Регистрация / Вход
Прислать материал

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

Сведения об участнике
ФИО
Черепенников Юрий Михайлович
Вуз
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет»
Тезисы (информация о проекте)
Область наук
Новые материалы. Производственные технологии и процессы
Раздел области наук
Производственные технологии
Тема
Технология бессепарационного экспресс определения характеристик потоков многофазной жидкости и устройство для ее реализации
Резюме
Проект направлен на разработку технологии экспресс анализа многофазной жидкости для обеспечения непрерывных измерений в режиме реального времени плотности и концентрации индивидуальных компонентов в потоке без разделения фаз. В отличие существующих аналогов, использующих радиоактивные источники, в данной работе предложено использовать генерирующий источник на базе рентгеновской трубки и специальную систему монохроматизации для получения излучения высокой интенсивности с линейчатым спектром. По проведенным оценкам, последнее позволит сократить время единичного измерения до 1 секунды, обеспечив возможность "онлайн" контроля.
Ключевые слова
рентгеновское излучение, многофазная расходометрия, рентгеновская абсорбциометрия, волнодисперсионный анализ, скважинная жидкость, нефть
Цели и задачи
Целью НИР является разработка рентгеновского способа определения концентраций компонент потока скважной жидкости 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 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.
Введение

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. С развитием средств аналитического оборудования появляются качественно новые возможности для решения таких проблем. Один из немногих подходов, позволяющих осуществлять невозмущающий контроль компонентного состава флюида, основан на анализе прошедшего через объект исследования проникающего излучения. В работе предложена технология такого контроля с повышенной точностью и экспрессностью по сравнению с существующими аналогами.

Методы и материалы

Для реализации проекта применялись методы как экспериментальных, так и теоретических исследований. В частности, для расчетов характеристик рентгеновского излучения применены методы численного моделирования, базирующиеся на разработанной модели. Разработка модели проведена на основе библиотек математического и физического моделирования CLHEP и GEANT4. Модель разработана в соответствии с существующими теориями, описывающими прохождение рентгеновского излучения через вещество и эмпирически установленными закономерностями. Также использованы методы экспериментальных исследований, которые позволили точнее оценить реально достижимые характеристики предложенного устройства. При разработке и аттестации устройства использовались методы измерений критических величин в ходе испытаний. Кроме того при работе с экспериментальными результатами применялись методы обработки результатов измерений и методы сопоставления. Также использовались методы аналитического и патентного поиска.

Описание и обсуждение результатов

Главным результатом выполненной работы является разработанная технология для определения компонентного состава многофазных жидкостей в потоке и запатентованное устройство для ее реализации на основе генерирующего источника рентгеновского излучения. Предложенное устройство обеспечивает точность измерения на уровне не хуже 1% по массе за время одиночного измерения 1 секунда. Существующие в настоящее время аналоги, такие как Phasetester от Schlumberger, ОЗНА Vx (фактически адаптация Phasetester), основанные на технологии Vx, или MPFM 2600 от Roxar, использующие в качестве источника излучения радиоактивные изотопы, обеспечивают точность измерения не более 5%, которая увеличивается до 30% на предельных скоростях измерений. При этом характерное время одного измерения составляет от 1 минуты до 1 часа. Кроме того, отказ от радиоактивных источников обеспечивает положительный экологический эффект, т.к. производство и утилизация радиоактивных источников сами по себе являются радиационно «грязными» задачами. Также, при использовании радиоактивных источников накладывается целый ряд ограничений связанных с требованиями радиационной безопасности. Таким образом, предложенная технология обладает серьезными преимуществами.

Также, важным результатом работы является разработанный прототип "акустомонохроматора", представляющий собой кристалл кварца с объемными акустическими волнами, возбужденными переменным электрическим полем. В работе проведены экспериментальные исследования таких монохроматоров для трех кристаллов кварца, отличающихся толщиной. Получены результаты, демонстрирующие эффективное управление рентгеновским пучком с помощью акустического воздействия на кристалл-монохроматор и возможность повысить интенсивность монохроматического рентгеновского излучения в 5 раз, по сравнению с обычным кристаллическим монохроматором.

Еще одним результатом рабоыт является компьютерный код для численного моделирования взаимодействия пучков электронного и фотонного излучений с аморфными мишенями. Данный код может быть использован для оценки спектрально-угловых характеристик пучков от источников рентгеновского излучения. Также код может быть использован для предварительной оценки результатов реального рентгеновского исследования и оптимизации экспериментальной схемы и узлов источника рентгеновского излучения.

Все полученные результаты будут использованы в дальнейшем, при создании прототипа предложенного устройства для бессепарационного контроля компонентного состава многофазных жидкостей.

Используемые источники
1. G. Falcone, Multiphase Flow Metering, Dev. Petr. Sci. 54 (2009) 191-228.
2. A.M. Scheers, W.F.J. Slijkerman, Multiphase flow measurement using multiple energy gamma ray absorption (MEGRA) composition measurement, SPE publication (1996) ID SPE-36593-MS.
3. Патент РФ № 2477790, (2011)
4. Vx Technology Multiphase flow rate measurements without fluid separation // URL: http://www.slb.com
5. К.В. Рымаренко, «Гидродинамические исследования и многофазная расходометрия: новые возможности и принципы работы (на примере технологии Vx)», Техника и технологии, декабрь 2010, C. 30-37.
6. Патент РФ № 2466383, (2012)
7. Патент US № 20120087467, (2012)
8. Грязнов А.Ю. Разработка аппаратурных и методических способов повышения аналитических характеристик энергодисперсионного рентгенофлуоресцентного анализатора // Дис. к.т.н. Спец.: 05.27.02 Санкт-Петербург - 2004.
Information about the project
Surname Name
Cherepennikov Yuriy
Project title
Non-separative express control of a multiphase fluid flow characteristic and the device for its realization
Summary of the project
The project is dedicated to the development of the technology for the express analysis of multiphase fluid component composition. This analysis is supposed to be performed in online mode without component separation and the aim is to measure density and concentration of the fluid’s components. In contrast to modern analogues, in which radioactive sources are used, this project proposes to use X-ray tube based radiation source along with specially developed system of monochromatisation to produce high-intensive X-ray with line spectrum. In according to estimation, this using this technology it is possible to reduce single measurement time to 1 second and provide real online control.
Keywords
X-ray, multiphase flowmetering, X-ray absorptiometry, wave dispersive analysis, wellbore fluid, oil