ВИБРАЦИОННЫЙ МАССОВЫЙ РАСХОДОМЕР

Вибрационный массовый расходомер BMP предназначен для из­мерения массового расхода нефтегазовой смеси, непосредственно протекающей в трубопроводе.

Блок-схема BMP представлена на рис. 7.8. Она состоит из пер­вичного преобразователя ПП и блока предварительной обработки информации БПО, включающего в себя аналоговый (А77) и цифро­вой (ЦП) преобразователи.

Первичный преобразователь состоит из герметичного корпуса 1, в котором консольно закреплен вибратор 2. Через внутреннюю по­лость вибратора проходит газожидкостная смесь, массовый расход которой подлежит измерению. В корпус вмонтированы два электро­магнита: адаптер 3 и возбудитель 4. Эти электромагниты связаны между собой с помощью размещенных в аналоговом преобразовате­ле АП регулируемого усилителя 5 и усилителя мощности 6. Эта цепь образует вместе с вибратором 2 электромеханический генера­тор синусоидальных колебаний. Частота колебаний генератора опре­деляется собственной частотой колебания вибратора, которая в свою очередь, зависит при прочих равных условиях от массы вибра­тора, а следовательно, от массы (плотности) заполняющей полость вибратора среды. Каждая частичка среды, проходящая через вибра­тор, начинает принимать участие в его колебаниях, на что тратится определенная часть колебательной энергии системы (увеличивается ее коэффициент затухания). Иными словами, при участии частичек сре­ды одновременно в двух движениях (поступательном и круговом) возникают кориолисовы силы, направленные в сторону уменьшения вызывающей их причины. Чем больше частичек среды пройдет через вибратор в единицу времени, тем больше указанные потери.

Величина этих потерь, следовательно, может служить мерой мас­сового расхода смеси, а величина собственной частоты колебаний вибратора — мерой плотности этой смеси. Аналоговый преобразо­ватель снабжен блоком автоматической регулировки усиления 7 (АРУ), который под действием напряжения Up изменяет коэффи­циент усиления усилителя 5, а следовательно, ток в цепи возбудите­ля 4 таким образом, чтобы модуль скорости колебания вибратора напряжения адаптера Uа оставался бы постоянным. Эта величина зависит от напряжения уставки Uy. При изменении потерь массово­го расхода смеси изменяется и сила тока возбудителя i_в, что также служит мерой массового расхода смеси.

Напряжение, пропорциональное этой силе тока, посгупает на пре­образователь «напряжение—частота» 8 и на преобразователь «на­пряжение—ток» 9. Частота f_G, снимаемая с преобразователя 8, пропорциональна массовому расходу смеси. С помощью потенцио­метров в преобразователе 8 можно изменять нулевую частоту (при i_в=0) и крутизну преобразования (f_G=ni, где n — коэффициент пре­ образования).

На выходе преобразователя 9 включен миллиампер­метр—указатель мгновенного расхода 10, проходящей через вибра­тор смеси. На вход цифрового преобразователя поступают два про­порциональных по частоте переменных сигнала: f_G и f_ρ (этот сигнал, пропорциональный плотности, проходящей через вибратор смеси, снимается с усилителя 5 до управляемого каскада).

Цифровой преобразователь снабжен таймером 13, двумя счетчи­ками-делителями 12 и 14 и двумя счетчиками-накопителями 11 и 15. Таймер открывает входы счетчиков 12 и 14 на фиксированное вре­мя (100, 1000 и 10000 с). В зависимости от устанавливаемого на таймере времени коэффициент деления счетчиков 12 и 14 равен 1;

10 или 100. Таким образом, вне зависимости от времени на счетчи­ках 11 и 15 набирается одно и то же число (N_G или N_ρ) соответ­ствующее усредненным за время измерения расходу смеси ее плотности. Изменяя крутизну преобразователя -5, можно значение ng получить в именованных единицах (например, т/сут). На выход счетчика делителя 14 включен также электромеханический счетчик 16, на котором можно фиксировать расход (значение N_G). При жела­нии можно отключить таймер и использовать BMP как счетчик мас­сы прошедшей через него смеси. Если накопленное в счетчике 15 число меньше допустимого для данной скважины минимума расхода (который в виде уставки фиксируется в этом счетчике), то на выходе счетчика появится аварийный сигнал Vo. Основная при­веденная погрешность измерения ±5%. Электрическое питание—от сети переменного тока напряжением 220 В, частотой 50 Гц.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ РАСХОДОМЕРЫ

Принцип действия электромагнитных расходомеров основан на измерении электродвижущей силы, индуцированной в потоке элек­тропроводной жидкости под действием электромагнитного поля в функции скорости движения этой жидкости. Схема индукционного расходомера показана на рис. 7.9.

Между полюсами магнита N—S перпендикулярно к направлению силовых линий магнитного поля проходит трубопровод 1, по кото­рому течет жидкость. Если жидкость электропроводна, то в точках, расположенных по вертикали на противоположных концах диаметра трубопровода, создается разность потенциалов, образующая элек­тродвижущую силу (эдс):

где В—магнитная индукция; l—расстояние между электродами; w —скорость потока жидкости.

Разность потенциалов, снимаемая двумя электродами 2, измеря­ется прибором 3. Отрезок трубы, расположенный в магнитном поле, изготовлен из немагнитного материала.

Выражая скорость потока w через расход w=4Q/πD², получим

Из формулы (7.17) видно, что эдс прямо пропорциональна рас­ходу, следовательно, в этом случае шкала прибора линейна. Расхо­домеры с постоянным магнитным полем имеют ряд недостатков, являющихся следствием поляризации электродов. Так как в элек­тромагнитных расходомерах используют электромагниты, питаемые переменным током, магнитная индукция будет выражена уравнением

где Вmах—максимальная магнитная индукция; f—частота перемен­ного тока; t—время.

Подставляя уравнение (7.18) в (7.17), получим

Под влиянием переменного магнитного поля в потоке жидкости формируются кроме измеряемой электродвижущей силы также и дру­гие (паразитные) эдс, искажающие результат. Паразитная эдс наво­дится в контуре, образованном выводами электродов. Значение ее пропорционально скорости изменения магнитной индукции и не зависит от скорости потока. Паразитные сигналы-помехи сдвинуты по фазе на 90° относительно измерительного сигнала. Пара­зитные эдс при отсутствии предохранитель­ных мер могут быть значительными, в ре­зультате чего результаты измерений искажа­ются. Для снижения паразитных эдс приме­няют следующие меры.

1. Включают два однотипных датчика так, чтобы рабочие эдс складывались, а паразитные—вычитались.

2. В цепь усилителя включают фазочувствительный детектор, -подавляющий эдс, сдвинутую на 90° относительно рабочей.

3. Применяют компенсаторы с автоматическим уравновешивани­ем двух составляющих напряжения, различающихся по фазе.

4. Включают в цепь электродов катушку, расположенную в ра­бочем магнитном поле и поворачивающуюся до момента компенса­ции наводимой в ней паразитной эдс.

5. Применяют подвижной вывод от одного из электродов, про­ходящего через рабочее магнитное поле. Перемещением вывода мож­но добиться, чтобы площадь контура, пронизываемого полем, была равна нулю.

Показания индукционного расходомера не зависят от параметров измеряемой жидкости (температуры, плотности, вязкости, давления, теплопроводности и др.), если последние не влияют на электропро­водность. Из формул для эдс, индуцируемой в расходомере, видно, что показания расходомера теоретически не должны зависеть и от электропроводности. Но практически, поскольку измерительные при­боры определяют эдс по силе тока, текущего через прибор, при соизмеримых значениях сопротивлений измерительного прибора и датчика, изменение электропроводности жидкости влияет на сигнал.

К достоинствам индукционных расходомеров следует отнести то, что они не имеют каких-либо подвижных или неподвижных высту­пающих частей, препятствующих измеряемому потоку, обладают ли­нейной шкалой, высокой чувствительностью, хорошей воспроизводи­мостью показаний и стабильной работой.

Этими расходомерами можно определять расходы сред с высо­ким агрессивным воздействием, радиоактивных сред и расход различ­ного рода пульп.

К числу достоинств индукционных расходомеров следует также отнести то, что применение их не обусловлено требованием прямого участка трубопровода. Поэтому он может быть установлен в любом положении (горизонтальном, наклонном, вертикальном).

К недостатку индукционного расходомера следует отнести то, что измеряемая им жидкость должна обладать некоторой минималь­ной проводимостью. Многие углеводороды (в том числе нефть и продукты нефтепереработки) этим свойством не обладают.

Электромагнитный принцип измерения расхода использован в расходомерах бурового раствора РГР-7, который состоит из элек­тромагнитного датчика расхода, измерительного блока, преобразую­щего сигнал датчика в угол поворота сельсина, и показывающего устройства.

Схема измерительного устройства приведена на рис. 7.10. Систе­ма магнитного возбуждения (KB) создает переменное магнитное по­ле, пронизывающее немагнитную трубу датчика, в которой проте­кает буровой раствор. Электродвижущая сила, пропорциональная скорости потока жидкости, снимается с изолированного электро­да Э, введенного через стенку трубы перпендикулярно к магнитному потоку. Возникающая паразитная эдс устраняется закреплением вы­водов от корпуса и электрода в плоскости, перпендикулярной к трубе.

Сигнал измерительного электрода поступает по экранированному кабелю через разделительную емкость С1 на сетку первого каскада лампы Л1. На катод этой лампы в фазе с полезным сигналом одно­временно подводится компенсирующее напряжение с потенциометра Rп через емкость С2 фазовращательной ячейки R3—C2.

Результирующее напряжение «сетка—катод» равно разности сигнала и компенсирующего напряжения. Усиленный сигнал с анод­ной нагрузки R5 через емкость СЗ подается на сетку второго каска­да Л1. Емкость С5, внутреннее сопротивление лампы R, и сопротив­ление R7 образуют фазосдвигающую цепочку, с выхода которой сиг­нал через емкость С6 поступает на сетку третьего каскада Л^„ выполненного аналогично второму. Во втором и третьем каскадах осу­ществляется необходимый для нормальной работы фазочувствительного усилителя сдвиг фазы сигнала. Нити накаливания ламп всех каскадов усилителя напряжения питаются постоянным током, по­скольку незначительная величина измеряемого сигнала, имеющего частоту 50 Гц, может оказаться соизмеримой с флуктуациями пото­ка электронов в лампах с катодом, подогреваемым переменным то­ком той же частоты.

После усиления четвертым каскадом через емкость С10 сигнал поступает на вход фазочувствительного усилителя мощности ЛЗ, на­груженного управляющей обмоткой реверсивного двигателя РД-09, связанного с движком реохорда Rn. На анод усилителя мощности с выпрямительного моста ВПЗ — ВП6 подается пульсирующее напря­жение, необходимое для работы двигателя, а на аноды всех каскадов усилителя напряжения—напряжение, сглаженное диодом ВП7 и емкостью СИ.

Описанная схема работает как автокомпенсатор, т. е. при нали­чии на входе усилителя разностного сигнала двигатель поворачивает движок потенциометра в сторону уменьшения разбаланса и сводит его к нулю (~60 мкВ).

В этот момент двигатель останавливается и фиксирует опреде­ленное положение движка потенциометра и связанного с ним ротора сельсина БД-404А, причем зависимость между расходом жидкости и углом поворота движка линейная. За счет использования двига­теля с редукцией i=1/268 автокомпенсатор работает устойчиво, без перерегулирования и не реагирует на пульсацию расхода, создавае­мую поршневыми насосами.

Во время эксплуатации расходомера на буровой неизбежны ко­лебания напряжения и частоты тока. При этом возможно добавление в раствор ферромагнитных присадок (гематита), что будет вызывать изменение значения полезного сигнала, снимаемого с датчика.

Для компенсации вызванных этими факторами погрешностей из­мерения необходимо одновременно с полезным сигналом соответст­венно уменьшать или увеличивать и компенсирующее его напряже­ние, снимаемое с потенциометра Rп. Такая компенсация достигается специальной системой возбуждения датчика и потенциометра, со­стоящей из закрепленных на датчике двух пар катушек Kl, К.2 и КЗ, К.4, включенных между собой и согласно питающих потенцио­метр Rп.

Первая пара катушек К.1, K.2 расположена на магнитопроводе, где пронизывающий ее поток зависит только от силы тока возбуж­дения. Вторая пара катушек К.З и К.4 расположена на корпусе дат­чика на участке, где происходит наибольшее изменение магнитного потока при изменении магнитных свойств раствора.

Такая система обеспечивает независимость показаний расходоме­ра от колебаний напряжения питания и изменения магнитных свойств измеряемого вещества.

ИЗМЕРЕНИЕ РАСХОДА В СКВАЖИНЕ

Скважинные расходомеры являются важным средством изучения нефтяного месторождения и исследования характера работы добы­вающих и нагнетательных скважин. С помощью этих расходомеров на нефтяных месторождениях решают следующие задачи.

1. Определяют дебит каждого пласта в отдельности при одновре­менной раздельной эксплуатации нескольких нефтяных горизонтов одной скважиной.

2. Определяют место притока и количество поступающей жидко­сти в вертикальном направлении нефтяного горизонта для выявле­ния качества перфорации, эффективности гидравлического разрыва пласта и образования трещин.

3. Выявляют водопринимающие пропластки в нагнетательных скважинах и определяют объем поступающей в них жидкости при изучении технологических процессов поддержания пластового дав­ления методом закачки воды в пласт.

4. Определяют места нарушений герметичности эксплуатационной колонны по изменению притока по стволу скважины.

5. Определяют наличие перетока жидкости из одного продуктив­ного пропластка в другой.

Существующие скважинные расходомеры по принципу действия можно разделить на приборы постоянного перепада давления и при­боры, имеющие турбинку.

Скважинные расходомеры постоянного перепа­да давления. Схема прибора показана на рис. 7.11. Измеритель­ная часть состоит из конусной трубки 7 и поплавка 6, соединенного штоком 9 с ползуном 11, к которому крепится держатель с пером 12.

Ползун может свободно перемещаться по вертикали в направляю­щей трубке 10. Поток измеряемой жидкости через отверстия 4 и измерительный конус выходит через отверстия 8. Для того чтобы весь поток измеряемой жидкости проходил через измерительное устройство, предназначено пакерующее устройство 3, представляю­щее собой многолепестковый раструб, распираемый пружинами 5. При спуске прибора в скважину лепестки раструба сложены, прижа­ты к корпусу и удерживаются в таком положении кольцом 2. В за­данном месте гидравлическое реле 1 сдвигает кольцо 2 вниз и раструб 3, отжимаемый пружинами 5, раскрывается, перекрывая по­перечное сечение колонны труб и направляя весь поток жидкости в прибор.

Изменение расхода приводит к пропорциональному изменению положения поплавка 6 по высоте, что фиксируется пером 12 на диа­граммном бланке, вставленном в барабан 13. Барабан с диаграм­мным бланком вращается часовым механизмом 16, который аморти­зирован в корпусе прибора пружинным упором 17. Чтобы исключить влияние давления на показания прибора, камера, в которой распо­ложена регистрирующая часть, заполнена жидкостью под тем же давлением, что и в измеряемом потоке. Давление в скважине, дей­ствующее на ось 14, не передается на выходную ось часового меха­низма, расположенного в герметичной камере. Это давление через бурты 15 передается корпусу прибора.

Для диаграммного бланка используют цветную бумагу, покрытую титановыми белилами с воском. Прибор опускают в скважину на проволоке 19, закрепленной в головке 18.

Скважинные расходомеры с турбинкой. Турбинка в качестве измерительного преобразователя использована в разрабо­танных ВНИИКАнефтегазом скважинных расходомерах РГД-3, РГД-4, РГД-5 и РГД-6, предназначенных для измерения расхода при закачке воды непосредственно через эксплуатационную колонну.

У расходомера РГД-3 внутри корпуса 10 (рис. 7.12,а) установ­лены струевыпрямители 6 и 9 для сглаживания завихрений потока до и после турбинки 7. Вращение турбинки посредством кольцевого магнита 8 передается магнитному прерывателю тока 5, размещенно­му в герметичной камере, изготовленной из немагнитного металла. Для повышения чувствительности при небольших расходах на кор­пус одевают цилиндр 4, уменьшающий кольцевой зазор между стен­ками скважины и прибором. Прибор опускают в скважину на кабе­ле 1, закрепленном в головке 2. Верхний предел измерения прибора составляет 1 мус.

Расходомер РГД-4 (рпс. 7.12,6) имеет турбинку 3 с магнитным прерывателем, состоящим из магнита 2 и геркона 1. В нижней части прибора предусмотрен центратор, фиксирующий положение корпуса относительно стенок труб. Центратор состоит из шарнирно соедини­тельных пластин 5, раздвигаемых в скважине с помощью пружинного толкателя 4. Верхний предел измерения прибора РГД-4 составляет 1 м³/с.

Приборами РГД-3 и РГД-4 измеряют парциальный расход, т.е. часть расхода жидкости, протекающей через сечение скважины, так как у этих приборов отсутствует пакерующее устройство. Показания приборов зависят от диаметра скважин, который не постоянен, вследствие чего этими приборами можно измерять относительный расход по пропласткам. Выполняется это следующим образом. Вна­чале, установив прибор выше кровли самого верхнего пласта, изме­ряют общий расход воды. Значение расходов жидкости по ниже­лежащим пропласткам определяют как отношения показаний при­бора при каждом измерении к общему расходу.

Расходомер РГД-5 снабжен манжетным пакером и центратором. Весь поток жидкости проходит через калиброванное сечение струенаправляющей трубы, в которой расположена турбинка. Эластичные резиновые мембраны пакера, не затрудняя спуск прибора в скважи­ну, обеспечивают надежное перекрытие кольцевого сечения между стенками скважины и прибором, если диаметр эксплуатационной колонны не превышает 10 мм номинального сечения.

РГД-6, в отличие от рассмотренных, снабжен гидравлическим пакерующим устройством, обеспечивающим полное перекрытие коль­цевого зазора в скважинах, имеющих диаметр от 140 до 180 мм. Пакер представляет собой резиновую оболочку, концы которой за­крепляются снаружи корпуса глубинного снаряда резьбовыми коль­цами. Раскрывается пакер накачкой жидкости под резиновую обо­лочку специальным насосом. Предел измерения РГД-6—0,3 м³/с.

Контрольные вопросы

1. Объясните принцип действия и устройство объемных расходомеров и счет­чиков, шестеренчатых и роторных.

2. Объясните теоретические основы измерения расхода методом переменного перепада давления.

3. Из чего состоит комплект установки для измерения расхода методом пе­ременного перепада давления? Расскажите о правилах монтажа комплекта и отдельных элементов.

4. Изложите принцип действия и устройство расходомеров постоянного пе­репада давления.

5. Расскажите о принципе действия и устройстве расходомеров переменного

уровня.

6. Расскажите о принципе действия тахометрических расходомеров и уст­ройстве расходомеров ТОР и НОРД.

7. В чем заключается отличительная особенность и преимущество вибрацион­ных массовых расходомеров? Расскажите о принципе действия и устройство BMP.

8. Объясните принцип действия и устройство электромагнитных расходоме­ров. Какие вам известны способы подавления паразитной эдс? Расскажите о устройстве расходомера РГР-7.

9. Каково назначение скважинных расходомеров и какие технологические за­дачи решаются с их помощью?

10. Изложите устройство скважинных расходомеров постоянного перепада давления.

11. Расскажите о принципе действия и устройстве глубинных расходомеров с турбинкой.

Глава 8