Способ определения объемной доли воды в трубопроводе с газожидкостной смесью

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано на газоконденсатных и нефтедобывающих промыслах в многокомпонентных расходомерах для измерения расхода воды без разделения на фракции газожидкостной смеси (ГЖС) продуктов добычи непосредственно на скважинах или на коллекторных участках первичной переработки. Технический результат: повышение точности определения объемного содержания воды в трубопроводе с ГЖС за счет исключения влияния ее солености на результаты измерения. Сущность: возбуждают соосно на трубу из диэлектрического материала воздействие водной компоненты ГЖС на частоты полей и измерение изменений резонансных частот, возбуждают электромагнитное поле в двух идентичных катушечных резонаторах, помещенных соосно на трубу из диэлектрического материала, двумя идентичными опорным и измерительным автогенераторами. Экранируют электрическое поле катушки опорного автогенератора от газожидкостной смеси. Выравнивают частоты автогенераторов в отсутствие газожидкостной смеси в трубопроводе. Устанавливают коэффициент пропорциональности разности частот автогенераторов по отношению к определяемой объемной доле воды при наличии газожидкостной смеси с известной объемной долей воды.

 

Предлагаемое изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано на газоконденсатных и нефтедобывающих промыслах в многокомпонентных расходомерах для измерения расхода воды без разделения на фракции газожидкостной смеси (ГЖС) продуктов добычи непосредственно на скважинах или на коллекторных участках первичной переработки.

В расходометрии ГЖС широко используется способ разделения компонентов на сепарационных установках с периодическим измерением их расходов. В последнее время интенсивно развивается расходометрия многокомпонентных потоков в реальном масштабе времени, в основном для нефтедобычи, при комплексном использовании классических однофазных расходомеров: турбинных, диафрагменных, кориолисовых, сопел Вентури и других. Однако такие измерительные средства не получили широкого распространения, в основном из-за низкой надежности, при эксплуатации на газоконденсатных и нефтегазовых промыслах.

Известен способ измерения проницаемости жидких диэлектриков, в частности биологических жидкостей (а.с. №1322131, СССР, МКИ G 01 N 22/00, опубл. 7.07.87), включающий возбуждение опорным и измерительным автогенераторами электромагнитных полей в двух кольцевых диэлектрических резонаторах, помещение в аксиальное отверстие резонатора измерительного автогенератора ампулы с исследуемой жидкостью, смешивание частот автогенераторов смесителем и определение диэлектрической проницаемости по частоте сигнала на выходе смесителя.

Однако реализация данного способа в трубопроводе с ГЖС затруднена вследствие открытого характера электромагнитного поля в кольцевом диэлектрическом резонаторе, к тому же, на результаты определения диэлектрической проницаемости будет сказываться проводимость жидкой фракции вследствие наличия солей в воде.

Известен способ определения объемного содержания воды в ГЖС (Daisake Yamazaki, Shuichi Haruyama. Development of multiphase flowmeter without radioactive sourse. - Yokogava, Electric corporation: В сборнике - BP Exploration Multiphase Mesurement Course, 1997, стр.69), в котором два кольцевых электрода помещают в трубопровод параллельно друг другу и соосно трубе, один из них соединяют с генератором переменного тока, другой - с измерителем переменного тока, и измеряют емкостный ток между электродами. По значению тока определяют емкость между электродами, которая зависит от диэлектрической проницаемости ГЖС, зависящей, в свою очередь, от объемного содержания воды в ГЖС.

Однако описанный способ не обеспечивает необходимой точности измерений вследствие малой протяженности участка взаимодействия и отсутствия мер по учету солености воды, влияющей на ее проводимость.

Наиболее близким к заявляемому является способ определения относительных пропорций нефти, газа и воды в трубопроводе по патенту США G 01 N 22/04 US 5389883 "Mesurement of gas and water content in oil", 1995 (прототип). Посредством помещения соосно на трубу из диэлектрического материала множества катушечных резонаторов, имеющих различные резонансные частоты, и измерения изменений их резонансных частот вычисляют пропорции нефти, воды и газа, протекающих через трубу.

Недостатком данного способа является отсутствие учета влияния солености на результаты измерений, а также сложность проведения калибровки множества катушечных резонаторов.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение точности определения объемного содержания воды в трубопроводе с ГЖС за счет исключения влияния ее солености на результаты измерения.

Технический результат достигается тем, что в способе определения объемной доли воды в трубопроводе с ГЖС, включающем возбуждение электромагнитных полей в катушечных резонаторах, помещенных соосно на трубу из диэлектрического материала, воздействие водной компоненты газожидкостной смеси на частоты полей и измерение изменений резонансных частот, возбуждают электромагнитное поле в двух идентичных катушечных резонаторах двумя идентичными опорным и измерительным автогенераторами и экранируют электрическое поле катушки опорного автогенератора от газожидкостной смеси, частоты автогенераторов выравнивают в отсутствие газожидкостной смеси в трубопроводе и устанавливают коэффициент пропорциональности разности частот автогенераторов по отношению к определяемой объемной доли воды при наличии ГЖС с известной объемной долей воды.

При этом при выравнивании частот опорного и измерительного автогенераторов проводимость воды вносит одинаковый вклад в сдвиг частот опорного и измерительного автогенераторов вследствие исключения влияния частотной дисперсии проводимости, и разность их частот будет определяться только влиянием диэлектрической проницаемости ГЖС, пропорциональной объемной доли воды.

Измерение объемной доли воды производят следующим образом.

Возбуждают с помощью автогенераторов магнитное поле внутри катушки опорного автогенератора и электромагнитное поле внутри катушки измерительного автогенератора, настраивают автогенераторы на одинаковую частоту и измеряют ее значение F_o в отсутствие ГЖС в трубопроводе.

При тарировке измеряют частоты опорного F_оп и измерительного F_изм автогенераторов при наличии в трубопроводе ГЖС с известным объемным содержанием воды. Изменение частоты опорного автогенератора ΔF_оп, равное

ΔF_оп=F_оп-F_о=ΔF_магн,

где F_o - частота опорного автогенератора в отсутствие ГЖС;

F_оп - частота опорного автогенератора при наличии ГЖС;

ΔF_магн - изменение частоты опорного автогенератора вследствие изменения магнитного поля при наличии ГЖС,

обусловлено влиянием проводимости (солености) воды на магнитное поле катушки опорного автогенератора, а изменение частоты измерительного автогенератора ΔF_изм, равное

ΔF_изм=F_изм-F_о=ΔF_магн+ΔF_электр,

где F_o - частота измерительного автогенератора в отсутствие ГЖС;

F_изм^- частота измерительного автогенератора при наличии ГЖС;

ΔF_магн - изменение частоты измерительного автогенератора вследствие изменения магнитного поля при наличии ГЖС;

ΔF_электр - изменение частоты измерительного автогенератора вследствие изменения электрического поля при наличии ГЖС обусловлено влиянием как проводимости воды на магнитное поле катушки измерительного автогенератора, так и диэлектрической постоянной ГЖС на электрическое поле этой катушки.

Диэлектрическая постоянная ГЖС складывается из диэлектрической постоянной газа, близкой к 1, и приращения диэлектрической постоянной Δε_в, вызванного появлением воды в трубопроводе. При объемной доле воды в ГЖС Θ_в<0,5 изменение частоты ΔF_электр пропорционально приращению Δε_в:

ΔF_электр.=Δε_в·F_о/2.

В свою очередь, приращение Δε_в пропорционально объемной доле воды Θ_в в ГЖС:

Δε_в=lgε_в·ln10·Θ_в=4,39Θ_в,

где ε_в = 81 - диэлектрическая проницаемость воды.

При идентичности катушек в разности изменений частот

ΔF_изм-ΔF_оп=ΔF_магн+ΔF_электр-ΔF_магн=ΔF_электр,

изменения, вызванные влиянием проводимости, компенсируют друг друга, поэтому разность частот

(F_изм-F_о)-(F_оп-F_о)=F_изм-F_оп=ΔF_электр,определяется только приращением Δε_в диэлектрической постоянной ГЖС, пропорциональным объемной доле воды Θ_в в ГЖС. Коэффициент пропорциональности k (изменение разности частот на один процент объемной доли воды в ГЖС) устанавливается при тарировке при наличии в трубопроводе ГЖС с известным объемным содержанием воды по формуле:

k=(F_изм-F_оп)/Θ_в.

При эксплуатации вычисляют объемную долю воды Θ_в в ГЖС по формуле:

Θ_в=(F_изм-F_оп)/k,

где F_изм - частота измерительного автогенератора при наличии ГЖС;

F_оп - частота опорного автогенератора при наличии ГЖС;

k - коэффициент пропорциональности, установленный при тарировке. При этом значение коэффициента k не зависит от солености воды в ГЖС.

В качестве примера конкретного выполнения в таблице 1 приведены показатели технического результата при определении объемной доли воды катушкой без экранирования электрического поля и по предлагаемому способу двумя катушками с экранированием поля в одной из них для различных заданных объемных долей воды в ГЖС.

Таблица 1
Заданная Θв, %	Измеренная Θв одной катушкой, %	Погрешность, %	Измеренная Θв предлагаемым способом, %	Погрешность, %
Соленость воды, 3 %
5	4,7	-6,0	4,8	-4,0
15	16,0	+6,7	15,5	+3,3
30	27,8	-7,3	28,9	-3,7
45	48,7	+8,2	46,8	+4,0
Соленость воды, 6 %
5	4,6	-8,0	4,8	-4,0
15	16,1	+7,3	15,7	+4,7
30	27,5	-8,3	28,7	-4,3
45	49,6	+10,2	47,0	+4,4

Повышение точности определения объемной доли воды в трубопроводе с ГЖС способствует снижению затрат на коллекторных участках первичной переработки газоконденсатных или нефтегазовых промыслов, а также более точному прогнозированию времени жизни скважин.

Способ определения объемной доли воды в трубопроводе с газожидкостной смесью, включающий возбуждение электромагнитных полей в катушечных резонаторах, помещенных соосно на трубу из диэлектрического материала, воздействие водной компоненты газожидкостной смеси на частоты полей и измерение изменений резонансных частот, отличающийся тем, что возбуждают электромагнитное поле в двух идентичных катушечных резонаторах двумя идентичными опорным и измерительным автогенераторами, экранируют электрическое поле катушки опорного автогенератора от газожидкостной смеси, выравнивают частоты автогенераторов в отсутствие газожидкостной смеси в трубопроводе и устанавливают коэффициент пропорциональности разности частот автогенераторов по отношению к определяемой объемной доле воды при наличии газожидкостной смеси с известной объемной долей воды.