RU2322650C2

RU2322650C2 - Arrangement for measuring summary and fractional consumption of multi-phase immiscible mediums

Info

Publication number: RU2322650C2
Application number: RU2005100700/28A
Authority: RU
Inventors: Феликс Александрович Кашин (RU); Феликс Александрович Кашин; Ирина Петровна Кашина (RU); Ирина Петровна Кашина; Инна Феликсовна Кашина (RU); Инна Феликсовна Кашина; Андрей Александрович Дробышев (RU); Андрей Александрович Дробышев; Сергей Валерьевич Сараев (RU); Сергей Валерьевич Сараев; Сергей Сергеевич Ласточкин (RU); Сергей Сергеевич Ласточкин
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственная компания "АКТЕЛ"
Priority date: 2005-01-14
Filing date: 2005-01-14
Publication date: 2008-04-20
Also published as: RU2005100700A

Abstract

FIELD: invention may be used in informational-measuring systems in oil-producing and petroleum refining industries particularly for definition of flow rate of well.

SUBSTANCE: basis of invention is in maximal receipt of information about structure of multi-phase current due to scanning it on each measuring section with rotating high frequency electrical and magnetic fields with single carrier frequency of scanning signal, autonomous processing of received signals of scanning with separation of maximum of amplitude-frequency and phase-frequency characteristics of signals and usage of results of these measurements for calculating correlative functions. Additionally all four scanning signals are processed in microprocessor. Summary and fractional consumption is defined by comparison of measured parameters with reference parameters from data bank.

EFFECT: provides increase of accuracy of measurements.

13 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в информационно-измерительных системах нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности для измерения содержания компонентов многофазной среды, в частности, для определения дебита скважины, а также в других производствах, где есть необходимость измерения расхода многофазных технологических сред.The invention relates to measuring equipment and can be used in information-measuring systems of the oil and oil refining industries to measure the content of components of a multiphase medium, in particular, to determine the flow rate of a well, as well as in other industries where there is a need to measure the flow rate of multiphase process media.

Устройства для измерения суммарного и фракционного расходов многофазных несмешивающихся сред, использующие корреляционные способы измерения, позволяют измерять расход текущей среды без загромождения сечения трубопровода и без нарушения его герметичности, и поэтому они являются наиболее предпочтительными при измерении расхода пожароопасных и взрывоопасных сред. В основу корреляционных способов измерения расхода заложен принцип определения максимума корреляционной функции при измерении флуктуации потока в двух контрольных сечениях.Devices for measuring the total and fractional flow rates of multiphase immiscible media using correlation measurement methods allow measuring the flow rate of the flowing medium without cluttering the cross section of the pipeline and without violating its tightness, and therefore they are most preferred when measuring the flow rate of fire and explosive atmospheres. The principle of determining the maximum of the correlation function when measuring the fluctuation of the flow in two control sections is the basis of the correlation methods for measuring flow.

Известно устройство для измерения расхода электропроводных двухфазных сред, содержащее измерительный участок с магнитной системой переменного тока, имеющей индуктор с двумя катушками, размещенными с двух сторон относительно трубопровода, два электрода на противоположных стенках трубопровода и модуль управления, включающий блок вычисления корреляционной функции (см. авторское свидетельство СССР №901829, G01F 1/72, G01F 1/74, 30.01.1982). Использование магнитного поля обеспечивает высокий уровень сигнала, существенно превышающий помехи, но устройство может использоваться только для электропроводных жидкостей. Устройство хорошо работает на двухфазных средах, но с увеличением количества фаз оно не может выделить фракционную долю каждой фазы.A device for measuring the flow rate of electrically conductive two-phase media, comprising a measuring section with an alternating current magnetic system having an inductor with two coils located on both sides of the pipeline, two electrodes on opposite walls of the pipeline and a control module including a correlation function calculation unit (see USSR certificate No. 901829, G01F 1/72, G01F 1/74, 01/30/1982). The use of a magnetic field provides a high signal level, significantly exceeding interference, but the device can only be used for electrically conductive liquids. The device works well on two-phase media, but with an increase in the number of phases it cannot isolate the fractional fraction of each phase.

Известно также устройство для измерения суммарного и фракционного расходов многофазных несмешивающихся сред, содержащее мерный участок, на стенках которого установлены две системы просвечивания трубопровода высокочастотным электромагнитным полем на двух разных частотах. Анализируя принимаемые сигналы, можно расчетным путем определить изменение комплексных диэлектрических характеристик среды (реальную и мнимую составляющие комплексной диэлектрической постоянной) и на этой базе определить соотношение фаз в потоке (см. патент США №4902961, НКИ 324/640, 20.02.1990). Устройство обеспечивает достаточно точное определение соотношения фаз в многофазных потоках, в том числе в многофазных потоках с диэлектрическими жидкостями, но с его помощью нельзя определить расход жидкости, для чего потребуется дополнительное устройство.It is also known a device for measuring the total and fractional flow rates of multiphase immiscible media containing a measuring section, on the walls of which are installed two systems of transmission of the pipeline with a high-frequency electromagnetic field at two different frequencies. Analyzing the received signals, it is possible by calculation to determine the change in the complex dielectric characteristics of the medium (the real and imaginary components of the complex dielectric constant) and on this basis to determine the phase ratio in the stream (see US patent No. 4902961, NKI 324/640, 02.20.1990). The device provides a fairly accurate determination of the phase ratio in multiphase flows, including in multiphase flows with dielectric fluids, but it cannot be used to determine the flow rate of the liquid, which requires an additional device.

Наиболее близким к заявленному изобретению по совокупности существенных признаков является устройство, описанное в патенте Российской Федерации №2194950, G01F 1/74, 1/712, G01N 22/04, 20.12.2002. Известное устройство содержит разнесенные по длине трубопровода две измерительные секции, каждая из которых оснащена блоком измерения флуктуации диэлектрических характеристик потока, высокочастотный генератор сканирующих сигналов, подключенный к указанным блокам измерения, первый и второй блоки определения амплитудно-фазовых частотных характеристик, блок вычисления корреляционной функции и управляющий микропроцессор, при этом каждый блок измерения флуктуации диэлектрических характеристик поля через собственный первый или второй блок определения амплитудно-фазовых частотных характеристик подключен к блоку вычисления корреляционной функции. Устройство успешно определяет суммарный и фракционные расходы двухфазных несмешивающихся жидкостей, в том числе диэлектрических, и успешно применяется для определения количества воды в нефти, однако при увеличении количества фаз устройство не способно выделить иные фазы, кроме воды, что ограничивает его возможности.Closest to the claimed invention in terms of essential features is the device described in the patent of the Russian Federation No. 2194950, G01F 1/74, 1/712, G01N 22/04, 12/20/2002. The known device comprises two measuring sections spaced along the length of the pipeline, each of which is equipped with a unit for measuring fluctuations in the dielectric characteristics of the flow, a high-frequency generator of scanning signals connected to the indicated units of measurement, the first and second units for determining the amplitude-phase frequency characteristics, the unit for calculating the correlation function and the control a microprocessor, with each unit for measuring fluctuations in the dielectric characteristics of the field through its own first or second The first block for determining the amplitude-phase frequency characteristics is connected to the block for calculating the correlation function. The device successfully determines the total and fractional flow rates of two-phase immiscible liquids, including dielectric ones, and is successfully used to determine the amount of water in oil, however, with an increase in the number of phases, the device is unable to separate phases other than water, which limits its capabilities.

Задачей настоящего изобретения является разработка устройства для измерения суммарного и фракционного расходов многофазных несмешивающихся сред, в том числе в потоках, содержащих три фазы и более, с помощью которого можно определить фракционные доли всех фаз, присутствующих в потоке несмешивающихся сред (газ, несмешивающиеся жидкости, твердая фаза), а также их расходы.The objective of the present invention is to develop a device for measuring the total and fractional flow rates of multiphase immiscible media, including in streams containing three phases or more, with which you can determine the fractional fraction of all phases present in the flow of immiscible media (gas, immiscible liquids, solid phase), as well as their costs.

Для достижения поставленной технической задачи в устройстве для измерения суммарного и фракционного расходов многофазных несмешивающихся сред, содержащем разнесенные по длине трубопровода две измерительные секции, каждая из которых оснащена блоком измерения флуктуации диэлектрических характеристик многофазного потока, высокочастотный генератор сканирующих сигналов, подключенный к указанным блокам измерения, первый и второй блоки определения амплитудно-фазовых частотных характеристик, блок вычисления корреляционной функции и управляющий микропроцессор, при этом каждый блок измерения флуктуации диэлектрических характеристик поля через собственный первый или второй блок определения амплитудно-фазовых частотных характеристик подключен к блоку вычисления корреляционной функции, согласно изобретению каждая измерительная секция дополнительно оснащена блоком измерения флуктуации сканирующего магнитного поля в многофазном потоке, третьим и четвертым блоками определения амплитудно-фазовых частотных характеристик, вторым блоком вычисления корреляционной функции, блоком нормирования характеристик флуктуации диэлектрического поля, блоком хранения эталонных характеристик многофазного потока и внешней ЭВМ, при этом все четыре блока измерения флуктуации электрического и магнитного полей в многофазном потоке подключены к общему высокочастотному генератору сканирующих сигналов, каждый блок измерения флуктуации сканирующего магнитного поля в многофазном потоке через собственный третий или четвертый блок определения амплитудно-фазовых частотных характеристик подключен ко второму блоку вычисления корреляционной функции, первый входной портал микропроцессора соединен через блок нормирования с первым блоком вычисления корреляционной функции и напрямую - со вторым блоком вычисления корреляционной функции, второй входной портал микропроцессора соединен с выходами всех четырех блоков определения амплитудно-фазовых частотных характеристик, третий входной портал микропроцессора соединен с блоком хранения эталонных характеристик многофазного потока, а выход микропроцессора соединен с внешней ЭВМ.To achieve the technical task, a device for measuring the total and fractional flow rates of multiphase immiscible media containing two measuring sections spaced along the length of the pipeline, each of which is equipped with a unit for measuring fluctuations in the dielectric characteristics of the multiphase flow, a high-frequency scanning signal generator connected to the indicated measurement units, first and the second blocks for determining the amplitude-phase frequency characteristics, the unit for calculating the correlation function, and yn a microprocessor, wherein each unit for measuring fluctuations in the dielectric characteristics of the field is connected through its own first or second unit for determining the amplitude-phase frequency characteristics to a unit for calculating the correlation function, according to the invention, each measuring section is additionally equipped with a unit for measuring fluctuations of the scanning magnetic field in a multiphase flow, a third and the fourth blocks for determining the amplitude-phase frequency characteristics, the second block for calculating the correlation function a unit for normalizing the characteristics of fluctuations of the dielectric field, a unit for storing the reference characteristics of the multiphase flow and an external computer, while all four units for measuring fluctuations of the electric and magnetic fields in the multiphase flow are connected to a common high-frequency generator of scanning signals, each unit for measuring fluctuations of the scanning magnetic field in the multiphase flow through its own third or fourth block for determining the amplitude-phase frequency characteristics is connected to the second block the correlation function, the first input portal of the microprocessor is connected through the normalization unit to the first block of calculation of the correlation function and directly to the second block of calculation of the correlation function, the second input portal of the microprocessor is connected to the outputs of all four blocks for determining the amplitude-phase frequency characteristics, the third input portal of the microprocessor is connected with a storage unit for the reference characteristics of the multiphase flow, and the microprocessor output is connected to an external computer.

Предпочтительно устройство дополнительно оснащено двумя блоками задержки по времени регистрируемых сигналов, поступающих от первой измерительной секции, первый из которых установлен в канале измерения флуктуации сканирующего магнитного поля на выходе соответствующего блока определения амплитудно-фазовых частотных характеристик, а второй - в канале измерения флуктуации диэлектрического поля на выходе соответствующего блока определения амплитудно-фазовых частотных характеристик.Preferably, the device is additionally equipped with two time delay blocks of recorded signals coming from the first measuring section, the first of which is installed in the channel for measuring fluctuations of the scanning magnetic field at the output of the corresponding unit for determining the amplitude-phase frequency characteristics, and the second is in the channel for measuring the fluctuation of the dielectric field at the output of the corresponding unit for determining the amplitude-phase frequency characteristics.

Предпочтительно в устройстве в линии питания каждого блока измерения флуктуации сканирующего магнитного поля в многофазном потоке установлен блок смещения сканирующего сигнала по времени.Preferably, in the device in the supply line of each unit for measuring fluctuations of the scanning magnetic field in the multiphase flow, a unit for displacing the scanning signal in time is installed.

Предпочтительно устройство дополнительно оснащено блоком смещения по времени регистрируемых сигналов флуктуации магнитного поля, установленным на выходе первого блока вычисления корреляционной функции.Preferably, the device is additionally equipped with a time offset unit for the recorded magnetic field fluctuation signals installed at the output of the first correlation function calculation unit.

Предпочтительно устройство дополнительно оснащено двумя блоками смещения по времени регистрируемых сигналов флуктуации магнитного поля, установленными в соответствующих каналах измерения флуктуации магнитного поля.Preferably, the device is additionally equipped with two time offset blocks of the recorded magnetic field fluctuation signals installed in the respective measurement channels of the magnetic field fluctuation.

Предпочтительно устройство дополнительно оснащено датчиками температуры и давления, установленными на одной из измерительных секций, выходы которых подключены к четвертому входному порталу микропроцессора.Preferably, the device is additionally equipped with temperature and pressure sensors mounted on one of the measuring sections, the outputs of which are connected to the fourth input portal of the microprocessor.

В основу изобретения положено получение дополнительной информации о структуре многофазного потока за счет дополнительного сканирования его на каждом измерительном участке вращающимся высокочастотным магнитным полем с частотой несущего сигнала, совпадающей с частотой сканирующего сигнала высокочастотного электрического поля, автономная обработка в соответствующем блоке определения амплитудно-фазовых частотных характеристик всех четырех полученных сигналов сканирования с выделением максимума амплитудно-частотных характеристик и фазовых сдвигов сигналов и использование всех четырех измерений для вычисления корреляционной функции, относительных долей фракций многофазного потока и суммарного и фракционного расходов многофазных несмешивающихся сред сравнением измеренных амплитудно-фазовых частотных характеристик и/или значений диэлектрических характеристик и магнитной проницаемости многофазного потока с соответствующими эталонными значениями. Сигнал сканирования, регистрируемый на выходе блока сканирования вращающимся высокочастотным электрическим полем, существенно слабее выходного сигнала с блока сканирования вращающимся высокочастотным магнитным полем. Для достижения равенства вклада всех сигналов в корреляционную функцию выходные сигналы блоков сканирования потока вращающимся высокочастотным электрическим полем нормируют (усиливают сигнал с использованием нормирующего масштабного коэффициента). Коэффициент нормирования определяется экспериментально на основе лабораторных или натурных измерений. Возможно также вычисление коэффициента нормирования по известным зависимостям. Использование эталонных характеристик банка данных для определения конкретного соотношения фракционных долей многофазной среды позволяет оперативно определять фракционные доли, используя для банка данных либо сами эталонные амплитудно-частотные и фазочастотные характеристики, полученные экспериментально в лабораторных или натурных условиях, либо цифровые значения параметров амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик или значения диэлектрических характеристик и магнитной проницаемости многофазного потока, вычисляемые по известным формулам.The invention is based on obtaining additional information on the structure of a multiphase flow by additionally scanning it at each measuring section with a rotating high-frequency magnetic field with a carrier signal frequency coinciding with the frequency of the scanning signal of a high-frequency electric field, autonomous processing in the corresponding unit for determining the amplitude-phase frequency characteristics of all of four received scanning signals with highlighting the maximum amplitude-frequency characteristics and phase shifts of signals and the use of all four measurements to calculate the correlation function, the relative fractions of multiphase flow fractions and the total and fractional flow rates of multiphase immiscible media by comparing the measured amplitude-phase frequency characteristics and / or values of the dielectric characteristics and magnetic permeability of the multiphase flow with the corresponding reference values. The scanning signal recorded at the output of the scanning unit by a rotating high-frequency electric field is significantly weaker than the output signal from the scanning unit by a rotating high-frequency magnetic field. To achieve an equal contribution of all signals to the correlation function, the output signals of the flow scanning units by a rotating high-frequency electric field are normalized (the signal is amplified using a normalizing scale factor). The coefficient of normalization is determined experimentally on the basis of laboratory or field measurements. It is also possible to calculate the normalization coefficient from known dependencies. Using the reference characteristics of the data bank to determine the specific ratio of the fractional fractions of a multiphase medium allows you to quickly determine the fractional fractions using either the standard amplitude-frequency and phase-frequency characteristics obtained experimentally in laboratory or field conditions, or the digital values of the parameters of the amplitude-frequency and phase-frequency characteristics or values of dielectric characteristics and magnetic permeability of a multiphase flux calculated according to well-known formulas.

Наличие двух блоков задержки по времени сканирующих сигналов, поступающих от второй измерительной секции, первый из которых установлен в канале измерения флуктуации сканирующего магнитного поля на выходе соответствующего блока определения амплитудно-фазовых частотных характеристик, а второй - в канале измерения флуктуации диэлектрического поля на выходе соответствующего блока определения амплитудно-фазовых частотных характеристик, сокращает время на вычисление корреляционной функции, так как позволяет использовать для вычисления корреляционной функции меньшее количество сканирующих сигналов с учетом времени транспортировки потока между двумя измерительными секциями, что также повышает точность вычисления корреляционной функции.The presence of two time delay blocks of scanning signals from the second measuring section, the first of which is installed in the channel for measuring fluctuations of the scanning magnetic field at the output of the corresponding unit for determining the amplitude-phase frequency characteristics, and the second is in the channel for measuring fluctuations of the dielectric field at the output of the corresponding unit determine the amplitude-phase frequency characteristics, reduces the time to calculate the correlation function, as it allows you to use for calculation correlation function fewer scanning signals, taking into account the transport time of the flow between the two measuring sections, which also improves the accuracy of the calculation of the correlation function.

Для повышения точности измерений за счет исключения погрешности, связанной с перемещением многофазной среды между контрольными сечениями одного измерительного участка, сканирующий сигнал высокочастотного магнитного поля подают со смещением по времени относительно сканирующего сигнала высокочастотного электрического поля, используя для этого соответствующий блок смещения по времени. Альтернативным решением этой же задачи будет оснащение устройства блоком смещения по времени регистрируемых сигналов флуктуации магнитного поля, установленным на выходе первого блока вычисления корреляционной функции, или оснащение устройства двумя блоками смещения по времени регистрируемых сигналов флуктуации магнитного поля, установленными в соответствующих каналах измерения флуктуации магнитного поля.To increase the accuracy of measurements by eliminating the error associated with the movement of the multiphase medium between the control sections of one measuring section, the scanning signal of the high-frequency magnetic field is supplied with a time offset relative to the scanning signal of the high-frequency electric field, using the corresponding time offset unit. An alternative solution to the same problem is to equip the device with a time offset unit of the recorded magnetic field fluctuation signals installed at the output of the first correlation function calculation unit, or equip the device with two time offset unit of the recorded magnetic field fluctuation signals installed in the corresponding channels of the magnetic field fluctuation measurement.

Измерение температуры и давления многофазной среды повышает точность определения фракционного состава и расходов, так как позволяет учесть изменение диэлектрических и магнитных характеристик среды по температуре и давлению.Measurement of the temperature and pressure of a multiphase medium increases the accuracy of determining the fractional composition and costs, since it allows you to take into account the change in the dielectric and magnetic characteristics of the medium by temperature and pressure.

На фиг.1-3 изображены блок-схемы трех примеров осуществления настоящего изобретения.1-3 are block diagrams of three embodiments of the present invention.

Устройство для измерения суммарного и фракционного расходов многофазных несмешивающихся сред устанавливается непосредственно на трубопроводе 1 и включает разнесенные по длине трубопровода две измерительные секции 2 и 3, стенки которых выполнены из диэлектрического материала, и размещенную между секциями вставку 4. Устройство содержит два блока 5 и 6 измерения флуктуации диэлектрических характеристик потока (по одному на каждую измерительную секцию), формирующих сканирующее многофазную среду вращающееся электрическое поле и регистрирующих сигнал сканирования, и два блока 7 и 8 измерения флуктуации сканирующего магнитного поля в многофазном потоке, формирующих сканирующее многофазную среду вращающееся магнитное поле и регистрирующих сигнал сканирования. В каждой измерительной секции сечения сканирования высокочастотными электрическим и магнитным полями смещены относительно друг друга на расстояние L₁. Сечения сканирования высокочастотными электрическими или магнитными полями измерительных секций 2 и 3 смещены относительно друг друга на расстояние L₂. Устройство имеет высокочастотный генератор 9 сканирующих сигналов, выход которого соединен со всеми четырьмя блоками 5-8 измерения флуктуации многофазного потока. В измерительных секциях 2 и 3 блоки 5 и 6 измерения флуктуации диэлектрических характеристик потока напрямую подключены к выходу генератора 9, а каждый из блоков 7 и 8 измерения флуктуации магнитного поля подключен к выходу генератора 9 через собственный блок 10 смещения сканирующего сигнала по времени. Устройство оснащено датчиком 11 температуры и датчиком 12 давления, установленными, например, на измерительной секции 2.A device for measuring the total and fractional flow rates of multiphase immiscible media is installed directly on the pipeline 1 and includes two measuring sections 2 and 3 spaced along the length of the pipeline, the walls of which are made of dielectric material, and an insert 4 located between the sections. The device contains two measurement units 5 and 6 fluctuations in the dielectric characteristics of the flow (one for each measuring section), forming a rotating multiphase medium, a rotating electric field and a register constituents scan signal and two blocks 7 and 8 of measuring fluctuations of the scanning magnetic field in the multiphase flow, multiphase medium forming the scanning field and a rotating magnetic recording scanning signal. In each measuring section, the cross-sections for scanning by high-frequency electric and magnetic fields are offset relative to each other by a distance L ₁ . Sectional scanning high-frequency electric or magnetic fields of the measuring sections 2 and 3 are offset from each other by a distance L _2. The device has a high-frequency generator 9 of scanning signals, the output of which is connected to all four blocks 5-8 of measuring fluctuations in multiphase flow. In measuring sections 2 and 3, the blocks 5 and 6 for measuring the fluctuations in the dielectric characteristics of the flow are directly connected to the output of the generator 9, and each of the blocks 7 and 8 for measuring the fluctuations of the magnetic field is connected to the output of the generator 9 through its own block 10 for shifting the scanning signal in time. The device is equipped with a temperature sensor 11 and a pressure sensor 12 mounted, for example, on the measuring section 2.

Для обработки регистрируемых сигналов сканирования устройство содержит четыре блока 13-16 определения амплитудно-фазовых частотных характеристик, представляющих собой аналого-цифровые преобразователи, два блока 17 и 18 вычисления корреляционной функции, блок 19 нормирования характеристик флуктуации диэлектрического поля, блок 20 хранения эталонных характеристик многофазного потока, управляющий микропроцессор 21 и внешнюю ЭВМ 22. В блоке 20 могут храниться набор эталонных характеристик многофазного потока: непосредственное оцифрованное изображение амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик, набор эталонных фазовых характеристик, соответствующих конкретному соотношению фракций многофазного потока, цифровые значения комплексной диэлектрической постоянной для каждого конкретного соотношения фракций многофазного потока, цифровые значения магнитной проницаемости и магнитных потерь для каждого конкретного соотношения фракций многофазного потока, а также любые другие параметры, характеризующие многофазный поток.For processing the recorded scanning signals, the device contains four blocks 13-16 determining the amplitude-phase frequency characteristics, which are analog-to-digital converters, two blocks 17 and 18 calculating the correlation function, block 19 for normalizing the characteristics of fluctuations of the dielectric field, and block 20 for storing the reference characteristics of the multiphase flow , the control microprocessor 21 and an external computer 22. In block 20, a set of reference characteristics of a multiphase flow can be stored: directly digitized from a dash of amplitude-frequency and phase-frequency characteristics, a set of reference phase characteristics corresponding to a specific ratio of multiphase flow fractions, digital values of the complex dielectric constant for each specific ratio of multiphase flow fractions, digital values of magnetic permeability and magnetic loss for each specific ratio of multiphase flow fractions, and any other parameters characterizing a multiphase flow.

Блоки 7 и 8 измерения флуктуации сканирующего магнитного поля в многофазном потоке через собственные блоки 13 и 14 определения амплитудно-фазовых частотных характеристик подключены к блоку 17 вычисления корреляционной функции, при этом блок 14 подключен к блоку 17 вычисления корреляционной функции напрямую, а блок 13 - через блок 23 задержки по времени.Blocks 7 and 8 for measuring fluctuations of the scanning magnetic field in a multiphase flow through the own blocks 13 and 14 for determining the amplitude-phase frequency characteristics are connected to the correlation function calculation block 17, while block 14 is connected directly to the correlation function calculation block 17, and block 13 - through block 23 time delay.

Блоки 5 и 6 измерения флуктуации диэлектрических характеристик поля через собственные блоки 15 и 16 определения амплитудно-фазовых частотных характеристик подключены к блоку 18 вычисления корреляционной функции, при этом блок 16 подключен к блоку 18 вычисления корреляционной функции напрямую, а блок 15 - через блок 24 задержки по времени.Blocks 5 and 6 for measuring fluctuations in the dielectric characteristics of the field through the own blocks 15 and 16 for determining the amplitude-phase frequency characteristics are connected to the correlation function calculation unit 18, while block 16 is connected directly to the correlation function calculation unit 18, and block 15 is connected through the delay unit 24 by time.

Первый входной портал 25 микропроцессора 21 через блок 19 нормирования соединен с блоком 18 вычисления корреляционной функции и напрямую соединен с блоком 17 вычисления корреляционной функции.The first input portal 25 of the microprocessor 21 is connected through the standardization unit 19 to the correlation function calculation unit 18 and directly connected to the correlation function calculation unit 17.

Второй входной портал 26 микропроцессора 21 соединен с выходами всех четырех блоков 13-16 определения амплитудно-фазовых частотных характеристик. При наличии блоков задержки по времени 23 и 24 второй входной портал 26 предпочтительно соединять с выходами блоков 14 и 16 определения амплитудно-фазовых частотных характеристик через указанные блоки задержки, но возможно также подключение его напрямую к выходам указанных блоков, как это показано далее на фиг.2.The second input portal 26 of the microprocessor 21 is connected to the outputs of all four blocks 13-16 determining the amplitude-phase frequency characteristics. If there are time delay blocks 23 and 24, the second input portal 26 is preferably connected to the outputs of blocks 14 and 16 for determining the amplitude-phase frequency characteristics through these delay blocks, but it is also possible to connect it directly to the outputs of these blocks, as shown below in FIG. 2.

Третий входной портал 27 микропроцессора 21 соединен с блоком 20 хранения эталонных характеристик многофазного потока. Конкретный набор эталонных характеристик может определяться для каждого устройства самостоятельно в соответствии с характеристиками многофазного потока скважины, но может использоваться перечисленный выше полный комплект эталонных характеристик.The third input portal 27 of the microprocessor 21 is connected to the unit 20 for storing the reference characteristics of the multiphase flow. A specific set of reference characteristics can be determined for each device independently in accordance with the characteristics of the multiphase flow of the well, but the above-mentioned full set of reference characteristics can be used.

Датчики температуры 13 и давления 14 подключены к четвертому входному порталу 28 микропроцессора 21. Выход микропроцессора соединен с внешней ЭВМ 22. Микропроцессор 24 также используется для управления всеми блоками устройства (управляющие связи на схеме не показаны, чтобы не загромождать ее).The temperature and pressure sensors 13 are connected to the fourth input portal 28 of the microprocessor 21. The output of the microprocessor is connected to an external computer 22. The microprocessor 24 is also used to control all units of the device (control connections are not shown in the diagram so as not to clutter it).

Вырабатываемый генератором 9 высокочастотный электрический сигнал сканирования передается на блоки 5-8 измерения флуктуации многофазного потока в измерительных секциях 2 и 3 либо напрямую, либо через блоки 10 смещения сканирующего сигнала по времени.The high-frequency electric scanning signal generated by the generator 9 is transmitted to the blocks 5-8 for measuring fluctuations in the multiphase flow in the measuring sections 2 and 3 either directly or through the time-shifting blocks 10 of the scanning signal.

Измерение суммарного и фракционного расходов многофазных несмешивающихся сред осуществляют следующим образом.The measurement of the total and fractional flow rates of multiphase immiscible media is as follows.

На трубопроводе, по которому перемещаются многофазные несмешивающиеся среды, размещают две измерительные секции и на каждой измерительной секции в двух контрольных сечениях производят сканирование потока вращающимся высокочастотным электрическим и магнитным полем с единой несущей частотой сигнала. Для формирования в сечениях сканирования вращающегося электрического или магнитного полей сканирующий сигнал формируется с использованием двух опорных высокочастотных электрических сигналов переменного тока, сдвинутых друг относительно друга на 90°. Эти опорные сигналы могут вырабатываться либо в генераторе 9, либо непосредственно в блоках 5-8.Two measuring sections are placed on the pipeline through which multiphase immiscible media move, and on each measuring section in two control sections, the flow is scanned by a rotating high-frequency electric and magnetic field with a single signal carrier frequency. To generate a rotating electric or magnetic field in the scanning cross sections, a scanning signal is generated using two reference high-frequency AC electric signals shifted by 90 ° relative to each other. These reference signals can be generated either in the generator 9, or directly in blocks 5-8.

Сканирующий сигнал представляет собой пакет дискретно модулированных высокочастотных электрических колебаний напряжением, например, 2 В, со ступенчатым изменением несущей частоты в пределах 1-100 МГц. Величина ступеньки задается управляющим микропроцессором 21 и может составлять 50-150 Гц. Длительность сканирующего сигнала должна быть достаточна для выхода на установившийся режим измерения в каждом из четырех контрольных сечений - по два контрольных сечения на каждой измерительной секции. Регистрируемые (выходные) сигналы, отражающие результаты сканирования потока, имеют переменную амплитуду и сдвиг по фазе, зависящие от несущей частоты сканирующего сигнала и флуктуации многофазного потока. Абсолютная максимальная амплитуда выходного сигнала будет наблюдаться на резонансной частоте, хотя на других частотах могут наблюдаться частные максимумы амплитуды. Для вычисления корреляционной функции может использоваться либо вся амплитудно-частотная характеристика, либо ее зона, прилегающая к резонансной частоте.The scanning signal is a package of discretely modulated high-frequency electrical oscillations with a voltage of, for example, 2 V, with a stepwise change in the carrier frequency in the range of 1-100 MHz. The value of the step is set by the control microprocessor 21 and may be 50-150 Hz. The duration of the scanning signal should be sufficient to reach the established measurement mode in each of the four control sections — two control sections on each measuring section. The recorded (output) signals reflecting the results of scanning the flow have a variable amplitude and phase shift, depending on the carrier frequency of the scanning signal and fluctuations of the multiphase flow. The absolute maximum amplitude of the output signal will be observed at the resonant frequency, although at other frequencies partial amplitude maxima may be observed. To calculate the correlation function, either the entire amplitude-frequency characteristic or its zone adjacent to the resonant frequency can be used.

Учитывая, что многофазная среда перемещается по трубопроводу с некоторой скоростью, одновременно с той же скоростью перемещаются все флуктуации многофазной среды и для повышения точности измерений необходимо введение смещения по времени между подачей сканирующего сигнала в двух контрольных сечениях, где измеряются флуктуации диэлектрических характеристик и магнитного поля (например, смещение по времени между подачей сигнала в блок 7 относительно блока 5).Given that the multiphase medium moves through the pipeline at a certain speed, all fluctuations of the multiphase medium move simultaneously with the same speed, and to increase the accuracy of measurements, it is necessary to introduce a time offset between the supply of the scanning signal in two control sections, where the fluctuations of the dielectric characteristics and magnetic field are measured ( for example, the time offset between the signal in block 7 relative to block 5).

Регистрируемый сигнал сканирования высокочастотным вращающимся магнитным полем с выходов блоков 7 и 8 поступает в блоки 13 и 14 определения амплитудно-фазовых частотных характеристик, в которых сигнал оцифровывается и обрабатывается с выделением резонансной частоты с максимальной амплитудой - амплитудно-частотная характеристика флуктуации магнитных характеристик многофазной среды, а также определяется фазовый сдвиг относительно исходного сканирующего сигнала - фазочастотная характеристика флуктуации многофазной среды. Результаты обработки передаются в блок 17 вычисления корреляционной функции, а также на второй входной портал 26 микропроцессора 21. В блоке 17 определяются результирующая корреляционная функция флуктуации магнитного поля и время транспортной задержки. Процедура определения корреляционной функции в блоке 17 не отличается от обычных процедур и включает в себя перемножение двух сигналов с последующим накоплением, например, последовательным суммированием произведений с выявлением максимального значения суммы. Из блока 13 определения амплитудно-фазовых частотных характеристик оцифрованный сигнал может передаваться в блок 17 вычисления корреляционной функции напрямую либо через блок 23 задержки по времени. Конкретная величина задержки по времени (время транспортировки) определяется микропроцессором 21 по результатам первых измерений и передается в блок 23 задержки по времени, а далее величина задержки по времени корректируется по результатам текущих измерений.The recorded scanning signal by a high-frequency rotating magnetic field from the outputs of blocks 7 and 8 is supplied to blocks 13 and 14 for determining the amplitude-phase frequency characteristics, in which the signal is digitized and processed with the allocation of the resonant frequency with a maximum amplitude - the amplitude-frequency characteristic of the fluctuation of the magnetic characteristics of a multiphase medium, and also determines the phase shift relative to the original scanning signal - the phase-frequency characteristic of fluctuations of a multiphase medium. The processing results are transmitted to the correlation function calculation unit 17, as well as to the second input portal 26 of the microprocessor 21. In block 17, the resulting correlation function of the magnetic field fluctuation and the transport delay time are determined. The procedure for determining the correlation function in block 17 does not differ from ordinary procedures and includes the multiplication of two signals with subsequent accumulation, for example, by sequential summation of the products with the identification of the maximum value of the sum. From block 13 determining the amplitude-phase frequency characteristics, the digitized signal can be transmitted to block 17 calculating the correlation function directly or through block 23 time delay. The specific amount of time delay (transport time) is determined by the microprocessor 21 according to the results of the first measurements and transmitted to the time delay unit 23, and then the time delay value is adjusted according to the results of the current measurements.

Регистрируемый сигнал сканирования высокочастотным вращающимся электрическим полем с выходов блоков 5 и 6 поступает в блоки 15 и 16 определения амплитудно-фазовый частотных характеристик, в которых сигнал оцифровывается и обрабатывается с выделением резонансной частоты с максимальной амплитудой - амплитудно-частотная характеристика флуктуации диэлектрических характеристик многофазной среды, а также определяется фазовый сдвиг относительно исходного сканирующего сигнала - фазочастотная характеристика флуктуации многофазной среды. Результаты обработки передаются в блок 18 вычисления корреляционной функции, а также на второй входной портал 26 микропроцессора 21. В блоке 18 определяются результирующая корреляционная функция флуктуации диэлектрических характеристик многофазной среды и время транспортной задержки. Процедура определения корреляционной функции в блоке 18 не отличается от процедуры ее определения в блоке 17. Из блока 15 определения амплитудно-фазовых частотных характеристик оцифрованный сигнал может передаваться в блок 18 вычисления корреляционной функции напрямую либо через блок 24 задержки по времени. Конкретная величина задержки по времени (время транспортировки) определяется микропроцессором 21 по результатам первых измерений и передается в блок 24 задержки по времени, а далее величина задержки по времени корректируется по результатам текущих измерений.The recorded scanning signal by a high-frequency rotating electric field from the outputs of blocks 5 and 6 goes to blocks 15 and 16 for determining the amplitude-phase frequency characteristics, in which the signal is digitized and processed with the allocation of the resonant frequency with a maximum amplitude - the amplitude-frequency characteristic of the fluctuation of the dielectric characteristics of a multiphase medium, and also determines the phase shift relative to the original scanning signal - the phase-frequency characteristic of fluctuations of a multiphase medium. The processing results are transmitted to the correlation function calculation unit 18, as well as to the second input portal 26 of the microprocessor 21. In block 18, the resulting correlation function of the fluctuation of the dielectric characteristics of the multiphase medium and the transport delay time are determined. The procedure for determining the correlation function in block 18 does not differ from the procedure for determining it in block 17. From the block 15 for determining the amplitude-phase frequency characteristics, the digitized signal can be transmitted to the correlation function calculation unit 18 directly or through a time delay unit 24. The specific amount of time delay (transport time) is determined by the microprocessor 21 according to the results of the first measurements and transmitted to the time delay unit 24, and then the time delay value is adjusted according to the results of the current measurements.

Результирующие корреляционные функции передаются в управляющий микропроцессор 21. В него же поступают сигналы с датчиков давления 12 и температуры 11, а также оцифрованные сигналы из блоков 13-16 определения амплитудно-фазовых частотных характеристик.The resulting correlation functions are transmitted to the control microprocessor 21. It also receives signals from pressure sensors 12 and temperature 11, as well as digitized signals from blocks 13-16 determining the amplitude-phase frequency characteristics.

Управляющий микропроцессор 21 может обрабатывать поступившие сигналы по нескольким процедурам.The control microprocessor 21 can process the received signals in several ways.

По первой процедуре управляющий микропроцессор 21 запрашивает из блока 20 хранящиеся там данные эталонных характеристик многофазной среды и сравнивает результирующие корреляционные функции с эталонными, выбирая из них наиболее близкие к замеренным характеристикам, сравнение с которыми позволяет достаточно точно определить фракционные доли многофазного потока, а знание времени транспортировки - фракционный и суммарные расходы. Сравниваться могут непосредственно амплитудно-частотные и фазочастотные характеристики либо интегральная корреляционная функция, учитывающая все четыре сигнала. Интегральную корреляционную функцию, учитывающую все четыре сигнала сканирования, вычисляют в управляющем микропроцессоре 21. Для приведения к одному уровню сигналов сканирования высокочастотным вращающимся электрическим полем и сигналов сканирования высокочастотным вращающимся магнитным полем сумму амплитуд сигналов сканирования высокочастотным вращающимся электрическим полем нормируют (умножают на нормирующий коэффициент). Величину нормирующего коэффициента определяют экспериментальным или расчетным путем. Результаты измерений передаются во внешнюю ЭВМ 22 для постоянного хранения и анализа.According to the first procedure, the control microprocessor 21 requests from the block 20 the data of the reference characteristics of the multiphase medium stored there and compares the resulting correlation functions with the reference ones, choosing from them the closest to the measured characteristics, comparison with which allows you to accurately determine the fractional fractions of the multiphase flow, and knowing the transportation time - fractional and total expenses. The amplitude-frequency and phase-frequency characteristics can be directly compared or the integral correlation function taking into account all four signals. The integral correlation function, taking into account all four scanning signals, is calculated in the control microprocessor 21. To bring the scanning signals to a high-frequency rotating electric field and the scanning signals to a high-frequency rotating magnetic field to one level, the sum of the amplitudes of the scanning signals by a high-frequency rotating electric field is normalized (multiplied by a normalizing coefficient). The value of the normalizing coefficient is determined experimentally or by calculation. The measurement results are transmitted to an external computer 22 for permanent storage and analysis.

По второй процедуре микропроцессор 21 обрабатывает непосредственно оцифрованные результаты обработки амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик, поступившие из блоков 13-16. 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 22 для постоянного хранения и анализа.According to the second procedure, the microprocessor 21 processes the directly digitized results of processing the amplitude-frequency and phase-frequency characteristics received from blocks 13-16. Fractional fractions can be determined by analyzing the shape of the amplitude-frequency characteristics and determining resonant frequencies, phase shifts, real and imaginary components of the complex dielectric constant, real and imaginary components of magnetic losses by known methods, and comparing them with the data stored in the data bank. The measurement results are transmitted to an external computer 22 for permanent storage and analysis.

Второй пример исполнения устройства, показанный на фиг.2, отличается от описанного выше первого примера исполнения устройства тем, что вместо двух блоков 10 смещения сканирующего сигнала по времени устройство оснащено одним блоком 29 смещения по времени регистрируемых сигналов флуктуации диэлектрических характеристик многофазного потока, установленным на выходе блока 18 вычисления корреляционной функции последовательно с блоком 19 нормирования.The second embodiment of the device shown in FIG. 2 differs from the first embodiment of the device described above in that instead of two blocks 10 for shifting the scanning signal in time, the device is equipped with one block 29 for shifting the time of the recorded signals of fluctuations in the dielectric characteristics of the multiphase flow installed at the output block 18 calculating the correlation function in series with block 19 normalization.

Третий пример исполнения устройства, показанный на фиг.3, отличается от описанного выше первого примера исполнения устройства тем, что вместо двух блоков 10 смещения сканирующего сигнала по времени устройство оснащено двумя блоками 30 смещения по времени регистрируемых сигналов флуктуации диэлектрических характеристик многофазного потока, установленными соответственно на выходе блоков 15 и 16 определения амплитудно-фазовых частотных характеристик.The third embodiment of the device, shown in FIG. 3, differs from the first embodiment of the device described above in that instead of two blocks 10 of the scanning signal bias time, the device is equipped with two blocks 30 of the bias time registered signals of fluctuation of the dielectric characteristics of the multiphase flow, respectively set to the output of blocks 15 and 16 determine the amplitude-phase frequency characteristics.

Процедуры измерения суммарного и фракционного расходов многофазных несмешивающихся сред при использовании второго или третьего примеров исполнения устройства в основном совпадают с описанной выше технологией измерения суммарного и фракционного расходов при использовании первого примера осуществления устройства и отличаются только коррекцией, учитывающей смещение по времени измерения флуктуации магнитного поля относительно флуктуации диэлектрического поля, имеющее место в каждой измерительной секции. При использовании устройства по второму исполнению коррекция смещения по времени производится на выходе из блока 18 вычисления корреляционной функции флуктуации диэлектрических характеристик многофазного потока. При использовании устройства по третьему исполнению коррекция смещения по времени производится на выходе соответствующих блоков 15 и 16 определения амплитудно-фазовых частотных характеристик флуктуации диэлектрических характеристик многофазного потока.The procedures for measuring the total and fractional flow rates of multiphase immiscible media when using the second or third examples of the device are basically the same as the above technology for measuring the total and fractional flows when using the first example of the device and differ only in correction, taking into account the time offset of the measurement of the fluctuation of the magnetic field relative to the fluctuation dielectric field taking place in each measuring section. When using the device according to the second embodiment, the correction of the time offset is performed at the output from the block 18 for calculating the correlation function of the fluctuation of the dielectric characteristics of the multiphase flow. When using the device according to the third embodiment, the time offset correction is performed at the output of the corresponding blocks 15 and 16 for determining the amplitude-phase frequency characteristics of fluctuations in the dielectric characteristics of the multiphase flow.

Специалисту в данной области техники должно быть очевидным, что в настоящем изобретении возможны разнообразные модификации и изменения. Изобретение можно использовать на трубопроводах любого диаметра с любой формой поперечного сечения (круглое, квадратное, прямоугольное и т.п.). Соответственно, предполагается, что настоящее изобретение охватывает указанные модификации и изменения, а также их эквиваленты, без отступления от сущности и объема изобретения, раскрытого в прилагаемой формуле изобретения.One skilled in the art will appreciate that various modifications and variations are possible in the present invention. The invention can be used on pipelines of any diameter with any cross-sectional shape (round, square, rectangular, etc.). Accordingly, it is intended that the present invention covers the modifications and variations as well as their equivalents without departing from the spirit and scope of the invention disclosed in the appended claims.

Claims

1. The correlation method for measuring the total and fractional flow rates of multiphase immiscible media, which consists in placing two measuring sections spaced along its length on each pipeline, and for each measuring section in two control sections, the flow is scanned by a rotating high-frequency electric and magnetic field with a single carrier the frequency of the signal, according to the results of processing the scanning signals, the amplitude-phase frequency characteristics are determined, and the corresponding correlations are calculated ion functions, which are used to calculate the integral correlation function, in order to bring the scanning signals to the rotating high-frequency electric field and the scanning signals to the rotating high-frequency magnetic field to the same level, the scanning signals of the flow by the high-frequency electric field are normalized, and the medium transport time is measured by the maximum of the correlation function of the scanning signals for determine the total and fractional costs, and to determine the fractional shares of multiphase Reda compared integrated correlation function or the amplitude-frequency characteristics of the phase characteristics with reference data bank.

2. The method according to claim 1, characterized in that for scanning the stream using a high-frequency scanning signal with a change in the carrier frequency of the signal in the range of 1-100 MHz.

3. The method according to claim 2, characterized in that when scanning a stream, the carrier frequency of the scanning signal is changed stepwise, and the scanning signal is recorded in steady state.

4. The method according to claim 3, characterized in that when moving to the next scanning carrier frequency, the frequency of the scanning signal is changed to 50-150 Hz.

5. The method according to claim 1, characterized in that when scanning with a high-frequency magnetic field, the scanning signal is supplied with a time offset.

6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that in one of the control sections, the temperature and pressure of the multiphase medium are additionally measured.

7. A device for measuring the total and fractional flow rates of multiphase immiscible media, containing two measuring sections spaced along the length of the pipeline, each of which is equipped with a unit for measuring fluctuations in the dielectric characteristics of the multiphase flow, a high-frequency scanning signal generator connected to these measurement units, the first and second determination units amplitude-phase frequency characteristics, the first unit for calculating the correlation function and the control microprocessor, with each the second unit for measuring fluctuations in the dielectric characteristics of the multiphase flow, respectively, through the first and second unit for determining the amplitude-phase frequency characteristics is connected to the first unit for calculating the correlation function, characterized in that the device is additionally equipped with a third and fourth units for determining the amplitude-phase frequency characteristics, the second unit for calculating the correlation functions, standardization unit, storage unit for the reference characteristics of a multiphase flow, an external computer, and each of The measuring section is additionally equipped with a unit for measuring fluctuations of the scanning magnetic field in the multiphase flow, while the units for measuring fluctuations of the scanning magnetic field in the multiphase flow are connected to a high-frequency generator of scanning signals, each unit for measuring fluctuations of the scanning magnetic field in the multiphase flow, respectively, through the third and fourth unit for determining the amplitude -phase frequency characteristics connected to the second unit for calculating the correlation function, the first input the microprocessor’s end is connected through the normalization unit to the first correlation function calculation unit and directly to the second correlation function calculation unit, the second microprocessor input portal is connected to the outputs of all four amplitude-phase frequency response determination units, the third microprocessor input portal is connected to the multiphase reference characteristic storage unit flow, and the microprocessor output is connected to an external computer.

8. The device according to claim 7, characterized in that it is equipped with two time delay units of the recorded signals coming from the first measuring section, the first of which is installed at the output of the first block for determining the amplitude-phase frequency characteristics, and the second at the output of the third block determination of amplitude-phase frequency characteristics.

9. The device according to claim 7, characterized in that in the supply line of each unit for measuring fluctuations of the scanning magnetic field in the multiphase stream, a time-shifting unit of the scanning signal is installed.

10. The device according to claim 7, characterized in that it is equipped with a time offset signal unit installed in series with the normalization unit.

11. The device according to claim 7, characterized in that it is equipped with two time offset blocks of recorded signals of fluctuations in the dielectric characteristics of the multiphase flow, installed at the output of the first and second blocks for determining the amplitude-phase frequency characteristics,

12. The device according to claim 7, characterized in that it is additionally equipped with temperature and pressure sensors mounted on one of the measuring sections, the outputs of which are connected to the fourth input portal of the microprocessor.