автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Разработка и исследования виброакустического методаи системы контроля фазового состава газоконденсатного потока



г!

IВАНО-ФРАНКIВСЬКШ ДЕРЖЛВНШ ГЕХШЧШЙ УН1ВЕРСИТЕТ НАФТИ I ГАЗУ

' На правах рукопису УЖ: 681.2+658.562

РАИТЕР ПЕТРО МИКОЛАЙОВИЧ

РОЗРОБКА ГА Д0СЛ1ДЖЕННЯ ВIБРОАКУСТИЧИОГО МЕТОЛУ ТА СИСТНМИ К0НТР0Л0 ФАЗОВОГО СКЛАД/ ГАЗ ОКОНДЕНСАТНОГО ПОТОКУ

05.11.13. - ГЬилади та методи контролю навколишнього свреловииа. речовин, матер1ал1в та -виро61в

АВТОРЕФЕРАТ

дисертшП на здобуття. вченого ступеня кандидата твхн1чних наук

1вано-Франк1всыс - 1995

Робота виконана в '1вано-Франк1всъкому державному текн1чному университет! наЗэти 1 газу на кафгдрЬ "Методи та придали контроЛп якост1"

.Науковий кер1вник - доктор техн1чния на^к, про 4е сор БРАГО Е.М. ' ,

0Ф1ц1йн1 опонанти: - доктор тгж|1чнин наук, ■ професор СЕМЕНЦОВ Г. И. , • ' . . - КЭ1 ши лат. те к н 1 чн ик наук, доцент КРУК 1.С. *

Пров!дна оргаи1заи1я - -ОКБ засоб1в азгоматизацП

В/О ПГО'1ПРИЛАД (1йано-Франк1вськ). ,

Заиист в1дбудеться .24 березня 1995 р. о 1<1 год.* на зас1вани1 спец1ап1зовано1 вченсн ради в 1вано-Франк1вському

державному ун1верситет1 нафти 1 газу за алресоп: 284038, м. I вано-Франк1еськ, вул. Карпатеька, 15.

3 лисертаи!ею мпжна оэнайоыитнсь в 61бл1огец1 1вано Фран-к1вського держанного уи1верситату нафти 1 газу.

Автореферат роэ1слиний " 995р.

Вчений секретар спец l-a.nl зевано! вчвно'Х ради к. т. п., доцент

Дранчук М. М.

ЗАГЛЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуапьн1гггъ ппбпти. ЕФективн1сть виробництаа на газовидо-бувних п1дприемствах практично повн1стю визначееться умовами оптимального ведения прочес1в видобу-гку газу, що баэуються нг опе-ративн1й 1нФормац11 про як1сн1 характеристики, сировинних поток1в ко>кно1 д1юЧо'1 свердловини газоконденсатних родовищ.

1снуюч1 в промисловост1 мотоди баэуються на розд1льному вим1рюванн1 р1дко1 та газово! Фаз'и сиро винного газоконденсатного потоку шляхом його сепарацН. Внасл1док. нэдостатнъо'1 над1йност1 зап1рно1 арматури, яка працке при висойж статичних тисках газо-

J • •

конденсатного потоку £19,5-25,5 МПа), 1нФормац1я про Фазовий склад потоку £ на завзди в1рог1дною. Особливо це спостер1-гаеться при контрол1 парамэтр1в агресивних середовищ, таких як сировинн1 потоки свердловин газоконденсатних родовит, як1 м1стлть с1рководнев1 сполуки.

Тому на сьогодн1шн1й день створення еФективних засоб1в 1 ме-тод1в безсепарац1оного беэконтактного поточного контролю Фазового складу ,двоФазового потоку газоконденсатно! сум1ш1 е актуальною проблемою.

Одним э перспективных шлянхв контролю фазового складу вказа-иик поток1в е метод контролю, що базусгься на анал1э1 в1броакус-тичник сигнал1в трубопроводу з потоком газор!динно1 сум!ш1 всере-дин1. Винодячи з цього. мятоп панп! рпбпти е теоретичн! та експе-риментальн1 досл1дження в1б;эоакустичного методу контроле витрати газово! та р1дко! ваз двофэзопого потоку газоконденсатно! свердловини, помук шлях1 в п)даишенпя точност1 матоду, 1 на розробка Пого баз! промиоло&ого безсепарац!иного поточного пристрою контроле фаЗового складу газоконденсатного потоку. |

Наташ 1 - Л ос л 1 д ккн ь.. Для вир1шення сФормульованин в робот! задач використовувались анзл1тичнЗ та екепериментольн! методи. При розробц1 митоаик та проевячнн! екопериментальних досл1джеш> «■ про-понованого м*этоду контролю якост1 потоку використовувались методи теорП пляиурання багатофактог/ного експерименту. Експернмен-тальн1 реал1эпцГ\ в1броак-ус"П1Ч1жх си гнал 1 в оброблялнсь за допомс-гов М9тол1в спектрального та ког>^ляц1й1юго анал1зу стояастичних процеЫв. Лля визначення 1кФормаи1М1их частотами д1апазон1в сигналу та р1виянь витии с!аз потоку пикористано прмйоми та методи Факторного та регре'-1 иного ачаи^зу бага-гавим1 рнмк даних. результата яосл1лжень анал1зувались за правилами математичноГ статистика на ЕОМ.

- г -

1. Розроблана математична модель комплексного механ!зму ге-нерування та поиисення в!броакустичних сигнал1в на д1лянц1 трубопроводу з турбулентним потоком контрольовако1 двоФазово!" сум1ш1.

2. Запропонований розв'язок задач1 визначення 1нФормац1йнин частогних д1апазон1в енергетичного спектру в1броакустичного сигналу, 1нтенсивн1сть сигналу в я кик Горелке з витраташ Фаз двофа-

зового потоку. v »

3. Розроблена- структура та розракован1 коеф!ц1енти рег-ресШгах р1внянь контролю витрати газоао! та р!дко1 фаз двофазо- • вого потоку, як! дозволяпгь'вмзначати фазовий склад газор1динно~ го потоку як Функд1ю 1нтенсианост1 1к4юрмац1йного сигналу в двох часто-гния смугах його енергетичного спектру.

4. Розроблено принципа побудови промисловик ( безсепарац!йних 1нФормац1йних систем контролю фазового складу газаконденсатник поток!в.

тачного методу контролю витрати фаз • .газоконденсатного потоку реализован! тенн1чн1 р!шення 1 створен!- прак.тичн1 конструкцИ прошеловик безконтактшх безсепарац1йних м1кропроцесорник сис- • тем для контролю якост!/ двоФазових поток!в свердловини. Застосу-вання таких еззетем дозволяе опгим!зувати. про'иес завантдчання технолог! чного обладнання промислу по газу то важких фраки!ях конденсату. а такой спрцяе комплексна розроб*ц1 газо.конденсатних ро-довш з високими'Ьтатичними тисками потоку та високим вы1стон аг-ресивних сполук в контрольгваник потоках.

рря.п.1.чаи1я ппПптиг Розроблено 1 виготовлено в проиас1 дос-л1дасень та випробувано на установи! комплексно! п1дготовки газу д1ючого промислу досл!дний аз1раць систем« поточного безеепа-рац!йного контролю Фазового складу газоконденсатного потоку свер-дловин. Результата науксЕих досл!джзнь використовуоться в нав-чальному процес1 на кафедр1 матод1в та прилад1в контролю якост1 1вано-Франк1вського державного техн!чного ун1верситету нефти 1 газу.

Дпшбш1а_шйохи. Основн! результата дисертги1йно1 робота до-пов1далмсь 1 обговаривались на наукових сем!нарах кафедри "Автоматизация технолог!чних процас1в" Державно! акадвмИ наФти 1 газу 1м. 1.И. Губк1на См.Москва. 1983-1392р. р. 3, на еем1нар1-нарад! Вол-го-Уральського'наукоао-досл1дного-проектного Нютитуту гзз1в,, шо ¡Лстять с1рководань См.Оренбург, 1991р.), на наукових семЦшрах кафедри "Методи та прилад,ч контролю якост!" 1вано-Франк1вського

На основ! розробленого в!броакус-

- 3 -

державного текн1чного ум!верситату нафти 1 газу С1993,1904р.р.), а також на роспубл1кансысому сем!нар1-нарад1 "Стан та перепек-тави розвитку основних напрямк1и евтоматизацП в газов1й промис-ловост1"См.Кихв, 1990р.); на Всесоюзн1й науково-техн1чн1й кош&е-генцП "Роль науки у вир1шеш конкретник, науково-теин1 чних проблем нафго газового комплексу кра!ни" С и. Москва. 1089р. ).

Публ1кш1Х. По тем1 дисертац1йно! роботи опубл! ковано 6 дру~ кованни працъ. -ч-

Гтпуктуря та г. б'ем робптн- Дисертац1я складасться з вступу, п' яти глав, лерел1ку основних результат1в роботи та коротких вис--новк.1в, списку, цитовано! л1твратурм, до латку. Робота викладсиа на 170 стор1нках машинописного тексту, м1стить 40 рисунк1в.' 39 таб-л1шь. б1бл1огрэф1ю з 90 найменувань.

Иг» пани^т р.иносяп,<-:п наступи! фауков! положения.

1. ПринНипи 1 характеристики розробленого в1броакустичного методу контролю Фазового складу газоконденсатного потоку.

2. Маге матична модель коиплекеного механ1зму геиерування та поши-рення в1броакустичних си гнал 1 в на д1лянц1 трубопроводу з турбу-лентним потоком всередин1.

3. 8ир1шина завдання по визиаченню 1нФормаи1йних частотнин д1апа-эон1в у власному спектр1 в1броакустичного сигналу, 1нтвпсивн1сть ,о якии найб1льша ко релей э витратами Фаз двофазового потоку. 1

4. Структура системи регресЮник р1внянь витрати Фаз газор1динно-го потоку, як1 дозволяють карактериэуват фазовий склад га--,ЭОр1динного потоку як Функд1ю 1нтенсивност1 вШроакустичник сиг-нал1в у двок смугак частот йоге енергетичного спектру.

5."Базова ,конструкц1я та алгоритм Функ1онуаання промислово! м1кропроцасорно1 системи контролю якост1 потоку газоконлеисатно!

СВ9РДЛП0М1Ш.

0СН08НИЙ ЗМ!СТ Р050ТИ.

Улстун! обгрунтоваиа актуалыисть дйсчтгацП, с4ормульова-на мета 1 эадач1 робота, наукова новизна 1 практична Ыш-.'стъ, в1дабражен1 основн1 результата робот.

В_ис.:рташ хтд1л1 роэглянуто особливост! контрольопанмм га-

зор1динних поток1е э мэтою з'ясування вимог, як до методу контролю Фазового складу потоку, так 1 до реал!зовано! на його баз1 системи контролю нитрата кожно! а фаз двофазового потоку.

Розглянут! основн! характеристики газор!динного потоку: стискувад!сть, витратний та 1сгинний газови1с.т потоку 1 його число Фруда. На основ1 розгляду вказаних характеристик виконан! роз-рахунки термодинам1чних та як1сних параметр!в газоконденсатних поток!в. як! мохилгеались на експеримэнтальн1й установц1 при проведен^ досл1джень пропонованого методу контролю фазового складу потоку. Результата анал1зу фазово! д1аграми багатокомпонентно! сум1- ш1 газоконденсату та результата виконаних розрахунк1в показали можлив1сть моделвдання в трубопровод! промислово! установки комплексно! л1дготовки газу (УКПП газор1динних поток1в з разним сп1вв1дноигенням виграг фаз досл1джуваних поток!в.( Газоконденсатн1 потоки свердловин на вход1 в УКПГ знаходяться при статичних тисках 19,5-25,6 МПа, як!'важко змоделювати в лабораторних умовах. Тому вище вказана можлив1сть моделювання двофазових поток1в р1зно! структура безпосередньо на промисл! дозволила провести досл1дження запропонованого методу в уыовах максимально близьких до умов експлуатац!I системи контролю Фазового складу потоку, яка реал1зуе даний в16роакустичний метод контролю якост! потоку.

Розглянсг! основн! матоди вим1рювання та контроле витрати газових та р1динних поток1в, виходячи з умов !х використання для контролю дЁофазовин середовщ. .

В зв'язку. з" високим газовм1стом газоконденсатних поток1в С40-85%) використання найб'льш поширених в газов1й промисловост1 однофазних витратом!р1в (зм1нного перепаду тиску та тахоыатричнихЭ практично не можливе без попередньо1 сепарацП газор!диниик пото-к1в. Застосування силовик витратоы1р1в, таких як кор1ол1сов1 чи в!брац!йно-масов1, в умоваи реально д1вчих газовик прошсл1в пот-' ребуе зм1шення 1 удасконалэння Хм конструкцП'. Це зумовлке необ-х1дн1сть гермэтмзац11 та п!двишэння над1йност1 силовик елемент1в присрэогв, да в умовак контролю аграсивних середавищ. як1 .знаходяться п1д високими статичниии тасками приводить до значного эростання 1х металоешост1 1 вартост1.

В робот1 обгрунтовано, ио оптимольним п!дкояом для контролю поток!в таких сереаовищ с використання безконтактних поточних пристроив активного та пасмвнаго зондування потоку. При газових Факторах потоку до 5-102 за умов корекцП покэз!в в зале«ност1 , в1д газовм!сту потоку знайшли використання поточи! вихров!, тепдов1, магн!то9лектричн1. ультгв'эвуков! витратом!ви. Але при зб1льшенн!

газового Фактора вше 10% стукрура контрольованого потоку усклад-ниеться, шо веде до руйнування вихрево! дор!жки Кармана, а також до стохастичних пульсац1й параметр!в теплового поля та д1алектрич-но1 проникност! потоку. Використання ультразвуковых витратом1р1в можлив'е т1льки при гомогенн1й дисперс!йн1й структур! потоку. При 1нших структурах внасл!док велико! р!зниц1 в акустичних !мпедан-сах р!дини та газу затухания 1нФормаи!йного ультразвукового зон-дуючого сигналу буде значним 1 покази прилад!в на баз1 цього методу буДуть неоднозначними.

В останн1 роки в за'язку 1з значним п!двтенням ¡ввидкодП та розширенлям Функи1ональних можливостол м!кропроцесорних вторин-них блок1в систем контролю витрати Фаз газор!диних поток1в знахо-дять все б1льше використання матоди пасивного акустичного зонду-вання таких питок1в, а 1нФормац1йними параметрами в системах контролю е сигнали пульсац1й тиску турбул1зованого потоку та акус-тичн1 сигнали, як1 виникають при обт1канн1 потоком г!дравл!чних перепой в трубопровод!.

6 На основ! класиф1кшП 1 анал!зу !снуючих метод! в ! лристро-!в контролю витрати фаз газор!динник поток!в запропоновоно метод контролю фазового складу газоконденсатного потоку, якия базуеться на анал1э1 лриродних в1броакустичних сигнал1в, що генеруються в трубопровод! э турбулентним двофазовим потоком веерадин!.

Приведено обгрунтування основних напрям1в досл1джень пропо-нованого методу. Лля цього проанал1зовано роботу установки пер-пинно! комплексно! переробки газу на приклад1 реального газоконденсатного промислу з кута зору оптим1зац1! завантаження технолог! чногц обладнання по газов1й та р1дк!й фазах потоку. Показано, ио використання оперативно1 1нФормац11 про фазовмй склад потоку кожно1 з свердловин дозволяе з допомогою зап1рно! арматури сФог>-иувати тахий сумарний газор1линиий пот1к у видному колектор! установки, якмй дозволяв васги телнолог!чний процес видобутку та пареробки газоконденсату в оптимальному режим!.

Пор!еняльниГ! анал1з 1снуючих метод1в 1 пристрот контролю фазового складу газор1линчих потск1в та анал1з технолог!! первично! переробки гаэокондансатао'! с!'м1ш! свердловини дозволив вибрато даяязння лпгч11пжпн"я тл розробки пропонованого в!броа-кустичногп метолу та системи контролю витрати Фаз потоку: I) раэробка тпоретичних основ мекан!зму генерування та розпопсюд-кення 1нФрмаи1йних сигнал1в в1бро.чсустичнсго методу контролю Фазового складу потоку".

вмзивчэння характеру впливу конструктивна параметр!в вим1рю-

вальнси д1лянки та ст{5уктури контрольованих двофазових потоков на вид 1нформац1йного сигналу;

3) визначення 1нформац1йнкк частотой« сиуг енергетичного спектру сигналу, в яких 1сну£ максимальна кореляц1я м!ж 1нтенсивн1стьй сигналу та витратами Фаз потоку:

4) одержання та досл1дження регрес1йнин р1вня;1ь витрати га-зор1динного потоку, в яких аитрата ¡сожно1 з Фаз потоку е функции 1нтенсивност! 1нФормац1йного сигналу в двоя частотних д1а-пазонах його власного спектру:

5) разробка промислово! системы контролю Фазового складу газокон-денсотного потоку свердловини, яка реал1зуе запропонований метод.

]юу гий роя я 1 л присвячений теоретичному досл1джгчю запропоно-веного в1броакустичного методу контролю витрагти фаз газор1 винного потоку. Показано, то турбулентний рух стискувацих газор1динник поток!в мае властивост1, як1 иеобх1дн1 для генерування звуку. й{Я стаскуваиох в'язко! сум1цй р1вняння руху можна подати у вигляд1: •

ЗОСхЛ)

• »2_С1/соЭ-са2р/3^ ---г— + с!1 V Кх!1) -

В^Р-Ш-^Ш-би)

31 02

дХ1-дэд Э12 Со2

де, р- густина : _ "

Р- тиск';

со- швидк1ст1>у звуку: 1- час:

* - оператор Лапласа: би- компонента вектора в'язкии напруг. ескхлз 32 г р

Члени - 1 -• I-- - р

дЬ дШ со2

си

праве1 частики характеризуйте

випром1нювання енергН в звуковому 1 уЛьтразвукосоиу д1апазоная частот внасл1док зм1ни маси /рередовища • в пеякому обмеданому об'ем! простору, заповненому турбулентним потоком.Члени СИу Кх^О 32(р-и1-и4-0иЗ

и ;- —- характеризуют» вилрои1нюздння зв'рл'овин колц-

вань внасл1док колшанъ наоднор1дния включень потоку та ьнас-л1док власне його тур6ул1зр^П. Г il.ua газовм!сту приводить до пз-рерозпод1л^ маси потоку I, як наелI док. до виники^ння г1дродииакЙ-чних пулъсещ1й«таску 1 генерування звуковик коливань. 0ск1лъки по-

т!к сум1ш1 руяаеться в обмеженому об'ем1 трубопроводу, то' пульса-ц11 потоку газу 1 р1динй викликають ¡соливання ст1нок .трубопроводу, енерг1я якик достатня дм' виникнення прукно! балочной в1брац11 д1лянки трубопроводу.

Поряд з цим трубопровод е квилеводом для ( звуковик коливонь певного частотного д1алазону, як1 генеруютьея гурбулентаим потоком. Якщо ст1нки таких нвилевод1в. характеризушься певком нормальною про'в1дн1стю, то з допомогою'акустичного датчика, встанов-леного на трубопровод!, можна анал!зувати 1нтенсивн1сть звукойо-го поля всередин1 трубопроводу з контрольованим середовищем. .

В якост1 ,вим1ривапьн01 д!лянки в запра по кованому метод! роз-глядаеться частина трубопроводу, закр1ллена на двои олорах. 1к. початку д1лянки в напрямку руку потоку для його турбул1зац11 встановлено г1дрооп1р С звужуючий п(?йстр1й - ЗШ у .вигляд1 тонко1 д1афрагми. Прот1кання потоку сум1ш1 через г!дрооп1р веда до вих-роутворень в контрольованому потоц1, а разом з тим до виникнення особливого, вихревого звуку. В якост1 1нФормац1йнаго сигналу в1броакусти^ного методу контролю Фазового складу потоку, викорис-тано сигнал датчика в1брац11 - ' п'езоелектричного акселерометра, яю-.й встановлено вертикально на зовн1шню поверхню трубопроводу п1сля г1дроопору. 1з вс1Е1 р1зноман!тност1 хвиль, генерованих ^турбулентным потоком, анал1зувались нормальн1 хвил1, як1 вини-кають в трубопровод!.

Для анал1зу процес1в генерування коливань, що виникають в »результат! руку потоку контрольованого середовища через г1дрооп1р трубопроводу, розглянутй поширення звукових хвиль вздовж ци'л1ндричнох оболонки. Для [Ь^го розв'язувалось в!доме хвильова р1вняння Гельигольиа в цш?1 нмричних координатах.

Р1вняння руху оболонки в 1мпедансному вигляд1: ч

Ип » 2п • Уп С 2)

де, Рп- рад!альна сила, ^ка д1е на оболочку 1з сторони потоку: 2п- нормальний 1мпвданс оболонки.

Використаний в пропоноваиому метод1 датчик в!брацП' генеруе електричний заряд С1н4ормацДйний сигнал}. пролорц1йний прискорен-ню коливнь оболонки:

111. сИ

Б1

сзэ

2п

3 р1вняння (3) вит1кае, шо при наявнссг! !нфэрмац1У про прискорення коливань оболонки 1 нормальний 1мпеданс труби можна, визначити 1нтенсивн1сть сил, як1 д1ють на оболонку з боку турбу-

лентного потоку. Тому 1нтенсивн1стъ вказаних сил с 1нФормац1йним параметром для контролю витрати потоку сум1ш1.

,Лля умов поширення коливань в ст1нюия трубопроводу для про-понованого методу контролю витрати 4аз потоку одержано диспер-с1йне р1вняння:

I р1- и ЛпСи1-а) !■ рй и ' Нп<<и2-.а)

------ „ 2п ---;- С 4)

и1 3 пС и! ■ а) и2 НпСи2-а)

де, р1 1 р2 - гус-шна саредовища всередин! 1 ззовн1 оболонки; Ш. 1 иг - нормальна складо'ва квильового числа всередин1 1 ззовн1 оболонки:

а - рад1ус оболонки; •

Jn 1 Нп - Функц11 Бесселя 1 Ганкеля п-го порядку, У в!дпов1дност1 з р1внянням С 4) на кожн1й частот! и вздовж оболонки дажуть пошрааатись хвил1 т1льки э такими Щ 1 и2. як1 задоволъкяюгь диспарс1йному р1внянню, тобто е його" коренями, а коливання ст!нок трубопроводу можна роэглядати як суда нор-мальних 'складових квиль, поширюогься в них.

Показано що систему р1внянь руну шл!ндрично1 оболонки при п«1 можна звэсти до одного р1вняння типу коливань згину балки для низъких частот, коли довжина нвуль згину б1льша за рад1ус оболонки. Отриманий вираз для знаходкенння прискорення коливань трубопроводу, . яке рееструеться датчиком при балочних коливаннях труби, тобто при п»12

с!У" . СРоЗ

С 5)

СИ ' - т/м'Ссп4/сто4-1/стс21-1/и>2 гогз1^2

де, М - иаса трубопроводу з потоком всередин1:

Ро - прикладен1 до облонки зовн!шн1 сили» як1 викликатЬ зм1-

щення в нзпрямку нормал1 да ос! трубопроводу*. Сп - шияк1сть поширення повздовжн!« хвиль в стрижи!: сто- швидк1сть поширення хвил1 згину по трубопроводу: Го= а/т/2* - рад1ус 1нери11 поперечного ператану;

3 р1вняння (5) належить, що при эб1льшнн1 частота« приско-' рення балочно! в!брацН при п«1 квадратично зменшуеться, тобто балочна в1брац!я е сутквою т!льки в ниэькочастотному д1апазон1 сигналу.

Анал!з характеристик гаэог1дродинам1чного навантажэння кон-струкц1йно1 системи вим1рюэально1' д1лянки турбулентним потсксм сум1м1 дав момлив1еть запропонувати модель комплексного ме-кан!эму абу«пенни й!броакустичиих'сигналов,- поаануну на рис.1.

Джерело 1нФорнац1йних сигнал1в - турбулентний двофазовий пот!к, 1нтенсивн1сть турбул1заЦ11 якого штучно зростаг при проходженн!

ДЖЕРЕЛО

ТУРБУ.ПЕНТН1 С1Ъ

II ДВОФАЗОВИЙ П1Т1К ГА30Р1ДИНН01 СУМ1ТШ1 II

'' ............" ..... .■ ■ ■ . '1

МЕХАН13М ЗБУЖДЕННЯ СИГНАЛIВ II ПРИ 0БПКАНН1 ПЛРООПОРУ II

-1-1-;-II

ВАФТИНГ I ПДРО- I ВИХРОВШ II I ПРУЖНШ I II

■ I. I . . 'I

г

Пп=

III ПЙРОДИНМЧШ ПУЛЬСАЦП' ||—II АКУСТИЧШ ШУМИ || III ТОСКУ ПОТОКУ СУМЩ1 ' II - I — - -*>.

|> - . ■ -Д I

I1

(I КОШАННЯ КОНСТУКЦП' ВИМ!РЮВАЛЬН01 II ДШНКИ 3 ПОТОКОМ ГАЗСР1 ДИННО'1 СУМПШ

й. .... ... ;..._=-- .....-

,,-- -II

й 1шстАШин1 В!БР0АКУСТИЧН1 СИГНАЛЙ II

V- -:--г-ч

Рис.1. Модель комплексного механ1зму збудження 1нформац1йних сигнал1в.

ютоку через ЗП. Васл1дком цього. з одного боку, е гемврш1я всустичник коливань за рахунок вмхроутворенъ в потоц1 до 1 п1сля 1П, а э другого боку, пру ж I а реаки1я мекан1чно! системи на ®идк1сн1 та грав1гац1йн! параимтри потоку. 11с; породжуе: по-пер--ю. ниэькочастотиу в1сесимвтричну та балочну в1брац1ю при аэиму-•алышх числах п«0,1, а, по-чруге, при високих гаэових Факторах, 1ВоФээоаого потоку ЗП прайсе як потужний генератор акустнчнин

сигнал 1 в, як1 мантгь широкосмуговий спектр щ1льност! потужнос^.

Таким чином, власний спектр сигналу акселерометра, встанов-леносо на вим1рювальн1й д!дйнц1 трубопроводу, можна умовно розд1-лита на дв1 частани: низысочастогну 1 високочастотну. Эксперимен-

¡> X

тальн! досл!дження пропонованого методу С розд1 л 4) л'казали/'ко 1нтенсивн1сть сигналу в сбом смугах частот залежить як в1д за-гально! витрати потоку двофазово! сум1щ1, так 1 в1д витрати окре-мих Фаз потоку. Але за ракунок виборчих властивостей' трубопроводу э контрольованим середовищем Сякмй в . ниэькочастотн1и облает! веде себе як "зосереджена маса", а в високочастотн1й - як "зосе-реджена лружн1сть") вплив фактор1в витрати р!дко! 1 газово! Фаз потоку сум1ш1 на 1нтенсивн1сть сигналу, в р1зних частоошх смугах су'хтсво в1др1зня£ться. В ц1й особливост1 полягае суть пропонованого вШроакустичного методу контролю фазового садацу двофазово-го потоку. ^

Анал1тично досл!джено 1мпедансн! властивост1 оболонки С тру- . и) вим1рювально'£ д1лянки промислово! експериментально! установки. На основ1 анал1зу сезультат1в розрахунк!в залежностей акустичного !мледансу оболонки в1д частота сигналу дано пояснения зб1льшення ' спектрально! щ1льност1 потукност!. !нформац!йного сигналу п' езое-лектричного. акселерометра в высокочастотному д1апазон1 на частотах вияшх за критичну (2000-3000 Гц)..- .

Виконано лрогнозн! разрахунки ■ структури газоконценсатних двоФазоВик поток!в на основ1 дан их експериментальних дасл1д»;ань на газовому пром^л1. На основ! розрахунк1в значень г1дродинам!ч--них комплекс!в, як функц!й параметру Лоюсарта-Март1нел1, зроблено висновок, то. структуру газоконденсатного потоку при досл1джуваних режима» робота свердловини можна характеризувати як дисперсну. При низьких деб1тах свердловини. газоконденсатний пот1к мае перетяну структуру. Вказан! особливост1 зумозлюють необх1дн1сть роз-д1льного анал!зу сигналу датчика в двох областях динам!чного д1а-пазону контрольованих параметр!в - витрат фаз потоку.

Тррт.1 а тят1," присвячений розгляду С конструкц*I та анал!зу

тракту в1броакустичного перетворення промислово! экспериментально! вим1рввально} установки. Установка розроблена^а реал1зо-ва'на на баз1 блоку вх1дних ниток установки комплекснойп1дготое^-ки газу УКПГ fil6 Карачаганакського газоконденсатного- родовита С Казахстан). Бона складаеться з технолог!чного обладнаяня УКПГ, досл1дницьких пристроив реглтраиП в!броакустичних сигнал!в та промисловиу. засоб!в вим1рювання деб!ту 1 техтлог1чних парей метр!в свердловини.

Рис.2. §ласн1 спектри 1нФорыац1йного сигналу, зареестрован1 при р1зних деб1таи свердловини.

i '•,

Подано опис снеми теннолог1чного сбдадначня 1 системы контролю та регулюаання експериментальноi установки. Приведено ос-hobhI характеристики при лад.1 в та обладнання Ф1рми Брюль I К'^р, як1 використовувались при реестрацИ та обробц1 1нФормац1йних сигналЬв. Дано характеристику та об грунтуванйя вибору виы1рю-валшо! схеми реестрацИ в1броакусточник сигнал!в.

Приведен1 результата анал1зу характеристик Экспериментально! установки виходячи з умов впливу П особливостей на досл1дження тракту в1броакустичного перетворювача. Для цього проанал1зовано вплив кожного з елешнт1в установки на параметра 1нформац1йного сигналу. Розглянуто конструкц1ю датчика - в1броакусгичного п'езо-влэктричного акселерометра Do 1,1а Shear структуру. Б1дм1чено, ":JO : даний тип конструкц!! датчика, який забезпечуе водночас високу чутлив1сть 1 широкий частотний д1апазон йиы1рювданя, дозволяе ви-користовувати"один датчик для ресстг«uII;1цФормац1йяаго сигналу у двох чаототних смугак його спектру одночйсно

Власн1 спектри в1броакустачн'ого сигналу, зареестрован1 при р1знин деб1таклг10 газу Qr 1 конденсату Qic свердловини показан1 на рис.2. Днал1з тракту в1б»ракустичногр перетворення вим1рювальн("' д!лянки трубопрояоли дозволив запролонуаати тагсу градацйо компонент спектг-' cnuiajiy:

- широкосмуговий компонент, який карактеризуе шуми з' в1дносно

р1вном1рно лоширеною по всьому частотному д1апазону спектральном ш1лън1стю потужност1 сигналу: • ,

- вуэькосмугов! випадков1 компонента, як1 характеризуют) рад1аль-н1 коливання труби при деФормац1ях згину на власних частотах Св1д одиниць герц до 100 Гц):

- кваз1детерм1нован! компонента, як! характеризуюсь змушвн1 коливання труб при збуреннях в1д пульсуючога потоку;

- акусП(1.ун1 компонента 1нФормац1йногр сигналу.'

Для визначення сп1льност1 коливань та пошуку IX джерел роз-раховано та побудовапо граф1ги вэаемокореляц1йнин фунюйй сигнал^ датчик1в. встановлених на тру'бопровод1 п!сля ЗП на в1дстан1 0,18 м один в1д одного в напряику руку потоку. Анал1з .спек-тральних та кореляц1йник карактеристик сигналу при р1зних дебатах та на рГзйих д1лянкак трубопроводу показав необх1дн1сть викорис-тання на вкод! та винод1 вим1рювально1 д1лянки демпфуючих пристроив, для виключення впливу на пот1к. зап1рно1" арматури.

Чятр.рпца ппчпРп робота присвячений анал!зу резулътат1в ек-спериментальних досл1джень в1броакустичного методу контролю Фазового складу потоку свердловини.

Вюазано. ио у зв'язку 1э складною та багато Факторною природою пул1сац1й таску, доц1льно зам1сть знаходження анап1тично1 за-лежност! ( яка б враховувала вплив вс1х характеристик газор1динно~ го потоку на величину випром1нювано! ним ' енергШ використата статистачний п1дн1д до анал1зу в1броакуетичних сигнал1в. як1 вини-какггь при рус! газор1дикних поток1в. Кетою досл1джень було визначення кореляц1йних залажностей м1ж 1нтенсивн1стю сигнал1в датчика в1брацП', встановленого на трубопровод! з контрольованим середо-вищем. та витратою окремих Фаз газоконденсатного потоку.

В1брац1я трубопроводу, 1! 1нФормац1йниЯ параметр - приско-рення, розглядасться як випадкова фунш1я часу а=аС1,г), яка зэ-лежить в!д вектора параметр!в -\\11,7,2,... .1п\\. Вектор 2 склада-

еться з вектора вх1яних зм1ннин (Фактор1в) ХТ-НХ1,Х2.....Хя11,

вплив яких на випздкову функц1ю лосл1джусться. 1 вектора шумовогс

поля Е^=11е1,ег.....ек!1, до якого в1дносятъся неконтрольован! фак-

тори. Якшо.розглядати наб1р Функц1снал1них оперзтор1в А1,Аа,...,А1. як1 перетворюшь Функц1ю зСи г} в 1-м1рпый вектор П характеристик

У=|1у1, у2.....VIК з координатами:

у1 = А1 СаСиЗГ.ЙЬ 1=1.2.....1. ' С6)

Необх1дно досл1дити нев1дом1 властивост1 та якост1 ФункиП а 1 встановити статисп;чи1 зв'язки врктора Фактор1в X э координатами вектора У при наявност! шумового поля |Г. В даному випадку випал-

12 3 16 6 7 Часмонн! Эюпаюни спектрц сигначу

Рис.3. Роэлод!ч дисперсИ 1нФормац1йиого сигналу м!к п'ятьма факторй»

кова 4ункц1я рюзглядаеться як об'ект досл1дження - "чорний ящик", виолами я ко го е вектори )Г 1 Е, а виходом. Св1якликомЗ вектор У. Для коливань трубопроводу э контрольованим середовишем, як1 мож-на в1днести до класу випадковин коливалъних процес1в, за уза-гальнюючу характеристику Св1дкликЗ вибрано частотами спектр''по-тужност!. Тому в1дкликом об'Екту досл1дженкя буда Функц1я:

У1 - БСЗГ.Е.иЗ - А.1 [вС1,Х,Е.)]. -> С73

де, БСХ.Е, иЗ- спектральна щ1льн1сть погу'жност! в1Г-лац11 трубопроводу з потоком контрольованого середовища: Ал- оператор розракунку спектрально! щ1льн1сть потужност!: м- в частота. _

Якш> за координата вектора Фактор1в X вибрати к1льк1сть р1дини та газу в сум1ш1. то задача досл1джень буде зводитись до визначення параметр1в регрес1йно! модЗл!, яка описуе зв'язок спектрально! щ1лыюст1 потужност1 сц^налу в1брац1! трубопроводу з витратами р1дини та газу сум1ш1 потоку.

Етапу побудови та досл1дгання регр-1с1йних моделей передував спектральний а1лал1з в1брац1й трубопроводу. У в1дпов!дност1 з роз-робленою методикою проведения експеремент1в заре£строван1 1нФэр-' маи1йн1 сигнали в умовах газор1динного

стенду та прэмислово! вк—. сперименталыю! установки при р1зних сп1вв1дношенцях витр^.т газовой та р1дко'! Фап потоку. Врешовуючи, то вплив Фактор1в „СвитРатЗ проявляеться по р!зному в р!зних областях спектру.С рис.33, з до-

помогаю метолу головния компонент та факторного анализу оц1нено вплив 4>актор1в та вид1лено частоты 1 комптенти спектру, по-тужн1сть в яких найб1льше корелих з к1льк1стю газу чи plдини в сум!ml. Вид1лено так1 частотн1 д4апазони спектру сигналу, в яких

г i '

в1дношення параметров еектВр!B\'Jiotvm<oct1 корченого та шумового no.nl в с максимальним.

Для умов газор1яинного пол1гону, досл1дження на якому проводились при статичних тисках до 4МПа. такими д1апазонами е частота! смуги 4-108 Гц та 3000-б4с0 Гц, для умов прсмислу: 4-108 Гц та 1000-5800 Гц. 0ц1йка зцачимост! впливу витрати р!дко1' та газово!' Фаз на компонента;частотного спектру потужност1 проведена шляхом Факторних експеримент1в типу 2*2.'та Факторного анап1эу експери-ментальных даних.

3 метою вид1лення 1нтервалу стац!онарност! досл!джуваного сигналу та детерм!нованих складових його спектру 1 перев1рки нор-мальност1 процесу виконано ои1нювання основних статистичних характеристик 1н4ормац1пного сигналу. Для цього використано експе-риментальн1 кореляц1йн1 функцГх та г1стограми абсолютно! частота подХй реал1зац1й досл1джувании сигнал!в.

На основ! даних про 1нтенсивн!сть сигналу S у вибраних 1н-Форыац1йних д1апазонах частру його спектру-при в1ддов1дних значениях" витрати газово! Qr та р!дкоХ Qt> фаз двофазового потоку роз-роблено структуру та розрахован1 коеф1ц1ецти регрес1йних р1внянь витрати для умов газор1динного стенду'та газоконденсатного промие-лу. Дня умов прл1гону ц1 р1вняння маить йигляд: Qr. о «, 3355 С Sa-6. 3 кГи)0- 5 - 4312- С S4-108 Гц}0- 5 + 49.2 С 8) Qd.o = 1467 CS4-108 Ги)и-5 - 33 CS3-6.3 кГа)0-5 -

- 23632 CS4-108 Гц) - 14.28 С 9}

Для уиов експеришнтально! проыислово! установки досл1дження показали необх1дн!с1ть внесения в р1вняння незалежно! зmIhhoi - зна-ченъ статичного тиску:

Qr.n = 233 CS4-5.8 - 237 (S4-108 Ги)и-5 - 1002*

XCS4-5. 8 кГи.! + 598 CS4-108 ПО *- О. 3-PRES + SO. 7: (10) Qo.n = 122 CS4-108 Гц)и-5 +■ 205 CS4-5.8 кГи)у-5 - 212*

XCS4-ÍO8 ГиЭ - 172- С SS4-5.8 кГи) + 0.15 PRES- 28: 011) ' Приведено результата статистичного анал1зу розкиду експери-ментальних даних в!дносно предикторних значень регрес!йних залеж-ностей.

р' ятий пг>яп1л 1:'рцввячений розгляду техн1чних р!шень та прог-рамного забезпечення досл1дного вз'.рця лромислово!' системи контролю фазового складу потоку газокондансатно! свердловини, в ос-

нову якого покладено пропонований метод контролю якост1 потоку. Бона складигтъся э датчика, блоку пераинно! обробкм сигналу та терм!нального и!кропроиесорного блоку. Використання сучасно! м1кроп№цесорно1 елементно! бази та розробка програмного системного забеЧ^печення дозволили рвал1зувати систему,, яка пр?"и£ в реальному иасштаб1 часу. . Промислов1 -. випробування 1. "¿осл1дього г;з1рця системи тй градуевання II в умовах д1ючого промислу дозволили отримати похиб^'У при контрол1 газово'£ Фээм даофаэного потоку 4 Х,- а р!дко1 ФЗзи £?Х.. При умов1 введения корекиП по температур! потоку та використання деыпфуючих- пристроив на вход1 1 ви-код1 вим!рювальнох д1лянки можливо суттево ,п1двитити точн1сть контролю Фазового смалу потоку.

0СН0ВН1 РЕЗУЛЬТАТУ! РОБОТИ'ТА ВИСЫОВКИ

1. В результат1 енал1зу властивостей газоконденсатних потокШ сформул^ован! вимоги до метоя1в та пристро!в'контролю !х як1сно-

го складу. Анал1з иарактеристик пристро1в для контролю фазового у

складу газор1диннии поток1в дозволив обгрунтувати виб1р перспективного, в план! оперативност! о держания^! нФормац1'1 1 над1йност1. в1броакустичного мэтоду контроле витрати Фаз газоконденсатного потоку. ,

2. Теораггичн1 та експерш-кзнталън! досл1д»т;ння проиес1в, як1 в1дбувакггься в результат! взаемолП «турбулентного газор1динного потоку э лружною системою д1лянки трубопроводу, 'дозволили запро-понувати комплексний шхан1эм гвнерацП та розповсвдження 1нФор-ыац1йних в1броакустичник сигнал1в.

3. Роэроблена експериментальна промиелова установка для дос-л1дження пропонованого методу контролю фазового складу газоконденсатного потоку та градуювання системи контролю" якост1 потоку,, ио реал1зуе оказаний метод.

4. Розроблена методика проведения вим1рювального екеперименту та статИстичного анал1зу сигналу в1брацП" трубопреводу п1сля г1дро-опору для вирГйення задач 1 контролю-»якост! потоку." 3 допомогою прийом1в. Факторного експерименту та висперЫг-юго анап!зу вид1лен1 1нФормац1йн1 смуги частот сигналу датчика та фактори. шо впливаотъ на Лнтенеивн1с?Ь сигналу в цих Смугах для умов газор!динного стенду та газового промислу.

5.- Па основ1 роз(юблено1 структуру та ;ррзрахованих кобй!и1ент1в регрес1йниу р1в)»^1ь витрати контро льовак''"Ш Фаз пс^тэку урозробле-¡10 та лосл1джоно в!броак^стичний метод контролю якост! газокон-

денсатних 'поток1 в.

6. Запропонована структура 1нформац!йно1 беэс9парац1йно! поточно! системи контролю разового складу газор!динного потоку для умов газового промислу. розроблен1 техн1чн! р1шечня 6лок1в системи контролю якост1 потоку, яка орган!чно вписуеться в -склад 1сную-чин автоматизованих систем керування те!<нолог1чним процесом в газов! й промисловост1. '

7. Результата стендовик та промисловмн випробувань досл1дного вз1рця системи показали, цо ïï сумарна похибка по витрат! газово'! Фази складае 4 X. по р1дк!й Фаз! - 61. Враховуючи складну структуру газокондвнсатного потоку 1 сутхеву залежн1сть к1лькост! р!д-koï фази в сум1ш1 в1д термодипаМ1чник параметр!в потоку розробле-на система дозволе зд1йснювати некомерц1йний технолог!чний лоточ-ний контроль якост! газококпенсатного потоку свердловини.

Основния зм1ст дисертац1ï в1дображений в роботах:

1. Райтер П.М. В1броакустичний метод контролю Фазового складу газокондвнсатного потоку//Вим!рювальна техн1ка та метролог1я.-1994.- К 51.- С. 85.

2. Райтер П.М. Досл1дження в1броакустичного методу контролю Фазового складу газоконденсатного потоку//Вим!ршальна техн1ка та метголог1я.- 1995.- № 52.- (прийнято до друку).

3. Райтер П. Н. Бесконтактный поточный метод измерения дебита газо конденсатных скважин//Роль науки в решении конкретных научно-технических проблем иефггегазоаого комплекса стшныМез. докл. /Всесо-юзн. научн.-техн. конф., Москва, 1989. - С. 53.

•4. Метод и устройство измерения дебита газокойдансатных скважин //Состояние и перспективы развития основных направлений автомата займи в газовой промышленности: Тез. докл. /Всесовзн. семинар-совещание.- Киев, 1990. - С.24.(Соавторы: Еремеев C.B.. Поляков H.A., Царев A.B. )

5. Разработка бесконтактных поточных ьветодов и средств измерения дебита газоконденсатных скважин. Отчет по НИР/Тема № 329-89: fi гос. per. 01900002986. МИНГ им.И.М.Губкина, г.Москва.

1990г. - 104с.- С Отв. исполн. Райтер П.Н. ).

6. Оптимизация алгоритмов обработки информации устройства измерения расхода газа и конденсата по результатом опытно-промышленных испытаний на Карачаганакском газоконденсатном месторождении. Отчет по НИР/Тема N 49-91, № гос. per. 01900008567, МИНГ им. И. М. Губкина, г.Москва, J991 г. - 80с. - (Отв. исполн. Райтер Ii.H. ).

-

Райтер П. Н. Разработка и исследования виброакустического метода и системы контроля фазового состава газоконленсатного потока.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата техническим наук по специальности 05.11.13 - прибору и методы контроля окружаицер среды, веществ, материалов и изделий, Ивано-Франков-ский государственный технический университет- нефти и газа, Ивано-Франковск, 1995 г.

В работе исследован виброакустический бессепарационный метод контроля расхода газовой" и жидкой фаз газоконденсатного потока скважины. Предложены математическая модель и результаты стендовых и промысловых исследований метода. Опеределены две информационные частотные полосы в энергетическом спектре виброакустичвс-icoro сигнала датчика вибрации, установленного на трубопроводе с контролируемым потоком. Рассчитаны регрессионные уравнения расхода. связьшашие раскол Фаз потока с интенсивностью информационного сигнала а указанных полосах частот спектра. Разработана промысловая система контроля Фазового состава газоконденсатного потока, реализующая предлагаемый метод. Основные результаты работы изложены в 6 статьях.

Ralter P.M. Elaboration and Investigation of the vlbroacous-tlcal method and system to control phas6 structure of the gas-and-condansat flou.

The thesis for the candidate of technical .science degree in speciality 05.11.13 - devices and method to control environment, substances, materials and products. Ivano-Franklvsk Technical University Oll-and-Gas. lvano-Franklvsk, 1995.

Vlbroacoustlcal method for the unseparatS control of the flow gas and liquid phases of the gas-and-condensat flow wall are studied. Mathematical model and results of the laboratory and Industrial experimental researchs of this method are present. Two Information band pass in autospectrum of vlbroacoustlcal signals of the pipeline with tuo-phase flou has been determined. ReUresslon flow equations , uhlch are connect the flow of phases gas-and-condansat flow and Information signal intensity In lndlcat.lonal spectrum band pass , has been calculated. Industrial sustain to control phase structure of the gas-and-condansat flow, which niallze tMs method, has been developed. Tha main result of the thesis are presented in 6 papers.

Ключов1 слова: дпоФлэовий пот1к. в1броакустичний сигнал, витрата Фаз, енергетичний спектр.