СПОСОБ РЕГИСТРАЦИИ ВЫНОСА ТВЕРДЫХ ФРАКЦИЙ В ГАЗОВОМ ПОТОКЕ
METHOD FOR REGISTERING THE REMOVAL OF SOLID FRACTIONS IN A GAS STREAM

Изобретение относится к области контроля эксплуатации газовых скважин. Контролируется вынос твердых абразивных частиц в потоке природного газа по ультразвуковым колебаниям, возникающим при соударении частиц со стенками трубы. Наличие абразивного материала в потоке рабочей среды может привести к преждевременному износу и повреждению газового оборудования.
Известен способ для контроля массового расхода транспортируемого по пневмопроводу измельченного твердого материала (патент РФ №2280843 приоритет 23.01.2003, «Способ и устройство для контроля массового расхода транспортируемого по пневмопроводу измельченного твердого материала», авторы: Крёммер Иван (LU),Бреден Эмиле (LU), МПК: G01F 1/74, 1/28, 1/66, опубликовано 27.07.2006 Бюл. №21), согласно которому из потока газа-носителя с помощью сопла, расположенного во входном патрубке измерительной камеры, формируют плотную струю газа со взвешенными в нем частицами. Сформированную струю направляют на переднюю поверхность головки акустического датчика (отражателя) в виде стержня, расположенного в измерительной камере на оси входного патрубка. Акустический датчик, воспринимающий ударное воздействие частиц твердого материала, связан с акустическим преобразователем, измеряющим частоту и амплитуду акустических волн, генерируемых в стержне, по которым определяют массовый расход.
Известен способ регистрации включений твердых фракций в газовом потоке (патент РФ №2408868 приоритет от 20.02.2009, «Способ регистрации включений твердых фракций в газовом потоке», авторы: Диденко В.Г., Лазарев С.Г. и др., МПК G01N 15/06, опубликовано 10.01.2011 Бюл. №1). Способ основан на регистрации числа соударений включений твердых фракций с внутренней поверхностью трубы. Регистрацию осуществляют путем приема акустических сигналов, формирующихся при соударении, датчиками, расположенными на внешней поверхности трубы. При этом акустический сигнал, возникающий при соударении включения с внутренней поверхностью трубы, принимают, по крайней мере, в двух пространственно разнесенных по поверхности трубы точках. Регистрируют соударение, если разность времен прихода акустического сигнала в эти точки соответствует заданным соотношениям. В качестве заданных принимают соотношения между расстояниями между датчиками и разновременностями прихода волны к датчикам.
Известен способ регистрации твердых фракций в газовом потоке (патент РФ №2724179 приоритет от 22.06.2020, «Способ регистрации твердых фракций в газовом потоке», авторы: Ежов С.А., Заболотько А.Л., МПК G01N 15/06, опубликовано 20.06.2020 Бюл. №18), основанный на приеме акустических сигналов датчиками от соударений твердых фракций с внутренней поверхностью трубы. При этом акустический сигнал принимают не менее чем в двух пространственно разнесенных по наружной поверхности трубы точках. Регистрируют соударение твердых фракций с внутренней поверхностью трубы как соударение в зоне чувствительности при условии прихода акустического сигнала сначала на первый датчик, который устанавливают в этой зоне, границы которой равноудалены от соседних датчиков относительно первого датчика, а также соударение твердых фракций с внутренней поверхностью трубы как соударение вне зоны чувствительности при условии прихода акустического сигнала сначала на один из датчиков, установленных вне этой зоны.
Известен способ регистрации выноса песка («Датчики выноса песка Impact Sand» [Электронный ресурс] дата обращения: 14.03.2021 http://strongarm.Su/Docs/l.pdf), который заключается в регистрации сигналов посредством виброакустического датчика соударений твердых фракций с внутренней поверхностью трубы, после чего формируют при помощи многополосного преобразователя сигнал, отражающий только основные характерные составляющие данного сигнала, после чего производят те же самые действия с сигналами, которые служили шаблонами: типичные шумовые картины, затем при помощи анализа выявляют наиболее похожий на удар песчинки сигнал, подсчитывают количество ударов песчинок. Данный способ выбран в качестве близкого аналога.
Недостатками известных устройств и способов является следующее:
- Для врезных устройств - это необходимость вмешательства в конструкцию газопровода, сложность установки и обслуживания, недолговечность элементов, погруженных в поток газа с песком, вследствие абразивного износа.
- Недостатками известных накладных устройств, несмотря на заявленную способность работать в условиях шумов, является невозможность работы с шумами, имеющими тот же спектр, что и акустические сигналы, производимые песком.
Проблема состоит в следующем. Акт соударения песчинки со стенкой трубы порождает чрезвычайно короткий по времени импульс давления -всего несколько наносекунд (порядка двойного пробега звука по телу песчинки), но амплитудой, превышающей предел прочности материала стенки трубы. Результат - абразивное действие. Любое короткое импульсное воздействие (дельта функция) имеет непрерывный частотный спектр от нуля до бесконечности. Вопрос состоит только в том - какая часть этого спектра в состоянии добраться от точки удара песчинки до датчика. Поскольку звуку предстоит распространяться не в сплошном материале, а в стенках трубы, имеющих конечную толщину, то уже на расстояниях в несколько толщин происходит взаимодействие звуковых волн, отраженных от свободных границ. При этом некоторые части спектра исчезают, а некоторые усиливаются - формируются так называемые волны Лэмба. Эти волны распространяются с очень малым затуханием на расстояния в несколько метров, иногда десятков метров. Поскольку в формировании волн Лэмба участвуют волны отраженные от обеих свободных границ, то вклад в их формирование может внести только часть спектра с периодом колебаний, большим времени двойного пробега волны по толщине стенки трубы. Для примера: для скорости звука в стали 5.5 км/сек и толщине стенки 9 мм (типичная толщина газовых труб на скважинах) время двойного пробега составит 3,3 мкс, что соответствует частоте ~300 кГц. (см. фиг. 1, фиг. 2 фиг. 3, поясняющие процесс формирования и свойства волн в стенках стальной газовой трубы). На фиг. 1 представлен 3D расчет распространения волны Лэмба в стенке трубы 96/114 мм при ударе песчинки по внутренней поверхности. Светлые окружности соответствуют положению различных мод волн Лэмба в данный момент времени. На датчики попадают волны прошедшие от точки соударения как по прямой, так и описывающие несколько оборотов вокруг трубы - регистрируется серия афтершоков. На фиг. 2 приведена структура волны Лэмба (запечатлен момент перерождения симметричной моды волны в ассиметричную). На фиг. 3 приведена эволюция спектров давления на датчике, удаленном на расстояние в несколько толщин стенки от точки удара. По оси Y- частота в кГц, по X - время в микросекундах. Цвет - давление (темный - высокое, светлый - низкое). Периодически появляющиеся всплески давления соответствуют прохождению афтершоков, о которых упоминалось выше. Обращает на себя внимание практически полное отсутствие частот в спектре свыше 600 кГц. То есть, высокочастотные колебания, в несколько раз более высокие, чем граница в 300 кГц не способны распространяться вдоль трубы и затухают уже на расстоянии нескольких толщин трубы от места их рождения (численные значения указаны для 9 мм стенки - для других толщин применима пропорциональная корректировка). Датчики, рассчитанные на регистрацию высоких частот, охватывающих волны Лэмба, имеют возможность собирать звук со всей внутренней поверхности труб длиной в несколько метров. Цена за высокую чувствительность - это уязвимость к посторонним шумам, источники которых могут находиться на значительных расстояниях.
Источником посторонних шумов, в том же частотном диапазоне, может оказаться сам газовый поток, к примеру, в дросселирующих шайбах и регуляторах дебета, где имеет место сверхзвуковое истечение газа, сопровождающееся чрезвычайно мощным широкополосным шумом.
Известные системы регистрации с двумя и более датчиками на трубе принципиально работают со звуковыми волнами, способными распространяться в стенках труб. Поэтому при наличии любого шума, также способного распространяться в стенках трубы, системы с несколькими датчиками будут заняты обработкой в основном и только шумовых сигналов (включая звуки, производимые песком и собранными со всей длины трубы - несоизмеримо большей их «зоны чувствительности») - что и является основным недостатком систем с несколькими датчиками.
Недостатком способа, выбранного в качестве аналога, является недостаточная достоверность результата регистрации, так как отсутствуют информация и пояснения - как именно обеспечивается принцип работы, позволяющий «эффективно отличать звуки, издаваемые песчинками от прочих шумов и промышленных помех», если шум производится самим газовым потоком, переносящим песок.
Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является повышение достоверности получаемых данных при регистрации твердых фракций в газовом потоке в условиях промышленных помех.
Заявляемый способ регистрации включений твердых фракций в газовом потоке заключается в том, что вынос твердых фракций определяется не по мощности звукового сигнала, производимого песчинками при ударе о поверхность трубы, а по величине его амплитудной модуляции.
Основное отличие промышленных помех (шумов) от сигнала производимого песком, состоит в относительном постоянстве частоты и амплитуды сигнала, в то время как сигнал от песка являет собой сумму хаотических радиовсплесков со случайной частотой, амплитудой и фазой. Если диапазон регистрируемых частот объявить «несущей» частотой, то несущая промышленной помехи будет амплитудно промодулирована медленно меняющимися сигналами, либо модуляция будет отсутствовать вовсе. Сигнал от песка будет промодулирован широкополосным хаотичным шумом (типа шума дождя) во всем диапазоне частот от нуля до частоты несущей. То есть, если провести аналогию с работой AM радиоприемника, в принимаемой с эфира музыкальной композиции низкие тона с большой вероятностью являются помехами, а высокие частоты - полезным сигналом. При работе со случайными сигналами формирование результирующего сигнала происходит несколько сложнее. При суммировании случайных величин суммируются их математические ожидания и дисперсии (для радиоимпульсов математическое ожидание - это нуль, дисперсия - это квадрат амплитуды радиовсплесков). Результирующим сигналом будет корень из суммы дисперсий. В результате суммирования амплитудная модуляция суммы случайных радиовсплесков подавляется (глушится) постоянным радиосигналом (при равенстве сигналов - в корень из двух раз, при превышении в 10 раз - в 20 раз).
Особенностью предлагаемого способа регистрации является измерение величины амплитудной модуляции, не самого «несущего» сигнала, а его квадрата (отменяется выделение корня из суммы дисперсий при получении результирующего сигнала) и, соответственно, устраняется эффект подавления (глушения) полезного сигнала помехой.
Таким образом, в предлагаемом способе процедура регистрации выноса твердых фракций в газовом потоке сводится к выполнению следующих действий:
- Сигнал с чувствительного элемента (пъезодатчика), установленного на внешней поверхности трубы подается на входной фильтр высоких частот с граничной частотой, соответствующей наиболее быстрой моде волны Лэмба для труб, планируемым к эксплуатации. К примеру: для труб со стенками толщиной от 3 до 15 мм, граничная частота входного фильтра устанавливается в расчете на самую толстую стенку - не выше 180 кГц (5.5 км/с/(15 мм*2)), при этом конструкция самого чувствительного элемента должна обеспечивать широкополосность не менее 180-900 кГц. (900 кГц - для самой тонкой стенки).
- С выхода входного фильтра сигнал подается на квадратичный детектор, на выходе которого появляется сумма квадрата модулирующего сигнала и удвоенная «несущая» частота.
- Далее суммарный сигнал поступает на полосовой фильтр, обрезающий низкие частоты (промышленные помехи) и «несущие» частоты сверху - для выделения сигнала, производимого только песком («песочного» сигнала).
- Выходной (песочный) сигнал представляют собой знакопеременный (частотный) сигнал, для измерения которого его выпрямляют обычным детектором и - измеряют АЦП.
Массовая скорость выноса песка пропорциональна уровню «песочного» сигнала при неизменных параметрах газового потока (скорости, фракционного состава).
На фиг. 4 представлена блок схема устройства, реализующего необходимые действия для регистрации включений твердых фракций в газовом потоке. Схема представляет собой последовательно соединенные блоки, со следующими функциями:
- чувствительный элемент 1 (пьезодатчик) - преобразование ультразвуковых механических колебаний внешней поверхности трубы в электрический сигнал.
- фильтр высоких частот 2 - выделение частот с граничной частотой, соответствующей высокочастотной части волн Лэмба для труб, планируемых к эксплуатации.
- квадратичный детектор 3 - выделение модулирующего сигнала.
- полосовой фильтр 4 - выделение сигнала, производимого песком. Фильтр, обрезает низкие частоты (промышленные помехи) и «несущие» частоты сверху.
- детектор 5 - преобразование знакопеременного (частотного) сигнала, производимого песком в постоянный ток,- уровень которого измеряется АЦП 6.