RU2151287C1

RU2151287C1 - Device for control over flow rate of well production components

Info

Publication number: RU2151287C1
Application number: RU98110958A
Authority: RU
Inventors: Е.Н. Браго; О.В. Ермолкин; Р.С. Сулейманов; Г.А. Ланчаков; Г.Г. Кучеров
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: 2000-06-20

Abstract

FIELD: gas-producing industry. SUBSTANCE: device may be used for simultaneous separate measurement of gas flow rate and quantity of sand and water-clay-sand mixture in production of operating gas wells. Introduced into device are two information channels for measurement of quantities of sand and water-clay-sand mixture to extend device functional potentialities in its use on gas wells. Introduced into measuring channel of gas flow rate is controlled scaler whose optimal amplification factor is set by microprocessor controller. EFFECT: higher accuracy of measurement of gas flow rate and separately of quantities of sand and water-clay-sand mixture within wide range of operation of operating 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 увеличивается 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 design elements, and at high rates, when the intensity sharply increases 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 E 21 B 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 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 B 47/00, 199 1 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, with a low ratio of "useful signal-to-noise".

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 скважин, содержащее пьезокерамический датчик пульсаций давления потока, подключенный к входу согласующего усилителя, блок фильтрации, масштабирующий усилитель, к одному из входов которого подключен выход микропроцессорного контроллера, к первому входу которого подключен выход аналого-цифрового преобразователя (см. патент RU N 2103502 Cl, кл. E 21 B 47/10, 27.01.98). Closest to the proposed invention is a device for controlling the flow of components of well products, containing a piezoceramic flow pressure pulsation sensor connected to the input of a matching amplifier, a filtering unit, a scaling amplifier, the microprocessor controller output is connected to one of its inputs, the analogue output is connected to its first input -digital converter (see patent RU N 2103502 Cl, class E 21 B 47/10, 01/27/98).

Недостатком устройства является невысокая точность контроля расхода газа при изменении режимов работы скважины. Присутствие в потоке газа значительного количества примесей приводит к серьезным осложнениям в работе газопромыслового оборудования и к его разрушению. The disadvantage of this device is the low accuracy of gas flow control when changing well operation modes. The presence of a significant amount of impurities in the gas stream leads to serious complications in the operation of gas production equipment and its destruction.

Задачей предлагаемого изобретения является создание устройства для одновременного раздельного измерения расхода газа и количеств песка и водоглинопесчаной смеси (ВГПС) в продукции скважин с повышением точности измерения расхода газа. The objective of the invention is to provide a device for simultaneous separate measurement of gas flow and quantities of sand and water-clay-sand mixture (VGPS) in the production of wells with increasing accuracy of measuring gas flow.

Решение поставленной задачи достигается тем, что устройство для контроля расхода компонентов продукции скважин, содержащее пьезокерамический датчик пульсаций давления потока, подключенный к входу согласующего усилителя, блок фильтрации, масштабирующий усилитель, к одному из входов которого подключен выход микропроцессорного контроллера, к первому входу которого подключен выход аналого-цифрового преобразователя, согласно изобретению снабжено двумя компараторами уровня и двумя формирователями импульсов причем блок фильтрации выполнен в виде первого, второго и третьего активных полосовых фильтров, согласующий усилитель выполнен в виде широкополосного согласующего усилителя, выход которого подключен ко входам первого, второго и третьего активных полосовых фильтров, выход первого активного полосового фильтра подключен к второму входу масштабирующего усилителя, выход которого подключен ко входу аналого-цифрового преобразователя, выход которого подключен к первому входу микропроцессорного контроллера, выход которого подключен ко второму входу масштабирующего усилителя, а выходы второго и третьего активных полосовых фильтров подключены ко входам, соответственно, первого и второго компараторов 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 for controlling the flow of components of well products, containing a piezoceramic flow pressure pulsation sensor connected to the input of the matching amplifier, a filtering unit, a scaling amplifier, to one of the inputs of which the output of the microprocessor controller is connected, to the first input of which the output is connected analog-to-digital Converter, according to the invention is equipped with two level comparators and two pulse shapers and nen in the form of the first, second and third active bandpass filters, the matching amplifier is made in the form of a broadband matching amplifier, the output of which is connected to the inputs of the first, second and third active bandpass filters, the output of the first active bandpass filter is connected to the second input of the scaling amplifier, the output of which is connected to the input of an analog-to-digital converter, the output of which is connected to the first input of the microprocessor controller, the output of which is connected to the second input of the scaling ilitelya, and the outputs of the second and third active bandpass filters are connected to inputs of, respectively, first and second comparators level, the outputs of which are connected to inputs of, respectively, first and second pulse shaping, the outputs of which are connected respectively to 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)

(2)

(3)
где Q_г - расход газа;
K_п - количество песка;
K_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.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 corresponding pulse shapers
Q _g = A × G ^α ; (1)

(2)

(3)
where Q _g is the gas flow rate;
K _p - the amount of sand;
K _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, are the coefficients determined at the calibration stage.

V = Q_г/F (5)
М - количество циклов измерения;
К - коэффициент усиления масштабирующего усилителя;
X_i - мгновенное значение сигнала в информативной полосе частот;
F - площадь поперечного сечения трубопровода.

V = Q _g / F (5)
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 пьезокерамический датчик 3 и широкополосный согласующий усилитель 4. Во вторичный измерительный прибор входят первый, второй и третий активные полосовые фильтры, соответственно, 5, 6 и 7, управляемый масштабирующий усилитель 8, аналогово-цифровой преобразователь 9, первый и второй компараторы уровня, соответственно, 10 и 11, первый и второй формирователи импульсов, соответственно, 12 и 13, а также микропроцессорный контролер 14 с дисплеем 15 и клавиатурой 16. A block diagram of the device is shown in FIG. 1. A device for controlling the flow of components of well products consists of a measuring module 1 and a secondary measuring device 2. The measuring module includes a piezoceramic sensor 3 and a broadband matching amplifier 4. The second, second and third active bandpass filters are included in the secondary measuring device, respectively, 5, 6 and 7, a controlled scaling amplifier 8, an analog-to-digital converter 9, the first and second level comparators, respectively, 10 and 11, the first and second pulse shapers, respectively Accordingly, 12 and 13, as well as a microprocessor controller 14 with a display 15 and a keyboard 16.

Измерительный модуль 1 устанавливается на трубопроводе 17 на определенном расстоянии от специального сужающего устройства 18, устанавливаемого в трубопровод для более интенсивной турбулизации и формирования заданной структуры потока. The measuring module 1 is installed on the pipeline 17 at a certain distance from a special constricting device 18, 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.

Сигнал с пьезокерамического датчика 3 через широкополосный согласующий усилитель 4, служащий для предварительного усиления сигнала в широком частотном диапазоне и согласования высокоомного выходного сопротивления пьезокерамического датчика с входным сопротивлением вторичного измерительного прибора 2, поступает на три активных полосовых фильтра 5, 6 и 7, выделяющих сигналы для трех информационных каналов. The signal from the piezoceramic sensor 3 through a broadband matching amplifier 4, which serves to pre-amplify the signal in a wide frequency range and match the high-impedance output resistance of the piezoceramic sensor with the input resistance of the secondary measuring device 2, is fed to three active bandpass filters 5, 6 and 7, which select signals for three information channels.

Первый активный полосовой фильтр 5 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 5 сигнал поступает на первый вход масштабирующего усилителя 8. Оптимальный коэффициент усиления этого усилителя задается автоматически микропроцессорным контроллером 14, выход которого подан на второй вход масштабирующего усилителя 8. Выход масштабирующего усилителя соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя 9, с выхода которого сигнал поступает на первый вход (последовательный цифровой вход) микропроцессорного контроллера 14. Микропроцессорный контроллер производит вычисления в соответствии с алгоритмом функционирования, и по окончании измерений полученное значение индицируется на цифровом дисплее 15. The first active bandpass filter 5 forms an informative frequency band of the channel "gas flow". 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 5, the signal is fed to the first input of the scaling amplifier 8. The optimal gain of this amplifier is set automatically by the microprocessor controller 14, the output of which is fed to the second input of the scaling amplifier 8. The output of the scaling amplifier is connected to the output of the analog-to-digital converter 9, from the output which signal is fed to the first input (serial digital input) of the microprocessor controller 14. The microprocessor controller performs the calculations in accordance Corollary to operating algorithm, and after the measurement value obtained is displayed on the digital display 15.

Формирование информационных сигналов каналов "песок" и "ВГПС" производится следующим образом. Второй и третий активные полосовые фильтры 6 и 7 выделяют и усиливают сигналы с частотными составляющими в диапазоне сотен и десятков килогерц, соответственно. Выделенные и усиленные сигналы поступают на компараторы уровня, соответственно, 10 и 11. 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, 12 и 13. По общему числу импульсов можно судить об интенсивности ударного воздействия частиц песка и ВГПС. Импульсы с выхода формирователей 12 и 13 поступают, соответственно, на второй и третий входы (входы внешнего прерывания) микропроцессорного контроллера 14. После соответствующей обработки информации в микропроцессорном контроллере полученные значения индицируются на цифровом дисплее 15. The formation of information signals of the channels "sand" and "VGPS" is as follows. The second and third active bandpass filters 6 and 7 isolate and amplify signals with frequency components in the range of hundreds and tens of kilohertz, respectively. The extracted and amplified signals are sent to the level comparators, respectively, 10 and 11. The thresholds for the operation of the level comparators are set obviously higher than the noise level. When useful signals with an amplitude above the threshold level appear, the comparators are triggered and triggered by pulse shapers, respectively, 12 and 13. By the total number of pulses, one can judge the intensity of the impact of sand particles and VGPS. The pulses from the output of the shapers 12 and 13 are received, respectively, at the second and third inputs (external interrupt inputs) of the microprocessor controller 14. After the corresponding processing of information in the microprocessor controller, the obtained values are displayed on the digital display 15.

Клавиатура 16 служит для ввода параметров процессора измерения. Keyboard 16 is used to enter the parameters of the measurement processor.

Алгоритм работы микропроцессорного контроллера 14 приведен на фиг. 2. Он содержит следующие основные операторы. The algorithm of operation of the microprocessor controller 14 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 K масштабирующего усилителя;
7 - чтение из АЦП мгновенного значения сигнала X_i, в информативной полосе частот;
8 - накопление сумму (X_i/K)²;
9 - подпрограмма расчета оптимального K;
10 - вывод K 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, K_п и K_впгс 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 amount (X _i / K) ² ;
9 - subroutine for calculating the 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, the amount of sand and the amount of water-borne hydrofoil according to the formulas (1), (2) and (3), respectively;
14 - output Q _g , K _p and K _VPS 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 connected to the input of a matching amplifier, a filtering unit, a scaling amplifier, the output of a microprocessor controller connected to one of its inputs, the output of an analog-to-digital converter connected to its first input, characterized in that it is equipped with two level comparators and two pulse shapers, and the filtering unit is made in the form of the first, second and third active bandpass filters, the matching amplifier is made in the form of a broadband matching amplifier, the output of which is connected to the inputs of the first, second and third active bandpass filters, the output of the first active bandpass filter is connected to the second output of the scaling amplifier, the output of which is connected to the input of an analog-to-digital converter, and the outputs of the second and third active bandpass filters are connected to the inputs of the first and second level comparators, respectively, the outputs of which are connected to the inputs respectively enno first and second pulse generators, whose outputs are connected respectively to second and third inputs of the microprocessor controller.