Расходомер кориолиса для измерения плотности материала и способ эксплуатации расходомера кориолиса - RU2229102C2
Код документа: RU2229102C2
Чертежи
Описание
Предпосылки к созданию изобретения
Область использования изобретения
Настоящее изобретение относится к массовым расходомерам, действующим на принципе Кориолиса. Более конкретно, массовые расходомеры Кориолиса содержат средства самодиагносцирования, которые позволяют повысить точность измерений при работе с двухфазными потоками, включая смеси газа и жидкости, или при распознавании измерений, на которые могут пагубно действовать отложения неочищенного парафина или воска внутри измерительного прибора.
Известный уровень техники
Расходомерами Кориолиса измеряют непосредственно массовый расход потока в трубопроводе. Как принято в данной области техники и как, например, описано в патенте США № 4491025 (выданном на имя Дж.И. Смита и др. 1 января 1985 г.) и в заменяющем патенте № 31450 (выданном на имя Дж.И. Смита 11 февраля 1982 г., который далее будет упоминаться как патент США № Re 31450), эти расходомеры содержат одну или более трубок прямолинейной или изогнутой конфигурации. Каждая конфигурация расходомерной трубки массового расходомера Кориолиса обладает рядом видов собственных колебаний, которые могут представлять собой простой изгиб, кручение или их сочетание. Поток текучей среды поступает в расходомер из расположенного рядом трубопровода на входе, проходит по трубке или расходомерным трубкам и выходит из расходомера через выход расходомера. Виды собственных колебаний вибрирующей системы, заполненной текучей средой, определяются частично суммарной массой расходомерных трубок и текучей средой в этих трубках. Каждой расходомерной трубке сообщают колебания с резонансной частотой, соответствующей частоте одного из этих видов собственных колебаний.
Когда текучая среда в расходомерной трубке неподвижна, все точки вдоль расходомерной трубки колеблются в одинаковой фазе. Когда текучая среда начинает двигаться, ускорения Кориолиса понуждают каждую точку вдоль расходомерной трубки двигаться в другой фазе. Фаза на входе расходомерной трубки отстает от генератора колебаний, в то время как фаза на выходе опережает генератор колебаний. Датчики могут быть размещены на расходомерной трубке для воспроизведения синусоидальных сигналов, представляющих движение расходомерной трубки. Разность фаз сигналов двух датчиков пропорциональна удельному массовому расходу потока текучей среды в расходомерной трубке. Проблема, усложняющая процедуру таких измерений, заключается в том, что плотность текучей среды, расход которой обычно измеряют, колеблется. Изменения плотности текучей среды вызывают изменения частоты собственных колебаний. А так как система контроля расходомера поддерживает резонанс, частота колебаний тоже изменяется; удельный массовый расход в таких условиях пропорционален отношению разницы фаз к частоте колебаний.
В патенте США № Re 31450 описан расходомер Кориолиса, который позволяет исключить необходимость в измерении разницы фаз и частоты колебаний. Разницу фаз определяют путем измерения задержки по времени между пересечениями двух синусоидальных сигналов в одном уровне. Когда используют этот способ, различия по частоте колебаний гасятся, и удельный массовый расход пропорционален измеренной задержке по времени. Этот способ измерения далее будет называться "измерением задержки по времени".
Проблема использования современных расходомеров Кориолиса заключается в ограниченной возможности применения их для определения расхода газа. Газы обладают меньшей плотностью, чем жидкости, и, следовательно, при тех же скоростях потоков возникают меньшие ускорения Кориолиса. В альтернативном случае расходомер с обычной чувствительностью можно было бы использовать, если скорость потока увеличить для достижения тех же значений ускорения Кориолиса. К сожалению, такая альтернатива ведет к тому, что расходомер будет обладать непостоянной чувствительностью.
Проблемы, связанные с определением расхода газа при использовании расходомеров Кориолиса, усугубляются при работе с многофазными потоками, содержащими жидкости и газ. Газ вызывает демпфирование системы, в результате чего снижается чувствительность при измерениях. Этот демпфирующий эффект может быть столь сильным, что оказывается невозможным измерение расхода потока прибором.
Условия, в которых используют расходомеры Кориолиса для измерения многофазных потоков, часто возникают в нефтяной промышленности, где из нефтяных скважин выходят нефть, газ и вода. Аналогичным образом, из газовых скважин выходят газ, конденсат и вода. В патенте США № 5654502 описана система испытаний скважин, где коллектор скомпонован так, чтобы добываемый поток от отобранной скважины проходил через испытательный сепаратор, которым добытую продукцию из этой скважины делят на соответствующие части, включающие газ, нефть или конденсат и воду. Расходомер Кориолиса используют для измерения удельного массового расхода потока соответствующих компонентов: нефти и воды. Точность измерений, производимых расходомером, повышают путем использования измерений, выполняемых электронным способом, содержания воды для корректирования измеренной плотности выделенной нефтяной фазы на остаточное содержание воды. Эта корректирующая процедура сложна или ее невозможно использовать в некоторых условиях, так как не все скважины оборудованы сепараторами для испытаний. Иногда желательно производить измерения потока из скважины напрямую без использования сепаратора для испытаний или без дополнительных затрат, вызванных его использованием. В этих условиях наличие газа в системе может оказаться ограничивающим фактором, оказывающим пагубное воздействие на точность измерений, которые можно получить при использовании расходомера.
В патенте США № 5029482 описан способ использования эмпирически установленных зависимостей, которые получены при пропуске комбинированных потоков газа и жидкости, имеющих известное массовое содержание соответствующих компонентов газа и жидкости, через расходомер Кориолиса. Эмпирически установленные зависимости затем используют для вычисления процентного содержания газа и жидкости в комбинированном потоке газа и жидкости с неизвестным процентным содержанием газа и жидкости при прямых измерениях общего массового расхода потока расходомером Кориолиса. В патенте № 5029482 не приведены объяснения, касающиеся поправок на влияние газового демпфирования на измерения в системе, хотя этот эффект демпфирования может оказывать влияние на эмпирически полученные зависимости.
В соответствии с этим существует реальная потребность в расходомере Кориолиса, который был бы менее чувствителен к влиянию газового демпфирования на измерения плотности многофазного потока.
Сущность изобретения
Настоящим изобретением преодолены проблемы, описанные выше, и улучшен способ измерения путем создания расходомера Кориолиса, который менее чувствителен к влиянию газового демпфирования на измерения плотности многофазного потока. Электронные средства расходомера запрограммированы на специальную обработку данных, при которой сравнивают усиление приводного сигнала с пороговым значением, которое используют в качестве индикатора многофазного потока.
Расходомер Кориолиса можно широко использовать в качестве вибрационного плотномера при работе с многофазными потоками, включающими сочетания газа и жидкостей, газа и твердых веществ или твердых веществ и жидкостей. Расходомер содержит, по меньшей мере, одну расходомерную трубку и генератор колебаний для сообщения колебаний расходомерной трубке с основной частотой, соответствующей плотности материала, протекающего по расходомерной трубке. Электронный измерительный блок расходомера контролирует усиление приводного сигнала привода трубки для того, чтобы обнаружить изменение значения для установления наличия многофазного потока, протекающего через упомянутую расходомерную трубку. Это изменение значения обычно наблюдают при сравнении с пороговым значением, когда многофазный поток, содержащий газ и жидкость, обнаруживают по усилению приводного сигнала, превышающего пороговое значение. Второе сравнение может быть сделано со вторым пороговым значением для установления наличия многофазного потока, содержащего газ и твердые вещества, жидкость и твердые вещества или жидкость, газ и твердые вещества, которые могут демонстрировать сходное демпфирующее влияние на системы, состоящие из газа и жидкости. Электронный измерительный блок откликается на наличие многофазного потока в трубке в течение всего времени наличия многофазного потока. Этот отклик заключается обычно в нахождении ретроспективных значений плотности для использования их в определении объемных расходов по значениям удельного массового расхода, выдаваемым расходомером в настоящий момент времени. Другие значения плотности, пригодные для использования в течение интервала времени наличия демпфированного многофазного потока, могут включать измерения плотности, полученные по отобранным компонентам многофазного потока.
Ретроспективные значения плотности для использования в течение интервала времени наличия демпфированного многофазного потока обычно усредняют на интервале времени для получения среднего значения плотности. Эти значения могут также быть подвергнуты статистическому анализу для исключения резко отличающихся значений или для снижения их влияния на среднее значение плотности. В качестве альтернативы использования ретроспективных данных измерений, значения плотности для репрезентативных текучих сред могут быть получены при лабораторных измерениях или из эмпирически выведенных соотношений для определения свойств текучих сред, включая плотность.
Расходомер Кориолиса предназначен для использования в любых условиях, где существует многофазный поток, причем многофазный поток определяют как поток, включающий, по меньшей мере, два состояния материи: твердое, жидкое или газообразное. Расходомер особенно пригоден для работы с многофазными системами, включающими газ и жидкость или газ и твердые вещества. Эти условия являются особенно обычными в нефтяной промышленности, где продуктивная нефтяная или газовая скважина может выдавать туман, пузырьки или другие многофазные жидкостные системы. Расходомер особенно пригоден для выполнения испытаний скважин для определения объемных расходов скважины по воде, газу и нефти или конденсату. В таких условиях электронный измерительный блок расходомера может предпринять действия для преодоления проблемы газового демпфирования непосредственно путем увеличения обратного давления в скважине для понуждения газа переходить в раствор или путем определения аварийных условий, требующих вмешательства оператора.
Изобретение также относится к программному обеспечению управления, включающему инструкции для выполнения задач изобретения. Инструкции особенно хорошо работают, когда выполняются процессором для получения на входе сигналов усиления колебаний от расходомера Кориолиса и на обработку входных сигналов усиления колебаний для определения наличия многофазного потока при проходе его через расходомер Кориолиса путем сравнения входных сигналов усиления колебаний с пороговым значением, указывающим на наличие многофазного потока, и для обеспечения выходных сигналов, включающих ретроспективные значения плотности, не представляющие действительные измерения плотности в течение всего времени наличия многофазного потока. Эти инструкции хранят в считываемой запоминающей среде машины для извлечения информации, если это необходимо.
Первым аспектом настоящего изобретения является расходомер Кориолиса, содержащий электронный измерительный блок для контроля за усилением сигнала привода для обнаружения изменения значения для установления наличия многофазного потока, проходящего по меньшей мере по одной расходомерной трубке расходомера. В ответ на установление наличия многофазного потока материала, протекающего по расходомерной трубке, электронный измерительный блок определяет плотность материала на основании одного или более запомненных значений плотности вместо определения плотности на основании сигналов датчика.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения электронный измерительный блок дополнительно скомпонован так, чтобы осуществлять контроль за усилением сигнала привода для определения того, действительно ли материал больше не содержит многофазный поток, и если материал больше не содержит многофазный поток, то определяют плотность материала на основании одного из сигналов датчика вместо определения плотности материала на основании по меньшей мере одного запомненного значения плотности.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения электронный измерительный блок скомпонован для определения того, превышает ли усиление приводного сигнала первое пороговое значение, определяющее, что многофазный поток включает в себя газ и жидкости.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения электронный измерительный блок дополнительно скомпонован так, чтобы определить, превышает ли усиление сигнала привода второе пороговое значение, определяющее, что многофазный поток включает в себя жидкость и твердое вещество.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения электронный измерительный блок дополнительно скомпонован так, чтобы усреднять ретроспективные измерения плотности на интервале времени для определения плотности, если материал содержит многофазный поток.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения электронный измерительный блок дополнительно скомпонован так, чтобы применять статистический анализ к ретроспективным измерениям плотности для уменьшения влияния резко отличающихся значений измерений.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения электронный измерительный блок дополнительно скомпонован так, чтобы обрабатывать измерения плотности, полученные при лабораторных измерениях, для определения плотности, если материал содержит многофазный поток.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения расходомер дополнительно содержит контроллер, скомпонованный так, чтобы закрывать клапан для приостановления испытания во время истечения текучей среды из продуктивной скважины в ответ на определение наличия многофазного потока.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения расходомер дополнительно содержит средство для выдачи сигнала оповещения о наличии многофазного потока.
Вторым аспектом настоящего изобретения является способ эксплуатации расходомера Кориолиса для измерения плотности материала, включающий в себя этапы, на которых обеспечивают колебания по меньшей мере одной расходомерной трубки расходомера Кориолиса, обеспечивают генерирование сигналов датчиков, которые являются показателями движения по меньшей мере одной расходомерной трубки, когда материал протекает по меньшей мере по одной расходомерной трубке, и определяют плотность материала, протекающего по меньшей мере по одной расходомерной трубке, на основании одного из упомянутых сигналов датчиков, в соответствии с изобретением способ включает в себя этапы, на которых осуществляют контроль за усилением сигнала привода, чтобы определить, содержит ли материал многофазный поток, и если материал содержит многофазный поток, то определяют плотность материала на основании по меньшей мере одного запомненного значения плотности вместо определения плотности материала на основании одного из упомянутых сигналов датчиков.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения способ дополнительно содержит этап контроля за упомянутым усилением сигнала привода для определения того, действительно ли материал больше не содержит многофазный поток, и если материал больше не содержит многофазный поток, то определяют плотность материала на основании одного из упомянутых сигналов датчиков вместо определения плотности материала на основании по меньшей мере одного запомненного значения плотности.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения контроль за усилением сигнала привода включает в себя сравнение упомянутого усиления сигнала привода с первым пороговым значением, чтобы определить, превышает ли упомянутое усиление сигнала привода первое пороговое значение, определяющее, что многофазный поток включает в себя газ и жидкости.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения этап сравнения включает в себя сравнение упомянутого усиления сигнала привода со вторым пороговым значением, определяющим, что многофазный поток включает в себя жидкость и твердое вещество.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения этап определения плотности материала на основании по меньшей мере одного запомненного значения плотности дополнительно включает в себя этап, на котором усредняют ретроспективные измерения плотности на интервале времени для определения плотности.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения этап усреднения ретроспективных измерений плотности дополнительно включает в себя этап применения статистического анализа к упомянутым ретроспективным измерениям плотности для уменьшения влияния резко отличающихся значений.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения этап определения плотности материала на основании по меньшей мере одного запомненного значения плотности дополнительно включает в себя обработку измерений плотности, полученных при лабораторных измерениях, для определения плотности.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения дополнительно закрывают клапан для приостановления испытания во время истечения текучей среды из продуктивной скважины в ответ на установление наличия многофазного потока.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения дополнительно выдают оповещение, указывающее на наличие многофазного потока.
Краткое описание чертежей
На Фиг.1 представлен расходомер Кориолиса,
на Фиг.2 представлена блок-схема электронного измерительного блока расходомера Кориолиса,
на Фиг.3 представлен схематический вид системы, содержащей вибропружину и груз,
на Фиг.4 представлен схематический вид системы, содержащей вибропружину и груз, представленной на Фиг.3, но дополнительно содержащей газовый демпфер, действующий аналогично газу в системе многофазного потока,
на Фиг.5 представлена диаграмма зависимости коэффициента прохождения от частоты вибрации, включающая сравнение гипотетической жидкостной системы с гипотетической жидкостной системой, демпфированной путем добавления газового компонента в многофазный поток,
на Фиг.6 представлена диаграмма изменения усиления приводного сигнала во времени в случае входа проходящего пузыря газа в трубку, который требует внесения поправок,
на Фиг.7 представлена блок-схема процесса управления, демонстрирующая способ внесения поправок в случае входа проходящего пузыря газа в трубку, показанного на Фиг.6,
на Фиг.8 представлена блок-схема системы испытания скважины, включающая схему управления, которая может выполнять способ, проиллюстрированный на Фиг.7.
Подробное описание предпочтительного варианта исполнения
Расходомер Кориолиса (см. Фиг.1)
На Фиг.1 показан расходомер Кориолиса 5, содержащий расходомер 10 в сборе и электронный измерительный блок 20. Электронный измерительный блок 20 соединен с узлом 10 расходомера посредством каналов 100 для обеспечения канала 26 информацией о плотности, удельном массовом расходе, объемном расходе, суммированном массовом расходе и другой информацией. Квалифицированным специалистам в данной области должно быть понятно, что настоящее изобретение может быть использовано с любым типом расходомера Кориолиса, независимо от количества генераторов колебаний или количества датчиков (тензодатчиков).
Узел 10 расходомера содержит пару фланцев 101 и 101', коллектор 102 и расходомерные трубки 103А и 103В. К расходомерным трубкам 103А и 103В присоединены генератор 104 колебаний и датчики 105 и 105'. Жесткие связи 106 и 106' служат для определения осей W и W', относительно которых колеблются расходомерные трубки 103А и 103В.
Когда узел 10 расходомера устанавливают на трубопроводе (не показан), по которому пропускают материал, расход которого измеряют, материал входит в узел 10 расходомера через фланец 101, проходит через коллектор 102, где материал направляется на вход в расходомерные трубки 103А и 103В, проходит по расходомерным трубкам 103А и 103В и возвращается в коллектор 102, где материал выходит из узла 10 расходомера через фланец 101'.
Расходомерные трубки 103А и 103В выбирают и соответствующим образом устанавливают на коллекторе 102 так, чтобы они имели по существу одинаковые значения массового распределения, моментов инерции и модулей упругости относительно осей изгиба W-W и W'-W' соответственно. Расходомерные трубки направлены наружу от коллектора и расположены по существу параллельно друг другу.
Расходомерным трубкам 103А и 103В сообщают колебания генератором 104 колебаний в противоположных направлениях относительно их соответствующих осей изгиба W и W' и в том месте, которое называют первым участком после перегиба расходомера. Генератор 104 колебаний может содержать одно или множество хорошо известных устройств, например магнит, установленный на расходомерной трубке 103А, и противолежащую катушку, установленную на расходомерной трубке 103В. Через противолежащую катушку пропускают переменный ток, в результате чего обеим расходомерным трубкам сообщают колебания. Соответствующий приводной сигнал подают от электронного измерительного блока 20 по каналам 110 к генератору 104 колебаний.
Описание Фиг.1 приведено как пример действия расходомера Кориолиса и не предназначено для ограничения существа настоящего изобретения. Настоящее изобретение равным образом применимо к другим типам расходомеров Кориолиса, включая расходомеры с одной трубкой, а также к расходомерам, содержащим множество датчиков для съема замеров или множество генераторов колебаний.
Электронный измерительный блок 20 принимает сигналы скорости справа и слева, подаваемые по каналам 111 и 111' соответственно. Электронный измерительный блок 20 вырабатывает сигнал привода и подает его по каналу 110, вынуждая генератор колебаний 104 сообщать колебания расходомерным трубкам 103А и 103В. В соответствии с настоящим изобретением, описанным здесь, можно вырабатывать множество приводных сигналов от множества генераторов колебаний. Электронный измерительный блок 20 обрабатывает левый и правый сигналы скорости для вычисления удельного массового расхода и обеспечивает систему проверки достоверности настоящего изобретения. Канал 26 представляет входные и выходные средства, которые позволяют обеспечивать связь электронного измерительного блока 20 с оператором.
Электронный измерительный блок 20 (см. Фиг.2)
На фиг.2 показана блок-схема компонентов электронного измерительного блока 20, с помощью которого выполняют процесс, относящийся к настоящему изобретению. По каналам 111 и 111' передают левый и правый сигналы скорости от расходомера в сборе 10 в электронный измерительный блок 20. Сигналы скорости принимает аналого-цифровой преобразователь (A/D) 203 в электронном измерительном блоке 20. Аналого-цифровой преобразователь (A/D) 203 преобразует левый и правый сигналы скорости в цифровые сигналы, используемые процессором 201, и передает цифровые сигналы по каналу 213 в шину 210 ввода-вывода (I/O). Цифровые сигналы передаются по шине 210 ввода-вывода в процессор 201. Сигналы генератора колебаний передаются по шине 210 ввода-вывода в канал 212, который передает сигналы в цифроаналоговый преобразователь (D/A) 202. Аналоговые сигналы от цифроаналогового преобразователя (D/A) 202 передаются к генератору колебаний 104 по каналу 110. Канал 26 соединен с шиной 210 ввода-вывода (I/O) и передает сигналы вводным и выводным средствам (не показаны), которые позволяют электронному измерительному блоку 20 принимать данные от оператора и передавать данные оператору.
Процессор 201 считывает инструкции по выполнению различных функций расходомера, включая, но не ограничивая этим, вычисление удельного массового расхода материала, вычисление объемного расхода материала и вычисление плотности материала, с постоянного запоминающего устройства (ROM) (ПЗУ) 220 по каналу 221. Данные, а также инструкции для выполнения различных функций хранятся в оперативном запоминающем устройстве (RAM) (ОЗУ) 230. Процессор 201 выполняет операции считывания и записи в ОЗУ 230 по каналу 231. В широком смысле электронный измерительный блок 20 содержит дополнительный управляющий аппарат и другие процессоры, которые могут быть по выбору присоединены к электронному измерительному блоку 20 посредством канала 26.
Вычисление плотности жидкости
На Фиг.3 показан недемпфированный динамический узел 300 пружины, который действует по тем же физическим законам, что и трубки 103А и 103В расходомера Кориолиса 5 (см. Фиг.1) при однофазном потоке. Пружина 302 подвешена к опоре 304 и на пружине весит груз 306. Груз 306 колеблется, или вибрирует, вдоль траектории, параллельной двухсторонней стрелке 308. Собственную частоту колебаний fn сборки 300 можно представить уравнением
где Ks - константа пружины 302,
m - масса груза 306.
В случае расходомера Кориолиса 5 m представляет собой суммарный вес расходомерных трубок 103А и 103В и массу материала внутри трубок.
Когда уравнение (1) применяют в отношении расходомерных трубок 103А или 103В, оно принимает вид
где А и В - тарировочные константы, определяемые обычным образом для расходомеров Кориолиса,
ρ - плотность среды, протекающей по расходомерной трубке,
fn - собственная частота колебаний.
Таким образом, зная собственную частоту колебаний, можно определить плотность текучей среды.
Расходомерами Кориолиса определяют удельный массовый расход путем измерения кручения Кориолиса колеблющейся сенсорной трубки, например одной из расходомерных трубок 103А и 103В (см. Фиг.1). Колебания сенсорной трубки вызывают изменения углового момента текучей среды или текучих сред, протекающих по трубке. Сила кручения Кориолиса относительно мала, а трубки относительно жесткие. Для того чтобы вынудить расходомерные трубки 103А и 103В колебаться с достаточно большой амплитудой, чтобы сделать силу кручения Кориолиса обнаруживаемой, электронный измерительный блок 20 сообщает приводное напряжение для возбуждения катушки 104, с помощью которой сообщают колебания расходомерным трубкам 103А и 103В с их собственной частотой колебаний. Таким образом, процессор 201 (см. Фиг.2) обеспечивает выходной сигнал, который постоянно максимизирует коэффициент прохождения, или усиление приводного сигнала, обычным для расходомеров Кориолиса способом. Например, приводное напряжение обычно увеличивают, когда коэффициент прохождения, или усиление приводного сигнала, понижается. В то же самое время приводное напряжение не может быть увеличено выше некоторого максимального значения, или, в противном случае, напряжение в конце концов может стать слишком большим, в результате чего расходомер может быть поврежден от слишком высокого напряжения или слишком большой амплитуды колебаний.
Влияние демпфирования газа на систему
На Фиг.4 показан демпфированный динамический узел 400, состоящий из пружины и груза, который действует в соответствии с теми же физическими законами, что и расходомерные трубки 103А и 103В расходомера Кориолиса 5 (см. Фиг.1), когда поток представляет собой многофазную среду, содержащую газ и жидкость. Там где это можно, позиции одинаковых элементов, представленных на Фиг.3, сохранены на Фиг.4. Фиг.4 отличается от Фиг.3 тем, что на Фиг.4 добавлен демпфер 402, оказывающий влияние, выражающееся в снижении амплитуды колебаний вдоль направления, обозначенного стрелкой 308. Уравнения (1) и (2) остаются применимыми к системе, изображенной на Фиг.4, но общее усиление приводного сигнала меньше из-за наличия демпфера 402.
На Фиг.5 представлена диаграмма гипотетических данных, демонстрирующая практическое влияние газового демпфирования на ответную частоту колебаний расходомерных трубок 103А и 103В расходомера Кориолиса 5 (см. также Фиг.1). Диаграмма коэффициента прохождения построена как функция частоты переменного напряжения, подаваемого на катушку генератора колебаний 104, например, при частотах f0, f1 и f2. Коэффициент прохождения Тr равен выходному сигналу датчика, деленному на входной сигнал генератора колебаний, т.е. Тr - это коэффициент усиления приводного сигнала:
где Vac Катушки датчика - переменное напряжение в каналах 111 и 111', идущее от датчиков 105 и 105',
Vac Катушки генератора - переменное напряжение в канале 110, подаваемое к катушке генератора колебаний 104.
Эти напряжения можно регулировать пропорционально посредством калибровочной константы для вычисления разниц в масштабе между катушкой генератора колебаний 104 и датчиками 105 и 105'. Первая кривая 500 соответствует недемпфированной системе, описываемой уравнением (1) и Фиг.3, т.е. газ не присутствует в текучей среде, расход которой измеряют. Вторая кривая 502 соответствует демпфированной системе, описываемой уравнением (3). Обе кривые 500, 502 имеют оптимальные значения 504 и 504' соответственно при собственной частоте колебаний fn. Область 506 кривых 500 и 502 слева от fn представляет ситуацию, при которой колебания расходомерных трубок 103А и 103В (см. Фиг.1) совпадают по фазе. Область 508 кривых 500 и 502 справа от fn представляет ситуацию, при которой колебания расходомерных трубок 103А и 103В (см. Фиг.1) не совпадают по фазе. Оптимальную точку 504' значительно сложнее определить, чем оптимальную точку 504 из-за уменьшенной амплитуды оптимальной точки 504'. Так как амплитуда уменьшается из-за газового демпфирования, расходомером Кориолиса 5 (см Фиг.1) невозможно далее эффективно осуществлять измерение потока из-за понижения чувствительности расходомера.
Электронный измерительный блок 20 предназначен для наблюдения за усилением приводного сигнала, или коэффициентом прохождения, и для оптимизации амплитуды коэффициента прохождения, основанного на отношении напряжения на катушке датчика к напряжению на катушке генератора колебаний. Эту оптимизацию выполняют на основании анализа угла наклона кривой 500. Например, первая передняя разница, полученная из новых данных, возникших в результате более высокой частоты колебаний катушки генератора колебаний, дает угол наклона, имеющий нулевое значение (оптимизированное условие), отрицательное значение (область 508) или положительное значение (область 506). Затем электронный измерительный блок повышает или понижает частоту колебаний, в зависимости от потребности, определяемой углом наклона, соответствующим данным, до тех пор, пока не будет достигнут оптимальный коэффициент прохождения. На Фиг.6 представлена диаграмма гипотетических данных, показывающих взаимосвязь между усилением приводного сигнала во времени для случая 600, когда проходящий газовый пузырь входит в расходомер Кориолиса 5 (см. Фиг.1) в момент времени 602 и выходит в момент времени 604. Усиление приводного сигнала выражено в процентах (см. Фиг.6) и кривая построена как функция времени на интервалах, например, t1, t2 и t3. В соответствии с концепцией настоящего изобретения процессор 201 (см. также Фиг.2) запрограммирован на введение порогового значения 606, основанного на усилении приводного сигнала, или на коэффициенте прохождения. Если усиление приводного сигнала, или коэффициент прохождения, кривой 608 превышает пороговое значение 606, процессор 201 прекращает использовать значение плотности, вычисленное обычным способом в соответствии с уравнением (2). Затем процессор 201 переходит к вычислению плотности в соответствии с блок-схемой, показанной на Фиг.7.
Характеристики, показанные на Фиг.5-6, сходны с характеристиками многофазного потока, включающего жидкости и твердые вещества, например парафин, песок или неочищенный парафин в жидкости, или неочищенный парафин, который в действительности осел на внутренних стенках расходомерных трубок 103А и 103В. Таким образом, система, способная различать многофазные потоки, содержащие газ и жидкость, также может различать, используя те же принципы, многофазный поток, содержащий газ и твердые вещества, жидкость и твердые вещества или неочищенный парафин, осевший внутри на стенках расходомерных трубок.
Режим введения поправок при прохождении газового пузыря
Всегда предпочтительно использовать измерения, полученные в соответствии с уравнением (2), в качестве выходных сигналов расходомера, включая значения плотности; однако не всегда возможно использовать уравнение (2) из-за вредного влияния газового демпфирования в многофазном потоке. На Фиг.7 показан процесс Р700 внесения поправок в значения плотности, когда проходящий газовый пузырь входит в расходомер Кориолиса 5, вызывая газовое демпфирование системы. Процесс Р700 был разработан в соответствии с посылом, заключающимся в том, что, хотя газовое демпфирование может создавать затруднения при измерении в масштабе реального времени, следующее наилучшее значение плотности, которое можно получить, используя расходомер Кориолиса, - это недавно измеренное значение плотности. Соответствующие шаги процесса Р700 описаны со ссылками на позиции, указанные на Фиг.6.
На шаге Р702 процессор 201 определяет, что усиление приводного сигнала превысило пороговое значение 606 в момент времени 602, по тому факту, что кривая 608 пересекла пороговое значение 606 в момент времени 602. Из-за того, что в части кривой 608 на участке, предшествующем моменту времени 602, может отражаться некоторый шум из-за газового пузыря, который только входит в расходомер, в течение шага Р704 процессор 201 возвращается назад, минуя предварительно определенный интервал времени 610, к интервалу усреднения 612. Интервал усреднения 612 может соответствовать точке с одним значением, но предпочтительно, чтобы он содержал интервал, включающий значения множества точек, чтобы сгладить резко отличающиеся значения измерений 614, которые могут содержать резкие всплески, не превышающие пороговое значение 606.
На шаге Р706 процессор 201 определяет, есть ли какие-либо замеры в усредняемом интервале 612, превышающие пороговое значение 606. Если такие значения есть, то на шаге Р708 множество возвратных интервалов 610 или отрезок возвратного интервала 610 может быть использован в расчетах для того, чтобы подойти к новому интервалу усреднения 612 путем повтора шага Р704. Если повторные попытки при выполнении шага Р706 не приводят к успеху, чтобы подойти к интервалу 612, не содержащему точек, превышающих пороговое значение 606, то тогда резко отличающиеся значения измерений, например измерение 614, включающие эти значения, превышающие пороговое значение 606, могут быть исключены методом статистического анализа. Этот статистический анализ может включать вычисление стандартного отклонения и исключение всех чисел, выходящих за пределы стандартного отклонения, или исключение всех чисел, превышающих пороговое значение 606, пока не останутся некоторые измерения в усредняемом интервале 612, меньшие порогового значения 606. В альтернативном варианте процессор 201 может быть запрограммирован на введение предварительно выбранного значения плотности, которое может быть получено при лабораторных измерениях.
Шаг Р710 включает усреднение значений плотности на усредняемом интервале 612 для обеспечения среднего репрезентативного значения плотности, соответствующего усредняемому интервалу 612. Значения, которые используют для вычисления этого среднего значения, могут быть скорректированы путем статистического анализа, как было показано выше в отношении шага Р706. В условиях, когда диагностическая система расходомера показывает, что расходомер работает неправильно по определению массового расхода из-за газового демпфирования, показания расходомера массового расхода могут быть также усреднены в соответствии с этими же принципами.
В соответствии с шагом Р712 процессор 201 обеспечивает в виде выходного сигнала расходомера среднее значение плотности, полученное на шаге Р710, до тех пор, пока кривая 608 не опустится ниже порогового значения 606 в момент времени 604. В соответствии с этим процесс Р700 заканчивается на шаге Р714 тем, что процессор 201 прекращает работать в режиме введения поправок при прохождении газового пузыря и возвращается к выходному сигналу расходомера, состоящему из измерений, выполненных в соответствии с уравнением (2).
Точные уровни или продолжительности порогового значения 606, возвратного интервала 610 и усредняемого интервала 610 связаны с типом и размером расходомера, а также с условиями окружающей обстановки, в которой его предполагают использовать. Например, эти значения различны для расходомеров, установленных на скважине с дебитом тысяча баррелей нефти в день и скважине с дебитом в один баррель. На практике оператор определяет пороговое значение 606, при котором расходомер Кориолиса 5 работает без пузырей. Это определение делают на основе сочетания опыта, проб и ошибок, рекомендаций изготовителя или записи в течение продолжительного времени в условиях окружающей обстановки, в которой его предполагают использовать. Оператор вводит это значение в электронный измерительный блок 20 в виде установочного значения для использования в процессе Р700. Электронный измерительный блок постоянно наблюдает за уровнем усиления приводного сигнала. Применение методики введения поправок при прохождении газового пузыря не ограничено нефтяной промышленностью и включает любую ситуацию, где можно столкнуться с многофазным потоком, содержащим газ и жидкости.
Те же принципы демпфирования, показанные на Фиг.5 как сравнение кривых 500 и 502, применимы в условиях, когда многофазный поток содержит твердые вещества и жидкости, хотя и в меньшей степени. Многофазный поток может также содержать смесь газа, жидкостей и твердых веществ. В условиях использования в нефтяной промышленности эти ситуации возникают тогда, когда поток содержит природный газ, нефть или конденсат, воду, парафин, песок и/или сланец. Таким образом, принципы, проиллюстрированные на Фиг.6 и 7, могут быть использованы для внесения поправок в ошибочные измерения плотности или массового расхода, возникшие из-за того, что поток был многофазным, содержавшим твердые вещества и жидкости или газ и твердые вещества, а также газ и жидкости.
Элементы описанного выше процесса содержат инструкции, которые хранят в средствах хранения информации. Инструкции могут быть востребованы и применены процессором. Некоторыми примерами инструкций могут служить программное обеспечение, программный код и встроенные программы. Некоторыми примерами средств хранения информации могут служить запоминающие устройства, лента, диски, интегральные схемы и серверы. Инструкции вводятся в действие, когда они вызываются процессором для управления процессором так, чтобы он работал в соответствии с изобретением. Термин "процессор" относится к одному процессорному устройству или к группе взаимодействующих процессорных устройств. Некоторыми примерами процессоров могут служить интегральные схемы, компьютеры и логические схемы. Специалисты в данной области знакомы с инструкциями, процессорами и средствами хранения информации.
Расходомеры Кориолиса и связанные с ними электронные измерительные системы, которыми они оснащены для выполнения принципов введения поправок при прохождении газового пузыря, описанных выше, могут быть использованы в любых условиях окружающей среды, содержащих многофазный поток, и расходомеры работают особенно хорошо по введению поправок на наличие тумана или мелких пузырьков. В данном контексте термин "проходящий" означает условия потока, который существует временно или возникает периодически с течением времени. Расходомеры также работают достаточно хорошо по введению поправок на влияние газа в снарядном потоке, или в потоке с пробками, хотя вычисленные значения объемных расходов менее надежны при этих потоках, чем при потоках, содержащих туман. Специальные применения включают химические процессы с образованием газа в реакторе или линии по обработке потока, процессы обработки пищевых продуктов в автоклавах, микробиологические процессы с образованием газа и любые другие системы с многофазными жидкостями, например продуктивные скважины в нефтяной промышленности, где не установлен сепаратор перед расходомером.
Система для проведения испытательных измерений на нефтяной скважине
Система 800 (см. Фиг.8) содержит коллектор 802, содержащий множество включаемых электронными средствами клапанов 803, 803' и 803'', установленных на устьях скважин, из которых подают многофазный поток, содержащий газ, жидкость и твердые вещества, в трубопровод 804. Клапаны 803, 803' и 803'' предпочтительно представляют собой трехходовые пневмоклапаны с электронным управлением, например клапаны для включения скважины модели TUFFLINE 037АХ WCB/316 с исполнительным механизмом MATRYX MX200 фирмы "Xomox". Клапаны 803, 803' и 803" выборочно скомпонованы для подачи многофазного потока из одной скважины в каждый период времени по коллектору 802 и испытательному трубопроводу 804 к расходомеру Кориолиса 806, который может быть таким же, как и расходомер Кориолиса 5. Поток от скважины, проходящий через расходомер Кориолиса 806, проверяют по объемному расходу для определения доли скважины в общем дебите. Остальные потоки от скважин с клапанами 803, 803' и 803'' собирают в коллектор 808 для пропуска через второй расходомер 810, который может быть отпускным расходомером. Поток из расходомера Кориолиса 806 поступает в выпускной трубопровод 812 расходомера и направляется в расходомер 814 для определения содержания воды. После этого поток соединяют с потоком в коллекторном трубопроводе 808 для определения расхода вторым расходомером 810. К числу примерных форм расходомеров 806 и 810 можно отнести элитные модели CMF300356NU и CMF300H551NU фирмы "Микро Моушн", г. Боулдер, шт. Колорадо.
Система 800 содержит компьютер 816 (например, подходящий компьютер фирмы IBM), который снабжен средствами для сбора данных и программным обеспечением. Предпочтительной формой такого программного обеспечения является программное обеспечение DMACS фирмы INTELLUTION, подразделения фирмы "Эмерсон электрик". Это программное обеспечение особенно предпочтительно, так как оно может генерировать предупреждающие сигналы, которые указывают на ненормальные условия при испытании скважины, представляющие механические повреждения, являющиеся потенциально опасными. Компьютер 816 контролирует программирование контроллера 818 для обеспечения дистанционного управления, который включает множество генераторов колебаний и интерфейсов, что позволяет компьютеру 816 взаимодействовать с удаленными компонентами системы 800. Предпочтительной формой контроллера 818 для дистанционного управления является контроллер модели ROC364 фирмы "Фишер". Контроллер 818 может также быть оснащен программным обеспечением для выполнения инструкций по управлению от компьютера 816.
Каналы управления клапанами 820, 820' и 820'' соединяют контроллер 818 с управляемыми электронными средствами клапанами 803, 803' и 803'' для выборочного управления клапанами. Канал 822 соединяет контроллер 818 с датчиком давления 824. Примерной формой датчика давления 824 является элитная модель RFT9739 фирмы "Микро Моушн", г. Боулдер, шт. Колорадо. Канал 826 соединяет контроллер 818 с расходомером 814 для определения содержания водной фракции. Функции контроллера 818, датчика давления 824 и компьютера 816 могут быть объединены в одном процессоре, например процессоре 201 электронного измерительного блока 20 (см. Фиг.2).
Система 800 действует следующим образом. Коллектор 802 понуждает поток из одной из скважин 803, 803' и 803'' проходить через расходомер Кориолиса 806 для испытания скважины или получения информации об удельном массовом расходе интересующей скважины, тогда как потоки от остальных скважин направляют в сборный трубопровод 808 и затем - через отпускной второй расходомер 810. Расходомер Кориолиса 806 обеспечивает информацией о плотности и об удельном массовом расходе в виде сигналов расходомера к датчику давления 824, который, в свою очередь, обеспечивает сигналы к контроллеру 818 по каналу 822. Одно из устройств: компьютер 816, контроллер 818, датчик давления 824 или расходомер Кориолиса 806 (обычно компьютер 816) выполняет вычисления общего объемного расхода Qe в соответствии с уравнением (4):
где Me - значение массового расхода на основе показаний расходомера Кориолиса, полученное при измерении общего объединенного потока нефти и воды;
De - плотность общего объединенного потока нефти, газа, воды и твердых веществ в потоке при температуре Т измерений.
Объемный расход нефти вычисляют по уравнению (5):
где Q0 - объемный расход нефти;
Хw - фракционный расход воды;
а остальные параметры определены выше.
Объемный расход воды вычисляют по уравнению (6):
где Qw - объемный расход воды, а остальные параметры определены выше.
Значения объемного расхода потока Q0 и Qw могут быть скорректированы в соответствии со стандартной эталонной температурой Тr путем умножения значений объемного расхода на плотность при температуре измерения и делением на плотность при эталонной температуре, например, в соответствии с уравнением (7):
где Q0 - объемный расход нефти при стандартной эталонной температуре Tref;
Q0,T - объемный расход нефти, измеренный при температуре Т и вычисленный в соответствии с уравнением (5);
D0 - измеренная плотность нефти, полученная при лабораторных измерениях при эталонной температуре Tref;
D0,T - плотность нефти, измеренная при температуре Т.
Фракционный расход воды вычисляют по следующему уравнению:
где De - плотность общего объединенного потока нефти (или конденсата) и воды при температуре Т измерения;
ρ0,T - плотность чистой фазы нефти (или конденсата), исключая какое-либо остаточное количество воды в отделенной нефтяной компоненте;
ρW,T - плотность чистой фазы воды;
а остальные параметры определены выше.
Значение Хw - это измерение "содержания воды", которое является важным результатом измерений при испытании скважины. Термин "содержание воды" здесь означает некоторое отношение, которое представляет взаимоотношение между объемом нефти и объемом воды в смеси жидкостей воды и нефти. В измерителе влагосодержания 814 используют емкостные, резисторные, микроволновые, радиационные или другие средства измерения для количественного определения содержания воды. При некоторых условиях объем воды настолько велик, что он превышает пределы возможностей приборов. Например, емкостные или резисторные мониторы обеспечивают приемлемую точность определения содержания воды только тогда, когда объем воды меньше приблизительно 20-30% всего объема потока. Верхний 30%-ный предел точности намного ниже уровня, который наблюдают на многих продуктивных скважинах. Например, общий объем жидкости из нефтяной скважины может состоять на 99% из воды. Поэтому некоторые мониторы для наблюдения за содержанием воды переводят на определение содержания воды в нефтяной компоненте с низким содержанием воды. Наиболее часто мониторы для наблюдения за содержанием воды не могут быть использованы для определения содержания воды в материале, который выходит из сепаратора, разделяющего материал на две фазы, так как общая жидкая компонента имеет содержание воды, превышающее верхний 30%-ный предел точности. Примерной формой монитора 66 для наблюдения за содержанием воды является емкостный монитор модели СМ-2 фирмы "Drexelbrook". В соответствии с этим уравнение (8) обеспечивает способ вычисления содержания воды и объемного расхода воды и нефти или конденсата. Значения ρ0,T и ρW,T для жидкостей из конкретной скважины могут быть получены при обычных лабораторных измерениях.
Если значение Xw находится в пределах возможности и точности определения измерителя влагосодержания 814, то плотность нефти может быть скорректирована на содержание воды следующим образом:
где ρ0,T - плотность нефти, скорректированная на содержание воды, при температуре Т;
ρt - общая плотность объединенной жидкости с водной фракцией, измеренная расходомером Кориолиса 806, при температуре Т;
ρW,T - плотность водной компоненты, полученная при лабораторных измерениях или путем обычной эмпирической температурно-солевой коррекции, при температуре Т;
WC - содержание воды, определенное измерителем влагосодержания 814.
В общем, необходимо преобразовывать измерения жидкостей с показателей удельных массовых расходов потока в показатели объемных расходов потока для продажи, так как нефтяные продукты продаются в объемных единицах измерения. Значения плотности используют для выполнения преобразования с показателей массового расхода в показатели объемного расхода. Расходы воды и нефти по фракциям можно определять путем прямых измерений содержания воды, но этот способ не всегда работает из-за ограничений инструментария, присущих приборам для определения содержания воды. Прямые измерения содержания воды могут также быть использованы для калибровки прибора для изменения плотности нефти в течение срока службы продуктивной скважины. Содержание воды можно определять по измерениям плотности, если соответствующие плотности воды и нефти известны по другим источникам. Влияние газового демпфирования на систему взаимосвязано с расчетами согласно уравнениям (8) и (9), так как демпфирование может быть таким резким, что измерительная система прекращает выдавать точные показатели потока материала, проходящего по трубкам, или так как измеренная плотность указывает на достаточно большое содержание газа, что приводит к отрицанию предположения о двухфазном потоке, которое присуще уравнениям (8) и (9). Скорость газового потока может быть определена по эмпирическим соотношениям согласно патенту США № 5029482.
Из этого следует, что компьютер 816 или контроллер 818 на Фиг.8 могут по выбору работать с использованием значений плотности или удельного массового расхода, полученных согласно Фиг.7, когда проходящий пузырь газа обнаружен в расходомере 806. В альтернативном варианте, если использование среднего значения на интервале 612 не желательно, альтернативные варианты включают приостановку испытаний скважины или выработку предупреждающего сигнала для вмешательства оператора. Еще один возможный вариант заключается в том, что компьютер 816 может подать сигнал контроллеру 818 на частичное закрывание одного из выбранных клапанов 803, 803' или 803'' для увеличения обратного давления в скважине. В случае нефтяной скважины это обратное давление может понудить высвободившийся газ уйти в раствор, таким образом полностью или частично преодолеть влияние газового демпфирования на расходомер Кориолиса 806 путем полного или частичного удаления газа из продуктивной жидкости.
Уравнения (8) и (9) особенно применимы к нефти и воде, но более широко они применимы к любой двухфазной разделяемой жидкостной системе, например к любому коллоидному раствору, на который также можно воздействовать газом в качестве третьей фазы. Уничтожающее влияние газа на эти системы имеет большее значение, чем просто демпфирование, так как значения Хw, вычисленные с использованием значений плотности, полученных из уравнения (8), скорректированных в соответствии с уравнением (9), имеют ошибку из-за пониженного значения De, так как уравнения были выведены в предположении наличия двухфазных разделяемых несмешивающихся жидкостей без учета газа.
Автор заявки утверждает, что его изобретение опирается на принцип эквивалентов, чтобы защитить его полные права на изобретение.
Реферат
В расходомере Кориолиса, который можно использовать в качестве вибрационного плотномера, по меньшей мере одной расходомерной трубке на основании сигнала привода сообщают колебания с собственной частотой, соответствующей плотности материала, проходящего по расходомерной трубке. Осуществляют контроль за усилением приводного сигнала для определения по нему наличия многофазного потока, содержащего газ и жидкость. В случае выявления газового демпфирования колебаний трубки из-за проходящего пузыря газа определяют плотность материала на основании запомненных значений, полученных при ретроспективных измерениях, соответствующих периодам отсутствия многофазного потока. Изобретения обеспечивают повышение точности измерений при работе с двухфазными потоками. 2 c. и 16 з.п. ф-лы, 8 ил.
