Способ определения обводненности эмульсии
Владельцы патента RU 2406996:
Открытое акционерное общество "Арзамасский приборостроительный завод" (ОАО "АПЗ") (RU)
Использование: для определения обводненности эмульсии. Сущность заключается в том, что определяют время прохождения акустического импульса через контролируемый объем многофазного потока, вычисляют скорость ультразвука в эмульсии, определяют скорость ультразвука в обеих жидкостях, составляющих эмульсию, производят учет отличия от линейного закона зависимости скорости звука от обводненности за счет того, что определяют плотности обеих жидкостей, вычисляют адиабатические сжимаемости обеих жидкостей и определяют обводненность, используя соответствующие математические выражения, либо во время калибровки определяют зависимость скорости звука в эмульсии от обводненности, производят аппроксимацию отличия этой зависимости от линейного закона, определяют скорости звука в обеих жидкостях, используя полученное во время калибровки отличие зависимости от линейного закона и замеренную скорость звука в эмульсии, определяют обводненность эмульсии. Технический результат: повышение точности определения обводненности эмульсии. 1 ил.
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в информационно-измерительных системах нефтеперерабатывающей, нефтедобывающей, химической, пищевой и других отраслях промышленности.
Известен способ измерения концентрации воды в водонефтегазовой смеси по патенту RU №2249204, G01N 29/02, 9/36, заключающийся в отборе пробы, ее отстаивание и измерение гидростатического давления. Дополнительно измеряют время прохождения ультразвукового импульса через слой отстоявшейся воды. По результатам измерений вычисляют концентрацию воды.
Недостатком данного способа является то, что необходимо отстаивать пробу в течение длительного времени и таким образом исключается оперативность измерения.
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ по патенту RU №2138023, G01F 1/74, G01F 1/708, G01F 1/66, 1999 г., включающий зондирование и регистрацию импульсов ультразвука проводят внутри трубопровода в ограниченном контролируемом объеме потока, образованном парой - источник излучения - приемник, фиксируют время прохождения импульсов через контролируемый объем,
Определяют объемную обводненность согласно формуле:
где соответственно
τ - время прохождения импульсов через контролируемый объем в процессе измерения в многофазном потоке внутри трубопровода,
τн и τв - время прохождения импульсов в нефти и воде, измеренное при калибровке аппаратуры.
Первый недостаток способа, принятого за прототип.
По мнению авторов патента №2138023 «Приведенные выше соотношения обусловлены физической природой компонентов: скорость звука в воде выше скорости звука в нефти, а скорость звука в смеси вода - нефть зависит линейно от объемной концентрации воды и нефти».
В действительности зависимость скорости звука от обводненности нелинейная и расхождение в эмульсии воды и углеводородов достигает более 10%, что было обнаружено авторами предлагаемого изобретения экспериментально и обосновано теоретически.
Формула (1) верна только для того редкого случая, когда произошло разделение эмульсии на составляющие и они расположились двумя плоскими слоями перпендикулярно пути распространения ультразвука.
Второй недостаток способа, принятого за прототип.
Скорость звука в каждом образце нефти и подтоварной воды разная, что вызвано разницей их химического состава. При изготовлении измерительных устройств практически невозможно повторить расстояние между источником излучения и приемником.
Это приводит к необходимости индивидуальной калибровки каждого образца измерительного устройства на образцах тех жидкостей, с которыми он будет эксплуатироваться.
Задачей изобретения является повышение точности определения обводненности эмульсии путем учета отличия зависимости скорости звука от обводненности эмульсии от линейного закона.
Этот технический результат заключается в определении времени прохождения акустического импульса через контролируемый объем многофазного потока, вычислении скорости ультразвука в эмульсии, определении скорости звука в обеих жидкостях, составляющих эмульсию, учете отличия зависимости скорости звука от обводненности от линейного закона либо тем, что определяют плотности обеих жидкостей, вычисляют адиабатические сжимаемости обеих жидкостей по формуле:
где βв - адиабатическая сжимаемость воды.
ρв - плотность воды.
св - скорость звука в воде.
где
βн - адиабатическая сжимаемость второй жидкости.
ρн - плотность второй жидкости.
сн - скорость звука во второй жидкости.
Затем определяют обводненность по формуле:
где
,
либо во время калибровки определяют зависимость скорости звука в эмульсии от обводненности, производят аппроксимацию отличия этой зависимости от линейного закона, определяют скорости звука в обеих жидкостях, используя полученное во время калибровки отличие зависимости от линейного закона и замеренной скорости звука в эмульсии определяют обводненность эмульсии.
Этот технический результат достигается тем, что определяют время прохождения акустического импульса через контролируемый объем многофазного потока, вычисляют скорости ультразвука в эмульсии, определяют скорости звука в обеих жидкостях, составляющих эмульсию.
Предлагается два варианта учета отличия зависимости скорости звука от обводненности от линейного закона.
В первом варианте определяют плотности обеих жидкостей, вычисляют адиабатические сжимаемости обеих жидкостей по формуле:
,
затем определяют обводненность по формуле:
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором приведен график теоретической зависимости скорости звука от обводненности.
Учет отличия зависимости скорости звука от обводненности от линейного закона во втором варианте предлагаемого способа производят следующим путем:
во время калибровки определяют зависимость скорости звука в эмульсии от обводненности, производят аппроксимацию отличия этой зависимости от линейного закона, определяют скорости звука в обеих жидкостях, используя полученное во время калибровки отличие зависимости от линейного закона и замеренной скорости звука в эмульсии определяют обводненность эмульсии.
Первый вариант способа предполагает использование теоретической формулы зависимости скорости звука от обводненности. Это позволит не производить калибровку для определения нелинейности характеристики.
Рассмотрим вывод теоретической формулы, примененной в первом варианте реализации способа.
Согласно «Ультразвук. Маленькая энциклопедия. Глав. ред. И.П.Голямин. - М.: «Советская Энциклопедия» 1979.» скорость звука в жидкости определяется формулой:
где
ρ - плотность
- адиабатическая сжимаемость.
Кад - адиабатический модуль всестороннего сжатия.
Предположим, что эмульсия состоит из двух жидкостей с разными скоростями звука. Рассмотрим случай, когда размер капелек эмульсии много меньше длины волны звука.
В таком случае средняя плотность эмульсии будет определяться формулой
где
ρэ - плотность эмульсии,
ρв - плотность воды,
ρн - плотность второй жидкости, предположим нефти,
W - объемная обводненность.
Средняя адиабатическая сжимаемость:
где
βэ - адиабатическая сжимаемость эмульсии,
βв - адиабатическая сжимаемость воды,
βн - адиабатическая сжимаемость второй жидкости, предположим нефти.
Скорость звука в эмульсии
Разрешая уравнение (5) относительно W получим
Обозначая
,
получаем квадратное уравнение
Решением которого будет
где
Рассмотрим численный пример.
Предположим мы имеем воду с плотностью 1 кг/л и скоростью звука 1.5 км/с и углеводород с плотностью 0.8 кг/л и скоростью звука 1.3 км/с.
Поскольку адиабатическую сжимаемость непосредственно замерить затруднительно, вычисляем ее из формулы (2).
Для воды βв=0.444444·10-9 1/Па
Для углеводорода βн=0.739645·10-9 1/Па
Рассчитанные по формулам (3), (4) и (5) данные приведены в таблице.
| Обводненность | Плотность эмульсии | Сжимаемость эмульсии | Скорость звука в эмульсии |
| W% | кг/л | 10-9 1/Па | км/с |
| 0 | 0.8 | 0.73964497 | 1.3 |
| 10 | 0.82 | 0.710124918 | 1.310465819 |
| 20 | 0.84 | 0.680604865 | 1.322552231 |
| 30 | 0.86 | 0.651084813 | 1.336386229 |
| 40 | 0.88 | 0.62156476 | 1.352120732 |
| 50 | 0.9 | 0.592044707 | 1.369939833 |
| 60 | 0.92 | 0.562524655 | 1.39006563 |
| 70 | 0.94 | 0.533004602 | 1.412767168 |
| 80 | 0.96 | 0.50348455 | 1.438372295 |
| 90 | 0.98 | 0.473964497 | 1.467283576 |
| 100 | 1 | 0.444444444 | 1.5 |
Полученная теоретически зависимость приведена на чертеже и была подтверждена экспериментально.
Второй вариант рассматривает случай, когда размеры капелек соизмеримы с длиной волны ультразвука или больше. В этом случае зависимость скорости звука от обводненности может отличаться от теоретической, описываемой формулой (5).
При этом реальную зависимость определяют во время калибровки.
Для описания зависимости можно использовать любой из известных методов, например полиномы.
Для выбора варианта работы можно воспользоваться априорной информацией о дисперсности среды либо экспериментально проверить при одном каком-либо значении обводненности.
Дополнительным существенным отличием, характерным для обоих вариантов, является разнесение процедур определения времени прохождения акустического импульса через контролируемый объем многофазного потока и вычисления скорости ультразвука в эмульсии, что позволяет упростить калибровку измерительного устройства.
На первом этапе калибровки проводят определение расстояния между источником излучения и приемником путем измерения времени прохождения импульса через набор эталонных жидкостей с известными скоростями звука.
Задержку распространения ультразвука можно представить в виде суммы задержек срабатывания электроники, времени распространения ультразвука через металлические мембраны, являющиеся конструктивными элементами, и само распространение ультразвука через жидкость. Для нахождения расстояния, которое ультразвук проходит через жидкость, и разделения времени, которое занимает прохождение ультразвука через жидкость, металлические мембраны и время срабатывания электроники необходимо сделать серию замеров и решить систему уравнений.
Таким образом, калибруется само измерительное устройство.
На втором этапе определяют скорости звука в реальных жидкостях, например в нефти и подтоварной воде. Разнесение этих процедур позволяют проводить второй этап необязательно на том же образце измерительного устройства, на котором будет в дальнейшем определяться обводненность эмульсии.
Данная возможность отсутствует в способе, взятом за прототип.
Способ определения обводненности эмульсии, включающий определение времени прохождения акустического импульса через контролируемый объем многофазного потока, отличающийся тем, что вычисляют скорость ультразвука в эмульсии (сэ), определяют скорости звука в обеих жидкостях, составляющих эмульсию, производят учет отличия зависимости скорости звука от обводненности от линейного закона либо тем, что определяют плотности обеих жидкостей, вычисляют адиабатические сжимаемости обеих жидкостей по формуле
где βв адиабатическая сжимаемость воды;
ρв плотность воды;
св скорость звука в воде;
где βн адиабатическая сжимаемость второй жидкости;
ρн плотность второй жидкости;
сн скорость звука во второй жидкости;
затем определяют обводненность по формуле
где a=βв·ρв-βн·ρв-βв·ρн+βн·ρн,
b=βн·ρв+βв·ρн-2·βн·ρн,
,
либо во время калибровки определяют зависимость скорости звука в эмульсии от обводненности, производят аппроксимацию отличия этой зависимости от линейного закона, определяют скорости звука в обеих жидкостях, используя полученное во время калибровки отличие зависимости от линейного закона и замеренную скорость звука в эмульсии, определяют обводненность эмульсии.
