Підвищення точності визначення обводненості емульсії
Спосіб визначення обводненості емульсії
Автори: Добринін Валерій Віталійович, Косарєв Володимир Іванович, Кочнев Віктор В'ячеславович, Шеметун Георгій Кондратьєвич
Винахід відноситься до вимірювальної техніки і може бути використане в інформаційно-вимірювальних системах нафтопереробної, нафтовидобувної,хімічної, харчової та інших галузях промисловості. Сутність полягає в тому, що визначають час проходження акустичного імпульсу через контрольований обсяг багатофазного потоку, обчислюють швидкість ультразвуку в емульсії, визначають швидкість ультразвуку в обох рідинах, що становлять емульсію, обліковують відмінності від лінійного закону залежності швидкості звуку від обводненості щільності обох рідин, обчислюють адіабатичні стисливості обох рідин і визначають обводненість, використовуючи відповідні математичні вирази, або під час калібрування визначають залежність швидкості звуку в емульсії від обводненості, виробляють апроксимацію відмінності цієї залежності від лінійного закону, час калібрування відмінність залежності від лінійного закону і вимірювану швидкість звуку в емульсії визначають обводненість емульсії. Технічний результат: підвищення точності визначення обводненості емульсії. 1 іл.
Відомий спосіб вимірювання концентрації води у водонафтогазової суміші за патентом RU 2249204, G01N 29/02, 9/36, що полягає у відборі проби, її відстоювання та вимірювання гідростатичного тиску. Додатково вимірюють час проходження ультразвукового імпульсу через шар відстояної води. За результатами вимірів обчислюють концентрацію води.
Недоліком цього способу є те, що необхідновідстоювати пробу протягом тривалого часу і таким чином унеможливлюється оперативність вимірювання.
Найбільш близьким до пропонованого способу є спосіб за патентом RU 2138023, G01F 1/74, G01F 1/708, G01F 1/66, 1999 р., що включає зондування та реєстрацію імпульсів ультразвуку проводять усередині трубопроводу в обмеженому контрольованому об'ємі потоку випромінювання - приймач, фіксують час проходження імпульсів через контрольований обсяг,
Визначають об'ємну обводненість згідно з формулою:
- час проходження імпульсів через контрольований обсяг у процесі вимірювання багатофазному потоці всередині трубопроводу,
н і в - час проходження імпульсів у нафті та воді, виміряне при калібруванні апаратури.
Перший недолік способу прийнятого за прототип.
Формула (1) вірна тільки для того рідкісного випадку, коли відбувся поділ емульсії на складові і вони розташувалися двома плоскими шарами перпендикулярно шляху поширення ультразвуку.
Другий недолік способу прийнятого за прототип.
Швидкість звуку в кожному зразку нафти та підтоварної води різна, що спричинено різницею їхнього хімічного складу. При виготовленні вимірювальних пристроїв практично неможливо повторити відстань між джерелом випромінювання та приймачем.
Це призводить до необхідності індивідуального калібрування кожного зразка вимірювального пристрою на зразках рідин, з якими він буде експлуатуватися.
Завданням винаходу є підвищення точності визначення обводненості емульсії шляхом урахування відмінності залежності швидкості звуку від обводненості емульсії від лінійного закону.
Цей технічний результат полягає у визначенні часу проходження акустичного імпульсу черезконтрольований обсяг багатофазного потоку, обчисленні швидкості ультразвуку в емульсії, визначенні швидкості звуку в обох рідинах, складових емульсію, обліку відмінності залежності швидкості звуку від обводненості від лінійного закону або тим, що визначають щільності обох рідин, обчислюють адіабатичні стискання:
де - адіабатична стисливість води.
в – щільність води.
св – швидкість звуку у воді.
н - адіабатична стисливість другої рідини.
н – щільність другої рідини.
сн – швидкість звуку в другій рідині.
Потім визначають обводненість за формулою:
або під час калібрування визначають залежність швидкості звуку в емульсії від обводненості, проводять апроксимацію відмінності цієї залежності від лінійного закону, визначають швидкості звуку в обох рідинах, використовуючи отримане під час калібрування відмінність залежності від лінійного закону і вимірюваної швидкості звуку в емуль.
Цей технічний результат досягається тим, що визначають час проходження акустичного імпульсу через контрольований обсяг багатофазного потоку, обчислюють швидкості ультразвуку емульсії, визначають швидкості звуку в обох рідинах, що складають емульсію.
Пропонується два варіанти обліку відмінності залежності швидкості звуку від обводненості від лінійного закону.
У першому варіанті визначають щільності обох рідин, обчислюють адіабатичні стисливості обох рідин за формулою:
потім визначають обводненість за формулою:
Суть винаходу пояснюється кресленням, на якому наведено графік теоретичної залежності швидкості звуку від обводненості.
Врахування відмінності залежності швидкості звуку від обводненості відлінійного закону у другому варіанті запропонованого способу виробляють наступним шляхом:
під час калібрування визначають залежність швидкості звуку в емульсії від обводнення, проводять апроксимацію відмінності цієї залежності від лінійного закону, визначають швидкості звуку в обох рідинах, використовуючи отримане під час калібрування відмінність залежності від лінійного закону і вимірюваної швидкості звуку в емульсі.
Перший варіант способу передбачає використання теоретичної формули залежності швидкості звуку від обводненості. Це дозволить не проводити калібрування визначення нелінійності характеристики.
Розглянемо висновок теоретичної формули, застосованої першому варіанті реалізації способу.
Відповідно до «Ультразвук. Невелика енциклопедія. Глав. ред. І.П.Голямін. - М: «Радянська Енциклопедія» 1979.» швидкість звуку в рідині визначається формулою:
Кад – адіабатичний модуль всебічного стиску.
Припустимо, що емульсія складається з двох рідин із різними швидкостями звуку. Розглянемо випадок, коли розмір крапель емульсії набагато менше довжини хвилі звуку.
У такому разі середня щільність емульсії визначатиметься формулою
е - щільність емульсії,
в - густина води,
н - щільність другої рідини, припустимо нафти,
W – об'ємна обводненість.
Середня адіабатична стисливість:
е - адіабатична стисливість емульсії,
в - адіабатична стисливість води,
н - адіабатична стисливість другої рідини, припустимо нафти.
Швидкість звуку в емульсії
Дозволяючи рівняння (5) щодо W отримаємо
отримуємо квадратне рівняння
Рішенням якого буде
Розглянемо чисельний приклад.
Припустимо ми маємо воду із щільністю 1 кг/л та швидкістю звуку 1.5 км/с та вуглеводень із щільністю 0.8 кг/л та швидкістю звуку 1.3 км/с.
Оскільки адіабатичну стисливість безпосередньо виміряти важко, обчислюємо її з формули (2).
Для води = 0.444444 · 10 -9 1/Па
Для вуглеводню н=0.739645·10 -9 1/Па
Розраховані за формулами (3), (4) та (5) дані наведені в таблиці.