ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА РАСХОДА ФАЗ ГАЗОЖИДКОСТНОГО ПОТОКА
INFORMATION AND MEASURING SYSTEM FOR GAS-FLUID FLOW PHASE RATE

Изобретение относится к области нефтегазодобывающей промышленности и может быть использовано при измерении дебита двухфазных потоков эксплуатационных газовых, газоконденсатных и нефтяных скважин.
Известно устройство для измерения расхода фаз многофазного потока, функционирование которого основано на определении расхода фаз многофазного потока по перепаду давления на конусообразном сужающем устройстве и температуре с помощью модели, статистически связывающей эти параметры с расходами фаз. При этом используются различные числовые характеристики измеряемых сигналов в частотной и временной области (доклад: Wet Gas Metering with V-Cone and Neural Nets, Haluk Toral, Shiqian Cai, Bob Peters. 23rd International North Sea Flow Measurement Workshop, Тонсберг, Норвегия, 18-21 октября 2005).
Недостатком устройства является необходимость динамически определять режим течения потока, который может быть различным при одних и тех же расходах фаз. Указанный недостаток обусловлен применением стандартного конусообразного сужающего устройства, не обеспечивающего инвариантность показаний датчиков к режиму течения потока.
Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому является устройство для измерения дебита двухфазных потоков эксплуатационных скважин, содержащее измерительный модуль, включающий последовательно соединенные акустический датчик пульсаций давления потока продукции на устье скважины в виде пьезокерамического элемента и согласующий усилитель, фильтры нижних и верхних частот и регистраторы дебитов жидкости и газа, масштабирующий усилитель, первый и второй вычислители среднеквадратического значения сигналов, коммутатор, аналого-цифровой преобразователь, микропроцессорный контроллер с клавиатурой и датчик избыточного давления потока продукции в трубопроводе на устье скважины. Измерительный модуль осуществляет преобразование пульсаций давления потока, сформированного посредством установленного на контролируемом трубопроводе специального сужающего устройства, обеспечивающего формирование потока регулярной структуры, инвариантного к режиму течения, в пропорциональный электрический сигнал (RU №2103502, Е21В 47/10, 1998).
Недостатком известного устройства является недостаточно высокая точность измерения, что обусловлено использованием мощности флуктуаций давления лишь в двух частотных полосах акустического диапазона, а также использованием для расчета дебита эмпирических регрессионных моделей. Это затрудняет создание моделей потока, адекватно описывающих процесс в широком диапазоне расхода фаз. Параметры регрессионных моделей необходимо корректировать непосредственно в режиме эксплуатации при существенном изменении рабочего режима и условий эксплуатации скважины, в противном случае возможно снижение точности измерений.
В основу настоящего изобретения положена задача создания информационно-измерительной системы расхода фаз газожидкостного потока, обеспечивающей повышение точности раздельного определения газовой и жидкостной фаз в широком диапазоне изменения режимов потока за счет возможности учета неограниченного числа частотных полос спектра флуктуаций давления потока в широком частотном диапазоне от 10 Гц до 1 МГц, что обеспечивается применением в качестве аппарата моделирования многофазных потоков - теории нейронных сетей.
Для раздельного определения расхода газа и жидкости используются нейросетевые модели с архитектурой типа многослойный персептрон, причем применяются отдельные модели для вычисления расхода газа и жидкости.
Поставленная задача достигается тем, что информационно-измерительная система расхода фаз газожидкостного потока содержит датчик флуктуаций давления газожидкостного потока, выход которого соединен с усилителем заряда, выход которого подключен к входам первого и второго масштабирующего измерительного усилителя соответственно для высокочастотных и низкочастотных флуктуаций давления, выходы которых соединены с входами соответственно первого и второго активного полосового фильтра, выходы которых подсоединены к первым информационным входам первого и второго АЦП, выходы которых подключены соответственно к первым информационным входам блоков определения информативных высокочастотных параметров потока и информативных низкочастотных параметров потока, первые управляющие выходы которых подсоединены ко вторым управляющим входам первого и второго АЦП, причем блок определения информативных низкочастотных параметров потока связан по третьему информационному входу и третьему управляющему выходу соответственно с выходом и первым управляющим входом третьего аналого-цифрового преобразователя, второй информационный вход которого подсоединен к выходу аналогового мультиплексора, первый, второй информационные и третий управляющий входы которого соединены соответственно с датчиками температуры и давления контролируемого потока продукции скважин и с четвертым управляющим выходом блока определения информативных низкочастотных параметров потока, при этом вторые информационные выходы блоков определения информативных высокочастотных параметров потока и информативных низкочастотных параметров потока подключены к информационным входам блока формирования вектора входных переменных нейросетевых моделей, первый и второй управляющие выходы которого подсоединены ко вторым управляющим входам блоков определения информативных высокочастотных параметров потока и информативных низкочастотных параметров потока, а третий информационный выход - к входам блоков нейросетевых моделей расхода газа и жидкости, выходы которых соединены соответственно с первым и вторым входами блока индикации и с первым и вторым входами блока интерфейса связи.
Сущность предлагаемой системы поясняется чертежами, где на фиг.1 приведена блок-схема устройства для определения расхода газа и жидкости многофазных потоков, на фиг.2, 3, 4 - соответственно блок-схемы алгоритмов работы блоков определения информативных высокочастотных и низкочастотных параметров потока и формирования вектора входных переменных нейросетевых моделей.
Предлагаемая информационно-измерительная система расхода фаз газожидкостных потоков эксплуатационных газовых, газоконденсатных и нефтяных скважин содержит пьезокерамический чувствительный элемент 1, фиксирующий флуктуации давления газожидкостного потока, образующиеся формирующим устройством специальной конструкции 2, усилитель заряда 3, вход которого соединен с выходом пьезокерамического чувствительного элемента 1, первый и второй масштабирующие измерительные усилители 4 и 5, входы которых соединены с выходом усилителя заряда 3, первый и второй активные полосовые фильтры 6 и 7, входы которых соединены с выходами соответственно первого и второго масштабирующих измерительных усилителей 4 и 5, датчик давления 8 и датчик температуры 9, измеряющие соответствующие параметры газожидкостного потока, аналоговый мультиплексор 10, первый и второй входы которого соединены с выходами соответственно датчика давления 8 и датчика температуры 9, первый АЦП 11, первый вход которого соединен с выходом первого активного полосового фильтра 6, второй АЦП 12, первый информационный вход которого соединен с выходом второго активного полосового фильтра 7. Блок определения информативных ВЧ-параметров потока 14 вычисляет информативные спектральные параметры ВЧ-области флуктуаций давления. Его первый информационный вход соединен с выходом первого АЦП 11, а первый управляющий выход соединен со вторым управляющим входом первого АЦП 11. Блок определения информативных НЧ-параметров потока 15 вычисляет информативные спектральные параметры НЧ-области флуктуаций давления. Его первый управляющий выход соединен со вторым управляющим входом второго АЦП 12, а первый информационный вход соединен с выходом второго АЦП 12, третий управляющий выход которого соединен с первым управляющим входом третьего АЦП 13, а третий информационный вход соединен с выходом третьего АЦП 13, при этом второй информационный вход АЦП 13 соединен с выходом аналогового мультиплексора 10. Четвертый управляющий выход блока определения информативных НЧ-параметров потока 15 соединен с третьим управляющим входом аналогового мультиплексора 10. Блок формирования вектора входных переменных нейросетевых моделей 16 из векторов информативных спектральных параметров НЧ и ВЧ областей флуктуаций давления, а также величины давления и температуры, полученные от блоков определения информативных параметров 14 и 15, формируют общий вектор информативных параметров. Первый и второй информационный входы блока соединены со вторыми информационными выходами блоков определения информативных ВЧ- и НЧ-параметров потока 14 и 15, а первый и второй управляющий выходы блока соединены со вторыми информационными входами блоков определения информативных ВЧ- и НЧ-параметров потока 14 и 15. Входы блоков нейросетевой модели расхода газа 17 и нейросетевой модели расхода жидкости 18 соединены с третьим информационным выходом блока формирования вектора входных переменных нейросетевых моделей 16. Первый вход блока индикации 19 соединен с выходом блока нейросетевой модели расхода газа 17, а второй вход - с выходом блока нейросетевой модели расхода жидкости 18. Аналогично, первый вход блока интерфейса связи 20 соединен с выходом блока нейросетевой модели расхода газа 17, а второй вход - с выходом блока нейросетевой модели расхода жидкости 18.
Система работает следующим образом.
Пьезокерамический чувствительный элемент 1 преобразует в электрический заряд пульсации давления многофазного потока после формирующего устройства специальной конструкции 2, обеспечивающего регулярную структуру потока, инвариантную к режиму течения. Заряд пьезокерамического элемента преобразуется в напряжение усилителем заряда 3.
В спектре сигнала флуктуаций давления на выходе усилителя заряда 3 присутствуют две частотные составляющие, которые условно названы высокочастотной (ВЧ) и низкочастотной (НЧ). Составляющая НЧ содержит информативные частотные полосы, мощность флуктуаций давления в которых зависит от расходов жидкости и газа, а информативные частотные полосы составляющей ВЧ содержат информацию о механических примесях и капельной структуре потока. Вектор, образованный совопокупностью значений мощности флуктуаций давления в информативных частотных полосах НЧ-составляющей, условно назван вектором информативных НЧ-параметров, аналогично введено понятие вектора информативных ВЧ-параметров. Совокупность обоих векторов информативных параметров образует вектор информативных спектральных параметров.
Давление потока, измеряемое датчиком давления 8, и температуры потока, измеряемое датчиком температуры 9, также являются информативными параметрами потока. Вектор информативных спектральных параметров, дополненный значениями давления и температуры потока, условно назван вектором информативных параметров потока.
Выделение составляющей ВЧ флуктуаций давления из выходного сигнала усилителя заряда 3 осуществляется с помощью масштабирующего измерительного усилителя 4, увеличивающего амплитуду сигнала, и активного полосового фильтра 6, который окончательно формирует частотный спектр сигнала, удаляя неинформативные частотные области. Выделение составляющей НЧ флуктуаций давления из выходного сигнала усилителя заряда 3 осуществляется аналогично с помощью масштабирующего измерительного усилителя 5 и активного полосового фильтра 7.
Составляющая ВЧ оцифровывается АЦП 11 с частотой 5 МГц, а составляющая НЧ оцифровывается АЦП 12 с частотой 5 кГц. Сигналы датчиков давления 8 и температуры 9 поочередно подаются через аналоговый мультиплексор 10 на оцифровку в АЦП 13.
Блок определения информативных ВЧ-параметров потока 14 осуществляет сбор цифровых отсчетов ВЧ-составляющей сигнала флуктуаций давления, полученных от АЦП 11, вычисляет вектор информативных ВЧ-параметров, который и передает его в блок формирования вектора входных переменных нейросетевых моделей 16. Кроме того, в функции блока входит управление работой АЦП 13.
На блок-схеме алгоритма блока определения информативных ВЧ-параметров 14, представленной на фиг.2, приняты следующие обозначения:
1 - Ожидание разрешения работы от блока формирования вектора входных переменных нейросетевых моделей 16,
2 - Сбор цифровых отсчетов с АЦП 11 за заданное время измерения,
3 - Вычисление амплитудного спектра по алгоритму БПФ,
4 - Вычисление спектра мощности,
5 - Вычисление по спектру мощности вектора информативных ВЧ-параметров,
6 - Передача вектора информативных ВЧ-параметров в блок формирования вектора входных переменных нейросетевых моделей 16.
Блок определения информативных НЧ параметров 15 осуществляет сбор цифровых отсчетов НЧ-составляющей сигнала флуктуаций давления, полученных от АЦП 12, вычисляет вектор информативных НЧ-параметров. Также в блок определения информативных НЧ параметров 15 поступают значения давления и температуры, оцифрованные АЦП 13. Вектор информативных НЧ-параметров, а также значения давления и температуры передаются в блок формирования вектора входных переменных нейросетевых моделей 16.
Кроме того, в функции блока определения информативных НЧ параметров 15 входит управление работой АЦП 12, АЦП 13 и аналогового мультиплексора 10.
Блок-схема алгоритма работы блока определения информативных НЧ параметров 15, представленная на фиг.3, содержит следующие операторы:
1 - Ожидание разрешения работы от блока формирования вектора входных переменных нейросетевых моделей 16,
2 - Сбор цифровых отсчетов с АЦП 12 за заданное время измерения,
3 - Вычисление амплитудного спектра по алгоритму БПФ,
4 - Вычисление спектра мощности,
5 - Вычисление по спектру мощности вектора информативных НЧ-параметров,
6 - Переключение аналогового мультиплексора на канал температуры,
7 - Оцифровка значения температуры с помощью АЦП 13,
8 - Переключение аналогового мультиплексора на канал давления,
9 - Оцифровка значения давления с помощью АЦП 13,
10 - Передача в блок формирования вектора входных переменных нейросетевых моделей 16 значений давления и температуры,
11 - Передача вектора информативных НЧ-параметров в блок формирования вектора входных переменных нейросетевых моделей 16.
Блок формирования вектора входных переменных нейросетевых моделей 16 циклически запускает сбор данных в блоках определения информативных ВЧ- и НЧ-параметров 14 и 15 и получает от них значения давления и температуры, а также векторы информативных НЧ и ВЧ-параметров. По полученным данным формируется вектор информативных параметров потока, который передается блоки нейросетевых моделей 17 и 18, определяющих расхода газа и жидкости соответственно.
Блок-схема алгоритма работы блока формирования вектора входных переменных нейросетевых моделей 16, представленная на фиг.4, содержит следующие основные операторы:
1 - Разрешение работы блоков определения информативных ВЧ- и НЧ-параметров 14 и 15,
2 - Получение векторов информативных НЧ- и ВЧ-параметров от блоков определения информативных ВЧ- и НЧ-параметров 14 и 15 и формирование на их основе вектора информативных параметров потока,
3 - Передача вектора информативных параметров потока в блоки нейросетевых моделей 17 и 18.
Нейронные сети блоков нейросетевых моделей 17 и 18 строятся по данным экспериментальных исследований. Данные представляют собой набор векторов информативных параметров потока и соответствующих им расходов фаз. Вектор информативных параметров потока содержит информацию как о расходе газа, так и о расходе жидкости. Блоки нейросетевых моделей 17 и 18 определяют расходы газа и жидкости по одним и тем же исходным величинам, содержащимся в векторе информативных параметров. В качестве базовой архитектуры нейронных сетей в блоках нейросетевых моделей 17 и 18 используется многослойный персептрон. Обучение нейронных сетей в блоках нейросетевых моделей 17 и 18 осуществляется одним из градиентных методов на базе алгоритма обратного распространения ошибки.
На основе проведенных исследований выяснено, что за счет использования отдельных нейронных сетей для различных фаз потока, реализующихся блоками нейросетевых моделей 17 и 18, можно добиться увеличения точности модели при неизменном объеме экспериментальных данных или снижения объема экспериментальной выборки при неизменной точности.
Объясняется это тем, что количество коэффициентов каждой из нейронных сетей в блоках нейросетевых моделей 17 и 18, подлежащих экспериментальному определению, меньше по сравнению с одной нейросетевой моделью, вычисляющей оба расхода.
Значения расходов фаз отображаются на блоке индикации 19 и передаются через блок интерфейса связи 20 потребителю измерительной информации.