RU220701U1 - Многофазный расходомер с источником быстрых нейтронов - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области измерения параметров потока многофазной жидкости и может быть использована в информационно-измерительных системах нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей промышленностей. Технический результат полезной модели заключается в высокой точности измерения параметров многофазного потока на протяжении всего периода эксплуатации устройства. Технический результат достигается тем, что многофазный расходомер содержит корпус в виде отрезка трубы с расположенными на торцах элементами закрепления в трубопроводе, установленные внутри корпуса на входе и выходе датчики температуры и давления, закрепленные на корпусе в плоскости сечения, перпендикулярной направлению движения потока многофазного флюида, напротив друг друга источник быстрых нейтронов и детектор медленных нейтронов, при этом в стенке корпуса выполнены два дополнительных рентгенопрозрачных окна, расположенных на общей продольной оси с детектором медленных нейтронов, в направлении движения потока многофазного флюида, в каждом из которых установлен дополнительный детектор гамма-излучения. Полезная модель обеспечивает высокую точность определения параметров многофазного потока флюида в различных трубопроводных системах в режиме реального времени и позволяет осуществлять контроль работоспособности расходомера без его демонтажа.

Description

Полезная модель относится к области измерения параметров потока многофазной жидкости и может быть использована в информационно-измерительных системах нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей промышленностей.

В настоящий момент в нефтегазовой отрасли наблюдается глобальная тенденция к цифровизации и оптимизации процессов контроля различных параметров. Одним из таких процессов является контроль и учет дебитов получаемых на поверхности углеводородов. Традиционным способом учёта скважного флюида является сепарация с последующим измерением расходов каждой фазы по отдельности. Однако данный метод существенно устарел, не отвечает современным требованиям и нуждается в замене.

За последние десятилетия было разработано несколько расходомеров, относящихся к категории многофазных (МФР) и не требующих предварительной сепарации скважинного флюида. Такие МФР позволяют измерять количественные характеристики многофазного потока непосредственно в линейных условиях и производить их пересчёт в стандартные условия, в широком диапазоне потоковых режимов. Наиболее часто МФР используются при проведении гидродинамических испытаний скважин, а также для учёта продукции во время промышленной эксплуатации скважин. Компактный размер МФР по сравнению с сепараторными установками позволяет создавать мобильные замерные комплексы для эффективного удовлетворения потребностей клиентов.

Несмотря на существенные преимущества МФР, данные системы также обладают характерными недостатками:

низкая точность определения жидкой фракции при больших значениях газоконденсатной фракции (GVF);

высокая чувствительность к изменениям состава флюида, требующим остановки процесса и перенастройки МФР;

отсутствие возможности определения скорости потока;

высокая стоимость обеспечения радиационной безопасности, транспортировки и эксплуатации источника гамма-излучения.

Известен многофазный расходомер (см. патент RU № 2632249, МПК G01F1/58, опубликован 03.10.2017 г.), содержащий:

канал, содержащий поток многофазного флюида;

радиоизотопный источник и радиоизотопный датчик, выполненный с возможностью обнаружения ядерной энергии, излучаемой радиоизотопным источником через канал и поток многофазного флюида; и электронный инструмент, выполненный с возможностью:

определения режима течения и содержания газа в потоке многофазного флюида на основании ядерной энергии, обнаруженной датчиком, по сравнению с ожидаемым шумом радиоизотопного датчика в условиях стационарного потока;

определения стационарности потока многофазного флюида на основании обнаруженного режима течения;

выбора переменной из множества переменных на основании обнаруженного содержания газа и обнаруженной стационарности; и моделирования потока многофазного флюида посредством настройки выбранной переменной.

Основным недостатком известного расходомера является недостаточная точность определения параметров, связанная с тем, что для различных условий течения флюида и его состава поправочные коэффициенты и определяются на основе математического моделирования, результаты которого в разных случаях имеют различную погрешность.

Известен многофазный расходомер (см. патент RU № 2663418, МПК G01F1/74, опубликован 06.08.2018 г.), содержащий средство излучения, рентгенопрозрачный участок трубопровода для исследования многофазной жидкости, после которого расположена противорассеивающая рентгеновская маска для снижения влияния излучения на изображение, матричный рентгеновский детектор в качестве средства обнаружения, средство анализа, выполненное с возможностью определения расхода одной или более фаз жидкости и/или ее состава, при этом перед матричным рентгеновским детектором установлен рентгеновский фильтр, который выполнен из двух видов фильтрующих материалов, имеющих различный коэффициент поглощения и расположенных в шахматном порядке так, чтобы каждая клетка фильтра находилась над собственным пикселем матричного детектора, при этом после рентгенопрозрачного участка, параллельно матричному рентгеновскому детектору установлен спектрометр, служащий для измерения интенсивности рентгеновского излучения с учетом ее распределения по энергиям фотонов.

Известное устройство позволяет использовать в качестве средства излучения рентгеновскую трубку с широкополосным спектром излучения и повышает точность калибровки, однако также не обеспечивает достаточной точности измерений за счет потерь мощности излучения при прохождении через рентгеновский фильтр.

Известен принятый в качестве ближайшего аналога преобразователь массового расхода (см. патент RU № 2112929, МПК G01F 1/78, G01F 1/86, опубликован 10.06.1998 г.), содержащий датчик расхода, включающий источник быстрых нейтронов и два детектора медленных нейтронов, размещенные на измерительном участке трубопровода, и электронный преобразователь, выполненный в виде вычислительного устройства с двумя входами, подключенными к соответствующим детекторам, выход которого является выходом преобразователя массового расхода, при этом указанные детекторы размещены с возможностью измерения количества медленных нейтронов в двух равноотстоящих от источника быстрых нейтронов точках на внешней поверхности измерительного участка, расположенного на поверхности Земли и ориентированного по отношению к меридиану под углом, отличным от 90°, для возникновения кориолисова ускорения.

Известное техническое решение обеспечивает высокую точность массового расхода для однокомпонентных потоков, однако не позволяет определять массовые доли каждого компонента в многофазных потоках. Кроме того, для его реализации требуется заданное позиционирование измерительного участка трубопровода.

Задачей заявляемого технического решения является повышение точности измерений для флюидов с различными параметрами течения и фазового состава.

Технический результат изобретения заключается в высокой точности измерения параметров многофазного потока на протяжении всего периода эксплуатации устройства.

Технический результат достигается тем, что многофазный расходомер содержит корпус в виде отрезка трубы с расположенными на торцах элементами закрепления в трубопроводе, установленные внутри корпуса на входе и выходе датчики температуры и давления, закрепленные на корпусе в плоскости сечения, перпендикулярной направлению движения потока многофазного флюида, напротив друг друга источник быстрых нейтронов и детектор медленных нейтронов, при этом в стенке корпуса выполнены два дополнительных рентгенопрозрачных окна, расположенных на общей продольной оси с детектором медленных нейтронов, в направлении движения потока многофазного флюида, в каждом из которых установлен дополнительный детектор гамма-излучения.

Заявляемая полезная модель поясняется чертежами, где

на фиг.1 изображена принципиальная схема многофазного расходомера,

на фиг. 2 - сечение А-А по фиг. 1.

Многофазный расходомер содержит корпус 1 с закрепленными на нем источником 2 быстрых нейтронов и детектором 3 медленных нейтронов, выполненными в корпусе рентгенопрозрачными окнами 4 и 5 с установленными в них детекторами 6 и 7 гамма-излучения, датчики 8 и 9 давления, датчики 10 и 11 температуры.

Порядок работы с устройством осуществляют следующим образом:

1. Устройство встраивают последовательно в линию транспортировки углеводородов.

2. До включения в основную работу устройство калибруется по данным: количества медленных нейтронов и поглощения гамма-излучения для однофазной среды; калибровочных коэффициентов корпуса 1; уточняющих коэффициентов поглощения разных смесей, полученных экспериментально.

3. Устройство включается в основную работу, результаты расчетов записываются на компьютер для сбора и хранения информации. По запросу все данные передаются на удаленный сервер. Дополнительная и периодическая калибровка устройства проводится в соответствии к требованиям регламента обслуживания устройства.

В процессе работы устройства производят измерения различных физических параметров, обработка которых позволяет с высокой точностью определять фазовый количественный состав проходящего через него флюида.

Условно измеряемые параметры можно разделить на несколько групп.

Первая группа связана с измерениями давления, перепада давления и температуры (P_line, ΔP, T_line) вдоль корпуса 1 внутри него, на основании которых производят первичный расчет плотности и расхода флюида.

Разница статического давления на входе в корпус 1 и выходе из него измеряется датчиками 8 и 9 давления (представляющими совместно дифференциальный манометр), а разница температур - датчиками 10 и 11 температуры.

Вторая группа параметров связана с регистрацией детектором 3 медленных (тепловых) нейтронов, а также регистрацией детекторами 6 и 7 гамма-излучения, полученных в результате взаимодействия быстрых нейтронов, испускаемых источником 2, с проходящими через корпус 1 частицами потока многофазного флюида. В данном случае регистрируются функции количества частиц N(E,t), зависящие от энергии и времени. Это позволяет определять компонентный состав флюида и молярный состав содержащихся в нем компонентов.

Для этого:

1. В корпусе 1 окна 4 и 5 из рентгенопрозрачного материала, не нарушающие геометрию внутреннего сечения корпуса 1.

2. C одной стороны корпуса 1 установлен источник 2 быстрых нейтронов, испускающий их через стенку корпуса 1 в многофазный поток флюида в плоскости, перпендикулярной направлению его движения.

3. С другой стороны в той же плоскости, где находится коллиматор входящего пучка быстрых нейтронов, напротив источника 2 на корпусе 1 установлен детектор 3 медленных нейтронов.

4. На общей продольной оси с детектором 3 ближе к выходу из корпуса 1 расположены рентгенопрозрачные окна 4 и 5 с установленными в них детекторами 6 и 7 гамма-излучения.

При прохождении быстрых нейтронов через поток многофазного флюида одна их часть взаимодействует с атомами флюида, в результате чего происходит их торможение (превращение в медленные) с одновременным испусканием гамма-излучения под произвольным углом, вторая часть проходит сквозь поток, не испытывая каких-либо поглощающих или рассеивающих эффектов.

Детектор 3 фиксирует часть медленных нейтронов попадающих в него, а детекторы 6 и 7 фиксируют потоки гамма-квантов, испускаемых под соответствующими углами. По соотношению количества испущенных источником 2 быстрых нейтронов, количеству детектированных детектором 3 медленных нейтронов и гамма-квантов, детектируемых детекторами 6 и 7, определяется плотность среды.

Наличие дополнительных детекторов 6 и 7, расположенных на общей продольной оси с детектором 3 по направлению движения потока внутри корпуса 1, фиксирующих рассеянное гамма-излучение для заданных относительно источника 2 углов, позволяет корректировать данные, полученные детектором 3, что повышает точность определения компонентов фазового состава флюида, особенно в случаях высокого газового фактора (≥ 80%).

Заявляемое техническое решение обеспечивает высокую точность определения параметров многофазного потока флюида в различных трубопроводных системах в режиме реального времени и позволяет осуществлять контроль работоспособности расходомера без его демонтажа.

Claims (1)

1. Многофазный расходомер, содержащий корпус в виде отрезка трубы с расположенными на торцах элементами закрепления в трубопроводе, установленные внутри корпуса на входе и выходе датчики температуры и давления, закрепленные на корпусе в плоскости сечения, перпендикулярной направлению движения потока многофазного флюида, напротив друг друга источник быстрых нейтронов и детектор медленных нейтронов, отличающийся тем, что в стенке корпуса выполнены два дополнительных рентгенопрозрачных окна, расположенных на общей продольной оси с детектором медленных нейтронов, в направлении движения потока многофазного флюида, в каждом из которых установлен дополнительный детектор гамма-излучения.