Способ определения фракционной доли воды в многофазной несмешиваемой среде
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в информационно-измерительных системах нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей. Способ определения фракционной доли воды в многофазной несмешиваемой среде заключается в том, что в трубопровод встраивают измерительную секцию трубопровода, выполненную в виде участка трубы со стенками из диэлектрического материала, снаружи которых в контрольном поперечном сечении измерительного участка трубы устанавливают датчик, выполненный в виде емкостных или магнитных излучателя и приемника, при этом с помощью генератора создают сканирующий электромагнитный высокочастотный сигнал на заданной частоте, подаваемый на излучатель, а с помощью приемника регистрируют сигнал сканирования, определяя флуктуации диэлектрической проницаемости многофазной среды с получением указанного сигнала сканирования в виде амплитудной характеристики, затем обрабатывают и анализируют полученную амплитудную характеристику и на основании проведенного анализа полученной характеристики определяют фракционную долю воды в контрольном сечении трубы, при этом перед заданием сканирующих сигналов осуществляют серию предварительных замеров в виде калибровочного сканирования поперечного сечения контрольного участка трубы до его встраивания в трубопровод, изменяя содержание воды на контрольном участке трубы и несущую частоту сигнала генератора, выбирают частоту калибровочного сканирующего сигнала, при которой амплитуда регистрируемого сигнала пропорциональна количеству воды, и заносят в банк данных, по крайней мере, одну из контрольных характеристик зависимости амплитуды сигнала от количества воды в контрольном сечении, полученных в результате предварительных замеров, причем сканирование измерительной секции трубы после ее встраивания в трубопровод осуществляют с частотой, выбранной при предварительных замерах, а анализ амплитудной характеристики, полученной при сканировании, осуществляют путем ее сравнения с контрольной амплитудной характеристикой. Техническим результатом является повышение точности определения фракционной доли воды в многофазной среде. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в информационно-измерительных системах нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности для измерения содержания воды, как одного из компонентов многофазной среды, в частности, для определения дебита скважины, а также в других производствах, где есть необходимость измерения расхода многофазных технологических сред.
Способы измерения и устройства для измерения фракционного состава, в частности, содержания воды в многофазной среде, должны обеспечивать измерение без загромождения сечения трубопровода и без нарушения его герметичности, и поэтому они являются наиболее предпочтительными при измерении состава пожароопасных и взрывоопасных сред.
Известен корреляционный способ измерения фракционного состава, а также суммарного и фракционного расходов многофазных несмешивающихся сред, реализованный в устройстве, описанном в патенте РФ № 2194950, опубл. 20.12.2002). Известный способ включает в себя выделение на трубопроводе, по крайней мере, одного контрольного участка, измерение на выделенном участке флуктуации диэлектрической постоянной потока, включающее сканирование потока вращающимся высокочастотным электрическим полем, обработку сигнала сканирования с выделением зоны максимума амплитудно-фазовой или амплитудно-частотной характеристики сигнала и определение фракционной доли воды в многофазной несмешивающейся среде. Используя известный способ, можно определить фракционные доли двух несмешивающихся сред, если диэлектрические характеристики транспортируемых сред существенно отличаются друг от друга, в частности, можно определить содержание воды в нефти при измерении дебита скважины.
Недостатком известного способа является малая точность определения фракционной доли воды в потоке.
Техническим результатом заявленного изобретения является повышение точности определения фракционной доли воды в многофазной среде.
Проблема решается и технический результат достигается тем, что в трубопровод встраивают измерительную секцию трубопровода, выполненную в виде участка трубы со стенками из диэлектрического материала, снаружи которых, по крайней мере, в одном контрольном поперечном сечении измерительного участка трубы устанавливают, по меньшей мере, один датчик, выполненный в виде емкостных или магнитных излучателя и приемника, при этом с помощью генератора создают сканирующий электромагнитный высокочастотный сигнал на заданной частоте, подаваемый на излучатель а с помощью приемника регистрируют сигнал сканирования, определяя флуктуации диэлектрической проницаемости многофазной среды с получением указанного сигнала сканирования в виде амплитудной характеристики, затем обрабатывают и анализируют полученную амплитудную характеристику и на основании проведенного анализа полученной характеристики определяют фракционную долю воды в контрольном сечении трубы, при этом, согласно изобретению, перед заданием сканирующих сигналов осуществляют серию предварительных замеров в виде калибровочного сканирования поперечного сечения контрольного участка трубы до его встраивания в трубопровод, изменяя содержание воды на контрольном участке трубы и несущую частоту сигнала генератора, выбирают, по крайней мере, частоту калибровочного сканирующего сигнала, при которой амплитуда регистрируемого сигнала пропорциональна количеству воды и заносят в банк данных, по крайней мере, одну из контрольных характеристик зависимости амплитуды сигнала от количества воды в контрольном сечении, полученных в результате предварительных замеров, причем сканирование измерительной секции трубы после ее встраивания в трубопровод осуществляют с частотой, выбранной при предварительных замерах, а анализ амплитудной характеристики, полученной при сканировании, осуществляют путем ее сравнения с контрольной амплитудной характеристикой.
Технический результат достигается также тем, что при калибровочном сканировании могут использовать диапазон изменения несущей частоты сигналов, лежащий в пределах от 2 МГц до 80 МГц.
Технический результат достигается также тем, что при калибровочном сканировании потока многофазной транспортируемой среды высокочастотным электрическим полем несущую частоту сканирующего сигнала могут изменять ступенчато, и на каждой частоте регистрацию сигнала сканирования выполняют на установившемся режиме.
Технический результат достигается также тем, что в банк данных могут заносить не менее двух контрольных характеристик зависимости амплитуды сигнала от количества воды в контрольном сечении, из хранящихся в банке данных амплитудных характеристик выбирают наиболее близкие амплитудные характеристики и, используя интерполяцию, вычисляют фракционную долю воды в многофазной транспортируемой среде.
Изобретение поясняется при помощи чертежа, на котором показана блок-схема системы измерения, с помощью которого реализуется описываемый способ.
Система для измерения процентного содержания воды устанавливается непосредственно на трубопроводе 1 и включает измерительную секцию 2, стенки которой выполнены из диэлектрического материала.
Предлагаемая система для измерения фракционного состава многофазных несмешивающихся сред содержит высокочастотный генератор 3 сканирующих сигналов, блок 4 сканирования потока многофазной транспортируемой среды высокочастотным электрическим полем, подключенный к высокочастотному генератору 3 сканирующих сигналов и блок 5 определения амплитудно-частотных характеристик (АЦП 1) зарегистрированного сигнала сканирования высокочастотным электрическим полем, соединенный с блоком 4 сканирования высокочастотным электрическим полем, предназначенный для обработки сигнала сканирования высокочастотным электрическим полем с выделением зоны максимума амплитудно-частотной характеристики сигнала сканирования высокочастотным электрическим полем. Блок 4 содержит, по меньшей мере, один датчик, выполненный в виде одного емкостного или магнитного излучателя и одного емкостного или магнитного приемника.
Предлагаемая система содержит также блок 6 хранения эталонных амплитудно-частотных характеристик сканирования потока многофазной транспортируемой среды высокочастотным электрическим полем и эталонных амплитудно-частотных характеристик сканирования потока многофазной транспортируемой среды высокочастотным магнитным полем.
В состав системы включен микропроцессор 7 для управления работой системы для измерения содержания воды, к которому подключены все блоки и датчики системы измерения (на блок-схеме показаны наиболее существенные соединения между отдельными элементами системы, но не все соединения, чтобы не загромождать блок-схему).
Микропроцессор 7 конфигурирован так, чтобы управлять элементами системы и выполнять все операции предлагаемого способа, в том числе, чтобы принимать амплитудно-частотные характеристики сигнала сканирования из блока 5 определения амплитудно-частотных характеристик, запрашивать аналогичные характеристики из блока 6 хранения эталонных характеристик, получать запрошенные амплитудно-частотные характеристики из блока 6 хранения эталонных характеристик, определять фракционную долю воды в многофазной транспортируемой среде на основе сравнения измеренных и эталонных амплитудно-частотных характеристик.
Дополнительно предлагаемая система для измерения процентного содержания воды может содержать внешнюю ЭВМ 8, в которой можно сохранять все результаты измерений и все основные и вспомогательные программы для обработки измерений и управления системой.
На чертеже также показаны блок задержки 9 по времени, блок 10 вычисления корреляционных функций, блок нормирования 11.
С помощью описанной системы реализуют заявленный способ измерения фракционной доли воды в многофазной транспортируемой среде следующим образом.
В трубопровод 1, по которому перемещается многофазная несмешивающаяся среда, например, на трубопроводе, идущем от нефтедобывающей скважины, вставляют измерительную секцию 2, на которой производят сканирование потока высокочастотными сигналами. В общем случае транспортируемая по трубопроводу нефть может содержать минерализованную воду, жидкие и газообразные углеводороды.
Перед встраиванием контрольного участка трубы в диагностируемый трубопровод осуществляют серию предварительных замеров в виде калибровочного сканирования высокочастотным электрическим полем заданного поперечного сечения контрольного участка для выявления предпочтительных диапазонов частот сканирования. Через контрольный участок пропускают многофазную несмешиваемую среду, например, двухфазную с контролируемым содержанием воды. При этом изменяют содержание воды, а также несущую частоту сигнала генератора. Выбирают частоту калибровочного сканирующего сигнала, при которой амплитуда регистрируемого сигнала пропорциональна количеству воды и заносят в банк данных одну или несколько из полученных в результате предварительных замеров контрольных характеристик зависимости амплитуды сигнала от количества воды в контрольном сечении. Диапазон изменения несущей частоты сигналов, лежит в пределах от 2 МГц до 80 МГц, например, с изменением несущей частоты от 10 МГц до 50 МГц. Выделяют диапазон частот для сканирования высокочастотным электрическим полем многофазной транспортируемой среды при определении фракционной доли воды в многофазной транспортируемой среде, охватывающий зону максимума амплитудно-частотной характеристики сигнала калибровочного сканирования. Как правило, выделенный диапазон частот для сканирования высокочастотным электрическим полем выбирается в пределах 0,9-1,1 от выбранной резонансной частоты. Расширение диапазона частот приводит к необоснованному увеличению операционного времени для сканирования и обработки результатов сканирования.
После встраивания контрольного участка трубы в диагностируемый трубопровод генерируют высокочастотный сигнал, используя высокочастотный генератор 3 сканирующих сигналов (ГСС 1), который передают в блок 4 сканирования потока многофазной транспортируемой среды высокочастотным электрическим полем, с помощью которого производят сканирование потока многофазной транспортируемой среды высокочастотным электрическим полем для определения фракционной доли воды в потоке многофазной среды, транспортируемой по трубопроводу.
Причем сканирование измерительной секции трубы осуществляют с частотой, выбранной при предварительных замерах.
Сканирующий сигнал представляет собой пакет дискретно модулированных высокочастотных электрических колебаний напряжением, например, 2 В, со ступенчатым изменением несущей частоты с диапазоном изменения несущей частоты сигналов, лежащим в пределах от 2 МГц до 80 МГц. Величина ступеньки задаётся управляющим микропроцессором 7 и может составлять 50–150 Гц. Длительность сканирующего сигнала должна быть достаточна для выхода на установившийся режим измерения. Регистрируемые (выходные) сигналы, отражающие результаты сканирования потока, имеют переменную амплитуду и сдвиг по фазе, зависящие от несущей частоты сканирующего сигнала и флуктуаций диэлектрической проницаемости многофазного потока. Абсолютная максимальная амплитуда выходного сигнала будет наблюдаться на резонансной частоте, хотя на других частотах могут наблюдаться частные максимумы амплитуды.
Блок 4 регистрирует сигнал сканирования высокочастотным электрическим полем и передает сигнал сканирования в блок 5 определения амплитудно-частотных характеристик зарегистрированного сигнала сканирования высокочастотным электрическим полем. Сигнал сканирования потока высокочастотным электрическим полем содержит информацию о флуктуации диэлектрической проницаемости многофазной транспортируемой среды, исследуя которую можно определить фракционную долю воды в транспортируемой многофазной среде. Блок 5 определения амплитудно-частотных характеристик зарегистрированного сигнала сканирования высокочастотным электрическим полем обрабатывает полученный из блока 4 сигнал сканирования высокочастотным электрическим полем и выделяет в нем зоны максимума амплитудно-частотной характеристики сигнала сканирования высокочастотным электрическим полем.
Обработанный сигнал сканирования высокочастотным электрическим полем передают из первого блока 4 в микропроцессор 7, в котором определяют фракционную долю воды в многофазной транспортируемой среде. В соответствии с основным вариантом осуществления изобретения для определения фракционной доли воды запрашивают из блока 6 хранения эталонных характеристик хранящиеся там аналогичные эталонные характеристики для сканирования потока высокочастотным электрическим полем, полученные при контрольном сканировании. Для сокращения времени обработки запрашивают эталонные характеристики, лежащие в зоне частот, прилежащей к зоне максимума замеренной амплитудно-частотной характеристики. Получив из блока 6 эталонные характеристики, выбирают из них эталонные характеристики наиболее близкие к замеренным амплитудно-частотным характеристикам. При выборе подходящих эталонных характеристик можно использовать известные корреляционные методы. Используя выбранные эталонные характеристики, определяют фракционную долю воды в многофазной транспортируемой среде, например, используя известные линейные и нелинейные интерполяционные методы расчета.
После выполнения этих операций становится известным фракционная доля воды в многофазной транспортируемой среде.
Фракционные доли можно также определить, проанализировав форму амплитудно-частотных характеристик и определив по известным методикам резонансные частоты, фазовые сдвиги, реальную и мнимую составляющие комплексной диэлектрической постоянной, и сравнив их с данными, хранящимися в банке данных в блоке хранения эталонных характеристик.
Управляющий микропроцессор 7 может обрабатывать поступившие сигналы по нескольким процедурам.
По первой процедуре управляющий микропроцессор 7 запрашивает из блока 6 хранящиеся там данные эталонных характеристик многофазной среды и сравнивает результирующие амплитудно-частотные характеристики с эталонными, выбирая из них наиболее близкие к замеренным характеристикам, сравнение с которыми позволяет достаточно точно определить фракционные доли многофазного потока.
По второй процедуре микропроцессор 7 обрабатывает непосредственно оцифрованные результаты обработки амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик, поступившие из блока 5. Фракционные доли можно определить, проанализировав форму амплитудно-частотных характеристик и определив по известным методикам резонансные частоты, фазовые сдвиги, реальную и мнимую составляющие комплексной диэлектрической постоянной, реальную и мнимую составляющие магнитных потерь и сравнив их с данными, хранящимися в банке данных. Результаты измерений передаются во внешнюю ЭВМ для постоянного хранения и анализа.
Процедуру сканирования потока многофазной транспортируемой среды высокочастотным электрическим полем можно выполнять с использованием двух схем. По первой схеме сканирование выполняют, например, единичным высокочастотным сигналом, генерирующим одномерное переменное высокочастотное электрическое поле. По второй схеме сканирование выполняют вращающимся высокочастотным электрическим полем.
Таким образом, описываемый способ определения фракционной доли воды в многофазной среде позволяет значительно увеличить точность измерения за счет предварительного калибрования системы при помощи проведения контрольного сканирования с выбором соответствующих амплитудно-частотных характеристик, сохраняемых в банке данных эталонных характеристик.
1. Способ определения фракционной доли воды в многофазной несмешиваемой среде, заключающийся в том, что в трубопровод встраивают измерительную секцию трубопровода, выполненную в виде участка трубы со стенками из диэлектрического материала, снаружи которых, по крайней мере, в одном контрольном поперечном сечении измерительного участка трубы устанавливают, по меньшей мере, один датчик, выполненный в виде емкостных или магнитных излучателя и приемника, при этом с помощью генератора создают сканирующий электромагнитный высокочастотный сигнал на заданной частоте, подаваемый на излучатель, а с помощью приемника регистрируют сигнал сканирования, определяя флуктуации диэлектрической проницаемости многофазной среды с получением указанного сигнала сканирования в виде амплитудной характеристики, затем обрабатывают и анализируют полученную амплитудную характеристику и на основании проведенного анализа полученной характеристики определяют фракционную долю воды в контрольном сечении трубы, отличающийся тем, что перед заданием сканирующих сигналов осуществляют серию предварительных замеров в виде калибровочного сканирования поперечного сечения контрольного участка трубы до его встраивания в трубопровод, изменяя содержание воды на контрольном участке трубы и несущую частоту сигнала генератора, выбирают, по крайней мере, частоту калибровочного сканирующего сигнала, при которой амплитуда регистрируемого сигнала пропорциональна количеству воды, и заносят в банк данных, по крайней мере, одну из контрольных характеристик зависимости амплитуды сигнала от количества воды в контрольном сечении, полученных в результате предварительных замеров, причем сканирование измерительной секции трубы после ее встраивания в трубопровод осуществляют с частотой, выбранной при предварительных замерах, а анализ амплитудной характеристики, полученной при сканировании, осуществляют путем ее сравнения с контрольной амплитудной характеристикой.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при калибровочном сканировании используют диапазон изменения несущей частоты сигналов, лежащий в пределах от 2 МГц до 80 МГц.
3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что при калибровочном сканировании потока многофазной транспортируемой среды высокочастотным электрическим полем несущую частоту сканирующего сигнала изменяют ступенчато, и на каждой частоте регистрацию сигнала сканирования выполняют на установившемся режиме.
4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в банк данных заносят не менее двух контрольных характеристик зависимости амплитуды сигнала от количества воды в контрольном сечении, из хранящихся в банке данных амплитудных характеристик выбирают наиболее близкие амплитудные характеристики и, используя интерполяцию, вычисляют фракционную долю воды в многофазной транспортируемой среде.
