CC BY
43
УДК 528 А.Д. Назаров
ИТ СО РАН, Новосибирск
ПОТОЧНЫЙ ВЛАГОМЕР СЫРОЙ НЕФТИ
A.D. Nazarov
Institute of Thermophysics of Russian Academy of Science (IT RAS) Lavrentyev aven., 1, Novosibirsk, 630090, Russian Federation
FLOW HUMIDITY METER FOR CRUDE OIL
A simple flow humidity meter for the water-oil mixture was developed and tested experimentally. Its operation principle is based on registration of absorbed energy of the high-frequency electromagnetic field, released by an emitter, at its interaction with a medium of the water-oil mixture inside a tube. The setup for humidity meter testing, construction features and main parameters of the device are presented.
Наличие достоверной информации о содержании в смеси долей нефти и воды позволяет оценивать предполагаемое количество добытой товарной нефти, определять стратегию и тактику обработки водонефтяной смеси для получения ее максимального количества, судить об эффективности разработки продуктивного пласта и рентабельности эксплуатации скважины, принимать своевременно верные решения о начале работ по обработке призабойной зоны пласта и ремонту скважины, производить оценку эффективности применения новых технологий и т. д.
Создан прибор контроля обводненности добываемой нефти, который может давать информацию о содержании воды в статическом режиме и в потоке смеси, текущей по трубопроводу. Влагомер может использоваться автономно и в составе автоматизированных систем сбора информации [7].
Принцип действия основан на регистрации поглощения энергии ВЧ электромагнитного поля в районе излучателя при взаимодействии с водонефтяной смесью. Диэлектрическая проницаемость смеси зависти от количества долей и диэлектрической проницаемости нефти (sH = 3 - 5[6]) и воды (se = 78 - 85 [6]).
Из уравнений Максвелла [1] следует, что распространение электромагнитного поля в веществе зависит от электрических и магнитных свойств компонент, и плотность энергии ©равна:
a>=±(ED+HB) [1],
где D = ££qE - электрическая индукция, В = 11Ц0Н - напряженность магнитного поля.
Учитывая, что относительная магнитная постоянная воды /лводы ~ 1 и содержание магнетиков мало, можно принять, что плотность
высокочастотной энергии в смеси в основном определяется напряженностью электрического поля и относительной диэлектрической постоянной смеси. В этом случае, потребляемая мощность от генератора будет определяться комплексным сопротивлением системы излучатель -среда, и равна [2, 5]:
р _ иген
2.
изл
где иген - напряжение СВЧ генератора, 2изл - комплексное сопротивление излучателя и фидера генератор - излучатель - материальная среда.
Выбор длины волны СВЧ поля близкой к парамагнитному резонансу молекул воды усиливает поглощение СВЧ энергии в водонефтяной смеси, тем самым увеличивая эффект определения содержания влаги в растворе [3, 4].
Фотография и структурная схема измерителя для случая определения влажности в движущейся по трубопроводу смеси, приведена на рис. 1. В данном приборе значение частоты СВЧ поля выбрано 432 МГц. Выбор частоты определил конструкцию СВЧ зонд в виде укороченного диполя. Для коррекции краевых эффектов введены диэлектрические вставки.
а
б
Рис. 1. Влагомер поточный: а - структурная схема; б - фотография в составе устройства учета нефти; 1) трубопровод; 2) излучатель; 3) СВЧ генератор; 4) СВЧ усилитель; 5) схема согласования; 6) АРУ; 7,8) детектор; 9) выходной блок; 10) микроконтроллер
В трубопровод 1 с потоком смеси помещен излучатель электромагнитной энергии 2, к которому через схему согласования 5 и высокочастотный усилитель 4 подводится СВЧ сигнал от генератора 3. Устройство автоматической регулировки уровня (АРУ) 6 поддерживает на постоянном
уровне значение амплитуды переменного СВЧ-сигнала на выходе усилителя. Через детекторы 7 и 8 в выходной блок 9 поступает сигнал об электромагнитной энергии, подводимой к излучателю до и после взаимодействия со средой. В блоке 9 выделяется сигнал пропорциональный концентрации воды в смеси, и подается в микроконтроллер 10. В микроконтроллере аналоговая электрическая величина конвертируется в цифровой код. Используя данные калибровки, микроконтроллер выделяет соответствующее значение концентрации воды в смеси, выдает на индикацию, и формирует архив данных по часам, суткам, месяцам. К прибору может подключаться компьютер по интерфейсу RS-485, работающий по Modbus протоколу. При оснащении специальной программой обмена, архивные данные прибора становятся доступными для считывания и обработки в компьютере.
Тарировка СВЧ влагомера выполняется на специальном стенде (рис. 2) или на действующей установке по известным параметрам смеси.
потока воздуха
Рис. 2. Стенд калибровки СВЧ-измерителя влажности
Излучатель прибора, пропущенный через уплотнитель в стенке, взаимодействует со смесью в нижней части сосуда. Водонефтяная смесь заливается через фланец-1. Через фланец-2 - сливается. С целью предотвращения расслаивания жидкостей на дне сосуда размещена
свернутая трубка с отверстиями («змеевик»), через которые из компрессора подается воздух. Микроконтроллер имеет режим калибровки, при котором заданному значению количеству влаги в смеси автоматически записывается в память контроллера показания измерительной схемы прибора. Проделав измерения с несколькими значениями концентрации воды в смеси, программа микроконтроллера формирует калибровочную зависимость, которая используется в рабочем режиме измерения концентрации влаги в водонефтяной смеси. Режим калибровки влагомера может быть автономным, т.е. проводится одним прибором, или под управлением компьютера, что позволяет подключить возможности программного обеспечения мощного вычислительного устройства (наблюдать за формированием калибровочной зависимости в графическом виде).
На рис. 3 показана зависимость показаний прибора от концентрации воды в водонефтяной смеси, полученная в процессе калибровки. При приготовлении образцовых жидкостей использовались «сухая» нефть и пластовая вода, которые получили путем разделения воды и нефти из смеси.
Выбор оптимального соотношения активной и реактивной части в комплексном сопротивлении системы (блок согласования - излучатель -среда) позволил получить линейную зависимость сигнала измерителя от концентрации влаги в водонефтяной смеси. Из этого следует, что калибровочная зависимость для определения количества влаги в водонефтяной смеси может быть определена по двум точкам: обезвоженная нефть и вода.
Рис. 3. Показания прибора от концентрации пластовой
воды в нефти
Экспериментально определено влияние неорганических примесей (загрязненность, соленость и т.п.) на показания влагомера. Исключить влияние данных факторов позволяет начальная тарировка двумя компонентами - нефть и пластовая вода, выделенная после отделения из пробы нефти. В случае не полного отделения газа из потока смеси следует учитывать его присутствие в потоке смеси, так как диэлектрическая проницаемость газа близка нефти (Бгаз = 1 - 2), и объем газа в районе измерителя учитывается как нефть.
При тарировке применялось периодическое перемешивание смеси рассол - нефть воздухом, поэтому истинное значение влажности определялось в момент завершения обезгаживания. На рис. 4 показана зависимость сопротивления излучателя при регистрации влажности различных по качеству жидкостей. Наблюдается три интервала: обезвоженная нефть, смесь рассол - нефть после перемешивания и обезгаживания, и процесс расслоение компонент смеси.
Прибор можно настроить на диапазон для измерения от 0 % до 100 % влаги в смеси или на отдельные диапазоны (0 % до 50 % или от 50 % до 100 % влаги в смеси). Эксперименты показали, что при использовании прибора с возможностью измерения 0 ^ 100 %, погрешность измерения от полной шкалы составляет ± 5 %, а при использовании влагомера с настройкой на отдельный диапазон, погрешность равна ± 2,5 %.
Импеданс излучателя
2
1 Э
1 ГА 1Р сь >0' -5 0?/ п) э
\
ч начало расслоения
1 «е ф! ь
Время, сек.
Рис. 4. Сопротивление излучателя при разных смесях Выводы:
1. Прибор, основанный на эффекте поглощения энергии СВЧ электромагнитного поля внешней средой пригоден для определения влаги в водонефтяной смеси в разных технологических задачах нефтепромысла.
2. Для калибровки измерителя достаточно двух точек: 1) обезвоженная нефть и 2) рассол (вода). Следовательно, тарировку прибора можно проводить в полевых условиях.
3. Для повышения точности тарировать прибор следует продуктами, полученными при расслоении добытой смеси.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М., Теория поля, 6 изд., (Теоретическая физика, т. 2), М., 1973 г.
2. Тамм И.Е., Основы теории электричества, 9 изд., М., 1976 г.
3. Айзенберг Г.З., Коротковолновые антенны, М., 1962 г.
4. Хайкин С.Э., Электромагнитные волны, 2 изд., М. - Л., 1964 г.
5. И.В. Лебедев. Техника и приборы СВЧ, «Высшая школа», М. 1970 г.
6. Дж. Кэй и Т. Лэби, Таблицы физических и химических постоянных, издание второе переработанное, перевод с 12-го английского издания под редакцией К.П. Яковлева, Государственное издательство физико-математической литературы, М., 1962 г, 248 с.
7. ГОСТ 2477-65. Нефть и нефтепродукты. Методы определения содержания воды.
© А.Д. Назаров, 2009
