УСТРОЙСТВО ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ РАСХОДОВ ГАЗОЖИДКОСТНЫХ ПОТОКОВ
DEVICE TO REPRODUCE GAS-FLUID FLOW RATES

Изобретение относится к разделу физики, в частности к способам и устройствам для испытания или калибровки приборов измерения потока жидкости и газа, находящегося во взвешенном состоянии в другой текучей среде, например многофазных расходомеров учета продукции нефтяных скважин.
Известен национальный стандарт Российской Федерации, устанавливающий требования к измерениям количества сырой нефти в единицах массы и нефтяного газа в единицах объема, приведенного к нормальным условиям (ГОСТ Р 8.615 - 2005. Государственная система обеспечения единства измерений. Измерение количества извлекаемых из недр нефти и нефтяного газа. Общие метрологические и технические требования. М., Стандартинформ, 2005 г.).
Известны способы и устройства для определения расхода фаз газожидкостных потоков без их предварительного разделения, основанные на различных физических принципах.
Известен способ измерения покомпонентного расхода трехкомпонентного газожидкостного потока путем предварительного перемешивания последнего, измерения момента на валу двигателя и диэлектрической проницаемости при помощи радиоволнового датчика, определения относительного содержания жидкости по измеренному моменту и определение расхода каждой из фаз по формулам. Устройство для осуществления способа состоит из последовательно размещенных на трубопроводе смесителя, первичного преобразователя, радиоволнового датчика и вихревого расходомера (Патент РФ №2008617, МПК G01F 5/00, 1994 г.).
Потоки продукции нефтяных скважин содержат компоненты с низкой плотностью (этан, пропан, бутан), которые одновременно находятся в разных фазовых состояниях - жидком и газообразном в разных соотношениях по количеству, соответственно один и тот же компонент имеет разную диэлектрическую проницаемость, что вносит значительную методическую погрешность измерения и является недостатком известного способа.
Известен способ определения покомпонентного расхода газожидкостной смеси, включающий измерение скорости жидкости и измерение площадей поперечного сечения трубопровода, занятых жидкостью и газом, имеющих границу раздела фаз с помощью контактирующих с потоком исследуемой среды многоэлементной матрицы датчиков комплексного импеданса. Устройство для реализации способа содержит две диэлектрические пластины, расположенные в трубопроводе по бокам потока напротив друг друга, одна из которых является сплошным электродом, а вторая содержит матрицу емкостных электродов. Сигналы этих датчиков используются для измерения скорости потока корреляционным методом и для определения положения границ фаз при пробковом режиме течения (Патент США №5287752, МПК G01F 1/74, 1994 г.).
Для приемлемой погрешности измерений известным способом необходимо наличие устойчивой границы раздела фаз, которая редко встречается в реальных потоках продукции нефтяных скважин, соответственно, недостатком известных способа и устройства является недостаточная точность определения расхода.
Известен способ измерения весового расхода газожидкостной смеси и устройство для его осуществления, состоящий из двух измерительных участков: один - для измерения объемного расхода и выравнивания скоростей легкой и тяжелой фаз смеси, другой - для измерения веса определенного объема (удельного веса) смеси. Объемный расход измеряется методом нулевого перепада давления на объемном моторе по частоте вращения его вала. Весовой расход находится вычислителем путем умножения удельного веса на объемный расход смеси (Патент РФ №2279641, МПК G01F 1/86, G01N 9/06, 2006 г.).
Поток газожидкостных смесей, например продукция нефтяных скважин, находится в трубопроводе под избыточным давлением 0,6…25 МПа. При этих давлениях в известном устройстве для реализации способа необходимо иметь достаточно жесткие и прочные упругие элементы, что существенно снижает чувствительность весового измерения смеси. Дополнительно, при измерениях, на весы, кроме силы тяжести, действуют переменные во времени центробежные силы, воздействующие на весы через крутящий момент и возникающие при повороте потока на 180°. Такое выполнение устройства также создает условия для накапливания жидкости, соответственно, изменения структуры газожидкостной смеси, например с расслоенного на пробковый режим течения. Отмеченные особенности вносят существенные методические погрешности и являются недостатком известного способа измерения весового расхода газожидкостной смеси и устройства для его осуществления.
-3
7
Известно устройство для измерения состава и расхода многокомпонентной жидкости на основе ядерного магнитного резонанса, содержащее магнитную систему, трубу из немагнитного материала, часть которой размещена в магнитном поле между наконечниками магнитной системы, радиочастотную катушку, электронный блок обработки сигналов, датчик давления и датчик температуры, при этом часть трубы, которая размещена в магнитном поле между полюсами магнитной системы, состоит из двух участков - периферийного и центрального, размещенного в центральной части магнитного поля межполюсного пространства магнитной системы, выполненного таким диаметром, где выполняются условия реализации ядерного магнитного резонанса, т.е. относительное изменение магнитной индукции в любом направлении внутри этого объема не превышает 10, радиочастотная катушка, помещенная между экранами Фарадея и соединенная с электронным блоком обработки сигналов, размещена коаксиально внутри центрального участка трубы так, что оси межполюсного пространства магнитной системы и радиочастотной катушки расположены перпендикулярно друг к другу, причем центр катушки конструктивно расположен в центре межполюсного пространства магнитной системы (Патент РФ №2256931, МПК G01R 33/12, 2005 г.).
Известное устройство основано на физическом факте, что ядра атомов водорода имеют магнитный момент, связанный со спином ядра и при воздействии на жидкость, находящийся в сосуде из немагнитного материала, постоянным магнитным полем, первые образуют суммарную намагниченность. После воздействия на сосуд одним импульсом или серией радиочастотных импульсов ядра атомов водорода можно повернуть, например, на угол 90°, а затем наблюдать процесс возвращения по самоиндукции, наводимой в катушке датчика. Ядра атомов водорода в зависимости от их окружения восстанавливаются каждый со своим временем запаздывания (временем релаксации), а амплитуды сигналов несут информацию о концентрации этих протонов.
Известное устройство относится к анализаторам физико-химических свойств жидкостей и конденсированных сред. Чувствительность известного устройства существенно снижается при исследованиях газовых сред, имеющих место в многофазных потоках, а также при измерениях турбулентных жидкостных многокомпонентных потоков, имеется высокая методическая погрешность измерения, что является недостатком.
Разнообразие способов и устройств измерения расходов газожидкостных потоков, основанных на различных физических принципах, свидетельствуете том, что в этой области приборостроения еще не оформились устоявшиеся технические решения, отсутствуют достоверные способы и устройства оценки метрологических характеристик приборов и выдвигает на передний план техническую задачу приготовления эталонных газожидкостных смесей, техническую задачу воспроизведения расходов газожидкостных потоков и передачи единиц измерения с эталонных на рабочие средства измерения.
4
Известно устройство для воспроизведения расходов газожидкостной продукции нефтяных скважин, выбранное в качестве прототипа, содержащее линии воспроизведения расходов газа и нефти с последовательно соединенными блоками создания, стабилизации и регулирования, измерения расхода и емкостями соответственно для газа и нефти, выход которого соединен с узлом испытательных линий и снабженное линией воспроизведения расхода воды, включающей блоки создания, стабилизации и регулирования, измерения расхода и емкость для воды, узлом переключения потоков нефти и воды, блоком смешения нефти и воды, блоком демпфирования, отстойником, блоком регулирования давления, причем первый, второй и третий входы емкости для воды соединены соответственно с первым выходом отстойника, вторым выходом блока стабилизации и регулирования расхода воды и вторым выходом блока создания расхода воды, первый вход которого подключен к выходу емкости для воды, а выход соединен с первым входом блока стабилизации и регулирования расхода воды, второй вход которого и первый выход подключены соответственно ко второму выходу и входу блока измерения расхода воды, выход которого соединен с первым входом узла переключения потоков нефти и воды, второй вход которого подключен к выходу блока измерения расхода нефти, третий и четвертый выходы соединены соответственно с первым и вторым входами блока смешения нефти и воды, выход которого подключен к первому и второму выходам узла переключения потоков нефти и воду и первому входу блока смешения жидкости и газа, второй вход которого соединен с выходом блока демпфирования, при этом второй вход емкости для газа подключен к выходу блока создания расхода газа, второй выход и первый вход соединены соответственно со вторым входом отстойника блока регулирования давления, вход которого подключен к выходу узла испытательных линий, выход соединен с первым входом отстойника, второй выход которого подключен к первому входу емкости для нефти, третий и второй входы которой соединены соответственно со вторым выходом блока создания расхода нефти и вторым выходом блока стабилизации и регулирования расхода нефти, второй вход которого подключен к второму выходу блока измерения расхода нефти, причем первый и второй выходы блока измерения расхода газа соединены соответственно с входом блока демпфирования и вторым входом блока стабилизации и регулирования расхода газа. При этом блок смешения нефти и воды выполнен в виде насоса с обратным клапаном, вход и выход которого соединены обводной линией и к выходу которого подключен обратный клапан, а блок регулирования давления выполнен в виде сепарационной емкости с ветвями регулирования давления и уровня (Патент РФ №1490267, МПК  E21B 47/10, 1989 г.).
В известном устройстве создание расходов нефти и воды по отдельным линиям воспроизведения не обеспечивает постоянное соотношение компонентов жидкой фазы в связи с их нахождением в непрерывном динамическом состоянии движения по своим магистралям. Кроме этого для реализации устройства требуется затратить значительные энергетические мощности, связанные с необходимостью не только транспортировки компонентов по магистралям, но и с повышением давления в сети.
Предлагаемым изобретением решается задача повышения точности воспроизведения расходов газожидкостных потоков, снижения энергетических затрат при испытаниях многофазных расходомеров и расширение области применения устройства.
Для достижения этого технического результата в устройстве воспроизведения расходов газожидкостных потоков, включающем емкости для газа, нефти и воды, линии воспроизведения и измерения расходов, сепарационную емкость, блок смешения нефти и воды, сепарационная емкость и блок смешения нефти и воды гидравлически сообщены и размещены в пространстве первая над другой с возможностью естественного стекания жидких компонентов в блок смешения нефти и воды, выполненным в виде емкости предварительной подготовки жидких компонентов, содержащей смеситель в виде системы циркуляции затопленных струй, сообщенным через жидкостные расходомер и насос с частотным регулированием с активным соплом двухфазного струйного аппарата, газовая полость сепарационной емкости через газовые расходомер и дозирующий кран соединена с его пассивным соплом, а приемная полость через испытуемый и контрольный многофазные расходомеры сообщена с его камерой смешения.
При этом, сепарационная емкость снабжена системой наддува, содержащей, по меньшей мере, газовые баллон, редуктор и кран, и блоками дозирования воды, нефтепродуктов и сжиженного газа, каждый из которых содержит, по меньшей мере, соответствующие емкости, счетчики количества и краны перекрытия своих магистралей.
Линии воспроизведения расходов газа и жидкостных компонентов снабжены соответствующими поточными пробоотборниками.
Емкость предварительной подготовки жидких компонентов снабжена узлом слива мерного количества смеси жидких компонентов.
Отличительными признаками предлагаемого устройства воспроизведения расходов газожидкостных потоков от указанного выше известного, наиболее близкого к нему, является то, что сепарационная емкость и блок смешения нефти и воды гидравлически сообщены и размещены в пространстве первая над другой с возможностью естественного стекания жидких компонентов в блок смешения нефти и воды, выполненным в виде емкости предварительной подготовки жидких компонентов, содержащей смеситель в виде системы циркуляции затопленных струй, сообщенным через жидкостные расходомер и насос с частотным регулированием с активным соплом двухфазного струйного аппарата, газовая полость сепарационной емкости через газовые расходомер и дозирующий кран соединена с его пассивным соплом, а приемная полость через испытуемый и контрольный многофазные расходомеры сообщена с его камерой смешения.
При этом, сепарационная емкость снабжена системой наддува, содержащей, по меньшей мере, газовые баллон, редуктор и кран, и блоками дозирования воды, нефтепродуктов и сжиженного газа, каждый из которых содержит, по меньшей мере, соответствующие емкости, счетчики количества и краны перекрытия своих магистралей.
Линии воспроизведения расходов газа и жидкостных компонентов снабжены соответствующими поточными пробоотборниками.
Емкость предварительной подготовки жидких компонентов снабжена узлом слива мерного количества смеси жидких компонентов.
На фиг.1 представлена принципиальная схема устройства воспроизведения расходов газожидкостных потоков.
Устройство воспроизведения расходов газожидкостных потоков, включающее емкости 1, 2 и 3, соответственно, для сжиженного газа, нефти и воды, линии 4, 5 воспроизведения и измерения расходов, сепарационная емкость 6 и блок смешения нефти и воды, причем последние два гидравлически сообщены и размещены в пространстве первая 6 над другой с возможностью естественного стекания жидких компонентов в блок смешения нефти и воды, выполненным в виде емкости предварительной подготовки жидких компонентов 7, содержащей смеситель 8 в виде системы 9 циркуляции затопленных струй, сообщенным через жидкостные расходомер 10 и насос 11 с частотным регулированием с активным соплом 12 двухфазного струйного аппарата 13, газовая полость 14 сепарационной емкости 6 через газовые расходомер 15 и дозирующий кран 16 соединена с его пассивным соплом 17, а приемная полость 18 через испытуемый 19 и контрольный 20 многофазные расходомеры сообщена с его камерой смешения 21.
Сепарационная емкость 6 снабжена системой наддува, содержащей, по меньшей мере, газовые баллон 22, редуктор 23 и кран 24, а также блоками дозирования воды, нефтепродуктов и сжиженного газа, каждый из которых содержит, по меньшей мере, соответствующие емкости 1, 2, 3, счетчики количества 25, 26, 27 и краны 28, 29, 30 перекрытия своих магистралей.
Линии воспроизведения расходов газа 4 и жидкостных компонентов 5 снабжены соответствующими поточными пробоотборниками 31 и 32.
Емкость 7 предварительной подготовки жидких компонентов снабжена узлом 33 слива мерного количества смеси жидких компонентов.
Емкость 6 может быть снабжена предохранительным клапаном 34.
Устройство воспроизведения расходов газожидкостных потоков работает следующим образом.
Осуществляют предварительную продувку сепарационной емкости и емкости предварительной подготовки жидких компонентов наддувочным газом из баллона 22 при открытых кранах 24 и 33. Затем перекрывают последовательно краны 33 и 24, исключая возможность заполнения внутренних полостей устройства воспроизведения расходов газожидкостных потоков атмосферным воздухом.
Заполняют емкость 7 жидкими компонентами в определенном соотношении, перекачивая из емкостей 1, 2, 3, после чего перекрывают краны 28, 29, 30. Возможно заполнение системы как в ручном, например самотеком, так и в автоматизированном режиме, например насосами с электро- или гидроприводами. При всех закрытых кранах 16, 28, 29, 30, 33, кроме крана 24, осуществляется наддув системы до рабочего давления.
Включают смеситель 8 и перемешивают жидкие компоненты в емкости 7 предварительной подготовки с помощью системы 9 циркуляции затопленных струй до гомогенного состояния. После этого включают насос 11 с частотным регулированием, выходят на установившийся режим по жидкости при фиксированном положении дозирующего крана 16. Измерение параметров потоков жидкости, газа и газожидкостной смеси проводят на установившемся режиме работы устройства воспроизведения расходов, при этом происходит непрерывная циркуляция потоков по магистралям линий 4, 5, испытательной линии с испытуемым 19 и контрольным 20 многофазными расходомерами, сепарационной емкости 6 и емкости 7 предварительной подготовки жидких компонентов по замкнутому контуру. Производят снятие и сравнение показаний расходомеров 10, 15, 19, 20. Для повышения достоверности суждений о метрологических характеристиках поверяемого расходомера 19 производят отбор проб в газовой 4 и жидкостной 5 магистралях соответствующими поточными пробоотборниками 31 и 32 и вносят коррективы в показания расходомеров 10 и 15.
Для испытания поверяемого многофазного расходомера 19 при других значениях газового фактора и других значениях расхода смеси жидких компонентов меняют режим работы устройства воспроизведения расходов многофазных потоков изменением числа оборотов насоса 11 с частотным регулированием и (или) изменением положения иглы дозирующего крана 16.
После испытания поверяемого прибора на одном дискретном соотношении жидких компонентов выключают насос 11 и при работающем смесителе 8 сливают мерное количество смеси через узел 33. Отлитое количество смеси жидких компонентов замещают таким же количеством одного из жидких компонентов, например воды, добавлением в сепарационную емкость 6. При этом количество отливаемой гомогенной смеси жидких компонентов и равное ему количество добавляемой воды вычисляют по формуле
, где
0
C - исходное количество жидкой смеси в устройстве воспроизведения расходов газожидкостных потоков, включая заполненные емкость предварительной подготовки жидких компонентов и магистрали, кг;
0
W - начальное водосодержание смеси жидких компонентов, %;
1
W - новое водосодержание смеси жидких компонентов, %.
Затем вновь включают насос 11 и осуществляют испытание поверяемого прибора при новом дискретном соотношении жидких компонентов. Контроль нового состава жидких компонентов осуществляют отбором проб поточным пробоотборником 32.
Такое исполнение устройства обеспечивает испытание приборов 19, 20 на установившихся режимах течения жидкости и газа в магистралях 4 и 5 при стабильных показаниях фиксирующих датчиков. Предварительный наддув системы исключает необходимость в энергетических затратах на повышение давления в системе до рабочего, требуются энергетические затраты только на транспортировку смеси жидких компонентов, газа в магистралях 4, 5 и газожидкостного потока по замкнутому контуру.
Реализация совокупности признаков, описанных в предлагаемом устройстве, обеспечивает увеличение достоверности поверки многофазных расходомеров путем повышения точности воспроизведения расходов многофазных потоков, снижение энергетических затрат при проведении испытаний, а также позволяет расширить область применения устройства за счет возможности:
- испытания поточных влагомеров нефти;
- испытания газожидкостных струйных насосов.