RU2669156C1

RU2669156C1 - Flow moisture meter

Info

Publication number: RU2669156C1
Application number: RU2017138953A
Authority: RU
Inventors: Евгений Вячеславович Зайцев; Владимир Викторович Воробьев; Сергей Геннадьевич Никулин; Борис Владимирович Григорьев
Original assignee: Акционерное общество "ГМС Нефтемаш"
Priority date: 2017-11-09
Filing date: 2017-11-09
Publication date: 2018-10-08

Abstract

FIELD: oil and gas industry.

SUBSTANCE: invention relates to the field of oil production. Flow moisture meter contains a main body, a broadband infrared source, infrared filters, infrared detectors, an infrared camera placed in the main body to form an annular channel between the chamber and the body and an infrared collimator lens and a reflector. Source of the infrared radiation and the infrared filters are located inside the infrared camera, while the infrared camera and the main body have annular windows. Infrared detectors are placed outside the main body opposite the annular windows with the possibility of recording the radiation intensity transmitted through the annular channel.

EFFECT: technical result is to increase the accuracy of measuring the water cut in the oil flow by allowing multi-point flow measurements throughout the pipeline section.

1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области нефтедобычи и может быть использовано в контрольно-измерительных установках для обеспечения непрерывного контроля обводненности продукции добывающих скважин и углеводородных смесей в трубопроводах для транспортировки нефти.The invention relates to the field of oil production and can be used in instrumentation to ensure continuous monitoring of the water content of production wells and hydrocarbon mixtures in pipelines for transporting oil.

Известен диэлькометрический поточный влагомер ВСН-АТ, содержащий первичный преобразователь и электронный блок. Первичный преобразователь состоит из высокочастотного цифрового генератора колебаний и подключенного к нему волновода. Волновод состоит из внешней трубы, являющейся корпусом влагомера, и центрального металлического электрода. В корпусе влагомера находится датчик температуры для коррекции показаний влагомера в зависимости от температуры измеряемой среды. Электронный блок обеспечивает преобразование измеренного комплексного сопротивления волновода и резонансной частоты в объемную долю воды в водно-нефтяной смеси и передачу этой информации на табло или на внешнее электронное оборудование, осуществляет температурную компенсацию и диагностику влагомера (http://www.all-pribors.ru/opisanie/62863-15-vsn-at-69049).Known dielcometric flow hydrometer VSN-AT, containing a primary Converter and an electronic unit. The primary converter consists of a high-frequency digital oscillation generator and a waveguide connected to it. The waveguide consists of an external tube, which is the body of the hygrometer, and a central metal electrode. In the housing of the hygrometer is a temperature sensor for correcting the readings of the hygrometer depending on the temperature of the medium being measured. The electronic unit provides the conversion of the measured complex resistance of the waveguide and the resonant frequency into the volume fraction of water in the water-oil mixture and the transmission of this information to the display panel or to external electronic equipment, provides temperature compensation and diagnostics of the moisture meter (http://www.all-pribors.ru / opisanie / 62863-15-vsn-at-69049).

Принцип действия влагомеров основан на измерении комплексного электрического сопротивления первичного преобразователя влагомера и резонансной частоты электрических колебаний, создаваемых высокочастотным генератором в зависимости от объемной доли воды в водно-нефтяной смеси.The principle of operation of moisture meters is based on measuring the complex electrical resistance of the primary transducer of the moisture meter and the resonant frequency of electrical vibrations generated by a high-frequency generator depending on the volume fraction of water in the oil-water mixture.

Недостатками влагомера являются ограничение по содержанию свободного газа в потоке газожидкостной эмульсии (его объемная доля не должна превышать 5%), существенная зависимость результатов измерений от солености воды и дисперсности эмульсии, а также высокие требования к однородности потока, особенно при прямом типе эмульсии «нефть в воде».The disadvantages of the hygrometer are the restriction on the content of free gas in the gas-liquid emulsion stream (its volume fraction should not exceed 5%), the significant dependence of the measurement results on the salinity of the water and the dispersion of the emulsion, as well as high requirements for flow uniformity, especially with the direct type of oil-in-oil emulsion water. "

Наиболее близким к предлагаемому устройству является семейство измерителей обводненности Red Eye, содержащих первичный преобразователь, включающий широкополосный источник ближнего инфракрасного (ИК) излучения, проточную ячейку, оптоволоконный коллиматор, оптические фильтры и фотодиоды, и электронный блок обработки информации, как например инфракрасный датчик по заявке США № US 2006/0186340 А1, публ.2006 г.Closest to the proposed device is a family of water meter Red Eye, containing a primary Converter, including a broadband source of near infrared (IR) radiation, a flow cell, a fiber collimator, optical filters and photodiodes, and an electronic information processing unit, such as an infrared sensor according to the application of the United States No. US 2006/0186340 A1, publ. 2006

В известном датчике контролируемая водонефтяная смесь проходит через проточную ячейку (длина оптического пути около 2 мм).In a known sensor, a controlled oil-water mixture passes through a flow cell (optical path length of about 2 mm).

Недостатком таких измерителей является их возможность измерения обводненности в очень узком диапазоне исследуемого потока. Однако в реальных водонефтегазовых потоках значение обводненности, измеренное в одной точке, может не соответствовать значению обводненности всего потока. Для получения достоверных результатов измерений обводненности в данном случае необходима гомогенная (равномерно перемешанная) структура потока. Измерители могут осуществлять измерения обводненности и при высоком содержании свободного газа, однако при объемной доле газа более 10% погрешности измерений превышают допустимые.The disadvantage of such meters is their ability to measure water cut in a very narrow range of the flow being studied. However, in real oil and gas flows, the water cut value measured at one point may not correspond to the water cut value of the entire stream. To obtain reliable measurement results of water cut in this case, a homogeneous (uniformly mixed) flow structure is required. Meters can also measure water cut with a high free gas content, however, with a gas volume fraction of more than 10%, the measurement errors exceed the permissible ones.

Задачей заявленного технического решения является повышение точности измерения обводненности в потоке нефти путем обеспечения возможности проведения многоточечных измерений потока по всему сечению трубопровода.The objective of the claimed technical solution is to increase the accuracy of measuring water cut in the oil flow by making it possible to conduct multi-point flow measurements over the entire cross section of the pipeline.

Технический результат достигается тем, что, поточный влагомер, содержащий основной корпус, широкополосный источник инфракрасного излучения, инфракрасные фильтры, инфракрасные детекторы, дополнительно содержит инфракрасную камеру, размещенную в основном корпусе с образованием между камерой и корпусом кольцевого канала, и установленные в инфракрасной камере коллиматорную линзу и отражатель, причем источник инфракрасного излучения и инфракрасные фильтры также размещены внутри инфракрасной камеры, при этом в инфракрасной камере и в основном корпусе выполнены кольцевые окна, а инфракрасные детекторы размещены снаружи основного корпуса напротив его кольцевых окон с возможностью регистрации интенсивности излучения, прошедшего через кольцевой канал.The technical result is achieved in that the flowmeter containing the main body, a broadband infrared radiation source, infrared filters, infrared detectors, further comprises an infrared camera located in the main body with the formation of an annular channel between the camera and the body, and a collimator lens installed in the infrared camera and a reflector, the source of infrared radiation and infrared filters are also located inside the infrared camera, while in the infrared camera and in an annular ram housing window, and the infrared detectors are arranged outside the main body opposite its annular registration window, with the intensity of radiation passed through the annular channel.

Многоточечные измерения обводненности всего проходящего потока по кольцевому сечению устройства позволят с высокой точностью осуществлять измерения в негомогенном потоке при повышенном содержании газа.Multipoint measurements of the water cut of the entire passing stream over the annular section of the device will allow high-precision measurements in an inhomogeneous stream with an increased gas content.

Изобретение поясняется графически, где на фиг. 1 представлена схема поточного влагомера, на фиг. 2 изображено сечение А-А фиг. 1, на фиг. 3 схематично представлена конструкция узкополосных ИК-фильтров.The invention is illustrated graphically, where in FIG. 1 shows a flowmeter hygrometer, FIG. 2 shows a section AA of FIG. 1, in FIG. 3 schematically shows the design of narrow-band IR filters.

Устройство содержит основной корпус 1 и размещенную в нем инфракрасную камеру 2, в которой расположены широкополосной источник ИК-излучения 3, коллиматорная линза 4, ИК-фильтры 5 и конический отражатель 6. В стенках инфракрасной камеры 2 и основного корпуса 1 выполнены кольцевые окна 7 и 8. Снаружи основного корпуса 1 напротив кольцевого окна 8 расположены ИК-детекторы 9. Наружная поверхность инфракрасной камеры 2 и внутренняя поверхность основного корпуса 1 образуют кольцевой канал 10, по которому проходит поток исследуемой нефтесодержащей жидкости. ИК-фильтры 5 имеют форму концентрических колец 11, 12, 13 (см. фиг. 3). ИК-детекторы 9 соединены с внешним вычислительным устройством (на схеме не показано), которое обеспечивает обработку результатов измерений и их отображение на цифровом дисплее.The device comprises a main body 1 and an infrared camera 2 located therein, in which a broadband infrared radiation source 3, a collimator lens 4, IR filters 5 and a conical reflector 6 are located. In the walls of the infrared camera 2 and the main body 1, circular windows 7 and 8. Outside of the main body 1, opposite the annular window 8, IR detectors 9 are located. The outer surface of the infrared camera 2 and the inner surface of the main body 1 form an annular channel 10 through which the flow of the studied oil-containing liquid passes awns. IR filters 5 are in the form of concentric rings 11, 12, 13 (see Fig. 3). IR detectors 9 are connected to an external computing device (not shown in the diagram), which provides the processing of measurement results and their display on a digital display.

Принцип действия данного влагомера заключается в определении обводненности газожидкостного потока по степени поглощения ИК-излучения ближнего диапазона в области длин волн от 1000 до 2000 нм. По интенсивностям падающего и прошедшего излучения определяется оптическая плотность, по значению которой вычисляется значение влагосодержания. Причем в измерениях могут быть использованы несколько значений длин волн.The principle of operation of this hygrometer is to determine the water cut of a gas-liquid stream by the degree of absorption of near-infrared radiation in the wavelength range from 1000 to 2000 nm. The intensity of the incident and transmitted radiation is determined by the optical density, the value of which is calculated value of moisture content. Moreover, several wavelengths can be used in the measurements.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Поточный влагомер встраивается в технологический трубопровод, что позволяет производить определение влажности нефти в рабочих условиях в процессе ее добычи и перекачки.The in-line moisture meter is built into the process pipeline, which allows the determination of oil moisture under operating conditions during its production and pumping.

Излучение от широкополосного ИК-источника 3 проходит через коллиматорную линзу 4, которая преобразует расходящийся пучок ИК-излучения в параллельный. Далее параллельный пучок излучения проходит через узкополосные ИК-фильтры 5, имеющие форму концентрических колец (см. фиг. 3). Каждый ИК-фильтр пропускает только часть излучения определенной длины волны. Количество ИК-фильтров зависит от числа выбранных длин волн, на которых будут осуществляться измерения. Одна длина волны может соответствовать поглощению нефти, другая - поглощению воды, дополнительное значение длины волны может быть использовано для учета эффекта рассеяния. Для газа же поглощение на всех длинах волн может быть не существенным. Благодаря расположению фильтров 5 образуется пространственное разделение ИК-излучения на области с соответствующей длиной волны (фиг. 1). Фильтрующее кольцо 11 (см. фиг. 3) образует область излучения с длиной волны λ₁, фильтрующее кольцо 12 - область излучения с длиной волны λ₂, а фильтрующее кольцо 13 - область излучения с длиной волны λ₃. Таким образом, использование нескольких длин волн позволяет определять количество воды при наличии попутного газа с учетом эффекта рассеяния излучения. Далее излучение с помощью конического отражателя 6 (фиг. 1) в радиальном направлении перпендикулярно потоку направляется на кольцевые окна 7 и 8 инфракрасной камеры 2 и основного корпуса 1. Через все поперечное сечение потока газожидкостной смеси, протекающего в кольцевом канале 10, последовательно проходят все области ИК-излучения с соответствующей длиной волны, которые попадают на ИК-детекторы 9, фиксирующие интенсивность прошедшего излучения. Сигналы с ИК-детекторов 9 поступают на внешнее вычислительное устройство, в котором производится расчет среднего значения обводненности измеряемого потока жидкости и отображение его на цифровом дисплее. Перерасчет сигналов с ИК-детекторов в значение обводненности осуществляется на основе системы уравнений, базирующейся на законе поглощения Бугера-Ламберта-Бера, выражающимся известной формулой:Radiation from a broadband IR source 3 passes through a collimator lens 4, which converts the diverging beam of infrared radiation into parallel. Next, a parallel beam of radiation passes through narrow-band IR filters 5 having the shape of concentric rings (see Fig. 3). Each IR filter allows only part of the radiation to pass through a specific wavelength. The number of IR filters depends on the number of selected wavelengths at which measurements will be performed. One wavelength may correspond to oil absorption, another to water absorption, an additional wavelength value can be used to take into account the scattering effect. For a gas, absorption at all wavelengths may not be significant. Due to the arrangement of the filters 5, a spatial separation of infrared radiation is formed into regions with a corresponding wavelength (Fig. 1). The filter ring 11 (see Fig. 3) forms a radiation region with a wavelength of λ ₁ , the filter ring 12 forms a radiation region with a wavelength of λ ₂ , and the filter ring 13 forms a radiation region with a wavelength of λ ₃ . Thus, the use of several wavelengths allows you to determine the amount of water in the presence of associated gas, taking into account the effect of radiation scattering. Next, radiation using a conical reflector 6 (Fig. 1) in the radial direction perpendicular to the flow is directed to the annular windows 7 and 8 of the infrared camera 2 and the main body 1. Throughout the entire cross section of the gas-liquid mixture flowing in the annular channel 10, all regions pass sequentially IR radiation with a corresponding wavelength, which fall on the IR detectors 9, fixing the intensity of the transmitted radiation. The signals from the IR detectors 9 are fed to an external computing device in which the average water cut of the measured liquid flow is calculated and displayed on a digital display. Recalculation of signals from IR detectors to the water cut value is based on a system of equations based on the Bouguer-Lambert-Bera absorption law, expressed by the well-known formula:

,

где D - оптическая плотность анализируемой среды; I₀ - интенсивность падающего излучения; I - интенсивность прошедшего излучения; k - коэффициент поглощения, зависящий от природы вещества и длины волны падающего излучения; С - концентрация поглощающего вещества в просвечиваемой среде; l - толщина слоя анализируемой среды.where D is the optical density of the analyzed medium; I ₀ is the intensity of the incident radiation; I is the intensity of the transmitted radiation; k is the absorption coefficient, depending on the nature of the substance and the wavelength of the incident radiation; C is the concentration of the absorbing substance in the translucent medium; l is the layer thickness of the analyzed medium.

Для предотвращения перепада давления на участке технологического трубопровода с встроенным влагомером характерный диаметр кольцевого канала 10 подобран таким образом, чтобы площадь его поперечного сечения была равной или незначительно меньше площади поперечного сечения технологического трубопровода.In order to prevent a pressure drop in the section of the process pipeline with an integrated moisture meter, the characteristic diameter of the annular channel 10 is selected so that its cross-sectional area is equal to or slightly less than the cross-sectional area of the process pipeline.

Использование предложенного устройства позволяет расширить область применения поточного влагомера, используя его не только на вертикальных участках трубопроводов, но и на горизонтальных, а также повысить точность измерения обводненности в потоке водонефтегазовой смеси путем осуществления измерений по всему сечению потока.Using the proposed device allows you to expand the scope of the in-line moisture meter, using it not only in vertical sections of pipelines, but also in horizontal ones, and also to increase the accuracy of measuring water cut in the flow of oil and gas mixtures by measuring over the entire cross section of the stream.

Claims

A flowmeter containing a main body, a broadband infrared source, infrared filters, infrared detectors, characterized in that it further comprises an infrared camera located in the main body with the formation of an annular channel between the camera and the body, and a collimator lens and a reflector installed in the infrared camera moreover, the source of infrared radiation and infrared filters are also located inside the infrared camera, while in the infrared camera and in the main body Nena annular window, and the infrared detectors are arranged outside the main body opposite its annular registration window, with the intensity of radiation passed through the annular channel.