Патент на изобретение №2386953

(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАГОСОДЕРЖАНИЯ ТРЕХКОМПОНЕНТНЫХ СМЕСЕЙ ИЗ ДОБЫВАЮЩИХ НЕФТЯНЫХ СКВАЖИН И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области измерительной техники. Техническим результатом является измерение влагосодержания в диапазоне от нуля до ста процентов для любого типа и любой структуры измеряемой среды из добывающей нефтяной скважины. Способ включает в себя зондирование измеряемой смеси высокочастотными электромагнитными волнами в рабочем диапазоне частот объемного резонатора (Р) радиоволнового датчика (РД), измерение резонансной частоты и коэффициента передачи объемного Р на резонансной частоте и формирование обобщенной измеренной величины из значений этих параметров с привлечением также значения резонансной частоты, соответствующей заполнению Р водой при градуировке. Предусмотрено два режима работы и две градуировки: «динамический» режим с непрерывным протеканием измеряемой среды через РД влагомера, при типе смеси с непрерывной нефтяной фазой, и режим «статический» с остановкой потока через РД путем переключения его в байпасный канал, при смесях с водной непрерывной фазой. Устройство состоит из объемного высокочастотного Р типа РД и электронного блока с синтезатором частоты и процессорным модулем. Узел съема сигнала из РД выполнен в виде дифференцирующей электрической цепи с добавлением инерционной цепи. Введены аналоговые входы и выходы для управления переключателями потока или отсечными клапанами, осуществляющими остановку смеси в зондирующем блоке и переключение рабочего потока в байпасный канал. 2 н.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, а также к системам управления технологическими процессами и может быть использовано для измерения относительного объемного содержания воды (влагосодержания) в нефтегазоводной смеси из нефтяной скважины, а также в измерительных системах, технологических установках и других устройствах, измеряющих расход и количество нефти с растворенным газом (далее – нефть) и свободного газа (далее – газа) в продукции нефтяной скважины.

В последние годы ясно обозначился интерес нефтедобывающих компаний к использованию влагомеров в замерных групповых установках (АГЗУ), например типа «Спутник» и «Мера», которые измеряют расход жидкости (смесь нефти и воды) и расход газа, но не определяют расход нефти. Целью такого подхода является превращение выпускаемых и находящихся в эксплуатации АГЗУ, которые фактически являются технологическими устройствами, в измерительные установки, определяющие объемный и массовый расход всех трех компонентов продукции нефтяной скважины – нефти, попутного газа и воды. Это направление в развитии метрологии добывающих нефтяных скважин вызвано назревшей необходимостью иметь надежный учет добываемой нефти и попутного газа и тем, что намечаемое решение этой проблемы за счет разрабатываемых трехкомпонентных расходомеров пока не дало ожидаемых результатов. Разработанные к настоящему времени трехкомпонентные расходомеры не удовлетворяют требованиям по точности и экологической чистоте. Кроме того, трехкомпонентные расходомеры, предлагаемые рядом зарубежных фирм, таких как Агар Корпорейшен, Шлюмберже, Роксар и других, очень дороги – порядка двухсот тысяч долларов за один образец, что делает их нерентабельными для установки на каждую скважину.

Тем не менее, ряд технических решений, применяемых в трехкомпонентных расходомерах могут быть использованы при создании влагомеров, поскольку последние по сути являются их частью. Общими являются требования высокой точности измерений в реальных условиях эксплуатации без физического разделения потока на его отдельные фазы и компоненты и без внедрения в измеряемый движущийся поток каких-либо элементов конструкции расходомера, особенно подвижных (требование нонинтрузивности). Весьма существенными являются также требования взрывобезопасности и экологической чистоты.

Известно довольно большое количество влагомеров, в том числе сырой нефти. Но все они либо не допускают наличия газа в измеряемой жидкости, либо требуют хорошо перемешанной смеси.

Среди них в качестве аналога можно назвать Влагомер AGAR OW-201 (фирма Agar Corporation) [1].

Преимущества:

– диапазон измерения влагосодержания от нуля до 100 процентов, независимо от того, какой из компонентов (нефть или вода) является непрерывной фазой;

– допускает в измеряемой смеси объемное содержание газа до 99.9 процента.

Недостатки:

– малая представительность зондируемого объема среды по отношению к полному сечению потока;

– зависимость погрешности от структуры потока, откуда рекомендация по установке зондирующего блока изделия на максимально однородном потоке;

– поэтому высокая точность при гомогенизированной среде (±1%) снижается до 2% абс плюс ±5% от показаний при других смесях.

Влагомер фирмы AGAR Corporation входит в состав разработанного этой же фирмой трехкомпонентного расходомера.

Поиск, проведенный с позиции использования подходящих технических решений из трехкомпонентных расходомеров, показал, что ближайшим аналогом по близости принципа действия при определении относительного содержания компонентов смеси и технических решений является трехкомпонентный расходомер «Сател-РВ» по патенту RU 2247947 С110.03.2005 [2]. Однако по назначению он – измеритель покомпонентного расхода, а заявляемый прибор, будучи влагомером, входит в него как составная часть.

Принимаем в качестве прототипа, влагомер AGAR OW-201 фирмы Agar Corporation. Он полностью подходит по критерию назначения, хотя имеет меньше признаков, совпадающих с заявляемым изобретением.

В трубе зондирующего блока прототипа установлена передающая антенна и на противоположной стороне трубы две приемные антенны, одна из которых по потоку расположена до передающей антенны, а другая после нее. Причем расстояние до передающей антенны от одной из приемных больше, чем от другой, благодаря чему разность фаз сигналов, принятых приемными антеннами, зависит только от комплексной диэлектрической проницаемости смеси и разности расстояний приемных антенн от передающей. Благодаря этому, возникающие на границе раздела диэлектрического покрытия антенн и проводящей измеряемой среды при водной непрерывной фазе, большие сдвиги фаз, на фоне которых не проявляется полезный сдвиг фазы сигнала при прохождении электромагнитной волны через измеряемую среду, компенсируются, поскольку обе приемные антенны находятся в одном и том же потоке измеряемой среды. Таким образом в прототипе решена проблема использования диэлькометрического метода не только для смесей с непрерывной нефтяной фазой, но и для смесей с непрерывной водной фазой.

Однако при этом положительном свойстве возникает недостаток, связанный с малой представительностью зондируемого объема измеряемой среды. Это связано с тем, что указанный объем равен объему конуса, вершина которого находится на передающей антенне а основанием является чувствительная поверхность приемной антенны, размеры которой невелики по сравнению с площадью внутреннего сечения трубы зондирующего блока. Из-за этого высокая точность будет обеспечиваться только при гомогенизированных смесях.

Отсюда возникает рекомендация устанавливать зондирующий блок в максимально гомогенизированном потоке и снижение точности при других структурах измеряемой среды.

В указанном выше трехкомпонентном расходомере «Сател-РВ» по патенту RU 2247947 С110.03.2005 зондирующий блок содержит два радиоволновых датчика (РВД), представляющих собой объемные высокочастотные резонаторы (ВЧ-резонаторы), – один для определения относительного содержания компонентов, а второй, в паре с первым, для измерения скорости потока корреляционным методом. Относительное содержание определяется с помощью оригинального алгоритма, основанного на математическом описании изменения величины первой, второй и более высоких резонансных частот и амплитуд (или коэффициента передачи) ВЧ-сигнала как функций относительного содержания компонентов смеси.

Недостаток, связанный с недостаточной представительностью зондируемого объема среды, присущ практически всем влагомерам и расходомерам, в которых применяется зондирование тонким лучом (трехкомпонентные расходомеры фирм «Roxar», «Schlumberger» и других), или точечное зондирование (изделие «Ультрафлоу»).

В связи с этим для повышения точности влагомера или расходомера рекомендуется применять установку перед зондирующим блоком изделия какого-либо средства, создающего всегда одну и ту же структуру, как правило, хорошо перемешанную. Это может достигаться установкой гомогенизаторов, созданием нескольких колен в подводящем трубопроводе. Как правило, эти средства малоэффективны и, кроме того, создают сопротивление потоку.

Техническим результатом настоящего изобретения является устранение указанных недостатков, то есть обеспечение измерения влагосодержания в диапазоне от нуля до ста процентов для любого типа (с непрерывной водной или нефтяной фазой) и любой структуры среды из добывающей нефтяной скважины.

Заявляемый способ и устройство иллюстрируются схемами, графиками и таблицами экспериментальных данных, представленными на следующих чертежах:

– фиг.1. Зависимость первой резонансной частоты от времени расслоения для разных степеней начальной гомогенизации смеси;

– фиг.2. Зависимость первой резонансной частоты зондирующего блока с диэлектрическим зазором 3 мм от параметров выходной электрической цепи съема сигнала с обмотки РВД;

– фиг.3. Зависимость первой резонансной частоты зондирующего блока с диэлектрическим зазором 15 мм от параметров выходной электрической цепи съема сигнала с обмотки РВД;

– фиг.4. Градуировочные кривые для смеси вода-нефть;

– фиг.5. Блок-схема влагомера;

– фиг.6. Установка зондирующего блока в трубопровод с потоком смеси;

– фиг.7. Основная абсолютная погрешность измерения влагосодержания.

В настоящем изобретении предложено производить зондирование среды в полном сечении потока, использовав для этого радиоволновой датчик (РВД), принцип действия и теория которого изложены, например, в книге Викторова В.А., Лункина Б.В., Совлукова А.С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. М.: Наука, 1978. [3].

В РВД рабочий объем смеси представляет собой цилиндр диаметром, равным внутреннему диаметру зондирующего блока, и длиной, равной длине возбуждающей обмотки. Таким образом осуществляется объемное зондирование, при котором все участки объема участвуют в образовании сигнала, содержащего информацию о результирующей комплексной диэлектрической проницаемости многокомпонентной среды. В результате обеспечивается полное представительство измеряемого потока среды.

Второй технический результат, состоящий в возможности работы изделия при любом типе и любой структуре измеряемой среды, обеспечивается в настоящем изобретении тем, что предусмотрено два режима работы – «динамический» (поточный) и «статический» (с остановкой потока).

Динамический режим реализуется, когда смесь из скважины представляет собой перемешанный поток с непрерывной нефтяной фазой («вода в нефти»), который без остановки протекает через зондирующий блок влагомера. Процесс измерения при этом осуществляется изделием тоже непрерывно с тактом обновления выходной информации не более восьми секунд.

Статический режим реализуется, когда измеряемая среда представляет собой смесь с непрерывной водной фазой («нефть в воде»). При этом осуществляется перед измерением принудительное превращение этой структуры всегда в одну и ту же – расслоенную смесь. Таким образом, применяется известный прием – смесь приводится всегда к одной и той же структуре, но в данном случае к диаметрально противоположной по отношению к общепринятой, а именно к расслоенной вместо хорошо перемешанной. Надо отметить, что при расслоении потока отпадает возможность сохранения смеси с непрерывной водной фазой.

Статический режим осуществляется путем монтажа зондирующего блока влагомера в трубопровод с измеряемой смесью между двумя переключателями потока (21 и 22 на фиг.6) или двумя запорными (отсечными) клапанами (24 и 25), которые на время измерения влагосодержания запирают смесь в рабочем объеме зондирующего блока. Одновременно открывается запорный клапан 23 в параллельном (байпасном) канале и поток смеси идет через него. Таким образом обеспечивается непрерывное движение потока смеси в основном трубопроводе. При этом в запертом канале производится измерение влагосодержания в полностью или частично расслоившейся смеси в заданный момент времени после запирания потока. Такт проведения измерений и выдачи результата может лежать в пределах от нескольких минут до одного часа.

Надо отметить, что этот статический режим необходим только при среде с непрерывной водной фазой и включается в изделии автоматически. При типе среды с непрерывной нефтяной фазой реализуется динамический режим с непрерывным измерением и выдачей результата, как упоминалось выше, с тактом не более восьми секунд.

Характер расслоения смеси во времени после остановки потока зависит от того, какой тип смеси был перед остановкой потока – с непрерывной водной фазой или с непрерывной нефтяной фазой. Рассмотрим это обстоятельство более подробно. На фиг.1 представлены «кривые расслоения» – зависимости первой резонансной частоты от времени (номера отсчета) при запирании потока измеряемой смеси в зондирующем блоке влагомера.

Наблюдается следующая определенная закономерность:

– при смесях типа «вода в нефти» значения резонансной частоты в динамике (до остановки потока) зависят от относительного объемного содержания воды в общем объеме смеси и эта зависимость может приниматься как градуировочная;

– при смесях типа «нефть в воде» значения резонансной частоты в динамике (до остановки потока) близки к значениям, соответствующим воде, хотя при этом влагосодержание смесей может лежать в пределах от 30 до 100 процентов; то есть, зависимости резонансной частоты от относительного объемного содержания воды не наблюдается;

– важным является то обстоятельство, что резонансная частота при смесях типа «вода в нефти» даже при самом большом содержании воды, при котором может существовать смесь данного типа (до восьмидесяти процентов), имеет большее значение, чем для смесей типа «нефть в воде», даже с наименее возможным влагосодержанием последних;

– приведенное выше свойство резонансной частоты может быть использовано в изделии для автоматического определения типа смеси и выбора режима работы;

– если перед остановкой потока смесь была типа «вода в нефти», то после остановки потока начинается медленное расслоение смеси на воду и нефть; время расслоения зависит от сорта нефти и может лежать в пределах от нескольких часов до нескольких суток; при этом в начальный момент резонансная частота имеет значение, которое было непосредственно перед запиранием потока;

– если перед остановкой потока смесь была типа «нефть в воде», то после остановки потока расслоение смеси на начальном этапе происходит быстро, а затем наблюдается медленное стремление резонансной частоты к установившемуся значению, соответствующему полному расслоению; при этом через конечное время, от пятнадцати минут до одного часа, измеряемое значение частоты входит в диапазон значений, ширина которого не превышает удвоенную допустимую погрешность;

– могут наблюдаться редкие аномальные случаи (на фиг.1 кривая обозначена как «аномальная характеристика»), когда перед остановкой потока смесь была типа «нефть в воде», а после остановки произошел «переворот фазы» смеси и она стала типа «вода в нефти» с медленным расслоением;

– в аномальном случае критерием в определении типа смеси является большая начальная крутизна переходного процесса в сочетании с медленным расслоением после достижения максимального значения.

Как видно из изложенного, с точки зрения использования изделия требуется наличие у потребителя параллельного байпасного трубопровода с управляемыми переключателями или отсечными клапанами для перевода потока из одного канала в другой и обеспечения остановки смеси в зондирующем блоке влагомера.

При этом могут быть различные варианты взаимодействия влагомера с системами управления оборудованием у потребителя. В частности, влагомер может быть либо «ведущим», либо «ведомым» звеном.

Если потребителю безразлично, в какие моменты времени будут срабатывать переключающие устройства и запирающие клапаны, то «ведущим» может быть влагомер. Он будет выдавать команды на управление этими элементами.

В другом случае, когда влагомер «ведомое» звено, он должен получать информацию о возможности проведения очередного измерения и, в свою очередь, информировать о завершении очередного измерения и возможности открывания потока через зондирующий блок.

Результаты измерения в обоих случаях могут передаваться как непосредственно на верхний уровень АСУТП, так и в блок управления измерительной установки потребителя, в состав которой входит влагомер.

Для обмена указанной информацией в изделии предусмотрена возможность передачи и приема ее как в аналоговой форме, так и по интерфесным линиям RS232, RS485, в том числе по протоколу MODBUS.

Для понимания сущности настоящего изобретения отметим следующее. Первичная исходная информация получается в изделии путем зондирования измеряемой смеси высокочастотными электромагнитными волнами в рабочем диапазоне частот объемного резонатора радиоволнового датчика и измерением при этом первой, второй и, при необходимости, более высоких резонансных частот объемного резонатора и коэффициента передачи (амплитуды) на резонансных частотах, а также температуры.

При этом имеют место определенные закономерности в работе РВД. Резонансные частоты и амплитуда колебаний на них зависят, с одной стороны, от диэлектрической проницаемости измеряемой среды, находящейся в зондирующем блоке, а с другой стороны, от конструктивных и электрических параметров самого зондирующего блока.

К таким параметрам, в первую очередь, относятся: диэлектрический зазор между обмоткой и корпусом РВД, определяющий электрическую емкость обмотки, вид схемы и значения емкостей и сопротивлений выходной электрической цепи обмотки.

В общем случае названные параметры выбираются, исходя из того, чтобы с требуемой точностью измерялось относительное содержание всех компонентов среды – нефти, газа и воды.

В рассматриваемом случае разработки влагомера целесообразно так подобрать эти параметры, чтобы наиболее точно измерялось относительное содержание воды и, более того, чтобы точность не зависела от соотношения содержания газа и нефти.

В таблице 1 на фиг.2 и в таблице 2 на фиг.3 представлены экспериментальные зависимости значений первой резонансной частоты от вида и параметров выходной цепи обмотки для двух ЗБ с зазором между обмоткой и корпусом, равным 3 и 15 миллиметрам соответственно. Как видно из этих данных, с увеличением зазора растет резонансная частота и разности частот, соответствующих воздуху и маслу, маслу и воде.

Погрешность в измерении содержания воды, вызванная наличием газа в среде, тем больше, чем больше разность резонансных частот для воздуха и масла и меньше разность частот для масла и воды (крутизна частотной характеристики для смеси масла с водой). Отношение этих разностей частот несущественно зависит от рассматриваемого зазора в ЗБ, но сильно зависит от вида и параметров выходной цепи обмотки. Существенным является тот факт, что разность частот, соответствующих воздуху и маслу, изменяется не пропорционально крутизне частотной характеристики смеси масла с водой. Иначе не было бы отмеченной зависимости погрешности измерения относительного содержания воды от параметров выходной цепи обмотки и зазора в ЗБ.

Анализ таблиц показывает, что минимальные значения погрешностей, полученных при оптимизации параметров выходной цепи обмотки, несколько меньше для ЗБ с малым диэлектрическим зазором (4.32 процента против 5.95). Однако в этом случае имеется наименьшая крутизна градуировочной характеристики – 0.0324 МГц/процент против 0.1965 МГц/процент. Низкая крутизна может привести к возрастанию других составляющих погрешности, вызванных флюктуациями и нестабильностью измеряемой резонансной частоты, в частности от флюктуации влагосодержания и от собственных шумов. В каждом отдельном случае необходимо компромиссное решение.

Решения, вытекающие из анализа рассмотренных данных, состоят в следующем: необходимо снимать сигнал с обмотки ЗБ с большими зазорами через дифференцирующую цепь с большой постоянной времени, а для ЗБ с малыми зазорами еще и с добавлением инерционной RC-цепочки.

Как было указано выше, исходной информацией, получаемой с помощью РВД, являются измеренные значения величин резонансных частот и коэффициентов передачи. В данном изобретении текущие значения резонансной частоты f_рез объемного резонатора и коэффициента передачи К_ЗБ на резонансной частоте, а также температура Т используются для формирования обобщенного параметра К_об с привлечением значения резонансной частоты f_град.w, соответствующей заполнению резонатора при градуировке водой, по формуле:

где коэффициент пропорциональности К_f подбирают, исходя из требований крутизны статической характеристики влагомера.

Этот обобщенный параметр положен в основу получения обобщенных текущих значений обобщенного параметра при измерении, а также при создании обобщенных градуировочных характеристик.

В изделии предусмотрены две градуировки – для динамического режима и для статического режима:

– «градуировка ДН» – для измерения влагосодержания смеси в динамике и в аномальных случаях, при этом непрерывной фазой в измеряемой среде является нефть, т.е. для смесей типа «вода в нефти»;

– «градуировка СВ» – для измерения влагосодержания смеси в случае, если до останови потока непрерывной фазой в измеряемой среде являлась вода (кроме аномальных случаев), т.е. для смесей типа «нефть в воде».

Примерный вид градуировочных характеристик представлен на фиг.4.

Выбор режима работы и нужной градуировочной характеристики производится в изделии автоматически на основании определения типа смеси в соответствии со следующей логикой:

– если резонансная частота при текущем измерении выше наименьшей возможной частоты для смеси типа «вода в нефти», то тип смеси – «вода в нефти»; следовательно, нужно оставаться в динамическом режиме и воспользоваться «градуировкой ДН», при этом результаты измерения обновляются с тактом от двух до восьми секунд;

– если резонансная частота при текущем измерении ниже наименьшей возможной частоты для смеси типа «вода в нефти», то тип смеси – «нефть в воде»; следовательно, нужно переключаться в статический режим и перекрывать поток в ЗБ влагомера, направляя его в байпас, проводить анализ кривой расслоения на предмет аномальности и в случае отрицательного результата анализа зафиксировать значение резонансной частоты в момент установленного в изделии времени (в диапазоне от 15 до 60 минут) и по этой резонансной частоте определить влагосодержание, воспользовавшись «градуировкой СВ», а при положительном результате анализа зафиксировать в переходном процессе максимальное значение резонансной частоты и по нему определить влагосодержание с помощью «градуировки ДН» и выдать результат измерения;

– если перед очередным циклом измерения в статическом режиме будет определен тип смеси «вода в нефти», влагомер переключится в динамический режим работы.

Рассмотрим рабочий алгоритм влагомера, реализуемый в модуле центрального процессора (процессорной плате) электронного блока изделия.

Для выполнения рабочего алгоритма влагомера требуется предварительная градуировка изделия. В память электронного блока влагомера закладываются градуировочные значения параметров изделия, полученные для разных градуировочных смесей на испытательном стенде.

1) Для «градуировки ДН» (непрерывная фаза – нефть):

i – номер смеси, i=1÷N^н, где N^н – количество смесей для данной градуировки;

– объемное относительное содержание воды в i-ой смеси вода-нефть;

– первая резонансная частота для i-ой смеси;

– коэффициент передачи ЗБ для i-ой смеси;

– температура для i-ой смеси.

2) Для «градуировки СВ» (непрерывная фаза – вода):

i – номер смеси, i=1÷N^в, где N^в – количество смесей для данной градуировки;

– объемное относительное содержание воды в i-ой смеси вода-нефть;

– первая резонансная частота для i-ой смеси;

– коэффициент передачи ЗБ для i-ой смеси;

– температура для i-ой смеси.

При каждом текущем измерении производится корректировка градуировочных значений резонансных частот и коэффициентов передачи для всех градуировочных смесей под текущее значение температуры (температурная компенсация значений параметров). Для каждой градуировочной i-ой смеси с относительным содержанием воды или рассчитывается скорректированный обобщенный параметр с помощью подстановки в уравнение (1) скорректированных на текущую температуру измеренных параметров изделия:

где K_f – коэффициент пропорциональности, который подбирается исходя из требований крутизны градуировочной характеристики влагомера;

f_град.wT – градуировочная первая резонансная частота воды;

индекс Т обозначает скорректированное значение параметра под текущую температуру.

На базе значений (2) и (3) строятся градуировочные характеристики и – зависимости обобщенных параметров от влагосодержания для текущей температуры:

где ^н и ^в – некоторые функции интерполяции. В простейшем случае для построения кривых используется линейная интерполяция (фиг.4).

Измеренные параметры изделия, представляющие собой текущие значения первой резонансной частоты f_рез объемного резонатора и коэффициента передачи К_ЗБ на резонансной частоте, используются для формирования текущего обобщенного параметра К_об. по формуле:

Зная величину текущего обобщенного параметра, рассчитанного по измеренным значениям первой резонансной частоты и коэффициента передачи по формуле (6), находим по одной из градуировочных характеристик (4) или (5), для соответствующей непрерывной фазы, текущее значение величины влагосодержания (например, методом сканирования). При линейной интерполяции по текущему значению обобщенного параметра К_об. определяется рабочий отрезок ломаной линии и задача сводится к отысканию величины влагосодержания из уравнения прямой линии.

Для сокращения времени на процедуру градуировки можно использовать уменьшенное число градуировочных смесей с последующим построением аппроксимирующей кривой в виде, например, полинома второго или более высокого порядка.

Таким образом, технический результат от использования изобретения в части способа достигается тем, что в способе измерения влагосодержания трехкомпонентных двухфазных смесей, основанном на зависимости резонансной частоты и коэффициента передачи объемного ВЧ-резонатора от диэлектрической проницаемости компонентов и их относительного объемного содержания, произведено следующее:

1) использован метод объемного зондирования с помощью РВД, что обеспечило полную представительность зондируемым при измерении объемом всего измеряемого потока,

2) помимо непрерывного режима работы изделия в динамике (динамический режим), реализуемого, когда непрерывной фазой измеряемой смеси является нефть, с обновлением значений измеряемого влагосодержания с тактом не более 8 секунд предусмотрен статический режим (с остановкой потока в зондирующем блоке влагомера путем переключения его в байпасную линию), в котором обеспечивается правильное измерение влагосодержания в случае, когда непрерывной фазой смеси является вода, с выдачей результата через установленное время в интервале от 15-ти до 60-ти минут после перекрытия потока по «градуировке СВ», если не было переворота фазы смеси, в противном случае фиксируется максимальное значение первой резонансной частоты в переходном процессе после остановки потока и для него определяется по «градуировке ДН» измеренное влагосодержание с непосредственной выдачей результата,

3) выбор режима работы и использования соответствующей градуировочной характеристики производится в изделии автоматически путем анализа в поточном режиме и перед остановкой потока значения резонансной частоты, которая должна быть выше минимальной частоты смеси с нефтяной непрерывной фазой для сохранения поточного режима, а в противном случае производится переход в режим с остановкой потока и осуществляется дополнительный анализ на отсутствие смены типа смеси в момент остановки, критерием чего служит большая начальная крутизна переходного процесса в сочетании с медленным расслоением после достижения максимального значения,

4) настройку параметров зондирующего блока и выходной цепи обмотки производят так, чтобы выбранная для работы резонансная частота и коэффициент передачи в основном зависели только от относительного содержания воды в общем объеме смеси, а соотношение относительного содержания нефти и газа влияло на них незначительно, что достигается сочетанием малого диэлектрического зазора между обмоткой РВД и его корпусом с вводом дифференцирующей цепи с большой постоянной времени на выходе обмотки,

5) определение величины влагосодержания производят методом нахождения его по обобщенной градуировочной характеристике для текущих измеренных значений резонансной частоты и коэффициента передачи,

6) значения обобщенного параметра при измерении и при формировании обобщенных градуировочных характеристик определяют по формуле

где измеренные значения резонансной частоты f_рез, коэффициента передачи К_ЗБ и температуры Т при градуировке изделия измеряются для смесей воды с нефтью, а коэффициент пропорциональности К_f подбирают исходя из требований крутизны градуировочной характеристики влагомера.

Реализация данного способа может быть выполнена с частичным использованием устройства, защищенного в ближайшем аналоге настоящего изобретения – трехкомпонентном расходомере по патенту RU 2247947 C1 10.03.2005.

Так, во влагомере используют один из двух РВД, содержащихся в зондирующем блоке, и, соответственно, относящийся к нему канал в электронном блоке. Кроме того, с целью получения максимальной точности в измерении влагосодержания при независимости соотношения относительных объемных содержаний между собой нефти и газа устройство аналога было подвергнуто ряду изменений, которые и заявляются.

Изменения, проведенные с указанной целью получения минимальных погрешностей в измерении влагосодержания, состоят в оптимальном выборе диэлектрического зазора в РВД зондирующего блока и параметров электрической цепи на выходе его обмотки. Для достижения данного результата рекомендуется выполнять диэлектрический зазор наименьшим, но обеспечивающим величину крутизны градуировочной кривой, достаточной с точки зрения соотношения сигнал-шум, и в установке емкостей, значительно больших, чем при измерении всех трех составляющих среды, подбираемых по критерию наименьшей погрешности в измерении влагосодержания.

Кроме того, в электронном блоке добавляются интерфейсные связи для обмена сигналами управления переключателями потока (отсечными клапанами).

Технический результат в устройстве заключается в построении зондирующего блока с применением радиоволнового датчика в качестве первичного преобразователя влагосодержания трехкомпонентной смеси в резонансные частоты и амплитуды на них как промежуточные параметры для использования их в рабочем алгоритме изделия, в оптимальном выборе его конструктивных параметров, а также вида и параметров входных и выходных цепей обмотки возбуждения.

В электронном блоке техническим результатом является оснащение его аналоговыми и интерфейсными портами для управления переключающими устройствами и отсечными клапанами для остановки потока в зондирующем блоке и для взаимодействия с контроллерами измерительных установок при использовании в них влагомера.

Рассмотрим более подробно состав и работу изделия, используя блок-схему с фиг.5, на которой представлены все элементы изделия за исключением искрозащитных барьеров между зондирующим блоком и электронным блоком, а также переключателей потока (отсечных клапанов), которые изображены на схеме установки зондирующего блока в трубопровод на фиг.6.

Устройство состоит из зондирующего блока 1 и электронного блока 2.

Зондирующий блок в свою очередь разделяется на две секции – секцию радиоволнового датчика (РВД) 3 и секцию датчиков давления и температуры (ДДТ) 4. Секция РВД содержит первичный преобразователь (обмотку) 5, входную цепь обмотки 6, выходную цепь обмотки 7. Секция ДДТ имеет в своем составе датчик давления 8 и датчик температуры 9.

Электронный блок включает в себя: синтезатор частоты 10; усилитель 11, усилители-детекторы 12 и 13; плату аналогового ввода-вывода (ПАВ В) 14 с многоканальным аналого-цифровым преобразователем (АЦП) и многоканальным цифроаналоговым преобразователем (ЦАП); модуль центрального процессора 15; интерфейсный модуль 16 (может входить в состав модуля центрального процессора).

Зондирующий блок и электронный блок непосредственно, либо через искрозащитные барьеры соединяются между собой двумя коаксиальными кабелями 17 и 18, а также двумя низкочастотными кабелями 19 и 20.

Основная секция ЗБ – радиоволновой датчик – представляет собой радиоволновый объемный ВЧ-резонатор. Первичным преобразователем РВД является обмотка зигзагообразной формы, выполненная способом печатного монтажа на тонкой стеклотекстолитовой плате. Толщина платы составляет 0.3-0.5 мм. Плата сгибается вдоль направления витков обмотки проводниками внутрь и крепится на внешней поверхности диэлектрической трубы толщиной 3-8 мм. Диэлектрическая труба с обмоткой отделена диэлектрическим (в частности, воздушным) зазором от металлического корпуса, играющего роль экрана резонатора. Внутренняя поверхность диэлектрической трубы, соприкасающаяся с протекающей по ней измеряемой смесью, должна быть из материала, стойкого как к механическому износу, так и к химическому воздействию со стороны смеси, а ее внутренний диаметр целесообразно иметь равным внутреннему диаметру основного трубопровода.

Секция ДДТ 4 выделена отдельно от основной секции 3 и содержит вспомогательные датчики давления 8 и температуры 9.

Монтаж секций между собой, а также установка ЗБ на участке трубопровода с измеряемой смесью осуществляется с помощью фланцевых или быстроразъемных (конусно-фланцевых) соединений. Зондирующий блок должен устанавливаться на горизонтальный участок трубопровода.

Узлы электронного блока выполняют следующие функции.

С модуля центрального процессора 15 на вход управляемого синтезатора частот 10 поступает код частоты, лежащей в диапазоне рабочих частот изделия. Синтезатор выдает высокочастотный сигнал синусоидальной формы, частота которого практически мгновенно и с большой точностью соответствует заданному коду. Подходящими для использования в данном изделии являются синтезаторы фирмы ANALOG DEVICES, выполненные по технологии прямого цифрового синтеза (DDS) [например, AD9850, AD9851, AD9854].

Сигнал с синтезатора 10 через усилитель 11 (опорный сигнал) подается на вход первичного преобразователя 5 (обмотка РВД), а также на вход одного из каналов ПАВВ 14 через усилитель-детектор 12.

С выхода обмотки РВД сигнал поступает на вход второго канала ПАВВ 14 через усилитель-детектор 13.

Выходные сигналы с датчиков давления 8 и температуры 9 поступают для измерения на соответствующие каналы ПАВВ 14.

Усилитель 11 и усилители-детекторы 12 и 13 выбираются так, чтобы их АЧХ была горизонтальной в рабочем диапазоне частот изделия.

АЦП должны удовлетворять требованиям по точности и быстродействию. Так, для обеспечения измерения амплитуды в диапазоне -10 В ÷ +10 В с точностью 0.1% достаточно применить 12-разрядные АЦП с частотой выборок 40 килогерц, что легко осуществимо.

ЦАП предназначены для выдачи результатов измерений в виде аналоговых сигналов, например в виде напряжений, лежащих в диапазоне 0÷10 В. Для обеспечения точности выходного сигнала 0.1% достаточно 12-разрядного ЦАП.

Модуль центрального процессора 15 обеспечивает общее управление изделием и вычисления по заложенному в него алгоритму работы. Процессор должен иметь быстродействие не менее 40 МГц, объем оперативной памяти не менее 1 мегабайта, объем флэш-памяти не менее 2 мегабайт, параллельные и последовательные порты ввода-вывода.

Интерфейсный модуль 16 обеспечивает связь изделия с верхним уровнем АСУТП непосредственно, либо через средства телекоммуникации. Модуль позволяет по линиям RS-232, RS-422 или RS-485 связаться с любым устройством, имеющим в своем составе соответствующие интерфейсы, а также подключить консоль оператора, матричную клавиатуру, знакосинтезирующие дисплеи, принтеры, НГМД.

В изделии возможно усреднение значений относительного содержания воды в смеси на заданном интервале времени (несколько циклов). Информация о мгновенных и усредненных значениях влагосодержания, а также любая другая информация может храниться в долговременной памяти изделия.

Литература

2. Трехкомпонентный расходомер «Сател-РВ». Способ измерения покомпонентного расхода трехкомпонентного газожидкостно-твердотельного потока и устройство для его осуществления. Патент РФ RU 2247947 C1, 10.03.2005, Бюл. 7.

3. Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. М.: Наука, 1978.

Формула изобретения

1. Способ измерения влагосодержания трехкомпонентной смеси, проходящей по трубопроводу из добывающей нефтяной скважины или прошедшей предварительную газожидкостную сепарацию, включающий в себя зондирование потока измеряемой смеси высокочастотными электромагнитными волнами в рабочем диапазоне частот радиоволнового датчика, выполненного в виде объемного высокочастотного резонатора, инерционность которого компенсируют путем дифференцирования его выходного сигнала, измерение резонансной частоты f_рез объемного высокочастотного резонатора и коэффициента передачи К_ЗБ на резонансной частоте, а также температуры Т, при этом предусмотрено два режима работы – «динамический», при смесях с непрерывной нефтяной фазой, движущихся через зондирующий блок, и «статический», при смесях с водной непрерывной фазой, остановленных в зондирующем блоке, автоматический переход из одного режима в другой путем переключения потока из канала с влагомером в байпасный канал и обратно на основании определения в «динамическом» режиме типа смеси, для чего анализируют значение резонансной частоты, которое должно быть выше минимальной резонансной частоты смеси с нефтяной непрерывной фазой для работы в «динамическом» режиме, и ниже – для перехода в «статический» режим, при этом в «статическом» режиме осуществляют дополнительный анализ на наличие смены типа смеси в момент остановки, критерием чего служит большая начальная крутизна переходного процесса в сочетании с медленным расслоением после достижения максимального значения, формируют обобщенный параметр по формуле

где f_град.w – значение резонансной частоты, соответствующей заполнению резонатора водой при градуировке; а
K_f – коэффициент пропорциональности, который подбирают, исходя из требований крутизны статической характеристики влагомера,
осуществляют запись в память электронного блока влагомера двух пар градуировочных характеристик, представляющих собой значения резонансной частоты и коэффициента передачи при температуре градуировки, полученные для разных градуировочных смесей на испытательном стенде при нескольких i-х значениях относительного содержания воды V_wi в смеси вода-нефть с непрерывной нефтяной фазой


где i – номер смеси, i=1÷N^н, а N^н – количество смесей для данной градуировки;
– объемное относительное содержание воды в i-й смеси вода-нефть;
– резонансная частота для i-й смеси;
– коэффициент передачи для i-й смеси;
– температура для i-й смеси,
и при нескольких i-x значениях относительного содержания воды V_w.i с непрерывной водной фазой


где i – номер смеси, i=1÷N^в, a N^в – количество смесей для данной градуировки;
– объемное относительное содержание воды в i-й смеси вода-нефть;
– резонансная частота для i-й смеси;
– коэффициент передачи для i-й смеси;
– температура для i-й смеси,
при каждом текущем измерении проводят корректировку градуировочных значений резонансных частот и коэффициентов передачи для всех градуировочных смесей под текущее значение температуры и рассчитывают для каждой градуировочной i-й смеси с относительным содержанием воды или скорректированный обобщенный параметр с помощью подстановки в уравнение (1) скорректированных на текущую температуру измеренных параметров изделия


на базе значений скорректированных обобщенных параметров (6) и (7) строят обобщенные интерполированные градуировочные характеристики, скорректированные под текущую температуру,

применяемую в «динамическом» режиме для сред с непрерывной нефтяной фазой, а также в случае смены типа среды в «статическом» режиме, и

применяемую в «статическом» режиме для сред с непрерывной водной фазой, где ^н и ^в – функции интерполяции,
вычисляют текущий обобщенный параметр К_об по откорректированной на температуру формуле (1)

по величине текущего обобщенного параметра с помощью одной из градуировочных характеристик для соответствующей непрерывной фазы определяют текущее значение величины влагосодержания, при этом период обновления результатов измерения влагосодержания на выходе влагомера составляет для «динамического» режима от 2 до 8 с, а для «статического» режима, если нет смены типа среды, измерения проводят в полностью или частично расслоившейся среде, спустя заданное в программе время от 15 до 60 мин, а если произошла смена типа среды, то через время порядка 60 с после остановки потока.

2. Устройство для измерения влагосодержания трехкомпонентных газожидкостных смесей, проходящих по трубопроводу, содержащее зондирующий и электронный блоки, зондирующий блок выполнен в виде двух секций, первая из которых представляет собой радиоволновый датчик, выполненный в виде объемного высокочастотного резонатора с металлическим корпусом, выполняющим функцию экрана резонатора, и помещенной соосно в нем диэлектрической трубой с расположенной на ней обмоткой возбуждения, а также размещенные на корпусе резонатора входную и выходную цепи обмотки, при этом настройку параметров объемного высокочастотного резонатора и выходной цепи обмотки достигают сочетанием малого расстояния от обмотки радиоволнового датчика до его корпуса, составляющего 3÷8 мм, и подбором дифференцирующей цепи для выходного сигнала обмотки в диапазоне до 40 МГц, а вторая секция включает в себя датчик температуры и датчик давления, зондирующий блок установлен на горизонтальном участке трубопровода, электронный блок содержит синтезатор частоты, усилитель, два усилителя-детектора, плату аналогового ввода-вывода с многоканальными аналого-цифровым преобразователем и цифроаналоговым преобразователем, модуль центрального процессора и интерфейсный модуль, синтезатор частот связан через усилитель с входной цепью обмотки радиоволнового датчика, модуль центрального процессора подключен параллельным портом к управляющему входу синтезатора частот, первым, вторым и третьим дискретными портами через интерфейсный модуль соединен с внешними устройствами и подключен посредством шлейфа к плате аналогового ввода-вывода, первый вход упомянутой платы через первый усилитель-детектор подключен к выходу усилителя, второй и третий входы непосредственно или через искрозащитные барьеры соединены с датчиками температуры и давления, четвертый вход через второй усилитель-детектор и – подключен к выходной цепи обмотки радиоволнового датчика, на пятый вход платы аналогового ввода-вывода подают входной сигнал, при этом плата аналогового ввода-вывода имеет два аналоговых выхода с цифроаналогового преобразователя, предназначенных для аналоговых сигналов управления внешними устройствами.

РИСУНКИ