Поточный влагомер
FLOW MOISTURE METER

Изобретение относится к области нефтедобычи и может быть использовано в контрольно-измерительных установках для обеспечения непрерывного контроля обводненности продукции добывающих скважин и углеводородных смесей в трубопроводах для транспортировки нефти.
Известен диэлькометрический поточный влагомер ВСН-АТ, содержащий первичный преобразователь и электронный блок. Первичный преобразователь состоит из высокочастотного цифрового генератора колебаний и подключенного к нему волновода. Волновод состоит из внешней трубы, являющейся корпусом влагомера, и центрального металлического электрода. В корпусе влагомера находится датчик температуры для коррекции показаний влагомера в зависимости от температуры измеряемой среды. Электронный блок обеспечивает преобразование измеренного комплексного сопротивления волновода и резонансной частоты в объемную долю воды в водно-нефтяной смеси и передачу этой информации на табло или на внешнее электронное оборудование, осуществляет температурную компенсацию и диагностику влагомера (http://www.all-pribors.ru/opisanie/62863-15-vsn-at-69049).
Принцип действия влагомеров основан на измерении комплексного электрического сопротивления первичного преобразователя влагомера и резонансной частоты электрических колебаний, создаваемых высокочастотным генератором в зависимости от объемной доли воды в водно-нефтяной смеси.
Недостатками влагомера являются ограничение по содержанию свободного газа в потоке газожидкостной эмульсии (его объемная доля не должна превышать 5%), существенная зависимость результатов измерений от солености воды и дисперсности эмульсии, а также высокие требования к однородности потока, особенно при прямом типе эмульсии «нефть в воде».
Наиболее близким к предлагаемому устройству является семейство измерителей обводненности Red Eye, содержащих первичный преобразователь, включающий широкополосный источник ближнего инфракрасного (ИК) излучения, проточную ячейку, оптоволоконный коллиматор, оптические фильтры и фотодиоды, и электронный блок обработки информации, как например инфракрасный датчик по заявке США № US 2006/0186340 А1, публ.2006 г.
В известном датчике контролируемая водонефтяная смесь проходит через проточную ячейку (длина оптического пути около 2 мм).
Недостатком таких измерителей является их возможность измерения обводненности в очень узком диапазоне исследуемого потока. Однако в реальных водонефтегазовых потоках значение обводненности, измеренное в одной точке, может не соответствовать значению обводненности всего потока. Для получения достоверных результатов измерений обводненности в данном случае необходима гомогенная (равномерно перемешанная) структура потока. Измерители могут осуществлять измерения обводненности и при высоком содержании свободного газа, однако при объемной доле газа более 10% погрешности измерений превышают допустимые.
Задачей заявленного технического решения является повышение точности измерения обводненности в потоке нефти путем обеспечения возможности проведения многоточечных измерений потока по всему сечению трубопровода.
Технический результат достигается тем, что, поточный влагомер, содержащий основной корпус, широкополосный источник инфракрасного излучения, инфракрасные фильтры, инфракрасные детекторы, дополнительно содержит инфракрасную камеру, размещенную в основном корпусе с образованием между камерой и корпусом кольцевого канала, и установленные в инфракрасной камере коллиматорную линзу и отражатель, причем источник инфракрасного излучения и инфракрасные фильтры также размещены внутри инфракрасной камеры, при этом в инфракрасной камере и в основном корпусе выполнены кольцевые окна, а инфракрасные детекторы размещены снаружи основного корпуса напротив его кольцевых окон с возможностью регистрации интенсивности излучения, прошедшего через кольцевой канал.
Многоточечные измерения обводненности всего проходящего потока по кольцевому сечению устройства позволят с высокой точностью осуществлять измерения в негомогенном потоке при повышенном содержании газа.
Изобретение поясняется графически, где на фиг. 1 представлена схема поточного влагомера, на фиг. 2 изображено сечение А-А фиг. 1, на фиг. 3 схематично представлена конструкция узкополосных ИК-фильтров.
Устройство содержит основной корпус 1 и размещенную в нем инфракрасную камеру 2, в которой расположены широкополосной источник ИК-излучения 3, коллиматорная линза 4, ИК-фильтры 5 и конический отражатель 6. В стенках инфракрасной камеры 2 и основного корпуса 1 выполнены кольцевые окна 7 и 8. Снаружи основного корпуса 1 напротив кольцевого окна 8 расположены ИК-детекторы 9. Наружная поверхность инфракрасной камеры 2 и внутренняя поверхность основного корпуса 1 образуют кольцевой канал 10, по которому проходит поток исследуемой нефтесодержащей жидкости. ИК-фильтры 5 имеют форму концентрических колец 11, 12, 13 (см. фиг. 3). ИК-детекторы 9 соединены с внешним вычислительным устройством (на схеме не показано), которое обеспечивает обработку результатов измерений и их отображение на цифровом дисплее.
Принцип действия данного влагомера заключается в определении обводненности газожидкостного потока по степени поглощения ИК-излучения ближнего диапазона в области длин волн от 1000 до 2000 нм. По интенсивностям падающего и прошедшего излучения определяется оптическая плотность, по значению которой вычисляется значение влагосодержания. Причем в измерениях могут быть использованы несколько значений длин волн.
Устройство работает следующим образом.
Поточный влагомер встраивается в технологический трубопровод, что позволяет производить определение влажности нефти в рабочих условиях в процессе ее добычи и перекачки.
1
2
3
Излучение от широкополосного ИК-источника 3 проходит через коллиматорную линзу 4, которая преобразует расходящийся пучок ИК-излучения в параллельный. Далее параллельный пучок излучения проходит через узкополосные ИК-фильтры 5, имеющие форму концентрических колец (см. фиг. 3). Каждый ИК-фильтр пропускает только часть излучения определенной длины волны. Количество ИК-фильтров зависит от числа выбранных длин волн, на которых будут осуществляться измерения. Одна длина волны может соответствовать поглощению нефти, другая - поглощению воды, дополнительное значение длины волны может быть использовано для учета эффекта рассеяния. Для газа же поглощение на всех длинах волн может быть не существенным. Благодаря расположению фильтров 5 образуется пространственное разделение ИК-излучения на области с соответствующей длиной волны (фиг. 1). Фильтрующее кольцо 11 (см. фиг. 3) образует область излучения с длиной волны λ, фильтрующее кольцо 12 - область излучения с длиной волны λ, а фильтрующее кольцо 13 - область излучения с длиной волны λ. Таким образом, использование нескольких длин волн позволяет определять количество воды при наличии попутного газа с учетом эффекта рассеяния излучения. Далее излучение с помощью конического отражателя 6 (фиг. 1) в радиальном направлении перпендикулярно потоку направляется на кольцевые окна 7 и 8 инфракрасной камеры 2 и основного корпуса 1. Через все поперечное сечение потока газожидкостной смеси, протекающего в кольцевом канале 10, последовательно проходят все области ИК-излучения с соответствующей длиной волны, которые попадают на ИК-детекторы 9, фиксирующие интенсивность прошедшего излучения. Сигналы с ИК-детекторов 9 поступают на внешнее вычислительное устройство, в котором производится расчет среднего значения обводненности измеряемого потока жидкости и отображение его на цифровом дисплее. Перерасчет сигналов с ИК-детекторов в значение обводненности осуществляется на основе системы уравнений, базирующейся на законе поглощения Бугера-Ламберта-Бера, выражающимся известной формулой:
,
0
где D - оптическая плотность анализируемой среды; I - интенсивность падающего излучения; I - интенсивность прошедшего излучения; k - коэффициент поглощения, зависящий от природы вещества и длины волны падающего излучения; С - концентрация поглощающего вещества в просвечиваемой среде; l - толщина слоя анализируемой среды.
Для предотвращения перепада давления на участке технологического трубопровода с встроенным влагомером характерный диаметр кольцевого канала 10 подобран таким образом, чтобы площадь его поперечного сечения была равной или незначительно меньше площади поперечного сечения технологического трубопровода.
Использование предложенного устройства позволяет расширить область применения поточного влагомера, используя его не только на вертикальных участках трубопроводов, но и на горизонтальных, а также повысить точность измерения обводненности в потоке водонефтегазовой смеси путем осуществления измерений по всему сечению потока.