Результат интеллектуальной деятельности: Способ определения покомпонентного расхода газожидкостной среды

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться для контроля расхода и определения массы компонента газожидкостной среды (ГЖС), извлекаемой, например, из буровой скважины.

Известны способы и устройства измерения многофазного расхода многокомпонентных веществ, например (П.П. Кремлевский. Расходомеры и счетчики количества вещества. СПб. Политехника. 2002. Книга 2, с. 245), с помощью нескольких последовательно установленных расходомеров, обладающими селективными свойствами (кориолисова, объемного и теплового), и вычислительного устройства, определяющего на основе показаний приборов расходы отдельных компонентов.

Недостатками известных решений является наличие разнообразных приборов, большие габариты устройства и суммарная большая погрешность измерения расхода.

Известен способ покомпонентного измерения расхода многофазного потока (RU 2428662 С2, 10.09.2011). Предложенный расходомер по известному способу содержит: блок измерения скорости газожидкостного двухфазного трехкомпонентного потока, блок измерения плотности данного потока и блок вычисления скорости потока каждой фазы, при этом блок измерения плотности содержит блок извлечения смешанной жидкости с генератором разности давлений. Вследствие принудительного перемешивания, даже маленькие пузырьки отделяются от смешанной жидкости в газовую фазу. При этом измерение плотности проводят на смешанной жидкости, накопленной в резервуаре для хранения жидкости.

Недостатками известного способа является большое число механических операций при определении плотности потока, отбирается часть потока для анализа, понижающие достоверность измерения всего потока, большое время разделения фаз.

За прототип принят способ, реализованный в устройстве определения параметров потока многофазной среды жидкости и газа (RU 2386930 С2, 27.06.2009). В измерительный канал помещают датчики, имеющие различные зависимости показаний от расходов компонентов потока. Для получения зависимостей показаний датчиков от измеряемых параметров потока во время калибровки производят запись показаний датчиков при различных комбинациях расходов жидкости и газа и осуществляют последовательную интерполяцию. Для определения расходов двух взаимно нерастворимых жидкостей и газа потока трехкомпонентной смеси используют три датчика, зависимость показаний которых от расходов жидкостей и газа разная. Для определения расходов двух взаимно нерастворимых жидкостей, расхода газа и вязкости потока трехкомпонентной смеси используют четыре датчика, зависимость показаний которых от расходов жидкостей, газа и вязкости разная. В частном случае однотипные датчики располагают в последовательно соединенных отрезках измерительного канала разного диаметра.

Недостатком известного способа есть сложная процедура измерения и вычисления компонентов ГЖС.

Техническим результатом изобретения является упрощение определения расхода компонента в растворах и непосредственно компонента газожидкостной среды при ограниченном приборном составе устройств измерения, сокращение вычислительных и измерительных операций, требующих одновременности выполнения.

Технический результат достигается тем, что в способе определения покомпонентного расхода газожидкостной среды периодически создают в поперечном сечении канала с газожидкостным потоком импульсные одинаковые порции количества тепла, измеряют в равномерно размещенных по второму по потоку сечению точках поглощенное каждым компонентом в соответствие с его теплоемкостью количество теплоты по величине полученных импульсов и скорости снижения их заднего фронта, затем суммируют измеренные во всех точках количество теплоты, запасенной каждым компонентом, вычисляют общую теплоемкость суммы компонентов и определяют массовые доли каждого компонента по величине их удельной теплоемкости.

Описание способа выполнено на примере определения расхода трех компонентной двухфазной среды (газ, вода, нефть).

На фиг. 1 показано расположение по потоку сечений импульсного источника тепла и измерительных датчиков теплового потока.

На фиг. 2 показаны импульсы, получаемые от одного из датчиков.

На фиг. 1 обозначено: 1 - Сечение нагрева среды, по окружности которого расположен импульсный стабилизированный источник энергии; 2 - Датчики А, В и др., введенные непосредственно в поток ГЖС; 3 - измерительное сечение с датчиками теплового потока; 4 - канал; 5 - поток ГЖС; 6 - газовая фаза потока; 7 - жидкая фаза потока; 8 - порция ГЖС с принятым импульсом теплового потока; 9 - поток ГЖС, прошедший измерительное сечение и воздействовавший своим теплом на датчики; 10 - вычислительный блок.

На фиг. 2 обозначено: Т - период подачи тепловых порций (постоянная величина; t - время задержки (постоянная величина); а - точка максимальной амплитуды импульса, измеренного датчиком; б - точка на кривой заднего фронта, полученная в вычислителе через заданную задержку t.

Принцип работы основан на различии теплоемкости трех компонентов двухфазной среды, в способе определения массы компонента газожидкостной среды, который характеризуется вводом импульсных порций теплового потока в поперечном сечении 1 канала 4, в различном поглощении этих тепловых порций компонентами среды 6, 7, передачей потоком 5 поглощенных порций датчикам 2 теплового потока, размещенным в различных точках в следующем по потоку сечении 3 канала 4, и основан на том, что электросигналы от поглощенных порций компонентами передаются вычислительному блоку 10 для определения массы компонента.

Вычислительный блок суммирует измеренные во всех точках количество теплоты, запасенной каждым компонентом, вычисляет общую теплоемкость суммы компонентов и определяет массовые доли каждого компонента по величинам их удельных теплоемкостей и скорости снижения импульсов заднего фронта. Величины удельных теплоемкостей для контролируемых компонентов и скорость охлаждения теплового заряда (задний фронт импульса) для чистого и растворенного компонента выявляются предварительно в лаборатории. Для примера приняты известные данные в таблице.

Источник импульсного стабилизированного питания, расположенный по окружности сечения 1 канала 4 периодически посылает импульсы тепловой энергии в поток компонентам 6, 7 потока 5 среды ГЖС, проходящим по каналу 4. Частота подачи импульсов определяется скоростью движения среды ГЖС в канале, которая определяет интервал между импульсами, необходимый для формирования импульса с четко выраженным задним фронтом, характеризующим скорость охлаждения проходящего мимо датчика компонента, заряженного тепловым импульсом, которая зависит от теплопроводности компонента (скорости «расползания тепла по компоненту), а также скорость снятия полученной энергии теплового потока с каждого датчика (предыдущих показаний сигнала).

Поскольку в зоне сечения 1 нагрева излучаемые от источника питания импульсные порции теплового потока равны между собой и одинаковые для различных по массе не растворенных и растворенных компонентов, то поглощенное количества тепловой энергии будет пропорционально теплоемкости с_р этих компонентов.

Далее получают реакции датчиков на восприятие этих порций теплового потока от различных компонентов 6, 7 измеряемой среды потока 5 с минимальной потерей информации по времени и величине. Чтобы сократить время приема датчиками информации от компонентов 6, 7 и значительно уменьшить тепловой взаимообмен между компонентами, желательно использовать известные датчики с постоянной времени порядка 10^-5 с.

Массы компонентов 6, 7 потока 5 проходят некоторое время расстояние по пути следования по потоку от сечения 1 до сечения 3, с запасенными порциями тепловой энергии, в течении которого импульс за счет растекания тепла приобретает форму с пологим задним фронтом, уклон которого характеризует скорость потери импульсом тепловой энергии по мере его продвижения по каналу. Датчики принимают тепловую энергию и передают информацию в вычислительный блок 10. Вычислительный блок оценивает импульсы по их амплитуде и по уклону заднего фронта, измеренного по двум характерным точкам: точке а (см. фиг. 2) максимума импульса и точке б, полученной через задержку t, задаваемую в вычислителе для всех импульсов одинаковой. Результат оценки сравнивается с полученными предварительно в лаборатории для идентификации компонента с учетом установленных удельных теплоемкостей компонентов. При этом удельные теплоемкости компонентов позволяют вычислить массы отдельных компонентов и определить их суточный расход.

Отклик датчиков на величины теплового потока от компонентов 6, 7 будут отличаться в зависимости от различных величин с_р компонентов, а также от величины массы компонентов. В процессе определения массы компонента в составе ГЖС имеются два этапа: первый этап - передача импульса тепловой энергии каждому компоненту от импульсного источника тепловой энергии в соответствии с законом поглощения α=Ф_погл/Ф_пит, где Ф_пит - единичная порция тепловой энергии, подведенная к компоненту, Ф_погл=Ф_к=К с_р М_К - порция теплового потока, поглощенная (усвоенная) компонентом. Второй этап - передача датчику запасенной каждым компонентом тепловой энергии. В датчике тепловой поток Ф_к компонента преобразуется в эдс в виде зависимости: Ф_к=К₁ Е_к, где Е_к - выработанная датчиком эдс, К и К₁ - коэффициенты пропорциональности.

Датчик измеряет тепловые порции, поступающие периодическими импульсами, величина которых пропорциональна массе М_К компонента. Далее в вычислительный блок 10 передается замеренная в виде эдс Е_к величина теплового потока Ф_к=К₁Е_к=К с_р М_К, пропорционального массе каждого компонента 6, 7 потока 5.

От источника 1 единичная порция Ф_пит тепловой энергии, одинаковая для различных компонентов, выдана компоненту 6, 7 в процессе продвижения по каналу 4 от сечения 1 до сечения 3. Для различных компонентов обозначено в данном примере величины Ф_к как Ф_н - нефть, Ф_в - вода, Ф_г - газ.

Далее по мере продвижения по каналу 4 компоненты 6, 7 проходят через сечение 3 с датчиками, которые воспринимают тепловой поток от масс компонентов 6 и 7 двухфазной среды. Датчики равномерно расположены по сечению 3 канала 4 и находятся в непосредственном контакте с компонентами. Все датчики воспринимают только поток тепловой энергии, безразлично от каких компонентов жидкой фазы 7(нефть или вода) и газовой фазы 6. Через каждый датчик поочередно проходят в нерастворенном виде компоненты либо нефть, либо вода, либо газ, либо их растворы «газ-вода» (Г-В), «газ-нефть» (Г-Н), «вода-нефть» (В-Н). В процедуре съема один и тот же датчик, например А или В или другой, измеряет тепловой поток масс проходящих компонентов.

Следовательно, например, датчик А на диаграмме Е_А=К₂ с_р М_К (фиг. 2) может иметь по времени данные величин импульсов компонентов Ф_к от показаний при прохождении массы компонентов М_К. Например, импульсы величиной с_{р вода}=К₂ Е_Ав/М_в от компонента воды массой М_в, импульсы величиной с_{р нефть}=К₂ Е_Ан/М_н от компонента нефти массой М_н и импульсы величиной с_{р газ}=К₂ Е_Аг/М_г от компонента газа массой М_г. Аналогично принимаются данные датчика В и датчиков в других точках. На фиг. 2 показано, что через каждый датчик прошли компоненты, создавая различные по величине импульсы.

Датчик преобразует полученный тепловой поток в эдс Ф_к=К₁ Е_к. За сутки в точке А проходит масса воды М_в≡Σ с_{р вода} (Е_Ав), т.е. сумма всех импульсов, отвечающих величине с_{р вода}=К₂ Е_Ав/М_в=4,2, масса нефти М_н≡Σ с_{р нефть}(Е_Ан), т.е. сумма всех импульсов, отвечающих величине с_{р нефть}=К₂ Е_Ан/М_н=2,0 и масса газа М_г=≡Σ с_{р газ} (Е_Аг), т.е. сумма всех импульсов, отвечающих величине с_{р газ}=К₂ Е_Аг/М_г=1,4 и также массы компонентов в виде растворов Г-В, Г-Н, В-Н.

Аналогично в других точках. За сутки, например в точке В, проходит масса воды М_в≡Σ с_{р вода} (Е_Вв), масса нефти М_н≡Σс_{р нефть} (Е_Вн), масса газа М_г≡Σ с_{р газ} (Е_Вг), и также по другим точкам в сечении 3.

Данные по массовому расходу М потока 5 среды за сутки в канале 4 будем иметь в сумме раздельно по всем показаниям эдс в каждой точке, датчики в которых охватывают все сечение. Для этого необходимо иметь М≡Σ с_р(Е) всех точек. Это и будут массовые суточные расходы ГЖС по каналу 4. Отдельные компоненты в чистом виде будут суточные М_г, М_в, М_н, просуммированные по удельным теплоемкостям компонентов и их растворов в блоке 10, т.е. М_г=С_{р газ} ΣМ/Σ с_р, М_в=С_{р вода} Σ М/Σ с_р, М_н=с_{р нефть} Σ M/Σ с_р, где Σ М=М_г+М_в+М_н и Σ с_р=с_{р газ}+с_{р вода}+с_{р нефть}. Вычислительный блок суммирует измеренные во всех точках количество теплоты, запасенной каждым компонентом, вычисляет общую теплоемкость суммы компонентов и определяет массовые доли каждого компонента по величинам их удельных теплоемкостей.

Датчики принимают тепловой поток независимо от природы компонента, только от их свойства теплоемкости. При таком способе определения масс ГЖС отсутствуют специальные приемы и датчики воды, газосодержания и др.

Таким образом, решается задача определения массы компонента и их суточного расхода с минимальным технопарком средств измерения и вычислительного процесса, не требуются данные по долям плотности и вязкости смеси.