CN109668944A - 一种天然气采集输送含砂在线监测装置 - Google Patents

Abstract

一种天然气采集输送含砂在线监测装置，主要由接管法兰、属屏蔽电极、半圆形金属电极、电压电容信号转换器、电极引线、电极夹套、A/D转换器、图像重建计算机等部件组成。本发明主要应用于天然气采集输送中的监测领域，它的主要功能是对开采出来的原料气在管道输送中对其含砂量和含砂浓度进行实时在线图形显示，对天然气开采作一定的指导作用。本发明的原理主要利用不同物质的介电系数的差别，通过设计电容金属极，能够根据不同杂质流动过程中电容的改变来反应出介质的实时含量和浓度。这能够为天然气下一步的杂质分离作参考，同时对开采的效果作出及时反馈。

Description

一种天然气采集输送含砂在线监测装置

技术领域

本发明涉及天然气采集输送监测领域，特别涉及一种对天然气中砂砾含量的在线监测与显示的装置。

背景技术

石油与天然气，对一个国家的发展、工业科技的进步，起着十分关键的作用。天然气环保、优质的特点，使其成为二十一世纪的主要能源。天然气在世界能源结构中排第三位，仅次于煤炭与石油。近年来，随着天然气资源的增长和产量的提高，其在燃料组成中的比例也越来越大，天然气工业的发展受到了人们的髙度关注。由于天然气和产气层的温度、压力等因素，使得在采集天然气时会出现很多问题，严重影响了气井设备的运作和操作者的安全。同时，为了适应高速发展的经济和能源供求的不平衡，气田的开发力度不断增强，开采手段粗放化，岩层的可承受限度受到了极大的威胁，出砂问题日趋严峻。

自然界的油气资源主要位于疏松砂岩的地层中，生产时受到流体拖拽和压力减小的影响，同时岩石胶结弱、埋藏浅的特点使得出砂现象极易发生。天然气生产的安全性一直受到出砂问题的困扰，人们对其的重视程度也越来也高。天然气出砂的主要危害首先是气井气田产量降低，然后会破坏井下套管，同时也会破坏地面设备，并且影响集输系统和环境资源。将适度出砂技术应用于实际生产，就必然要构造一套能够实时监测出砂及管道携砂的系统。因此，采用合理的砂砾监测技术，实时分析和监测集气管道携砂，为控制气井出砂量和预测出砂状况提供了依据，具有十分重要的意义。声测法、ER法为目前应用最广的含砂监测方法。

声测法原理为声波法将压电传感器作为检测原件，利用其接受到的振动撞击信号及后续的处理，通过计算机建立关系式，达到检测含砂量的目的。其缺点是伸入到管道中的检测探头不仅会对流体的运行产生影响，还会使得其自身由于吸附了砂砾、原油等而被腐蚀，减小了使用寿命，降低了探头的灵敏性及测量结果的准确度；为适应传感器的安装，管道中流体的运动线路将会发生变化，并且要求传感器的体积不能太大，否则会影响实际的生产运行。因此现在基本不选择植入式作为出砂监测的手段。

电阻法（ER）是将探针作为检测元件，通过其受管道中砂砾磨蚀的损失值来判断含砂量。检测探针的材料为特定的金属，具有较强的耐磨性和灵敏的变阻抗性。检测的过程是把该探针插入管道内部，由于受砂砾撞击而产生的金属损失，使得其电阻发生变化，进而接通电流时其两端的电压值也随之改变，敏感元件金属损失量与含砂浓度之间存在函数关系。由于探针两端的电压值与其电阻的改变值成比例，即探头的响应也是含砂浓度的函数。故可用一定式子将电压值与砂砾浓度联系起来，由此实现将砂砾浓度用金属探针的损失值来表达。然而，检测指标的单一性、检测结果的延迟性，及检测元件的易损性等也成为ER法不可忽视的缺点。同时，还可以将管道的结构采取一定的改进措施，来适应探针的插入安装方式。针对以上这些问题，本发明采用一种新的方法来解决能源物质在输送过程中的在线监测问题。。

发明内容

本发明的目的是解决现有天然气出砂监控的问题，提供一种天然气开采实时监测装置。

本发明主要通过以下技术方案来实现: 一种天然气采集输送含砂在线监测装置

，主要由接管法兰、金属屏蔽电极、半圆形金属电极、电压电容信号转换器、电极引线、电极夹套、A/D转换器、图像重建计算机等部件组成。整个监测装置采用法兰整体式连接，便于直接与集输管道连接，整体材料选用AI₂O₃陶瓷材料，它具有抗磨损抗冲蚀的效果，同时也是非导电材质，流道测量段采用采用缩颈的结构，缩小管道流通面积，提高检测精度，管道外壁安装三组对称半圆形金属电极，其中每段电极的弧长小于管道外径，同时每组电极间隔10厘米均布安装，在每个金属电极上连接有电极引线，连接方式采用螺纹连接，最外层螺栓连接金属防护罩，以防止外界干扰。

所述金属电极通过两个半圆形电极夹套固定安装在流道外壁，两个金属夹套通过螺栓连接，夹套材料为塑料。

所述金属电极与电极引线是采用螺纹连接的方式连接。

所述三根电极引线外接电压电容转换器，将三组电容信号转化为电压信号。转换器连接A/D转换器，将电压信号转化为数字信号，然后传输给图像重建计算机进行三组信号处理计算，然后转化为实时图像显示出来。

所述的一种天然气采集输送含砂在线监测装置的测量原理包括以下步骤：

将整体监测装置与采集输送管道进行法兰连接，当开采出来的含砂天然气经过监测装置时，由于天然气和砂砾的介电常数不同，不同浓度的含砂天然气通过时，在金属电极会产生不同的电容信号，电容信号通过电容电压转换器将信号转换为电压信号然后将数据传输给计算机进行计算处理，根据算法处理过后将浓度图形显示出来。

设天然气介电常数为，砂砾的介电常数为，天然气与砂砾混合后的等效介电常数为，又假定砂砾在天然气中浓度均匀。则：

式中：、分别为某一时刻天然气和砂砾所占体积，为测量段的空间总体积。

则有：其中即是测量空间里砂砾浓度

参照平板电容方程则管道检测电容为：

式中：是由金属电极几何特征尺寸决定的常数，为管道内无砂砾时的初始电容，其余都为常数，即只要测出电容即可确定输送管道中砂砾的浓度。在理想状态下，检测装置输出的电容值与被测物质砂砾的浓度存在单值的线性函数关系。

本发明具有以下优点：通过采用法兰管接式监测装置，解决了其它监测装置的传感器冲蚀磨损问题，同时可以实行在线不间断监测，数据传输及时，可以成图像显示界面，同时在管道外壁设置的金属电极组数多，相互之间可以进行综合比较，减小误差，以保证检测的准确性。

附图说明：

图1为本发明结构的主视剖面图

图2为本发明结构的左视剖面图

图3为本发明的系统连接图

图中: 接管法兰1、金属屏蔽电极2、半圆形金属电极3、流道4、测量段5、电极引线6、电极夹套7、电压电容信号转换器8、A/D转换器9、图像重建计算机10。

具体实施方式：下面结合所有附图对本发明做进一步的描述：如图所示一种天然气采集输送杂质在线监测系统，包括接管法兰，金属屏蔽电极、半圆形金属电极、电压电容信号转换器、A/D转换器、图像重建计算机。整个监测装置采用法兰整体式连接，便于直接和集输管道连接，整体材料选用AI₂O₃陶瓷材料，它具有抗磨损抗冲蚀的效果，同时也是非导电材质，流道测量段采用采用缩颈的结构，缩小管道流通面积，提高检测精度，管道外壁安装三组对称半圆形金属电极，其中每段电极的弧长小于管道外径，同时每组电极间隔10厘米均布安装，在每个金属电极上连接有电极引线，连接方式采用螺纹连接，最外层螺栓连接金属防护罩，以防止外界干扰。其中三根电极引线外接电压电容转换器，将三组电容信号转化为电压信号。转换器连接A/D转换器，将电压信号转化为数字信号，然后传输给图像重建计算机进行三组信号处理计算，然后转化为实时图像显示出来。

所述的一种天然气采集输送含砂在线监测系统的测量原理包括以下步骤：将整体监测装置与输送管道进行法兰连接，当开采出来的含砂天然气经过监测装置时，由于天然气和砂砾的介电常数不同，不同浓度的含砂天然气通过时，在金属电极会产生不同的电容信号，电容信号通过电容电压转换器将信号转换为电压信号然后将数据传输给计算机进行计算处理，根据算法处理过后将浓度图形显示出来。

设天然气介电常数为，砂砾的介电常数为，天然气与砂砾混合后的等效介电常数为，又假定砂砾在天然气中浓度均匀。则：

式中：、分别为某一时刻天然气和砂砾所占体积，为测量段的空间总体积。

则有：其中即是测量空间里砂砾浓度；

参照平板电容方程则管道检测电容为：

式中：是由金属电极几何特征尺寸决定的常数，为管道内无砂砾时的初始电容，其余都为常数，即只要测出电容即可确定输送管道中砂砾的浓度。在理想状态下，检测装置输出的电容值与被测物质砂砾的浓度存在单值的线性函数关系。

Claims (4)

1.一种天然气采集输送含砂在线监测装置，其特征在于：包括接管法兰、金属屏蔽电极、半圆形金属电极、电压电容信号转换器、电极引线、电极夹套、A/D转换器、图像重建计算机等部件，三组半圆形金属电极对称安装于管道外壁，金属屏蔽电极封盖接于半圆形金属电极外侧，每组金属电极外接电极线，电极线与外部信号转换器相连，转换器与数字转换器相连接，最后连接图像重建计算机。

2.根据权利要求书1所述一种天然气采集输送含砂在线检测装置，其特征在于：所述装置是法兰接管式结构，流道监测段为AI₂O₃陶瓷材料，并且流道监测段呈缩颈结构。

3.根据权利要求书1所述一种天然气采集输送含砂在线检测装置，其特征在于：所述金属电极通过两个半圆形电极夹套固定安装在流道外壁，两个金属夹套通过螺栓连接，夹套材料为塑料。

4.根据权利要求书1所述一种天然气采集输送含砂在线检测装置，其特征在于：所述金属电极与电极引线之间采用螺纹连接的方式连接。