонентного расхода потока газожидкой смеси продуктов газонефтедобычи в трубопроводе и устройство для его осуществления. / Орехов Ю.И., Москалев И.Н., Костюков В.Е. и др.