Способ измерения покомпонентного расхода трехкомпонентного газожидкостного потока и устройство для его осуществления

 

Использование: в нефтедобывающей промышленности для контроля дебита нефтяных скважин. Сущность изобретения: с помощью емкостного или радиоволнового датчика, помещенного в поток, определяют его резонансную частоту, излучают в поток микроволновый электромагнитный сигнал и измеряют сдвиг фаз сигналов, отраженных от потока или прошедших через него, измеряют допплеровский сдвиг частоты того же сигнала, причем, все измерения проводят одновременно, по измеренным величинам определяют относительное обьемное содержание компонент, скорость потока и расход каждой компоненты. В случае нарастания на стенках трубопровода слоя парафина для определения его толщины излучают вдоль трубы поверхностную волну и изменяют угол наклона края ее диаграммы направленности до появления в отраженном сигнале допплеровского сдвига частоты, измеряют мощность прошедшего поток сигнала и амплитуду отраженного сигнала, при этом, толщину слоя парафина вычисляют по итерационному алгоритму. Устройство содержит зондирующий блок 1, СВЧ-генератор 2, измеритель фазовых сдвигов 3, емкостной датчик 4, измеритель скорости потока 5, детектор затухания 6, вычислительное устройство 7, регистратор и направленные ответвители 9,10,11, циркулятор 12, переключатели 13,14. 2 с.и 5 з.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться для измерения расхода трехкомпонентного потока, в частности, в нефтедобывающей отрасли при контроле дебита нефтяных скважин.

Имеется ряд известных технических решений для определения относительного содержания различных компонент в потоке смеси, основанных на измерении сдвига фаз и затухания (СВЧ-сигналов ври их прохождении или отражении от тестируемого потока с последующей обработкой этих данных в мини-компьютере [1] Недостатком этих способов и устройств является существенная зависимость затухания сигнала в смеси от удельной проводимости содержащейся в ней воды которая может меняться в пределах от 10^-3 до 4,3 ом^-1м^-1 для различной солености.

Изменение в процессе эксплуатации скважины солености воды и ее удельной проводимости приводит к потребности измерения содержания воды в потоке смеси, либо требует измерения также еще и солености воды или ее удельной проводимости. К дополнительной погрешности приводит нарастание на стенках трубопровода отложений парафина, что уменьшает его поперечное сечение, а наросший неподвижный слой воспринимается устройством как входящий в состав протекающей жидкости. Кроме того, не решается вторая задача определение расхода.

Ближайшим аналогом изобретения является способ измерения покомпонентного расхода трехкомпонентного газожидкостного потока, проходящего по трубопроводу, включающий предварительную подготовку потока, последовательное измерение соотношения компонент и расхода, и устройство, содержащее зондирующий блок в виде отрезка трубопровода с установленными на нем радиоволновым или емкостным датчиком покомпонентного состава потока, вычислительное устройство и регистрирующий блок [2] Недостатками этого технического решения являются расположение в потоке газожидкостной смеси деталей расходомера и узла подготовки потока, а также определение соотношения компонент по формулам, основанным на предполагаемой известной связи диэлектрической проницаемости газожидкостной смеси с диэлектрическими проницаемостями каждой из компонент, которая не является стабильной и зависит от ряда неконтролируемых факторов, например, от коэффициента флокуляции /отношения влажности, содержащейся в сгруппированных глобулах к общей влажности смеси/, что снижает точность определения покомпонентного расхода.

Техническим результатом от использования изобретения является повышение точности измерения покомпонентного расхода, надежности устройства, а также снижение эксплуатационных затрат. Это достигается тем, что в способе измерения покомпонентного расхода трехкомпонентного газожидкостного потока, проходящего по трубопроводу, включающем определение соотношения компонентов и расхода и обработку полученных результатов, для определения соотношения компонентов с помощью емкостного или радиоволнового датчика, через первичный преобразователь которого пропускают поток, измеряют его резонансную частоту, излучают в поток микроволновый электромагнитный сигнал и измеряют сдвиг фаз сигналов, отраженных от потока или прошедших через него, а для определения расхода измеряют допплеровский сдвиг частоты того же сигнала, причем, все измерения проводят одновременно в одном и том же локальном объеме трубопровода, определяют относительное объемное содержание компонент путем отыскания в банке данных, полученных при калибровке, такого же сочетания величин резонансной частоты и сдвига фазы, как полученных при измерении, по максимальному значению допплеровского сдвига частоты вычисляют скорость потока и величину общего расхода, а с учетом относительного объемного содержания компонент расход каждой компоненты, а также тем, что дополнительно измеряют коэффициент поглощения сигнала, прошедшего поток и/или отраженного от него, и температуру потока, а относительнее объемное содержание компонент определяют путем отыскания в банке данных, полученных при калибровке, того же сочетания величин резонансной частоты, сдвига фазы и коэффициента поглощения, как полученных при измерении, причем, при изменении удельной проводимости воды и ее структуры в смеси банк данных корректируют.

В случае нарастания слоя парафина на внутренней поверхности трубопровода и зондирующего блока с помощью дополнительной антенны вдоль стенки трубопровода излучают поверхностную волну, принимают отраженный от неоднородностей, находящихся в потоке, сигнал, причем, при отсутствии в отраженном сигнале допплеровского сдвига частоты изменяют угол наклона Θ края диаграммы направленности антенны к оси трубопровода до появления допплеровского сдвига частоты с помощью детектора затухания измеряют мощность Р_пр прошедшего через поток или отраженного от него сигнала, измеряют амплитуду u_γ отраженного сигнала, а относительное объемное содержание воды V^o_в, нефти V^o_н и газа V^o_г в потоке, общий расход Q потока и расход каждой из компонент Q_н, Q_в, Q_г вычисляют по формулам, при этом толщину слоя парафина вычисляют во итерационному алгоритму.

Технический результат в устройстве, содержащем зондирующий блок в виде отрезка трубопровода с установленными на нем радиоволновым или емкостным датчиком покомпонентного состава потока, вычислительное устройство и регистрирующий блок, достигается тем, что корпус зондирующего блока выполнен с окнами из радиопрозрачного материала или целиком из этого материала, на внутренней поверхности корпуса впотай в толще его стенок расположены обмотки или пластины первичного преобразователя радиоволнового или емкостного датчика, приема-передающая антенна под углом к оси трубопровода и напротив нее приемная антенна, радиоволновой или емкостной датчик покомпонентного состава потока содержит соединенные последовательно в замкнутую цепь первый управляемый генератор, резонансный контур, в который входят обмотки или пластины первичного преобразователя, и экстремальный регулятор, выход которого соединен со входом первого управляемого генератора и с седьмым входом вычислительного устройства, в состав устройства введен управляемый СВЧ-генератор, выход которого через первый направленный ответвитель соединен о измерителем фазовых сдвигов, включающим последовательно соединенные управляемый фазовращатель, первый смеситель, дифференциальный усилитель и первую цепь обратной связи, выход которой соединен с управляющим входом управляемого фазовращателя, и с циркулятором, первый выход которого соединен с приема-передающей антенной, а второй через второй направленный ответвитель с первым переключателем, второй вход которого соединен с приемной антенной, а выход со вторым входом первого смесителя, расходомер выполнен в виде допплеровского измерителя скорости потакай содержит последовательно соединенные второй смеситель, первый вход которого соединен с вторым выходом второго направленного ответвителя, усилитель промежуточной частоты, дискриминатор с полосовым фильтром, амплитудным детектором и пороговым устройством, ключ, вторую цепь обратной связи и второй управляемый генератор, выход которого соединен со вторым входом второго смесителя, ори этом, вычислительное устройство выполнено с большим объемом памяти, его первый вход соединен со вторым выходом управляемого фазовращателя, третий вход с выходом второй цепи обратной связи, шестой с первым выходом дискриминатора, его первый выход со вторым входом ключа, третий с управляющим входом второго управляемого генератора, шестой с управляющим входом СВЧ-генератора, а седьмой с входом регистрирующего блока, а также тем, что в него введены детектор затухания, третий направленный ответвитель и датчик температуры, причем выход первого переключателя соединен со вторым входом первого смесителя через третий направленный ответвитель, второй выход которого соединен с входом детектора затухания, выход которого соединен со вторым входом вычислительного устройства, а датчик температуры установлен в зондирующем блоке и соединен с восьмым входом вычислительного устройства.

Технический результат достигается также тем, что в устройство введен второй переключатель и антенна поверхностных волн, размещенная в стенке зондирующего блока и соединенная со вторым выходом второго переключателя, первый выход которого соединен с приемо-передающей антенной, первый вход соединен с первым выходом циркулятора, а второй вход с четвертым выходом вычислительного устройства, а также третья цепь обратной связи, вход которой соединен со вторым выходом дискриминатора, а выход с пятым входом вычислительного устройства, СВЧ-генератор снабжен вторым управляющим входом, соединенным с выходом третьей цепи обратной связи, дискриминатор дополнительно снабжен вторым пороговым устройством, инвертором и третьим переключателем, при этом вход полосового фильтра является первым входом дискриминатора, его выход через амплитудный детектор соединен с первым пороговым устройством непосредственно и через инвертор со вторым пороговым устройством, выходы первого и второго пороговых устройств соединены с первым и вторым входами третьего переключателя, первый и второй выходы которого являются, соответственно, первым и вторым выходами дискриминатора, выход амплитудного детектора его третьим выходом, соединенным с четвертым входом вычислительного устройства, причем, первый вход третьего переключателя является вторым входом дискриминатора и соединен с пятым выходом вычислительного устройства.

На фиг. 1 показана зависимость коэффициента преломления n от удельной проводимости воды для различных длин волн электромагнитных колебаний; на фиг. 2 диаграмма направленности антенны поверхностных волн в слое парафина: Θ -ширина диаграммы, d -толщина слоя парафина; на фиг. 3 блок-схема устройства для измерения покомпонентного расхода трехкомпонентного газожидкостного потока, проходящего по трубопроводу.

Сущность изобретения базируется на следующих положениях. Как известно, при облучении вещества электромагнитной энергией в микроволновом диапазоне длин волн могут быть замерены такие параметры, как коэффициент поглощения b, сдвиг фазы колебаний a, резонансная частота колебательного контура w_рез, величины которых зависят от частоты зондирующего сигнала, диэлектрической проницаемости вещества и его проводимости, причем два последние параметра изменяются в функции структуры воды.

Можно существенно уменьшить влияние широкого диапазона значений удельной проводимости воды на коэффициент поглощения β и, следовательно, точность определения покомпонентного содержания нефти, воды и газа в измеряемом газожидкостном потоке, используя только замеры фазового сдвига a и резонансной частоты w_рез Влияние удельной проводимости воды на фазовый сдвиг сигнала и резонансную частоту значительно меньше. Так, проведенные исследования показали /см. фиг. 1/, что коэффициент преломления n, а следовательно, и уход фазового сдвига сигнала, при частотах свыше 3,0 Ггц /длина волны λ ниже О, I м/ во всем возможном диапазоне изменения удельной проводимости воды s от 10^-3 до 4,3 ом^-1 м^-1 изменяются на величину всего несколько более одного процента.

Для измерения скорости потока трехкомпонентной газожидкостной смеси использован эффект Допплера в микроволновом диапазоне волн. Возможность использования эффекта допплера для газожидкостной смеси базируется на наличии в потоке неоднородностей в виде пузырьков газа и глобул воды. При этом необходимо учитывать такую особенность, как большое множество находящихся в объеме диаграммы направленности элементов упомянутых неоднородностей. Этой особенностью определяется то, что отраженный сигнал представляет собой суперпозицию элементарных сигналов, полученных от элементов неоднородностей, находящихся на расстояниях от передающей и приемной антенн в диапазоне от нуля до дальности проникновения в газожидкостной поток. Кроме того, в соответствии с формулой для допплеровского смещения частоты где x угол между векторами скорости потока, l длина волны зондирующего сигнала/, в принятом сигнале будет иметься целый спектр допплеровских частот, лежащих в диапазоне углов внутри диаграммы направленности антенной системы, ширина которой изменяется в довольно больших пределах из-за разницы в 16 раз показателей преломления у воды и нефти с учетом относительного объемного содержания воды в смеси в пределах от нуля до 100 Это обстоятельство привело к предложению измерять максимальное значение в спектре допплеровских частот, которое для углов x, близких к p/2, что имеет место при отсутствии на стенках трубопровода отложений парафина, с большой точностью дает величину скорости потока V_пот.

Реализация измерения максимальной допплеровской частоты осуществляется с помощью построения следящего узкополосного фильтра за этой максимальной частотой, где сигналом рассогласования служит отклонение амплитуды сигнала, принятого в пределах узкополосного фильтра, от порогового значения, определяемого достаточным соотношением порог-шум.

Высказанные соображения определили наличие в структуре предлагаемого технического решения таких узлов, как следящая фазометрическая система, экстремальная система автоматического регулирования с настройкой на резонансную частоту емкостного или радиоволнового датчика, допплеровского измерителя скорости потока и вычислительного устройства с калиброванной матрицей параметров смеси для различных относительных содержаний нефти и воды.

Такая структура является простейшей и пригодна для скважин, в которых нет нарастания парафина.

Дальнейшее повышение точности может быть получено путем введения в устройство детектора затухания и датчика температуры, а также расширения банка данных в вычислительном устройстве с учетом набора значений параметров для различных удельных проводимостей воды и периодической корректировки этих данных.

Для скважин, в которых нарастает слой парафина, необходимо измерять его толщину.

Измерение толщины наросшего слоя парафина в данном изобретении основано на признаке отсутствия сигнала допплеровской частоты от неподвижного парафинового слоя и его наличии от неоднородностей движущегося потока, попадающих в диаграмму направленности антенны поверхностных волн.

Сделав предположение о форме диаграммы направленности антенны в вертикальной плоскости в виде равнобедренного треугольника, получим в соответствии с фиг. 2 приближенное выражение для мощности сигнала на входе приемника, отраженного от неоднородностей, расположенных в объеме движущегося потока, определяемого заштрихованным сектором АBС где d толщина слоя парафина; Θ угол наклона края диаграммы направленности антенны поверхностных волн к оси трубопровода в вертикальной плоскости; Dr приращение расстояния r до элемента неоднородности;
i номер приращения Δr /от точки А/;
β коэффициент поглощения движущейся смеси;
b_п коэффициент поглощения наросшего парафина;
P_п излученная мощность;
G коэффициент усиления антенны;
A эффективная площадь антенны;
γ удельная эффективная площадь рассеяния неоднородностей потока;
v ширина диаграммы антенны в горизонтальной плоскости.

Для вычисления g может быть использована несколько видоизмененная формула мощности на входе приемника в случае отраженного сигнала от неоднородностей, занимающих объем, выделенный дон допплеровским фильтром внутри диаграммы направленности антенны с осью, перпендикулярной к оси трубопровода:

где дополнительно к параметрам для формул /2/ и /З/ введены:
Δf_д полоса пропускания допплеровского фильтра;
α_поп ширина диаграммы направленности антенны в поперечном направлении;
λ длина волны излученного сигнала;
V_пот скорость потока смеси;
b_д d_д коэффициент поглощения и толщина слоя диэлектрика на выходе антенны /при его наличии/;
d_тр внутренний диаметр трубопровода.

Как видно из формулы /3/, искомая толщина наросшего слоя парафина d входит в трансцендентное уравнение, решение которого возлагается на вычислительное устройство. Кроме того, необходимо также производить измерения входящих в формулы /2/ и /3/ параметров β, g, и q. Коэффициент поглощения b смеси замеряется детектором затухания, g в дискриминаторе допплеровского измерителя скорости в отстроенном допплеровском фильтре, q по значению сигнала управления углом поворота или шириной диаграммы направленности антенны поверхностных волн, при котором, мощность принимаемого ею сигнала равна пороговой.

Используемые при этом значения параметров b и g замеряются для всего сечения трубопровода, т.е. вместе с наросшим слоем парафина, и должны уточняться с учетом толщины d этого слоя. Поэтому в алгоритм работы вычислительного устройства заложены итерационные процедуры последовательного автоматического приближения к точным значениям толщины неподвижного наросшего парафина d и значений коэффициента поглощения b и удельной эффективной площади рассеяния движущегося потока смеси g.

Принятые в изобретении принципы замера относительного содержания нефти, воды и газа в движущемся газожидкостном потоке, замера скорости этого потока и толщины наросшего слоя парафина предопределили наличие в зондирующем блоке приема-передающей антенны поверхностных волн, обеспечивающей излучение микроволновой энергии вдоль стенки трубопровода, приеме-передающей антенны с осью диаграммы направленности под известным углом к оси трубопровода /в частности перпендикулярно/ и расположенной на противоположной стороне трубопровода приемной антенны.

Таким образом, в своем полном варианте, обеспечивающем наибольшую точность, устройство измерения покомпонентного расхода трехкомпонентного газажидкостного потока, проходящего по трубопроводу, состоит /см. фиг. 3/ из следующих блоков: зондирующего блока 1, СВЧ-генератора 2, измерителя фазовых сдвигов 3, емкостного ила радиоволнового датчика 4, допплеровского измерителя скорости потока 5, детектора затухания 6, вычислительного устройства 7, регистрирующего устройства 8, направленных ответвителей 9, 10, 11, циркулятора 12, переключателей 13 и 14.

Зондирующий блок представляет собой трубу из диэлектрического материала /или с окнами из этого материала/ с внутренним диаметром таким же, как у основного трубопровода, по периметру которой расположены: передающая 15 и приемная 16 антенные направленные под углом к оси трубопровода, антенна поверхностных волн 17, пластины емкостного датчика 18 и 19 /или первичный преобразователь радиоволнового датчика/, датчик температуры 20.

Измеритель фазовых сдвигов 3 является фазометрической следящей системой и содержит управляемый фазовращатель 21, смеситель 22, дифференциальный усилитель 23, цепь обратной связи 24.

Емкостной или радиоволновой датчик 4 содержит резонансный контур 25, элементами которого являются чувствительные звенья 18 и 19 в зондирующем блоке, управляемый генератор 26 и экстремальный регулятор 27.

В состав допплеровского измерителя скорости потока 5 входят смеситель 28, узкополосный усилитель 29, амплитудный дискриминатор 30, ключ 31, цепь обратной связи 32, управляемый генератор 33 и вторая цепь обратной связи 34.

Устройство работает следующим образом.

Электромагнитная энергия от управляемого СВЧ-генератора 2 поступает на направленный ответвитель 9, с которого подается на первый вход управляемого фазовращателя 21 и через циркулятор 12 и переключатель 13 на приемо-передающую антенну 15 и приемо-передающую антенну поверхностных волн 17. Энергия, излученная антенной 15, пронизывает контролируемый поток газожидкостной смеси и принимается приемной антенной 16, притерпев сдвиг по фазе и затухание, зависящее от состава смеси. Принятый антенной 16 сигнал через переключатель 14 и направленный ответвитель 11 поступает на первый вход смесителя 22 измерителя фазовых сдвигов 3, где смешивается с сигналом, пришедшим на его второй вход с первого выхода управляемого фазовращателя 21. Пара сигналов С₁ и С₂ с выхода смесителя усиливается дифференциальным усилителем 23 и его выходной сигнал С₃ поступает через цепь обратной связи 24 на второй /управляющий/ вход управляемого фазовращателя 21, замыкая таким образом контур следящей фазометрической системы, устойчивость которой обеспечивается цепью обратной связи 24. Под воздействием управляющего сигнала управляемый фазовращатель сдвигает фазу опорного СВЧ-сигнала, поступающего на его первый вход, до тех пор, пока разность фаз сигналов, приходящих на первый и второй входы смесителя 22 не примет значения p/2.. В результате при известной статической характеристики управляемого фазовращателя управляющий сигнал Ф пропорционален разности фаз, в которой содержится также интересующий нас сдвиг фаз α электромагнитной энергии при ее прохождении через поток смеси. Со второго выхода управляемого фазовращателя 21 сигнал a_ц, пропорциональный сдвигу фаз в потоке смеси и преобразованный в форму, удобную для вычислительного устройства 7, поступает на его первый вход. Одновременно сигнал со второго выхода направленного ответвителя 11 подается на детектор затухания 6, который вырабатывает сигнал С₄, пропорциональный затуханию электромагнитной энергии в потоке смеси. Он поступает на второй вход вычислительного устройства,
В тех случаях, когда затухание слишком велико /например, при большом диаметре трубопровода/ и уровень сигнала в приемной антенне недостаточен для нормального функционирования измерителя фазовых сдвигов и детектора затухания, переключатель 14 по команде, поступающей с первого выхода вычислительного устройства на его третий управляющий вход, переключает свой выход с сигнала от антенны 16 на сигнал от антенны 15, поступающий через переключатель 13 циркулятор 12 и направленный ответвитель 10 на его второй вход. При этом замеряются сдвиг фаз и затухание отраженной от потока смеси электромагнитной энергии. Эти замеры могут быть использованы как дублирующие и тогда, когда мощность сигнала в принимающей антенне 16 достаточна. В детекторе затухания предусмотрена также возможность установки вручную работы по прошедшему через поток сигналу или по отраженному от него.

Для устранения влияния неопределенности при измерении сдвига фаз, вызванной тем, что на расстоянии между приемной и передающей антеннами укладывается несколько длин волн, замер фаз производится на двух близких частотах и в вычислительном устройстве вычисляется разность этих двух замеров, которая после умножения на соответствующий множитель и является однозначной оценкой интересующего нас сдвига фаз в потоке смеси.

Сигнал, отраженный от протекающего потока газожидкостной смеси и содержащий допплеровскую составляющую смещения частоты излученного сигнала принимается приемо-передающей антенной 15 и через переключатель 13, циркулятор 12, который принятый сигнал направляет на направленный ответвитель 10 и не пропускает обратно к СВЧ-генератору, поступает со второго выхода направленного ответвителя 10 на первый вход смесителя 28, входящего в состав допплеровского измерителя скорости потока 5, представляющего собой следящий фильтр. На второй вход смесителя 26: подается сигнал с управляемого генератора. 33. Сигнал разностной частоты с выхода смесителя через узкополосный усилитель промежуточной частоты 29 поступает на дискриминатор 30, имеющий в своем составе узкополосный фильтр о амплитудным детектором и пороговым устройством.

При работе с широкоугольной антенной, ось диаграммы направленности которой перпендикулярна оси трубопровода, в дискриминаторе напряжение с выхода порогового устройства является его первым выходом. Под воздействием этого напряжения частота управляемого генератора 33 возрастает до тех пор, пока амплитуда сигнала на выходе полосового фильтра не упадет до порогового значения, несколько превышающего уровень шумов. Таким образом осуществляется слежение за максимальной допплеровской частотой. Выходным сигналом допплеровского измерителя скорости является входной сигнал управляемого генератора , который подается на третий вход вычислительного устройства.

В допплеровском измерителе скорости предусмотрен режим поиска допплеровской частоты, который реализуется путем размыкания ключа 31 командой, приходящей на его второй вход со второго выхода вычислительного устройства, и подачей на второй вход управляемого генератора 33 напряжения поиска U_поиск с третьего выхода вычислительного устройства. При этом в качестве информации о завершении поиска и переходу в режим слежения используется в вычислительном устройстве сигнал U_f, поступающий на его четвертый вход с выхода дискриминатора 30.

Для определения толщины наросшего слоя парафина по команде с четвертого выхода вычислительного устройства переключатель 13 подключает к циркулятору 12 вместо антенны 15 антенну 17, сигнал с которой при этом через циркулятор 12 и направленный ответвитель поступает на вход смесителя 28.

Дискриминатор 30 дополняется подключенной к выходу детектора цепью из последовательно соединенных инвертора и второго порогового устройства с большим пороговым уровнем, переключателем и вторым и третьим выходами. Третий выход дискриминатора постоянно подсоединен к выходу детектора, а по команде, поступающей с пятого выхода вычислительного устройства на второй вход дискриминатора, первый выход переключается с выхода первого порогового устройства на выход второго порогового устройства, а второй выход дискриминатора подключается к выходу первого порогового устройства.

При наличии команды на втором входе дискриминатора допплеровский измеритель скорости потока работает в режиме отслеживания минимальной допплеровской частоты в пределах диаграммы направленности антенны поверхностных волн 17.

Отличие сигнала от более высокого порогового значения является в этом режиме первым выходным сигналом дискриминатора, который, как и в режиме работы от антенны 15, через ключ 31 и цепь обратной связи 32 поступает на управляющий вход управляемого генератора 33. Частота сигнала на выходе генератора изменяется до тех пор, пока не станет равной допплеровской частоте сигнала, принимаемого под углом визирования на краю амплитудной диаграммы направленности антенны поверхностных волн 17.

Разность между сигналом с выхода первого амплитудного детектора и более низким пороговым значением выдается на второй выход дискриминатора, с которого через цепь обратной связи 34 поступает /в случае частотного управления шириной диаграммы направленности антенны поверхностных волн/ на второй управляющий вход СВЧ-генератора 2. Таким образом замыкается контур управления частотой СВЧ-генератора, при которой ширина диаграммы направленности антенны поверхностных волн 17 такова, что ее незначительная часть выходит за пределы неподвижного слоя парафина в движущийся поток газожидкостной смеси. Сигнал управления СВЧ-генератором-выход цепи обратной связи 34, содержащий информацию об угле наклона внутреннего края диаграммы направленности антенны 17, подается также на пятый вход вычислительного устройства. При работе устройства от сигналов с антенны 16, т.е. при отсутствии команды на дискриминатор 30 с пятого выхода вычислительного устройства, сигнал на втором выходе дискриминатора отсутствует и управление СВЧ-генератором осуществляется по его первому вход непосредственно сигналом с шестого выхода вычислительного устройства.

Для определения удельной эффективной площади рассеяния неоднородностей потока γ ключ 31 по команде с вычислительного устройства размыкается, а на второй вход управляемого генератора 33 с третьего выхода вычислительного устройства поступает сигнал, обеспечивающий уменьшение частоты Допплера на величину, немного меньшую ее значения перед размыканием ключа 31, при этом сигнал, поступающий с третьего выхода дискриминатора на 6-й вход вычислительного устройства, пропорционален g.

Работа емкостного датчика происходит следующим образом.

Пластины первичного преобразователя 18 и 19, между которыми находится поток контролируемой газожидкостной смеси с диэлектрической проницаемостью, зависящей от относительного содержания компонент этого потока, образуют конденсатор, который соединен с первым и вторым входами резонансного контура 25. Выход резонансного контура подключен ко входу экстремального регулятора 27 который вырабатывает и подает на вход управляемого генератора 26 такой сигнал, при котором на его выходе, соединенном с третьим входом резонансного контура 25, частота сигнала равна резонансной частоте для данной диэлектрической проницаемости потока смеси. Выходной сигнал экстремального регулятора подается также на седьмой вход вычислительного устройства.

Сигналы, полученные в результате работы описанных выше систем обрабатываются в вычислительном устройстве по следующим алгоритмам.

Относительное объемное содержание нефти и воды определяется путем поиска в памяти вычислительного устройства соответствующих значений V^т_н и Vⁿ_в для замеренных величин фазового сдвига α и резонансной частоты w_рез и /или/ для замеренных значений α и коэффициента поглощения b, а также температуры смеси, поступающей с датчика температуры на восьмой вход вычислительного устройствам Данные в память заносятся или уточняются при калибровке под конкретную нефть массивами для различных значений удельной проводимости воды s и ее температуры T /возможен учет изменения температуры при работе устройства путем коррекции s /. Найденные таким образом относительные значения объемного содержания нефти и воды при наличии отложений парафина на стенках трубопровода /зондирующего блока/ корректируются в соответствии со следующими формулами:



где d_тр внутренний диаметр трубопровода /зондирующего блока/;
d толщина наросшего слоя парафина.

Определение толщины наросшего слоя парафина производится по итерационному алгоритму в следующей последовательности:
I/ вычисление коэффициента поглощения движущейся смеси β_k k-ой итерации из уравнения:

2/ вычисление удельной эффективной площади рассеяния неоднородностей движущейся смеси b_k k-ой итерации по уравнению:

3/ вычисление толщины слоя парафина (d_k k-ой итерации из уравнения, полученного из /3/ для малых значений угла Θ:

полученное значение d_k подставляется вместо d_k-1 в уравнение /8/ и вся процедура повторяется непрерывно, либо периодически с интервалом времени, определяемым из скорости нарастания парафина.

В приведенных формулах /8/, /9/, /10/ обозначено:
K_β коэффициент, зависящий от параметра передатчика, антенной системы и СВЧ-тракта;
P_β мощность на входе приемника, получаемая с выхода детектора затухания 6;
b_п коэффициент поглощения парафина;
l- расстояние между передающей и приемной антеннами;
K_γ коэффициент, зависящий от параметров передатчика дискриминатора 30, антенной системы 15-16 и СВЧ-трактов;
u_γ напряжение со второго выхода дискриминатора 30;
Dr шаг по расстоянию r от антенны 15, принятой для вычислений;
i количество шагов в движущемся потоке;
V_пот скорость потока смеси;
k коэффициент, зависящий от параметров передатчика, дискриминатора 30, антенной системы поверхностных волн и CВЧ-трактов;
Θ угол наклона края диаграммы направленности антенны поверхностных волн к оси трубопровода.

Скорость потока смеси вычисляется по формуле

где l длина волны в вакууме;
частота допплера со входа управляемого генератора 33.

Общий расход смеси Q вычисляется по формуле
Q=π(r_тр-d)²·v_пот, (12)
а отдельных компонент воды, нефти и газа соответственно по формулам
Q_в=V^o_в·Q; (13)
Q_н=V^o_н·Q; (14)
Q_г = V^o_г·Q (15)
Результаты всех расчетов в вычислительном устройстве выдаются с его седьмого выхода в регистрирующий блок 8.

Вычислительное устройство выполняет также функции управления всем устройством, обеспечивая последовательность реализации режимов работы путем периодической выдачи команд на управление переключателями 13 и 14, дискриминатором 30, ключом 31, СВЧ-генератором 2.

Формула изобретения

1. Способ измерения покомпонентного расхода трехкомпонентного газожидкостного потока, проходящего по трубопроводу, включающий определение соотношения компонент и расхода и обработку полученных результатов, отличающийся тем, что для определения соотношения компонент с помощью емкостного или радиоволнового датчика, через первичный преобразователь которого пропускают измеряемый поток, измеряют его резонансную частоту, излучают в поток микроволновый электромагнитный сигнал и измеряют сдвиг фаз сигналов, отраженных от потока и/или прошедших через него, а для определения расхода измеряют допплеровский сдвиг частоты того же сигнала, отраженного от неоднородностей потока, причем все измерения проводят одновременно в одном и том же локальном объеме трубопровода, определяют относительное объемное содержание компонент путем отыскания в банке данных, полученных при калибровке, такого же сочетания величин резонансной частоты и сдвигов фаз, как полученных при измерении, по максимальному значению допплеровского сдвига частоты вычисляют скорость потока и величину общего расхода, а с учетом относительного объемного содержания компонент расход каждой компоненты.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно измеряют коэффициент поглощения сигнала, прошедшего поток и/или отраженного от него, и температуру потока, а относительное объемное содержание компонент определяют путем отыскания в банке данных, полученных при калибровке, того же сочетания величин резонансной частоты, сдвигов фаз и коэффициента поглощения, как полученных при измерении, причем при изменении удельной проводимости воды и ее структуры в потоке банк данных корректируют.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что с помощью дополнительной антенны вдоль стенки трубопровода излучают поверхностную волну, принимают отраженный от неоднородностей, находящихся в потоке и в наросшем на внутренних стенках трубопровода парафине, сигнал, причем при отсутствии в отраженном сигнале допплеровского сдвига частоты изменяют угол наклона Θ края диаграммы направленности антенны к оси трубопровода до появления допплеровского сдвига частоты, с помощью детектора затухания измеряют мощность P_пр прошедшего через поток и/или отраженного от него сигнала, измеряют амплитуду U_γ отраженного сигнала, а толщину наросшего слоя парафина d, относительное объемное содержание воды Vв^o, нефти Vн^o и газа Vг^o в потоке, общий расход Q потока и расход каждой из компонент Q_н, Q_в, Q_г вычисляют по формулам:






Q = π(r_тр- d)²· V_пот;
Q_н Vн^o·Q;
Q_в Vв^o·Q;
Q_г Vг^o·Q,
где
λ длина волны;
Dr приращение расстояния;
k_β; k_γ; k коэффициенты, зависящие от конструкции антенны и параметров передатчиков и приемников;
r_тр внутренний радиус трубопровода;
V_пот скорость потока;
Vн^т, Vв^т относительное объемное содержание нефти и воды из банка данных в памяти вычислительного устройства о значениях резонансной частоты и фазовых сдвигов, соответствующих различным значениям относительно объемного содержания нефти и воды для различных величин удельной проводимости воды и температуры потока, а также структуры воды в потоке.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что толщину наросшего слоя парафина вычисляют по итерационному алгоритму, для чего:
вычисляют коэффициент поглощения движущегося потока К-ой итерации b_k по формуле:

где β_п коэффициент поглощения парафина;
вычисляют удельную эффективную площадь рассеяния неоднородностей движущегося потока К-ой итерации γ_к по формуле

вычисляют толщину слоя парафина К-ой итерации d_к по формуле

полученное значение d_к подставляют вместо d_к-1 в уравнения для β_к и γ_к и всю процедуру повторяют непрерывно, либо периодически с интервалом времени, определяемым из скорости нарастания парафина, причем для к=1 принимают d=0.

5. Устройство для измерения покомпонентного расхода трехкомпонентного газожидкостного потока, проходящего по трубопроводу, содержащее зондирующий блок в виде отрезка трубопровода с установленным на нем радиоволновым или емкостным датчиком покомпонентного состава потока, вычислительное устройство и регистрирующий блок, отличающееся тем, что корпус зондирующего блока выполнен с окнами из радиопрозрачного материала или целиком из этого материала, на внутренней поверхности корпуса впотай в толще его стенок расположены мотки или пластины первичного преобразователя радиоволнового или емкостного датчика, приемо-передающая антенна под углом к оси трубопровода и напротив нее приемная антенна, радиоволновой или емкостной датчик покомпонентного состава потока содержит соединенные последовательно в замкнутую цепь первый управляемый генератор, резонансный контур, в который входят обмотка или пластины первичного преобразователя, и экстремальный регулятор, выход которого соединен с входом первого управляемого генератора и с седьмым входом вычислительного устройства, в состав устройства введен управляемый СВЧ-генератор, выход которого через первый направленный ответвитель соединен с измерителем фазовых сдвигов, включающим последовательно соединенные управляемый фазовращатель, первый смеситель, дифференциальный усилитель и первую цепь обратной связи, выход которой соединен с управляющим входом управляемого фазовращателя, и с циркулятором, первый выход которого соединен с приемо-передающей антенной, а второй через второй направленный ответвитель с первым переключателем, второй вход которого соединен с приемной антенной, а выход с вторым входом первого смесителя, расходомер выполнен в виде допплеровского измерителя скорости потока и содержит последовательно соединенные второй смеситель, первый вход которого соединен с вторым выходом второго направленного ответвителя, усилитель промежуточной частоты, дискриминатор с полосовым фильтром, амплитудным детектором и пороговым устройством, ключ, вторую цепь обратной связи и второй управляемый генератор, выход которого соединен с вторым входом второго смесителя, при этом вычислительное устройство выполнено с большим объемом памяти, его первый вход соединен с вторым выходом управляемого фазовращателя, третий вход с выходом второй цепи обратной связи, шестой с первым выходом дискриминатора, его первый выход соединен с управляющим входом первого переключателя, второй выход с вторым входом ключа, третий с управляющим входом второго управляемого генератора, шестой с управляющим входом СВЧ-генератора, а седьмой с входом регистрирующего блока.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что в него введены детектор затухания, третий направленный ответвитель и датчик температуры, причем выход первого переключателя соединен с вторым входом первого смесителя через третий направленный ответвитель, второй выход которого соединен с входом детектора затухания, выход которого соединен с вторым входом вычислительного устройства, а датчик температуры установлен в зондирующем блоке и соединен с восьмым входом вычислительного устройства.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что в него введен второй переключатель и антенна поверхностных волн, размещенная в стенке зондирующего блока и соединенная с вторым выходом второго переключателя, первый выход которого соединен с приемо-передающей антенной, первый вход соединен с первым выходом циркулятора, а второй вход с четвертым выходом вычислительного устройства, а также третья цепь обратной связи, вход которой соединен с вторым выходом дискриминатора, а выход с пятым входом вычислительного устройства, СВЧ-генератор снабжен вторым управляющим входом, соединенным с выходом третьей цепи обратной связи, дискриминатор дополнительно снабжен вторым пороговым устройством, инвертором и третьим переключателем, при этом вход полосового фильтра является первым входом дискриминатора, а выход через амплитудный детектор соединен с первым пороговым устройством непосредственно и через инвертор с вторым пороговым устройством, выходы первого и второго пороговых устройств соединены с вторым и третьим входами третьего переключателя, первый и второй выходы которого являются соответственно первым и вторым выходами дискриминатора, выход амплитудного детектора его третьим выходом, соединенным с четвертым входом вычислительного устройства, причем первый вход третьего переключателя является вторым входом дискриминатора и соединен с пятым выходом вычислительного устройства.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3