МОНИТОР МНОГОФАЗНОЙ ЖИДКОСТИ

Полезная модель относится к устройствам для измерения объемов и расходов текучих сред, а более конкретно, к устройствам для измерения объемов и расходов (дебитов) многофазных текучих сред, например, жидкого углеводорода, воды и газа, протекающих в одной трубе, например, от скважины к сепаратору или смеси воды и пара в системе охлаждения атомной станции и может быть использовано для контроля потоков с переменным расходом, в частности, при контроле состояния разработки нефтяных и газовых месторождений путем измерения производительности каждой скважины в группе или в системах контроля системы охлаждения атомных станций.
Контроль параметров и состава прокачиваемой по трубопроводу многофазной жидкости на нефтяных и газовых месторождениях необходим для правильной эксплуатации скважины и режима добычи нефти. Он позволяет установить нарастание потока нежелательных фракций, таких как вода или газ, и вовремя предпринять меры по улучшению ситуации.
Контроль параметров системы охлаждения атомных станций важен, прежде всего, для обеспечения их безопасной эксплуатации.
Измерение параметров потоков многофазных жидкостей в трубопроводах является серьезной проблемой в нефтяной промышленности. При добыче нефти по трубопроводу, ведущему из скважины, вместе с нефтью прокачивается вода различной солености и сопутствующий газ. Кроме воды, нефтяной и газовой компонент могут присутствовать также песок и твердые углеводороды. Многофазные измерения должны проводиться при объеме газовой фракции в интервале 0-99% и при обводненности нефти в интервале 0-90%. Относительная погрешность измерения расходов жидкого и газового потоков не должна превышать 5-10%, а абсолютная погрешность измерения обводненности должна находиться в пределах 2%. Требования к точности измерения повышаются при измерении нескольких объединенных потоков.
Для точного измерения потока различных фаз смеси нефть/вода/газ необходим многофазный расходомер, надежно работающий при различных режимах течения, включая, как потоки с высоким содержанием воды, так и потоки с высоким содержанием нефти в широком диапазоне солености воды и вязкости нефти.
Существуют многофазные расходомеры и способы контроля с использованием нейтронного излучения. Эти способы основаны, прежде всего, на возможности определения химического состава среды по ядерным реакциям, происходящим с участием нейтронов и сопровождающихся излучением гамма квантов определенной энергии. Так, например, при облучении воды быстрыми нейтронами с энергией больше 10 МэВ происходит активация кислорода с периодом полураспада 7,2 с и излучением гамма квантов с энергией 6,1 МэВ (68,8%) и 7,1 МэВ (4,7%). Неупругое рассеяние быстрых нейтронов на углероде, входящем в состав углеводородов, приводит к излучению мгновенных гамма квантов с энергией 4,43 МэВ. Присутствие серы и других элементов также может быть установлено по энергии гамма квантов, излучаемых в результате неупругого рассеяния быстрых нейтронов.
Быстрые нейтроны в водородосодержащей среде быстро замедляются. Образующиеся тепловые нейтроны испытывают на водороде радиационный захват, который сопровождается излучением гамма квантов с энергией 2,23 МэВ. При наличии в воде растворенной соли тепловые нейтроны будут также эффективно поглощаться ядрами атомов хлора, вследствие чего время их жизни в такой среде будет зависеть от их количества. Образующийся при этом изотоп хлор-36 излучает в среднем около 3 гамма квантов с суммарной энергией около 8 МэВ. Благодаря присутствию хлора в высокоминерализованной воде спектр гамма-излучения обогащается высокоэнергетическими компонентами.
Известна аппаратура для «Анализа жидкостей» [Патент GB №2182143, МПК: G01N 23/222, 1986. Аналог], включающая источник быстрых нейтронов для возбуждения атомов жидкости, гамма спектрометр для регистрации спектра гамма лучей от возбужденных атомов, средства для измерения плотности жидкости, средства для определения состава жидкости, чувствительные к сигналам от спектрометра и от средств измерения плотности, средства для измерения скорости жидкости, включающие импульсный источник очень быстрых нейтронов для возбуждения атомов жидкости и детектор гамма лучей от возбужденных атомов, располагаемый необходимым для измерения скорости образом, средства измерения плотности включают гамма источник, располагаемый так, чтобы гамма лучи проходили через жидкость, и сцинтиллятор, располагаемый так, чтобы принимать гамма лучи, а также средства для определения плотности жидкости по ослаблению гамма лучей.
137
241
Недостатком аналога является сложность обслуживания аппаратуры из-за того, что средства измерения плотности, состава и скорости жидкости используют нескольких источников излучений: ампульный гамма источник (Cs), ампульный источник быстрых нейтронов (Am/Be) и импульсный источник очень быстрых нейтронов на основе нейтронной трубки; сравнительно низкая точность и надежность измерений из-за того, что измерение плотности жидкости проводится только по ослаблению гамма излучения, а измерения плотности, состава и скорости жидкости проводятся с помощью разных источников, в разных сечениях трубопровода и без мониторирования источников излучений.
Известен «Монитор многофазной жидкости» [Патент GB №2332937, G01N 23/222, 1997. Прототип], включающий средства облучения быстрыми нейтронами от трубки, генерирующей быстрые нейтроны, средства регистрации мгновенных гамма лучей, излучаемых из области облучения, средства, обеспечивающие сигналы, характеризующие энергетический спектр мгновенных гамма лучей, трубопровод с возможностью его заполнения прокачиваемой или калибровочной жидкостью, средства контроля содержимого облучаемой области и анализирующие средства для определения характеристик прокачиваемой жидкости, используя сигналы, характеризующие спектры, полученные для прокачиваемой жидкости и калибровочных жидкостей.
Недостатками прототипа являются сравнительно низкая точность измерений из-за того, что облучение прокачиваемой и калибровочной жидкостей проводится не одновременно, и сравнительно низкая производительность из-за необходимости прекращения, время от времени, измерения прокачиваемой жидкости и проведения поочередно измерений нескольких калибровочных жидкостей.
Техническим результатом полезной модели является повышение производительности и точности измерений за счет одновременного облучения прокачиваемой и калибровочных жидкостей, не требующего очередности измерений каждой жидкости и обеспечивающего независимость результатов измерений от нестабильности работы нейтронного источника и электронных блоков устройства, а также от нестабильности характеристик потока многофазной жидкости.
Технический результат достигается тем, что монитор многофазной жидкости, содержащий обходной трубопровод с возможностью его соединения с трубопроводом для прокачки многофазной жидкости, резервуары для калибровочных жидкостей, жидкостные насосы, анализатор жидкости, измеритель скорости потока, анализатор жидкости включает генератор 14 МэВ нейтронов и гамма спектрометры, располагаемые на обходном трубопроводе и подключенные к анализатору спектра, связанному с микрокомпьютером, измеритель скорости потока располагается на обходном трубопроводе на расстоянии от генератора 14 МэВ нейтронов по направлению потока многофазной жидкости и подключен к многоканальному временному анализатору, синхронизованному с генератором 14 МэВ нейтронов, обходной трубопровод выполнен в виде секции многосекционного трубопровода с открытой полостью внутри, а дополнительные секции трубопровода соединены с резервуарами для калибровочных жидкостей посредством жидкостных насосов, количество дополнительных секций равно количеству калибровочных жидкостей, генератор 14 МэВ нейтронов располагается внутри открытой полости и подключен к блоку управления работой генератором 14 МэВ нейтронов, гамма спектрометры, входящие в состав анализатора жидкости, установлены на всех секциях многосекционного трубопровода и подключены к анализатору спектра, дополнительно обеспечены коллиматорами, направленными на область облучения в соответствующей секции многосекционного трубопровода, общее количество гамма спектрометров равно или больше количества секций многосекционного трубопровода, к микрокомпьютеру подключены блок управления работой генератором 14 МэВ нейтронов и многоканальный временной анализатор, измеритель скорости потока располагается на обходном трубопроводе на расстоянии L>V×t от генератора 14 МэВ нейтронов по направлению потока многофазной жидкости, где V - скорость потока многофазной жидкости, а t - время ее облучения.
Сущность полезной модели поясняется на Чертеже, где представлено устройство монитора в виде многосекционного трубопровода с тремя дополнительными секциями, предназначенными для их заполнения калибровочными жидкостями: 1 - многосекционный трубопровод; 2 - секция обходного трубопровода; 3-5 дополнительные секции; 6, 7 - входные патрубки трубопроводов 2 и 4, соответственно; 8, 9 - выходные патрубки трубопроводов 2 и 4, соответственно; 10, 11 - выходные патрубки трубопроводов 3 и 5, соответственно; 12 - открытая полость; 13 - генератор 14 МэВ нейтронов; 14 - гамма спектрометры; 15 - анализатор спектра; 16 - измеритель скорости потока; 17 - многоканальный временной анализатор; 18 - микрокомпьютер; 19 - блок управления генератором 14 МэВ нейтронов; 20 - направление потоков многофазной и калибровочных жидкостей.
Секция обходного трубопровода 2 с помощью запорной арматуры (на Чертеже не показана), включающей Т-образные трубные вставки, вентили и гибкие и/или жесткие металлические рукава, присоединяется к основному трубопроводу (на Чертеже не показан), используемому для прокачки многофазной жидкости. Дополнительные секции 3-5 многосекционного трубопровода 1, постоянно подключены с помощью запорной арматуры (на Чертеже не показана) к резервуарам с калибровочными жидкостями (на Чертеже не показаны). Количество дополнительных секций равно количеству применяемых калибровочных жидкостей. При измерении многофазной жидкости в условиях нефтедобывающей скважины в качестве калибровочных жидкостей могут использоваться керосин, имитирующий жидкий углеводород, и вода. Может также использоваться смесь керосина и воды или вода различной солености и другие жидкости. Калибровочные жидкости хранят в резервуарах (на Чертеже не показаны) и прокачивают по дополнительным секциям или заполняют их посредством жидкостных насосов (на Чертеже не показаны).
Полость 12, связанная с внешним пространством, обеспечивает возможность обслуживания генератора 14 МэВ нейтронов 13 без разборки устройства и прекращения потока многофазной жидкости.
Генератор 14 МэВ нейтронов 13 служит для одновременного облучения многофазной и калибровочных жидкостей в секциях многосекционного трубопровода 1 быстрыми нейтронами и устанавливается для этого внутри открытой полости 12 соосно с ней. Все остальные блоки, входящие в состав устройства, располагаются снаружи многосекционного трубопровода 1.
Блок управления 19 служит для задания режимов работы генератора 14 МэВ нейтронов 13 и управляется от микрокомпьютера 18. Управление включает в себя синхронизацию работы генератора 14 МэВ нейтронов 13 с многоканальным временным анализатором 17.
Излучение генератора 14 МэВ нейтронов 13 симметрично относительно его оси, поэтому плотность нейтронного потока на внутренней поверхности всех секций многосекционного трубопровода 1 известна в любой момент времени и обратно пропорциональна квадрату расстояния между источником нейтронов и облучаемой областью. При этом результаты измерений гамма спектров для многофазной и калибровочных жидкостей, получаемые с помощью гамма спектрометров 14, не зависят от нестабильности выхода генератора 14 МэВ нейтронов 13, от временного дрейфа электронных блоков устройства и нестабильности характеристик потока многофазной жидкости.
Гамма спектрометры 14, входящие в состав анализатора жидкости, служат для измерения спектра гамма излучения, возникающего в многофазной и калибровочных жидкостях при их облучении быстрыми нейтронами. Они обеспечены коллиматорами гамма излучения (на Чертеже не показаны) и располагаются под углом к внешней поверхности секции обходного трубопровода 2 и к поверхностям дополнительных секций 3-5 симметрично относительно генератора 14 МэВ нейтронов 13 так, чтобы регистрировать гамма излучение, исходящее из области облучения в соответствующей секции и не регистрировать гамма излучение, исходящее из генератора 14 МэВ нейтронов 13 и из соседних секций многосекционного трубопровода 1. Гамма спектрометры 14 подключены к анализатору спектра 15, данные с которого передаются для обработки в микрокомпьютер 18.
Измеритель скорости потока 16 устанавливается на секции обходного трубопровода 2 на расстоянии от генератора 14 МэВ нейтронов 13 по направлению течения многофазной жидкости и подключен к многоканальному временному анализатору 17, соединенному, в свою очередь, с микрокомпьютером 18. Скорость потока многофазной жидкости определяют по времени между окончанием кратковременного (не более 1 с) облучения многофазной жидкости, содержащей воду, и моментом появления в многоканальном временном анализаторе 17 сигнала от измерителя скорости потока 16, вызванного гамма квантами, исходящими от возбужденных ядер кислорода-16 с энергией 6,1 МэВ (68,8%) и 7,1 МэВ (4,7%) и периодом полураспада 7,2 с. Для регистрации гамма квантов используют детекторы гамма излучения и, в частности, сцинтилляционный детектор с кристаллом NaI.
Расстояние L между генератором 14 МэВ нейтронов 13 и измерителем скорости потока 16 выбирают, исходя из предполагаемой скорости потока многофазной жидкости V и времени облучения t<1 с, согласно соотношению
Устройство подключается к действующему трубопроводу с помощью патрубков 6, 8, а также запорной арматуры и работает следующим образом.
Обеспечивают электропитанием генератор 14 МэВ нейтронов 13, гамма спектрометры 14, анализатор спектра 15, измеритель скорости потока 16, многоканальный временной анализатор 17, микрокомпьютер 18, блок управления 19 генератором 14 МэВ нейтронов 13 и жидкостные насосы (на Чертеже не показаны). Многофазная жидкость прокачивается по секции обходного трубопровода 2, а калибровочные жидкости заполняют дополнительные секции 3-5 многосекционного трубопровода 1.
При измерении фракционного состава многофазная жидкость, находящаяся в секции обходного трубопровода 2, и калибровочные жидкости в дополнительных секциях 3-5 облучаются быстрыми нейтронами от генератора 14 МэВ нейтронов 13, работающем в частотном режиме. Быстрые нейтроны, взаимодействуя с атомами веществ, входящих в состав жидкостей, приводят к появлению во время импульса гамма излучения неупругого рассеяния, спектр которого целиком определяется составом облучаемой жидкости и измеряется с помощью гамма спектрометров 14 и анализатора спектра 15. Данные о спектрах с анализатора спектра 15 передаются для обработки в микрокомпьютер 18. Время облучения при измерении состава многофазной жидкости может составлять десятки минут.
При измерении скорости потока многофазной жидкости, содержащей воду, генератор 14 МэВ нейтронов 13 включают на время t<1 с, а затем выключают с помощью микрокомпьютера 18. Микрокомпьютер 18 обеспечивает синхронное с генератором 14 МэВ нейтронов 13 включение многоканального временного анализатора 17, с помощью которого измеряют интервал времени Δt между моментом окончания облучения многофазной жидкости в секции обходного трубопровода 2 и появлением сигнала на выходе измерителя скорости потока 16, вызванного гамма лучами, исходящими от активированных ядер кислорода-16. Измеренный интервал времени Δt с многоканального временного анализатора 17 поступает в микрокомпьютер 18.
Производят обработку полученных данных с помощью микрокомпьютера, оснащенного необходимым программным обеспечением, позволяющим определить фракционный состав, скорость потока и массовый расход многофазной жидкости.
Фракционный состав и плотности фракций определяют путем сравнения гамма спектров, полученных от многофазной и калибровочных жидкостей.
Скорость потока многофазной жидкости V определяют с помощью выражения (2):
где L - расстояние между генератором 14 МэВ нейтронов 13 и измерителем скорости потока 16, Δt - интервал времени между моментом окончания облучения многофазной жидкости в секции 2 многосекционного трубопровода 1 и появлением сигнала на выходе измерителя скорости потока 16.
Массовый расход определяют, используя данные об объеме, плотности и скорости потока углеводородной фракции многофазной жидкости.