RU35830U1 - Устройство для измерения объемного расхода жидкости в трубопроводе - Google Patents

Description

zoo

ОБЪЕКТ - УСТРОЙСТВО

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ОБЪЕМНОГО РАСХОДА ЖИДКОСТИ В

о 8 3

3 г у

МПК Е 21 в 47/10, G 01 F1/00

ТРУБОПРОВОДЕ

О Полезная модель относится к области нефтедобычи и может быть использована для контроля объемного расхода жидкости, протекающей по трубопроводу скважин, оборудованных штанговыми глубинными (ШГН) или электроцентробежными (ЭЦН) насосами. Известно устройство для измерения объемного расхода при порционном движении жидкости в трубопроводе в процессе работы штангового глубинного насоса, с содержащее датчик-преобразователь аьсустических шумов, создаваемых движушеися жидкостью, протекающей через участок трубопровода фиксированного сечения, блок обработки, включаюшлй в себя формирователь сигналов порций жидкости, вентиль, генератор импульсов, счетчик, таймер, и цифровое табло (см. патент РФ №2140538, кл. Е 21 В 47/10, опубл. БИ №30 за 1999 г.). Недостатком является то, что устройство не работает при измерении объемного расхода непрерывного потока жидкости, создаваемого в процессе работы ЭЦН. В этом случае порционный режим прохождения жидкости в трубопроводе отсутствует и заложенный в устройстве принцип порционной обработки информации об объемном расходе не может быть использован. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является устройство для измерения объемного расхода жидкости в трубопроводе (см. патент РФ №2195633, кл. G 01 F1/66, опубл. БИ № 36 за 2002 г.), содержащее акустический датчик-преобразователь, блок обработки, включающий в себя пороговое устройство, формирователь сигналов порций жидкости, коммутатор, генератор импульсов, счетчик, таймер, модуль анализа амплитуд, состоящий из блока частотных фильтров и вычитающего устройства, и цифровое табло. Устройство позволяет проводить измерения объемного расхода жидкости в трубопроводе как при порционном, так и при непрерьшном режимах движения. Недостатком является то, что, во-первых, отсутствует возможность подключения устройства к системе телеметрии для обеспечения централизованного и оперативного сбора результатов измерений, а, во-вторых, результаты измерения объемного расхода жидкости в трубопроводе обладают значительной погрешностью измерения, обусловленной тем, что блок частотных фильтров модуля анализа амплитуд вьшолнен с применением фильтров, настроенных на выделение сигналов на заданных частотах, без учета возможного изменения частоты проявления акустических шумов, создаваемых жидкостью, протекающей через участок трубопровода фиксированного сечения, в результате изменения физико-химических свойств жидкости или конструктивных особенностей трубопровода и запорной арматуры. Техническая задача изобретения состоит в том, чтобы создать устройство комплексного измерения расхода жидкости в трубопроводе при эксплуатации скважин с ШГН и ЭЦН, позволяюшее уменьшить погрешность измерения, сократить число повторных, дублирующих измерений в условиях меняющегося состава жидкости или конструктивных особенностей трубопровода и запорной арматуры, обеспечить возможность подключения устройства к системе телеметрии для обеспечения централизованного и оперативного сбора результатов измерений. Поставленная техническая задача решается описываемой полезной моделью устройства для измерения объемного расхода жидкости в трубопроводе, содержащей акустический датчик-преобразователь, блок обработки, включающий в себя пороговое устройство, формирователь сигналов порций жидкости, коммутатор, генератор импульсов, счетчик, таймер и модуль анализа амплитуд, и цифровое табло. Новым является то, что, модуль анализа амплитуд, вьшолнен на базе предварительного усилителя, перестраиваемого фильтра, аналого-цифрового преобразователя, цифро-аналогового преобразователя, датчика температуры и блока анализа и управления, причем выход датчика-преобразователя соединен с входом предварительного усилителя, выход которого соединен с входом перестраиваемого фильтра, один выход которого подключен к аналого-цифровому преобразователю, а другой выход подключен к датчику температуры, выходы которых подключены к соответствуюш им входам блока анализа и управления, а вход управления частотой перестраиваемого фильтра через цифро-аналоговый преобразователь подключен к соответствующему выходу блока анализа и управления, соответствующий выход которого подключен к коммутатору, причем блок обработки содержит дополнительно блок задания режима измерения и модуль согласования с системой телеметрии, вход блока задания режима измерения подключен к выходу генератора импульсов, а соответствующие выходы к входам счетчика и модуля согласования с системой телеметрии.

Из доступных источников патентной и научно-технической литературы нам неизвестна заявленная совокупность отличительных признаков. Следовательно, предлагаемая полезная модель устройства отвечает критериям «Новизна и «Промышленная применимость.

На фиг.1 представлена блок-схема полезной модели устройства для измерения объемного расхода жидкости в трубопроводе.

На фиг.2 представлен спектр сигнала акустических шумов, создаваемых движением жидкости через трубопровод фиксированного сечения, и результат анализа разности амплитуд вьщеленных сигналов по прототипу (I - 0,9 кГц ... 1,1 кГц, 11 - 3,4 ... 4,0 кГц).

На фиг.З представлен спектр сигнала акустических шумов, создаваемых движением жидкости через трубопровод фиксированного сечения, и результат анализа разности амплитуд выделенных сигналов по предлагаемой полезной модели (I - 20 Гц ... 2,7 кГц, II-2,2... 4,0 кГц).

На фиг. 4 представлена зависимость относительной погрешности результатов измерений от скорости движения жидкости через трубопровод фиксированного сечения по прототипу и предлагаемой полезной модели.

Устройство для измерения объемного расхода жидкости в трубопроводе состоит из (см. фиг. 1) акустического датчика-преобразователя 1, блока обработки 2 и цифрового табло 3. Блок обработки 2, включает в себя пороговое устройство 4, формирователь сигналов порций жидкости 5, коммутатор 6, генератор импульсов 7, счетчик 8, таймер 9 и модуль анализа амплитуд 10. Новыми являются элементы, формирующие модуль анализа амплитуд 10, а именно: предварительный усилитель 11, перестраиваемый фильтр 12, аналого-цифровой преобразователь 13, цифро-аналоговый преобразователь 14, датчик температуры 15 и блок анализа и управления 16, а блок обработки 2 дополнительно содержит блок задания режима измерения 17 и модуль согласования с системой телеметрии 18.

Нринцип работы устройства для измерения объемного расхода рассмотрен на примере измерения объемного расхода нефтяных скважин.

Устройство для измерения расхода взаимодействует с верхней частью нефтяной скважины 19, к которой подсоединен выкидной трубопровод фиксированного сечения 20. К внешней части выкидного трубопровода фиксированного сечения 19 прикреплен акустический датчик-преобразователь 1 таким образом, чтобы обеспечивался

акустический контакт его с жидкостью, протекающей по выкидному трубопроводу фиксированного сечения 20.

Подача жидкости из нефтяной скважины 19 в выкидной трубопровод фиксированного сечения 20 осуществляется глубинным щтанговым насосом (ШГН) (на фиг. не показан) в виде порций, разделенных во времени.

При работе нефтяной скважины 19 с электроцентробежным насосом (ЭЦН) (на фиг. не показан) осуществляется непрерывная подача жидкости в выкидной трубопровод фиксированного сечения 20.

Прохождение жидкости по выкидному трубопроводу фиксированного сечения 20, на котором закреплен акустический датчик-преобразователь 1, вызывает появление специфических шумов. При появлении этих шумов акустический датчикпреобразователь 1 воспринимает их и преобразует в электричесвме сигналы переменного тока различной амплитуды со спектром частотных составляющих, лежащих в пределах 20 Гц-12 кГц.

Функционирование блоков устройства рассмотрено для двух режимов работы:

1. При измерении объемного расхода скважины с ШГП по трубопроводу фиксированного сечения 20 проходят порции жидкости с интервалом, пропорциональным частоте качаний станка-качалки, создающего возвратнопоступательные движения (вверх-вниз) плунжера насоса. Объем каждой порции и, следовательно, время ее прохождения по трубопроводу фиксированного сечения 20, где установлен акустический датчик-преобразователь 1, неодинаковы и зависят от наполнения плунжера жидкостью и пластовых условий в скважине. Преобразованные акустическим датчиком-преобразователем 1 в электрические сигналы Uum щумы от каждой порции жидкости поступают на вход 21 порогового устройства 4, в котором осуществляется их выделение над уровнем фоновых шумовых помех f/ф, возникающих в трубопроводе в результате работы устьевого оборудования скважины. С выхода 22 порогового устройства 4 сигналы порций жидкости поступают на вход 23 формирователя сигналов порций жидкости 5, который преобразует их в аналоговые сигналы постоянного тока и формирует из них порции потенциалов и„от одинаковой амплитуды и различной длительности Тт. С выхода 24 формирователя сигналов порций жидкости 5 эти сигналы подаются на вход 25 коммутатора 6, который в данном режиме работы скважины посылает их с выхода 26 на вход 27 генератора импульсов 7, выполненного по схеме генератора, частота импульсов которого меняется пропорционально поступающему на его вход управляющему напряжению. Каждый поступивший на вход Ч 27 генератора импульсов 7 потенциал и„от порции инициирует в нем генерацию пачки стандартных импульсов фиксированной частоты F, соответствующей объемному расходу Q жидкости через сечение трубопровода за единицу времени Число импульсов в пачке зависит от длительности Тт управляющего потенциала Unom- С выхода 28 генератора импульсов 7 эти импульсы подаются на вход 29 блока задания режима измерения 17, который задает режим измерения и последующего отображения информации. Возможны три режима измерения: 1) автономный - с отображением результатов измерений на цифровом табло 3, 2) стационарный - с подключением через модуль согласования с системой телеметрии 18 к системе телеметрии и передачей результатов измерений на пульт диспетчера, 3) стационарнопереносной - с подключением через модуль согласования с системой телеметрии 18 к системе телеметрии и передачей результатов измерений на пульт диспетчера и одновременным отображением результатов измерений на цифровом табло 3. В зависимости от выбранного режима измерения импульсы подаются с выхода 30 блока задания режима измерения 17 на вход 31 счетчика 8, который осуществляет их накопление, или с выхода 32 блока задания режима измерения 17 на вход 33 модуля согласования с системой телеметрии 18 с последующей передачей информация по системе телеметрии на пульт диспетчера. Временной цикл измерения Тц (час, сутки) задается таймером 9, с выхода 34 которого на управляющий вход 35 счетчика 8 подается разрешающий счет сигнал. По окончании временного цикла Тц, в течение которого на счетчик поступит N пачек импульсов, в счетчике 8 фиксируется число Q: Q,(4,cym} Y соответствующее объемному расходу за заданный временной цикл. Этот результат измерения с выхода 36 счетчика 8 поступает на вход 37 цифрового табло 3, на котором и индицируется. 2. При выполнении измерений расхода на нефтяной скважине 19 с ЭЦН, когда поток жидкости в выкидном трубопроводе фиксированного сечения 20 носит непрерывный характер, шумовой сигнал, снимаемый акустическим датчикомпреобразователем 1, также непрерывен и имеет различную амплитуду, зависящую от р(гшп/ о(У . V /сек) /сек} , Тп.(сек)р(У К(пачек} Тц(ч,сут) Ч скорости потока. Сигнал потока с широким спектром частотйЬк составляющих подается на вход 38 предварительного усилителя 11 модуля анализа амплитуд 10. С выхода 39 предварительного усилите.11я 11 сигнал потока поступает на вход 40 перестраиваемого фильтра 12, с выхода 41 которого выделенный этим фильтром сигнал и преобразованный затем в аналоговый сигнал постоянного тока поступает на вход 42 аналого-цифрового преобразователя 13. С выхода 43 аналого-цифрового преобразователя 13 преобразованный в цифровой вид сигнал поступает на вход 44 блока анализа и управления 16. Изменение резонансной частоты перестраиваемого фршьтра 12 осуществляют подачей сигнала управления резонансной частотой перестраиваемого фильтра 12 с выхода 45 блока анализа и управления 16 на вход 46 цифро-аналогового преобразователя 14, с выхода 47 которого сигнал подается на вход 48 управления резонансной частотой перестраиваемого фильтра 12. Для корректировки значения резонансной частоты перестраиваемого фильтра 12 при изменении температуры с выхода 49 перестраиваемого фильтра 12 на вход 50 датчика температуры 15 подается текущее значение температуры перестраиваемого фильтра 12, значение которого с выхода 51 датчика температуры 15 подается на вход 52 блока анализа и управления 16. Работа модуля анализа амплитуд 10 по предлагаемой полезной модели осуществляется следующим образом. В результате проведенных исследований установлено, что акустические шумы, создаваемые движением жидкости через трубопровод фиксированного сечения 20, проявляются в области частот 2,2 ... 4,0 кГц и характеризуются максимальной амплитудой в указанном диапазоне частот (см. фиг.З), причем частота проявления максимума акустических шумов зависит от физико-химических свойств жидкости или конструктивных особенностей трубопровода и запорной арматуры. При этом акустические щумы дополнительно содержат составляющие, которые характеризуют уровень собственных фоновых шумов трубопровода, характеризуемых минимальной амплитудой сигнала в диапазоне частот 20 Гц (минимальная частота преобразования акустических щумов в электрические сигналы) ... 2,2 кГц (установленная в интервале частот 2,2 кГц ... 4,0 кГц частота проявления максимума акустических шумов, создаваемые движением жидкости через трубопровод фиксированного сечения 20). А акустические шумы, проявляемые в области частот менее 0,8 кГц и иногда обладающие более высокой амплитудой, вызваны работой механических устройств. , Выделение сигнала, характеризуемого проявлением акустических шумов, создаваемых движением жидкости через трубонровод фиксированного сечения 20, и максимальной амплитудой, и сигнала, характеризуемого проявлением собственных фоновых акустических шумов трубопровода фиксированного сечения 20 и минимальной амплитудой, и последующее формирование абсолютных значений перепадов (разностей) амплитуд выделенных сигналов производится модулем анализа амплитуд 10 и осуществляется следующим образом. Путем изменения резонансной частоты перестраиваемого фильтра 12 в интервале частот 20 Гц (минимальная частота преобразования акустических шумов в электрические сигналы) ... 4,0 кГц блок анализа и управления 16 производит сканирование амплитуд сигналов, значения которых запоминаются блоком анализа и управления 16. Далее блок анализа и управления 16 в интервале частот 2,2 ... 4,0 кГц (см. фиг.З) производит определение амплитуды и частоты проявления сигнала, характеризуемого проявлением акустических шумов, создаваемых движением жидкости через трубопровод фиксированного сечения 20, путем последовательного сравнения вьщеленных амплитуд сигналов. После того как определена частота проявления сигнала, характеризуемого проявлением акустических шумов, создаваемых движением жидкости через трубопровод фиксированного сечения 20, блок анализа и управления 16 задает интервал частот 20 Гц (минимальная частота преобразования акустических шумов в электрические сигналы)... 2,2 кГц (установленная в интервале частот 2,2 кГц ... 4,0 кГц частота проявления сигнала, характеризуемого проявлением акустических щумов, создаваемых движением жидкости через трубопровод фиксированного сечения 20) и производит определение амплитуды сигнала, характеризуемого проявлением собственных фоновых акустических шумов трубопровода фиксированного сечения 20 и минимальной амплитудой. Затем в блоке анализа и управления 16 производится формирование абсолютных значений перепадов (разностей) амплитуд выделенных сигналов. С выхода 53 блока анализа и з правления 16 эти перепады амплитуд проходят на вход 54 коммутатора 6, установленного на режим работы с ЭЦН, и с его выхода 26 подаются на вход 27 генератора импульсов 7. Частота генерируемых импульсов, соответствующая объемному расходу жидкости, протекающей через трубопровод фиксированного сечения 20 в единицу времени, меняется в зависимости от величины перепада (разности) амплитуд акустических сигналов, пропорционально объемному расходу. С выхСЙЙ 28 генератора импульсов 7 непрерывная последовательность 1

стандартных импульсов, следующих с различной частотой, поступает на вход 29 блока задания режима измерения 17.

В зависимости от выбранного режима измерения импульсы подаются с выхода 30 блока задания режима измерения 17 на вход 31 счетчика 8, который осуществляет их накопление, или с выхода 32 блока задания режима измерения 17 на вход 33 модуля согласования с системой телеметрии 18 с последующей передачей информация по системе телеметрии на пульт диспетчера.

Число импульсов, накопленное в счетчике 8 за данный временной цикл, организуемый по входу 35 счетчика 8 таймером 9, с выхода 36 счетчика 8 подается на вход 37 цифрового табло 3, где и индицируется в виде величины объемного расхода.

При этом выделение сигнала, характеризуемого проявлением акустических шумов, создаваемых движением жидкости через трубопровод фиксированного сечения 20, и максимальной амплитудой, и сигнала, характеризуемого проявлением собственных фоновых акустических шумов трубопровода фиксированного сечения 20 и минимальной амплитудой, и последующее формирование абсолютных значений перепадов (разностей) амплитуд вьщеленных сигналов производится непрерывно в течение всего временного цикла измерения.

Изменение элементов, формирующих модуль анализа амплитуд, в соответствии с предлагаемой полезной моделью позволяет примерно в 2 раза повысить точность выделения сигнала, характеризуемого проявлением собственных фоновых акустических щумов трубопровода фиксированного сечения (см. фиг. 2 точка А и фиг. 3 точка С), и сигнала, характеризуемого проявлением акустических шумов, создаваемых движением жидкости через трубопровод фиксированного сечения (см. фиг.2 точка В и фиг. 3 точка D), а, следовательно, уменьшить погрешность результатов измерения скорости движения жидкости через трубопровод фиксированного сечения, и связанного с ним объемного расхода жидкости, от 1,5 до 2,5 раз (см. фиг.4).

Использование предлагаемой полезной модели устройства для измерения объемного расхода жидкости в трубопроводе позволяет осуществлять комплексное измерение объемного расхода скважин с ШГН и ЭЦН. При этом в режиме работы с ЭЦП уменьщается погрешность результатов измерения от 1,5 до 2,5 раз, что соьфащает число повторных, дублирующих измерений в условиях периодически меняющегося состава жидкости или конструктивных особенностей трубопровода и запорной арматуры, а обеспечение возможности подключения устройства к системе телеметрии позволяет обеспечить централизованный, оперативный себестоимость промысловых измерений. сбор результатов измерений и снизить

Claims (1)

1. Устройство для измерения объемного расхода жидкости в трубопроводе, содержащее акустический датчик-преобразователь, цифровое табло и блок обработки, включающий в себя пороговое устройство, формирователь сигналов порций жидкости, коммутатор, модуль анализа амплитуд, генератор импульсов, счетчик и таймер, отличающееся тем, что модуль анализа амплитуд выполнен на базе предварительного усилителя, перестраиваемого фильтра, аналого-цифрового преобразователя, цифроаналогового преобразователя, датчика температуры и блока анализа и управления, причем выход датчика-преобразователя соединен с входом предварительного усилителя, выход которого соединен с входом перестраиваемого фильтра, один выход которого подключен к аналого-цифровому преобразователю, а другой выход подключен к датчику температуры, выходы которых подключены к соответствующим входам блока анализа и управления, а вход управления частотой перестраиваемого фильтра через цифроаналоговый преобразователь подключен к соответствующему выходу блока анализа и управления, соответствующий выход которого подключен к коммутатору, причем блок обработки содержит дополнительно блок задания режима измерения и модуль согласования с системой телеметрии, вход блока задания режима измерения подключен к выходу генератора импульсов, а соответствующие выходы - к входам счетчика и модуля согласования с системой телеметрии.