МОНИТОР МНОГОФАЗНОЙ ЖИДКОСТИ

Изобретение относится к устройствам для измерения объемов и расходов текучих сред, а более конкретно к устройствам для измерения объемов и расходов (дебитов) многофазных текучих сред, например жидкого углеводорода, воды и газа, протекающих в одной трубе, например, от скважины к сепаратору или смеси воды и пара в системе охлаждения атомной станции и может быть использовано для контроля потоков с переменным расходом, в частности при контроле состояния разработки нефтяных и газовых месторождений путем измерения производительности каждой скважины в группе или в системах контроля системы охлаждения атомных станций.

Контроль параметров и состава прокачиваемой по трубопроводу многофазной жидкости на нефтяных и газовых месторождениях необходим для правильной эксплуатации скважины и режима добычи нефти. Он позволяет установить нарастание потока нежелательных фракций, таких как вода или газ, и вовремя предпринять меры по улучшению ситуации.

Контроль параметров системы охлаждения атомных станций важен прежде всего для обеспечения их безопасной эксплуатации.

Измерение параметров потоков многофазных жидкостей в трубопроводах является серьезной проблемой в нефтяной промышленности. При добыче нефти по трубопроводу, ведущему из скважины, вместе с нефтью прокачивается вода различной солености и сопутствующий газ. Кроме воды, нефтяной и газовой компонент могут присутствовать также песок и твердые углеводороды. Многофазные измерения должны проводиться при объеме газовой фракции в интервале 0-99% и при обводненности нефти в интервале 0-90%. Относительная погрешность измерения расходов жидкого и газового потоков не должна превышать 5-10%, а абсолютная погрешность измерения обводненности должна находиться в пределах 2%. Требования к точности измерения повышаются при измерении нескольких объединенных потоков.

Для точного измерения потока различных фаз смеси нефть/вода/газ необходим многофазный расходомер, надежно работающий при различных режимах течения, включая как потоки с высоким содержанием воды, так и потоки с высоким содержанием нефти в широком диапазоне солености воды и вязкости нефти.

Существуют многофазные расходомеры и способы контроля с использованием нейтронного излучения. Эти способы основаны прежде всего на возможности определения химического состава среды по ядерным реакциям, происходящим с участием нейтронов и сопровождающихся излучением гамма-квантов определенной энергии. Так, например, при облучении воды быстрыми нейтронами с энергией больше 10 МэВ происходит активация кислорода с периодом полураспада 7,2 с и излучением гамма-квантов с энергией 6,1 МэВ (68,8%) и 7,1 МэВ (4,7%). Неупругое рассеяние быстрых нейтронов на углероде, входящем в состав углеводородов, приводит к излучению мгновенных гамма-квантов с энергией 4,43 МэВ. Присутствие серы и других элементов также может быть установлено по энергии гамма-квантов, излучаемых в результате неупругого рассеяния быстрых нейтронов.

Быстрые нейтроны в водородосодержащей среде быстро замедляются. Образующиеся тепловые нейтроны испытывают на водороде радиационный захват, который сопровождается излучением гамма-квантов с энергией 2,23 МэВ. При наличии в воде растворенной соли тепловые нейтроны будут также эффективно поглощаться ядрами атомов хлора, вследствие чего время их жизни в такой среде будет зависеть от их количества. Образующийся при этом изотоп хлор-36 излучает в среднем около 3 гамма-квантов с суммарной энергией около 8 МэВ. Благодаря присутствию хлора в высокоминерализованной воде спектр гамма-излучения обогащается высокоэнергетическими компонентами.

Известна аппаратура для «Анализа жидкостей» [Патент GB №2182143, МПК: G01N 23/222, 1986. Аналог], включающая источник быстрых нейтронов для возбуждения атомов жидкости, гамма-спектрометр для регистрации спектра гамма-лучей от возбужденных атомов, средства для измерения плотности жидкости, средства для определения состава жидкости, чувствительные к сигналам от спектрометра и от средств измерения плотности, средства для измерения скорости жидкости, включающие импульсный источник очень быстрых нейтронов для возбуждения атомов жидкости и детектор гамма-лучей от возбужденных атомов, располагаемый необходимым для измерения скорости образом, средства измерения плотности включают гамма-источник, располагаемый так, чтобы гамма-лучи проходили через жидкость, и сцинтиллятор, располагаемый так, чтобы принимать гамма-лучи, а также средства для определения плотности жидкости по ослаблению гамма-лучей.

Недостатком аналога является сложность обслуживания аппаратуры из-за того, что средства измерения плотности, состава и скорости жидкости используют нескольких источников излучений: ампульный гамма-источник (¹³⁷Cs), ампульный источник быстрых нейтронов (²⁴¹Am/Be) и импульсный источник очень быстрых нейтронов на основе нейтронной трубки; сравнительно низкая точность и надежность измерений из-за того, что измерение плотности жидкости проводится только по ослаблению гамма-излучения, а измерения плотности, состава и скорости жидкости проводятся с помощью разных источников, в разных сечениях трубопровода и без мониторирования источников излучений.

Известен «Монитор многофазной жидкости» [Патент GB №2332937, G01N 23/222, 1997. Прототип], включающий средства облучения быстрыми нейтронами от трубки, генерирующей быстрые нейтроны, средства регистрации мгновенных гамма-лучей, излучаемых из области облучения, средства, обеспечивающие сигналы, характеризующие энергетический спектр мгновенных гамма-лучей, обходной трубопровод с возможностью его заполнения прокачиваемой или калибровочной жидкостью, средства контроля содержимого облучаемой области и анализирующие средства для определения характеристик прокачиваемой жидкости, используя сигналы, характеризующие спектры, полученные для прокачиваемой жидкости и калибровочных жидкостей.

Недостатком прототипа является ограничение области применения только теми трубопроводами для прокачки многофазной жидкости, которые снабжены необходимой запорной арматурой и допускают подключение обходного трубопровода.

Техническим результатом изобретения является расширение области применения устройства, поскольку устройство позволяет устанавливать его на любой действующий трубопровод, используемый для прокачки многофазной жидкости, который может и не содержать запорной арматуры, необходимой для подключения обходного трубопровода.

Технический результат достигается тем, что монитор многофазной жидкости, содержащий трубопровод, резервуары для калибровочных жидкостей, жидкостные насосы, измеритель скорости потока, анализатор жидкости, включающий генератор 14 МэВ нейтронов и гамма-спектрометры, располагаемые на трубопроводе и подключенные к анализатору спектра, связанному с микрокомпьютером, измеритель скорости потока располагается на трубопроводе на расстоянии от генератора 14 МэВ нейтронов по направлению потока многофазной жидкости и подключен к многоканальному временному анализатору, синхронизованному с генератором 14 МэВ нейтронов, дополнительно содержит один или несколько трубопроводов, соединенных с резервуарами для калибровочных жидкостей посредством жидкостных насосов, количество трубопроводов равно количеству калибровочных жидкостей, трубопроводы закрепляются на трубопроводе для прокачки многофазной жидкости параллельно ему и образуют вместе с ним полость, связанную с внешним пространством, генератор 14 МэВ нейтронов располагается внутри полости, гамма-спектрометры устанавливаются на всех трубопроводах, входят в состав анализатора жидкости и подключены к анализатору спектра, количество гамма-спектрометров равно или больше количества трубопроводов, измеритель скорости потока располагается на трубопроводе для прокачки многофазной жидкости на расстоянии L>V × t от генератора 14 МэВ нейтронов по направлению потока многофазной жидкости, где V - скорость потока многофазной жидкости, a t - время ее облучения.

Сущность изобретения поясняется на чертеже, где представлено устройство монитора с тремя трубопроводами, заполняемых калибровочными жидкостями: 1 - трубопровод для прокачки многофазной жидкости, 2-4 - трубопроводы, заполняемые калибровочными жидкостями; 5, 6 - входные патрубки для трубопроводов 2 и 3; 7, 8 - выходные патрубки для трубопроводов 2 и 3; 9 - полость, 10 - генератор 14 МэВ нейтронов; 11 - гамма-спектрометры; 12 - узел крепления устройства на трубопроводе для прокачки многофазной жидкости 1; 13 - узел для соединения и фиксации трубопроводов 2-4, заполняемых калибровочными жидкостями, между собой.

Трубопроводы 2-4, заполняемые калибровочными жидкостями, образуют единое целое с помощью узла для соединения и фиксации трубопроводов 13, устанавливаются на трубопроводе для прокачки многофазной жидкости 1 с помощью узла крепления 12 и подключаются к резервуарам с калибровочными жидкостями (не показаны) с помощью запорной арматуры и жидкостных насосов (не показаны). Количество трубопроводов, заполняемых калибровочными жидкостями, и количество резервуаров по отдельности равно количеству калибровочных жидкостей. Обычно в качестве калибровочных жидкостей используется керосин, имитирующий жидкий углеводород, и вода. Может также использоваться смесь керосина и воды или вода различной солености и другие жидкости.

Полость 9, связанная с внешним пространством, обеспечивает возможность обслуживания генератора 14 МэВ нейтронов 10 без разборки устройства.

Генератор 14 МэВ нейтронов 10 служит для одновременного облучения многофазной и калибровочных жидкостей в трубопроводах 1-4 быстрыми нейтронами и устанавливается для этого внутри полости 9. Блоки питания генератора 14 МэВ нейтронов 10, электронных блоков анализатора жидкости и сцинтилляционного измерителя скорости потока (не показаны) располагаются снаружи устройства.

Излучение генератора 14 МэВ нейтронов 10 симметрично относительно его оси, поэтому плотность нейтронного потока на поверхности всех трубопроводов известна в любой момент времени и обратно пропорциональна квадрату расстояния между источником нейтронов и облучаемой областью. При этом результаты измерений гамма-спектров для многофазной и калибровочных жидкостей, получаемые с помощью гамма-спектрометров 11, не зависит от нестабильности выхода генератора 14 МэВ нейтронов 10 и от временного дрейфа электронных блоков анализатора жидкости (на Чертеже не показаны).

Гамма-спектрометры 11 служат для измерения спектра гамма-излучения, возникающего в многофазной и калибровочных жидкостях при их облучении быстрыми нейтронами. Они обеспечены коллиматорами гамма-излучения (не показаны) и располагаются на поверхности трубопроводов 1-4 симметрично относительно генератора 14 МэВ нейтронов 10 так, чтобы регистрировать гамма-излучение, исходящее из области облучения в соответствующем трубопроводе и не регистрировать гамма-излучение, исходящее из генератора 14 МэВ нейтронов 10 и из соседних трубопроводов. Гамма-спектрометры 11 подключены к анализатору спектра (не показан), данные с которого передаются для обработки в микрокомпьютер (не показан).

Измеритель скорости потока (не показан) устанавливается на трубопровод для прокачки многофазной жидкости 1 на расстоянии от генератора 14 МэВ нейтронов 10 по направлению течения многофазной жидкости. Скорость потока многофазной жидкости определяют по времени между окончанием кратковременного (не более 1 с) облучения многофазной жидкости, содержащей воду, и моментом появления в многоканальном временном анализаторе (не показан) сигнала от измерителя скорости потока (не показан), вызванного гамма-квантами, исходящими от возбужденных ядер кислорода- 16 с энергией 6,1 МэВ (68,8%) и 7,1 МэВ (4,7%) и периодом полураспада 7,2 с. Для регистрации гамма-квантов используют детекторы гамма-излучения и, в частности, сцинтилляционный детектор с кристаллом NaI.

Расстояние L между генератором 14 МэВ нейтронов 10 и измерителем скорости потока (не показан) выбирают исходя из предполагаемой скорости потока многофазной жидкости V и времени облучения t<1 с согласно соотношению (I):

Устройство работает следующим образом.

Устройство закрепляется на трубопроводе для прокачки многофазной жидкости 1 с помощью узла крепления устройства 12. Многофазная жидкость прокачивается по трубопроводу 1, а калибровочные жидкости заполняют трубопроводы 2-4.

Обеспечивают электропитанием генератор 14 МэВ нейтронов 10, гамма-спектрометры 11, анализатор спектра (не показан), измеритель скорости потока (не показан), многоканальный временной анализатор ( не показан), микрокомпьютер (не показан) и жидкостные насосы (не показаны).

При измерении фракционного состава многофазная жидкость, находящаяся в трубопроводе для прокачки многофазной жидкости 1, и калибровочные жидкости в трубопроводах для калибровочных жидкостей 2-4 облучаются быстрыми нейтронами от генератора 14 МэВ нейтронов 10, работающем в частотном режиме. Быстрые нейтроны, взаимодействуя с атомами веществ, входящих в состав жидкостей, приводят к появлению время импульса гамма-излучения неупругого рассеяния, спектр которого целиком определяется составом облучаемой жидкости и измеряется с помощью гамма-спектрометров 11 и анализатора спектра (не показан). Данные о спектрах передаются для обработки в микрокомпьютер. Время облучения при измерении состава многофазной жидкости может составлять десятки минут.

При измерении скорости потока многофазной жидкости в трубопроводе для прокачки многофазной жидкости 1 генератор 14 МэВ нейтронов 10 включают на время t<1 с, а затем выключают. С помощью многоканального временного анализатора (не показан) измеряют интервал времени Δt между моментом окончания облучения многофазной жидкости в трубопроводе 1 и появлением сигнала на выходе измерителя скорости потока (не показан), вызванного гамма-лучами, исходящих от активированных ядер кислорода-16.

Производят обработку полученных данных с помощью микрокомпьютера, оснащенного необходимым программным обеспечением, позволяющим определить фракционный состав, скорость потока и массовый расход многофазной жидкости.

Фракционный состав и плотности фракций определяют путем сравнения гамма-спектров, полученных от многофазной и калибровочных жидкостей.

Скорость потока многофазной жидкости V определяют с помощью выражения (2):

где L - расстояние между генератором 14 МэВ нейтронов 10 и измерителем скорости потока (на Чертеже не показан), Δt - интервал времени между моментом окончания облучения многофазной жидкости в трубопроводе для прокачки многофазной жидкости 1 и появлением сигнала на выходе измерителя скорости потока (не показан).

Массовый расход определяют, используя данные об объеме, плотности и скорости потока углеводородной фракции многофазной жидкости.