УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЯ ГРАНИЦЫ РАЗДЕЛА ФАЗ В РАССЛОЕННОМ ВОДОНЕФТЯНОМ ПОТОКЕ
OIL-WATER FLOW INTERFACE POSITION METER

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения положения границы раздела фаз водонефтяных потоков и может быть использовано в промысловой геофизике, в системах сбора и обработки информации при добыче нефти в горизонтальных и вертикальных скважинах, для учета фазового расхода расслоенного течения в трубопроводах, измерения уровня жидкостей в емкостях и резервуарах.
Известно устройство для измерения уровня жидкости, содержащее диэлектрическую пластину в виде полого цилиндра с расположенными на одной ее поверхности печатными электродами в виде трапеции (патент РФ №2087873, кл. G01F 23/26, 1997 г.).
Недостатком известного устройства является размещение диэлектрической пластины в виде полого цилиндра с печатными электродами между коаксиально расположенными полыми цилиндрами внешней и внутренней частей общего электрода, что приводит к увеличению поперечного сечения чувствительного элемента, и в случае использования данного устройства для измерения положения границы раздела фаз происходит искажение водонефтяного потока в области чувствительного элемента, вследствие чего невозможно точно определить положение границы раздела фаз в динамике. Это обстоятельство к тому же ограничивает область применения устройства измерением уровня жидкостей, находящихся в статическом состоянии.
Наиболее близким к предлагаемому является устройство для контроля положения границы неэлектропроводных сред, содержащее диэлектрическую пластину в форме диска, на противоположных поверхностях которой размещены печатные электроды в виде концентрических колец и переходные проводники, проходящие через толщину диэлектрической пластины и соединяющие печатные электроды на противоположных поверхностях диэлектрической пластины (авторское свидетельство СССР №1675683, кл. G01F 23/26, 1991 г.).
Недостатком технического решения, выбранного в качестве прототипа, является невозможность контроля положения границы электропроводных сред, так как печатные электроды в этом случае окажутся замкнутыми. Это обстоятельство ограничивает область применения указанного устройства измерением только неэлектропроводных сред. Кроме того, реагирующей на контролируемую среду является только одна из двух поверхностей диэлектрической пластины с печатными электродами, в то время как другая используется для температурной коррекции. В этом случае хотя и повышается точность измерения за счет уменьшения влияния температуры, но емкость измерительного конденсатора слишком мала и соизмерима с емкостью внешних соединительных проводов, что, естественно, сказывается на точности измерения.
Техническим результатом изобретения является расширение области использования и повышение точности измерения.
Технический результат достигается тем, что в предлагаемом устройстве для измерения положения границы раздела фаз в расслоенном водонефтяном потоке, содержащем диэлектрическую пластину с размещенными на противоположных ее поверхностях печатными электродами, переходные проводники, проходящие через толщину диэлектрической пластины и соединяющие печатные электроды на противоположных поверхностях диэлектрической пластины, в отличие от прототипа диэлектрическая пластина выполнена в форме прямоугольника и установлена в плоском диэлектрическом корпусе, печатные электроды на поверхностях диэлектрической пластины выполнены по всей ее длине в виде двух вставленных одна в другую гребенок с зубцами прямоугольной формы, ориентированных по длине пластины, при этом длина диэлектрической пластины равна внутреннему диаметру трубы, а контуры печатных электродов на противоположных поверхностях диэлектрической пластины совмещены.
На фиг.1 схематично изображено устройство для измерения положения границы раздела фаз в расслоенном водонефтяном потоке.
На фиг.2 изображено поперечное сечение чувствительного элемента устройства.
На фиг.3 изображено размещение устройства в стволе гидродинамического стенда.
На фиг.4 приведены результаты реализации устройства для измерения положения границы раздела фаз на гидродинамическом стенде в условиях водомасляного потока.
Устройство для измерения положения границы раздела фаз в расслоенном водонефтяном потоке содержит диэлектрическую пластину 1 из стеклотекстолита СФ-2 толщиной 1,5 мм в форме прямоугольника. На противоположных поверхностях пластины 1 по всей ее длине L размещены луженые медные печатные электроды 2 и 3 в виде двух вставленных одна в другую гребенок с зубцами прямоугольной формы, ориентированных по длине L пластины 1. Печатные электроды 2 и 3 соединены через толщину диэлектрической пластины 1 проводниками 4 в виде сквозных металлизированных отверстий, заполненных припоем ПОС-61. Контуры печатных электродов 2 и 3 на противоположных поверхностях диэлектрической пластины 1 совмещены.
Диэлектрическая пластина 1 с печатными электродами 2 и 3 помещена в плоский диэлектрический корпус 5 (на фиг.1 и фиг.2 он изображен условно), выполненный из материала с диэлектрической проницаемостью, близкой к диэлектрической проницаемости нефти и минеральных масел (ε≤4), например, винипласта (ε=3,1…3,4). Диэлектрический корпус защищает пластину с электродами от воздействия электропроводных и химически агрессивных жидкостей. Длина L диэлектрической пластины 1 устройства выбирается равной внутреннему диаметру трубы, а ее ориентация ребром относительно потока не вносит искажений в положение границы раздела фаз в расслоенном потоке жидкости.
х
х
Диэлектрическая пластина 1 с печатными электродами 2 и 3 образует открытый конденсатор, емкость которого С определяется как сумма емкостей двух идентичных конденсаторов, образованных на противоположных сторонах диэлектрической пластины. Параллельное соединение конденсаторов при прочих равных условиях позволяет вдвое увеличить емкость измерительного конденсатора С и довести ее до нескольких сотен и даже тысяч пикофарад на воздухе, что на порядок и более больше емкости внешних соединительных проводов.
х
При соблюдении условия h=0,1ℓ, где h - толщина стенки диэлектрического корпуса 5, l - расстояние между серединами зубцов двух прилежащих печатных электродов, 90% емкости измерительного конденсатора С будет определяться диэлектрической проницаемостью окружающей среды.
х
Измерительный конденсатор С включен в цепь генератора прямоугольных импульсов 6, выполненного, например, на микросхеме серии 564. Выход генератора 6 соединен с входом преобразователя частота-напряжение 7, выполненного, например, на микросхеме 1108ПП1. При необходимости генератор 6 и преобразователь 7 могут быть размещены на диэлектрической пластине 1 совместно с дополняющими их ЧИП резисторами и ЧИП конденсаторами.
х
Устройство работает следующим образом. Перед началом работы устройство проходит калибровку в статических условиях, для чего его помещают в высокую оптически прозрачную емкость, заполненную исследуемыми жидкостями, например водой и нефтью, в равных пропорциях. Для полного погружения чувствительного элемента в каждую из жидкостей суммарная высота заполнения емкости должна быть не менее 2L. Опуская (поднимая) устройство, перемещают положение границы раздела фаз по длине чувствительного элемента L, при этом за счет различия в диэлектрической проницаемости воды и нефти происходит соответствующее изменение емкости измерительного конденсатора С. Снимая показания с выхода преобразователя частота-напряжение, строят график зависимости выходного сигнала от уровня границы раздела сред и подбирают основную аппроксимирующую функцию.
Далее устройство помещают в исследуемый поток, располагая его вертикально и ребром к потоку так, чтобы перекрывалось сечение трубы и наблюдалось минимальное искажение структуры потока (Фиг.3).
Контролируя значение выходного сигнала, по аппроксимирующей функции определяют истинное положение границы раздела фаз в расслоенном водонефтяном потоке в любой момент времени. Непрерывная запись выходного сигнала на персональный компьютер обеспечивает контроль динамики процесса с возможностью определения параметров волновых процессов, наблюдаемых на границе раздела фаз.
На фиг.4 представлены экспериментальные данные по измерению положения границы раздела фаз водомасляного потока на гидродинамическом стенде. Внутренний диаметр трубы (горизонтальной скважины) гидродинамического стенда равен 144 мм, длина чувствительного элемента устройства также равна 144 мм.
Кривая 1 отображает вытеснение воды маслом, кривая 2 - вытеснение масла водой, а кривая 3 отображает волновой процесс на границе раздела масло-вода, прямая 4 отображает 100%-ный поток воды, прямая 5 соответствует 100%-ному потоку масла, при этом данные получены без дополнительной фильтрации выходного сигнала с уровнем помех не более 50 мВ.
Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что погрешность в измерении границы раздела водомасляного потока составляет ±6 мм, что составляет 4,2% диаметра трубы (горизонтальной скважины).
Полученная точность измерения выше по сравнению с существующими устройствами. Так, например, поплавковый датчик уровня жидкости ДУЖ-1М (выпускается НПП «Спецоборудование», г.Ижевск) на границе раздела фаз нефть-вода только в статике имеет точность срабатывания ±10 мм, емкостной уровнемер VEGAFLEX 67 (поставляется ООО «Евразприбор», г.Челябинск) в статике также измеряет межфазный уровень с точностью ±10 мм.
Использование в качестве чувствительного элемента десяти чувствительных элементов от емкостного датчика уровня ВБЕ-Т100 (выпускается ЗАО «Сенсор», г.Екатеринбург), расположенных по диаметру трубы горизонтальной скважины с равномерным шагом, дает погрешность в измерении положения границы раздела водомасляного потока ±8,5 мм.