Результат интеллектуальной деятельности: Устройство для измерения объемного расхода газа в продуктах добычи газоконденсатных скважин корреляционным методом

Изобретение относится к области измерения расходов газов и может использоваться в газовых и нефтяных областях промышленности, а также в областях науки и техники, имеющих дело с газами - в авиации, криогенной технике, химической, металлургической промышленности и др.

Существует большое количество расходомеров, используемых для измерения расходов природных и нефтяных газов добывающей газовой промышленности на разных стадиях технологического процесса от момента добычи газа из скважины, затем подготовки к транспорту, в процессе самой транспортировки и до поступления его на предприятия, утилизирующие этот газ. Это, прежде всего, расходомеры с использованием сужающего устройства - диафрагмы или сопла (в том числе, сопла Вентури); расходомеры с использованием нанесения тепловых меток - термоаненометры; корреляционные расходомеры; расходомеры с использованием эффекта Доплера; ультразвуковые расходомеры и др. [1].

Однако не все они одинаково хорошо подходят для измерения продуктов добычи скважины, проводимых геологической службой добывающего предприятия, в частности, газа, непосредственно поступающего из скважины. Это связано с тем, что газ, являющийся главным компонентом продукта добычи скважины, почти всегда содержит в себе капли жидкости - воды или конденсата (пентана, гексана, гептана и других высших углеводородов). При этом поток не является чисто газовым: он содержит жидкость. Объем занимаемой жидкости, как правило, не превышает 5%, но ее масса сравнима с массой газа. Это обстоятельство делает либо не подходящим большинство средств измерений, либо приводит к возрастанию погрешности результатов измерений.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению измерителем расхода является расходомер MPFM 1900 VI фирмы Roxar [3], выбранный за прототип. В нем используется корреляционный измеритель скорости потока, при котором берутся сигналы с двух однотипных емкостных датчиков, разнесенных по длине измерительной секции на некоторое расстояние Сигналы с этих датчиков подаются на электронный блок, который, с помощью математических процедур, анализирует эти сигналы и определяет время корреляции τ, после чего скорость потока (в месте, где установлены зонды) находится по соотношению:

Практика применения корреляционных измерений показывает, что во многих случаях погрешность измерения расхода не превышает 4%, но нередки случаи, когда погрешность может многократно возрастать [2].

Это связано с двумя физическими обстоятельствами. Во-первых, датчики сигналов, по которым затем определяется корреляционная функция, расположены вблизи стенки трубопровода и измеряют скорость газа именно там. Скорость газа у стенки заметно ниже средней скорости потока. Кроме того, она зависит от профиля скорости, то есть, от функции распределения скорости по радиусу v=v₀⋅ϕ(r), где v₀ - скорость на оси трубы, r - текущая координата. А функция ϕ(r), в свою очередь, сама зависит от числа Рейнольдса Re, в которое входят, в частности, средняя скорость потока и вязкость. Так, при малых числах Re (Re<2000) поток является ламинарным и функция ϕ(r) представляет собой параболу; при больших Re {Re>2000) профиль скорости является трапецеидальным и градиент скорости у стенки сильно возрастает.

Во-вторых, это связано с тем, что емкостные датчики (или датчики проводимости) являются, по существу, локальными и при наличии в газе капельной жидкости могут значительно завышать величину г, так как сколько-нибудь крупная капля всегда движется со скоростью заметно медленнее скорости газа.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является уменьшение погрешности определения расхода, измеряемого корреляционным методом, и исключение резких выбросов в определении скорости потока.

Технический результат достигается тем, что в качестве источников сигналов, подлежащих последующей обработке с целью определения времени корреляции, используются два одинаковых объемных резонатора дециметрового диапазона, устанавливаемых на определенном расстоянии друг от друга и возбуждаемых на частоте f₁=f_o+Δf_o, где f_o - резонансная частота резонатора, величина Δf_o находится из соотношения, , где Q - нагруженная добротность резонатора, причем величины f_o и Q определяются в присутствии газожидкостного потока.

Технический результат достигается также тем, что весь объем резонатора, за исключением проходного отверстия, заполняется диэлектриком с высокой диэлектрической проницаемостью (ε>>1) и малым тангенсом угла потерь (tgβ~10^-4).

На фигуре 1 изображено устройство для измерения объемного расхода газа в продуктах добычи газоконденсатных скважин корреляционным методом. На ней показаны: 1 - силовой корпус измерительной секции расходомера; 2, 3 - первый и второй СВЧ резонаторы; 4, 5 - диэлектрики, заполняющие первый и второй резонаторы; 6 - газожидкостный поток; 7 - СВЧ генератор, управляемый по программе; 8, 9 - элементы связи, возбуждающие первый и второй резонаторы; 10, 11 - элементы связи, принимающие сигналы с первого и второго резонаторов; 12, 13 - детекторы сигналов с первого и второго резонаторов; 14 - блок задержки; 15 - блок корреляционной обработки сигналов; 16 - блок вычисления расхода, индикации и передачи данных на верхний уровень; 17 - блок управления частотой СВЧ генератора 7; 18 - блок вывода сигнала на дисплей компьютера.

На фигуре 2 показана дисперсионная характеристика резонатора - сигнал с детектора Ug при изменении частоты СВЧ резонатора ƒ и частота ƒ₁, соответствующая половинной мощности - т.А.

На фигуре 3 показан закон измерения частоты СВЧ генератора во времени. В течение времени от ti до 6 частота генератора не меняется и равна значению ƒ₁.

На фигуре 4 и фигуре 5 показаны в относительных единицах сигналы с детекторов первого резонатора (Ug₁) и второго резонатора (Ug₂) в зависимости от времени в промежутке между t₁ и t₂;. на фигуре 4 - в расходомере, заполненном газожидкостной смесью в отсутствие скорости потока; на фигуре 5 - в движущемся потоке.

Работа устройства происходит следующим образом.

При заполнении трубопровода 1 газожидкостной смесью 6 снимается дисперсионная характеристика резонатора (фиг.3 ) и устанавливаются характерные размеры частотного диапазона, в котором должна будет свипироваться частота СВЧ генератора 7, определяются резонансная частота резонатора в рабочих условиях ƒ_o и частота, соответствующая величине половинной мощности ƒ₁. Эти данные вводятся в блок 17, вырабатывающий напряжение, управляющее частотой СВЧ генератора 7.

СВЧ генератор 7 вырабатывает напряжение с частотой, изменяющейся по трапецеидальному периодическому закону (фиг. 3), причем времена t₁ и t₂, определяющие временную длину верхней полки трапеции, т.е. время, когда частота ƒ=ƒ₁=const, определяются оператором из физических соображений.

Сигналы с детекторов 10 и 11 резонаторов 2 и 3 поступают на блок обработки сигналов 15 (сигнал с первого резонатора 2 поступает через блок регулируемой задержки 14), на котором определяется время корреляции (τ=t₄-t₃ на фигуре 5), после чего в блоке 16 определяется скорость потока газожидкостной смеси и вычисляется расход газа (с учетом небольшой поправки на разницу между скоростью газа и скоростью газожидкостной смеси). Поступившая информация с блока 16 выводится на дисплей компьютера через блок 18.

Литература

1. Кремлевский П.П. Расходомер и счетчики количества вещества / П.П. Кремлевский // Справочник. Книга 2. - С.П.б.: Политехника, 2004 - 412 с.

2. Эволюция измерения многофазных потоков и их влияние на управление эксплуатацией / [Э. Тоски и др.] // Нефть и Капитал. Технологии ТЭК [Электронный ресурс]. - 2003 - декабрь - Режим доступа: http:/www.oilcapital.ru/

3. Roxar Multiphase meter MPFM 1900 VI // Roxar maximum reservoir performance [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.emerson.com/documents/automation/product-data-sheet-multiphase-meter-mpfin 1900vi-topside-roxar-en-927026.pdf