RU2348905C2

RU2348905C2 - Измеритель расхода и способ измерения расхода многофазной текучей среды

Info

Publication number: RU2348905C2
Application number: RU2006124233/28A
Authority: RU
Inventors: Арнстейн ВЕЕ (NO); Арнстейн ВЕЕ
Original assignee: Малтифейз Митерз Ас
Priority date: 2003-12-09
Filing date: 2004-12-09
Publication date: 2009-03-10
Also published as: NO20035481L; US7469188B2; BRPI0417435A; BRPI0417435B1; RU2006124233A; CA2548063A1; GB2426593B; CA2548063C; CN1890535A; CN100439870C; NO323247B1; US20070124091A1; WO2005057142A1; NO20035481D0; GB0613211D0; GB2426593A

Abstract

Изобретение может быть использовано в нефтяной промышленности для измерения смесей нефть-вода-газ. Способ включает следующие этапы: проводят электромагнитные измерения потерь и фазы в двух направлениях трубы. На основе этих измерений определяют степень формирования кольцевого потока. На основе результатов двух предыдущих этапов, включая корректировки в зависимости от степени формирования кольцевого потока, вычисляют диэлектрическую проницаемость указанной смеси; измеряют плотность смеси и корректируют найденное значение в зависимости от степени формирования кольцевого потока. Находят значения температуры и давления; определяют скорость жидкости и газа и на основе известных значений плотностей и диэлектрических проницаемостей компонентов текучей смеси и с использованием результатов, полученных на предыдущих этапах, вычисляют объемный и массовый расходы компонентов смеси. Способ реализуется расходомером, содержащим одну передающую антенну и две принимающие антенны, расположенные в одном и том же поперечном сечении трубчатой секции, и одну передающую антенну и две принимающие антенны, пространственно разделенные в продольном направлении трубчатой секции, а также плотномер на основе поглощения γ-излучения или измерения перепада давления в трубке Вентури. Изобретение обеспечивает повышение точности измерений в условиях кольцевого потока и в случае большой концентрации газа в середине трубы, без предварительного перемешивания, с использованием простой фактически неинтрузивной конструкции. 2 н. и 19 з.п. ф-лы, 17 ил.

Description

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к способу и измерительному прибору, предназначенным для определения состава и расхода (скорости потока) индивидуальных компонентов многофазной текучей среды в соответствии с ограничительными частями соответственно п.1 и 12 формулы изобретения.

Уровень техники

В нефтяной промышленности с начала 1980-х годов возникла проблема измерения свойств смесей нефть-вода-газ. С тех пор начались масштабные исследования, направленные на создание прибора, пригодного для применения в производственной среде с целью измерения параметров трехфазного потока.

Как будет показано далее, для измерений многофазного потока существуют несколько методов и известных измерителей расхода. Необходимо, чтобы такие приборы (расходомеры) обладали приемлемой точностью (допустимая погрешность для каждой фазы обычно ±5% расхода) и надежностью, были неинтрузивными (не создавали возмущений в потоке), не зависели от режима потока и были пригодными для применения во всем диапазоне фракций компонентов. Несмотря на большое количество технических решений, предложенных в последние годы, ни один из трехфазных расходомеров, появившихся на рынке, всем указанным требованиям все же не отвечает.

В зависимости от местоположения и возраста буровой скважины состав среды, выходящей из нефтяного/газового пласта, может очень сильно изменяться. В потоке, поступающем из скважины, кроме нефтяного и газового компонентов, могут присутствовать также вода, песок и твердые углеводороды. Поскольку местоположение скважины и поступающая из нее среда могут так широко варьироваться, системы, предназначенные для сбора и обработки указанной среды, также значительно отличаются друг от друга. Поставленная нефтяной промышленностью задача разработки универсального многофазного расходомера для мониторинга дебита скважины (в целях учета и налогового контроля) и замены таким прибором используемых в настоящее время традиционных измерителей расхода с разделением фаз или монофазного типа до сих пор не решена.

Многофазные расходомеры находят все большее применение в измерениях, связанных с тестированием скважин и с идентификацией добываемого сырья. Чтобы оптимизировать разработку и срок службы нефтяного/газового месторождения, нужно предоставить оператору возможность регулярно отслеживать дебит каждой скважины. Обычно для этого используют замерный сепаратор. Однако эти приборы дорого стоят, занимают ценное пространство на эксплуатационной платформе и требуют длительного времени для осуществления контроля скважины, поскольку при этом нужно стабилизировать режимы потока. Кроме того, замерные сепараторы обеспечивают только умеренную точность (обычно погрешность составляет ±5-10% расхода каждой фазы), и их нельзя применять для непрерывного мониторинга скважины. Трехфазные расходомеры можно было бы использовать в первую очередь вместо замерного сепаратора, а в перспективе - в качестве стационарного оборудования, установленного на каждой скважине. Такое устройство сократило бы производственные потери, связанные обычно с тестированием скважины и для типичной морской платформы оцениваемые как приблизительно 2%.

Измерение исходных потоков требуется в том случае, когда с целью упрощения производства для транспортировки продукта, добытого из нескольких скважин различных компаний, используют общий трубопровод. В настоящее время эта проблема решается путем пропускания продукта каждой скважины через замерный сепаратор до поступления в общий трубопровод. Однако при этом, кроме описанных выше недостатков такого сепаратора, требуется также выделение тестовых трубопроводов, ведущих к каждой скважине. При проведении раздельных измерений стационарно установленный трехфазный расходомер обеспечил бы существенные преимущества.

Согласно требованиям группы ведущих нефтяных компаний допустимая погрешность для измерений посредством многофазного расходомера, работающего в пределах объемов газовой фракции в интервале 0-99% и при обводненности нефти в интервале 0-90%, составляет 5-10% для относительной погрешности измерения расходов жидкого и газового потоков и находится в пределах 2% для абсолютной погрешности измерения обводненности. В случае измерений, связанных с объединением различных потоков, требуются более точные измерения. В настоящее время серийные трехфазные расходомеры позволяют в общем случае измерять расход (скорость потока) фракции индивидуальной фазы с неопределенностью менее 10% в приемлемо широком интервале фракций фаз и скоростей потока. Существуют два направления, требующие дальнейшего исследования в рамках решения проблемы уменьшения неопределенности измеренной скорости потока в случае применения существующих измерительных средств: зависимость от режима потока и измерение скорости индивидуальной фазы.

Настоящее изобретение имеет своей целью разработку способа и средств измерения, которые существенно понижают указанную неопределенность, в частности, по отношению к зависимости от режима потока.

В некоторых из имеющихся в продаже неинтрузивных измерительных приборов для многофазной среды, таких как устройства, известные из патентных документов NO 304333, NO 304332, US 5103181, WO 00/45133 (см. фиг.5) и US 6097786, для определения расхода (скорости потока) измеряется состав в поперечном сечении и скорость фаз. Чтобы обеспечить точные измерения, нужно иметь смесь, гомогенную по поперечному сечению трубы. Эффекты, возникающие вследствие негомогенности в продольном направлении трубы, обычно минимизируют посредством быстрых замеров состава в поперечном сечении. Как правило, измерительные приборы для многофазной среды не устанавливают в горизонтальном положении из-за присутствия ламинарного потока, в котором вода находится на дне трубы, а газ расположен сверху, что могло бы исказить результат измерения. Таким образом, чтобы обеспечить в поперечном сечении трубы указанного прибора гомогенность смеси, обычно практикуют установку прибора таким образом, чтобы поток протекал по направлению вверх или вниз. В результате можно избежать образования ламинарного потока.

Однако, когда многофазная смесь, содержащая газ и жидкость (жидкости), течет в вертикальном направлении, может сформироваться кольцевой поток. Это означает, что основная часть жидкости распределяется в виде кольца вдоль стенок трубы, а основная часть газа концентрируется в середине трубы. Кольцевой поток искажает результат измерения таким же образом, как и ламинарный поток при горизонтальной установке. В горизонтальных трубах чисто кольцевой поток, в котором весь газ находится в середине трубы, обычно имеет место только в случае более высокого содержания газовой фракции. Однако, если поток протекает по вертикальным трубам, заметная концентрация газа в середине трубы наблюдалась на практике даже при умеренных скоростях потока (несколько метров в секунду), причем для содержания газовых фракций, пониженного до уровня 10%. Даже для менее калорийных фракций концентрация газа в середине трубы может привести к заметным ошибкам измерения. На практике жидкость редко бывает полностью свободной от газа. В контексте изобретения степень формирования кольцевого потока (degree of annular flow, DOAF) определяется следующим соотношением:

где GVF_w - содержание свободного газа (gas volume fraction) у стенки трубы,

GVF_c - содержание свободного газа в середине трубы.

Другими словами, для состояния, характеризуемого DOAF=1,0 (или 100%), весь объем газа локализуется в середине трубы, а объем жидкости полностью распределяется в виде кольца вдоль стенки. При значении данного параметра, равном 0 (или 0%), объем газа равномерно распределяется по всему поперечному сечению трубы, а при значении 0,5 (или 50%) объем газа в центре трубы в два раза превышает объем газа у стенки. В настоящем изобретении указанные значения GVF используются только в связи с калибровкой математической модели, описывающей соотношение между измеренными данными и состоянием кольцевого потока, и не являются непосредственными элементами уравнений для вычисления расходов.

В патентных документах NO 304333, US 5103181, US 6097786 и US 5135684 применяется радиоизотопный плотномер. При его использовании для измерения плотности невозможно получить полный охват поперечного сечения трубы. Поэтому, чтобы получить точные измерения, нужно быть уверенным в гомогенности смеси в поперечном сечении. Типичный имеющийся в продаже плотномер такого типа и назначения, работающий на основе цезиевого пика 662 кэВ, имеет круглую измерительную зону с радиусом 3 см и менее. Для сдвоенной энергосистемы (рентгеновское и γ-излучения), описанной в патентных документах US 5135684 и US 6097786, эта площадь обычно даже меньше, т.к. в трубе необходимо разместить композитное окно, позволяющее радиации из низкоэнергетического рентгеновского излучателя проходить через трубу. Для типичного серийно выпускаемого плотномера, работающего на γ-излучении, зона охвата в трубе диаметром 5 см обычно составляет 70-80% от общей площади поперечного сечения трубы. Однако уже при применении трубы диаметром 15 см трудно получить охват, превышающий 30% поперечного сечения. Одна из возможностей увеличения охвата заключается в проведении измерения плотности внутри канала трубки Вентури, как это описано в патентном документе US 5135684. Однако в радиоизотопном варианте такое размещение увеличивает также и уровень образования кольцевого потока в измерительной секции. При помещении источника и детектора в середине трубы измеряемая плотность в зоне кольцевого потока будет слишком заниженной. Погрешность измерения будет расти по мере увеличения площади сечения трубы. Один из вариантов компенсации этого эффекта заключается в смещении плотномера относительно центра. Тем не менее, погрешности измерения, вызванные концентрацией газа в середине трубы, будут все еще достаточно заметными.

Другую возможность минимизировать воздействие кольцевого потока предоставляет применение перемешивающего устройства. В патентном документе US Re. 36597 описывается способ, в котором применен измерительный прибор объемного типа, использующийся как для измерения общего расхода, так и для гомогенизации многофазной смеси перед измерением состава. В результате кольцевой поток минимизируется, однако измерительный прибор для многофазной среды становится весьма интрузивным. При этом срок его службы сокращается, поскольку определяется стойкостью механического ограничивающего или вращающегося устройства, расположенного в многофазной струе. Воспроизводимость (повторяемость) измерений во времени может зависеть также от восприимчивости к эрозии под действием песка. Еще один вариант уменьшения кольцевого потока сводится к применению смесителя. В патентном документе US 5135684 имеется ссылка на способ, в котором для гомогенизации многофазного потока используют промежуточную емкость. Однако при этом конструкция становится весьма интрузивной, что вызывает перепад давления, ограничивающий производительность скважин. Работа смесителя может зависеть также от расхода и его распределения, например от длины газовых или жидких пробок в трубе, что может ограничить рабочий диапазон такого многофазного расходомера. Еще один способ, основанный на перемешивании многофазного потока, описывается в патентном документе US 6272934.

Следующий вариант уменьшения влияния кольцевого потока заключается в проведении измерения состава в поперечном сечении кольцевой трубки Вентури. Он представлен на фиг.1 в патентном документе WO 00/45133. Однако указанный способ также является интрузивным, а воспроизводимость измерений во времени опять-таки может оказаться зависимой от восприимчивости к эрозии.

Кроме того, для измерения состава и расхода многофазных смесей известны приборы, основанные на использовании микрорадиоволн. В патентном документе US 4458524 описывается многофазный расходомер, измеряющий диэлектрическую проницаемость (диэлектрическую постоянную), плотность, температуру и давление. Для определения диэлектрической проницаемости такой измеритель использует смещение фазы между двумя принимающими антеннами.

Кроме того, известны и другие технические решения, имеющие в своей основе измерение резонансных частот. Примеры такого подхода приводятся в патентных документах WO 03/034051 и US 6466035. Использование методик на базе указанных измерений обычно ограничивается многофазными состояниями, отличающимися небольшими потерями внутри трубы, тогда как в приложениях, имеющих дело с высокой обводненностью нефти и соленой водой, они не могут нормально функционировать вследствие высоких диэлектрических потерь в смеси. В патентном документе US 5103181 описывается способ, основанный на измерении усиливающей и гасящей интерференции в трубе.

Известны также многофазные расходомеры, имеющие в своей основе определение диэлектрической проницаемости многофазной смеси с применением датчиков емкости и индуктивности. Примеры соответствующих способов можно найти в патентных документах WO 00/45133 и NO 304333. По сравнению с системами на основе радио- и микроволн указанные устройства для измерений диэлектрической проницаемости используют пониженную частоту. Поэтому они гораздо более чувствительны к изменениям минерализации воды и к размеру капелек в многофазном потоке. Кроме того, при применении пониженной частоты трудно сконструировать единый измерительный блок, способный осуществлять измерения в поперечном сечении в условиях непрерывного потока, содержащего и нефть, и воду при произвольном размере капелек, поскольку величины импеданса таких потоков нефти и воды на низкой частоте различаются между собой на много порядков. К тому же приборам для измерения параметров потока, основанным на емкости и индуктивности, в большей степени свойственны проблемы дрейфа результата измерений, т.к. датчик и электроды являются частью электронного контура. Его параметры измеряют посредством их сопоставления с истинными (эталонными) величинами. Для получения требуемой точности указанные величины должны сохранять стабильность в интервале, составляющем несколько пикофарад. Такую стабильность трудно обеспечить из-за дрейфа емкости сигнальной линии, температурных дрейфов и паразитных емкостей в системе, связанных с такими явлениями, как оседание твердых частиц или пленки нефть/вода на стенках трубы.

Раскрытие изобретения

Ни один из методов, перечисленных выше, не является одновременно и неинтрузивным, и способным обеспечить проведение точных измерений расходов в условиях кольцевого потока или в том случае, когда концентрация газа в середине трубы повышается. Таким образом, главная задача, поставленная перед настоящим изобретением, заключается в разработке способа точных измерений расходов индивидуальных компонентов многофазной смеси при любом режиме потока, в том числе в присутствии кольцевого потока и в случае большой концентрации газа в середине трубы. При этом предлагаемый способ не использует устройство, осуществляющее механическое перемешивание или регулирующее режим потока.

Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, состоит также в разработке способа определения концентрации газа в середине трубы и соответствующей корректировки измерений диэлектрической проницаемости и плотности для снижения погрешности, связанной с наличием кольцевого потока.

Следующей задачей изобретения является разработка улучшенного оборудования, позволяющего избежать ограничений, указанных выше и свойственных известным техническим средствам измерений многофазных потоков.

Далее, к задачам изобретения относится разработка цельной недорогой конструкции, предназначенной для проведения точного измерения расходов нефти, воды и газа.

Кроме того, задачей изобретения является разработка фактически неинтрузивной конструкции для проведения измерений без использования устройства, осуществляющего предварительное перемешивание.

Способ согласно настоящему изобретению включает в себя следующие этапы:

(а) проводят измерения электромагнитных потерь и фазы, по меньшей мере, в двух направлениях трубы,

(б) на основе измерений, проведенных на этапе (а), определяют степень формирования кольцевого потока,

(в) вычисляют диэлектрическую проницаемость протекающей смеси по результатам, полученным на этапах (а) и (б), с проведением корректировки в зависимости от степени формирования кольцевого потока,

(г) измеряют плотность смеси и корректируют найденное значение в зависимости от степени формирования кольцевого потока,

(д) находят значения температуры и давления,

(е) определяют скорость жидкости (жидкостей) и газа,

(ж) на основе известных значений плотностей и диэлектрических проницаемостей компонентов текучей смеси, а также с использованием результатов, полученных на этапах (а)-(е), вычисляют объемные и массовые расходы газа и жидкости или жидкостей текучей смеси.

В независимом п.12 формулы изобретения указаны признаки, характеризующие расходомер согласно изобретению.

Предпочтительные варианты осуществления изобретения раскрыты в зависимых п.2-11 и 13-21 формулы изобретения.

Краткое описание чертежей

Далее изобретение будет описано посредством примеров со ссылками на чертежи, где:

на фиг.1 представлено графическое изображение четырех примеров кольцевого потока, проходящего через поперечное сечение трубы диаметром 10 см,

фиг.2 схематично иллюстрирует первый вариант расходомера согласно изобретению в продольном разрезе,

фиг.3 схематично иллюстрирует прибор, показанный на фиг.2, в поперечном сечении плоскостью III-III,

фиг.4 в увеличенном масштабе представляет схематичный чертеж детали, показанной на фиг.2,

фиг.5 иллюстрирует для прибора, показанного на фиг.2, разность фаз в виде функции частоты при низких потерях,

фиг.6 иллюстрирует электромагнитное поле внутри прибора, показанного на фиг.2, ниже граничной частоты ТЕ₁₁ или при высоких потерях,

фиг.7 иллюстрирует электрическое поле в поперечном сечении прибора, показанного на фиг.2, для волноводных мод ТЕ₁₁ и ТМ₀₁,

фиг.8 для прибора, показанного на фиг.2, иллюстрирует разность фаз в виде функции частоты при низких потерях,

фиг.9 иллюстрирует для прибора, показанного на фиг.2, нескорректированные результаты измерений частот в случае различных жидкостей при наличии чисто кольцевого потока,

фиг.10 иллюстрирует результаты измерений, соответствующие фиг.9, но скорректированные на влияние кольцевого потока,

фиг.11 иллюстрирует нескорректированные результаты измерений GVF (% газа) для различных жидкостей при наличии чисто кольцевого потока,

фиг.12 иллюстрирует результаты измерений, соответствующие фиг.11, но скорректированные на влияние кольцевого потока,

фиг.13 иллюстрирует второй вариант осуществления расходомера согласно изобретению,

фиг.14 иллюстрирует третий вариант осуществления расходомера согласно изобретению,

фиг.15 иллюстрирует четвертый вариант осуществления расходомера согласно изобретению,

фиг.16 иллюстрирует пятый вариант осуществления расходомера согласно изобретению,

фиг.17 иллюстрирует шестой вариант осуществления расходомера согласно изобретению.

Осуществление изобретения

Способ согласно изобретению включает в себя три главных части, а именно:

1) измерения для определения вариаций концентрации газа в поперечном сечении трубы, т.е. степени формирования кольцевого потока,

2) измерения параметров компонентов потока, например нефти, воды и газа, в поперечном сечении трубы (имеется в виду измерение диэлектрической проницаемости и плотности, а также определение температуры и давления потока); результаты измерений диэлектрической проницаемости и плотности корректируют в зависимости от колебаний концентрации газа в поперечном сечении трубы,

3) измерения скорости жидкости и газа.

Комбинируя результаты измерений, проведенных в указанных выше частях 2) и 3), и зная площадь поперечного сечения трубы (выполняющей функцию датчика), а также плотность нефти, воды и газа, можно для указанных компонентов вычислить соответствующие объемные и массовые расходы.

Недостатки существующих измерительных приборов для многофазных сред связаны главным образом с двумя следующими факторами.

1) Указанные многофазные измерители расхода рассчитаны на гомогенную смесь нефти, воды и газа в поперечном сечении трубы; при больших изменениях концентрации газа в этом сечении возникнут очень большие погрешности измерения. На фиг.1 для четырех примеров кольцевого потока представлено графическое изображение такого воздействия на результат измерения GVF (% газа). Измерения проводились посредством типичного гамма-плотномера, состоящего из пятисантиметрового детектора 1 и источника 34 гамма-излучения; в приведенных примерах весь газ 37 находится в середине трубы, а вся жидкость 38 распределяется вдоль стенки. Хотя концентрация всего газа в середине трубы относится к экстремальной ситуации, из данных, приведенных на фиг.1, видно, что в измерениях возникнут большие погрешности.

2) Известные приборы требуют применения механического перемешивающего элемента. В некоторых измерительных приборах для многофазной среды с целью гомогенизации потока используется механическое перемешивающее устройство, однако при этом прибор оказывается недопустимо интрузивным. Кроме того, некоторые смесители могут содержать движущиеся механические узлы, подверженные эрозии под действием песка, и есть вероятность даже повредить их при быстрых изменениях скоростей в начальный период функционирования скважины.

Уникальность настоящего изобретения заключается в возможности выявить наличие кольцевого потока и определить степень его формирования, а также скомпенсировать ошибку измерения, связанную с указанным потоком.

На фиг.2 иллюстрируется расходомер согласно изобретению. Как можно видеть на более детальной фиг.4, антенны 16, 17, 18, 19, 20 и 21 функционируют как коаксиальные проводники, введенные в трубу и сконструированные так, что центральный проводящий провод 22 изолирован от стенки 24 трубы диэлектрическим материалом 23, например пластиком или керамикой. В данном примере в качестве передающих устройств используют три из указанных антенн (они обозначены символом Тх). Остальные три антенны применены в качестве принимающих устройств и соответственно обозначены символом Rx. Направление потока показано стрелкой 25. Компонентом измерительного прибора является также плотномер 29. Электронная система способна передавать и принимать широкополосный сигнал (обычно в интервале 10 МГц - 4 ГГц) посредством различных антенн. В прибор входят также компьютер и устройства для измерения температуры и давления. Однако для упрощения эти компоненты из всех чертежей из дальнейшего обсуждения исключены, т.к. специалистам в данной области будет понятно, каким образом их можно использовать. В контексте данного описания конструкцию трубы, показанную на фиг.2, можно рассматривать также как датчик.

Измерения потерь и фазы проводят посредством замеров принятой мощности и разности фаз широкополосного сигнала (обычно 10 МГц - 4 ГГц), посылаемого передающей антенной и принимаемого расположенными на различном расстоянии от нее двумя принимающими антеннами. Измерение осуществляют в трубе, по меньшей мере, в двух, а предпочтительно - в трех плоскостях. Одна из этих плоскостей является поперечным сечением, вторая расположена в продольном направлении, а третья - под углом (например 45°) к направлению потока. Частоту обычно варьируют от 10 МГц до 4 ГГц в зависимости от диаметра трубы. Зарегистрировав частоту, по меньшей мере, при трех предварительно выбранных разностях фаз и применяя для системы калибровочную постоянную, можно измерить диэлектрическую проницаемость по всем направлениям внутри трубы. На основании результатов измерений диэлектрической проницаемости, проведенных в различных направлениях, можно измерить степень формирования кольцевого потока и скорректировать полученный результат, используя для этого математическую модель, например, в виде нейронных сетей, поскольку различные измерения различным образом зависят от концентрации газа в середине трубы.

На фиг.5 показаны результаты измерений разности фаз в зависимости от частоты, проведенных на расходомере, представленном на фиг.2, при больших потерях внутри трубы. При таких высоких потерях поведение электромагнитного поля будет соответствовать теории плоских волн. Когда поток хорошо перемешивается, график 4 зависимости фазы от частоты на фиг.5 более или менее линеен. Если же газ концентрируется в середине трубы, линейность графика нарушается (см. кривую 5).

Таким образом, анализируя распределение результатов измерений фазы, можно также выявить наличие кольцевого потока и скомпенсировать его воздействие. Один из путей развития математической модели, описывающей характер этой особенности, заключается в использовании эмпирических данных и в тренировке нейронной сети, чтобы выявить наличие кольцевого потока и скомпенсировать его влияние на результат измерения. Для указанной сети можно было бы предусмотреть возможность тренировки для прогнозирования значений диэлектрической проницаемости или измеряемой частоты, соответствующих хорошему перемешиванию. В этом контексте указанные параметры означают теоретические значения диэлектрической проницаемости или частоты, которые были бы измерены в эквивалентной гомогенной многофазной смеси.

Лабораторные испытания на основе этого способа показали стопроцентную идентификацию наличия кольцевого потока и значительное уменьшение вызванных им погрешностей измерения.

Когда труба выполняет функцию волновода (низкие потери), диэлектрическую проницаемость измеряют посредством замеров частоты относительно граничной частоты для некоторых волноводных мод трубы. Распределение электрического и магнитного полей внутри трубы зависит от частоты. В Таблицах 8, 9, приведенных на стр.425 второго издания монографии S.Ramo, J.R.Whinnery, Т.V. Duzer "Fields and Waves in Communication Electronics" (John Wiely & Sons, 1964), представлены линии напряженности электрического и магнитного полей, а также соответствующие граничные частоты для различных классов (ТМ и ТЕ) волн (волноводных мод) цилиндрической трубы. На фиг.6 показано электромагнитное поле представленного на фиг.2 измерительного прибора в случае высоких потерь или при частоте, лежащей значительно ниже граничной частоты ТЕ₁₁ трубы. Ниже наименьшей граничной частоты трубы, т.е. ниже ТЕ₁₁, электромагнитное поле будет распространяться согласно теории плоских волн, как это показано на фиг.6 стрелками 6. Фиг.7 иллюстрирует линии электрического поля двух низших волноводных мод цилиндрического волновода, а именно ТЕ₁₁ (7) и TM₀₁ (8). Когда электрическое поле (Е-поле) в трубе из варианта распространения плоских волн трансформируется в ТЕ₁₁, происходит скачок 9 разности фаз принимающих антенн, как это показано на фиг.8. Проводя свипирование по частоте передающей антенной и измеряя частоту, по меньшей мере, при трех предварительно выбранных разностях фаз, можно вычислить частоту скачка фазы, являющуюся мерой граничной частоты ТЕ₁₁ для трубы.

Измерение диэлектрической проницаемости внутри трубы, проведенное в продольном направлении трубы, можно осуществить, помещая на предварительно выбранном расстоянии от передающей антенны микроволновый отражатель 12, имеющий, например, вид креста или ребра с длиной, составляющей приблизительно половину диаметра трубы. Такая схема представлена на фиг.13, где указанный отражатель 12 расположен по направлению потока перед передающей антенной Тх3 19.

На фиг.8 показана измеренная зависимость разности фаз от частоты при низких потерях в случае размещения датчиков согласно фиг.15. Положение участка 9 резкого изменения (скачка) фазы на шкале частот соответствует граничной частоте волноводной моды ТЕ₁₁ суженного участка 10 трубки Вентури. Частотное положение другого такого участка 13 соответствует отражению первой полуволны между передающей антенной Тх3 19 и отражателем 12. Указанная частота выше граничной частоты ТЕ₁₁ большой трубы 11 и является функцией диэлектрической проницаемости внутри трубы. Аналогичным образом участок 15 изменения фазы соответствует частоте отражения первой полуволны между передающей антенной Тх3 19 и отражателем 12, лежащей выше граничной частоты TM₀₁ большой трубы 11. Положения участков 9, 13 и 15 резкого изменения фазы также являются функцией диэлектрической проницаемости внутри трубы. Таким образом, определяя указанные положения и применяя для системы калибровочную постоянную, можно получить три замера диэлектрической проницаемости внутри трубы. Как показано на фиг.7, в поперечном сечении трубы моды ТЕ₁₁ 7 и TM₀₁ 8 имеют различные распределения Е-поля. Поскольку на основании этих волноводных мод проводят одно измерение в поперечном сечении трубы и два в ее продольном направлении, три указанные измерения по-разному реагируют на негомогенную смесь в поперечном сечении и, в частности, на концентрацию газа в середине трубы (кольцевой поток).

Измерения можно осуществить, проводя свипирование по частоте антенной Тх1 16 и замеряя частоту, по меньшей мере, при трех предварительно выбранных разностях фаз на антеннах Rx1 17 и Rx2 18. Частотное положение указанных смещений фазы используют в качестве исходной точки для второго и третьего свипирования по частоте передающей антенной Тх3 19 и регистрации фазы между антеннами Rx3 20 и Rx2 18. Сначала частоту дополнительно повышают, регистрируя ее, по меньшей мере, при трех предварительно выбранных разностях фаз, чтобы идентифицировать частотное положение смещения 15 фазы. Затем частоту понижают, одновременно с этим регистрируя частоту, по меньшей мере, при трех предварительно выбранных разностях фаз и идентифицируя таким образом частотное положение смещения 13 фазы.

Применяя для системы калибровочные постоянные, на основании зарегистрированных частот для смещений 9, 13 и 15 фазы можно измерить диэлектрическую проницаемость внутри трубы. Использование этих трех измерений диэлектрической проницаемости в качестве базы позволяет вычислить оценку степени формирования кольцевого потока посредством применения математической модели типа нейронных сетей, поскольку указанные три измерения по-разному зависят от степени формирования кольцевого потока. Модель можно создать на основании эмпирических данных, полученных за счет измерения смещений 9, 13 и 15 фазы для широкого интервала известных состояний кольцевого потока. Вычисленное состояние далее используют для корректировки результатов измерения диэлектрической проницаемости и плотности с применением экспериментально полученной математической модели типа нейронной сети.

При низких потерях степень формирования кольцевого потока можно измерить также посредством выбора измеряемой частоты, лежащей существенно ниже граничной частоты ТЕ₁₁ трубы, и измерения потерь в двух или нескольких плоскостях трубы. Для измерения степени формирования кольцевого потока в случае применения указанного способа при низких потерях отражатель 12 можно убрать, уменьшив тем самым интрузивность измерителя потока. Поскольку граничная частота ТЕ₁₁ 9 представляет собой функцию диэлектрической проницаемости многофазной смеси внутри трубы, измеряемая частота будет изменяться как функция диэлектрической проницаемости. На измеряемой частоте труба не будет действовать как волновод, в результате чего Е-поле приобретет вид, представленный стрелками 7 на фиг.7. На частоте, лежащей существенно ниже граничной частоты ТЕ₁₁, Е-поле будет распространяться согласно теории плоских волн, как это показано стрелкой 6 на фиг.6.

Потери измеряют, излучая энергию на выбранной измеряемой частоте, лежащей существенно ниже граничной частоты ТЕ₁₁, антенной Тх1 (обозначенной как 16 на фиг.2) и регистрируя энергию, принимаемую антеннами Rx1 и Rx2 (обозначенными соответственно как 17 и 18 на фиг.2). Затем, используя ту же частоту, проводят следующий этап, заключающийся в излучении энергии антенной Тх3 19 и ее приеме антеннами Rx2 18 и Rx3 20. Третью плоскость можно получить, генерируя сигнал антенной Тх3 19 и принимая его антеннами Rx2 18 и Rx1 17. На основании измеренных потерь в двух или трех измеряемых плоскостях можно вычислить степень формирования кольцевого потока, применяя полученную экспериментально математическую модель и используя измерения, соотнесенные с математической моделью типа нейронной сети, для корректировки диэлектрической проницаемости и плотности.

На фиг.9 показаны соотношения измеренной и теоретической частот, построенные на основе измерения в плоскости поперечного сечения, для интервала содержания газа (GVF) 0-64% в широком интервале жидкостей при степени формирования кольцевого потока, равной 1,0. Измеренная частота представляет собой среднюю частоту для трех различных предварительно выбранных разностей фаз, а теоретической частотой в данном контексте является теоретическое значение, которое было бы получено в результате измерений в эквивалентной гомогенной многофазной смеси при степени формирования кольцевого потока, равной 0,0. На фиг.10 представлены результаты измерений частот, скорректированные с помощью описанного выше способа с использованием нейронной сети в качестве математической модели для вычисления значения теоретической частоты гомогенной среды. Фиг.11 иллюстрирует нескорректированные измерения GVF в широком интервале жидкостей для интервала GVF 0-64% при степени формирования кольцевого потока, равной 1,0. На фиг.12 показаны результаты измерений GVF, скорректированные в зависимости от степени формирования кольцевого потока.

Кроме того, для расчета фракций нефти, воды и газа в поперечном сечении трубы требуется измерить плотность в этом сечении. Такое измерение также может зависеть от степени формирования кольцевого потока в трубе. Зная этот параметр, измерение плотности можно также скорректировать с учетом воздействия на измерения, используя экспериментально полученную математическую модель типа нейронной сети.

Согласно изобретению измерение плотности в зависимости от конкретного применения проводят по двум методикам.

1) Поглощение гамма-излучения (см. фиг.13 и 17). Измеряя датчиком 33 поглощение гамма-излучения от гамма-источника 34 многофазной смесью и зная коэффициенты поглощения нефти, воды и газа, а также значения диэлектрической проницаемости как этих компонентов, так и для соответствующей смеси, можно путем итеративного вычисления рассчитать плотность смеси. При этом результаты измерения поглощения гамма-излучения можно скорректировать в процессе итерации с учетом влияния кольцевого потока с помощью математической модели типа нейронной сети.

2) Измерение массового расхода с применением трубки Вентури (см. фиг.14 и 15). Для измерения плотности смеси можно использовать трубку Вентури. Перепад 30 давления на входе трубки является функцией плотности и массового расхода многофазной смеси. С другой стороны, перепад 31 давления на выходе трубки является функцией плотности и массового расхода многофазной смеси, а также ее сжимаемости. Комбинируя измерения давления на входе и выходе трубки и совмещая эту процедуру с измерением скорости газа и жидкости методом кросс-корреляции (описанным далее), можно итеративным образом вычислить плотность смеси. Однако при значении степени формирования кольцевого потока, превышающем 0, в результатах измерения плотности будет иметься погрешность. В этом случае результат измерения можно скорректировать как часть итерации, с учетом степени формирования кольцевого потока.

Можно использовать также комбинацию измерения поглощения гамма-излучения (1) и измерения с трубкой Вентури (2), например, таким образом, как это показано на фиг.16 и 17. Такая комбинация в некоторых случаях может расширить операционную границу измерительной системы и повысить точность измерений. На фиг.16 и 17 гамма-плотномер помещен внутри суженного участка трубки Вентури вместе с антеннами таким образом, чтобы измерения можно было проводить в одинаковых условиях. Однако указанный плотномер 33, 34 можно разместить и на каждом конце датчика, но тогда потребуется компенсирующая модель для корректировки разницы между суженным участком 10 трубки и трубой 11. Такую модель можно создать на основе эмпирических данных. Если антенны размещаются внутри суженного участка трубки Вентури, антенны 16, 17 и 18 должны располагаться от начала указанного участка на расстоянии, равном приблизительно половине его диаметра. В противном случае измерение граничной частоты будет зависеть от диаметра большой трубы 11. В порядке альтернативы, чтобы сделать датчик более компактным, при измерении в поперечном сечении такой конструкции можно увеличить количество замеров в середине суженного участка трубки, как это показано на фиг.17. В указанном варианте к суженному участку трубки добавляют две дополнительные антенны, а именно Rx4 35 и Rx5 36. Тогда измерение в поперечном сечении можно осуществить посредством передачи сигнала антенной Тх3 19 и приема антеннами Rx4 35 и Rx5 36.

Для измерения состава и скорости (жидкости и газа) в многофазной смеси применяют датчик. Далее приводится более подробное описание использованных уравнений.

Измерение скорости

Используя парные антенны Tx1 (16)/Rx2 (18) и Тх2 (21)/Rx3 (20), расположенные на известном расстоянии S+L 26 (см. фиг.2), посредством непрерывных передачи и измерения потерь можно сформировать два сигнала, изменяющиеся во времени, которые в реальном времени смещены на интервал, равный времени прохождения многофазного потока между двумя парами антенн. Измеряемую частоту выбирают таким образом, чтобы на продольное направление приходилось мало энергии. При низких потерях указанная частота обычно лежит существенно ниже граничной частоты ТЕ₁₁ трубы. Время задержки τ можно вычислить посредством кросс-корреляции двух сигналов, используя следующее уравнение:

Уравнение 1:

где x(t) и y(t) представляют собой семплированные сигналы. Время задержки τ между этими сигналами является мерой времени, в течение которого возмущение в потоке проходит от первой пары антенн до второй. Применение высокочастотных сигналов для измерения возмущений в потоке позволяет также использовать высокие частоты снятия отсчетов (семплироваиия), т.к. становится возможным проводить единичные измерения в границах интервала, составляющего несколько микросекунд. Таким образом, сигнал содержит информацию о небольших неоднородностях, таких как маленькие пузырьки газа в жидкой фазе, капельки воды в нефтяной фазе или капельки нефти в водяной фазе, которые в типичном случае задают скорость жидкости. Кроме того, в сигнале содержится информация и о больших изменениях, таких как газовые пробки, определяющие скорость газовой фазы. Проводя надлежащую фильтрацию дискретных данных и статистическим образом сортируя скорости, подвергнутые кросс-корреляции, можно определить значения скорости как жидкости, так и газа (соответственно ν_жидк и ν_газ).

Измерение состава

Кроме того, чтобы измерить расходы нефти, воды и газа, нужно произвести измерения состава (% нефти, % воды и % газа) многофазной смеси указанных компонентов в поперечном сечении трубы. При определении таких параметров смеси, как диэлектрическая проницаемость ε_смесь и плотность ρ_смесь, можно использовать следующие уравнения:

Уравнение 2:

где Ф_нефть - объемная доля нефти в поперечном сечении,

Ф_вода - объемная доля воды в поперечном сечении,

Ф_газ - объемная доля газа в поперечном сечении.

Уравнение 3:

где ρ_нефть - плотность нефти,

ρ_вода - плотность воды,

ρ_газ - плотность газа,

ρ_смесь - измеренная плотность.

Для корректировки приведенных выше параметров плотности в случае изменений температуры и давления требуется также провести соответствующее измерение температуры и давления. Однако в целях упрощения изложения в последующем обсуждении принципа измерения этот аспект будет из рассмотрения исключен.

Диэлектрическая проницаемость (диэлектрическая постоянная) двухкомпонентной смеси соотносится с объемом фракций компонентов посредством уравнения Браггемана для смесей. В том случае, когда двухкомпонентная смесь представляет собой капельки, т.е. внутренняя фаза диспергирована в диспергирующей среде внешней фазы, уравнение принимает следующий вид:

Уравнение 4:

где ε_внутр. - диэлектрическая проницаемость внутренней (диспергированной) фазы,

ε_внешн. - диэлектрическая проницаемость внешней (диспергирующей) фазы,

ε_смесь - измеренная диэлектрическая проницаемость смеси,

Ф_внутр. - объемная доля внутренней (диспергированной) фазы,

Ф_внешн. - объемная доля внешней (диспергирующей) фазы.

Для корректировки приведенных выше параметров диэлектрической проницаемости в случае изменений температуры и давления требуется также провести соответствующие замеры температуры и давления. Однако в целях упрощения изложения в последующем обсуждении принципа измерения этот аспект учитываться не будет.

Уравнение, приведенное выше, можно использовать также и для трехфазной смеси, такой как нефть, вода и газ, в которой внутренняя фаза представляет собой хорошо перемешанную комбинацию двух фаз, диспергированных во внешней фазе. Например, внутренняя смесь нефть/вода может диспергироваться во внешней диспергирующей газообразной среде. Аналогичным образом пузырьки газа могут оказаться диспергироваванными во внешней диспергирующей среде, имеющей вид смеси нефть/вода.

Минимальной граничной частотой цилиндрического волновода, такого как трубчатая секция расходомера, является ТЕ₁₁, причем при соблюдении следующего соотношения:

Уравнение 5:

где f_{гранич.} - граничная частота,

r - радиус трубы,

ε - диэлектрическая проницаемость внутри волновода (трубы),

µ - магнитная проницаемость внутри волновода (трубы).

Ниже граничной частоты электрическое поле 6 будет распространяться согласно теории плоских волн, как это показано на фиг.6. Выше граничной частоты f_{гранич.} и при низких потерях в трубе электрическое поле 7 в трубе соответствует ТЕ₁₁, т.е. имеет вид, показанный на фиг.7. Когда поле в трубе из варианта распространения плоских волн трансформируется в ТЕ₁₁, происходит скачок разности фаз в сигналах принимающих антенн Rx1 и Rx2 (обозначенных соответственно как 17 и 18 на фиг.2). На фиг.8 указанный скачок фазы обозначен как 9. Проводя передающей антенной Тх1 16 свипирование по частоте и замеряя частоту, по меньшей мере, при трех предварительно выбранных разностях фаз между двумя принимающими антеннами, можно измерить положение частоты (измеренную частоту) скачка фаз на графике разности фаз между принимающими антеннами. В дальнейшем измеренная частота является мерой граничной частоты f_{гранич.} трубы.

Уравнение 5 можно перегруппировать следующим образом:

Уравнение 6:

где

f_{гранич.} - частота электромагнитного поля (граничная частота ТЕ₁₁),

ε - диэлектрическая проницаемость внутри трубы.

Таким образом, при известной диэлектрической проницаемости внутри трубы, например в случае вакуума, для которого ε равна 1,0, k₂ можно определить, измеряя частоту f_{гранич.}.

Диэлектрическую проницаемость смеси при низких потерях внутри трубы (датчика) измеряют, проводя свипирование по частоте посредством одной из передающих антенн 16 или 19 и регистрируя частоту, по меньшей мере, при трех предварительно выбранных разностях фаз между двумя принимающими антеннами 17/18 или 18/20, расположенными на расстояниях S и L от передающей антенны (см. фиг.2 и 3). Ниже граничной частоты или в случае больших потерь внутри трубы электрическое поле будет распространяться согласно теории плоских волн. Разность фаз между двумя принимающими антеннами связана со временем прохождения волны между двумя этими пунктами и может быть записана как

Уравнение 7:

где

Δθ - разность фаз между принимающими антеннами,

λ - длина волны.

Согласно теории плоских волн скорость электромагнитной волны можно выразить как:

Уравнение 8:

где f - частота электромагнитной волны,

λ - длина электромагнитной волны,

ε - диэлектрическая проницаемость внутри трубы,

µ - магнитная проницаемость внутри трубы,

с - скорость света.

Поскольку частоту измеряют при предварительно выбранной разности фаз, уравнения 6 и 7 можно скомбинировать, получив

Уравнение 9:

где

f - частота электромагнитной волны,

ε - диэлектрическая проницаемость (диэлектрическая постоянная) внутри трубы.

При известной диэлектрической проницаемости внутри трубы величину k₁ можно определить, измеряя частоту при разности фаз Δθ.

Диэлектрическую проницаемость внутри трубы измеряют, по меньшей мере, в двух направлениях. Сначала сигнал посылается антенной Тх1 и принимается антеннами Rx2 и Rx1 (соответственно позиции 16, 18 и 17 на фиг.2) с проведением измерения диэлектрической проницаемости в поперечном сечении трубы. Затем сигнал посылается антенной Тх3 19 и измеряется на антеннах Rx2 18 и Rx3 20 с проведением измерения диэлектрической проницаемости в продольном направлении трубы. Кроме того, можно провести аналогичные измерения, посылая сигнал антенной Тх3 19 и принимая его антеннами Rx1 17 и Rx2 18, т.е. получая промежуточный результат относительно данных измерений в поперечном сечении и продольном направлении.

Воздействие кольцевого потока на различных направлениях измерения можно объяснить следующим образом. Когда поток хорошо перемешивается, зависимость разности фаз от частоты фактически линейна. В случае кольцевого потока, искажающего симметрию L и S расстояний от передающего устройства до принимающих антенн, график разности фаз будет искривлен гораздо сильнее. Как показано на фиг.2, разнесенные в продольном направлении антенны 18, 19 и 20 в меньшей степени зависят от кольцевого потока, т.к. симметрия сохраняется также и при его наличии.

Измеряя частоту при нескольких предварительно выбранных разностях фаз, можно выявить воздействие на измерения и скомпенсировать его. Экспериментальные данные показали, что указанное воздействие проявляется в изменении угла наклона графика разности фаз (dθ/df). Один из вариантов компенсирования погрешности, создаваемой кольцевым потоком, заключается том, что сначала нейронную сеть тренируют для вычисления степени формирования кольцевого потока. Затем можно осуществить тренировку второй нейронной сети для компенсации той погрешности измерения диэлектрической проницаемости, которая связана со степенью формирования кольцевого потока.

Кроме того, наличие указанного потока можно определить посредством измерений потерь в продольном и поперечном направлениях. Сначала сигнал посылается антенной Тх1 16 и принимается антеннами Rx2 18 и Rx1 17. Таким образом проводят измерение относительных потерь в поперечном сечении трубы. Затем сигнал посылается антенной Тх3 19 и измеряется антеннами Rx2 18 и Rx3 20 с проведением измерения относительных потерь в продольном направлении трубы. Кроме того, можно провести аналогичные измерения, посылая сигнал антенной Тх3 19 и принимая его антеннами Rx1 17 и Rx2 18, т.е. получая промежуточный результат относительно данных измерений в поперечном сечении и в продольном направлении. При степени формирования кольцевого потока, превышающей 0, результаты продольного и поперечного измерений будут различаться между собой. Измерение следует проводить таким образом, чтобы труба не функционировала как волновод. Одна из возможностей реализовать такой режим заключается в выборе измеряемой частоты, лежащей ниже измеренной граничной частоты для ТЕ₁₁. Другой вариант проведения измерения диэлектрической проницаемости в продольном направлении трубы сводится к применению набора датчиков, как это показано на фиг.15 и описано в предыдущем разделе. В этом случае при наличии вакуума внутри трубы (датчика) калибровочная постоянная k₂ в уравнении 6 будет эквивалентна положению частоты смещений 13 и 15 фазы, показанных на фиг.8.

Широко использующимся техническим приемом для экспериментальной оценки плотности является измерение поглощения гамма-излучения. При таком подходе учитывается, что поглощение пучка фотонов в любом материале в трубе (расходомера) можно описать формулой

Уравнение 10:

где N₀ - скорость счета (излучение) для пустой трубы,

N - измеренная скорость счета (излучение),

µ - массовый коэффициент поглощения излучения для материала внутри трубы,

d - длина траектории переноса излучения через поперечное сечение трубы,

ρ - плотность материала внутри трубы.

Измеряя скорость счета при наличии в трубе среды, имеющей известный коэффициент поглощения, например пресной воды, параметр d можно определить согласно уравнению 11:

Уравнение 11:

где N₀ - скорость счета для пустой трубы,

N_{пресн.вода} - измеренная скорость счета в пресной воде,

µ_{пресн.вода} - массовый коэффициент поглощения излучения для пресной воды,

ρ_{пресн.вода} - плотность пресной воды.

Измерение плотности не перекрывает всей площади поперечного сечения трубы, т.е. оно основывается на допущении о гомогенном характере смеси в поперечном сечении. В трубе диаметром 5 см, оборудованной типичным приемлемым по цене приемником γ-излучения, перекрываемая площадь составляет обычно 70-80% поперечного сечения. Однако уже в случае трубы диаметром 15 см трудно перекрыть более 30% поперечного сечения трубы. Тем не менее, зная степень формирования кольцевого потока в середине трубы, можно скорректировать результат измерения, чтобы обеспечить более точную оценку соотношения жидкости и газа в поперечном сечении. Алгоритм корректировки можно разработать, исходя из геометрического описания зоны, перекрываемой внутри трубы γ-излучением, или используя экспериментально полученную математическую модель типа нейронной сети, предусматривающую корректировку измерений.

Другой вариант измерения плотности заключается в применении массового расходомера на основе трубки Вентури, показанного на фиг.14 и 15. Любое ограничение сечения трубы вызовет изменение скорости многофазной смеси и скачок давления в направлении, поперечном относительно указанного ограничения. Из теории динамики текучих сред следует, что значение квадратного корня из скачка 30 давления пропорционально суммарному массовому расходу в трубе. Трубка Вентури представляет собой конструкцию, в которой диаметр трубы плавно уменьшается в направлении секции трубы меньшего диаметра. Указанная секция может быть короткой или относительно длинной. Затем диаметр плавно увеличивается до исходного размера трубы. Измерения массового расхода посредством такой конструкции описываются в документах ISO 5167-1 и 5167-4.

Согласно документу ISO 5167-1 массовый расход можно вычислить таким образом:

Уравнение 12:

где Qm - суммарный массовый расход,

С - коэффициент расхода при истечении,

β - соотношение диаметров суженного участка трубки Вентури и трубы,

d - диаметр суженного участка трубки Вентури,

Δр - измеренный скачок давления между входом и выходом суженного участка трубки Вентури,

ρ - плотность многофазной смеси.

Восстановление давления у выхода трубки Вентури будет зависеть главным образом от массового расхода, плотности, сжимаемости и вязкости многофазной текучей среды, а также от длины и шероховатости суженного участка 10 трубки. В случае, когда многофазная смесь имеет высокое содержание газа, указанное восстановление у выхода трубки Вентури будет больше, чем для такой же смеси с низким содержанием газа. Таким образом, комбинируя уравнение 12 с измерением восстановления давления у выхода трубки Вентури, можно провести измерение плотности многофазной смеси.

Уравнения 1-12 вместе с функциями коррекции обычно решают итеративным образом, чтобы определить объемные и массовые скорости потоков нефти, воды и газа. Для этого в качестве составной части прибора, измеряющего параметры потока, используют компьютер.

Хотя в качестве примеров применения настоящего изобретения в данном случае описывались варианты приборов для измерения скоростей потоков нефти, воды и газа, изобретение можно использовать и в других областях, таких как измерение параметров многофазных суспензий, содержащих воздух и газ, в перерабатывающих отраслях промышленности, а также измерение параметров многофазных потоков угля и воздуха или пара и воды при выработке электроэнергии. Кроме того, специалистам в данной области будет понятно, что изобретение не ограничено представленными вариантами осуществления и его можно изменять и модифицировать в границах, которые определены признаками, приведенными в прилагаемой формуле, и их эквивалентами.

Claims

1. Способ определения расходов текучей среды, содержащей многокомпонентную смесь газа и, по меньшей мере, одной жидкости, в трубе, включающий следующие этапы:
(а) проводят измерения электромагнитных потерь и фазы, по меньшей мере, в двух направлениях трубы,
(б) на основе измерений, проведенных на этапе (а), определяют степень формирования кольцевого потока,
(в) вычисляют диэлектрическую проницаемость протекающей смеси по результатам, полученным на этапах (а) и (б), с проведением корректировки в зависимости от степени формирования кольцевого потока,
(г) измеряют плотность смеси и корректируют найденное значение в зависимости от степени формирования кольцевого потока,
(д) находят значения температуры и давления,
(е) определяют скорости жидкости (жидкостей) и газа и
(ж) на основе известных значений плотностей и диэлектрических проницаемостей компонентов текучей смеси и с использованием результатов, полученных на этапах (а)-(е), вычисляют объемный и массовый расходы газа и жидкости или жидкостей текучей смеси.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что определяют также состав многофазного потока.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что электромагнитные измерения проводят в поперечном сечении и в продольном направлении трубы.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что электромагнитные измерения проводят, осуществляя свипирование по частоте передающей антенной в протекающей текучей среде и регистрируя частоту, по меньшей мере, при трех предварительно выбранных разностях фаз на двух принимающих антеннах в указанной текучей среде.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что на этапе (б) степень формирования кольцевого потока определяют по распределению зарегистрированных частот.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что на этапе (б) степень формирования кольцевого потока определяют по результатам, по меньшей мере, двух различных измерений диэлектрической проницаемости в протекающей текучей среде, на которые различным образом воздействует степень формирования кольцевого потока.

7. Способ по п.4, отличающийся тем, что на этапе (б) степень формирования кольцевого потока определяют по измеренной разности энергий на принимающих антеннах.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что скорость жидкости и газа измеряют посредством измерений с кросс-корреляцией, проведенных с использованием двух комплектов антенн, расположенных в протекающей текучей среде на известном расстоянии друг от друга.

9. Способ по любому из пп.1-8, отличающийся тем, что плотность текучей смеси измеряют с использованием методики поглощения γ-излучения.

10. Способ по любому из пп.1-8, отличающийся тем, что плотность текучей смеси измеряют с использованием трубки Вентури.

11. Способ по п.10, отличающийся тем, что измеряют восстановление давления на выходе трубки Вентури.

12. Расходомер для определения расходов текучей среды, содержащей многокомпонентную смесь газа и, по меньшей мере, одной жидкости, в трубе, содержащий трубчатую секцию и следующие элементы:
(а) средства проведения электромагнитных измерений потерь и фазы, по меньшей мере, в двух направлениях трубчатой секции,
(б) средства определения степени формирования кольцевого потока на основе указанных измерений, включая подходящую модель данных,
(в) компьютер и математическую программу для вычисления диэлектрической проницаемости протекающей смеси по результатам, полученным от элементов (а) и (б), включая корректировку в зависимости от степени формирования кольцевого потока,
(г) средства определения плотности смеси и корректировки найденного значения в зависимости от степени формирования кольцевого потока,
(д) средства определения скорости жидкости (жидкостей) и газа,
(е) средства определения температуры и давления и
(ж) средства вычисления объемного и массового расходов газа и жидкости или жидкостей текучей смеси на основе информации, полученной от элементов (а)-(е), и знания плотностей и диэлектрических проницаемостей компонентов текучей смеси.

13. Расходомер по п.12, отличающийся тем, что трубчатая секция содержит одну передающую антенну и две принимающие антенны, расположенные в одном и том же поперечном сечении трубчатой секции, и одну передающую антенну и две принимающие антенны, пространственно разделенные в продольном направлении трубчатой секции.

14. Расходомер по п.13, отличающийся тем, что содержит электронные средства для единовременного свипирования по частоте одной передающей антенной и для регистрации разности фаз и потерь при свипировании по частоте посредством двух принимающих антенн.

15. Расходомер по п.14, отличающийся тем, что содержит средства для вычисления степени формирования кольцевого потока на основе зарегистрированных разности фаз и/или потерь.

16. Расходомер по п.14, отличающийся тем, что содержит средства для вычисления степени формирования кольцевого потока на основе измерений диэлектрической проницаемости в поперечном сечении и в продольном направлении трубчатой секции.

17. Расходомер по п.12, отличающийся тем, что содержит в трубчатой секции приспособление для отражения электромагнитных волн в продольном направлении трубчатой секции.

18. Расходомер по п.13, отличающийся тем, что содержит средства вычисления скоростей жидкости и газа по результатам измерений с кросс-корреляцией, проведенных при двух положениях антенн, помещенных в различных поперечных сечениях трубчатой секции, которые расположены на предварительно выбранном расстоянии одно от другого.

19. Расходомер по любому из пп.12-18, отличающийся тем, что содержит плотномер на основе поглощения γ-излучения для измерения плотности текучей смеси.

20. Расходомер по п.18, отличающийся тем, что содержит средства вычисления плотности текучей смеси на основе измерения перепада давления в трубке Вентури.

21. Расходомер по п.20, отличающийся тем, что содержит средства измерения восстановления давления у выхода трубки Вентури.