Способ измерения расхода многофазной жидкости



Способ измерения расхода многофазной жидкости
Способ измерения расхода многофазной жидкости
Способ измерения расхода многофазной жидкости

 


Владельцы патента RU 2489685:

Шумилин Сергей Владимирович (RU)
Шумилин Владимир Николаевич (RU)

Способ измерения расхода многофазной жидкости относится к нефтегазодобывающей области и, в частности, может быть использовано для измерения дебита многофазных потоков эксплуатационных газовых, газоконденсатных и нефтяных скважин. Способ измерения расхода многофазной жидкости заключается в определении скорости звука и плотности каждой фазы, определении скорости звука в каждой из фаз жидкости в рабочем диапазоне температур. При этом измеряют и записывают амплитуды колебаний трубы, по которой протекает многофазная жидкость и соответствующие им частоты. Выбирают диапазон частот с максимальными значениями амплитуд. Измеряемый диапазон частот делят на три части, нижние частоты соответствуют газовой фазе, средние - нефтяной и высокие - водяной, в каждой из частей которых после применения быстрых преобразований Фурье выделяют максимальные значения амплитуд и вычисляют объемный расход каждой фазы жидкости по установленной зависимости. Технический результат - уменьшение погрешности измерения каждой фазы. 3 ил.

 

Способ измерения расхода многофазной жидкости относится к нефтегазодобывающей области и, в частности, может быть использовано для измерения дебита многофазных потоков эксплуатационных газовых, газоконденсатных и нефтяных скважин.

Известен «СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ПРИ НЕРАВНОМЕРНОМ ДВИЖЕНИИ ЖИДКОСТИ» (Номер патента: 2140538. Класс(ы) патента: Е21В 47/10. G01F 1/66). Задачей изобретения является упрощение процесса контроля расхода жидкости, протекающей по трубопроводу. Это достигается тем, что способ включает измерение времени прохождения жидкости через известное сечение, скорости этого прохождения и последующую обработку результатов. Новым является то, что время прохождения определяют по наличию акустического шума, создаваемого движением жидкости при протекании ее через известное сечение, а скорость прохождения жидкости определяют по частоте возникновения порций акустических шумов, вызываемых неравномерностью движения жидкости.

Недостатком аналога является отсутствие анализа информации, содержащейся в акустическом сигнале, например частоты и амплитуды сигнала. Акустический сигнал используют только для определения скорости движения всей жидкости без выделения информации об отдельных фазах, а также определения времени начала и конца цикла подачи жидкости.

Также известен способ измерения расхода многофазных жидкостей («СИСТЕМЫ ОПЕРАТИВНОГО КОНТРОЛЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ НЕФТЕГАЗОВЫХ СКВАЖИН», журнал «Современные технологии автоматизации» №2. 2001, с.44-49) в котором расход измеряют по амплитуде спектральной мощности изменения давления в трубопроводе, предварительно установив в трубопроводе сужающее устройство специальной формы (свисток), эффективный в условиях измерения расхода с высоким газовым фактором.

К недостаткам второго аналога относятся ограничения области применения способа только газовыми скважинами с небольшим содержанием жидкой фазы.

В водонефтяных эмульсиях с низким газовым фактором способ неприменим из-за полного перекрытия сечения сужающего устройства потоком жидкости. Иными словами «свисток» в жидкости не будет генерировать требуемый для измерений сигнал. Способ не предусматривает измерение физических свойств жидких фаз. например скорости звука или плотности фаз. Наличие сужающего устройства в условиях пескопроявления приводит к износу сопла сужающего устройства и возрастанию погрешностей измерения расхода.

В качестве прототипа выбран способ измерения расхода многофазной жидкости (U.S. 7401530 В2 от Jul. 22 2008 "SONAR BASED MULTIPHASE FLOWMETER") в котором измеряют скорости звука в отдельных фазах движущейся в трубе многофазной жидкости, измеряют скорость распространения волн вдоль трубы, измеряют объемную долю одной из фаз, измеряют среднюю скорость движения многофазной жидкости в трубе, предварительно измеряют плотности каждой из фаз, а затем, на основе предложенных зависимостей рассчитывают объемную или массовую доли каждой фазы. При этом скорость звука используют только как метку появления в трубе какой-либо фазы. полагая. что изменение скорости от концентрации фаз заранее известно. К недостаткам прототипа относятся:

1. Применение устройств для измерения одной фазы многофазного потока, например воды, приводит к появлению дополнительных погрешностей измерения расхода. Появление погрешностей обусловлено самим многофазным потоком, существующим в виде водогазонефтяной эмульсии различной степени дисперсности.

2. Наличие в потоке комбинации гидрофильной и гидрофобной фаз в любом случае приводит к появлению на стенках трубы отложений, негативно влияющих на процесс измерения одной из фаз. Это относится к сенсорам любого типа - магнитным. электрическим, излучающим, ионизирующим (см. п.6-9 указанного патента).

3. В описании способа не приведена математическая зависимость между скоростью потока, скоростями фаз и плотностями фаз.

4. Применение расходомера смеси и отдельно расходомера воды в данном способе избыточно, так как необходимую информацию о движении многофазной жидкости можно получить из акустического сигнала сенсора установленного на трубе,

Для устранения указанных недостатков предлагается данное изобретение. Технический результат: уменьшение погрешности измерения каждой фазы. Технический результат достигается благодаря тому, что в предлагаемом способе измерения расхода многофазной жидкости предусмотрены следующие отличия:

определяют скорость звука и плотность каждой фазы. определяют скорость звука в каждой из фаз жидкости в рабочем диапазоне температур, измеряют и записывают амплитуды колебаний трубы, по которой протекает многофазная жидкость и соответствующие им частоты. Выбирают диапазон частот с максимальными значениями амплитуд. Измеряемый диапазон частот делят на три части, нижние частоты соответствуют газовой фазы. средние - нефтяной и высокие - водяной, в каждой из частей которых после применения быстрых преобразований Фурье [1, 2, 3], выделяют максимальные значения амплитуд, и вычисляют 3 объемный расход каждой фазы жидкости по зависимости:

Q : = π R 4 F 3 A K 4 C 2 ,

где Q - объемный расход отдельной фазы многофазной жидкости, м3/с;

R - радиус трубы, м;

F - максимальная частота вибрации в выделенном для отдельной фазы в диапазоне, 1/с;

А - максимальная амплитуда колебаний на частоте f, м;

К - безразмерный коэффициент пропорциональности, учитывающий особенности протекания многофазной жидкости по трубопроводу при калибровке виброакустического датчика на трубопроводе;

С - скорость звука в измеряемой фазе многофазной жидкости, определенная экспериментально для нефти и газа и табличная для воды.

Пример: Определим точность измерения расхода при изменении частоты на 1 Гц, принимая, что такое изменение точно регистрируется применяемым приборным комплексом, для трех составляющих потока:

Радиус трубы, м:

R:=0.0254

Частота начальная, для газа, нефти и воды соответственно, Гц:

Fg:=250

Foil:=1000

Fw:=1500

Скорость звука для газа, нефти и воды соответственно, м/с:

Cgas:=400

Coil:=1200

Cw:=1500

Амплитуду колебаний условно примем одинаковой для всех составляющих, м:

A:=0.00001

Для расчета примем диапазон частот от 251 до 7500 Гц:

F2:=251…7500

Запишем уравнение расхода для составляющих потока:

Для фазы 1: Q w ( F 2 ) : = π R 4 F 2 3 A 4 C w 2

Для фазы 2: Q o i l ( F 2 ) : = π R 4 F 2 3 A 4 C o i l 2

Для фазы 3: Q g a s ( F 2 ) : = π R 4 F 2 3 A 4 C g a s 2

Влияние расхода на частоту показано на рис.1.

Вычислим разность расходов для нефти при изменении частоты на 1 Гц:

ΔQoil:=Q2(F2)-Q1(F2);

Изменение расхода при изменении частоты на 1 Гц показано на рис.2

Технический результат получен следующим способом.

К компьютеру с программным обеспечением DASYLab - 11 (см. User Manual Data Acquisition, Controlling, and Monitoring "Data Acquisition System Laboratory") подключали пьезоэлектрический микрофон, который в свою очередь крепили к трубопроводу. В программе сигнал усиливается, делится фильтрами на три части, задается частота замера сигнала по Найквисту, каждая часть проходит через свой анализатор спектра, выделенные сигналы проверяются на максимальность амплитуды и подаются на блок математических преобразований, куда вводятся также значения скоростей звука и коэффициент пропорциональности. На выходе получаем или численные значения в таблицы Excel или графические материалы в виде цифрового экрана или двумерного графика.

Экспериментальное исследование: записывали показания приборов (расход, давление, частоту вращения насоса), а также частоту и амплитуду колебаний трубопровода, используя специально изготовленный из трубы диаметром 2 дюйма кольцевой проливочный стенд (рис.3), состоящий из насоса 1, трубопровода 2, расходомера 3, манометра 4 (остальные устройства не показаны). Обработку результатов проводили в программе DASYLab-11 и MathCAD-14.

В качестве многофазной жидкости использовали воду водопроводную, растительное масло и воздух. Использовали эмульсии из 25%, 50%, и 75% смеси масла с водой. Объем воздуха регулировали изменением объема жидкости в проливочном стенде. Пьезоэлектрический микрофон жестко устанавливали на трубе. Замеры проводили при фиксированных значениях температуры +20, +50, +80°С и фиксированных значениях чисел оборотов насоса - 100, 350, 700 об/мин.

Условия проведения эксперимента:

Испытуемая жидкость - водопроводная вода

Температура жидкости: 20°C

Давление: 0,1 МПа

Частота: см. таблица 1

Скорость звука в воде: 1500 м/с

Амплитуда колебаний: 1.03×10-5 м

При проведении экспериментов установлено, что достигаемая точность измерения каждой фазы варьируется от 1·10-9 до 1·10-6 в зависимости от частоты, амплитуды и других параметров. При этом изменение погрешности измерения каждой фазы варьируется от 1·10-9 до 1·10-6 в зависимости от частоты, амплитуды и других параметров.

Таблица 1
Результаты экспериментальных исследований
Частота, Гц Расход, м3
1340 3.601Е-09
2457 2,241Е-08
3572 6,847Е-08

Список используемых источников

1. Кристалинский Р.Е., Кристалинский В.Р. Преобразования Фурье и Лапласа в системах компьютерной математики: Учебное пособие для вузов. - М.: Горячая линия - Телеком, 2006. - 216 с.

2. Панферов А.И., Лопарев А.В., Пономарев В.К. Применение MathCAD в инженерных расчетах: Учебное пособие / СПбГУАП. СПб., 2004. 88 с.

3. User Manual Data Acquisition, Controlling, and Monitoring "Data Acquisition System Laboratory"

Способ измерения расхода многофазной жидкости, заключающийся в измерении акустического шума, создаваемого движением жидкости при протекании ее через известное сечение, скорость прохождения жидкости определяют по частоте акустических шумов, вызываемых неравномерностью движения жидкости, предварительно измеряют температуру потока и давление в трубе, плотности каждой из фаз, а затем на основе предложенных зависимостей рассчитывают объемную или массовую доли каждой фазы, отличающийся тем, что предварительно определяют скорость звука в каждой из фаз жидкости в рабочем диапазоне температур, измеряют и записывают амплитуды и частоты колебаний трубы, по которой протекает многофазная жидкость, измеряемый диапазон частот делят на части, соответствующие каждой фазе, в каждой из частей после применения быстрых преобразований Фурье, выделяют максимальные значения амплитуд и соответствующие им частоты и вычисляют объемный расход каждой фазы жидкости по формуле
Q = π R 4 F 3 A K 4 C 2 ,
где Q - объемный расход отдельной фазы многофазной жидкости, м3/с;
R - радиус трубы, м;
F - максимальная частота вибрации в выделенном для отдельной фазы в диапазоне, 1/с;
А - максимальная амплитуда колебаний на частоте F, м;
K - безразмерный коэффициент пропорциональности, учитывающий особенности протекания многофазной жидкости по трубопроводу при калибровке виброакустического датчика на трубопроводе;
С - скорость звука в измеряемой фазе многофазной жидкости, определенная экспериментально для нефти и газа и таблично для воды.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к ультразвуковому расходомеру, содержащему проточную для измеряемой среды измерительную трубу, имеющую, глядя в поперечном сечении, две половины, и две пары ультразвуковых преобразователей, с каждой из которых соотнесен ультразвуковой отражатель, причем ультразвуковые преобразователи каждой пары расположены на общей для них половине измерительной трубы со смещением относительно друг друга в продольном направлении измерительной трубы, а ультразвуковой отражатель, соотнесенный с соответствующей парой ультразвуковых преобразователей, расположен на другой половине и помещен, глядя в продольном направлении измерительной трубы, между обоими ультразвуковыми преобразователями таким образом, чтобы ультразвуковой сигнал, посланный одним ультразвуковым преобразователем пары ультразвуковых преобразователей, достигал другого ультразвукового преобразователя по V-образному пути распространения сигнала через ультразвуковой отражатель, соотнесенный с этой парой ультразвуковых преобразователей.

Изобретение относится к сельскому хозяйству, к области водоизмерения и водоучета в гидромелиоративных системах, в частности к устройствам ультразвукового типа для измерения расхода жидкости (воды) с переменным уровнем в открытых каналах, и может быть использовано на гидромелиоративных и водохозяйственных системах.

Изобретение относится к области расходомеров. .

Изобретение относится к измерительной технике по ультразвуковым расходомерам, а именно к способам и устройствам измерения расхода массы и объема жидких сред в безнапорных трубопроводах.

Изобретение относится к способу определения и/или контроля расхода измеряемой среды через измерительную трубу с одним первым и, по меньшей мере, одним вторым ультразвуковыми датчиками, из которых первый ультразвуковой датчик содержит, по меньшей мере, один электромеханический ультразвуковой преобразовательный элемент и размещен на первом участке измерительной трубы, а второй ультразвуковой датчик содержит, по меньшей мере, два электромеханических ультразвуковых преобразовательных элемента и размещен на втором участке измерительной трубы так, что переданные первым ультразвуковым датчиком через измеряемую среду ультразвуковые сигналы принимаются вторым ультразвуковым датчиком, а переданные вторым ультразвуковым датчиком через измеряемую среду ультразвуковые сигналы принимаются первым ультразвуковым датчиком, и, по меньшей мере, с одним блоком регулирования/оценки, который с помощью ультразвуковых измерительных сигналов или измеренных данных, выведенных из ультразвуковых измерительных сигналов, определяет объемный и/или массовый поток протекающей в измерительной трубе измеряемой среды методом разности времени прохождения, а также к измерительной системе.

Изобретение относится к области измерения объема или массы жидкостей или газов путем пропускания их через измерительные устройства непрерывным потоком и измерением частоты фазового сдвига, времени распространения электромагнитных или других волн и может найти применение для измерения расхода жидкости или газа в напорных трубопроводах.

Изобретение относится к измерительной системе для определения и/или контроля расхода измеряемой среды через измерительную трубу, содержащей, по меньшей мере, один ультразвуковой преобразователь и, по меньшей мере, один блок регулирования/оценки, который с помощью измерительных сигналов или измеренных данных, выведенных из измерительных сигналов, определяет объемный и/или массовый поток протекающей в измерительной трубе измеряемой среды, причем ультразвуковой преобразователь содержит, по меньшей мере, один электромеханический преобразовательный элемент, передающий и/или принимающий ультразвуковые сигналы, а также, по меньшей мере, один связующий слой в зоне между электромеханическим преобразовательным элементом и измеряемой средой, направляющий ультразвуковые сигналы.

Изобретение относится к способу и устройству для определения расхода протекающей жидкости

Изобретение относится к жидкостным и газовым ультрозвуковым расходомерам. Пьезоэлектрический узел для ультразвукового расходомера содержит пьезоэлектрический элемент, содержащий первую поверхность и вторую поверхность, пьезоэлектрический первый электрод, взаимодействующий с первой поверхностью, и второй электрод, взаимодействующий со второй поверхностью. Кроме того, пьезоэлектрический узел содержит проводимую соединительную прокладку, прикрепленную к первому электроду, при этом первый провод, электрически соединен с соединительной прокладкой. Технический результат - повышение надежности электрического соединения с электродами пьезоэлектрического элемента преобразователя с возможностью сопротивления температурным и механическим нагрузкам. 2 н. и 22 з.п. ф-лы, 11 ил.

Изобретение относится к бытовым ультразвуковым счетчикам для измерения расхода газа. Техническим результатом является повышение точности, а также увеличение динамического диапазона измеряемого расхода газа. Достижение указанного результата обеспечивается тем, что ультразвуковой газовый расходомер содержит два пьезоэлектрических преобразователя, каждый из которых состоит, по крайней мере, из двух блоков, смещенных относительно друг друга вдоль направления излучения (приема). Результат по п.2 формулы достигается тем, что каждый преобразователь содержит четное число излучающих (принимающих) блоков. Результат по п.3 формулы достигается тем, что преобразователи расположены на противоположных боковых стенках измерительной камеры со смещением один относительно другого вдоль направления распространения газового потока. Достижение результата по п.4 формулы обеспечивается тем, что преобразователи расположены на одной из боковых стенок измерительной камеры со смещением один относительно другого по стенке вдоль направления газового потока симметрично относительно плоскости поперечного сечения измерительной камеры, в центре противоположной боковой стенки измерительной камеры расположено, по крайней мере, одно акустическое зеркало, так что его плоскость параллельна плоскостям излучающих (принимающих) поверхностей блоков, причем смещение блоков одного преобразователя зеркально относительно смещения блоков другого преобразователя, а плоскости зеркала и приемно-излучающих преобразователей не выступают внутрь измерительной камеры за ее плоскость. Результат по п.5 формулы достигается тем, что приемно-излучающие блоки каждого из преобразователей объединены в группы, причем каждая из групп состоит из одинакового количества, но не менее двух, блоков, имеющих одинаковое смещение вдоль нормали к излучающей (принимающей) поверхности. 4 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к системам выравнивания потока текучей среды в проточной части расходомеров или в трубопроводах на входе расходомеров, предназначенных для измерений объемного расхода текучих сред. Ультразвуковой расходомер, содержащий прямолинейную проточную часть - трубопровод, первый и второй электроакустические датчики, размещенные в соответствующих корпусах, установленных внутри проточной части на расстоянии друг от друга, каждый датчик связан с измерительным блоком. При этом между датчиками в проточной части установлена трубка-вкладыш, внутреннее сечение которой выполнено в виде равностороннего многоугольника с закругленными углами. При этом сечение трубки-вкладыша по направлению от первого датчика ко второму выполнено сужающимся, с каждой торцевой стороны трубки-вкладыша в ее нижней части выполнены полки, обращенные наружу к близлежащему датчику, внутренняя полость трубки-вкладыша образует зону измерения. Корпус каждого датчика имеет обтекаемую форму, плавно расширяющуюся по направлению к зоне измерения. Датчики установлены симметрично по отношению к трубке-вкладышу. Технический результат - расширение арсенала средств для выпрямления потока в ультразвуковых расходомерах, а также упрощение конструкции устройства и повышение степени выравнивания потока. 7 з.п. ф-лы, 8 ил.
Способ одновременного определения расходов жидкой и газовой фаз потока газожидкостной смеси, включающий зондирование восходящего потока несепарированной газожидкостной смеси непрерывным ультразвуковым сигналом, прием отраженного от неоднородностей сигнала, комплексное детектирование, выделяющее синфазную с зондирующим сигналом и квадратурную составляющие, проведение спектрального анализа с определением знака преобладающей частоты, определение частоты сигнала и доли времени, когда преобладающая частота принимает отрицательное значение. При этом определяют мощность принятого сигнала, сравнивают мощность с пороговой величиной и исключают из определения частоты сигнала и доли времени, когда преобладающая частота принимает отрицательное значение, т.е. участки сигнала, где мощность менее пороговой. Во время калибровки определяют зависимости частоты и доли времени, когда преобладающая частота принимает отрицательное значение, от расходов жидкой и газообразной фаз. По полученным во время калибровки зависимостям частоты и доли времени, когда преобладающая частота принимает отрицательное значение, определяют расходы жидкой и газовой фаз. Технический результат - упрощение способа определения расхода жидкой и газовой фаз потока газожидкостной смеси при одновременном повышение точности измерения и расширении диапазона измеряемых величин.

Ультразвуковой преобразователь ультразвукового расходомера снабжен корпусом, содержащим ближний к месту крепления конец, дальний к месту крепления конец и внутренний объем. При этом ультразвуковой преобразователь ультразвукового расходомера выполнен с возможностью соединения с трубным узлом ультразвукового расходомера, пластмассовым согласующим слоем и преобразовательным элементом, соединенным с внутренней поверхностью пластмассового согласующего слоя. При этом пластмассовый согласующий слой имеет наружную поверхность и внутреннюю поверхность и герметично соединен с дальним концом корпуса и расположен закрывающим его. Также пластмассовый согласующий слой имеет коэффициент теплового расширения, больший коэффициента теплового расширения корпуса. Технический результат - повышение долговечности расходомера и его компонентов. 4 н. и 17 з.п. ф-лы, 12 ил.

Группа изобретений относится к измерительной технике и, в частности, к способу и системе обнаружения и отслеживания отложений. Система обнаружения нароста отложений в ультразвуковом расходомере включает ультразвуковой расходомер, муфту, пару преобразователей, закрепленных на муфте. Причём каждая пара преобразователей содержит преобразователь, установленный ниже по потоку, и связанный с ним преобразователь, расположенный выше по потоку, и задает хорду, проходящую между ними. Также система содержит группу электронных устройств, электрически связанных с парами преобразователей и выполненных с возможностью получения диагностических данных посредством акустических сигналов, передаваемых каждой парой преобразователей. При этом диагностические данные включают расчетную скорость распространения звука через текучую среду для каждой пары преобразователей, а электронные устройства выполнены с возможностью обнаружения нароста отложений на внутренней поверхности муфты на основании разницы длин хорд и изменения скорости распространения звука через текучую среду во времени для пар преобразователей. Способ обнаружения нароста отложений предполагает определение диагностических данных посредством акустических сигналов, которые передаются между каждой из пар преобразователей ультразвукового расходомера. При этом диагностические данные включают расчетную скорость распространения звука через текучую среду, проходящую через ультразвуковой расходомер для каждой пары преобразователей, изменение во времени скорости распространения звука через текучую среду для каждой из пар преобразователей, разницу длин хорд пар преобразователей, изменение скорости распространения звука через текучую среду. Технический результат изобретения - повышение точности измерений. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 7 ил.

Датчик ультразвукового расходомера может быть использован для определения расхода газов и жидкостей. Он состоит из пролетного канала, в торцах которого установлены акустические преобразователи, и двух патрубков, соединяющих пролетный канал с контролируемым трубопроводом. Акустическая ось преобразователей смещена относительно оси симметрии пролетного канала. Контролируемая среда из патрубков вводится в пролетный канал через его боковую поверхность, соединенную с боковой поверхностью патрубков, и таким же образом выводится из него. Технический результат - конструктивное упрощение устройства, уменьшение габаритов без ухудшения функциональных характеристик. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.
Наверх