СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАСХОДА ФРАКЦИОННОЙ ДОЛИ ВОДЫ В МНОГОФАЗНОЙ НЕСМЕШИВАЕМОЙ СРЕДЕ
METHOD FOR DETERMINING THE FLOW OF FRACTIONAL SHARE OF WATER IN A MULTIPHASE IMMISCIBLE MEDIUM

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в информационно-измерительных системах нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности для измерения расхода воды на основании данных о ее содержании, как одного из компонентов многофазной среды, в частности, для определения дебита скважины, а также в других производствах, где есть необходимость измерения расхода многофазных технологических сред.
Способы измерения и устройства для измерения фракционного состава, в частности, содержания воды в многофазной средеи ее расхода, должны обеспечивать измерение без загромождения сечения трубопровода и без нарушения его герметичности, и поэтому они являются наиболее предпочтительными при измерении состава пожароопасных и взрывоопасных сред.
Известен корреляционный способ измерения суммарного и фракционного расхода воды в многофазной несмешиваемой среде, описанный в патенте РФ № 2309386 С2, опуб., 27.10.2007. Известный способ включает в себя встраиваниев трубопроводизмерительной секции, выполненной в виде участка трубы со стенками из диэлектрического материала, снаружи которых создают, по крайней мере, первое и второе контрольные сечения, в каждом из которых устанавливают, по меньшей мере, один датчик, выполненный в виде емкостных или магнитных излучателя и приемника, при этом определяют фракционную долю воды, по крайней мере, в первом контрольном поперечном сечении путем создания с помощью генератора сканирующего электромагнитного высокочастотного сигнала на заданной частоте, подаваемого на излучатель, сигнал сканирования регистрируют с помощью приемника, определяя флуктуации диэлектрической проницаемости многофазной среды с получением указанного сигнала сканирования в виде амплитудной характеристики, затем обрабатывают и анализируют полученную амплитудную характеристику и на основании проведенного анализа полученной характеристики определяют фракционную долю воды в одном контрольном сечении трубы, после чего на основании полученной информации о фракционной доле воды в первом контрольном сечении определяют расход воды в измерительной секции трубопровода при помощи дополнительной амплитудной характеристики, полученной с помощью сигнала, регистрируемого приемником датчика во втором контрольном сечении. Используя известный способ, можно определить фракционные доли двух несмешивающихся сред, если диэлектрические характеристики транспортируемых сред существенно отличаются друг от друга, в частности, можно определить содержание воды в нефти и ее расход при измерении дебита скважины.
Недостатком известного способа является малая точность определения фракционной доливоды в потоке и, соответственно, ее расхода.
Техническим результатом заявленного изобретения является повышение точности определения фракционного расхода воды в многофазной среде.
Проблема решается и технический результат достигается тем, чтов трубопровод встраивают измерительную секцию, выполненную в виде участка трубы со стенками из диэлектрического материала, снаружи которых создают, по крайней мере, первое и второе контрольные сечения, в каждом из которых устанавливают, по меньшей мере, один датчик, выполненный в виде емкостных или магнитных излучателя и приемника, при этом определяют фракционную долю воды, по крайней мере, в первом контрольном поперечном сечении путем создания с помощью генератора сканирующего электромагнитного высокочастотного сигнала на заданной частоте, подаваемого на излучатель, сигнал сканирования регистрируют с помощью приемника, определяя флуктуации диэлектрической проницаемости многофазной среды с получением указанного сигнала сканирования в виде амплитудной характеристики, затем обрабатывают и анализируют полученную амплитудную характеристику и на основании проведенного анализа полученной характеристики определяют фракционную долю воды в одном контрольном сечении трубы, после чего на основании полученной информации о фракционной доле воды в первом контрольном сечении определяют расход воды в измерительной секции трубопровода при помощи дополнительной амплитудной характеристики, полученной с помощью сигнала, регистрируемого приемником датчика во втором контрольном сечении, при этом, согласно изобретению, перед заданием сканирующих сигналов при определении фракционной доли воды осуществляют серию предварительных замеров в виде калибровочного сканирования поперечного сечения контрольного участка трубы до его встраивания в трубопровод, изменяя содержание воды на контрольном участке трубы и несущую частоту сигнала генератора, выбирают, по крайней мере, частоту калибровочного сканирующего сигнала, при которой амплитуда регистрируемого сигнала пропорциональна количеству воды и заносят в банк данных, по крайней мере, одну из контрольных характеристик зависимости амплитуды сигнала от количества воды в контрольном сечении, полученных в результате предварительных замеров, причем сканирование измерительной секции трубы после ее встраивания в трубопровод осуществляют с частотой, выбранной при предварительных замерах, анализ амплитудной характеристики, полученной при сканировании, осуществляют путем ее сравнения с контрольной амплитудной характеристикой, определяют скорость движения воды в измерительной секции путем определения времени запаздывания соответствующей амплитуды регистрируемого сигнала приемника второго датчика относительно амплитуды сигнала приемника первого датчика с учетом расстояния между контрольными сечениями, а расход воды определяют на основании полученных данных о фракционной доле воды в контрольном сечении и скорости движения воды в измерительной секции.
Технический результат достигается также тем, что при калибровочном сканировании могут использовать диапазон изменения несущей частоты сигналов, лежащий в пределах от 2 МГц до 80 МГц.
Технический результат достигается также тем, что при калибровочном сканировании потока многофазной транспортируемой среды высокочастотным электрическим полем несущую частоту сканирующего сигнала могут изменять ступенчато, и на каждой частоте регистрацию сигнала сканирования выполняют на установившемся режиме.
Технический результат достигается также тем, что в банк данных могут заносить не менее двух контрольных характеристик зависимости амплитуды сигнала от количества воды в контрольном сечении, из хранящихся в банке данных амплитудных характеристик выбирают наиболее близкие амплитудные характеристики и, используя интерполяцию, вычисляют фракционную долю воды в многофазной транспортируемой среде.
Изобретение поясняется при помощи чертежа, на котором показана блок-схема системы измерения, с помощью которого реализуется описываемый способ.
Система для измерения расхода воды в трубопроводе на основании процентного содержания воды устанавливается непосредственно на трубопроводе 1 и включает измерительную секцию 2, стенки которой выполнены из диэлектрического материала.
Предлагаемая система для измерения фракционного состава многофазных несмешивающихся сред содержит высокочастотный генератор 3 сканирующих сигналов, блоки 4 и 5 сканирования потока многофазной транспортируемой среды высокочастотным электрическим полем, подключенные к высокочастотному генератору 3 сканирующих сигналов. При этом каждый блок 4 и 5 содержит, по меньшей мере, один датчик, выполненный в виде одного емкостного или магнитного излучателя и одного емкостного или магнитного приемника. С приемником блока 4 связан блок 6 определения амплитудно-частотных характеристик (АЦП 1) зарегистрированного сигнала сканирования высокочастотным электрическим полем, а с приемником блока 5 связан блок 7 определения амплитудно-частотных характеристик (АЦП 2) зарегистрированного сигнала сканирования высокочастотным электрическим полем. Блоки 6 и 7 предназначены для обработки сигнала сканирования высокочастотным электрическим полем с выделением зоны максимума амплитудно-частотной характеристики сигнала сканирования высокочастотным электрическим полем.
Предлагаемая система содержит также блок 8 хранения эталонных амплитудно-частотных характеристик сканирования потока многофазной транспортируемой среды высокочастотным электрическим полем и эталонных амплитудно-частотных характеристик сканирования потока многофазной транспортируемой среды высокочастотным магнитным полем.
В состав системы включен микропроцессор 9 для управления работой системы для измерения содержания и расхода воды, к которому подключены все блоки и датчики системы измерения (на блок-схеме показаны наиболее существенные соединения между отдельными элементами системы, но не все соединения, чтобы не загромождать блок-схему).
Микропроцессор 9 конфигурирован так, чтобы управлять элементами системы и выполнять все операции предлагаемого способа, в том числе, чтобы принимать амплитудно-частотные характеристики сигнала сканирования из блоков 6 и 7 определения амплитудно-частотных характеристик, запрашивать аналогичные характеристики из блока 8 хранения эталонных характеристик, получать запрошенные амплитудно-частотные характеристики из блока 8 хранения эталонных характеристик, определять фракционную долю воды в многофазной транспортируемой среде на основе сравнения измеренных и эталонных амплитудно-частотных характеристик, а также определять расход воды на основе полученных данных о фракционном содержании воды и скорости воды на заданном участке между контрольными сечениями.
Дополнительно предлагаемая система для измерения процентного содержания воды может содержать внешнюю ЭВМ 10, в которой можно сохранять все результаты измерений и все основные и вспомогательные программы для обработки измерений и управления системой.
На чертеже также показаны блок задержки 11 по времени, блок 12 вычисления корреляционных функций, блок нормирования 13.
С помощью описанной системы реализуют заявленный способ измерения расхода фракционной доли воды в многофазной транспортируемой среде следующим образом.
В трубопровод 1, по которому перемещается многофазная несмешивающаяся среда, например, на трубопроводе, идущем от нефтедобывающей скважины, вставляют измерительную секцию 2, на которой производят сканирование потока высокочастотными сигналами. В общем случае транспортируемая по трубопроводу нефть может содержать минерализованную воду, жидкие и газообразные углеводороды.
Перед встраиванием контрольного участка трубы в диагностируемый трубопровод осуществляют серию предварительных замеров в виде калибровочного сканирования высокочастотным электрическим полем заданного поперечного сечения контрольного участка для выявления предпочтительных диапазонов частот сканирования. Через контрольный участок пропускают многофазную несмешиваемую среду, например, двухфазную с контролируемым содержанием воды. При этом изменяют содержание воды, а также несущую частоту сигнала генератора. Выбирают частоту калибровочного сканирующего сигнала, при которой амплитуда регистрируемого сигнала пропорциональна количеству воды и заносят в банк данных одну или несколько из полученных в результате предварительных замеров контрольных характеристик зависимости амплитуды сигнала от количества воды в контрольном сечении. Диапазон изменения несущей частоты сигналов, лежит в пределах от 2 МГц до 80 МГц, например, с изменением несущей частоты от 10 МГц до 50 МГц. Выделяют диапазон частот для сканирования высокочастотным электрическим полем многофазной транспортируемой среды при определении фракционной доли воды в многофазной транспортируемой среде, охватывающий зону максимума амплитудно-частотной характеристики сигнала калибровочного сканирования. Как правило, выделенный диапазон частот для сканирования высокочастотным электрическим полем выбирается в пределах 0,9-1,1 от выбранной резонансной частоты. Расширение диапазона частот приводит к необоснованному увеличению операционного времени для сканирования и обработки результатов сканирования.
После встраивания контрольного участка трубы в диагностируемый трубопровод генерируют высокочастотный сигнал, используя высокочастотный генератор 3 сканирующих сигналов (ГСС 1), который передают в блоки 4 и 5 сканирования потока многофазной транспортируемой среды высокочастотным электрическим полем, с помощью которого производят сканирование потока многофазной транспортируемой среды высокочастотным электрическим полем для определения фракционной доли воды в сканируемом сечении потока многофазной среды, транспортируемой по трубопроводу.
Причем сканирование измерительной секции трубы осуществляют с частотой, выбранной при предварительных замерах.
Сканирующий сигнал представляет собой пакет дискретно модулированных высокочастотных электрических колебаний напряжением, например, 2 В, со ступенчатым изменением несущей частоты с диапазоном изменения несущей частоты сигналов, лежащим в пределах от 2 МГц до 80 МГц. Величина ступеньки задаётся управляющим микропроцессором 9 и может составлять 50–150 Гц. Длительность сканирующего сигнала должна быть достаточна для выхода на установившийся режим измерения. Регистрируемые (выходные) сигналы, отражающие результаты сканирования потока, имеют переменную амплитуду и сдвиг по фазе, зависящие от несущей частоты сканирующего сигнала и флуктуаций диэлектрической проницаемости многофазного потока. Абсолютная максимальная амплитуда выходного сигнала будет наблюдаться на резонансной частоте, хотя на других частотах могут наблюдаться частные максимумы амплитуды.
Блоки 4 и 5 регистрирует сигнал сканирования высокочастотным электрическим полем и передает сигнал сканирования, соответственно, в блоки 6 и 7 определения амплитудно-частотных характеристик зарегистрированного сигнала сканирования высокочастотным электрическим полем. Сигнал сканирования потока высокочастотным электрическим полем содержит информацию о флуктуации диэлектрической проницаемости многофазной транспортируемой среды, исследуя которую можно определить фракционную долю воды в транспортируемой многофазной среде. Блоки 6 и 7 определения амплитудно-частотных характеристик зарегистрированного сигнала сканирования высокочастотным электрическим полем обрабатывает полученный из блоков 4 и 5 сигнал сканирования высокочастотным электрическим полем и выделяет в нем зоны максимума амплитудно-частотной характеристики сигнала сканирования высокочастотным электрическим полем.
Обработанный сигнал сканирования высокочастотным электрическим полем передают из блоков 4 и 5 в микропроцессор 9, в котором определяют фракционную долю воды в многофазной транспортируемой среде. В соответствии с основным вариантом осуществления изобретения для определения фракционной доли воды запрашивают из блока 8 хранения эталонных характеристик хранящиеся там аналогичные эталонные характеристики для сканирования потока высокочастотным электрическим полем, полученные при контрольном сканировании. Для сокращения времени обработки запрашивают эталонные характеристики, лежащие в зоне частот, прилежащей к зоне максимума замеренной амплитудно-частотной характеристики. Получив из блока 8 эталонные характеристики, выбирают из них эталонные характеристики наиболее близкие к замеренным амплитудно-частотным характеристикам. При выборе подходящих эталонных характеристик можно использовать известные корреляционные методы. Используя выбранные эталонные характеристики, определяют фракционную долю воды в многофазной транспортируемой среде, например, используя известные линейные и нелинейные интерполяционные методы расчета.
После выполнения этих операций становится известным фракционная доля воды в многофазной транспортируемой среде.
Фракционные доли можно также определить, проанализировав форму амплитудно-частотных характеристик и определив по известным методикам резонансные частоты, фазовые сдвиги, реальную и мнимую составляющие комплексной диэлектрической постоянной, и сравнив их с данными, хранящимися в банке данных в блоке хранения эталонных характеристик.
Управляющий микропроцессор 9 может обрабатывать поступившие сигналы по нескольким процедурам.
По первой процедуре управляющий микропроцессор 9 запрашивает из блока 8 хранящиеся там данные эталонных характеристик многофазной среды и сравнивает результирующие амплитудно-частотные характеристики с эталонными, выбирая из них наиболее близкие к замеренным характеристикам, сравнение с которыми позволяет достаточно точно определить фракционные доли многофазного потока.
По второй процедуре микропроцессор 9 обрабатывает непосредственно оцифрованные результаты обработки амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик, поступившие из блоков 6 и 7. Фракционные доли можно определить, проанализировав форму амплитудно-частотных характеристик и определив по известным методикам резонансные частоты, фазовые сдвиги, реальную и мнимую составляющие комплексной диэлектрической постоянной, реальную и мнимую составляющие магнитных потерь и сравнив их с данными, хранящимися в банке данных. Результаты измерений передаются во внешнюю ЭВМ 10 для постоянного хранения и анализа.
Процедуру сканирования потока многофазной транспортируемой среды высокочастотным электрическим полем можно выполнять с использованием двух схем. По первой схеме сканирование выполняют, например, единичным высокочастотным сигналом, генерирующим одномерное переменное высокочастотное электрическое поле. По второй схеме сканирование выполняют вращающимся высокочастотным электрическим полем.
После получения данных о фракционной доле воды, по крайней мере, в одном из контрольных сечений определяют скорость фракционной доли воды. Для этого используют данные, полученные при обработке сигнала, зарегистрированного приемником датчика 5. При этом сравнивают зоны максимума амплитудно-частотных характеристик сигналов сканирования высокочастотным электрическим полем, зарегистрированных приемником датчика 4 и приемником датчика 5, определяя время сдвига по указанным зонам сравниваемых характеристик. Точное значение времени сдвига определяют путем построения корреляционной функции, максимум которой соответствует значению времени сдвига. Используя полученное значение времени, а также фракционный состав в контрольном сечении и расстояние между двумя контрольными сечениями определяют расход воды в измерительной секции, соответствующий расходу воды в трубопроводе.
Таким образом, описываемый способ определения расхода фракционной доли воды в многофазной среде позволяет значительно увеличить точность измерения за счет предварительного калибрования системы при помощи проведения контрольного сканирования с выбором соответствующих амплитудно-частотных характеристик, сохраняемых в банке данных эталонных характеристик.