Результат интеллектуальной деятельности: 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 несколько 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, 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.

Недостатками прототипа являются сравнительно низкая точность измерений из-за того, что облучение прокачиваемой и калибровочной жидкостей проводится не одновременно, и сравнительно низкая производительность из-за необходимости прекращения, время от времени, измерения прокачиваемой жидкости и проведения поочередно измерений нескольких калибровочных жидкостей.

Техническим результатом изобретения является: повышение производительности и точности измерений за счет одновременного облучения прокачиваемой и калибровочных жидкостей, не требующего очередности измерений каждой жидкости и обеспечивающего независимость результатов измерений от нестабильности работы нейтронного источника и электронных блоков устройства, а также от нестабильности характеристик потока многофазной жидкости.

Технический результат достигается тем, что монитор многофазной жидкости, содержащий обходной трубопровод с возможностью его соединения с трубопроводом для прокачки многофазной жидкости, резервуары для калибровочных жидкостей, жидкостные насосы, анализатор жидкости, измеритель скорости потока, анализатор жидкости включает генератор 14 МэВ нейтронов и гамма-спектрометры, располагаемые на обходном трубопроводе и подключенные к анализатору спектра, связанному с микрокомпьютером, измеритель скорости потока располагается на обходном 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 трубопроводы, соединенные с резервуарами для калибровочных жидкостей посредством жидкостных насосов, количество этих трубопроводов равно количеству калибровочных жидкостей, трубопроводы располагаются параллельно обходному трубопроводу 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, их количество равно или больше количества трубопроводов, измеритель скорости потока располагается на обходном трубопроводе 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 дополнительными трубопроводами, предназначенными для их заполнения калибровочными жидкостями: 1 - обходной трубопровод, 2, 3 и 14 - дополнительные трубопроводы; 4, 5 и 6 - входные патрубки соответственно для обходного трубопровода 1 и дополнительных трубопроводов 2 и 3; 7, 8 и 9 - выходные патрубки соответственно для обходного трубопровода 1 и дополнительных трубопроводов 2 и 3; 10 - гамма-спектрометры; 11 - полость, 12 - генератор 14 МэВ нейтронов; 13 - узел для соединения и фиксации трубопроводов 1-3 и 14 между собой.

Измеритель скорости потока (на чертеже не показан) устанавливается на обходной трубопровод 1 на расстоянии от генератора 14 МэВ нейтронов 12 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 (на чертеже не показан) сигнала от измерителя скорости потока (на чертеже 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 12 и измерителем скорости потока (на чертеже не показан) выбирают, исходя из предполагаемой скорости потока многофазной жидкости V и времени облучения t<1 с, согласно соотношению (I):

Обходной трубопровод 1 с помощью патрубков 4, 7 и запорной арматуры (на чертеже не показана), включающей Т-образные трубные вставки, вентили и гибкие и/или жесткие металлические рукава, присоединяется к основному трубопроводу (на чертеже не показан), используемому для прокачки многофазной жидкости. Дополнительные трубопроводы 2, 3 и 14 подключаются с помощью патрубков и запорной арматуры (на чертеже не показана) к резервуарам с калибровочными жидкостями (на чертеже не показаны). Количество дополнительных трубопроводов равно количеству применяемых калибровочных жидкостей. При измерении многофазной жидкости в условиях нефтедобывающей скважины в качестве калибровочных жидкостей могут использоваться керосин, имитирующий жидкий углеводород, и вода. Может также использоваться смесь керосина и воды или вода различной солености и другие жидкости. Калибровочные жидкости хранят в резервуарах (на чертеже не показаны) и прокачивают по дополнительным трубопроводам 2, 3 и 14 или заполняют эти трубопроводы с помощью жидкостных насосов (на чертеже не показаны), входящих в состав поверочного оборудования (на чертеже не показано).

Полость 11, связанная с внешним пространством, обеспечивает возможность обслуживания генератора 14 МэВ нейтронов 12 без разборки устройства и прекращения потока многофазной жидкости.

Генератор 14 МэВ нейтронов 12 служит для одновременного облучения многофазной и калибровочных жидкостей в трубопроводах 1, 2, 3 и 14 быстрыми нейтронами и устанавливается для этого внутри полости 11 соосно с ней. Блоки питания генератора 14 МэВ нейтронов 12, электронных блоков анализатора жидкости и измерителя скорости потока (на чертеже не показаны) располагаются снаружи устройства. Излучение генератора 14 МэВ нейтронов 12 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 10, не зависят от нестабильности выхода генератора 14 МэВ нейтронов 12 и от временного дрейфа электронных блоков анализатора жидкости (на чертеже не показаны).

Гамма-спектрометры 10, входящие в состав анализатора жидкости, служат для измерения спектра гамма-излучения, возникающего в многофазной и калибровочных жидкостях при их облучении быстрыми нейтронами. Они обеспечены коллиматорами гамма-излучения (на чертеже не показаны) и располагаются на поверхности трубопроводов 1-3 и 14 симметрично относительно генератора 14 МэВ нейтронов 12 так, чтобы регистрировать гамма-излучение, исходящее из области облучения в соответствующем трубопроводе и не регистрировать гамма-излучение, исходящее из генератора 14 МэВ нейтронов 12 и из соседних трубопроводов. Гамма-спектрометры 10 подключены к анализатору спектра (на чертеже не показан), данные с которого передаются для обработки в микрокомпьютер (на чертеже не показан).

Устройство подключается к действующему трубопроводу с помощью патрубков 4, 7, а также запорной арматуры и работает следующим образом. Обеспечивают электропитанием генератор 14 МэВ нейтронов 12, гамма-спектрометры 10, анализатор спектра (на чертеже не показан), микрокомпьютер (на чертеже не показан), измеритель скорости потока (на чертеже не показан), многоканальный временной анализатор (на Чертеже не показан) и жидкостные насосы (на Чертеже не показаны). Многофазная жидкость прокачивается по обходному трубопроводу 1, а калибровочные жидкости заполняют дополнительные трубопроводы 2, 3 и 14.

При измерении фракционного состава многофазная жидкость, находящаяся в обходном трубопроводе 1, и калибровочные жидкости в дополнительных трубопроводах 2, 3 и 14 облучают быстрыми нейтронами от генератора 14 МэВ нейтронов 12, работающего в частотном режиме. Быстрые нейтроны, взаимодействуя с атомами веществ, входящих в состав жидкостей, приводят к появлению во время импульса гамма-излучения неупругого рассеяния, спектр которого целиком определяется составом облучаемой жидкости и измеряется с помощью гамма-спектрометров 10 и анализатора спектра (на чертеже не показан). Данные о спектрах передаются для обработки в микрокомпьютер. Время облучения при измерении фракционного состава многофазной жидкости может составлять десятки минут.

При измерении скорости потока многофазной жидкости в обходном трубопроводе 1 генератор 14 МэВ нейтронов 12 включают на время t<1 с, а затем выключают. С помощью многоканального временного анализатора (на чертеже не показан) измеряют интервал времени Δt между моментом окончания облучения многофазной жидкости в обходном трубопроводе 1 и появлением сигнала на выходе измерителя скорости потока (на чертеже 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 12 и измерителем скорости потока (на чертеже не показан). Δt - интервал времени между моментом окончания облучения многофазной жидкости в обходном трубопроводе 1 и появлением сигнала на выходе измерителя скорости потока (на чертеже не показан).

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