Устройство для измерения объемного расхода жидкости в трубопроводе

 

Изобретение относится к области нефтедобычи и может быть использовано для контроля объемного расхода жидкости, протекающей по трубопроводу. Устройство содержит акустический датчик-преобразователь, цифровое табло и блок обработки, включающий в себя пороговое устройство, формирователь сигналов порций жидкости, генератор импульсов, счетчик и таймер. Блок обработки содержит дополнительно коммутатор, блок частотных фильтров и вычитающее устройство. Выход датчика-преобразователя соединен со входами блока частотных фильтров и порогового устройства, выход которого подключен к входу формирователя сигналов порций. Первый и второй выходы блока частотных фильтров соединены с соответствующими входами вычитающего устройства, а выходы формирователя сигналов порций и вычитающего устройства через коммутатор подключены к входу генератора импульсов, выход которого соединен с первым входом счетчика, второй вход которого подключен к таймеру. Технический результат выражается в расширении функциональных возможностей устройства. 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 3 ил.

Изобретение относится к области нефтедобычи и может быть использовано для контроля объемного расхода жидкости, протекающей по трубопроводу и производительности нефтяных скважин, оборудованных штанговыми глубинными (ШГН) и электроцентробежными насосами (ЭЦН).

Известно устройство для измерения расхода жидкости в трубопроводе, содержащее турбинный преобразователь расхода, электромагнитный датчик и счетчик (см. кн. Исакович Р.Я. и др. Контроль и автоматизация добычи нефти и газа, М.: Недра, 1976, стр.105).

Недостатком является ограниченность качественного применения устройства при измерении малых расходов жидкости, проходящей по трубопроводу в виде небольших порций, разделенных во времени в процессе работы ШГН. Работа турбинного преобразователя при этом режиме подачи жидкости оказывается нестабильной, а при малом содержании в ней газа или его отсутствии измерение становится невозможным.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является устройство для измерения расхода при непрерывном движении жидкости в процессе работы штангового глубинного насоса, содержащее акустический датчик-преобразователь шумов, создаваемых протекающей по трубопроводу жидкостью, цифровое табло и блок обработки, включающий в себя формирователь сигналов порций жидкости, вентиль, генератор импульсов, счетчик и таймер (см. патент РФ 2140538, кл. Е 21 В 47/10, опубл. БИ 30 за 1999 г.).

Недостатком является то, что устройство не работает при измерении расхода непрерывного потока жидкости, создаваемого в процессе работы ЭЦН. В этом случае порционный режим прохождения жидкости по трубопроводу отсутствует и заложенный в устройстве принцип порционной обработки информации о расходе не может быть использован.

Техническая задача изобретения состоит в том, чтобы создать устройство для комплексного измерения расхода жидкости в трубопроводе при эксплуатации скважины ШГН или ЭЦН.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей устройства за счет обеспечения измерения расхода как при порционном пульсирующем движении жидкости в трубопроводе, так и при ее непрерывном движении.

Поставленная цель достигается описываемым устройством для измерения расхода жидкости в трубопроводе, содержащим акустический датчик-преобразователь, цифровое табло и блок обработки, включающий в себя пороговое устройство, формирователь сигналов порций жидкости, генератор импульсов, счетчик и таймер.

Новым является то, что блок обработки устройства содержит дополнительно коммутатор, блок частотных фильтров и вычитающее устройство, причем выход датчика-преобразователя соединен со входами блока частотных фильтров и порогового устройства, выход которого подключен к входу формирователя сигналов порций, первый и второй выходы блока частотных фильтров соединены с соответствующими входами вычитающего устройства, а выходы формирователя сигналов порций и вычитающего устройства через коммутатор подключены к входу генератора импульсов, выход которого соединен с первым входом счетчика, второй вход которого подключен к таймеру, а выход счетчика - к цифровому табло.

Из доступных источников патентной и научно-технической литературы неизвестна заявленная совокупность отличительных признаков. Следовательно, предлагаемое устройство отвечает критерию "существенные отличия".

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства для измерения объемного расхода жидкости в трубопроводе. На фиг.2,3 представлен графический материал, поясняющий принцип работы устройства для измерения объемного расхода.

Устройство состоит из акустического датчика-преобразователя 1, порогового устройства 2, формирователя сигналов порций жидкости 3, коммутатора 4, генератора импульсов 5, счетчика 6, таймера 7, цифрового табло 8, блока фильтров 9 и вычитающего устройства 10.

Принцип работы устройства для измерения объемного расхода рассмотрен на примере измерения производительности нефтяной скважины.

Устройство для измерения расхода взаимодействует с верхней частью нефтяной скважины 11, к которой подсоединен выкидной трубопровод 12. К внешней части трубопровода 12 прикреплен акустический датчик-преобразователь 1 таким образом, чтобы обеспечивался акустический контакт его с жидкостью, протекающей по трубопроводу. Подача жидкости из скважины 11 в выкидной трубопровод 12 осуществляется глубинным штанговым насосом (ШГН) в виде порций, разделенных во времени. При работе скважины с электроцентробежными насосами (ЭЦН) осуществляется непрерывная подача жидкости в трубопровод.

Прохождение жидкости в выкидном трубопроводе 12 скважины через сечение, в области которого прикреплен к трубопроводу чувствительный акустический датчик-преобразователь 1, вызывает появление специфических шумов, обусловленных трением частиц жидкости о стенки трубопровода, турбулентным характером потока. При появлении этих шумов датчик-преобразователь 1 воспринимает их и преобразует в электрические сигналы переменного тока различной амплитуды со спектром частотных составляющих, лежащих в пределах 20 Гц-12 кГц.

Функционирование последующих блоков устройства рассмотрено для двух режимов работы: 1) работа с ШГН; 2) работа с ЭЦН.

1. При измерении объемного расхода скважины с ШГН по трубопроводу 12 проходят порции жидкости (см. фиг. 2 а) с интервалом, пропорциональным частоте качаний станка-качалки, создающего возвратно-поступательные движения (вверх-вниз) плунжера насоса. Объем каждой порции и, следовательно, время ее прохождения по трубопроводу через сечение, где установлен датчик-преобразователь 1 неодинаковы и зависят от наполнения плунжера жидкостью и пластовых условий в скважине. Преобразованные датчиком-преобразователем 1 в электрические сигналы U_шп (см. фиг.2 б) шумы от каждой порции жидкости поступают на вход 13 порогового устройства 2, в котором осуществляется их выделение над уровнем фоновых шумовых помех U_ф, возникающих в трубопроводе в результате работы устьевого оборудования скважины. С выхода 14 порогового устройства 2 сигналы порций жидкости (см. фиг.2 в) поступают на вход 15 формирователя сигналов порций жидкости 3, который преобразует их в аналоговые сигналы постоянного тока и формирует из них порции потенциалов U_ПОТ одинаковой амплитуды и различной длительности T_П (см. фиг. 2 г). С выхода 16 формирователя 3 эти сигналы подаются на вход 17 коммутатора 4, который в данном режиме работы скважины посылает их с выхода 18 на вход 19 генератора импульсов 5, выполненного по схеме генератора, частота импульсов которого меняется пропорционально поступающему на его вход управляющему напряжению. Каждый поступивший на вход 19 генератора 5 потенциал U_ПОТ порции инициирует в нем генерацию пачки стандартных импульсов фиксированной частоты F, соответствующей объемному расходу Q жидкости через сечение трубопровода за единицу времени [F(имп/сек)≈(Q(л/сек)]. Число импульсов в пачке зависит от длительности _ПОТi управляющего потенциала U_ПОТ. С выхода 20 генератора 5 эти импульсы подаются на вход 21 счетчика 6, который осуществляет их накопление. Временной цикл измерения Т_ц (час, сутки) задается таймером 7, с выхода 22 которого на управляющий вход 23 счетчика 6 подается разрешающий счет сигнал. По окончанию временного цикла Т_ц, в течение которого на счетчик поступит N пачек импульсов, в счетчике 6 фиксируется число Q_ц: соответствующее объемному расходу за заданный временной цикл. Этот результат измерения с выхода 24 счетчика 6 поступает на вход 25 цифрового табло 8, на котором и индицируется.

2. При выполнении измерений расхода на скважине с ЭЦН, когда поток жидкости в трубопроводе непрерывен, шумовой сигнал, снимаемый датчиком-преобразователем 1 с трубопровода 12 также непрерывен и имеет различную амплитуду, зависящую от скорости потока. Статистика промысловых экспериментальных измерений шумов потоков в выкидных трубопроводах нефтяных скважин с ЭЦН, работающих с различной производительностью позволила провести спектральный анализ шумовой информации, который показал, что частотный спектр шумов потока характеризуется неоднородностью по амплитуде составляющих спектра. На фиг. 3 сплошными линиями показаны спектрограммы шумов в выкидных трубопроводах скважин с ЭЦН, полученные при значениях расхода: 20 м³/сут - линия 1; 80 м³/сут - линия 2; 160 м³/сут - линия 3; 320 м³/сут - линия 4. Анализ амплитудно-частотных характеристик позволил выделить характерный частотный диапазон 0,9-3,6 кГц, в котором наблюдался достаточно плавный рост крутизны подъема амплитуд шумов U_ш с увеличением частоты F, представленной штриховыми линиями, соединяющими амплитуды U_ш на крайних частотах этого диапазона, при увеличении расхода, что объясняется физическими закономерностями, проявляющимися при движении жидкостей в трубопроводах с различными скоростями. Сравнение амплитуд акустических сигналов на выбранных рабочих частотах диапазона - 1,0 кГц и 2,9 кГц позволяет получить наиболее качественные результаты экспериментов, в результате которых была построена шкала зависимости абсолютных значений перепадов (разности) амплитуд шумов ΔU_ш (мВ) от расхода Q (м³/сут), представленная в таблице. Величина Q определялась точными средствами измерения расхода на скважинах одновременно с замерами шумов.

Приведенные в таблице отклонения по значениям ΔU_ш характеризуют границы разброса данных по акустическим измерениям на промысле и в известной степени определяют погрешность результата измерений.

В предлагаемом устройстве для измерения объемного расхода реализация зависимости абсолютных значений перепадов (разностей) амплитуд шумов от расхода осуществлялась следующим образом. Непрерывный шумовой электрический сигнал с широким спектром частотных составляющих, снимаемый с выхода датчика-преобразователя 1, подается на вход 26 блока частотных фильтров 9, в котором выделяются сигналы рабочих частот 1,0 кГц и 2,9 кГц и преобразуются в аналоговые сигналы постоянного тока. С выходов 27 и 28 эти сигналы поступают на входы 29 и 30 вычитающего устройства 10, в котором формируются абсолютные значения перепадов (разность) амплитуд сигналов рабочих частот. С выхода 31 вычитающего устройства 10 эти перепады амплитуд проходят на вход 32 коммутатора 4, установленного на режиме работы с ЭЦН и с его выхода 18 подаются на управляющий вход 19 генератора импульсов 5. Частота генерируемых импульсов, соответствующая объемному расходу жидкости, протекающей через измерительное сечение трубопровода в единицу времени (сек) меняется в зависимости от величины перепада (разности) амплитуд акустических сигналов пропорционально расходу. С выхода 20 генератора 5 непрерывная последовательность стандартных импульсов, следующих с различной частотой, поступает на вход 21 счетчика 6. Число импульсов, накопленное в счетчике 6 за заданный временной цикл (час, сутки), организуемый по входу 23 таймером 7 с выхода 24 счетчика 6 подается на вход 25 цифрового табло 8, где индицируется в виде величины объемного расхода.

Использование предлагаемого устройства для измерения объемного расхода жидкости в трубопроводе позволяет осуществить комплексное измерение объемного расхода скважин с ЭЦН и ШГН. При этом сокращаются затраты на приобретение и обслуживание специальных индивидуальных средств измерения производительности скважин с ЭЦН и ШГН, а простота и экономичность процесса акустических измерений расхода уменьшает в 5 раз себестоимость контроля за дебитом эксплуатационных скважин, обеспечивая при этом надежность измерений и достоверность результатов.

Формула изобретения

1. Устройство для измерения объемного расхода жидкости в трубопроводе, содержащее акустический датчик-преобразователь, цифровое табло и блок обработки, включающий в себя пороговое устройство, формирователь сигналов порций жидкости, генератор импульсов, счетчик и таймер, отличающееся тем, что блок обработки содержит дополнительно коммутатор, блок частотных фильтров и вычитающее устройство, причем выход датчика-преобразователя соединен со входами блока частотных фильтров и порогового устройства, выход которого подключен к входу формирователя сигналов порций, первый и второй выходы блока частотных фильтров соединены с соответствующими входами вычитающего устройства, а выходы формирователя сигналов порций и вычитающего устройства через коммутатор подключены к входу генератора импульсов, выход которого соединен с первым входом счетчика, второй вход которого подключен к таймеру, а выход счетчика - к цифровому табло.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что генератор импульсов выполнен по схеме генератора, частота которого управляется напряжением.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4

TK4A Поправки к публикациям сведений об изобретениях в бюллетенях "Изобретения (заявки и патенты)" и "Изобретения. Полезные модели"

Напечатано: (73) Открытое акционерное общество «Татнефть» (RU)

Следует читать: (73) Открытое акционерное общество «Татнефть» имени В.Д. Шашина (RU)

Номер и год публикации бюллетеня: 36-2002

Код раздела: FG4A

Извещение опубликовано: 20.11.2009        БИ: 32/2009