1.3 Структурная схема системы «Ультрафлоу»

Структурная схема информационно-измерительной системы приведена на рисунке 1.1.

Она включает измерительные преобразователи пяти типов: температуры, давления, скорости потока, газосодержания и обводненности. Преобразователи установлены в вертикальном гидроканале, причем преобразователи скорости и газосодержания содержат по два чувствительных элемента каждый. Все преобразователи подключены к микропроцессорному накопителю данных, который через модем по радиоканалу периодически передает информацию в базовый компьютер, расположенный в диспетчерском пункте. Базовый компьютер оснащен программным комплексом, реализующим информационную модель двухфазного потока, рассмотренную выше.

1,2,3,4 – преобразователи температуры, давления и обводненности; 5,7 - преобразователи скорости; 6,8 – преобразователи газосодержания; 9 – блок коммутации; 10 – барьер искрозащиты; 11 – накопитель данных; 12,13 – радиомодемы; 14 – базовый компьютер

Рисунок 1.1– Структурная схема информационно-измерительной системы

Выходные сигналы всех преобразователей кодируются в стандарте RS-485 и через блок коммутации передаются с периодичностью 30с в накопитель данных, обеспечивающий ее сохранность в течение 30-ти суток. Для обеспечения пожаробезопасности используется барьер

искрозащиты. Далее информация преобразуется согласно стандарту RS-232 и по радиоканалу поступает в базовый компьютер, расположенный в диспетчерском пункте. Запрос формируется по программе базового компьютера, который запрашивает накопленные данные.

Объемная концентрация газовой фазы измеряется методом акустического зондирования. Реализация акустического зонда осуществляется при помощи пары волноводных акустических датчиков, один из которых является излучателем, а второй – приемником акустических ультразвуковых импульсов.

Необходимым условием нормальной работы зондового метода является малая величина контролируемого объема среды по сравнению с объемом диспергированных фаз в потоке. Накалывание пузырька на зонд ведет к скачкообразному изменению проводимости контролируемого объема, фиксируемого вторичной схемой. Измеряемой величиной, является локальное истинное объемное газосодержание, под которым подразумевают вероятность нахождения газовой фазы в контролируемом объеме:

где - мгновенное газосодержание.

Важным качеством, которым обладают акустические зонды, является возможность определения с их помощью не только газосодержания, но и плотности вероятности времени нахождения газовой фазы в контролируемом объеме, по которой можно судить о структуре двухфазного потока и, следовательно, корректировать расчетные модели.

Погрешность определения газосодержания зависит от степени “удаленности” пиков друг от друга и амплитудой межпиковой составляющей. С увеличением “удаленности” пиков и уменьшением межпиковой составляющей критичность в выборе уровня дискриминации A_d устраняется, что важно при измерениях без подстройки аппара­туры в потоках с изменяющимися в широких пределах дисперсными характеристиками. Вариация физических параметров эмульсии ведет к изменению волнового акустического сопротивления, что в свою очередь меняет амплитуду сигналов на выходе зонда и вызывает смещение второго пика. В правильно сконструированном зонде при соответствующем выборе уровня дискриминации это не приводит к существенной погрешности.

Характерный вид выходных сигналов зонда в пузырьковом потоке приведен на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2 – Характерный вид сигналов на выходе зонда в пузырьковом потоке

Основным элементом датчика газосодержания является узел излучения и приема ультразвуковых импульсов.

Общий вид узела излучения и приема ультразвуковых импульсов акустического зонда приведен на рисунке 1.3

Рисунок 1.3 – Узел излучения и приема ультразвуковых импульсов акустического зонда

1 – волновод; 2 – пьезоэлемент; 3 – корпус; 4 – капилляр; 5 – соединительный провод

Он состоит из волновода диаметром 1,4мм и длиной 4мм с присоединенным к нему пьезоэлементом толщиной 0,1мм. Волновод установлен герметично в корпусе с наружным диаметром 4мм. Для подвода сигналов используется провод во фторопластовой изоляции, размещенный в капиллярной трубке диаметром 1х0,1мм. Внутренний объем датчика заполнен резиноподобным герметизирующим составом. Рабочая частота датчика 8-10 МГц. Все металлические детали узла изготовлены из коррозионно-стойкой стали 12Х18Н10Т.

Общий вид преобразователя показан на рисунке 1.4.

1 – волновод; 2 – стойки датчиков; 3 – корпуса пьезоэлементов; 4 – узел крепления; 5 – накидная гайка; 6 – основание; 7 – блок электроники; 8 – гермоввод

Рисунок 1.4 – Общий вид преобразователя концентрации газовой фазы

Он содержит 4 узла излучения и приема ультразвуковых импульсов, размещенных на подвеске попарно и образующих два контролируемых объема, акустическая проводимость которых измеряется. Подвеска закреплена в узле шарониппельного уплотнения, обеспечивающем при необходимости быстрое извлечение и установку датчика без использования прокладок. Датчик содержит встроенную электронную схему, размещенную в прочном взрывобезопасном корпусе. Фотография преобразователя газосодержания приведена на рисунке 1.5.

Рисунок 1.5 – Фото преобразователя газосодержания измерительной системы «Ультрафлоу»

Конструкция датчика предусматривает измерение объемного газосодержания в двух точках по радиусу гидроканала: в центре и на дистанции 0,708R от центра. Это сделано для того, чтобы можно было оценивать профиль газосодержания по диаметру трубы и учитывать его в соответствующих расчетных моделях.

Скорость потока определяется доплеровским методом. В его основе лежит измерение сдвига частоты отраженной ультразвуковой волны от движущихся рассеивателей (пузырьков газа или твердых частиц в потоке) по сравнению с излученной волной. Этот сдвиг частоты пропорционален скорости рассеивателей (скорости потока). Однако обычно отраженный измерительный сигнал в значительной мере зашумлен. Особенно велики шумовые эффекты в многофазной среде со сложной гетерогенной структурой при нестационарном характере движения потока. В связи с этим важной задачей является сравнительный анализ различных методов оценки доплеровской частоты.

Наиболее оптимальным, применительно к многофазным потокам, представляется использование спектрального анализа. Метод работает в большом диапазоне изменения амплитуды исследуемого сигнала, (это позволяет упростить аппаратуру); даёт возможность напрямую исключать неинформативные части спектра и его шумовую часть без использования цифровых фильтров; позволяет учесть АЧХ акустического тракта и предварительных усилителей и благодаря этому получить линейную шкалу «частота–скорость».

Вместе с тем, как показали стендовые исследования и практика применения в разработанной нами системе, достаточно эффективен простой в реализации полярный метод обработки сигналов доплеровского преобразователя. Это обусловлено, по-видимому, высокой концентрацией рассеивателей в потоке и выбранной частотой излучаемого сигнала. Поэтому в дальнейших разработках был использован полярный метод.

Конструктивное исполнение измерительного преобразователя скорости приведено на рисунке 1.6.

1, 3 – узлы излучателей-приемников; 2 – балка; 4 – штуцер; 5 – накидная гайка; 6 – основание; 7 – блок электроники; 8 – гермоввод кабеля

Рисунок 1.6 – Общий вид преобразователя скорости

Он состоит из корпуса, основания, штуцера, балки для крепления узлов излучения и приема ультразвуковых сигналов. Четыре узла излучения-приема скомпонованы в два канала измерения скорости. Герметизация преобразователя осуществляется при помощи узла шарониппельного уплотнения диаметром 16мм. Электронная схема размещена в прочном взрывобезопасном корпусе. Соединительный кабель выводится через гермоввод с сальниковым уплотнением.

Фотография преобразователя скорости приведена на рисунке 1.7.

Рисунок 1.7 – Фото преобразователя скорости

Узлы излучения-приема установлены на подвеске под взаимным углом 1300, на расстоянии 3,5мм друг от друга (рисунок 1.8). Всего на подвеске закреплены две пары узлов - одна по центру гидроканала, вторая - вблизи стенки.

1 – корпус; 2 – балка; 3 – болт крепления; 4, 5 – узлы излучения и приема ультразвука

Рисунок 1.8 – Схема крепления узлов излучения-приема

В основе принципа действия ультразвукового преобразователя обводнённости нефтеводяной эмульсии лежит зависимость скорости распространения звука в исследуемой среде от обводнённости.

Скорость ультразвуковой волны в нефтеводяной эмульсии практически не зависит от степени ее диспергирования. В нефтеводяной эмульсии при высокой степени диспергирования поглощение ультразвука достигает большой величины (до 10дБ на 1мм) и, следовательно, расстояние между излучателем и приемником ультразвука должно составлять не более нескольких миллиметров. При таких малых расстояниях время пробега ультразвукового импульса от излучателя к приемнику составляет всего несколько микросекунд. Точное измерение таких малых промежутков времени представляет собой серьезную техническую проблему.

На практике применяют три метода измерения малых временных интервалов: на основе преобразования сигнала «длительность-амплитуда», метод синхрокольца и метод подсчета числа СВЧ импульсов, заполняющих измеряемый интервал. Здесь используется комбинационный метод, основанный на подсчете СВЧ импульсов и преобразования «длительность-амплитуда». В этом случае большая часть измеряемого интервала времени

определяется методом подсчета импульсов с использованием высокочастотного генератора, а меньшая часть с использованием преобразователя «длительность-амплитуда».

Чувствительный элемент преобразователя состоит из корпуса, в котором размещены дисковые пьезоэлементы для излучения и приема ультразвуковых импульсов (рисунок 1.9). Используются пьезоэлементы диаметром 2,5мм и толщиной 0,1мм. Дистанция между излучателем и приемником составляет 1,6мм. Также в корпусе размещены термоэлементы, термоизоляционные прокладки и подвижный пробоотборник, приводимый в движение при помощи электромагнита. Периодичность отбора проб может варьироваться в пределах 30сек. Для подвода сигналов используется провод во фторопластовой изоляции.

1 – корпус; 2, 3 – излучающий и приемный пьезоэлементы; 4 – термоэлементы;

5 – термоизоляция; 6 – пробоотборник, 7 – узел крепления пробоотборника;

8 – накидная гайка узла уплотнения; 9 – основание; 10 – блок электроники; 11 гермоввод кабеля

Рисунок 1.9 – Преобразователь обводненности нефтеводяной эмульсии

Рабочая частота датчика 10 МГц. Все металлические детали изготовлены из коррозионно-стойкой стали 0Х18Н10Т.

Преобразователь работает следующим образом. Пробоотборник выдвигается в поток среды, захватывает порцию эмульсии и перемещает ее в рабочую камеру. Термоэлементы подогревают эмульсию до 20С. На последнем этапе включается акустический канал определения времени пробега импульса от излучающего пьезоэлемента к приемному. Периодичность измерений примерно 30сек. Фотография преобразователя обводненности приведена на рисунке 1.10.

Рисунок 1.10 – Фото преобразователя обводненности нефтеводяной эмульсии с узлом термостатирования

Система «Ультрафлоу», представленная на рисунке 1.11, состоит из измерительного гидродинамического канала, оснащенного датчиками температуры, давления, ультразвуковыми преобразователями скорости, объемный концентрации газовой фазы и концентрации водяной фракции нефтеводогазового потока (обводненности), микропроцессорного накопителя данных, радиомодема и базового компьютера. Компьютер оснащен программно-вычислительным комплексом «Var-Pro-2000», обеспечивающим обработку информации преобразователей, вычисление расходных характеристик компонентов продукции скважины, накопление базы

данных по скважинам и сервисными программами пользователя.

Рисунок 1.11 – Система «Ультрафлоу»

Гидродинамический канал длиной 1200 мм имеет два калиброванных участка внутренними диаметрами 60 мм и 42,4 мм, площади поперечных сечений которых отличаются в два раза (рисунок 1.12).

Рисунок 1.12 – Конструктивная схема гидроканала системы «Ультрафлоу» с преобразователями

На обоих участках установлены преобразователи скорости и объемного газосодержания потока, которые измеряют соответствующие локальные параметры среды в центре и в периферийной части (на расстоянии 0,708 R) калиброванных участков. Обводненность потока определяется преобразователями в центре и в пристенной области выходного участка гидроканала. Размещение чувствительных элементов преобразователей скорости и газосодержания в одном измерительном канале, но в разных по величине сечениях и, следовательно, различных гидродинамических условиях (число R существенно отличается в калиброванных участках), дает возможность значительно расширить рабочий диапазон системы. Кроме того, такое размещение чувствительных элементов позволяет проводить диагностику измерительных преобразователей, сопоставляя показания каждого датчика.

В случае однофазного течения среды такая конфигурация канала позволяет уменьшить вероятность ошибки при определении расхода путем сравнения скоростей в двух сечениях.

В качестве датчика температуры используется стандартное термосопротивление с платиновым чувствительным элементом. Датчик давления также стандартизован и содержит чувствительный элемент в виде мембраны. Все преобразователи системы «Ультрафлоу» выполнены во взрывозащищенном исполнении.