Устройство для измерения состава и расхода многокомпонентных жидкостей методом ядерного магнитного резонанса
Владельцы патента RU 2544360:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский государственный энергетический университет" (ФГБОУ ВПО "КГЭУ") (RU)
Использование: для измерения состава и расхода многокомпонентных жидкостей методом ядерного магнитного резонанса. Сущность изобретения заключается в том, что устройство для измерения состава и расхода многокомпонентных жидкостей с использованием метода ядерного магнитного резонанса (ЯМР) включает релаксометр ЯМР с датчиком, имеющим трубку, для облучения потока жидкости и получения сигналов спин-эхо ЯМР, по которым определяются параметры жидкости, систему пробоотбора, содержащую измерительную трубу, соединенную трубкой пробоотбора с релаксометром ЯМР, при этом измерительная труба имеет конический расширитель, а в трубке пробоотбора установлен патрубок, имеющий возможность перемещения по сечению конического расширителя, при этом конический расширитель расположен вертикально, в измерительной трубе, перед входом потока жидкости в конический расширитель, установлена защитная сетка, в коническом расширителе установлены тензометрические датчики давления, а в полости нижней части конического расширителя по периметру размещены зубчатые кольца, на трубке пробоотбора размещены электромагнитные катушки управления перемещением патрубка, при этом контроль перемещения патрубка по сечению конического расширителя осуществляется введенным контроллером, соединенным с электромагнитными катушками. Технический результат: исключение расслоения фаз в коническом расширителе измерительной трубы и возможности засорения патрубка пробоотбора асфальтено-смолистыми включениями и механическими примесями, обеспечение эффективной турбулизации и гомогенизации потока жидкости в коническом расширителе измерительной трубы, а также автоматизации процесса измерения. 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 2 ил.
Изобретение относится к резонансной радиоспектроскопии, в частности к измерению состава и расхода многокомпонентных жидкостей с использованием метода ядерного магнитного резонанса (ЯМР), и может быть использовано при анализе любых протонсодержащих жидких смесей в разных отраслях промышленности, преимущественно для измерения состава и расхода топлив, нефтей, нефте- и химпродуктов, пищевых жидкостей при нефтедобыче, нефтепереработке, а также на объектах энергетики при анализе жидкого топлива. Преимущественно устройство может быть использовано при отборе и анализе проб нефте-водо-газовой смеси из трубопровода на скважине и/или групповой замерной установке (ГЗУ), а также на магистральной трубе.
Уровень техники
В 80-х годах наметилась тенденция к переходу к расходомерам без движущихся деталей и без остановки потока. Интерес к измерению многофазной продукции скважин (скважинной жидкости - СКЖ) без ее предварительной сепарации связан с разработкой небольших и морских месторождений, использованием более технологичных схем с минимумом оборудования, с платформами, на которых присутствие эксплуатационного персонала не предусмотрено. Измерение дебитов всех скважинных флюидов, не разделяя их на фазы, не используя движущихся деталей и не управляя процессом, является целесообразным, поскольку позволяет исключить расходы на сепараторы. Но сложность возникающих при этом проблем огромна.
При разработке месторождений нефти замеры дебитов нефти, газа и воды производят как минимум дважды. Замеряют то, что добыто (оперативный учет), и то, что продано/передано (коммерческий учет).
Замеры добычи производят на устье скважины, а проданной нефти или газа - на продуктовом трубопроводе или около него, и обычно после разделения на составляющие. По ГОСТ 8.615-2005 сейчас требуется измерение добытой СКЖ для расчета величины налога. Замеры нужны и для слежения за величиной запасов, управления работой установок, учета, оптимизации процесса добычи и планирования разработки месторождения, т.е. необходим и технический (бригадный) учет. При этом по ГОСТ 8.615-2005 на скважине погрешности измерений должны быть не более: массы жидкости ±2.5%; массы нетто нефти ±6% при обводненности до 70%; ±15% при обводненности до 95%; объема нефтяного газа ±5%. При смене собственника нефти обычно требуют, чтобы замеры дебитов нефти или газа осуществлялись с точностью 0.35-0,5%. Что касается качества нефти (концентрации воды, солей, плотности, вязкости), то основные данные поступают из лабораторий с периодичностью 2, 6 часов, 2 раза в сутки. Лабораторные данные наиболее достоверны, но большая дискретность анализа и субъективные факторы не позволяют своевременно реагировать на изменения качества нефти. Особенно сильно это проявляется при прохождении через узел учета малых партий нефти с разными свойствами от разных добывающих компаний.
Поэтому возникает задача контроля всей СКЖ и с помощью автоматики сочетать высокую точность лабораторного анализа с постоянством работы поточных анализаторов. Требование гибкости обусловили развитие оперативного, поточного и лабораторного контроля. Практика западных нефтяных компаний показывает, что ни одно из этих направлений не является доминирующим и оптимально их сочетание.
Контроль на скважине в подавляющем большинстве осуществляется на групповых замерных установках (ГЗУ) типа «Спутник» путем сепарации на фазы и замера дебита и качества фаз путем опроса трубопроводов с куста скважин. Точность замеров не превышает 4%.
Основной задачей реконструкции узлов учета нефти является их оснащение автоматизированной системой измерения количества и качества нефти (АСИКН). Но их стоимость достигает $300 тыс. до $0.7-1.2 млн. Для небольших нефтегазодобывающих компаний, которые поставляют более 30% добычи нефти, их цена слишком высока.
Решение проблемы измерения добычи в устье скважины видится по опыту западных компаний в замене сложной системы сепарации на многофазное устройство измерения всего потока, требующее минимального или полного отсутствия технического обслуживания.
В 1989 г. проф. Roger Baker в своей статье Multiphase flow move son предложил многофазный расходомер с предварительным смесителем-гомогенизатором смеси, пробоотборником для частичной сепарации воды и газа, с гамма-источником на двух изотопах для определения плотности СКЖ и объемным измерителем расхода. Но статические гомогенизаторы имеют ограниченный диапазон скоростей 0.75 м/сек до 4 м/сек, при которых они работают. Кроме того, по современным требованиям нефтяных компаний перепад давления на анализаторе (из-за сопротивления потоку) не должно превышать ΔР=0.25-0,5 МПа. Многофазные расходомеры (МФР) открывают возможности замера дебитов нефти, воды и газа в реальном времени, позволяет по-новому подойти к разработке месторождений и оптимизации процесса добычи, поскольку удается лучше контролировать скважину и месторождение и увеличивать балансовые запасы и добычу нефти. Полученные данные позволяют принимать оперативные решения, например по выбору момента закрытия скважины с высоким содержанием воды.
Препятствия на пути использования МФР: преодоление консерватизма при переходе на новые технологии; цена/восприятие новой цены; большое число существующих установок с сепарацией газа. Область применения МФР: многофазные среды нефть-вода-газ с ничтожно малой концентрацией песка; газ со следовыми концентрациями воды и песка; обводненность водонефтяных эмульсий с микроконцентрацией песка; глинистые растворы - суспензия твердых частиц в жидкости со следовой концентрацией газа. То есть должны быть только следы песка, воды, газа.
МФР компании «Schlumberger» по технологии Vx с комбинацией трубы Вентури для создания перепада давления и фракциометра с гамма-источником со спектром гамма-излучения на двух значениях энергии обеспечивает приемлемую точность 5% при продолжительных периодах времени выборки. Расчет расхода осуществляется по физической модели, учитывающей особенности многофазного потока. Цена оборудования - $200000.
Принцип действия измерителей компании «Weatherford» - абсорбционная спектроскопия в ближней ИК-области спектра, при которой измерение оптической плотности D осуществляется на нескольких длинах волн. Для мониторинга потоков газа используется расходомер Alpha VS/R, но без радиоактивного источника.
Фирма «Agar» продвигает «мультирасходомер» MPFM-50 на принципе расходомера Кориолиса с высокоточным влагомером. При выборе этих расходомеров компании руководствуются принципом минимального перепада давления и отсутствия радиоактивных источников.
Из МФР следует отметить «Ультрафлоу» разработки ООО «Индустриальная компания» (г. Москва) на методах ультразвукового зондирования. Измерение обводненности, скорости и газосодержания производится в двух каналах разного диаметра. Сравнительные характеристики МФР приведены в таблице 1.
| Таблица 1 Сравнительные технические характеристики МФР |
|||||
| Название МФР (компания) | Дебит, т/сут, м3/сут | Давление, МПа, и Т | Масса, кг | Погрешность, % | Габариты |
| ОЗНА Vx - Schlumberge, 2009 г. | 150-6000 | 4 МПа | 210/ | ±2.5% (расход сырой нефти) | 684×479×467/ |
| 270/ | 663×686×633/ | ||||
| 398 | ±5% (объем и об. расход газа | 742×766×930 мм | |||
| MPFM-50 (Agar Corporation, Inc. USA) 2009 г., частота 4 МГц Защита IP65/IP66 Госреестр №43523-09 | Жидкости 1-160 м3/час | До 69 МПа Температура 0-232°C | 200 | ±2% (по воде и нефти) | 76×51×127 см |
| ⌀50/0.9×0.9×2.4 м | |||||
| Газа 14-24000 м3/ч | ±5% (по газу) | ⌀80/1.2×1.4×3 м | |||
| Для среды: | ⌀100/1.4×1.5×3.7 м | ||||
| Вязк. 0.1-200 сП | |||||
| Плотн. 700-1100 | |||||
| REMMS с сепарацией (Weatherford),), 2008 г. | 40-2400 | 140 бар при 150°C мах | 2700-4500 | ±2% (по воде и нефти) | 274×213×213 см |
| ±5% по газу | |||||
| Alpha-Vs/R/D (Weatherford), 2009 г. НаИК-анализе | 40-13000 | До 420 бар (при 150°C) | 200-1500 | ±2% (по воде и нефти) | 160×50×50 см |
| ±5% (по газу) | |||||
| Ультрафлоу (Индустриальная компания, АПЗ) 2001 г. | 20-400 | До 10 МПа | 80 | ±2.5% (расход сырой нефти) | 140×47×46 см |
| 50-1000 | 100 | 140×51×51 см | |||
| 100-2000 | 120 | ±5% (расход газа | 140×59×59 см | ||
| Спутник-М с сепарацией и с АСИКН. Цена - 1.575 млн р. (≈2006 г.) (СИБНА, Тюмень) | 1-400 (жидкости) | ±2.5% (расход нефти) | Блок-бокс | ||
| 4.0 | 1500 | 240×240×400 см | |||
| 40-20000 (газа) | ±5% (расход газа) |
При анализе зарубежных и отечественных безсепарационных МФР обращают на себя внимание следующие недостатки: довольно высок нижний предел измерений расхода, который начинается с 24 т/сут по жидкости. На отечественных скважинах он гораздо ниже и достигает - 0,5 т/сут: потребителей отпугивает источник гамма-излучения в составе прибора; необходим продолжительный период времени выборки; в жидкости должно содержаться ничтожно малая концентрация песка, а в газе - следовые концентрации воды и песка; большой вес и габариты. Между тем по требованиям отечественных нефтяных компаний (включая ОАО «Татнефть») параметры расходомера должны быть: диапазон расхода 0-600 т/сут; погрешность измерения расхода смеси - 1,5-4.0%, давление - до 6,4 МПа, газосодержание VГ/VЖ=0-25, температура окружающей среды -60÷+50°C, пределы допускаемых погрешностей измерений: смеси ±1,5÷4%; воды ±2,5÷6%; нефти ±2,5÷6%; газа ±5÷10%; допустимый перепад давления на анализаторе - 0.25-0,5 МПа, вязкость ≤600 сСт, наличие взрывозащиты, число рабочих, обслуживающих установку, - 1, разряда 4.
Как известно, пробоотбор вносит половину погрешности в измерение и будет полностью представительным, если анализируется 100% образца. Этого достичь практически невозможно.
Поэтому по рекомендациям фирмы «Jiskoot Autocontrol, Ltd» для повышения представительности частичного пробоотбора необходимо выполнить следующие требования: создать максимальную однородность компонентов в трубопроводе с однородным распределением компонентов по поперечному сечению, т.е. надо либо это обеспечить, либо иметь возможность отбирать на разных уровнях сечения трубы; осуществлять отбор образцов из откачиваемой жидкости, т.е. из вертикального потока для предотвращения гравитационного расслоения компонентов; для предотвращения отбора искаженной пробы, отбираемая проба должна быть пропорциональна скорости движения потока, т.е. должно выполняться условие изокинетичности в соответствии с изменением №1 в ГОСТ 2517; проба должна отбираться достаточно часто чтобы регистрировать изменение параметров (W, плотности и др.); осуществлять лабораторный анализ с правильной обработкой и смешением образцов - это последняя инстанция, определяющая ценность пробоотбора. На представительность пробоотбора оказывает влияние положение трубы. При горизонтальном положении трубы пробоотборника произойдет расслоение потоков (особенно при низких скоростях) и труба будет заполнена не полностью.
При контроле многофазных потоков и СКЖ анализаторы, основанные на методе ядерного магнитного резонанса (ЯМР), имеют ряд преимуществ: нулевой нижний предел измерения расхода (можно измерять и в остановленном потоке); независимость измерений расхода от концентрации песка и других включений; отсутствие радиоактивных источников излучения; возможность измерений плотности (при наличии соответствующих методик), малое время анализа (несколько минут), полная автоматизация и малые габариты.
ЯМР-расходомеры могут быть однокатушечной и двухкатушечной конструкции. В однокатушечных ЯМР-расходомерах используется принцип зависимости амплитуды сигнала, резонансной частоты и фазы от скорости движения среды. Их преимуществом является простота конструкции, надежность, отсутствие зависимости от вязкости и плотности среды. Они в наибольшей степени подходят для измерения многофазных жидкостей. В диапазоне скоростей 2-7 м/с точность однократного измерения составляет 2-2.5%. Двухкатушечные конструкции ЯМР-расходомеров, различные варианты которой разрабатывались в СССР, предполагают два магнита - поляризирующий и анализирующий.
За рубежом однофазный ЯМР-расходомер разработан фирмой BodgerMeter Manufacturing Со на диаметры труб 10, 20, 25, 50 и 150 мм с точностью измерения 0.5% отн. от предела шкалы, габаритами преобразователя 73×12 см, измерительного блока 45×60 см, на давление до 8 МПа, температуру измеряемой среды до 400°C, окружающей среды - 50-+1200°C.
Аналогичный ЯМР-расходомер МРГ-П разработан в Японии с точностью 0.5% отн., диапазоном измерения расходов 160-1200 л/час (3.8-29 т/сут), на диаметры 9 (25,50) мм, температуру измеряемой среды до 120°C, окружающей среды 0-60°C.
В СССР в 70-х годах разработан ЯМР-расходомер РМР ОК №6823-78 с параметрами: точность измерения расхода 0.5% отн., диапазон 1.44-14.4 т/сут, температура измеряемой среды 40±10°C, окружающей среды 10-40°C, диаметр трубы - 8 мм, габариты измерительного блока 53×40×20 см.
Прототипом предлагаемого изобретения является устройство для измерения состава и расхода многокомпонентных жидкостей с использованием метода ядерного магнитного резонанса, включающее релаксометр ЯМР с датчиком для облучения потока жидкости и получения сигналов спин-эхо ЯМР, по которым определяются параметры жидкости, систему пробоотбора, содержащую измерительную трубу, соединенную трубкой пробоотбора с релаксометром ЯМР, при этом измерительная труба имеет конический расширитель, а в трубке пробоотбора установлен патрубок, имеющий возможность перемещения по сечению конического расширителя (патент RU на полезную модель №74710, МПК G01N 24/08, 10.07.2008).
Поток жидкости, попадая в конический расширитель трубы, снижает скорость ν и увеличивает давление Р в силу непрерывности потока Qi=Siνi=const.
В результате происходит турбулизация и гомогенизация СКЖ, которая через входной патрубок поступает со скоростью νi, определяемой положением патрубка в сечении расширителя Si, в датчик магнита ЯМР-анализатора и выходит через выходной патрубок. В результате, скорость потока определяется разницей давлений (PT-Pi) в сечениях ST и Si, где ST - сечение в трубе, Si - сечение в коническом расширителе, соответствующее положению патрубка. При расположении патрубка на сечении измерительной трубы разница давлений будет близка к нулю независимо от PT в трубе и скорость потока νД через датчик ЯМР также будет близка к нулю, что необходимо для измерения ЯМР-параметров (времен релаксации и концентрации воды, нефти и газа, дисперсности, плотности и др.) в «остановленном» потоке. Конструктивно это означает отказ от насосов подачи пробы и вентилей, требующих взрывозащиты и имеющих низкий ресурс работы.
Недостатками прототипа являются вероятность расслоения фаз в горизонтально расположенном коническом расширителе измерительной трубы, возможность засорения патрубка асфальтено-смолистыми агрегатами и механическими примесями, недостаточная турбулизация потока жидкости в коническом расширителе измерительной трубы, недостаточная автоматизация процесса измерения.
Задачей изобретения является исключение расслоения фаз в коническом расширителе измерительной трубы и возможности засорения патрубка пробоотбора асфальтено-смолистыми включениями и механическими примесями, обеспечение эффективной турбулизации и гомогенизации потока жидкости в коническом расширителе измерительной трубы, а также автоматизации процесса измерения.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для измерения состава и расхода многокомпонентных жидкостей с использованием метода ядерного магнитного резонанса (ЯМР), включающем релаксометр ЯМР с датчиком, имеющим трубку, для облучения потока жидкости и получения сигналов спин-эхо ЯМР, по которым определяются параметры жидкости, систему пробоотбора, содержащую измерительную трубу, имеющую конический расширитель, соединенный трубкой пробоотбора с релаксометром ЯМР, причем в трубке пробоотбора установлен патрубок, имеющий возможность перемещения по сечению конического расширителя, согласно изобретению конический расширитель расположен вертикально, измерительная труба имеет полость отстоя, причем в измерительной трубе, перед входом потока жидкости в конический расширитель, установлена защитная сетка, в коническом расширителе установлены тензометрические датчики давления, а в полости нижней части конического расширителя по периметру размещены зубчатые кольца, на трубке пробоотбора размещены электромагнитные катушки управления перемещением патрубка, при этом контроль перемещения патрубка по сечению конического расширителя осуществляется введенным контроллером, соединенным с электромагнитными катушками.
Для измерения расхода QT патрубок расположен в сечении, обеспечивающем скорость потока, для которого получена максимальная крутизна зависимости эффективной скорости релаксации (Т2Эфф)-1 от расхода потока жидкости, при этом скорость νT потока и расхода QT в измерительной трубе определяют соответственно по формулам νT=KCS[(Т2Эфф)-1]/KSД и QT=KCS(Т2Эфф)-1, где SД - площадь сечения трубки датчика релаксометра ЯМР, S - площадь сечения конического расширителя на уровне положения патрубка, K=ST/SД - коэффициент редукции, KC - коэффициент в зависимости QД=KСSД(Т2Эфф)-1, (Т2Эфф)-1=(Т2о)-1+(τ)-1, Т2о - время релаксации в неподвижной жидкости, τ - время нахождения жидкости в датчике ЯМР, а расходы Qi компонент жидкости определяют по формуле Qi=Q·Pi, где Pi - концентрация i-й компоненты смеси, определяемая из разложения на компоненты огибающей спин-эхо сигнала ЯМР по экстраполированным на нулевое время значениям, объемное содержание газа VG определяют по формуле VG=(А0-AG)/А0, где А0, AG - соответственно начальные амплитуды при полном заполнении датчика ЯМР сырой нефтью и частичном заполнении его газом.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображено предлагаемое устройство (вид сбоку), а на фиг.2 вид А на фиг.1 (вид сверху).
На чертеже цифрами обозначены:
1 - измерительная труба,
2 - полость отстоя,
3 - защитная сетка,
4 - конический расширитель,
5 - фланец,
6 - трубка пробоотбора,
7 - патрубок,
8 - электромагнитные катушки,
9 - термодатчик,
10 - фланец,
11 - релаксометр ЯМР,
12 - полюсный наконечник,
13 - трубка датчика ЯМР,
14 - катушка индуктивности,
15 - фланец,
16 - разъем,
17 - тензометрические датчики давления,
18 - зубчатые кольца,
19 - магистральная труба,
20 - корпус,
21 - патрубок сброса отстоя,
22 - кабель,
23 - приемопередатчик,
24 - контроллер,
25 - управляющий пункт (УП) диспетчера.
Устройство для измерения состава и расхода многокомпонентных жидкостей с использованием метода ядерного магнитного резонанса (ЯМР) включает релаксометр 11 ЯМР с датчиком, имеющим трубку 13, для облучения потока жидкости и получения сигналов спин-эхо ЯМР, по которым определяются параметры жидкости, систему пробоотбора, содержащую измерительную трубу 1, имеющую конический расширитель 4, соединенный трубкой 6 пробоотбора с релаксометром 11 ЯМР, причем в трубке 6 пробоотбора установлен патрубок 7, имеющий возможность перемещения по сечению конического расширителя 4. Все устройство помещено в корпус 20.
Отличием предлагаемого устройства является то, что конический расширитель 4 расположен вертикально, измерительная труба 1 имеет полость 2 отстоя, причем в измерительной трубе 1, перед входом потока жидкости в конический расширитель 4, установлена защитная сетка 3, в коническом расширителе 4 установлены тензометрические датчики 17 давления, а в полости нижней части конического расширителя 4 по периметру размещены зубчатые кольца 18, на трубке 6 пробоотбора размещены электромагнитные катушки 8 управления перемещением патрубка 7, при этом контроль перемещения патрубка 7 по сечению конического расширителя 4 осуществляется введенным контроллером 24, соединенным с электромагнитными катушками 8.
В корпусе 20 располагается патрубок 21 для сброса осевших в полости 2 механических примесей.
Для измерения расхода патрубок 7 расположен в сечении, обеспечивающем скорость потока, для которого получена максимальная крутизна зависимости эффективной скорости релаксации от расхода потока жидкости.
Скорость потока νT или расхода QT в измерительной трубе 1 определяются соответственно по формулам:
где SД и S - площади сечений соответственно трубки 13 датчика ЯМР и конического расширителя 4 измерительной трубы 1 на уровне положения патрубка 7, K=ST/SД - коэффициент редукции, KC - коэффициент в зависимости QД=KСSД(Т2Эфф)-1, (Т2Эфф)-1=(Т2о)-1+(τ)-1, Т2о - время релаксации в неподвижной жидкости, τ - время нахождения жидкости в датчике ЯМР. Расходы Qi компонент жидкости определяют по формуле:
где Pi - концентрация i-й компоненты смеси, определяемая из разложения на компоненты огибающей спин-эхо сигнала ЯМР по экстраполированным на нулевое время значениям.
Объемное содержание газа VG определяют по формуле:
где A0, AG - соответственно начальные амплитуды при полном заполнении датчика ЯМР сырой нефтью и частичном заполнении его газом.
Отличительные конструктивные признаки предлагаемого устройства обеспечивают следующие технические результаты.
Вертикальное расположение конического расширителя 4 устраняет возможность расслоения и влияния на измерение неполного заполнения трубки 6, ведущей в релаксометр 11 ЯМР.
Наличие в измерительной трубе 1 полости 2 обеспечивает оседание (отстой) механических примесей.
Сетка 3 защищает патрубок 7 от асфальтено-смолистых включений и механических примесей.
Для контроля давления в коническом расширителе 4 установлены тензометрические датчики давления 17.
Размещение зубчатых колец 18 по периметру полости нижней части конического расширителя 4 создает эффективную турбулизацию и дополнительную гомогенизацию потока жидкости, достигая тем самым более высокую представительность пробоотбора.
Контроль и управление перемещением патрубка 7 по сечению конического расширителя 4 осуществляется контроллером 24, при этом обеспечивается автоматизация процесса измерения путем управления положением патрубка 7 на уровне, соответствующем максимальной крутизне эффективной скорости релаксации от скорости потока жидкости.
Устройство для измерения состава и расхода многокомпонентных жидкостей работает следующим образом.
Предварительно в остановленном потоке жидкости, когда патрубок 7 находится на уровне сечения измерительной трубы 1, т.е. перепад давления (PT-Pi) равен нулю, производится замер концентрации W воды в жидкой фазе СКЖ, по которой выбирается соответствующая данной концентрации W зависимость (Т2Эфф)-1 от скорости νi потока жидкости и оптимальное положение патрубка 7. При измерении расхода по команде с контроллера 23 патрубок 7 перемещается в положение, соответствующее максимальной крутизне зависимости (Т2Эфф)-1 от скорости νi потока жидкости.
Температура потока в трубке 6 измеряется термодатчиком 9. Далее поток через фланцы 10 поступает в магнит релаксометра 11 ЯМР, а именно в зазор полюсных наконечников 12 по немагнитной трубке 13, на которую намотана катушка индуктивности 14, по сигналу с которой определяется эффективное время релаксации Т2Эфф потока СКЖ, который через фланцы 15 поступает в колено трубы 1 и далее в магистральную трубу 19. Сигнал ЯМР передается на разъем 16 и по кабелю 22 длиной в четверть резонансной волны (λ/4=νoc, где c - скорость света) поступает в приемник, на контроллер и по радиоканалу - к диспетчеру. Контроль давления Pi (и соответственно скорости компонент νi) осуществляется тензометрическими датчиками 17 давления, установленными в коническом расширителе 4.
Из магистральной трубы 19 поток СКЖ поступает в измерительную трубу 1, в которой механические примеси оседают в полости 2 отстоя. Далее через защитную сетку 3 поток жидкости поступает в конический расширитель 4, соединенный с измерительной трубой 1 фланцами 5. В коническом расширителе 4 происходит турбулизация и гомогенизация потока жидкости, который под действием перепада давления (PT-Pi) в сечениях ST и Si поступает в трубку 6 через патрубок 7, положение которого фиксируется током, подаваемым на электромагнитные катушки 8. Температура потока жидкости в трубке 6 измеряется термодатчиком 9. Далее поток жидкости через фланцы 10 поступает в магнит релаксометра 11 ЯМР, а именно в зазор полюсных наконечников 12 по немагнитной трубке 13, на которую намотана катушка 14 индуктивности, по сигналу с которой определяется эффективное время Т2Эфф релаксации потока СКЖ, который через фланцы 15 поступает в колено измерительной трубы 1 и далее в магистральную трубу 19. Сигнал ЯМР передается на разъем 16 и по кабелю 22, длиной в четверть резонансной волны (λ/4=νoc, где c - скорость света), поступает в приемопередатчик 23, на контроллер 24 и по радиоканалу - на управляющий пункт 25 диспетчера.
Перемещение патрубка 7 и значение S определяется контроллером 23 Atmega 851 SL по его положению, отсчитываемому по числу импульсов с обтюратора (на чертеже условно не показан).
Задание параметров перемещения осуществляется с окна интерфейса, аналогичное окнам Windows, лицевой панели управления на управляющем пункте 25 диспетчера.
Для инициализации процесса управления положением патрубка 7 по данным соотношения жидких фаз (концентрации воды W в жидкости), компьютер (на чертеже условно не показан) выбирает из заранее занесенной базы данных положение патрубка 7, соответствующее максимальной крутизне зависимости (Т2Эфф)-1 от скорости νi. После этого на основном компьютере вызывается основная программа управления электроприводом (на чертеже условно не показан). Происходит конфигурирование последовательного порта VISA и ожидается появление команды «Пуск» для входа в основную подпрограмму измерения усредненного расхода QT и скорости νT потока СКЖ по формулам (1) и (2), а также расходов Qi компонент СКЖ по формуле (3). Для определения скоростей νi потока по сечению необходимо определить промежуточные положения останова привода и время ожидания при каждом останове. Расстояние, на который патрубок должен переместиться, всегда отсчитывается и соответственно задается с начального положения в миллиметрах (мм), а время ожидания в секундах (с). Максимально расстояние, на которое можно переместить патрубок 7 в данной конструкции соответствует 130 мм.
Использование предлагаемого устройства для измерения состава и расхода многокомпонентных жидкостей с использованием метода ядерного магнитного резонанса позволит исключить расслоение фаз в коническом расширителе измерительной трубы и возможность засорения патрубка пробоотбора асфальтено-смолистыми включениями и механическими примесями, позволит обеспечить эффективную турбулизацию и гомогенизацию потока жидкости в коническом расширителе измерительной трубы, а также автоматизацию процесса измерения.
1. Устройство для измерения состава и расхода многокомпонентных жидкостей с использованием метода ядерного магнитного резонанса (ЯМР), включающее релаксометр ЯМР с датчиком, имеющим трубку, для облучения потока жидкости и получения сигналов спин-эхо ЯМР, по которым определяются параметры жидкости, систему пробоотбора, содержащую измерительную трубу, соединенную трубкой пробоотбора с релаксометром ЯМР, при этом измерительная труба имеет конический расширитель, а в трубке пробоотбора установлен патрубок, имеющий возможность перемещения по сечению конического расширителя, отличающееся тем, что конический расширитель расположен вертикально, в измерительной трубе, перед входом потока жидкости в конический расширитель, установлена защитная сетка, в коническом расширителе установлены тензометрические датчики давления, а в полости нижней части конического расширителя по периметру размещены зубчатые кольца, на трубке пробоотбора размещены электромагнитные катушки управления перемещением патрубка, при этом контроль перемещения патрубка по сечению конического расширителя осуществляется введенным контроллером, соединенным с электромагнитными катушками.
2. Устройство для измерения состава и расхода многокомпонентных жидкостей с использованием метода ядерного магнитного резонанса по п.1, отличающееся тем, что для измерения расхода QT патрубок расположен в сечении, обеспечивающем скорость потока, для которого получена максимальная крутизна зависимости эффективной скорости релаксации (Т2Эфф)-1 от расхода потока жидкости, при этом скорость νT потока и расхода QT в измерительной трубе определяют соответственно по формулам νT=KCS[(Т2Эфф)-1]/KSД и QT=KCS(T2Эфф)-1, где SД - площадь сечения трубки датчика релаксометра ЯМР, S - площадь сечения конического расширителя на уровне положения патрубка, К=SТ/SД - коэффициент редукции, KС - коэффициент в зависимости QД=КСSД(Т2Эфф)-1, (Т2Эфф)-1=(Т2о)-1+(τ)-1, Т2о - время релаксации в неподвижной жидкости, τ - время нахождения жидкости в датчике ЯМР, а расходы Qi компонент жидкости определяют по формуле Qi=Q·Pi, где Рi - концентрация i-й компоненты смеси, определяемая из разложения на компоненты огибающей спин-эхо сигнала ЯМР по экстраполированным на нулевое время значениям, объемное содержание газа VG определяют по формуле VG=(А0-AG)/А0, где А0, AG - соответственно начальные амплитуды при полном заполнении датчика ЯМР сырой нефтью и частичном заполнении его газом.
