RU2793366C1 - Intelligent system and method for measuring the flow rate of a two-phase flow of oil wells - Google Patents
Intelligent system and method for measuring the flow rate of a two-phase flow of oil wells Download PDFInfo
- Publication number
- RU2793366C1 RU2793366C1 RU2021137385A RU2021137385A RU2793366C1 RU 2793366 C1 RU2793366 C1 RU 2793366C1 RU 2021137385 A RU2021137385 A RU 2021137385A RU 2021137385 A RU2021137385 A RU 2021137385A RU 2793366 C1 RU2793366 C1 RU 2793366C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- block
- wavelet
- oil
- flow rate
- flow
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Интеллектуальная система и способ измерения расхода двухфазного потока нефтяных скважин относится к области измерения объема или массового расхода жидкости, в частности для измерения массового расхода многофазного потока в нефтяных скважинах, где добываемый продукт состоит из двух различных фаз (газообразной и жидкой), где устройство управляется нейронной сетью для калибровки и анализа данных.An intelligent system and method for measuring the flow rate of a two-phase flow of oil wells relates to the field of measuring the volume or mass flow of a liquid, in particular for measuring the mass flow of a multi-phase flow in oil wells, where the produced product consists of two different phases (gaseous and liquid), where the device is controlled by a neural network for calibration and data analysis.
Известен «Двухфазный расходомер "омега" для измерения дебита продукции нефтяных скважин» (RU 62 164 U1 МПК E21B 47/00, G01F 1/00, 27.03.2007), Изобретение относится к области нефтегазопромысловой геофизики и может быть использовано для определения массового расхода нефти, газа и воды в многофазном потоке, проходящем по трубопроводу из скважины. Техническим результатом изобретения является повышение точности определения расхода газожидкостной смеси (ГЖС) и обеспечение защиты обслуживающего персонала от радиоактивного излучения. Для этого одновременно измеряют объем газовой составляющей многофазного потока с помощью счетчика газа и водонефтяной фазы посредством многофазного расходомера (МФР), в котором производится подсчет объема и массы водонефтяной фазы. Причем расчет производят методом переменного перепада давления - дифференциального давления (ДД), возникающего в суженном участке МФР. При этом разность давлений в сужении и служит мерой расхода водонефтяной эмульсии, которая связана следующей зависимостью: разность давлений тем больше, чем больше расход протекающей через МФР текучей среды. На основании известных математических выражений, зная величину ДД, определяют плотность потока как частное от деления ДД на квадрат скорости потока. Затем, используя полученные значения плотности потока, рассчитывают объем и соответственно массу водонефтяной фазы ГЖС, проходящей через МФР. Суммарный расход нефти, газа и воды многофазного потока определяют на основании обработки результатов измерений в счетчике газа и МФР и последующей корректировки результатов с учетом поправочных коэффициентов, которые учитывают состав смеси и соотношения между водяной и нефтяной фракциями. Эту корректировку проводят по результатам измерения емкости и активной проводимости в канале МФР. Known "Two-phase flowmeter "omega" to measure the flow rate of oil wells" ( RU 62 164 U1 IPC E21B 47/00,
Недостатком этого метода является необходимость внедрения в двухфазный газонефтяной поток, разделение его на газообразную и жидкую составляющие, что требует значительного времени для управления скважиной в режиме реального времени. The disadvantage of this method is the need to introduce into a two-phase gas-oil flow, dividing it into gaseous and liquid components, which requires considerable time to control the well in real time.
Также известен «Многофазный ультразвуковой расходомер для трубопроводов» (RU 2631495 МПК G01F 1/66, G01F 1/74, G01N 9/00, 10.01.2017). Also known is the "Multi-phase ultrasonic flow meter for pipelines" (RU 2631495 IPC G01F 1/66, G01F 1/74, G01N 9/00, 10.01.2017).
Система предназначена для определения плотностей и пропорций фаз в потоке многофазной текучей среды (ПМТС), которая может включать в себя нефтяную фазу, водную фазу и газовую фазу из скважины. Система содержит первый плотномер, который измеряет ПМТС в местоположениях, где фазы ПМТС часто являются разделенными, второй плотномер, который измеряет ПМТС с выхода фазового смесителя-гомогенизатора, и третий плотномер, который в реальном времени измеряет ПМТС там, где газовая фаза начинает отделяться или отделилась от жидкой фазы, но где жидкие фазы не разделились. Система также содержит один или более процессоров для выполнения одной или более программ для определения плотности нефтяной фазы, плотности водной фазы, плотности газовой фазы и пропорций фаз, в том числе обводненности и объемной доли газа, на основе показаний первого, второго и третьего плотномеров. Технический результат – повышение точности и безопасности. The system is designed to determine the densities and proportions of the phases in the flow of multi-phase fluid (PMF), which may include the oil phase, the water phase and the gas phase from the well. The system comprises a first density meter that measures PMST at locations where phases of PMST are often separated, a second densitometer that measures PMST at the outlet of the phase mixer-homogenizer, and a third densitometer that measures real-time PMST where the gas phase begins to separate or has separated. from the liquid phase, but where the liquid phases have not separated. The system also includes one or more processors for executing one or more programs to determine oil phase density, water phase density, gas phase density, and phase proportions, including water cut and gas volume fraction, based on readings from the first, second, and third density meters. The technical result is an increase in accuracy and safety.
Данный метод измерения основан на распространении ультразвука в потоке многофазной текучей среды. Недостатком метода является необходимость внедрения в поток, разделение газо-водо-нефтяного потока на фазы и выполнение измерения в выделенных фаз потока. Предложенный авторами многофазный сепарационный ультразвуковой расходомер выполняет измерение в разных средах, что приводит к дополнительным погрешностям измерения.This measurement method is based on the propagation of ultrasound in a multiphase fluid flow. The disadvantage of the method is the need to be introduced into the flow, the separation of the gas-water-oil flow into phases and the measurement in the selected phases of the flow. The multiphase separation ultrasonic flow meter proposed by the authors performs measurements in different media, which leads to additional measurement errors.
Также известен способ «Измерение многофазного потока в трубопроводе» (RU 2243510 C2 МПК G01F 1/74 (2000.01), G01F 1/56 (2000.01), G01F 1/34 (2000.01), G01N 27/08 (2000.01), 20.07.2003), Изобретение предназначено для использования в нефте- и газодобывающей промышленности для измерения фракционного состава и расхода фаз в потоке трехфазной смеси при любом режиме течения. Посредством пар электродов, размещенных по длине дросселирующей измерительной секции (корпуса), установленной в трубопроводе, измеряют удельную электропроводность или диэлектрическую проницаемость смеси. Одновременно корпус используют для создания перепада давления, который измеряют в кольцевом пространстве между корпусом и стенкой трубопровода, а также вблизи корпуса. Путем взаимной корреляции сигналов, поступающих от электродов, определяют скорости фаз. Фракционный состав вычисляют путем объединения измерений электрических характеристик с измерениями перепада давления. При объединении с измерениями скоростей вычисляют объемные расходы фаз, а при последующем объединении последних с плотностями фаз - массовые расходы фаз. Изобретения учитывают скольжение между газовой и жидкой фазами и благодаря компактному средству измерения позволяют проводить все измерения практически в одном и том же месте.Also known is the method "Measurement of multiphase flow in a pipeline" (RU 2243510 C2 IPC G01F 1/74 (2000.01), G01F 1/56 (2000.01), G01F 1/34 (2000.01), G01N 27/08 (2000.01), 20.07.2003 ), The invention is intended for use in the oil and gas industry to measure the fractional composition and flow rate of phases in the flow of a three-phase mixture under any flow regime. By means of pairs of electrodes placed along the length of the throttling measuring section (case) installed in the pipeline, the electrical conductivity or dielectric constant of the mixture is measured. At the same time, the housing is used to create a differential pressure, which is measured in the annulus between the housing and the pipeline wall, as well as near the housing. By cross-correlation of the signals coming from the electrodes, the phase velocities are determined. Fractional composition is calculated by combining electrical measurements with pressure drop measurements. When combined with the velocity measurements, the volume flow rates of the phases are calculated, and when the latter are subsequently combined with the phase densities, the mass flow rates of the phases are calculated. The inventions take into account the slip between the gas and liquid phases and, thanks to a compact measuring instrument, make it possible to carry out all measurements practically in the same place.
Предложенный способ измерения является интрузивным, нарушающим режим течения, поскольку в поток устанавливают пары электродов, искусственно создают перепад давления. Изменение электрических свойств потока, например, солености жидкости, циркулирующей в трубе, приводит к увеличению погрешностей измерения различных фракций потока.The proposed measurement method is intrusive, violating the flow regime, since pairs of electrodes are installed in the flow, and a pressure drop is artificially created. A change in the electrical properties of the flow, for example, the salinity of the liquid circulating in the pipe, leads to an increase in the measurement errors of various fractions of the flow.
Наиболее близким техническим решением к заявленному способу является «Массовый расходомер газожидкостного потока» (RU 2128328 C1 МПК G01F 1/74, G01F 1/86, 27.03.1999). Изобретение может быть использовано для измерения массового расхода жидкой фазы газонефтеводяного потока в нефтяной промышленности. Расходомер содержит датчик объемного расхода, датчик плотности, схему формирования управляющего сигнала, включающую последовательно соединенные блок определения структурной функции процесса изменения плотности потока и пороговое устройство, блок пропускания сигнала и индикатор. Изобретение обеспечивает повышение точности вычисления массового расхода жидкой фазы потока при наличии хаотично расположенных в нем газовых включений в виде мелких пузырей. 1 ил.The closest technical solution to the claimed method is "Mass flow meter gas-liquid flow" (RU 2128328 C1 IPC
Преимуществом этого способа измерения является бесконтактность, бессепарационность, отсутствие изменения режима течения многофазного потока. Основным недостатком метода является применение структурной функции, которая зависит от скоростей движения как мелких, так и крупных пузырей, скорость движения которых в вертикальной трубе превышает скорость движения жидкости. Этот факт увеличивает погрешность измерения. The advantage of this method of measurement is non-contact, non-separation, no change in the flow regime of a multiphase flow. The main disadvantage of the method is the use of the structural function, which depends on the velocities of both small and large bubbles, the velocity of which in a vertical pipe exceeds the velocity of the liquid. This fact increases the measurement error.
Для повышения эффективности управления процессами добычи нефти необходимо выполнять бессепарационное, бесконтактное измерение многофазных потоков продукции нефтяных скважин. Предложено использовать радиоизотопные измерительные системы, которые предоставляют сигнал, зависящий от флуктуации плотности двухфазного потока. Обработка этого сигнала, позволяет извлечь информацию и структуре двухфазного потока, скорости движения жидкости и газа, относительного содержания жидкости. Извлечение информации о скорости движения жидкости основано на цифровой обработке нестационарного сигнала радиоизотопного преобразователя, включающей непрерывное или дискретное не децимированное вейвлет-преобразование, оценку кросс-корреляции вейвлет-коэффициентов в подпространствах разложения. To improve the efficiency of oil production process control, it is necessary to perform non-separation, non-contact measurement of multi-phase flows of oil well production. It is proposed to use radioisotope measuring systems that provide a signal that depends on fluctuations in the two-phase flow density. The processing of this signal makes it possible to extract information about the structure of the two-phase flow, the velocity of the liquid and gas, and the relative content of the liquid. Extraction of information about the speed of fluid movement is based on digital processing of a non-stationary signal of a radioisotope converter, including a continuous or discrete non-decimated wavelet transform, an estimate of the cross-correlation of wavelet coefficients in decomposition subspaces.
Целью изобретения является система и способ измерения скорости движения и массового расхода отдельных фаз двухфазного газонефтяного потока продукции нефтяных скважин с использованием радиоизотопного преобразователя плотности потока и кросс-корреляции двух коллимированных потоков гамма-квантов в пространствах вейвлет-разложения. The aim of the invention is a system and method for measuring the speed and mass flow of individual phases of a two-phase gas-oil flow of oil well production using a radioisotope flux density converter and cross-correlation of two collimated gamma-quantum fluxes in wavelet decomposition spaces.
Техническим результатом является интеллектуальная система и способ измерения массового расхода нефти и газа двухфазного потока продукции нефтяных скважин, использующая измерения скорости движения отдельных фаз двухфазного газонефтяного потока на основе регистрации сигналов двух коллимированных потоков гамма-квантов радиоизотопного преобразователя плотности, с применением кросс-корреляции в пространствах вейвлет-разложения и предварительно обученной нейронной сети. The technical result is an intelligent system and method for measuring the mass flow rate of oil and gas of a two-phase flow of oil well production, using measurements of the speed of movement of individual phases of a two-phase gas-oil flow based on the registration of signals from two collimated flows of gamma quanta of a radioisotope density converter, using cross-correlation in wavelet spaces -decomposition and pre-trained neural network.
Сущность изобретенияThe essence of the invention
Структурная схема устройства показана на фиг.1. Устройство имеет источник прямого излучения (1), который контролирует плотность потока (2) в центральной вертикали трубы (3). Детекторный блок (4) воспринимает гамма-кванты и генерирует импульсы, амплитуда которых пропорциональна энергии регистрируемого излучения, и разделяет каналы прямого и рассеянного излучения с помощью порога. К каналу рассеянного излучения приписываются импульсы с амплитудой, меньшей пороговой, и к каналу прямого излучения - более мощные импульсы.The block diagram of the device is shown in Fig.1. The device has a direct radiation source (1), which controls the flux density (2) in the central vertical of the pipe (3). The detector unit (4) perceives gamma quanta and generates pulses, the amplitude of which is proportional to the energy of the detected radiation, and separates the channels of direct and scattered radiation using a threshold. Pulses with an amplitude less than the threshold are assigned to the scattered radiation channel, and more powerful pulses are assigned to the direct radiation channel.
Для эффективного контроля многофазных потоков требуется измерять скорости движения жидкой и газообразной фазы потока и содержание каждой фазы потока. Измерение скорости движения отдельных фаз многофазного потока является более сложной задачей. Для управления производственным процессом необходимо измерять три отдельных дебита скважин – нефти, воды и газа. Для достижения цели разработан алгоритм обработки последовательностей импульсов, регистрируемых детектором, реализуемый в микропроцессоре (5). To effectively control multiphase flows, it is necessary to measure the velocities of the liquid and gaseous phases of the flow and the content of each phase of the flow. Measuring the speed of movement of individual phases of a multiphase flow is a more difficult task. To control the production process, it is necessary to measure three separate well flow rates - oil, water and gas. To achieve the goal, an algorithm has been developed for processing sequences of pulses recorded by the detector, implemented in a microprocessor (5).
Измерение основано на контроле плотности протекающей газо-жидкостной смеси между источником и приемником излучения. Флуктуации плотности предоставляют информацию о скорости потока. Наличие пузырька в жидкости вызывает небольшие случайные всплески в сигнале плотности потока, амплитуда и масштаб которых зависит от размера и скорости движения пузырька. Поэтому мотивацией к применению волнового подхода к исследованию взаимной корреляции между колебаниями плотности, присутствующими в двух сигналах приемников, которая основана на непрерывном вейвлет-преобразовании. Способ измерения скорости жидкой фазы потока применяют при дисперсно-пузырьковом или кольцевом режиме течения на основе вычисления взаимной вейвлет - корреляции сигналов радиоизотопных плотномеров.The measurement is based on the control of the density of the flowing gas-liquid mixture between the radiation source and receiver. Density fluctuations provide information about the flow rate. The presence of a bubble in a liquid causes small random spikes in the flux density signal, the amplitude and scale of which depend on the size and speed of the bubble. Therefore, the motivation for applying the wave approach to the study of the cross-correlation between density fluctuations present in two receiver signals, which is based on a continuous wavelet transform. The method for measuring the velocity of the liquid phase of the flow is used in the dispersed-bubble or annular flow regime based on the calculation of the mutual wavelet-correlation of the signals of radioisotope densitometers.
Взаимная вейвлет-корреляция на основе дискретного вейвлет-преобразования. Движение мелких пузырей порождает корреляцию, быстро убывающую во времени. Движение крупных пузырей – более сильную и медленно спадающую во времени. Для выделения сигналов, характеризующих движение жидкости и мелких пузырей, целесообразно выполнять анализ сигналов в разных диапазонах, которые могут быть выделены с помощью вейвлет-фильтров. Cross Wavelet Correlation Based on Discrete Wavelet Transform . The movement of small bubbles generates a correlation that rapidly decreases with time. The movement of large bubbles is stronger and slowly decreasing in time. To isolate signals characterizing the movement of fluid and small bubbles, it is advisable to analyze signals in different ranges, which can be distinguished using wavelet filters.
Взаимная корреляция вейвлетов представляет собой локализованную по масштабу версию обычной взаимной корреляции между двумя сигналами. При взаимной корреляции определяют сходство между двумя последовательностями на одном уровне вейвлет-разложения, сдвигая одну последовательность относительно другой, умножая сдвинутые последовательности и суммируя результат. Wavelet cross-correlation is a scale-localized version of the usual cross-correlation between two signals. Cross-correlation determines the similarity between two sequences at the same level of the wavelet decomposition by shifting one sequence relative to the other, multiplying the shifted sequences, and summing the result.
Для детерминированных последовательностей дискретных сигналов x(n) и y(n) радиоизотопного плотномера получают произведение: For deterministic sequences of discrete signals x(n) and y(n) of a radioisotope densitometer, the product is obtained:
где – дискретные сигналы x(n) и y(n) на уровне j вейвлет-разложения сигнала, полученные от детекторов, расположенных на базовом расстоянии, n, m – дискретное время, m - переменная запаздывания, которая представляет сдвиг. Для действительных и комплексное сопряжение не требуется. Where are discrete signals x(n) and y(n) at the level j of the wavelet decomposition of the signal obtained from detectors located at the base distance, n, m is discrete time, m is the delay variable that represents the shift. For valid And complex conjugation is not required.
Вычисление взаимной корреляции сигналов основано на дискретном вейвлет-преобразовании с использованием фильтров Фейера-Коровкина. Фильтр высоких частот и фильтр низких частот показаны на фиг. 2, где 6 - масштабирующая функция; 7 - вейвлет-функция; 8- высокочастотный фильтр; 9 – низкочастотный фильтр вейвлет-разложения.Calculation of cross-correlation of signals is based on discrete wavelet transform using Feyer-Korovkin filters. The high pass filter and the low pass filter are shown in Fig. 2, where 6 is the scaling function; 7 - wavelet function; 8- high-frequency filter; 9 – low-frequency wavelet decomposition filter.
Среди вейвлет-фильтров, используемых для многоразрешающего анализа фильтры Фейера-Коровкина имеют оптимальную частотную локализацию. Вейвлет более симметричен, но менее гладок, чем вейвлет Добеши. Частотная локализация фильтров Фейера-Коровкина гарантирует достаточно хорошее представление сигнала в отдельных частотных полосах. Четные не отрицательные ядра генерируют квадратурные зеркальные фильтры с оптимальной частотной локализацией. Семейство Фейера-Коровкина образует компактные, ортогональные допускающие непрерывное и дискретное вейвлет-преобразование вейвлеты, которые, могут иметь порядок 4,6,8,14,18,22, причем порядок не должен превышать целого числа Ядро фильтра Фейера имеет вид:Among the wavelet filters used for multiresolution analysis, the Fejer-Korovkin filters have optimal frequency localization. The wavelet is more symmetrical but less smooth than the Daubechies wavelet. The frequency localization of Feyer-Korovkin filters guarantees a sufficiently good representation of the signal in individual frequency bands. Even non-negative kernels generate quadrature mirror filters with optimal frequency localization. The Fejér-Korovkin family forms compact, orthogonal wavelets allowing continuous and discrete wavelet transform, which can have
Сигналы x(n), y(n) представляют в дискретные моменты времени n=1…N. Каждый сигнал представлен как линейная комбинация масштабирующей функции ϕ (x) и вейвлета ψ (x) при различных масштабах j и смещениях k:Signals x(n), y(n) represent at discrete times n=1…N. Each signal is represented as a linear combination of a scaling function ϕ(x) and a wavelet ψ(x) at various scales j and offsets k :
где - количество уровней вейвлет разложения. Первая сумма представляет собой грубое приближение сигнала, а вторая сумма для представляет детали в последовательных масштабах j. Where - the number of levels of the wavelet decomposition. The first sum is a rough approximation of the signal, and the second sum for presents details in successive scales j.
Измерение скорости потока необходимо выполнять в реальном времени, поэтому анализ сигналов радиоизотопного плотномера выполняют в пределах фрейма, скользящего вдоль сигналов. Для сигналов , полученных во фрейме длиной определяют коэффициенты кросс-корреляции на каждом масштабе.The flow rate measurement must be performed in real time, so the analysis of radioisotope densitometer signals is performed within a frame sliding along the signals. For signals received in frame length determine the cross-correlation coefficients on each scale.
Всего вычислено N коэффициентов и коэффициентов деталей . Коэффициенты деталей получают на каждом уровне разложения, а коэффициенты масштаба – только на последнем. Для фрейма данных получено и общее число уровней Total calculated N coefficients And detail coefficients . Detail coefficients are obtained at each decomposition level, while scale factors are obtained only at the last one. For data frame received and the total number of levels
Энергия сигнала распределяют по различным масштабным и вейвлет-коэффициентам так, что , где X - входные данные, - коэффициенты деталей в пространстве масштаба j, а - коэффициенты масштабирования на конечном уровня. Обозначим вейвлет-коэффициенты сигналов x и y как и .The signal energy is distributed over various scale and wavelet factors so that , where X is the input data, - coefficients of details in scale space j, and - scaling factors at the final level. We denote the wavelet coefficients of signals x and y as And .
Для локально стационарных измерительных сигналов корреляционная функция Пирсона определяют соотношением:For locally stationary measuring signals, the Pearson correlation function is determined by the relation:
С использованием не децимированного дискретного вейвлет-разложения на каждом уровне s вычисляют нормированные выборочные значения взаимной корреляции между вейвлет-коэффициентами двух сигналов: Using the non-decimated discrete wavelet decomposition at each level s , normalized sample values of the cross-correlation between the wavelet coefficients of two signals are calculated:
Величина задержки по времени m, при которой взаимная корреляция между дискретными сигналами максимальна, является характеристикой запаздывания, которую требуется оценить. На фиг. 2 показаны функции и фильтры Фейера-Коровкина, которые применяют для разложения и восстановления сигналов. Функции представляют масштабирующую функцию (6), вейвлет-функцию (7), и фильтры разложения - высокочастотный фильтр (8) и низкочастотный фильтр.The amount of time delay m, at which the cross-correlation between discrete signals is maximum, is the delay characteristic that needs to be estimated. In FIG. 2 shows the Feyer-Korovkin functions and filters that are used to decompose and restore signals. The functions represent a scaling function (6), a wavelet function (7), and decomposition filters - a high pass filter (8) and a low pass filter.
Скорость жидкости определяют по формуле:The fluid velocity is determined by the formula:
где D – расстояние между детекторами гамма-излучения, p – уровень вейвлет-разложения, на котором движение мелких пузырей является определяющим.where D is the distance between the gamma radiation detectors, p is the wavelet decomposition level at which the motion of small bubbles is decisive.
Скорость газа зависит от движения крупных пузырей, определяют в пространстве более низкого уровня по формуле:The gas velocity depends on the movement of large bubbles, and is determined in the space of a lower level by the formula:
где q – уровень вейвлет-разложения, на котором движение крупных пузырей является определяющим.where q is the level of the wavelet decomposition at which the motion of large bubbles is decisive.
Для определения уровней разложения s и q применяют нейронную сеть – трехслойный персептрон с числом нейронов (), на вход которого подают значения , где входной слой принимает номера пространств разложения , внутренний слой имеет 3 нейрона, выходной слой формирует сигналы и , и скорости .To determine the decomposition levels s and q, a neural network is used - a three-layer perceptron with the number of neurons ( ), the input of which is supplied with the values , where the input layer takes the numbers of the decomposition spaces , the inner layer has 3 neurons, the output layer generates signals And , and speed .
Плотность смеси нефти и газа определяют по формуле:The density of a mixture of oil and gas is determined by the formula:
где – количество гамма-квантов, полученное за время регистрации при градуировке системы на пустой трубе, - среднее количество гамма-квантов, полученное за время регистрации в процессе измерения, - количество гамма-квантов, полученное за время регистрации на интервалах, классифицированных как интервалы отсутствия свободного газа.Where is the number of gamma quanta obtained during the registration time when calibrating the system on an empty pipe, - the average number of gamma quanta obtained during the registration during the measurement process, - the number of gamma quanta received during the registration at the intervals classified as the intervals of the absence of free gas.
Классификация фреймов для регистрации и с использованием нейронной сети для определения интервалов отсутствия свободного газа в потоке.Classification of frames for registration And using a neural network to determine the intervals of the absence of free gas in the stream.
Плотность жидкости определяют на интервалах отсутствия свободного газа:The density of the liquid is determined at the intervals of the absence of free gas:
Объемная доля газа в смеси:Volume fraction of gas in the mixture:
где - объемная доля жидкости в смеси.Where - volume fraction of liquid in the mixture.
Объемный расход газа - Qг:Volumetric gas flow - Q g :
где S – площадь сечения трубопровода,where S is the cross-sectional area of the pipeline,
Объемный расход жидкости:Fluid volume flow:
Массовый расход газа Qг :Mass flow rate of gas Q g :
где S – площадь сечения трубопровода,where S is the cross-sectional area of the pipeline,
Массовый расход жидкости:Mass liquid flow:
Структурная схема интеллектуальной системы измерения расхода двухфазного потока нефтяных скважин показана на фиг.3. Схема включает блок источников излучения (10), блок детекторов излучения (11), блок вейвлет-преобразования (12), блок нейронной сети (13) и блок расхода нефти и газа (14).A block diagram of an intelligent system for measuring the flow rate of a two-phase flow of oil wells is shown in Fig.3. The scheme includes a block of radiation sources (10), a block of radiation detectors (11), a wavelet transform block (12), a neural network block (13), and an oil and gas flow block (14).
Осуществление изобретенияImplementation of the invention
Моделирование измерения скоростей компонентов потока. Для обоснования метода измерения скорости движения нефти с использованием вейвлет-разложения сигналов гамма-плотномера был выполнен компьютерный эксперимент, использующий упрощенную модель движения в трубе газонефтяной смеси с дисперсно-пузырьковой структурой потока. Нефть в трубе поглощает гамма-кванты, исходящие из источника излучения, наличие пузырей уменьшает поглощение. В процессе моделирования газо-жидкостной смеси на заданном участке трубы случайным образом выбирают число пузырей и случайное их расположение в потоке. Пузыри имеют разные диаметры, которые отличаются в 16 раз. Пузыри большого размера расположены ближе к центру трубы и движутся со скоростью, превышающей скорость нефти. Более мелкие пузыри расположены ближе к стенкам трубы и движутся со скоростью, равной скорости жидкости. Поэтому именно мелкие пузыри являются метками, позволяющими измерять скорость движения жидкости. Simulation of measuring the velocities of the flow components. To substantiate the method for measuring the speed of oil movement using wavelet decomposition of the gamma density meter signals, a computer experiment was performed using a simplified model of the movement of a gas-oil mixture in a pipe with a dispersed-bubble flow structure. The oil in the pipe absorbs the gamma quanta coming from the radiation source, the presence of bubbles reduces the absorption. In the process of modeling a gas-liquid mixture in a given section of the pipe, the number of bubbles and their random location in the flow are randomly selected. Bubbles have different diameters, which differ by 16 times. Larger bubbles are located closer to the center of the pipe and move faster than the oil. Smaller bubbles are located closer to the pipe walls and move at a speed equal to the fluid velocity. Therefore, it is small bubbles that are marks that allow you to measure the speed of fluid movement.
Интенсивность радиоизотопного излучения связана зависимостью с коэффициентом линейного ослабления излучения, плотностью и толщиной поглощающего слоя согласно закону Бугера:The intensity of radioisotope radiation is related to the coefficient of linear attenuation of radiation, the density and thickness of the absorbing layer according to Bouguer's law:
где - скорость счета гамма-квантов прямого излучения при градуировке на пустой трубе, – плотность поглотителя, - линейный коэффициент поглощения, d - толщина слоя поглотителя. Результаты моделирования содержат шум, распределенной по закону Пуассона. Дисперсия шума равна по величине сигналу I(d). Отношение сигнал/шум в среднем составляет приблизительно где - среднеквадратическое отклонение сигнала и шума соответственно. Моделировалось движение мелких пузырей таким образом, что задержка между детекторами равна 0.025 c и движение крупных пузырей с задержкой – 0.075 c. Пунктирной линией показаны доверительный границы для взаимной корреляции. Размер фрейма для 1200 отсчетов.Where - count rate of gamma rays of direct radiation when calibrating on an empty tube, is the density of the absorber, - linear absorption coefficient, d - thickness of the absorber layer. The simulation results contain noise distributed according to the Poisson law. The noise dispersion is equal in magnitude to the signal I(d). The signal-to-noise ratio averages approximately Where are the standard deviation of the signal and noise, respectively. The movement of small bubbles was simulated in such a way that the delay between the detectors is 0.025 s and the movement of large bubbles with a delay of 0.075 s. The dotted line shows the confidence limits for cross-correlation. Frame size for 1200 samples.
Взаимная корреляционная функция двух сигналов от радиоизотопных детекторов показана на Фиг.4. Расчет показывает, что сколько-нибудь выраженный максимум взаимной корреляции двух сигналов отсутствует. Взаимная корреляционная функция в пространствах 1, 2 и 4 вейвлет-разложения показаны на Фиг.5. Выраженный максимум присутствует в пространствах 2 и 4. Максимумы соответствуют моделируемой задержке =0.025 с для мелких пузырей и =0.075 с. для крупных пузырей. The cross-correlation function of two signals from radioisotope detectors is shown in Fig.4. The calculation shows that there is no any pronounced maximum of the mutual correlation of the two signals. Cross-correlation function in
Многократное моделирование при реализации разного уровня шумов Пуассона и размера пузырей позволило получить оценку погрешности измерения задержки и , показанную в таблице 1.Multiple simulations with different levels of Poisson noise and bubble sizes allowed us to estimate the delay measurement error And shown in Table 1.
Таблица 1 – Результаты моделирования задержек и Table 1 - Delay modeling results And
Среднеквадратическое отклонение (с.к.о) для интервала времени составило ; относительное с.к.о . Среднеквадратическое отклонение для интервала времени относительное с.к.о . Standard deviation (RMS) for the time interval amounted to ; relative r.m.s. . Standard deviation for time interval relative r.m.s. .
В реальных условиях исследуемые потоки не является стационарными. Следуя предположению о том, что параметры системы изменяются достаточно медленно, взаимную корреляцию вычисляют в пределах фрейма, размер которого выбирают таким образом, исходя из числа уровней вейвлет-разложения сигналов.Under real conditions, the flows under study are not stationary. Following the assumption that the system parameters change slowly enough, the cross-correlation is calculated within the frame, the size of which is chosen in this way, based on the number of levels of the wavelet decomposition of the signals.
Блок нейронной сети 13 показан на Фиг.3. Нейронная сеть представляет собой многослойный персептрон (МСП). С выхода блоков вейвлет-преобразования сигналы поступают на блок экстремальных корреляторов. Задержки, соответствующие максимумам взаимной корреляции, поступают на блок нейронной сети. Block
Число узлов входного слоя определяется количеством уровней вейвлет-разложения: Первый скрытый слой МСП имеет восемь полно-связных нейронов с активационной функциейThe number of nodes in the input layer is determined by the number of levels of the wavelet decomposition: The first hidden layer of the MSP has eight fully connected neurons with an activation function
где ν – выходной сигнал сумматора нейрона, характеризующий его локальное поле, e ≈ 2,71828 – математическая константа. Выходной слой содержит два нейрона, которые формируют сигналы скорости движения жидкости и газа .where ν is the output signal of the neuron adder, characterizing its local field, e ≈ 2.71828 is a mathematical constant. The output layer contains two neurons that form fluid velocity signals. and gas .
Обучение МСП выполняют методом Левенберга-Маркварда обратного распространения ошибок по времени в режиме реального времени. Для обучения нейронной сети применяют два типа данных. Данные первого типа получают путем моделирования прохождения гамма-квантов через вещество.MSP training is performed by the Levenberg-Marquard method of error backpropagation over time in real time. Two types of data are used to train a neural network. Data of the first type are obtained by modeling the passage of gamma quanta through matter.
Способ измерения расхода двухфазного потока нефтяных скважин регламентирует следующие действия:The method for measuring the flow rate of a two-phase flow of oil wells regulates the following actions:
1. Детекторы регистрируют число гамма-квантов, полученных за время регистрации 2 мс двумя детекторами.1. The detectors register the number of gamma quanta received during the registration time of 2 ms by two detectors.
2. Формируют фреймы данных размером 1024 отсчетов.2. Form data frames with a size of 1024 samples.
3. Выполняют вейвлет-преобразование фреймов сигналов по формулам (3), (4) с использованием фильтров (2).3. Wavelet transform of signal frames is performed according to formulas (3), (4) using filters (2).
4. Вычисляют взаимную корреляционную функцию (7) в пространствах вейвлет-разложения.4. Calculate the cross-correlation function (7) in the spaces of the wavelet decomposition.
5. Определяют экстремальное значение корреляции в каждом масштабном пространстве вейвлет-разложения и скорости движения газа и жидкости.5. Determine the extreme value of the correlation in each scale space of the wavelet decomposition and the velocity of the gas and liquid.
6. Классифицируют фреймы данных с использованием нейронной сети и определяют плотность нефти и среднюю плотность нефти по формулам (8) и (9).6. Classify data frames using a neural network and determine the density of oil and the average density of oil according to formulas (8) and (9).
7. Вычисляют объемную долю газа и нефти в смеси по формуле (11).7. Calculate the volume fraction of gas and oil in the mixture according to formula (11).
8. Вычисляют объемный и массовый расход газа и жидкости по формулам (12) - (15).8. Calculate the volumetric and mass flow rate of gas and liquid according to formulas (12) - (15).
Краткое описание фигур. Brief description of the figures.
На прилагаемых к описанию фигурах дано:On the figures attached to the description it is given:
Фигура 1 показывает структурную схему устройства. Устройство имеет источник прямого излучения (1), который контролирует плотность потока (2) в центральной вертикали трубы (3). Детекторный блок (4) воспринимает гамма-кванты и генерирует импульсы, амплитуда которых пропорциональна энергии регистрируемого излучения, и разделяет каналы прямого и рассеянного излучения с помощью порога. К каналу рассеянного излучения приписываются импульсы с амплитудой, меньшей пороговой, и к каналу прямого излучения - более мощные импульсы. Обработка последовательностей импульсов, регистрируемых детектором, реализована программно в микропроцессоре (5) Figure 1 shows a block diagram of the device. The device has a direct radiation source (1), which controls the flux density (2) in the central vertical of the pipe (3). The detector unit (4) perceives gamma quanta and generates pulses, the amplitude of which is proportional to the energy of the detected radiation, and separates the channels of direct and scattered radiation using a threshold. Pulses with an amplitude less than the threshold are assigned to the scattered radiation channel, and more powerful pulses are assigned to the direct radiation channel. The processing of pulse sequences recorded by the detector is implemented in software in the microprocessor (5)
Фигура 2 показывает функции и фильтры Фейера-Коровкина, которые применяют для разложения и восстановления сигналов. Функции представляют масштабирующую функцию (6), вейвлет-функцию (7), и фильтры разложения - высокочастотный фильтр (8) и низкочастотный фильтр (9). Figure 2 shows the Feyer-Korovkin functions and filters that are used to decompose and reconstruct signals. The functions represent a scaling function (6), a wavelet function (7), and decomposition filters - a high-pass filter (8) and a low-pass filter (9).
Фигура 3 представляет структурную схему интеллектуальной системы измерения расхода двухфазного потока нефтяных скважин. Схема включает блок источников излучения (10), блок детекторов излучения (11), блок вейвлет-преобразования (12), блок нейронной сети (13) и блок расхода нефти и газа (14). Figure 3 is a block diagram of an intelligent two-phase flow measurement system for oil wells. The scheme includes a block of radiation sources (10), a block of radiation detectors (11), a wavelet transform block (12), a neural network block (13), and an oil and gas flow block (14).
Фигура 4 показывает взаимную корреляционную функцию двух сигналов радиоизотопных детекторов. Figure 4 shows the cross-correlation function of two radioisotope detector signals.
Фигура 5 представляет взаимную корреляционную функцию в масштабе 1 (15), в масштабе 2 (16) и в масштабе 4 (17) вейвлет разложения двух сигналов радиоизотопных детекторов. Figure 5 represents the cross-correlation function in scale 1 (15), scale 2 (16) and scale 4 (17) wavelet decomposition of two signals of radioisotope detectors.
Фигура 6 показывает взаимную вейвлет-корреляцию между сигналами двух детекторов излучения при скорости потока нефти 0,56 м/сек. Figure 6 shows the mutual wavelet correlation between the signals of two radiation detectors at an oil flow rate of 0.56 m/s.
Фигура 7. Взаимная вейвлет-корреляция между сигналами двух детекторов излучения при скорости потока нефти 0,28 м/сек. Figure 7. Mutual wavelet correlation between the signals of two radiation detectors at an oil flow rate of 0.28 m/s.
Пример: Источник излучения испускает коллимированный поток излучения. Источник излучения – радионуклид Цезий-137 (Cs'137). Стандартные блоки генерации γ-излучения (БГИ-60А), позволяют получать коллимированные пучки γ-излучения, имеющие небольшие углы рассеяния. Example: A radiation source emits a collimated beam of radiation. Radiation source - radionuclide Cesium-137 (Cs'137). Standard units for generating γ-radiation (BGI-60A) make it possible to obtain collimated beams of γ-radiation with small scattering angles.
Во время прохождения γ-излучения с энергией 400-800 кЭВ сквозь трубу, заполненную нефтью, при этом происходит взаимодействие γ-излучения с атомами вещества. Во время этого взаимодействия γ-квант происходит либо комптоновское рассеяние (потеря части энергии), либо фотоэлектрическое поглощение (потеря всей энергии). Соответственно происходил ослабление интенсивности потока γ-излучения по причине фотоэлектрического поглощения и выхода γ-квантов из контролируемой области по причине комптоновского рассеяния. Для регистрации γ-излучения были использованы кристалл NaI(Tl), фотоумножитель, электронный блок и фильтр, настроенный на прием γ-квантов с энергией 660 кэВ.During the passage of γ-radiation with an energy of 400-800 kEV through a pipe filled with oil, the interaction of γ-radiation with the atoms of matter occurs. During this γ-quantum interaction, either Compton scattering (loss of part of the energy) or photoelectric absorption (loss of all energy) occurs. Accordingly, there was a weakening of the intensity of the γ-radiation flux due to photoelectric absorption and the release of γ-quanta from the controlled region due to Compton scattering. To register γ-radiation, we used a NaI(Tl) crystal, a photomultiplier, an electronic unit, and a filter tuned to receive γ-quanta with an energy of 660 keV.
В настоящем примере было получено более 500 000 измерений на пустой трубе, на полностью заполненной нефтью трубе и на потоке нефти. Время регистрации составляло 4мс. В таблицах 2-4 приведены первые 10 результатов регистрации гамма-квантов, зарегистрированных приемником излучения. In the present example, more than 500,000 measurements were obtained on an empty pipe, on a pipe completely filled with oil, and on a stream of oil. The registration time was 4ms. Tables 2-4 show the first 10 results of registration of gamma quanta registered by the radiation detector.
Таблица 2 – Результаты регистрации γ-квантов на пустой трубеTable 2 - Results of registration of γ-quanta on an empty pipe
Таблица 3 – Результаты регистрации γ-квантов на заполненной трубеTable 3 - Results of registration of γ-quanta on a filled pipe
Таблица 4 – Результаты регистрации γ-квантов на потоке нефти в трубе Table 4 - Results of registration of γ-quanta on the oil flow in the pipe
Плотность нефти: , коэффициент линейного поглощения нефти , диаметр трубы 0.26 м, период регистрации . Базовое расстояние между приемниками излучения составило 0.5 м. Для вычисления корреляции результаты измерения были разделены на фреймы длительностью 4.1 с, содержащие 1024 отчета. Oil Density: ,oil absorption coefficient ,pipe diameter 0.26 m, registration period. The basic distance between the radiation receivers was 0.5 m. To calculate the correlation, the measurement results were divided into 4.1 s frames containing 1024 reports.
Первый опыт был проведен при движения потока нефти со скоростью 0.56 м/с. На фигуре 6 и 7 показаны значения корреляции между вейвлет-коэффициентами сигналов двух приемников излучения. На масштабах вейвлет-разложения, отвечающих за мелкие детали сигнала (соответствующих движению мелких пузырей), величина задержки была определена по максимуму корреляции. На фигуре 6 при максимальном значении корреляции 0.98 задержка составила 0.282 с (действительное значение задержки 0.28 с). На фигуре 7 при максимальном значении корреляции 0.98 задержка составила 0.142 с (действительное значение задержки 0.14 с). The first experiment was carried out with the oil flow moving at a speed of 0.56 m/s. Figures 6 and 7 show the correlation values between the wavelet coefficients of the signals of two radiation receivers. On the scales of the wavelet decomposition, which are responsible for the fine details of the signal (corresponding to the movement of small bubbles), the delay value was determined from the correlation maximum. In figure 6, at the maximum correlation value of 0.98, the delay was 0.282 s (the actual delay value is 0.28 s). In figure 7, at the maximum correlation value of 0.98, the delay was 0.142 s (the actual delay value is 0.14 s).
Объемный расход составляет следующую величину:The volume flow is as follows:
Массовый расход нефти: Mass flow of oil :
. .
Claims (5)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2793366C1 true RU2793366C1 (en) | 2023-03-31 |
Family
ID=
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN116202596A (en) * | 2023-04-27 | 2023-06-02 | 海默新宸水下技术(上海)有限公司 | Gamma empty pipe count real-time correction method |
RU223700U1 (en) * | 2023-01-18 | 2024-02-29 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-Производственная Компания Лаплас" | Multiphase flow meter |
Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO1996010172A1 (en) * | 1994-09-28 | 1996-04-04 | Ic Consultants Limited | Apparatus for analysing fluid flow |
NO304333B1 (en) * | 1988-09-01 | 1998-11-30 | Fluenta As | Method and instrument for measuring three-component medium |
RU2138023C1 (en) * | 1998-03-02 | 1999-09-20 | Мельников Владимир Иванович | Process determining flow rate of components of multiphase medium |
WO2000045133A1 (en) * | 1999-01-11 | 2000-08-03 | Flowsys As | Measuring multiphase flow in a pipe |
RU46091U1 (en) * | 2005-01-31 | 2005-06-10 | Лукьянов Эдуард Евгеньевич | DEVICE FOR MEASURING THE COMPONENT FLOW OF A THREE-COMPONENT GAS-LIQUID FLOW |
RU2301887C2 (en) * | 2005-01-31 | 2007-06-27 | Эдуард Евгеньевич Лукьянов | Measurement method and device for component flow-rate of three-component gas-and-liquid flow |
WO2012000645A1 (en) * | 2010-06-30 | 2012-01-05 | Services Petroliers Schlumberger | A multiphase flowmeter and liquid film measurement method |
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
NO304333B1 (en) * | 1988-09-01 | 1998-11-30 | Fluenta As | Method and instrument for measuring three-component medium |
WO1996010172A1 (en) * | 1994-09-28 | 1996-04-04 | Ic Consultants Limited | Apparatus for analysing fluid flow |
RU2138023C1 (en) * | 1998-03-02 | 1999-09-20 | Мельников Владимир Иванович | Process determining flow rate of components of multiphase medium |
WO2000045133A1 (en) * | 1999-01-11 | 2000-08-03 | Flowsys As | Measuring multiphase flow in a pipe |
RU46091U1 (en) * | 2005-01-31 | 2005-06-10 | Лукьянов Эдуард Евгеньевич | DEVICE FOR MEASURING THE COMPONENT FLOW OF A THREE-COMPONENT GAS-LIQUID FLOW |
RU2301887C2 (en) * | 2005-01-31 | 2007-06-27 | Эдуард Евгеньевич Лукьянов | Measurement method and device for component flow-rate of three-component gas-and-liquid flow |
WO2012000645A1 (en) * | 2010-06-30 | 2012-01-05 | Services Petroliers Schlumberger | A multiphase flowmeter and liquid film measurement method |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU223700U1 (en) * | 2023-01-18 | 2024-02-29 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-Производственная Компания Лаплас" | Multiphase flow meter |
CN116202596A (en) * | 2023-04-27 | 2023-06-02 | 海默新宸水下技术(上海)有限公司 | Gamma empty pipe count real-time correction method |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP3110048B2 (en) | Method and apparatus for analyzing two-phase flow | |
EP3350548B1 (en) | System and method for real-time flow measurement in pipelines using thz imaging | |
AU674141B2 (en) | Method and apparatus for the measurement of the mass flowrates of fluid components in a multiphase slug flow | |
US5597961A (en) | Two and three phase flow metering with a water cut monitor and an orifice plate | |
US7316166B2 (en) | Method and system for analyzing multi-phase mixtures | |
Zych et al. | Radioisotope investigations of compound two-phase flows in an open channel | |
RU2535638C2 (en) | System, method and installation for measurement of multi-phase flow | |
US8855263B2 (en) | Method and apparatus for determining volume fractions in a multiphase flow | |
US20220349738A1 (en) | Imaging system for analyzing a multiphase flow | |
NO20210978A1 (en) | Dual-beam multiphase fluid analysis systems and methods | |
CN105806424B (en) | A kind of multiphase flow does not separate on-line measurement device and its measurement method | |
Meribout et al. | A multisensor intelligent device for real-time multiphase flow metering in oil fields | |
Blaney et al. | Investigation of the exploitation of a fast-sampling single gamma densitometer and pattern recognition to resolve the superficial phase velocities and liquid phase water cut of vertically upward multiphase flows | |
WO2020005217A1 (en) | Apparatus for measuring multiphase fluid flows and related methods | |
Zhu et al. | Flow regime detection using gamma-ray-based multiphase flowmeter: A machine learning approach | |
RU2793366C1 (en) | Intelligent system and method for measuring the flow rate of a two-phase flow of oil wells | |
US20150226589A1 (en) | X-Ray Based Multiphase Flow Meter with Energy Resolving Matrix Detector | |
US10962393B2 (en) | Multiphase flow rate measurement with elliptical ultrasonic transceiver array | |
CN103076057B (en) | A kind of multiphase flow flowmeter | |
US11525719B2 (en) | Estimating flow velocity by harmonic excitation of injected microbubbles | |
Zedel et al. | Pulse coherent doppler profiler measurement of bedload transport | |
RU2406996C1 (en) | Method of determining water-bearing nature of emulsion | |
EP2739961A1 (en) | Method of estimating chordal holdup values of gas, oil and water for tomographic imaging of a three-phase flow through a volume | |
Stavland et al. | Multimodal analysis of gas-oil intermittent structures in co-current horizontal flow | |
WO2014035275A1 (en) | X-ray based multiphase flow meter with energy resolving matrix detector |