Технология бессепарационного экспресс определения характеристик потоков многофазной жидкости и устройство для ее реализации (стр. 1 )

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ВСЕРОССИЙСКИЙ КОНКУРС НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ РАБОТ СТУДЕНТОВ И АСПИРАНТОВ

Секция: Новые материалы, производственные технологии и процессы.

Технология бессепарационного экспресс определения характеристик потоков многофазной жидкости и устройство для ее реализации

Автор:

магистрант 1 года

Научный руководитель:

к. ф.-м. н., ведущий научный

сотрудник кафедры

Прикладной физики

2015 г.

Оглавление

Введение. 3

1. Описание предложенного способа и его преимуществ. 5

2. Модель взаимодействия электронного пучка и рентгеновского излучения с веществом. Численное моделирование. Определение оптимальных параметров и режимов работы рентгеновского источника. 9

3. Экспериментальный образец акустомонохроматора на основе кристаллического кварца. 13

4. Теоретические оценки чувствительности предложенной технологии. 18

5. Предложение альтернативной схемы монохроматизации и детектирования для использования в устройстве. 23

6. Экспериментальные исследования чувствительности предложенной технологии. 25

7. Описание конечного устройства. 28

Заключение. 35

Список использованных источников. 37

Введение

Настоящая работа посвящена решению задачи повышения точности определения компонентного состава потоков скважинной продукции за счет уменьшения методической погрешности измерений. Результаты работ могут быть использованы в разработках новых или для усовершенствования существующих устройств бессепарационного учета, как скважинной продукции, так и товарной нефти на магистральных нефтепроводах.

В современной России важнейшей частью экономики является нефтегазовый комплекс, обеспечивающий жизнедеятельность многих отраслей народного хозяйства и оказывающий решающее влияние на формирование основных финансово-экономических показателей страны.

На протяжении нескольких десятилетий одной из важнейших технических проблем нефтегазовой промышленности во всем мире является измерение количества и параметров добываемой скважинной продукции в реальном времени без разделения фаз, не используя движущиеся детали и не управляя процессом вручную. Подробный обзор проблем и их решений приведен в монографии [1]. Требования к точности измерений количества и параметров нефти постоянно повышаются. С другой стороны, с развитием средств аналитического оборудования и вычислительной техники появляются качественно новые возможности для решения указанных проблем.

Один из немногих подходов, позволяющих осуществлять невозмущающий, или, иначе говоря, неинтрузивный контроль компонентного состава флюида, основан на анализе прошедшего через объект исследования проникающего излучения, например, рентгеновского, гамма или нейтронного. На этом способе основана одна из передовых технологий бессепарационной расходометрии - технология Vx [2]. Суть технологии заключается в использовании комбинации трубы Вентури и гамма-плотномера (гамма-концентратомера) с радиоактивным источником 133Ва активностью 10 мКи. Данные устройства обладают рядом недостатков, связанных с использованием опасных радиоактивных источников гамма-излучения, имеющих к тому же высокую стоимость. Другим недостатком устройств на основе радиоактивных источников является относительно низкий уровень потока излучения. Поскольку количество квантов излучения непосредственно влияет на статистическую ошибку, это ведет либо к невысокой точности измерений, либо к увеличению времени измерения. В результате, последнее требует от устройств на основе радиоактивных изотопов около 1 часа на одно измерение с удовлетворительной статистической неопределенностью [3]. Прямое усреднение по длительному промежутку времени существенно увеличивает систематическую ошибку из-за множества нелинейных факторов.

В данной работе предложен альтернативный способ волнодисперсионной рентгеновской абсорбциометрии и устройство для его реализации. Способ основан на адаптации волнодисперсионной схемы [4] к компонентному анализу многофазных сред.

Целью НИР является разработка рентгеновского способа определения концентраций компонент потока скважной жидкости (или продуктов переработки углеводородов) с высокой точностью и концепции устройства для его реализации (рентгеновского анализатора потока многофазной жидкости) на основе волновых технологий.

Задачи, решаемые в рамках НИР: Проведение полномасштабного моделирования процессов взаимодействия электронного пучка рентгеновской трубки с веществом анода для разных вариантов реализации трубки и процессов взаимодействия рентгеновского излучения (РИ) с исследуемым объектом, определение оптимальных параметров рентгеновской трубки анализатора, изготовление стенда для экспериментальных исследований и акустомонохроматора для выбранных параметров рентгеновской трубки, экспериментальные исследования характеристик экспериментального образца акустомонохроматора для анализа нефти, экспериментальные исследования потенциальных возможностей предложенной технологии, разработка рекомендаций по использованию результатов НИР.

1. Описание предложенного способа и его преимуществ

Как упоминалось выше, в настоящее время одной из передовых технологий бессепарационной расходометрии является технология Vx, разработанная Schlumberger совместно с Framo Engineering. Суть технологии заключается в использовании комбинации трубы Вентури и гамма-плотномера (гамма-концентратомера) с радиоактивным источником 133Ва активностью 10 мКи (Рисунок 1). Излучение двух разных энергий, в данном случае 32 и 81 кэВ, проходя через многофазную среду, ослабляется в различной степени в зависимости от состава среды. Анализ степени поглощения на двух энергиях позволяет контролировать состав трехкомпонентных сред. Помимо изотопа 133Ва осуществляются попытки применения в качестве источников излучения и других изотопов, например, 137Cs.

Рисунок 1 - Поперечный разрез многофазного расходомера [5].

Технологии Vx для определения компонентного состава нефти с использованием радиоактивных источников уже более десяти лет. По результатам обзора литературы можно сделать вывод, что особых изменений с момента ее анонсирования данная технология не получила. В традиционном понимании технология Vx ассоциируется, в первую очередь, с радиоактивным источником, во-вторых, с быстродействующим энергодисперсионным сцинтилляционным детектором. Необходимо отметить, что энергодисперсионная схема детектирования в принципе не может обеспечить скорость регистрации более 106 имп./сек., кроме того, в большинстве устройств используются сцинтилляторы с временем высвечивания порядка микросекунд, что также ограничивает быстродействие, от которого зависит точность измерений.

Основными недостатками устройств класса Vx являются использование опасных радиоактивных источников гамма-излучения и их высокая стоимость. Другим серьезным недостатком устройств на основе радиоактивных источников является низкий уровень потока излучения. Коммерчески доступные в настоящее время источники обеспечивают поток квантов порядка 103 фотон/сек в 10-4 стерадиан, что требует от устройств на их основе около 1 часа на одно измерение с удовлетворительной статистической неопределенностью. Прямое усреднение по длительному промежутку времени существенно увеличивает систематическую ошибку из-за множества нелинейных факторов. В то же время, источники излучения на основе рентгеновских трубок, способны обеспечить поток излучения более 108 фотон/сек в 10-4 стерадиан на линии излучения с шириной порядка 10 эВ, что позволяет говорить о перспективности их применения в создании подобных устройств. Прямое применение подобных источников, однако, ведет к возникновению существенных сложностей на этапах детектирования излучения и обработки результатов, связанных с непрерывным характером спектра их излучения.

В настоящее время известен ряд способов рентгеновского анализа потоков многофазных жидкостей, основанных на применении рентгеновских трубок. В качестве одного из них может выступать предложение по патенту RU 2466383 C2. Главным недостатком существующих решений с использованием рентгеновских трубок является то, что в них используется «двухэнергетическая технология», суть которой показана на рисунке 2 и заключается в следующем: исследуемый поток просвечивают рентгеновским излучением (РИ) от рентгеновской трубки при двух различных значениях напряжения на ней, регистрируя интенсивность излучения прошедшего через поток жидкости.

Изменение напряжения приводит к смещению «центра тяжести» спектра РИ (с увеличением напряжения увеличивается максимальная энергия квантов излучения, происходит рост интенсивности высокоэнергетической части излучения) и, соответственно, изменению доли излучения, прошедшего через поток (тем выше, чем выше напряжение). Усредненное значение энергии РИ («эквивалентное центру тяжести») принимается за значение энергии излучения. Таким образом, получают зависимость интенсивности излучения, прошедшего через анализируемый поток от энергии излучения. По этой зависимости и определяют массовые доли компонент потока (способ приведен в упомянутом выше патенте и других аналогичных). Использование двух различных энергий позволяет анализировать трехфазные потоки.

Рисунок 2 – принципиальная схема двухэнергетической технологии

Недостатком двухэнергетической технологии в таком виде является:

- во-первых, регистрация полного потока излучения во всем спектральном диапазоне, что накладывает серьезные временные ограничения на проведение одного измерения, связанные с быстродействием детекторов. Быстродействие современных коммерчески доступных детекторов достигает 10 МГц, что позволяет использовать РТ с мощностью на аноде не более чем 10 Вт в отсутствии тестового объекта и не более чем 100 Вт в присутствии тестового объекта;