устройство для определения объемной доли воды в трубопроводе с газожидкостной смесью

Формула изобретения

Устройство для определения объемной доли воды в трубопроводе с газожидкостной смесью, содержащее отрезок трубы из диэлектрического материала, пропущенный через витки двух идентичных катушек, соединенных одна с опорным, а другая - с измерительным автогенераторами, отличающееся тем, что внутри катушки, соединенной с опорным автогенератором, размещен электрический экран с продольной щелью, охватывающий трубу.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в газовой и нефтедобывающей промышленности для определения объемной доли воды в трубопроводе с газожидкостной смесью (ГЖС) без разделения на фракции продуктов добычи непосредственно на скважинах или на коллекторных участках первичной переработки газоконденсатных и нефтегазовых промыслов в реальном масштабе времени.

В расходометрии ГЖС широко используются сепараторы, обеспечивающие периодический контроль покомпонентного расхода ГЖС. В последнее время интенсивно развивается расходометрия многофазных потоков в реальном масштабе времени, в основном для нефтедобычи. Созданы измерительные устройства на комплексном использовании классических однофазных расходомеров, например турбинных, диафрагменных, кориолисовых, сопел Вентури и другие. Однако такие измерительные средства не получили широкого распространения, в основном из-за низкой надежности, при эксплуатации в многофазных потоках нефтегазовых скважин.

Известно устройство для определения объемного содержания воды в потоке ГЖС, описанное в труде: Daisake Yamazaki, Shuichi Haruyama. Development of multiphase flowmeter without radioactive sourse. - Yokogava, Electric corporation: В сборнике - BP Exploration Multiphase Mesurement Course, 1997, стр.69.

Это устройство содержит встраиваемый в трубопровод измерительный участок, зауженный в поперечном сечении, измерители скорости, давления и температуры, вычислительно-управляющий блок. Измерительный участок охватывают два кольцевых электрода (чувствительные элементы), установленные параллельно друг к другу и концентрично трубе. Один электрод соединен с источником переменного напряжения, другой - с входом измерителя емкостного тока. Значение тока определяется емкостью между электродами, которая зависит от диэлектрической проницаемости потока, зависящей, в свою очередь, от объемного содержания воды в потоке. К недостаткам данного устройства следует отнести малую протяженность участка взаимодействия чувствительных элементов с потоком, вследствие чего затруднено пространственное интегрирование переменных плотности и скорости потока, поэтому снижается точность измерения. Кроме того, не учитывается соленость воды, влияющая на ее проводимость, а в результате и на точность измерения.

Известны устройства, где в качестве чувствительного элемента используется многовитковая катушка, например в зондах для исследования проводимости (Н.Хинд, Х.Хортон. Микроволновая диагностика плазмы. - Атомиздат, 1968, стр.351). Но зонды для исследования проводимости, учитывающие влияние солености, не могут быть использованы для измерения доли воды в потоке ГЖС.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является устройство для определения объемных долей нефти, газа и воды в жидком потоке в трубопроводе (патент США G 01 N 22/04, US 5389883 "Mesurement of gas and water content in oil" (прототип)).

Устройство содержит отрезок диэлектрической трубы, пропущенный через витки множества катушечных резонаторов с различными резонансными частотами. Катушечные резонаторы объединены в множество групп, каждая из которых включает множество резонаторов, имеющих одинаковую собственную частоту. Резонансные частоты резонаторов зависят от диэлектрической постоянной и объемного содержания материалов, протекающих через трубу. Путем измерения изменений резонансных частот могут быть вычислены пропорции нефти, газа и воды в потоке.

Основным недостатком данного устройства является низкая точность измерения объемной доли воды в потоке из-за невозможности учета ее солености. Кроме того, измерительная секция устройства имеет громоздкую конструкцию, требует сложной и трудоемкой настройки и регулировки, включающей в себя разворот, смещение и фиксацию резонаторов вдоль трубы, тарировку устройства при всех положениях резонаторов и т.п.

Техническим результатом предполагаемого изобретения является повышение точности определения объемной доли воды в потоке ГЖС в трубопроводе за счет исключения влияния ее солености на результаты измерения.

Технический результат достигается тем, что в устройстве, содержащем отрезок трубы из диэлектрического материала, пропущенный через витки двух идентичных катушек, соединенных одна с опорным, другая - с измерительным автогенераторами, внутри катушки, соединенной с опорным автогенератором, размещен электрический экран с продольной щелью (экран Фарадея), охватывающий трубу.

На чертеже изображено устройство, встроенное в трубопровод.

Устройство для определения объемной доли воды в трубопроводе с газожидкостной смесью, показанное на чертеже, содержит отрезок трубы 1 из диэлектрического материала, помещенный в прочный корпус 2 между входным 3 и выходным 4 диффузорами. Внутреннее сечение трубы 1 с целью создания гомогенизированного (однородного по сечению) потока ГЖС по площади значительно меньше сечения трубопровода 5. На трубу 1 намотана катушка 6, соединенная с опорным автогенератором 7, и катушка 8, соединенная с измерительным автогенератором 9. При этом катушка 6 намотана непосредственно на электрический экран 10 с продольной щелью 11 (экран Фарадея), охватывающий трубу 1 и препятствующий взаимодействию электрического поля катушки с потоком ГЖС. Автогенераторы 7 и 9 для получения коротких соединений с катушками размещены в съемном блоке 12, установленном на корпусе 2.

Устройство встраивается в трубопровод в непосредственной близости от скважины. Перед эксплуатацией производится настройка, регулировка и тарировка устройства.

С помощью автогенераторов возбуждают магнитное поле внутри катушки 6 и электромагнитное поле внутри катушки 8, настраивают автогенераторы на одинаковую частоту и измеряют ее значение F_о в отсутствие потока ГЖС в трубе 1.

При тарировке измеряют частоты опорного F_оп и измерительного F_изм автогенераторов во время протекания потока ГЖС с известным объемным содержанием воды. Изменение частоты опорного автогенератора F _оп, равное

где F_о - частота опорного автогенератора в отсутствие потока;

F_оп - частота опорного автогенератора при протекании потока;

F _магн - изменение частоты опорного автогенератора из-за изменения магнитного поля при протекании потока,

обусловлено влиянием проводимости (солености) воды на магнитное поле катушки 6, а изменение частоты измерительного автогенератора F _изм, равное

где F_о - частота измерительного автогенератора в отсутствие потока;

F_изм - частота измерительного автогенератора при протекании потока;

F _магн - изменение частоты измерительного автогенератора из-за изменения магнитного поля при протекании потока,

F _электр ^- изменение частоты измерительного автогенератора из-за изменения электрического поля при протекании потока,

обусловлено влиянием как проводимости воды на магнитное поле катушки 8, так и диэлектрической постоянной потока ГЖС на электрическое поле этой катушки. При идентичности катушек в разности изменений частот

изменения, вызванные влиянием проводимости, компенсируют друг друга, поэтому разность частот

определяется влиянием только диэлектрической постоянной потока ГЖС, пропорциональной объемной доле воды в потоке _в; на электрическое поле катушки 8. Коэффициент пропорциональности k (изменение разности частот на один процент объемной доли воды в потоке) устанавливают при тарировке устройства во время прохождения через него потока ГЖС с известным объемным содержанием воды по формуле:

При эксплуатации объемную долю воды _в в потоке ГЖС вычисляют по формуле:

где F_изм - частота измерительного автогенератора при протекании потока ГЖС;

F_оп - частота опорного автогенератора при протекании потока ГЖС;

k - коэффициент пропорциональности, установленный при тарировке устройства. При этом значение коэффициента k не зависит от солености воды в потоке.

Повышение точности определения объемной доли воды в трубопроводе с ГЖС способствует снижению затрат на коллекторных участках первичной переработки газоконденсатных или нефтегазовых промыслов, а также более точному прогнозированию жизни скважин.