Многофазный расходомер кориолиса
Изобретение относится к расходомерам. Расходомерная система для трехкомпонентной многофазной текучей среды содержит расходомер Кориолиса, датчик, систему моделирования потока многофазной текучей среды через трубу и систему определения значений свойств многофазной текучей среды. Расходомер Кориолиса содержит трубу и выполнен с возможностью измерять значение первого свойства многофазной текучей среды. Датчик выполнен с возможностью измерять значение второго свойства многофазной текучей среды. Система моделирования потока выполнена с возможностью моделировать взаимосвязь между вторым и третьим свойством многофазной текучей среды. Причем взаимосвязь зависит от первого свойства многофазной текучей среды. Второе свойство является давлением, связанным с многофазной текучей средой. Способ заключается в измерении первого или второго свойства многофазной текучей среды и определении значения третьего и четвертого свойства многофазной текучей среды. Технический результат - повышение точности получения информации о материалах, переносимых по трубопроводу или по расходомерной трубке. 5 н. и 9 з.п. ф-лы, 1 табл., 5 ил.
Испрашивание приоритета
По настоящей заявке испрашивается приоритет в соответствии с §119(e) раздела 35 Свода законов США на основании патентной заявки США регистрационный номер 60/820,032, поданной 21 июля 2006 г., содержание которой полностью включено в настоящую заявку посредством ссылки.
Область техники
Настоящее описание относится к расходомерам.
Предшествующий уровень техники
Расходомеры предоставляют информацию о материалах, переносимых по трубопроводу или по расходомерной трубке. Например, массовые расходомеры предоставляют сведения о массе материала, переносимого по трубопроводу. Массовые расходомеры могут также предоставлять сведения о плотности материала.
Например, массовые расходомеры кориолисова типа основаны на эффекте Кориолиса, согласно которому материал, протекающий по трубопроводу, находится под действием кориолисовой силы и потому испытывает ускорение. Многие массовые расходомеры кориолисова типа создают кориолисову силу посредством синусоидальных колебаний трубопровода вокруг оси колебаний, перпендикулярной направлению трубопровода. В таких массовых расходомерах кориолисова сила противодействия, испытываемая движущейся текучей массой, передается трубопроводу и проявляется в виде отклонения или смещения трубопровода в направлении вектора кориолисовой силы в плоскости вращения.
Сущность изобретения
В одном аспекте расходомер Кориолиса выполнен с возможностью определять первое свойство многофазной текучей среды. Модель потока выполнена с возможностью определять второе свойство многофазной текучей среды. Система определения выполнена с возможностью определять третье свойство многофазной текучей среды на основе, по меньшей мере частично, первого свойства и второго свойства.
Варианты осуществления могут включать в себя один или несколько из нижеследующих признаков. Например, датчик может быть выполнен с возможностью определять четвертое свойство, связанное с многофазной текучей средой, а модель потока может быть выполнена с возможностью определять второе свойство на основе четвертого свойства. Четвертое свойство может быть давлением или температурой, связанной с многофазной текучей средой.
Расходомер Кориолиса может быть выполнен с возможностью определять четвертое свойство многофазной текучей среды. Система определения может быть выполнена с возможностью определять третье свойство многофазной текучей среды на основе, по меньшей мере частично, первого свойства, второго свойства и четвертого свойства. Первое свойство может быть совокупной плотностью многофазной текучей среды, второе свойство может быть обводненностью или безгазовой долей многофазной текучей среды, а четвертое свойство может быть совокупным массовым расходом многофазной текучей среды. Третье свойство может быть массовым расходом или объемным расходом компонента многофазной текучей среды.
В другом аспекте система определения совокупной плотности определяет совокупную плотность многофазной текучей среды. Система определения массового расхода определяет совокупный массовый расход многофазной текучей среды. Датчик давления выполнен с возможностью определения давления, связанного с многофазной текучей средой. Модель потока выполнена с возможностью определять обводненность или безгазовую долю многофазной текучей среды на основе, по меньшей мере частично, определенного датчиком давления. Система определения расхода определяет расход по меньшей мере одного компонента многофазной текучей среды на основе совокупной плотности, совокупного массового расхода и обводненности или безгазовой доли.
В еще одном аспекте первое свойство многофазной текучей среды определяется при помощи расходомера Кориолиса. Второе свойство многофазной текучей среды определяется при помощи математической модели потока многофазной текучей среды по трубопроводу. Третье свойство многофазной текучей среды определяется, по меньшей мере частично, на основе первого свойства и второго свойства.
Варианты осуществления могут включать в себя один или несколько из нижеприведенных признаков. Может быть определено четвертое свойство, связанное с многофазной текучей средой, и второе свойство может быть определено посредством введения четвертого свойства в математическую модель. Четвертое свойство может быть давлением или температурой, связанными с многофазной текучей средой.
Может быть определено четвертое свойство многофазной текучей среды, и третье свойство многофазной текучей среды может быть определено на основе, по меньшей мере частично, первого свойства, второго свойства и четвертого свойства. Первое свойство может быть совокупной плотностью многофазной текучей среды, второе свойство может быть обводненностью или безгазовой долей многофазной текучей среды, а четвертое свойство может быть совокупным массовым расходом многофазной текучей среды. Третье свойство может быть массовым расходом компонента многофазной текучей среды.
В еще одном аспекте определяется совокупная плотность многофазной текучей среды. Определяется совокупный массовый расход многофазной текучей среды. Определяется давление, связанное с многофазной текучей средой. Определяется расход по меньшей мере одного компонента многофазной текучей среды на основе совокупной плотности, совокупного массового расхода и давления.
Варианты осуществления могут включать в себя один или несколько из следующих признаков. Например, определение расхода по меньшей мере одного компонента многофазной текучей среды на основе совокупной плотности, совокупного массового расхода и давления может включать в себя определение обводненности или безгазовой доли многофазной текучей среды на основе, по меньшей мере частично, давления; и определение расхода по меньшей мере одного компонента многофазной текучей среды на основе совокупной плотности, совокупного массового расхода и обводненности или безгазовой доли. Определение обводненности или безгазовой доли многофазной текучей среды на основе, по меньшей мере частично, давления может включать в себя использование модели потока для определения обводненности или безгазовой доли на основе давления.
В еще одном аспекте совокупная плотность многофазной текучей среды определяется при помощи расходомера Кориолиса, который включает в себя расходомерную трубку. Совокупный массовый расход многофазной текучей среды определяется при помощи расходомера Кориолиса. Входное и выходное давление многофазной текучей среды определяется соответственно на входном и выходном отверстии расходомерной трубки. Входная и выходная температура многофазной текучей среды определяется соответственно на входном и выходном отверстии расходомерной трубки. Обводненность или безгазовая доля многофазной текучей среды определяется на основе совокупной плотности, совокупного массового расхода входного давления, выходного давления и входной температуры. Расход по меньшей мере одного компонента многофазовой текучей среды определяется на основе совокупной плотности, совокупного массового расхода и обводненности или безгазовой доли.
Варианты осуществления могут включать в себя один или несколько из нижеследующих признаков. Например, определение обводненности или безгазовой доли многофазной текучей среды может включать в себя применение математической модели потока многофазной текучей среды через расходомерную трубку для определения обводненности или безгазовой доли многофазной текучей среды на основе совокупной плотности, совокупного массового расхода, входного давления, выходного давления и входной температуры.
Описание чертежей
Фиг.1A - пример расходомера Кориолиса с изогнутой расходомерной трубкой.
Фиг.1B - пример расходомера Кориолиса с прямой расходомерной трубкой.
Фиг.2 - блок-схема расходомерной системы.
Фиг.3A - интерполированная зависимость обводненности от выходного давления.
Фиг.3B - кривая, приведенная на фиг.3A, с указанием точек, рассчитанных на основе модели потока, и с указанием точки на интерполированной кривой, соответствующей фактическому выходному давлению.
Фиг.4 - блок-схема последовательности операций, иллюстрирующая один вариант осуществления способа определения свойств отдельных компонентов потока трехфазной текучей среды.
Фиг.5 - типичный узловой график 500, иллюстрирующий чувствительность давления расходомера Кориолиса к обводненности.
Подробное описание
Типы расходомеров включают в себя цифровые расходомеры. Например, в патенте США 6,311,136, который включен в настоящую заявку посредством ссылки, раскрыто применение цифрового расходомера и связанной с ним технологии, включающей в себя методики обработки и измерения сигнала. Такие цифровые расходомеры могут выполнять очень точные измерения при небольших или пренебрежимо малых шумах, и могут обеспечивать широкий диапазон положительных и отрицательных коэффициентов усиления схеме возбуждения для приведения трубопровода в движение. Таким образом, такие цифровые расходомеры имеют преимущества в различных условиях. Например, в принадлежащем правообладателю настоящего изобретения патенте США 6,505,519, который включен в настоящую заявку посредством ссылки, раскрыто применение широкого диапазона коэффициентов усиления и (или) отрицательного коэффициента усиления для недопущения срыва потока и для более точного управления расходомерной трубкой даже при трудных условиях, таких как двухфазный поток (например, поток, содержащий смесь жидкости и газа) или трехфазный поток (например, газ и две различные жидкости).
Хотя ниже со ссылками на фиг.1 и 2 рассматриваются именно цифровые расходомеры, следует иметь в виду, что существуют также аналоговые расходомеры. Хотя таким аналоговым расходомерам могут быть свойственны типичные недостатки аналоговых схем, например низкая точность и измерения с высоким шумом, по сравнению с цифровыми расходомерами, они также могут быть совместимы с различными способами и вариантами осуществления, рассматриваемыми в настоящей заявке. Таким образом, в последующем рассмотрении термин "расходомер" используется для обозначения любого типа устройства, в котором кориолисова расходомерная система использует различные системы управления и связанные с ними элементы для измерения массового расхода, плотности и других параметров материала(ов), проходящих по расходомерной трубке или другому трубопроводу.
На фиг.1A приведен пример цифрового расходомера, использующего изогнутую расходомерную трубку 102. В частности, изогнутая расходомерная трубка 102 может использоваться для измерения одной или нескольких физических характеристик, например (перемещающейся) текучей среды, как указывалось выше. На фиг.1A цифровой передатчик 104 обменивается сигналами датчика и приводных устройств с изогнутой расходомерной трубкой 102, чтобы соответственно воспринять колебания изогнутой расходомерной трубки 102 и вызывать колебания изогнутой расходомерной трубки 102. Посредством быстрого и точного определения сигналов датчика и приводных устройств указанный выше цифровой передатчик 104 обеспечивает быструю и точную работу изогнутой расходомерной трубки 102. Примеры цифрового передатчика 104, используемого с изогнутой расходомерной трубкой, приведены, например, в принадлежащем правообладателю настоящей заявки патенте США 6,311,136.
На фиг.1B приведен пример цифрового расходомера, использующего прямую расходомерную трубку 106. Более конкретно, на фиг.1B прямая расходомерная трубка 106 взаимодействует с цифровым передатчиком 104. На концептуальном уровне такая прямая расходомерная трубка действует аналогично изогнутой расходомерной трубке 102 и имеет различные преимущества/недостатки по сравнению с изогнутой расходомерной трубкой 102. Например, прямую расходомерную трубку 106 можно легче (полностью) наполнять или опустошать по сравнению с изогнутой расходомерной трубкой 102 просто в силу геометрической формы ее конструкции. В процессе работы изогнутая расходомерная трубка 102 может работать при частоте, например, 50-110 Гц, тогда как прямая расходомерная трубка 106 может работать на частоте, например, 300-1000 Гц. Изогнутая расходомерная трубка 102 представляет расходомерные трубки, имеющие различные диаметры, и может работать при множестве ориентаций, например в вертикальной и горизонтальной ориентации.
На фиг.2 приведена блок-схема расходомерной системы 2100. Расходомерная система 2100 может применяться для измерения свойств отдельных компонентов в смешанных потоках. Например, термины "трехфазный" поток или "смешанный двухфазный поток" относятся к ситуации, когда два типа жидкости смешаны с газом. Например, текущая смесь нефти и воды может содержать воздух (или другой газ), тем самым образуя "трехфазный поток", причем эта терминология относится к трем компонентам потока и, вообще говоря, не подразумевает, что в потоке содержится твердый материал. В такой ситуации может быть полезно измерить свойства отдельных компонентов текучей среды (например, массовый или объемный расход).
Для определения свойств отдельных компонентов в трехфазном потоке может понадобиться три независимых свойства совокупной текучей среды. В целом расходомер Кориолиса может предоставлять точные измерения совокупной плотности или совокупного массового расхода трехфазной текучей среды. Однако этих двух независимых свойств совокупной текучей среды может быть недостаточно для определения свойств трех отдельных компонентов текучей среды. Таким образом, один вариант осуществления расходомерной системы 2100 использует падение давления на расходомере Кориолиса и, в частности, падение давления на расходомерной трубке 215, в качестве дополнительного свойства совокупной текучей среды для обеспечения определения свойств трех отдельных компонентов.
В частности, в нижеследующем описании описывается вариант осуществления расходомерной системы 2100, которая применяется для определения расхода для отдельных компонентов (массового и (или) объемного) в трехфазном потоке. В частности, этот вариант осуществления определяет расходы отдельных компонентов в нефте-водно-газовом трехфазном потоке. Однако другие варианты осуществления могут определять другие свойства отдельных компонентов потока текучей среды, и эти отдельные компоненты могут включать в себя материалы, отличные от нефти, газа и воды.
Кроме того, описываемый вариант осуществления использует входное давление трубки 215 расходомера Кориолиса, выходное давление трубки 215 расходомера Кориолиса и входную температуру в качестве исходных данных в математической модели потока текучей среды через трубку 215 расходомера Кориолиса, так чтобы математическая модель позволяла определять обводненность, которая затем используется для определения расхода отдельных компонентов. Однако другие варианты осуществления могут определять обводненность при помощи математической модели потока, которая основана на других исходных данных (и следовательно, на независимом свойстве совокупного потока, отличном от падения давления на трубке расходомера Кориолиса). Аналогично другие варианты осуществления могут использовать эту математическую модель для определения свойства, отличного от обводненности (на основе давления или иных исходных данных), которое затем используется для определения требуемого свойства или свойств отдельных компонент. Например, вместо или в дополнение к обводненности может определяться безгазовая доля.
В целом расходомерная система 2100 использует свойства текучей среды, определенные расходомером Кориолиса, а также математическую модель потока текучей среды через трубку расходомера Кориолиса. Как описано выше, расходомер Кориолиса может в целом обеспечивать точные измерения совокупной плотности и совокупного массового расхода трехфазной текучей среды. В математической модели используется падение давления на трубке расходомера Кориолиса для определения дополнительного свойства текучей среды, такого как обводненность (доля воды в водонефтяной смеси) или безгазовая доля. Это дополнительное свойство затем используется совместно со свойствами, определенными расходомером Кориолиса, для определения расхода отдельных компонентов текучей среды.
В частности, расходомерная система 2100 включает в себя цифровой массовый расходомер 237 (например, расходомер Кориолиса), датчик 225 давления, датчик 220 температуры и главный компьютер 2110. Цифровой массовый расходомер 237 включает в себя цифровой передатчик 104, один или несколько датчиков 205 движения, один или несколько приводных устройств 210 и расходомерную трубку 215 (которая может также называться каналом и которая может представлять собой изогнутую расходомерную трубку 102, прямую расходомерную трубку 106 или некий другой тип расходомерной трубки).
Цифровой передатчик 104 может быть выполнен с использованием одного или нескольких элементов из группы, включающей в себя, например, процессор, процессор цифровых сигналов (DSP), программируемую вентильную матрицу (FPGA), специализированную интегральную схему (ASIC), другие программируемые логические или вентильные матрицы или программируемую логику с процессорным ядром. Следует понимать, что, как описано в патенте США 6,311,136, для обеспечения работы приводных устройств 210 могут использоваться соответствующие цифроаналоговые преобразователи, а для преобразования сигналов датчиков, поступающих от датчиков 205, могут использоваться аналого-цифровые преобразователи, для использования цифровым передатчиком 104.
Цифровой передатчик 104 включает в себя систему 2104 определения совокупной плотности и систему 2106 определения совокупного массового расхода для выработки результатов измерения совокупной плотности и совокупного массового расхода через расходомерную трубку 215 на основе по меньшей мере сигналов, принятых от датчиков 205 движения. Цифровой передатчик 104 также управляет приводными устройствами 210 для создания движения в расходомерной трубке 215. Это движение воспринимается датчиками 205 движения.
Измерения плотности материала, протекающего по расходомерной трубке, связаны, например, с частотой движения расходомерной трубки 215, которые создаются в расходомерной трубке 215 побуждающей силой, создаваемой приводными устройствами 210, и (или) с температурой расходомерной трубки 215. Аналогично, массовый поток через расходомерную трубку 215 связан с фазой и частотой движения расходомерной трубки 215, а также с температурой расходомерной трубки 215. В целом в условиях многофазного потока (например, трехфазного потока) совокупная плотность означает плотность протекающего материала в целом в отличие от плотности отдельных компонентов, составляющих многофазный материал. Аналогично, в таких условиях совокупный массовый расход означает массовый расход материала в целом в отличие от массового расхода отдельных компонент.
Из фиг.2 должно быть понятно, что различные компоненты цифрового передатчика 104 связаны друг с другом, хотя линии связи для большей наглядности явным образом не показаны. Кроме того, должно быть понятно, что на фиг.2 не приведены обычные компоненты цифрового передатчика 104, но подразумевается, что они имеются в цифровом передатчике 104 или доступны для цифрового передатчика 104. Например, цифровой передатчик 104 обычно включает в себя управляющую цепь для выработки подачи управляющего сигнала к приводным устройствам 210.
Датчик 220 температуры связан с передатчиком 104 и измеряет температуру протекающего материала на входном отверстии расходомерной трубки 215. Датчик 225 давления связан с передатчиком 104 и соединен с расходомерной трубкой 215 так, чтобы иметь возможность воспринимать давление материала, протекающего через расходомерную трубку 215 на входном отверстии и на выходном отверстии расходомерной трубки 215 (либо посредством измерения давления на входном и выходном отверстиях, либо посредством измерения давления на том или другом отверстии в дополнение к разностному давлению). Если входное и выходное давление измеряется непосредственно, датчик 225 давления может фактически состоять из двух датчиков - один на входном отверстии, а другой - на выходном отверстии.
Температура и давление могут использоваться передатчиком 104 и, в частности, системой 2104 определения совокупной плотности и системой 2106 определения совокупного массового расхода для более точного определения совокупной плотности и совокупного массового расхода. Например, температура текучей среды в расходомерной трубке 215 может влиять на некоторые свойства расходомерной трубки, такие как ее жесткость и размеры. Цифровой передатчик 104 может компенсировать эти температурные влияния.
Главный компьютер 2110 соединен с цифровым передатчиком 104 и может считывать из передатчика 104 совокупную плотность, совокупный массовый расход, входное давление, выходное давление и входную температуру. Главный компьютер 2110 реализует модель 2120 потока и систему 2130 определения покомпонентного расхода.
Модель 2120 потока представляет собой математическую модель потока текучей среды через расходомерную трубку 215. Модель 2120 потока может быть реализована с использованием программной системы, которая обеспечивает моделирование потока текучей среды по каналу или последовательности каналов и соединение компонентов. Вообще говоря, такие программные системы моделирования потока имеются на рынке. Примеры имеющихся на рынке программных систем моделирования включают в себя систему Pipephase® от компании SIMSCI-ESSCOR, Pipesim от компании Schlumberger и Flowmaster2 от компании Flowmaster, Ltd. Модель 2120 потока может быть разработана для данной геометрии трубки расходомера Кориолиса и предполагаемого состава текучей среды.
Например, модель 2120 потока может включать в себя сеть трубок, которая представляет трубку 215 расходомера Кориолиса и которая моделирует текучую среду в виде трехфазного потока нефти, воды и газа. Если расходомерная трубка 215 имеет геометрию, приведенную на фиг.1A, сеть трубок может включать в себя два параллельных звена, которые содержат изгибы и прямолинейные отрезки, которые соответствует геометрии расходомерной трубки, приведенной на фиг.1A.
Главный компьютер 2110 считывает из цифрового передатчика 104 (или из хранилища, которое хранит информацию из передатчика 104) совокупный массовый расход, совокупную плотность, входное давление, выходное давление и входную температуру. Модель 2120 потока затем использует входное давление и входную температуру для определения обводненности текучей среды (или, в альтернативном варианте, в других вариантах осуществления модель потока может определять безгазовую долю). Для этой цели модель потока может использовать плотности отдельных компонентов, входное давление, входную температуру, совокупную плотность и совокупный массовый расход для определения кривой зависимости обводненности от выходного давления. Плотности отдельных компонентов могут быть известны заранее и предполагаются постоянными, или модель 2120 потока может рассчитывать эти плотности на основе входной температуры, входного давления и удельного веса газа (который обычно известен). Кривая зависимости обводненности от выходного давления и фактическое выходное давление затем используются для определения фактической обводненности текучей среды.
Для определения кривой зависимости обводненности от выходного давления модель 2129 потока может варьировать молярную долю компонентов для измерения безгазовой доли таким образом, чтобы измеренная совокупная плотность и совокупный массовый расход оставались постоянными. Например, модель 2120 потока может определять молярные доли компонент для обводненности, равной 10%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90% и 100%. Для каждого значения обводненности модель 2120 потока может затем использовать молярные доли компонентов вместе с входной температурой и входным давлением для вычисления соответствующего выходного давления. Система 2130 определения покомпонентного расхода затем интерполирует эти точки и использует фактическое, измеренное выходное давление для определения фактической обводненности текучей среды. Иными словами, система 2130 определения определяет точку на интерполированной кривой, соответствующую фактическому, измеренному давлению, причем соответствующее значение обводненности принимается в качестве фактической обводненности. На основе обводненности, совокупной массовой плотности, совокупного массового расхода и плотностей отдельных компонент система 2130 определения покомпонентного расхода затем вычисляет массовый и объемный расход для отдельных компонент. Для этого система 2130 определения покомпонентного расхода может использовать следующие формулы:
| Объемный расход смеси: | qT = WT/DENTP |
| Плотность жидкости: | DENL = DENO*(1.0 - WC) + DENW*WC |
| Безгазовая доля: | GVF = (DENL-DENTP)/(DENL-DENG) |
| Объемный расход газа: | qG = GVF * qT |
| Массовый расход газа: | wG = qG * DENG |
| Объемный расход жидкости: | qL = (1 - GVF)*qT |
| Объемный расход нефти: | qO = (1.0 - WC)*qL |
| Массовый расход нефти: | wO = qO * DENO |
| Объемный расход воды: | qW = WC * qL |
| Массовый расход воды: | wW = qW * DENW |
где:
| wG: | Массовый расход газа в месте измерения |
| wO: | Массовый расход нефти в месте измерения |
| wW: | Массовый расход воды в месте измерения |
| qG: | Объемный расход газа в месте измерения |
| qO: | Объемный расход нефти в месте измерения |
| qW: | Объемный расход воды в месте измерения |
| qL: | Объемный расход жидкости в месте измерения |
| GVF: | Объемная доля газа в месте измерения |
| qT: | Совокупный объемный расход |
| WT: | Совокупный массовый расход |
| DENTP: | Совокупная плотность |
| DENL: | Плотность жидкости |
| DENO: | Плотность нефти |
| DENW: | Плотность воды |
| DENG: | Плотность газа |
| WC: | Обводненность |
Некоторые доступные на рынке программные системы моделирования потока, такие как Pipephase®, имеют открытую архитектуру, которая позволяет дальнейшее развитие основной управляющей программы на языке программирования, таком как Fortran, C++ или Visual Basic (VB). Pipephase(R), например, обеспечивает интерфейс прикладного программирования (API0, который позволяет такой управляющей программе осуществлять настраиваемые автоматические вызовы к Pipephase, манипулировать требуемым образом переменными модели Pipephase и обращаться к требуемым результатам модели. В результате система 2130 определения покомпонентного расхода может быть реализована в виде управляющей программы, которая использует API программы, реализующей модель 2120 потока, для определения точек зависимости обводненности от выходного давления для текучей среды. Например, управляющая программа может быть реализована для доступа к данным из передатчика 104 (или в других вариантах осуществления из хранилища данных, такого как архив) для предоставления данных модели 2120 потока и для запуска модели 2120 потока для определения точек зависимости обводненности от выходного давления. Управляющая программа затем может обращаться к этим точкам из модели 2120 потока, интерполировать эти точки, использовать фактическое выходное давление для определения фактической обводненности и затем вычислять расход описанным выше образом.
Хотя это не описано явным образом, измерения совокупной плотности и совокупного массового потока, выполняемые системой 2104 определения совокупной плотности и системой 2106 определения массового расхода, могут быть скорректированными измерениями совокупной плотности и скорректированными измерениями совокупного массового расхода. Вообще говоря, наличие газа в текучей среде может повлиять как на фактическое, так и на измеренное значение плотности потока текучей среды, что приводит к тому, что действительное, и считываемое, измерение плотности ниже, чем если бы поток текучей среды содержал только жидкий компонент. Таким образом, наблюдаемая совокупная плотность может отличаться от фактической совокупной плотности. Аналогично, наблюдаемый массовый расход может отличаться от фактического массового расхода. Таким образом, система 2104 определения совокупной плотности и система 2106 определения массового расхода могут корректировать первоначальные/наблюдаемые измерения соответственно совокупной плотности и массового расхода, так чтобы эти величины были ближе к истинной плотности и истинному массовому расходу.
Кроме того, хотя описывается расходомерная система 2100, использующая главный компьютер 2110, который реализует модель 2120 потока и систему 2130 определения покомпонентного расхода, один или оба этих элемента могут быть реализованы в цифровом приемнике 104. Например, если вычислительной мощности передатчика достаточно, модель 2120 потока и система 2130 определения могут быть реализованы на передатчике 104 с использованием программы аналитического моделирования потока, такой как Pipephase®. Однако если вычислительная мощность ограничена, могут применяться другие методики для получения таких свойств, как обводненность, из входной температуры, входного давления, выходного давления и плотностей компонент. Например, в передатчике 104 может быть реализована нейронная сеть. Нейронная сеть может быть обучена обучающими данными, которые включают в себя различные значения входной температуры, входного давления и выходного давления и соответствующие значения обводненности. Входными величинами могут также служить различные плотности компонентов, или нейронная сеть может быть обучена для определенного набора значений плотности компонентов (и, следовательно, плотность не особенно нужна, поскольку другие обучающие данные справедливы только для этого определенного набора значений плотности). Система определения покомпонентного расхода, реализованная в передатчике 104 (или например, в главном компьютере 2110), затем использует значение обводненности на выходе нейронной сети вместе с совокупной плотностью и совокупным массовым расходом для определения расхода отдельных компонентов.
Как указано выше, в некоторых вариантах осуществления данные, полученные от расходомера 237 Кориолиса, могут поступать в архивную базу данных и затем считываться из архива главным компьютером 2110 (вместо того, чтобы главный компьютер 2110 обращался и принимал их непосредственно от передатчика 104). Это может быть особенно полезно, когда на главном компьютере 2110 реализована модель 2120 потока с использованием программной системы аналитической модели потока. В такой ситуации передатчик 104 может выдавать данные с гораздо более высокой частотой, чем модель 2120 потока и система 2130 определения могут обработать данные для определения расхода. Например, модели 2120 потока и системе 2130 определения может потребоваться секунда-другая для обработки данных с целью определения расхода, тогда как передатчик 104 может выдавать данные каждые несколько миллисекунд. Таким образом, передатчик 104 может выдавать данные гораздо быстрее, чем модель 2120 потока и система 2130 определения могут их обрабатывать. Использование архивной базы данных позволяет сохранить эти данные до тех пор, пока модель 2120 потока и система 2130 определения не смогут к ним обратиться.
Кроме того, в таких ситуациях может быть полезно усреднять данные, выданные передатчиком 104 в течение некоторого промежутка времени, например за секунду или две, и использовать усредненные данные в качестве исходных данных в модели 2120 потока и системе 2130 определения. В альтернативном варианте главный компьютер 2110 может просто считывать точки данных, которые возникают каждую секунду или две (вместо усреднения за промежуток времени).
В целом следует иметь в виду, что система 2100 и различные варианты ее осуществления могут обеспечивать непрерывное протекание всего или по существу всего потока трехфазной текучей среды через расходомерную трубку 215 и через связанные с ней трубы и другие каналы для переноса трехфазного текучего материала. В результате определение расхода отдельных компонентов не требует разделения трехфазной текучей среды на отдельные потоки, содержащие один или несколько составных компонентов. Например, когда трехфазный поток содержит нефть, воду и газ, нет необходимости отделять газ от жидкостной смеси нефти и воды для выполнения измерений (например, массового расхода) на нефтяной части полученного нефтежидкостного потока. Соответственно надежные измерения количества добытой нефти, например на нефтедобывающем предприятии, можно выполнять легко, быстро, недорого и надежно.
На фиг.3A приведена интерполированная кривая зависимости обводненности от выходного давления, которая может быть получена, например, системой 2130 определения покомпонентного расхода. На фиг.3B показана кривая с указанием точек данных, вычисленных посредством модели 2120 потока, которые показаны в виде треугольников, и с указанием точки на интерполированной кривой, обозначающей фактическое выходное давление, которая показана в виде квадрата. Точка на интерполированной кривой, обозначающая фактическое выходное давление, соответствует обводненности 0,24.
На фиг.4 приведена блок-схема последовательности операций, иллюстрирующая способ 400 определения свойств отдельных компонентов потока трехфазной текучей среды. В этом варианте осуществления определяется массовый расход отдельных компонентов нефтеводогазовой смеси на основе совокупного массового расхода, совокупной плотности, входной температуры и входного и выходного давления текучей среды, когда она проходит по трубе. Выполнение способа может осуществляться расходомерной системой 2100 или совместно с ней, либо способ 300 может быть приспособлен к иной системе.
Трехфазная текучая среда, такая как нефтеводогазовая смесь, проводится через трубу (402). Определяется температура текучей среды на входе трубы (404). Определяется давление текучей среды на входе и на выходе трубы (406). Кроме того, определяются совокупная плотность и совокупный массовый расход трехфазной текучей среды (408). Определяется обводненность или безгазовая доля текучей среды на основе входного давления, выходного давления, совокупной плотности и совокупного массового расхода (410). Например, для определения обводненности или безгазовой доли можно использовать математическую модель потока текучей среды по трубе или обученную нейронную сеть. В случае использования математической модели можно также использовать известные значения плотностей отдельных компонентов для определения обводненности и безгазовой доли. Затем определяется расход отдельных компонентов трехфазного потока на основе обводненности или безгазовой доли, совокупной плотности и совокупного массового расхода (412).
Например, в случае использования совместно расходомерной системой 2100 труба представляет собой трубку расходомера Кориолиса, так что трехфазная текучая среда проводится через трубку расходомера Кориолиса. Датчик 220 температуры используется для определения температуры текучей среды на входе расходомерной трубки 215, а датчик или датчики 225 давления можно использовать для определения входного и выходного давления расходомерной трубки 215. Расходомер 237 Кориолиса измеряет совокупную плотность и совокупный массовый расход текучей среды, проходящей по расходомерной трубке. Система 2130 определения покомпонентного расхода, в сочетании с моделью 2120 потока, затем определяет фактическую обводненность текучей среды на основе входного давления, выходного давления, совокупной плотности и совокупного массового расхода и определяет расход отдельных компонентов трехфазного потока на основе обводненности или безгазовой доли, совокупной плотности и совокупного массового расхода.
На фиг.5 приведен типичный узловой график 500, иллюстрирующий чувствительность давления расходомера Кориолиса к обводненности. На графике показано измерение выходного давления в зависимости от расхода, при этом обводненность является параметром, который изменяется от одной кривой к другой. Опираясь на этот график, можно заметить, что вблизи нижнего диапазона значений расхода для данного размера трубки расходомера Кориолиса кривые становятся значительно ближе друг к другу и отличить различные значения обводненности может быть труднее. Поэтому следует использовать трубку расходомера Кориолиса надлежащего размера для предполагаемых диапазонов значений потока, так чтобы при изменении обводненности можно было получить достаточную разницу в давлении.
Вышеописанная методика была опробована посредством разработки сетевой модели в программе Pipephase для моделирования потока через расходомер Кориолиса CFT50-3 от компании Invensys Systems, Inc. "Сеть расходомера Кориолиса" включает в себя поток по двум идентичным параллельным путям (контурам), представляющим расходомерные трубки расходомера Кориолиса. Эти параллельные звенья состояли из изгибов и прямолинейных участков трубы, что соответствует геометрическим параметрам потока в расходомере. В частности, модель включала в себя короткие отрезки, перемежаемые устройствами изгиба. Подразумевалось, что для каждого изгиба значения KMUL (описано ниже; используется для моделирования в программе Pipephase) ограничены тем, что имеют одинаковое значение ввиду отсутствия особой информации, оправдывающей какое-либо иное распределение значений KMUL, и для того, чтобы было легче анализировать результаты.
Используемая в расчетах величина KMUL связана с падением давления на изгибе. Падение давления на изгибе может быть в целом представлено в виде:
DP = Kmul * f1 (w,p,d,µ) * f2(эффекты многофазного потока)
Kmul равно величине L/D, которая характеризует изгиб и может быть получена из испытательных данных о падении давления для однофазного потока. f1 является членом, который зависит от массового расхода w, плотности текучей среды ρ, диаметра потока d и вязкости µ. Эти данные можно получить на основе расчетов термодинамических свойств в программе Pipephase. f2 является членом, который отвечает за эффекты многофазного потока, включающие в себя структуру потока, скольжение фаз потока и сжимаемость. В программе Pipephase для расчета этого члена используется модель Чизолма, или однородная модель.
Моделирование текучей среды осуществлялось при помощи 3-компонентной модели из воды, воздуха и псевдокомпонента нефтекомпонента. Модель текучей среды предполагала, с незначительным отступлением от строгости, что водный компонент находится в водной фазе, воздушный компонент находится в паровой фазе, а нефтяной компонент находится в нефтяной фазе (предполагались лабораторные условия). Для моделирования реальных условий более строгая модель/алгоритм могут отражать более точное поведение фаз.
Файл модели в системе Pipephase для моделирования расходомерной трубки CFT50 и текучей среды представлен в Приложении B.
Для проверки достоверности модели и ее калибровки использовались лабораторные данные для двухфазной воздушно-водной текучей среды. Использовалась стандартная функция программы Pipephase анализа конкретных случаев для обработки большого числа конкретных случаев в системе Pipephase при помощи измеренных данных. Данные по широкому диапазону поступали в модели, и значение изгиба KMUL (L/D) вручную изменялось для того, чтобы привести в соответствие падение давления и расход для данного значения падения давления. Для моделирования труб применялись модели BBMHV и Локкарта-Мартинелли. Для изгибов применялись однородная модель и модель Чизолма.
Как описано выше, для упрощения модели предполагалось, что все изгибы имеют одинаковое значение KMUL. Для сочетания модели Чизолма и BHBV наиболее приемлемым было установлено значение, равное 14. Для сочетания однородной модели и модели BBMHV наиболее приемлемым было установлено значение, равное 12. В частности, модель Чизолма с KMUL=12 давала хорошие результаты (средняя ошибка 1,18% в потоке) для нижнего диапазона значений потока (расход 15 кг/с). Для KMUL=14,35 ошибка составляла -6.6 %, а для однородной модели давала лучшие предсказания для верхнего диапазона значений потока при применении KMUL=14,375. Таким образом, предполагается, что значение KMUL для каждого колена находится в целом в диапазоне от 12 до 14.
Эту ручную калибровку можно легко автоматизировать в программе Pipephase, используя KMUL для входных данных изгиба в качестве оптимизации (решение, ограничивающее условие и оптимизируемый параметр). Эти данные можно использовать 3 путями: (a) отдельный параметр изгиба для KMUL, (b) KMUL для всех изгибов в звене (KMUL_BEND_IN_LINK) и (c) KMUL для всех изгибов в сети (KMUL_BEND_IN_NETW). Если эта улучшенная функция разработана в программе Pipephase, то можно выполнить более точную и быструю автоматическую калибровку к измеренным в лабораторных условиях данным.
Проведенное моделирование показало, что (a) модель Чизолма в сочетании с моделью труб BBMHV обладает наибольшей достоверностью для нижнего диапазона расхода, когда имеет место или доминирует скольжение фаз, и (b) однородная модель изгиба в сочетании с моделью труб BBMHV обладает наибольшей достоверностью для верхнего диапазона расхода, когда скольжение фаз становится незначительным. Эти наблюдения согласуются с ожидаемым поведением.
В нижеприведенной таблице обобщены результаты для потока, сгенерированные на настоящее время для определенных значений падения давления.
| Диапазоны расхода > | 15 кг/с | 19 кг/с | 23 кг/с | |
| KMUL | 12 | 12 | 12 | |
| Средняя погрешность расхода для модели Чизолма, % | 6,617% | 4,34% | 118% | |
| Средняя погрешность расхода для однородной модели, % | = | = | = | |
| KMUL | 14,35 | 14,35 | 14,35 | |
| Погрешность модели Чизолма, % | -1,67% | -3,77% | -6,63% | |
| Средняя погрешность расхода для однородной модели, % | +6,42% | 1,40% | -2,01% |
Была разработана управляющая программа на языке FORTRAN для вызова программы Pipephase через API программы Pipephase с тем, чтобы реализовать алгоритм для реализации системы 2130 покомпонентного определения расхода, причем программа Pipephase реализует модель 2120 потока. Управляющая программа приведена в Приложении A.
Управляющая программа была разработана для того, чтобы отразить сценарий измерения при помощи расходомера Кориолиса в лабораторных/полевых условиях. Расходомер Кориолиса выдает 5 величин: (a) совокупный массовый расход, (b) совокупную плотность, (c) входное давление, (d) выходное давление и (e) входную температуру. Используются также три дополнительные константы: (1) плотность непосредственно используемого газа, (2) плотность непосредственно используемой воды, (3) плотность непосредственно используемой нефти. Управляющая программа считывает данные, измеренные расходомером Кориолиса, из файла *.csv, посылает эти данные в используемую модель кориолисовой сети и вычисляет выходное давление Pout как функцию взятых с мелким шагом значений обводненности, которые изменяются от обводненности 0% до обводненности 100%, при этом совокупный массовый расход и совокупная плотность остаются постоянными. Кривая зависимости выходного давления от обводненности затем интерполируется для значения обводненности, соответствующего измеренному значению выходного давления.
Этот алгоритм был опробован для используемой модели Чизолма. Сгенерированные результаты показали, что сгенерированная кривая не является гладкой и монотонно изменяющейся. Поэтому следует использовать схему линейной интерполяции между точками данных для получения разумных результатов. Схема интерполяции более высокого порядка может давать неустойчивые результаты.
Алгоритм был также опробован для используемой однородной модели. Кривая зависимости выходного давления от обводненности оказалась гладкой. Из этого можно сделать вывод, что однородная модель обладает более желательными математическими свойствами по сравнению с моделью Чизолма, хотя последняя может отражать реально возникающие состояния, особенно в нижних диапазонах значений расхода, когда скольжение может быть существенным.
Приложение A
Управляющая программа на языке Fortran для 3-фазного расходомера Кориолиса
Внешние файлы:
● Данные измерений расходомера Кориолиса находятся в файлах *.csv в том же каталоге, где находится входной файл с ключевыми словами для расходомера Кориолиса.
● Текущая реализация обработки расходомера Кориолиса в программе Pipephase генерирует выходной файл *.csv, содержащий полные результаты расчета 3-фазного потока для одного набора данных. Выходной файл находится в том же каталоге, где находится входной файл с ключевыми словами для расходомера Кориолиса.
Имя входного файла для данных расходомера Кориолиса:
CORIOLIS_INP.CSV
Пример:
| WT(1) | DENTP | PRES(1) | PRES(2) | TEMP(1) | DENO | DENW | DENG |
| 17594,78 | 820 | 9,7816 | 9,71 | 40 | 833,6 | 1001,3 | 12,909 |
Имя выходного файла для данных расходомера Кориолиса:
CORIOLIS_OUT.CSV
Пример:
| WT(1) | wG | wO | wW | qG | qO |
| кг/ч | кг/ч | кг/ч | кг/ч | м3/ч | м3/ч |
| 1,76E+04 | 1,73E+01 | 1,27E+03 | 4,84E+03 | 1,34E+00 | 1,53E+01 |
| Массив значений обводненности (доля) | |||||
| 0,00E+00 | 1,00E-01 | 2,00E-01 | 3,00E-01 | 4,00E-01 | 5,00E-01 |
| Массив вычисленных значений выходного давления (бар абс.) | |||||
| 9,70E+00 | 9,70E+00 | 9,71E+00 | 9,71E+00 | 9,71E+00 | 9,71E+00 |
| qW | WCUT_CLC | GVF | Измеренное Pout (бар абс.) | |
| м3/ч | доля | доля | бар абс. | |
| 4.83E+00 | 2,40E-01 | 6,26E-02 | 9,71E+00 | |
| Массив значений обводненности (доля) | ||||
| 6.00E-01 | 7,00E-01 | 8,00E-01 | 9,00E-01 | 1,00E+00 |
| Массив вычисленных значений выходного давления (бар абс.) | ||||
| 9.71E+00 | 9,73E+00 | 9,73E+00 | 9,73E+00 | 9,73E+00 |
Управляющая программа для расходомера Кориолиса в программе Pipephase на языке FORTRAN
Приложение B
Входные файлы модели с ключевыми словами для сети расходомера Кориолиса CFT50 в примере для программы Pipephase.
Входной файл с ключевыми словами для модели расходомера Кориолиса в программе Pipephase.
Однородная модель
Имя файла с ключевыми словами: TRIAL3_ACT_DATA_HOMOG_K12meter.imp
Модель Чизолма:
Имя файла с ключевыми словами: TRIAL3_ACT_DATA_CHIS_BHMV_K14meter.imp
1. Расходомерная система для трехкомпонентной многофазной текучей среды, содержащая:
расходомер Кориолиса, выполненный с возможностью измерять значение первого свойства многофазной текучей среды, причем расходемр Кориолиса содержит трубу;
датчик, выполненный с возможностью измерять значение второго свойства многофазной текучей среды;
систему моделирования потока многофазной текучей среды через трубу, причем система моделирования потока выполнена с возможностью моделировать взаимосвязь между вторым свойством и третьим свойством многофазной текучей среды, причем взаимосвязь зависит от первого свойства многофазной текучей среды; и
систему определения, выполненную с возможностью определять значение третьего свойства многофазной текучей среды на основе моделирования потока, измеренного значения первого свойства и измеренного значения второго свойства многофазной текучей среды, и выполненную с возможностью определять значение четвертого свойства многофазной текучей среды на основе, по меньшей мере частично, определенного значения третьего свойства и по меньшей мере одного из измеренного значения первого свойства и измеренного значения второго свойства.
2. Система по п.1, в которой второе свойство является давлением, связанным с многофазной текучей средой.
3. Система по п.1, в которой второе свойство является температурой, связанной с многофазной текучей средой.
4. Система по п.1, в которой:
система определения выполнена с возможностью определять значение четвертого свойства многофазной текучей среды на основе, по меньшей мере частично, измеренного значения первого свойства, измеренного значения второго свойства и определенного значения третьего свойства.
5. Система по п.1, в которой четвертое свойство является массовым расходом или объемным расходом компонента многофазной текучей среды.
6. Расходомерная система для трехкомпонентной многофазной текучей среды, содержащая:
систему измерения объемной плотности для измерения объемной плотности многофазной текучей среды;
система измерения массового расхода для измерения массового расхода многофазной текучей среды;
датчик давления, выполненный с возможностью измерять давление, связанное с многофазной текучей средой;
систему моделирования потока, выполненную с возможностью определять обводненность или объемное газосодержание многофазной текучей среды на основе взаимосвязи между массовым расходом и обводненностью или объемным газосодержанием и на основе, по меньшей мере частично, измеренного давления;
систему определения расхода для определения расхода по меньшей мере одного компонента многофазной текучей среды на основе объемной плотности, массового расхода и обводненности или объемного газосодержания.
7. Способ определения расхода по меньшей мере одного компонента трехкомпонентной многофазной текучей среды, содержащий этапы, на которых:
измеряют значение первого свойства многофазной текучей среды при помощи расходомера Кориолиса, причем расходомер Кориолиса содержит трубу;
измеряют значение второго свойства многофазной текучей среды;
определяют значение третьего свойства на основе измеренного значения первого свойства и измеренного значения второго свойства многофазной текучей среды при помощи моделирования взаимосвязи между вторым свойством и третьим свойством потока многофазной текучей среды, протекающей по трубе, причем взаимосвязь зависит от первого свойства многофазной текучей среды; и
определяют значение четвертого свойства многофазной текучей среды на основе, по меньшей мере частично, определенного значения третьего свойства и по меньшей мере одного из измеренного значения первого свойства и измеренного значения второго свойства.
8. Способ по п.7, в котором второе свойство является давлением, связанным с многофазной текучей средой.
9. Способ по п.7, в котором второе свойство является температурой, связанной с многофазной текучей средой.
10. Способ по п.7, в котором определение значения четвертого свойства многофазной текучей среды содержит определение четвертого свойства на основе, по меньшей мере частично, измеренного значения первого свойства, измеренного значения второго свойства и определенного значения третьего свойства.
11. Способ по п.7, в котором четвертое свойство является массовым расходом или объемным расходом компонента многофазной текучей среды.
12. Способ определения расхода по меньшей мере одного компонента трехкомпонентной многофазной текучей среды, содержащий этапы, на которых:
измеряют объемную плотность многофазной текучей среды;
измеряют массовый расход многофазной текучей среды;
измеряют давление, связанное с многофазной текучей средой;
моделируют взаимосвязь между массовым расходом и обводненностью или объемным газосодержанием на основе измеренного массового расхода;
определяют обводненность или объемное газосодержание многофазной текучей среды на основе, по меньшей мере частично, моделирования и измеренного давления;
определяют расход по меньшей мере одного компонента многофазной текучей среды на основе измеренной объемной плотности, измеренного массового расхода и определенной обводненности или объемного газосодержания.
13. Способ определения расхода по меньшей мере одного компонента трехкомпонентной многофазной текучей среды, содержащий этапы, на которых:
измеряют объемную плотность многофазной текучей среды при помощи расходомера Кориолиса, причем расходомер Кориолиса включает в себя расходомерную трубку;
измеряют массовый расход многофазной текучей среды при помощи расходомера Кориолиса;
измеряют входное давление многофазной текучей среды на входе расходомерной трубки;
измеряют выходное давление многофазной текучей среды на выходе расходомерной трубки;
измеряют входную температуру многофазной текучей среды на входе расходомерной трубки;
определяют обводненность или объемное газосодержание многофазной текучей среды на основе объемной плотности, массового расхода, входного давления, выходного давления и входной температуры;
и
определяют расход по меньшей мере одной компоненты многофазной текучей среды на основе измеренной объемной плотности, измеренного массового расхода и определенной обводненности или объемного газосодержания.
14. Способ по п.13, в котором определение обводненности или объемного газосодержания многофазной текучей среды содержит применение системы моделирования потока многофазной текучей среды через расходомерную трубку для определения обводненности или объемного газосодержания на основе объемной плотности, массового расхода, входного давления, выходного давления и входной температуры.
