RU2148168C1

RU2148168C1 - Device for control over flow rate of well production components

Info

Publication number: RU2148168C1
Application number: RU98110964A
Authority: RU
Inventors: Е.Н. Браго; О.В. Ермолкин; В.С. Битюков; Г.А. Ланчаков; А.Н. Пономарев; В.Ю. Карташов; М.А. Гавшин
Original assignee: Государственная академия нефти и газа им.И.М.Губкина; Браго Евгений Николаевич
Priority date: 1998-06-08
Filing date: 1998-06-08
Publication date: 2000-04-27

Abstract

FIELD: gas-producing industry. SUBSTANCE: device may be used in simultaneous separate measurement of gas flow rate and amounts of sand and water-clay-sand mixture in production of development gas wells. Introduced into device are two information channels for measurement of amounts of sand and water-clay-sand mixture that extends the functional potentialities of the device at gas wells. Introduced into measurement channel of gas flow rate is controlled scaler whose optimal amplification factor is set by microprocessor controller that enhances accuracy of gas flow rate measurement. Efficient separation of operating signals at the stage of primary conversion of pressure pulsation into electric signal provides for ensuring of high noise immunity of the device. EFFECT: higher accuracy of measurement of gas flow rate and separately of amounts of sand, and water-clay-sand mixture within wide range of variations of operating conditions of development gas wells. 2 dwg

Description

Изобретение относится к области газодобывающей промышленности и может быть использовано при измерении расхода газа и количества примесей (песка и водоглинопесчаной смеси) в продукции эксплуатационных газовых скважин. The invention relates to the field of the gas industry and can be used to measure gas flow and the amount of impurities (sand and water-clay mixture) in the production of production gas wells.

Известно устройство для контроля твердых примесей в газожидкостных потоках, состоящее из акустического зонда и регистрирующего блока. Акустический зонд состоит из приемного стержня и пьезокристаллического датчика, помещенного в корпус, устанавливаемый на трубопроводе посредством бобышки. Пьезоэлектрический датчик соединен кабелем с блоком регистрации, который содержит последовательно соединенные усилитель, фильтр высоких частот, формирователь сигнала, индикатор и блок сигнализации, контроля и управления, связанный с исполнительным механизмом (см. патент SU N 1357795, кл. G 01 N 15/06, 1986 г.). A device for controlling solid impurities in gas-liquid flows, consisting of an acoustic probe and a recording unit. An acoustic probe consists of a receiving rod and a piezocrystalline sensor placed in a housing mounted on a pipeline by a boss. The piezoelectric sensor is connected by a cable to the recording unit, which contains an amplifier, a high-pass filter, a signal conditioner, an indicator and an alarm, monitoring and control unit connected to an actuator in series (see patent SU N 1357795, class G 01 N 15/06 , 1986).

К недостаткам устройства следует отнести его узкие функциональные возможности, так как устройство не измеряет расход основных компонент газожидкостных потоков, а также невысокую точность измерения количества твердых примесей, так как подавление сигнала помехи возложено на элементы конструкции зонда, а при высоких дебитах, когда резко увеличиваются интенсивность и эффективная полоса спектра турбулентности, один фильтр высоких частот не обеспечит четкого выделения информативной полосы частот. The disadvantages of the device include its narrow functionality, since the device does not measure the flow rate of the main components of gas-liquid flows, as well as the low accuracy of measuring the amount of solid impurities, since the suppression of the interference signal is assigned to the probe construction elements, and at high rates, when the intensity increases sharply and an effective band of the turbulence spectrum, one high-pass filter will not provide a clear allocation of an informative frequency band.

Известно устройство для определения дебитов компонентов продукции скважин (жидкости и газа), содержащее измерительный модуль, включающий пьезокерамический датчик пульсаций давления и согласующий усилитель, подключенный к двум идентичным каналам, состоящим из фильтров, соответственно, нижних и верхних частот, блоков детектирования, блоков извлечения квадратного корня и интеграторов, причем выходы последних подключены к блоку вычитания сигналов, подсоединенного к регистраторам расходов жидкости и газа (см. патент РФ N 1060791, МПК Е 21 В 47/00, 1991 г.). A device is known for determining the flow rates of well production components (liquid and gas), comprising a measuring module including a piezoceramic pressure pulsation sensor and a matching amplifier connected to two identical channels consisting of filters, low and high frequencies, detection blocks, square extraction blocks, respectively root and integrators, the outputs of the latter being connected to a signal subtraction unit connected to liquid and gas flow recorders (see RF patent N 1060791, IPC E 21 V 47/00, 1 991 g.).

Недостатком устройства является невысокая точность определения дебитов при изменении режимов работы скважин, когда в процессе контроля существенно изменяется расход. В этих случаях приходится работать при пониженном коэффициенте усиления, а следовательно, при низком соотношении "полезный сигнал - шум". The disadvantage of this device is the low accuracy of determining the flow rate when changing the operating modes of the wells, when in the control process the flow rate changes significantly. In these cases, you have to work at a reduced gain, and therefore, at a low ratio of "useful signal to noise".

К недостаткам следует отнести предварительное усиление общего информационного сигнала пьезокерамического датчика согласующим усилителем, что приводит к усилению помех и затрудняет их дальнейшее подавление. The disadvantages include the preliminary amplification of the general information signal of the piezoceramic sensor by a matching amplifier, which leads to increased interference and makes it difficult to further suppress it.

Присутствие в потоке газа значительного количества примесей (песка и водоглинопесчаной смеси) приводит к серьезным осложнениям в работе газопромыслового оборудования и к его разрушению. Поэтому контроль интенсивности выноса примесей и критических дебитов газа, при которых интенсивность выноса примесей существенно возрастает, становится необходимым на поздних этапах разработки газовых месторождений. The presence of a significant amount of impurities in the gas stream (sand and water-clay-sand mixture) leads to serious complications in the operation of gas production equipment and its destruction. Therefore, control of the intensity of the removal of impurities and critical gas rates, at which the intensity of the removal of impurities increases significantly, becomes necessary in the later stages of the development of gas fields.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является устройство для контроля расхода компонентов продукции скважины, содержащее пьезокерамический датчик пульсаций давления потока, согласующий усилительный блок фильтрации, аналого-цифровой преобразователь, подключенный к входу микропроцессорного контроллера, выход которого подключен к одному из входов масштабирующего усилителя (см. патент RU N 2103502 С 1, кл. Е 21 В 47/10, 27.01.98). Closest to the proposed invention is a device for controlling the flow of components of a well’s production, containing a piezoceramic flow pressure pulsation sensor, matching filter amplification unit, an analog-to-digital converter connected to the input of a microprocessor controller, the output of which is connected to one of the inputs of the scaling amplifier (see patent RU N 2103502 C 1, class E 21 B 47/10, 01/27/98).

Задачей предлагаемого изобретения является создание устройства для одновременного раздельного измерения расхода газа и количеств песка и водоглинопесчаной смеси (ВГПС) в продукции скважин, обладающего высокой помехоустойчивостью за счет эффективного разделения полезных сигналов на этапе первичного преобразования пульсаций давления в электрический сигнал, с повышением точности измерения расхода газа. The objective of the invention is to provide a device for simultaneous separate measurement of gas flow and the amounts of sand and water-clay mixture in the production of wells with high noise immunity due to the effective separation of useful signals at the stage of primary conversion of pressure pulsations into an electrical signal, with increasing accuracy of measuring gas flow .

Решение поставленной задачи достигается тем, что устройство, содержащее пьезокерамический датчик пульсаций давления потока, согласующий усилительный блок, блок фильтрации, аналого-цифровой преобразователь, подключенный к входу микропроцессорного контроллера, выход которого подключен к одному из входов масштабирующего усилителя, согласно изобретению снабжено вторым пьезокерамическим датчиком, двумя коммутаторами уровня и двумя формирователями импульсов, причем согласующий усилительный блок выполнен в виде согласующего усилителя нижних частот и первого, и второго согласующих усилителей верхних частот, блок фильтрации выполнен в виде первого, второго и третьего активных полосовых фильтров, выход первого пьезокерамического датчика подключен ко входам согласующего усилителя нижних частот и первого согласующего усилителя верхних частот, выход второго пьезокерамического датчика подключен ко входу второго согласующего усилителя верхних частот, выход согласующего усилителя нижних частот подключен ко входу первого активного полосового фильтра, выход которого подключен к первому входу масштабирующего усилителя, а выходы первого и второго согласующих усилителей верхних частот подключены ко входам, соответственно, второго и третьего активных полосовых фильтров, выходы которых подключены ко входам, соответственно, первого и второго коммутаторов уровня, выходы которых подключены ко входам, соответственно, первого и второго формирователей импульсов, выходы которых подключены, соответственно, ко второму и третьему входам микропроцессорного контроллера. The solution to this problem is achieved by the fact that a device containing a piezoceramic flow pressure pulsation sensor, matching amplifier unit, a filtering unit, an analog-to-digital converter connected to the input of a microprocessor controller, the output of which is connected to one of the inputs of the scaling amplifier, according to the invention is equipped with a second piezoceramic sensor , two level switches and two pulse shapers, and the matching amplifier block is made in the form of a matching amplifier lower frequencies of the first and second matching high-frequency amplifiers, the filtering unit is made in the form of the first, second and third active band-pass filters, the output of the first piezoceramic sensor is connected to the inputs of the matching low-frequency amplifier and the first matching high-frequency amplifier, the output of the second piezoceramic sensor is connected to the input of the second matching high-frequency amplifier, the output of the matching low-frequency amplifier is connected to the input of the first active bandpass filter, the output of which is sub it is connected to the first input of the scaling amplifier, and the outputs of the first and second matching high-frequency amplifiers are connected to the inputs of the second and third active bandpass filters, the outputs of which are connected to the inputs of the first and second level switches, the outputs of which are connected to the inputs, respectively , the first and second pulse shapers, the outputs of which are connected, respectively, to the second and third inputs of the microprocessor controller.

Функционирование предлагаемого устройства осуществляется в соответствии с зависимостями, связывающими расход газа со среднеквадратическим значением информативного сигнала, а количество песка и водоглинопесчаной смеси - с количеством импульсов на выходе соответствующих формирователей импульсов:
Q_г= A×G^α, (1)

где Q_r - расход газа;
К_п - количество песка;
К_ВГПС - количество водоглинопесчаной смеси;
G - среднеквадратическое значение сигнала в информативной полосе частот;
S₁ - количество импульсов на выходе первого формирователя импульсов за время измерения;
S₂ - количество импульсов на выходе второго формирователя импульсов за время измерения;
V - скорость потока продукции скважины;
A, B, C, - коэффициенты, определяемые на стадии калибровки,

где М - количество циклов измерения;
K - коэффициент усиления масштабирующего усилителя;
X_i - мгновенное значение сигнала в информативной полосе частот;
F - площадь поперечного сечения трубопровода.The functioning of the proposed device is carried out in accordance with the dependencies connecting the gas flow rate with the rms value of the informative signal, and the amount of sand and water-clay mixture with the number of pulses at the output of the respective pulse shapers:
Q _g = A × G ^α , (1)

where Q _r is the gas flow rate;
To _p - the amount of sand;
To _VGPS - the amount of water-clay-sand mixture;
G is the rms value of the signal in the informative frequency band;
S ₁ - the number of pulses at the output of the first pulse shaper during the measurement;
S ₂ - the number of pulses at the output of the second pulse shaper during the measurement;
V is the well production flow rate;
A, B, C, - coefficients determined at the calibration stage,

where M is the number of measurement cycles;
K is the gain of the scaling amplifier;
X _i is the instantaneous value of the signal in the informative frequency band;
F is the cross-sectional area of the pipeline.

Блок-схема устройства показана на фиг. 1. Устройство для контроля расхода компонентов продукции скважин состоит из измерительного модуля 1 и вторичного измерительного прибора 2. В состав измерительного модуля входят первый и второй пьезокерамические датчики, соответственно, 3 и 4, согласующий усилитель нижних частот 5 и первый, и второй согласующие усилители верхних частот, соответственно, 6 и 7. Во второй измерительный прибор входят первый, второй и третий активные полосовые фильтры, 8, 9 и 10, управляемый масштабирующий усилитель 11, аналогово-цифровой преобразователь 12, первый и второй компараторы уровня 13 и 14, первый и второй формирователи импульсов 15 и 16, а также микропроцессорный контролер 17 с дисплеем 18 и клавиатурой 19. A block diagram of the device is shown in FIG. 1. A device for controlling the flow of components of well products consists of measuring module 1 and a secondary measuring device 2. The measuring module includes the first and second piezoceramic sensors, respectively 3 and 4, matching low-frequency amplifier 5 and the first and second matching upper amplifiers frequencies, respectively, 6 and 7. The second measuring device includes the first, second and third active band-pass filters, 8, 9 and 10, a controlled scaling amplifier 11, an analog-to-digital converter 12, the first and W A second level 13 and 14 comparators, first and second pulse shapers 15 and 16, as well as a microprocessor controller 17 with a display 18 and a keyboard 19.

Измерительный модуль 1 устанавливается на трубопроводе 20 на определенном расстоянии от специального сужающего устройства 21, устанавливаемого в трубопровод для более интенсивной турбулизации и формирования заданной структуры потока. The measuring module 1 is installed on the pipeline 20 at a certain distance from a special constricting device 21 installed in the pipeline for more intensive turbulization and the formation of a given flow structure.

Вторичный измерительный прибор 2 выполнен переносным и может периодически подключаться к измерительному модулю 1. Устройство работает следующим образом. The secondary measuring device 2 is portable and can be periodically connected to the measuring module 1. The device operates as follows.

При формировании каналов "расход газа" и "песок" используется общий первый пьезокерамический датчик 3, а при формировании канала "ВГПС" - второй пьезокерамический датчик 4. Это обеспечивает эффективное разделение информативных сигналов каналов "песок" и "ВГПС" на этапе первичного преобразования пульсаций давления в электрический сигнал. When forming the "gas flow" and "sand" channels, the common first piezoceramic sensor 3 is used, and when forming the "VGPS" channel, the second piezoceramic sensor 4 is used. This ensures the effective separation of the informative signals of the "sand" and "VGPS" channels at the stage of the initial pulsation conversion pressure into an electrical signal.

Сигнал с первого пьезокерамического датчика 3 поступает на согласующий усилитель нижних частот 5 и первый согласующий усилитель верхних частот 6, служащие для усиления сигнала в соответствующих частотных диапазонах. Разделение выходного сигнала пьезокерамического датчика на два канала до предварительного его усиления обеспечивает снижение уровня помех за счет последующего избирательного усиления на начальном этапе преобразования сигнала. Сигнал с согласующего усилителя нижних частот 5 поступает на первый активный полосовой фильтр 8, который формирует информативную полосу частот канала "расход газа". Он выделяет и усиливает сигнал с частотными составляющими в диапазоне от десятков до сотен герц. С выхода активного полосового фильтра 8 сигнал поступает на первый вход масштабирующего усилителя 11. Оптимальный коэффициент усиления этого усилителя задается автоматически микропроцессорным контроллером 17, выход которого подан на второй вход масштабирующего усилителя 11. Выход масштабирующего усилителя соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя 12, с выхода которого сигнал поступает на первый вход (последовательный цифровой вход) микропроцессорного контроллера 17. Микропроцессорный контроллер производит вычисления в соответствии с алгоритмом функционирования и по окончании измерений полученное значение индицируется на цифровом дисплее 18. The signal from the first piezoceramic sensor 3 is fed to a matching low-frequency amplifier 5 and a first matching high-frequency amplifier 6, which serve to amplify the signal in the corresponding frequency ranges. Dividing the output signal of the piezoceramic sensor into two channels before its preliminary amplification provides a reduction in the level of interference due to subsequent selective amplification at the initial stage of signal conversion. The signal from the matching low-frequency amplifier 5 is fed to the first active band-pass filter 8, which forms an informative frequency band of the gas flow channel. It isolates and amplifies the signal with frequency components in the range from tens to hundreds of hertz. From the output of the active bandpass filter 8, the signal is fed to the first input of the scaling amplifier 11. The optimal gain of this amplifier is set automatically by the microprocessor controller 17, the output of which is fed to the second input of the scaling amplifier 11. The output of the scaling amplifier is connected to the output of the analog-to-digital converter 12, from the output which signal is fed to the first input (serial digital input) of the microprocessor controller 17. The microprocessor controller performs the calculations in accordance According to the functioning algorithm, and at the end of the measurements, the obtained value is displayed on the digital display 18.

Формирование информационных сигналов каналов "песок" и "ВГПС" производится следующим образом. Сигналы первого и второго согласующих усилителей верхних частот 6 и 7 поступают на второй и третий активные полосовые фильтры 9 и 10, которые выделяют и усиливают сигналы с частотными составляющими в диапазоне сотен и десятков килогерц, соответственно. Выделенные и усиленные сигналы поступают на компараторы уровня, соответственно, 13 и 14. Пороги срабатывания компараторов уровня настраиваются заведомо выше уровня шумов. При появлении полезных сигналов с амплитудой выше порогового уровня компараторы срабатывают и запускают формирователи импульсов, соответственно, 15 и 16. По общему числу импульсов можно судить об интенсивности ударного воздействия частиц песка и ВГПС. Импульсы с выхода формирователей 15 и 16 поступают, соответственно, на второй и третий входы (входы внешнего прерывания) микропроцессорного контроллера 17. После соответствующей обработки информации в микропроцессорном контроллере полученные значения индицируются на цифровом дисплее 18. The formation of information signals of the channels "sand" and "VGPS" is as follows. The signals of the first and second matching high-frequency amplifiers 6 and 7 are fed to the second and third active bandpass filters 9 and 10, which isolate and amplify the signals with frequency components in the range of hundreds and tens of kilohertz, respectively. The extracted and amplified signals are sent to level comparators, respectively, 13 and 14. The thresholds for the operation of level comparators are set obviously above the noise level. When useful signals with an amplitude above the threshold level appear, the comparators operate and start the pulse shapers, respectively, 15 and 16. The total number of pulses can be used to judge the intensity of the shock effect of sand particles and HCV. The pulses from the output of the shapers 15 and 16 are received, respectively, at the second and third inputs (external interrupt inputs) of the microprocessor controller 17. After the corresponding processing of information in the microprocessor controller, the obtained values are displayed on the digital display 18.

Клавиатура 19 служит для ввода параметров процессора измерения. Keyboard 19 is used to enter the parameters of the measurement processor.

Алгоритм работы микропроцессорного контроллера 17 приведен на фиг. 2. Он содержит следующие основные операторы. The algorithm of operation of the microprocessor controller 17 is shown in FIG. 2. It contains the following basic operators.

По первому входу:
1 - пуск;
2 - подпрограмма самотестирования;
3 - подпрограмма инициализации ресурсов системы;
4 - ввод с клавиатуры количества циклов измерения М;
5 - обнуление накопителей каналов расхода газа, количества песка и количества ВГПС;
6 - инициализация коэффициента усиления К масштабирующего усилителя;
7 - чтение из АЦП мгновенного значения сигнала X_i в информативной полосе частот;
8 - накопление суммы (Х_i/K)²;
9 - подпрограмма расчета оптимального К;
10 - вывод К на выход микропроцессорного контроллера;
11 - проверка окончания последнего цикла измерения;
12 - вычисление среднеквадратического значения G;
13 - вычисление расхода газа, количества "песка" и количества "ВГПС" по формулам (1), (2) и (3), соответственно;
14 - вывод Q_г, К_п и К_ВГПС на индикацию;
15 - конец.On the first entrance:
1 - start;
2 - self-test routine;
3 - subroutine initialization of system resources;
4 - input from the keyboard the number of measurement cycles M;
5 - zeroing of the accumulators of the gas flow channels, the amount of sand and the amount of VGPS;
6 - initialization of the gain K of the scaling amplifier;
7 - reading from the ADC of the instantaneous value of the signal X _i in an informative frequency band;
8 - accumulation of the amount (X _i / K) ² ;
9 - subroutine for calculating optimal K;
10 - output K to the output of the microprocessor controller;
11 - verification of the end of the last measurement cycle;
12 - calculation of the rms value of G;
13 - calculation of gas flow rate, the amount of “sand” and the amount of “VGPS” according to formulas (1), (2) and (3), respectively;
14 - output Q _g , K _p and K _VGPS for indication;
15 - the end.

По второму входу:
16 - старт подпрограммы обработки прерываний от первого формирователя импульсов;
17 - увеличение на единицу накопителя канала "песок";
18 - возврат в основную программу.On the second entrance:
16 - start of the interrupt processing routine from the first pulse shaper;
17 - increase per unit drive channel "sand";
18 - return to the main program.

По третьему входу:
19 - старт подпрограммы обработки прерываний от второго формирователя импульсов;
20 - увеличение на единицу накопителя канала "ВГПС";
21 - возврат в основную программу.On the third entrance:
19 - start of the interrupt processing routine from the second pulse shaper;
20 - increase per unit drive channel "VGPS";
21 - return to the main program.

Claims

A device for controlling the flow of components of well products containing a piezoceramic flow pressure pulsation sensor matching an amplification unit, a filtering unit, an analog-to-digital converter connected to the input of a microprocessor controller, the output of which is connected to one of the inputs of the scaling amplifier, characterized in that it is equipped with a second a piezoceramic sensor, two level comparators and two pulse shapers, and the matching amplifier block is made in the form of a matching amplifier low-frequency amplifier and the first and second matching high-frequency amplifiers, the filtering unit is made in the form of the first, second and third active bandpass filters, the output of the first piezoceramic sensor is connected to the inputs of the matching low-frequency amplifier and the first matching high-frequency amplifier, the output of the second piezoceramic sensor is connected to the input of the second matching high-frequency amplifier, the output of the matching low-frequency amplifier is connected to the input of the first active bandpass filter, the output of which о is connected to the first input of the scaling amplifier, the output of which is connected to the input of an analog-to-digital converter, and the outputs of the first and second matching high-frequency amplifiers are connected to the inputs of the second and third active bandpass filters, respectively, the outputs of which are connected to the inputs of the first and second level comparators, the outputs of which are connected respectively to the second and third inputs of the microprocessor controller.