Многофазный расходомер
MULTIPHASE FLOW METER

Изобретение относится к области измерения параметров потока многофазной жидкости и может быть использовано в информационно-измерительных системах нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей промышленностей.
В настоящий момент в нефтегазовой отрасли наблюдается глобальная тенденция к цифровизации и оптимизации процессов контроля различных параметров. Одним из таких процессов является контроль и учет дебитов получаемых на поверхности углеводородов. Традиционным способом учета скважного флюида является сепарация с последующим измерением расходов каждой фазы по отдельности. Однако данный метод существенно устарел, не отвечает современным требованиям и нуждается в замене.
За последние десятилетия было разработано несколько расходомеров, относящихся к категории многофазных (МФР) и не требующих предварительной сепарации скважинного флюида. Такие МФР позволяют измерять количественные характеристики многофазного потока непосредственно в линейных условиях и производить их пересчет в стандартные условия, в широком диапазоне потоковых режимов. Наиболее часто МФР используются при проведении гидродинамических испытаний скважин, а также для учета продукции во время промышленной эксплуатации скважин. Компактный размер МФР по сравнению с сепараторными установками позволяет создавать мобильные замерные комплексы для эффективного удовлетворения потребностей клиентов.
Несмотря на существенные преимущества МФР, данные системы также обладают характерными недостатками:
- низкая точность определения жидкой фракции при больших значениях газоконденсатной фракции (GVF);
- Высокая чувствительность к изменениям состава флюида, требующим остановки процесса и перенастройки МФР;
- отсутствие возможности определения скорости потока;
- высокая стоимость обеспечения радиационной безопасности, транспортировки и эксплуатации источника гамма-излучения.
Известен многофазный расходомер (см. патент RU № 2632249, МПК G01F1/58, опубликован 03.10.2017 г.), содержащий:
канал, содержащий поток многофазного флюида;
радиоизотопный источник и радиоизотопный датчик, выполненный с возможностью обнаружения ядерной энергии, излучаемой радиоизотопным источником через канал и поток многофазного флюида; и электронный инструмент, выполненный с возможностью:
определения режима течения и содержания газа в потоке многофазного флюида на основании ядерной энергии, обнаруженной датчиком, по сравнению с ожидаемым шумом радиоизотопного датчика в условиях стационарного потока;
определения стационарности потока многофазного флюида на основании обнаруженного режима течения;
выбора переменной из множества переменных на основании обнаруженного содержания газа и обнаруженной стационарности; и моделирования потока многофазного флюида посредством настройки выбранной переменной.
Основным недостатком известного расходомера является недостаточная точность определения параметров, связанная с тем, что для различных условий течения флюида и его состава поправочные коэффициенты и определяются на основе математического моделирования, результаты которого в разных случаях имеют различную погрешность.
Известен принятый в качестве ближайшего аналога многофазный расходомер (см. патент RU № 2663418, МПК G01F 1/74, опубликован 06.08.2018 г.), содержащий средство излучения, рентгенопрозрачный участок трубопровода для исследования многофазной жидкости, после которого расположена противорассеивающая рентгеновская маска для снижения влияния излучения на изображение, матричный рентгеновский детектор в качестве средства обнаружения, средство анализа, выполненное с возможностью определения расхода одной или более фаз жидкости и/или ее состава, при этом перед матричным рентгеновским детектором установлен рентгеновский фильтр, который выполнен из двух видов фильтрующих материалов, имеющих различный коэффициент поглощения и расположенных в шахматном порядке так, чтобы каждая клетка фильтра находилась над собственным пикселем матричного детектора, при этом после рентгенопрозрачного участка, параллельно матричному рентгеновскому детектору установлен спектрометр, служащий для измерения интенсивности рентгеновского излучения с учетом ее распределения по энергиям фотонов.
Известное устройство позволяет использовать в качестве средства излучения рентгеновскую трубку с широкополосным спектром излучения и повышает точность калибровки, однако также не обеспечивает достаточной точности измерений за счет потерь мощности излучения при прохождении через рентгеновский фильтр.
Задачей заявляемого технического решения является повышение точности измерений для флюидов с различными параметрами течения и фазового состава.
Технические результаты изобретения заключаются в высокой точности измерения параметров многофазного потока без усложнения конструкции устройства.
Технические результаты достигаются тем, что многофазный расходомер представляет собой трубку Вентури с установленными на входе в конфузор и выходе из диффузора датчиками температуры и установленными в конфузоре и горловине датчиками давления, в стенке горловины которой в плоскости сечения, перпендикулярной направлению движения потока многофазного флюида, напротив друг друга выполнены два рентгенопрозрачных окна, в одном из которых установлен источник излучения, а в другом детектор излучения, при этом в стенке горловины в этой же плоскости сечения выполнено дополнительное рентгенопрозрачное окно, расположенное под углом 90° к оси между источником излучения и детектором излучения, в котором установлен дополнительный детектор излучения, а на входе конфузора последовательно установлены блоки измерения доли воды и доли метанола, включающие СВЧ излучатель и детектор СВЧ излучения.
Заявляемое изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена принципиальная схема многофазного расходомера, на фиг. 2 - сечение А-А по фиг. 1.
Многофазный расходомер содержит трубку 1 Вентури с рентгенопрозрачными окнами 2, 3 и 4, источник 5 излучения, детекторы 6 и 7 излучения, датчики 8 и 9 давления, датчики 10 и 11 температуры, блок 12 измерения доли воды, блок 13 измерения доли метанола.
Порядок работы с устройством осуществляют следующим образом:
1. Устройство встраивают последовательно в линию транспортировки углеводородов.
2. До включения в основную работу устройство калибруется по данным: поглощения излучения для однофазной среды; калибровочных коэффициентов трубки Вентури; уточняющих коэффициентов поглощения разных смесей, полученных экспериментально; калибровочных коэффициентов детекторов СВЧ излучения.
3. Устройство включается в основную работу, результаты расчетов записываются на компьютер для сбора и хранения информации. По запросу все данные передаются на удаленный сервер. Дополнительная и периодическая калибровка устройства проводится в соответствии к требованиям регламента обслуживания устройства.
В процессе работы устройства производят измерения различных физических параметров, обработка которых позволяет с высокой точностью определять фазовый количественный состав проходящего через него флюида.
Условно измеряемые параметры можно разделить на несколько групп.
Первая группа связана с измерениями давления, перепада давления и температуры (P_line, ΔP, T_line) вдоль трубки Вентури, на основании которых производят первичный расчет плотности и расхода флюида.
В горловине трубки Вентури происходит увеличение динамического давления за счет роста скорости многофазного флюида и снижения статического давления. Это явление описывается законом Бернулли:
,
ρ - плотность;
V - скорость;
P - статическое давление.
Разница статического давления между трубопроводом и горловиной трубы Вентури измеряется датчиками 8 и 9 давления (представляющими совместно дифференциальный манометр). Для вычисления расхода анализируемой среды используется уравнение эффекта Вентури:
,
Q - объемный расход среды;
S1 и S2 - площади сечения трубопровода и горловины трубы Вентури;
ρ - плотность среды (рассчитывается с учетом данных температуры с датчиков 10 и 11 температуры);
P1 и P2 - статические давления на входе и в горловине трубы Вентури;
C - эмпирический коэффициент потерь (отражает несоответствие реального эффекта и практического).
Коэффициенты C находятся экспериментально для разных расходов, составов смесей, скоростей на проливном стенде.
Вторая группа параметров связана с регистрацией детекторами 6 и 7, проходящего от источника 5 излучения (например, гамма-квантов от Ba-133 или от рентгеновского источника) через многофазную среду в диапазоне от 20 до 100 кэВ. В данном случае регистрируется функция количества частиц N(E,t), зависящая от энергии и времени для каждого из двух детекторов 6 и 7. Это позволяет определять компонентный состав флюида и молярный состав содержащихся в нем компонентов.
Для этого:
1. В горловине трубки Вентури выполнены окна из рентгенопрозрачного материала, не нарушающие геометрию трубки Вентури.
2. C одной стороны трубки установлен источника 5 излучения, просвечивающего через окно многофазный поток флюида в плоскости, перпендикулярной направлению его движения.
3. С двух сторон в той же плоскости, где находится коллиматор входящего пучка, напротив других окон установлены сцинтилляционные детекторы 6 и 7 с фотоэлектронными умножителями.
При прохождении гамма-квантов через смесь одна их часть рассеивается под произвольным углом с небольшой потерей энергии (эффект Комптона), вторая часть поглощается, вызывая ионизацию атомов смеси (фотоэффект), а третья часть проходит сквозь поток, не испытывая каких-либо поглощающих или рассеивающих эффектов.
Детекторы 6 и 7 фиксируют рассеянные и проходящие гамма-кванты. По количеству детектированных гамма-квантов высокой энергии (выше 50 кэВ) определяется плотность среды.
Теоретически при однофазной среде, зная ее среднюю плотность, можно посчитать расход. Но, так как среда в данном случае представлена тремя фазами: вода, конденсат и газ, необходимо узнать еще и фазовый состав, то есть отношение воды к углеводородам (потому что отношение газа к жидкости вычисляется по плотности).
Для этого детектируются фотоны низкой энергии (ниже 50 кэВ), более чувствительные к газообразным средам, что позволяет точнее дифференцировать состав многофазного потока.
Наличие дополнительного детектора 7, расположенного под углом 90° к оси между источником 5 излучения и детектором 6, фиксирующего рассеянное излучение, позволяет корректировать данные, полученные детектором 6, что повышает точность определения компонентов фазового состава флюида, особенно в случаях высокого газового фактора (≥ 80 %).
Третья группа параметров, это результаты, полученные с блоков 12, 13 измерения доли воды и метанола на основе СВЧ излучателя.
Поскольку водная компонента многофазного флюида всегда содержит в себе растворенный метанол (являющийся по факту частью газовой компоненты), проведение измерений при помощи блоков 12, 13 позволяет дополнительно повысить точность определения реального массового объема компонентов многофазного флюида.
Заявляемое техническое решение обеспечивает высокую точность определения параметров многофазного потока флюида в различных трубопроводных системах в режиме реального времени.