СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА МНОГОФАЗНОЙ ЖИДКОСТИ
METHOD TO MEASURE FLOW OF MULTI-PHASE LIQUID

Способ измерения расхода многофазной жидкости относится к нефтегазодобывающей области и, в частности, может быть использовано для измерения дебита многофазных потоков эксплуатационных газовых, газоконденсатных и нефтяных скважин.
Известен «СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ПРИ НЕРАВНОМЕРНОМ ДВИЖЕНИИ ЖИДКОСТИ» (Номер патента: 2140538. Класс(ы) патента: Е21В 47/10. G01F 1/66). Задачей изобретения является упрощение процесса контроля расхода жидкости, протекающей по трубопроводу. Это достигается тем, что способ включает измерение времени прохождения жидкости через известное сечение, скорости этого прохождения и последующую обработку результатов. Новым является то, что время прохождения определяют по наличию акустического шума, создаваемого движением жидкости при протекании ее через известное сечение, а скорость прохождения жидкости определяют по частоте возникновения порций акустических шумов, вызываемых неравномерностью движения жидкости.
Недостатком аналога является отсутствие анализа информации, содержащейся в акустическом сигнале, например частоты и амплитуды сигнала. Акустический сигнал используют только для определения скорости движения всей жидкости без выделения информации об отдельных фазах, а также определения времени начала и конца цикла подачи жидкости.
Также известен способ измерения расхода многофазных жидкостей («СИСТЕМЫ ОПЕРАТИВНОГО КОНТРОЛЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ НЕФТЕГАЗОВЫХ СКВАЖИН», журнал «Современные технологии автоматизации» №2. 2001, с.44-49) в котором расход измеряют по амплитуде спектральной мощности изменения давления в трубопроводе, предварительно установив в трубопроводе сужающее устройство специальной формы (свисток), эффективный в условиях измерения расхода с высоким газовым фактором.
К недостаткам второго аналога относятся ограничения области применения способа только газовыми скважинами с небольшим содержанием жидкой фазы.
В водонефтяных эмульсиях с низким газовым фактором способ неприменим из-за полного перекрытия сечения сужающего устройства потоком жидкости. Иными словами «свисток» в жидкости не будет генерировать требуемый для измерений сигнал. Способ не предусматривает измерение физических свойств жидких фаз. например скорости звука или плотности фаз. Наличие сужающего устройства в условиях пескопроявления приводит к износу сопла сужающего устройства и возрастанию погрешностей измерения расхода.
В качестве прототипа выбран способ измерения расхода многофазной жидкости (U.S. 7401530 В2 от Jul. 22 2008 "SONAR BASED MULTIPHASE FLOWMETER") в котором измеряют скорости звука в отдельных фазах движущейся в трубе многофазной жидкости, измеряют скорость распространения волн вдоль трубы, измеряют объемную долю одной из фаз, измеряют среднюю скорость движения многофазной жидкости в трубе, предварительно измеряют плотности каждой из фаз, а затем, на основе предложенных зависимостей рассчитывают объемную или массовую доли каждой фазы. При этом скорость звука используют только как метку появления в трубе какой-либо фазы. полагая. что изменение скорости от концентрации фаз заранее известно. К недостаткам прототипа относятся:
1. Применение устройств для измерения одной фазы многофазного потока, например воды, приводит к появлению дополнительных погрешностей измерения расхода. Появление погрешностей обусловлено самим многофазным потоком, существующим в виде водогазонефтяной эмульсии различной степени дисперсности.
2. Наличие в потоке комбинации гидрофильной и гидрофобной фаз в любом случае приводит к появлению на стенках трубы отложений, негативно влияющих на процесс измерения одной из фаз. Это относится к сенсорам любого типа - магнитным. электрическим, излучающим, ионизирующим (см. п.6-9 указанного патента).
3. В описании способа не приведена математическая зависимость между скоростью потока, скоростями фаз и плотностями фаз.
4. Применение расходомера смеси и отдельно расходомера воды в данном способе избыточно, так как необходимую информацию о движении многофазной жидкости можно получить из акустического сигнала сенсора установленного на трубе,
Для устранения указанных недостатков предлагается данное изобретение. Технический результат: уменьшение погрешности измерения каждой фазы. Технический результат достигается благодаря тому, что в предлагаемом способе измерения расхода многофазной жидкости предусмотрены следующие отличия:
определяют скорость звука и плотность каждой фазы. определяют скорость звука в каждой из фаз жидкости в рабочем диапазоне температур, измеряют и записывают амплитуды колебаний трубы, по которой протекает многофазная жидкость и соответствующие им частоты. Выбирают диапазон частот с максимальными значениями амплитуд. Измеряемый диапазон частот делят на три части, нижние частоты соответствуют газовой фазы. средние - нефтяной и высокие - водяной, в каждой из частей которых после применения быстрых преобразований Фурье [1, 2, 3], выделяют максимальные значения амплитуд, и вычисляют 3 объемный расход каждой фазы жидкости по зависимости:
<mrow><mi>Q</mi><mo>:</mo><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>π</mi><mo>⋅</mo><msup><mi>R</mi><mn>4</mn></msup><mo>⋅</mo><msup><mi>F</mi><mn>3</mn></msup><mo>⋅</mo><mi>A</mi><mo>⋅</mo><mi>K</mi></mrow><mrow><mn>4</mn><mo>⋅</mo><msup><mi>C</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><mo>,</mo></mrow>
3
где Q - объемный расход отдельной фазы многофазной жидкости, м/с;
R - радиус трубы, м;
F - максимальная частота вибрации в выделенном для отдельной фазы в диапазоне, 1/с;
А - максимальная амплитуда колебаний на частоте f, м;
К - безразмерный коэффициент пропорциональности, учитывающий особенности протекания многофазной жидкости по трубопроводу при калибровке виброакустического датчика на трубопроводе;
С - скорость звука в измеряемой фазе многофазной жидкости, определенная экспериментально для нефти и газа и табличная для воды.
Пример: Определим точность измерения расхода при изменении частоты на 1 Гц, принимая, что такое изменение точно регистрируется применяемым приборным комплексом, для трех составляющих потока:
Радиус трубы, м:
R:=0.0254
Частота начальная, для газа, нефти и воды соответственно, Гц:
Fg:=250
Foil:=1000
Fw:=1500
Скорость звука для газа, нефти и воды соответственно, м/с:
Cgas:=400
Coil:=1200
Cw:=1500
Амплитуду колебаний условно примем одинаковой для всех составляющих, м:
A:=0.00001
Для расчета примем диапазон частот от 251 до 7500 Гц:
F2:=251…7500
Запишем уравнение расхода для составляющих потока:
<mrow><mi>Q</mi><mi>w</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>F</mi><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo><mo>:</mo><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>π</mi><mo>⋅</mo><msup><mi>R</mi><mn>4</mn></msup><mo>⋅</mo><mi>F</mi><msup><mn>2</mn><mn>3</mn></msup><mo>⋅</mo><mi>A</mi></mrow><mrow><mn>4</mn><mo>⋅</mo><mi>C</mi><msup><mi>w</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac></mrow>
Для фазы 1:
<mrow><mi>Q</mi><mi>o</mi><mi>i</mi><mi>l</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>F</mi><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo><mo>:</mo><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>π</mi><mo>⋅</mo><msup><mi>R</mi><mn>4</mn></msup><mo>⋅</mo><mi>F</mi><msup><mn>2</mn><mn>3</mn></msup><mo>⋅</mo><mi>A</mi></mrow><mrow><mn>4</mn><mo>⋅</mo><mi>C</mi><mi>o</mi><mi>i</mi><msup><mi>l</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac></mrow>
Для фазы 2:
<mrow><mi>Q</mi><mi>g</mi><mi>a</mi><mi>s</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>F</mi><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo><mo>:</mo><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>π</mi><mo>⋅</mo><msup><mi>R</mi><mn>4</mn></msup><mo>⋅</mo><mi>F</mi><msup><mn>2</mn><mn>3</mn></msup><mo>⋅</mo><mi>A</mi></mrow><mrow><mn>4</mn><mo>⋅</mo><mi>C</mi><mi>g</mi><mi>a</mi><msup><mi>s</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac></mrow>
Для фазы 3:
Влияние расхода на частоту показано на рис.1.
Вычислим разность расходов для нефти при изменении частоты на 1 Гц:
ΔQoil:=Q2(F2)-Q1(F2);
Изменение расхода при изменении частоты на 1 Гц показано на рис.2
Технический результат получен следующим способом.
К компьютеру с программным обеспечением DASYLab - 11 (см. User Manual Data Acquisition, Controlling, and Monitoring "Data Acquisition System Laboratory") подключали пьезоэлектрический микрофон, который в свою очередь крепили к трубопроводу. В программе сигнал усиливается, делится фильтрами на три части, задается частота замера сигнала по Найквисту, каждая часть проходит через свой анализатор спектра, выделенные сигналы проверяются на максимальность амплитуды и подаются на блок математических преобразований, куда вводятся также значения скоростей звука и коэффициент пропорциональности. На выходе получаем или численные значения в таблицы Excel или графические материалы в виде цифрового экрана или двумерного графика.
Экспериментальное исследование: записывали показания приборов (расход, давление, частоту вращения насоса), а также частоту и амплитуду колебаний трубопровода, используя специально изготовленный из трубы диаметром 2 дюйма кольцевой проливочный стенд (рис.3), состоящий из насоса 1, трубопровода 2, расходомера 3, манометра 4 (остальные устройства не показаны). Обработку результатов проводили в программе DASYLab-11 и MathCAD-14.
В качестве многофазной жидкости использовали воду водопроводную, растительное масло и воздух. Использовали эмульсии из 25%, 50%, и 75% смеси масла с водой. Объем воздуха регулировали изменением объема жидкости в проливочном стенде. Пьезоэлектрический микрофон жестко устанавливали на трубе. Замеры проводили при фиксированных значениях температуры +20, +50, +80°С и фиксированных значениях чисел оборотов насоса - 100, 350, 700 об/мин.
Условия проведения эксперимента:
Испытуемая жидкость - водопроводная вода
Температура жидкости: 20°C
Давление: 0,1 МПа
Частота: см. таблица 1
Скорость звука в воде: 1500 м/с
-5
Амплитуда колебаний: 1.03×10 м
-9
-6
-9
-6
При проведении экспериментов установлено, что достигаемая точность измерения каждой фазы варьируется от 1·10 до 1·10 в зависимости от частоты, амплитуды и других параметров. При этом изменение погрешности измерения каждой фазы варьируется от 1·10 до 1·10 в зависимости от частоты, амплитуды и других параметров.
Таблица 1
Результаты экспериментальных исследований
Частота, Гц
Расход, м<sup>3</sup>/с
1340
3.601Е-09
2457
2,241Е-08
3572
6,847Е-08
Список используемых источников
1. Кристалинский Р.Е., Кристалинский В.Р. Преобразования Фурье и Лапласа в системах компьютерной математики: Учебное пособие для вузов. - М.: Горячая линия - Телеком, 2006. - 216 с.
2. Панферов А.И., Лопарев А.В., Пономарев В.К. Применение MathCAD в инженерных расчетах: Учебное пособие / СПбГУАП. СПб., 2004. 88 с.
3. User Manual Data Acquisition, Controlling, and Monitoring "Data Acquisition System Laboratory"