RU2063615C1

RU2063615C1 - Method of measurement of component-by-component flow of three-component gas-and-liquid flow and device for its implementation

Info

Publication number: RU2063615C1
Application number: RU93044749A
Authority: RU
Inventors: Б.И. Андрейчиков; А.М. Шубладзе; Л.Г. Рафиков; И.А. Стасевич
Original assignee: Андрейчиков Борис Иванович
Priority date: 1993-09-15
Filing date: 1993-09-15
Publication date: 1996-07-10

Abstract

FIELD: oil industry. SUBSTANCE: method is intended for test of discharge of oil wells. Resonance frequency is determined with the aid of capacitive or radio wave sensor placed into flow, microwave electromagnetic signal is emitted into flow and phase shift of signals reflected from flow or passed through it is measured and Doppler frequency shift of same signal is also measured. All measurements are conducted simultaneously. Relative volumetric content of components, speed of flow and rate of flow of each component are found by measured values. If layer of paraffin grows on walls of pipeline surface wave is radiated along pipe and angle of inclination of edge of its directivity pattern is changed till Doppler frequency shift appears in reflected signal. Power of signal passed through flow and amplitude of reflected signal are measured. In this case thickness of layer of paraffin is calculated by iteration algorithm. Device for implementation of method incorporates probing unit 1, SHF generator 2, phase shift meter 3, capacitive pickup 4, meter 5 of flow rate, damping detector 6, computer 7, register 8, directional couplers 9, 10, 11, circulation 12, switches 13, 14. EFFECT: enhanced reliability of method. 8 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться для измерения расхода трехкомпонентного потока, в частности, в нефтедобывающей отрасли при контроле дебита нефтяных скважин. The invention relates to measuring technique and can be used to measure the flow rate of a three-component flow, in particular, in the oil industry when controlling the flow rate of oil wells.

Имеется ряд известных технических решений для определения относительного содержания различных компонент в потоке смеси, основанных на измерении сдвига фаз и затухания (СВЧ-сигналов ври их прохождении или отражении от тестируемого потока с последующей обработкой этих данных в мини-компьютере [1]
Недостатком этих способов и устройств является существенная зависимость затухания сигнала в смеси от удельной проводимости содержащейся в ней воды которая может меняться в пределах от 10^-3 до 4,3 ом^-1м^-1 для различной солености.There are a number of well-known technical solutions for determining the relative content of various components in the mixture flow, based on the measurement of phase shift and attenuation (microwave signals during their passage or reflection from the test stream with subsequent processing of these data in a mini-computer [1]
The disadvantage of these methods and devices is the significant dependence of the signal attenuation in the mixture on the specific conductivity of the water contained in it, which can vary from 10 ^-3 to 4.3 ohm ^-1 m ^-1 for different salinity.

Изменение в процессе эксплуатации скважины солености воды и ее удельной проводимости приводит к потребности измерения содержания воды в потоке смеси, либо требует измерения также еще и солености воды или ее удельной проводимости. К дополнительной погрешности приводит нарастание на стенках трубопровода отложений парафина, что уменьшает его поперечное сечение, а наросший неподвижный слой воспринимается устройством как входящий в состав протекающей жидкости. Кроме того, не решается вторая задача определение расхода. Changing the salinity of the water and its specific conductivity during the operation of the well leads to the need to measure the water content in the mixture stream, or it also requires measuring the salinity of the water or its specific conductivity. An additional error is caused by the growth of paraffin deposits on the walls of the pipeline, which reduces its cross section, and the overgrown fixed layer is perceived by the device as being part of the flowing fluid. In addition, the second task of determining the flow rate is not solved.

Ближайшим аналогом изобретения является способ измерения покомпонентного расхода трехкомпонентного газожидкостного потока, проходящего по трубопроводу, включающий предварительную подготовку потока, последовательное измерение соотношения компонент и расхода, и устройство, содержащее зондирующий блок в виде отрезка трубопровода с установленными на нем радиоволновым или емкостным датчиком покомпонентного состава потока, вычислительное устройство и регистрирующий блок [2]
Недостатками этого технического решения являются расположение в потоке газожидкостной смеси деталей расходомера и узла подготовки потока, а также определение соотношения компонент по формулам, основанным на предполагаемой известной связи диэлектрической проницаемости газожидкостной смеси с диэлектрическими проницаемостями каждой из компонент, которая не является стабильной и зависит от ряда неконтролируемых факторов, например, от коэффициента флокуляции /отношения влажности, содержащейся в сгруппированных глобулах к общей влажности смеси/, что снижает точность определения покомпонентного расхода.The closest analogue of the invention is a method for measuring the component flow rate of a three-component gas-liquid flow passing through the pipeline, including preliminary preparation of the stream, sequential measurement of the ratio of components and flow rate, and a device containing a probe unit in the form of a pipe section with a radio wave or capacitive sensor mounted on it component-wise flow composition, computing device and recording unit [2]
The disadvantages of this technical solution are the location in the flow of the gas-liquid mixture of the parts of the flowmeter and the flow preparation unit, as well as determining the ratio of the components using formulas based on the assumed known relationship between the dielectric constant of the gas-liquid mixture and the dielectric constant of each component, which is not stable and depends on a number of uncontrolled factors, for example, from the flocculation coefficient / ratio of moisture contained in grouped globules to total moisture STI mixture /, which reduces the accuracy of the component flow rate determination.

Техническим результатом от использования изобретения является повышение точности измерения покомпонентного расхода, надежности устройства, а также снижение эксплуатационных затрат. Это достигается тем, что в способе измерения покомпонентного расхода трехкомпонентного газожидкостного потока, проходящего по трубопроводу, включающем определение соотношения компонентов и расхода и обработку полученных результатов, для определения соотношения компонентов с помощью емкостного или радиоволнового датчика, через первичный преобразователь которого пропускают поток, измеряют его резонансную частоту, излучают в поток микроволновый электромагнитный сигнал и измеряют сдвиг фаз сигналов, отраженных от потока или прошедших через него, а для определения расхода измеряют допплеровский сдвиг частоты того же сигнала, причем, все измерения проводят одновременно в одном и том же локальном объеме трубопровода, определяют относительное объемное содержание компонент путем отыскания в банке данных, полученных при калибровке, такого же сочетания величин резонансной частоты и сдвига фазы, как полученных при измерении, по максимальному значению допплеровского сдвига частоты вычисляют скорость потока и величину общего расхода, а с учетом относительного объемного содержания компонент расход каждой компоненты, а также тем, что дополнительно измеряют коэффициент поглощения сигнала, прошедшего поток и/или отраженного от него, и температуру потока, а относительнее объемное содержание компонент определяют путем отыскания в банке данных, полученных при калибровке, того же сочетания величин резонансной частоты, сдвига фазы и коэффициента поглощения, как полученных при измерении, причем, при изменении удельной проводимости воды и ее структуры в смеси банк данных корректируют. The technical result from the use of the invention is to increase the accuracy of measuring component consumption, the reliability of the device, as well as reducing operating costs. This is achieved by the fact that in the method of measuring the component flow rate of a three-component gas-liquid flow passing through the pipeline, including determining the ratio of components and flow rate and processing the results, to determine the ratio of components using a capacitive or radio wave sensor, through the primary transducer of which a stream is passed, measure its resonance frequency, they emit a microwave electromagnetic signal into the stream and measure the phase shift of the signals reflected from the stream or past x through it, and to determine the flow rate, the Doppler frequency shift of the same signal is measured, moreover, all measurements are carried out simultaneously in the same local volume of the pipeline, the relative volume content of the components is determined by finding the same combination of values in the databank obtained during calibration resonant frequency and phase shift, as obtained by measurement, from the maximum value of the Doppler frequency shift calculate the flow velocity and the total flow rate, and taking into account the relative volumetric holding the component, the flow rate of each component, as well as the fact that the absorption coefficient of the signal that has passed the stream and / or reflected from it, and the temperature of the stream, and the relative volumetric content of the components is additionally measured by finding the same combination of values in the database obtained during calibration resonant frequency, phase shift and absorption coefficient, as obtained by measurement, moreover, when changing the specific conductivity of water and its structure in the mixture, the data bank is adjusted.

В случае нарастания слоя парафина на внутренней поверхности трубопровода и зондирующего блока с помощью дополнительной антенны вдоль стенки трубопровода излучают поверхностную волну, принимают отраженный от неоднородностей, находящихся в потоке, сигнал, причем, при отсутствии в отраженном сигнале допплеровского сдвига частоты изменяют угол наклона θ края диаграммы направленности антенны к оси трубопровода до появления допплеровского сдвига частоты с помощью детектора затухания измеряют мощность Р_пр прошедшего через поток или отраженного от него сигнала, измеряют амплитуду u_γ отраженного сигнала, а относительное объемное содержание воды V $\binom{o}{в}$ , нефти V $\binom{o}{н}$ и газа V $\binom{o}{г}$ в потоке, общий расход Q потока и расход каждой из компонент Q_н, Q_в, Q_г вычисляют по формулам, при этом толщину слоя парафина вычисляют во итерационному алгоритму.In the case of an increase in the paraffin layer on the inner surface of the pipeline and the sounding unit with the help of an additional antenna, a surface wave is emitted along the pipe wall, a signal is received, reflected from inhomogeneities in the stream, and, if there is no Doppler frequency shift in the reflected signal, the angle of inclination θ of the diagram edge is changed the direction of the antenna to the axis of the pipeline before the appearance of the Doppler frequency shift using a damping detector measure the power P _pr passed through the stream or wife signal from it, measure the amplitude u _{γ of the} reflected signal, and the relative volumetric water content V $\binom{o}{in}$ oil V $\binom{o}{n}$ and gas V $\binom{o}{g}$ in the flow, the total flow rate Q of the flow and the flow rate of each of the components Q _n , Q _in , Q _g are calculated by the formulas, while the thickness of the paraffin layer is calculated in an iterative algorithm.

Технический результат в устройстве, содержащем зондирующий блок в виде отрезка трубопровода с установленными на нем радиоволновым или емкостным датчиком покомпонентного состава потока, вычислительное устройство и регистрирующий блок, достигается тем, что корпус зондирующего блока выполнен с окнами из радиопрозрачного материала или целиком из этого материала, на внутренней поверхности корпуса впотай в толще его стенок расположены обмотки или пластины первичного преобразователя радиоволнового или емкостного датчика, приема-передающая антенна под углом к оси трубопровода и напротив нее приемная антенна, радиоволновой или емкостной датчик покомпонентного состава потока содержит соединенные последовательно в замкнутую цепь первый управляемый генератор, резонансный контур, в который входят обмотки или пластины первичного преобразователя, и экстремальный регулятор, выход которого соединен со входом первого управляемого генератора и с седьмым входом вычислительного устройства, в состав устройства введен управляемый СВЧ-генератор, выход которого через первый направленный ответвитель соединен о измерителем фазовых сдвигов, включающим последовательно соединенные управляемый фазовращатель, первый смеситель, дифференциальный усилитель и первую цепь обратной связи, выход которой соединен с управляющим входом управляемого фазовращателя, и с циркулятором, первый выход которого соединен с приема-передающей антенной, а второй через второй направленный ответвитель с первым переключателем, второй вход которого соединен с приемной антенной, а выход со вторым входом первого смесителя, расходомер выполнен в виде допплеровского измерителя скорости потакай содержит последовательно соединенные второй смеситель, первый вход которого соединен с вторым выходом второго направленного ответвителя, усилитель промежуточной частоты, дискриминатор с полосовым фильтром, амплитудным детектором и пороговым устройством, ключ, вторую цепь обратной связи и второй управляемый генератор, выход которого соединен со вторым входом второго смесителя, ори этом, вычислительное устройство выполнено с большим объемом памяти, его первый вход соединен со вторым выходом управляемого фазовращателя, третий вход с выходом второй цепи обратной связи, шестой с первым выходом дискриминатора, его первый выход со вторым входом ключа, третий с управляющим входом второго управляемого генератора, шестой с управляющим входом СВЧ-генератора, а седьмой с входом регистрирующего блока, а также тем, что в него введены детектор затухания, третий направленный ответвитель и датчик температуры, причем выход первого переключателя соединен со вторым входом первого смесителя через третий направленный ответвитель, второй выход которого соединен с входом детектора затухания, выход которого соединен со вторым входом вычислительного устройства, а датчик температуры установлен в зондирующем блоке и соединен с восьмым входом вычислительного устройства. The technical result in a device containing a sounding unit in the form of a segment of a pipeline with a radio wave or capacitive sensor mounted on it in an component-wise flow composition, a computing device and a recording unit is achieved by the fact that the body of the sounding unit is made with windows of radiolucent material or entirely of this material, on windings or plates of the primary transducer of a radio wave or capacitive sensor are located in the inner surface of the housing, in the thickness of its walls, receiving-transmitting the antenna at an angle to the axis of the pipeline and opposite it, the receiving antenna, a radio wave or capacitive sensor of the component composition of the stream comprises a first controlled oscillator connected in series in a closed circuit, a resonant circuit, which includes windings or plates of the primary converter, and an extreme controller, the output of which is connected to the input of the first controlled generator and with the seventh input of the computing device, a controlled microwave generator is introduced into the device, the output of which through the first The coupler is connected to a phase-shift meter, including a series-connected controlled phase shifter, a first mixer, a differential amplifier and a first feedback circuit, the output of which is connected to the control input of the controlled phase shifter, and to a circulator, the first output of which is connected to the transmitting and receiving antenna, and the second through the second directional coupler with the first switch, the second input of which is connected to the receiving antenna, and the output with the second input of the first mixer, the flowmeter in the form of a Doppler speed meter, indulge in series a second mixer, the first input of which is connected to the second output of the second directional coupler, an intermediate frequency amplifier, a discriminator with a bandpass filter, an amplitude detector and a threshold device, a key, a second feedback circuit and a second controlled generator, the output which is connected to the second input of the second mixer, or, the computing device is made with a large amount of memory, its first input is connected to the second the output of the controlled phase shifter, the third input with the output of the second feedback circuit, the sixth with the first output of the discriminator, its first output with the second input of the key, the third with the control input of the second controlled generator, the sixth with the control input of the microwave generator, and the seventh with the input of the recording unit, as well as the fact that a damping detector, a third directional coupler and a temperature sensor are introduced into it, the output of the first switch being connected to the second input of the first mixer through a third directional coupler, th output is connected to the input of the attenuation of the detector, whose output is connected to the second input of the calculation unit and the temperature sensor is installed in a sounding unit and is connected to an eighth input of the computing device.

Технический результат достигается также тем, что в устройство введен второй переключатель и антенна поверхностных волн, размещенная в стенке зондирующего блока и соединенная со вторым выходом второго переключателя, первый выход которого соединен с приемо-передающей антенной, первый вход соединен с первым выходом циркулятора, а второй вход с четвертым выходом вычислительного устройства, а также третья цепь обратной связи, вход которой соединен со вторым выходом дискриминатора, а выход с пятым входом вычислительного устройства, СВЧ-генератор снабжен вторым управляющим входом, соединенным с выходом третьей цепи обратной связи, дискриминатор дополнительно снабжен вторым пороговым устройством, инвертором и третьим переключателем, при этом вход полосового фильтра является первым входом дискриминатора, его выход через амплитудный детектор соединен с первым пороговым устройством непосредственно и через инвертор со вторым пороговым устройством, выходы первого и второго пороговых устройств соединены с первым и вторым входами третьего переключателя, первый и второй выходы которого являются, соответственно, первым и вторым выходами дискриминатора, выход амплитудного детектора его третьим выходом, соединенным с четвертым входом вычислительного устройства, причем, первый вход третьего переключателя является вторым входом дискриминатора и соединен с пятым выходом вычислительного устройства. The technical result is also achieved by the fact that a second switch and an antenna of surface waves are introduced into the device, located in the wall of the probe unit and connected to the second output of the second switch, the first output of which is connected to the transceiver antenna, the first input is connected to the first output of the circulator, and the second the input with the fourth output of the computing device, as well as the third feedback circuit, the input of which is connected to the second output of the discriminator, and the output with the fifth input of the computing device, the microwave gene the radiator is provided with a second control input connected to the output of the third feedback circuit, the discriminator is additionally equipped with a second threshold device, an inverter and a third switch, the input of the bandpass filter being the first input of the discriminator, its output through the amplitude detector connected to the first threshold device directly and through the inverter with a second threshold device, the outputs of the first and second threshold devices are connected to the first and second inputs of the third switch, the first and second output which are, respectively, first and second outputs of the discriminator, the output of the amplitude detector with third output connected to a fourth input of the computing device, wherein the first input of the third switch is discriminator and a second input coupled to the fifth output of the computing device.

На фиг. 1 показана зависимость коэффициента преломления n от удельной проводимости воды для различных длин волн электромагнитных колебаний; на фиг. 2 диаграмма направленности антенны поверхностных волн в слое парафина: θ -ширина диаграммы, d -толщина слоя парафина; на фиг. 3 блок-схема устройства для измерения покомпонентного расхода трехкомпонентного газожидкостного потока, проходящего по трубопроводу. In FIG. 1 shows the dependence of the refractive index n on the specific conductivity of water for various wavelengths of electromagnetic waves; in FIG. 2 radiation pattern of the surface wave antenna in the paraffin layer: θ is the width of the diagram, d is the thickness of the paraffin layer; in FIG. 3 is a block diagram of an apparatus for measuring the component flow rate of a three-component gas-liquid flow passing through a pipeline.

Сущность изобретения базируется на следующих положениях. Как известно, при облучении вещества электромагнитной энергией в микроволновом диапазоне длин волн могут быть замерены такие параметры, как коэффициент поглощения b, сдвиг фазы колебаний a, резонансная частота колебательного контура w_рез, величины которых зависят от частоты зондирующего сигнала, диэлектрической проницаемости вещества и его проводимости, причем два последние параметра изменяются в функции структуры воды.The invention is based on the following provisions. As is known, at an irradiation of electromagnetic energy in the microwave wavelength range can be measured parameters such as the absorption coefficient b, a phase shift of oscillation a, the resonant frequency of the tank circuit w _Res whose values depend on the frequency of the probing signal, the permittivity material and its conductivity , and the last two parameters vary in function of the structure of water.

Можно существенно уменьшить влияние широкого диапазона значений удельной проводимости воды на коэффициент поглощения β и, следовательно, точность определения покомпонентного содержания нефти, воды и газа в измеряемом газожидкостном потоке, используя только замеры фазового сдвига a и резонансной частоты w_рез Влияние удельной проводимости воды на фазовый сдвиг сигнала и резонансную частоту значительно меньше. Так, проведенные исследования показали /см. фиг. 1/, что коэффициент преломления n, а следовательно, и уход фазового сдвига сигнала, при частотах свыше 3,0 Ггц /длина волны λ ниже О, I м/ во всем возможном диапазоне изменения удельной проводимости воды s от 10^-3 до 4,3 ом^-1 м^-1 изменяются на величину всего несколько более одного процента.It is possible to significantly reduce the influence of a wide range of values of the specific conductivity of water on the absorption coefficient β and, therefore, the accuracy of determining the component-wise content of oil, water, and gas in a measured gas-liquid flow using only measurements of the phase shift a and resonant frequency w _res The effect of the specific conductivity of water on the phase shift signal and resonant frequency is much smaller. So, the studies showed / cm. FIG. 1 / that the refractive index n, and therefore the phase shift of the signal, at frequencies above 3.0 GHz / wavelength λ below O, I m / in the entire possible range of changes in the specific conductivity of water s from 10 ^-3 to 4, 3 ohm ^-1 m ^-1 change by only a few more than one percent.

Для измерения скорости потока трехкомпонентной газожидкостной смеси использован эффект Допплера в микроволновом диапазоне волн. Возможность использования эффекта допплера для газожидкостной смеси базируется на наличии в потоке неоднородностей в виде пузырьков газа и глобул воды. При этом необходимо учитывать такую особенность, как большое множество находящихся в объеме диаграммы направленности элементов упомянутых неоднородностей. Этой особенностью определяется то, что отраженный сигнал представляет собой суперпозицию элементарных сигналов, полученных от элементов неоднородностей, находящихся на расстояниях от передающей и приемной антенн в диапазоне от нуля до дальности проникновения в газожидкостной поток. Кроме того, в соответствии с формулой для допплеровского смещения частоты

где x угол между векторами скорости потока, l длина волны зондирующего сигнала/, в принятом сигнале будет иметься целый спектр допплеровских частот, лежащих в диапазоне углов внутри диаграммы направленности антенной системы, ширина которой изменяется в довольно больших пределах из-за разницы в 16 раз показателей преломления у воды и нефти с учетом относительного объемного содержания воды в смеси в пределах от нуля до 100 Это обстоятельство привело к предложению измерять максимальное значение в спектре допплеровских частот, которое для углов x, близких к p/2, что имеет место при отсутствии на стенках трубопровода отложений парафина, с большой точностью дает величину скорости потока V_пот.To measure the flow rate of a three-component gas-liquid mixture, the Doppler effect in the microwave wavelength range is used. The possibility of using the Doppler effect for a gas-liquid mixture is based on the presence of inhomogeneities in the flow in the form of gas bubbles and water globules. In this case, it is necessary to take into account such a feature as a large number of elements of the mentioned inhomogeneities located in the bulk of the radiation pattern. This feature determines that the reflected signal is a superposition of elementary signals received from heterogeneity elements located at distances from the transmitting and receiving antennas in the range from zero to the range of penetration into the gas-liquid flow. In addition, in accordance with the formula for Doppler frequency offset

where x is the angle between the vectors of the flow velocity, l is the wavelength of the probing signal /, the received signal will have a whole spectrum of Doppler frequencies lying in the range of angles inside the radiation pattern of the antenna system, the width of which varies quite widely due to the difference of 16 times refraction of water and oil, taking into account the relative volumetric water content in the mixture ranging from zero to 100. This circumstance led to the proposal to measure the maximum value in the spectrum of Doppler frequencies, which for the angle in x close to p / 2, which occurs when there are no paraffin deposits on the walls of the pipeline, gives with high accuracy the value of the flow velocity V _sweat .

Реализация измерения максимальной допплеровской частоты осуществляется с помощью построения следящего узкополосного фильтра за этой максимальной частотой, где сигналом рассогласования служит отклонение амплитуды сигнала, принятого в пределах узкополосного фильтра, от порогового значения, определяемого достаточным соотношением порог-шум. The measurement of the maximum Doppler frequency is realized by constructing a tracking narrow-band filter for this maximum frequency, where the mismatch signal is the deviation of the amplitude of the signal received within the narrow-band filter from a threshold value determined by a sufficient threshold-to-noise ratio.

Высказанные соображения определили наличие в структуре предлагаемого технического решения таких узлов, как следящая фазометрическая система, экстремальная система автоматического регулирования с настройкой на резонансную частоту емкостного или радиоволнового датчика, допплеровского измерителя скорости потока и вычислительного устройства с калиброванной матрицей параметров смеси для различных относительных содержаний нефти и воды. The above considerations determined the presence in the structure of the proposed technical solution of such nodes as a phase-tracking system, an extreme automatic control system with tuning to the resonant frequency of a capacitive or radio wave sensor, a Doppler flow velocity meter and a computing device with a calibrated matrix of mixture parameters for various relative oil and water contents .

Такая структура является простейшей и пригодна для скважин, в которых нет нарастания парафина. Such a structure is the simplest and suitable for wells in which there is no paraffin buildup.

Дальнейшее повышение точности может быть получено путем введения в устройство детектора затухания и датчика температуры, а также расширения банка данных в вычислительном устройстве с учетом набора значений параметров для различных удельных проводимостей воды и периодической корректировки этих данных. A further increase in accuracy can be obtained by introducing a damping detector and a temperature sensor into the device, as well as expanding the data bank in the computing device taking into account a set of parameter values for various specific conductivities of water and periodically adjusting these data.

Для скважин, в которых нарастает слой парафина, необходимо измерять его толщину. For wells in which a layer of paraffin is growing, it is necessary to measure its thickness.

Измерение толщины наросшего слоя парафина в данном изобретении основано на признаке отсутствия сигнала допплеровской частоты от неподвижного парафинового слоя и его наличии от неоднородностей движущегося потока, попадающих в диаграмму направленности антенны поверхностных волн. The thickness measurement of an overgrown paraffin layer in the present invention is based on the sign of the absence of a Doppler frequency signal from the fixed paraffin layer and its presence from inhomogeneities of the moving stream falling into the radiation pattern of the surface wave antenna.

Сделав предположение о форме диаграммы направленности антенны в вертикальной плоскости в виде равнобедренного треугольника, получим в соответствии с фиг. 2 приближенное выражение для мощности сигнала на входе приемника, отраженного от неоднородностей, расположенных в объеме движущегося потока, определяемого заштрихованным сектором АBС

где d толщина слоя парафина;
θ угол наклона края диаграммы направленности антенны поверхностных волн к оси трубопровода в вертикальной плоскости;
Dr приращение расстояния r до элемента неоднородности;
i номер приращения Δr /от точки А/;
β коэффициент поглощения движущейся смеси;
b_п коэффициент поглощения наросшего парафина;
P_п излученная мощность;
G коэффициент усиления антенны;
A эффективная площадь антенны;
γ удельная эффективная площадь рассеяния неоднородностей потока;
v ширина диаграммы антенны в горизонтальной плоскости.Having made an assumption about the shape of the antenna pattern in the vertical plane in the form of an isosceles triangle, we obtain in accordance with FIG. 2 is an approximate expression for the signal power at the receiver input, reflected from inhomogeneities located in the volume of the moving stream, determined by the shaded ABS sector

where d is the thickness of the paraffin layer;
θ the angle of inclination of the edge of the antenna pattern of the surface waves to the axis of the pipeline in a vertical plane;
Dr increment of the distance r to the element of heterogeneity;
i is the increment number Δr / from point A /;
β absorption coefficient of the moving mixture;
b _p the absorption coefficient of wax paraffin;
P _p radiated power;
G antenna gain;
A effective antenna area;
γ specific effective dispersion area of flow inhomogeneities;
v the width of the antenna diagram in the horizontal plane.

Для вычисления g может быть использована несколько видоизмененная формула мощности на входе приемника в случае отраженного сигнала от неоднородностей, занимающих объем, выделенный дон допплеровским фильтром внутри диаграммы направленности антенны с осью, перпендикулярной к оси трубопровода:

где дополнительно к параметрам для формул /2/ и /З/ введены:
Δf_д полоса пропускания допплеровского фильтра;
α_поп ширина диаграммы направленности антенны в поперечном направлении;
λ длина волны излученного сигнала;
V_пот скорость потока смеси;
b_д d_д коэффициент поглощения и толщина слоя диэлектрика на выходе антенны /при его наличии/;
d_тр внутренний диаметр трубопровода.To calculate g, a slightly modified formula of the power at the input of the receiver can be used in the case of a reflected signal from inhomogeneities occupying the volume allocated by the Doppler filter inside the antenna radiation pattern with an axis perpendicular to the pipeline axis:

where in addition to the parameters for the formulas / 2 / and / 3 / are introduced:
Δf _d bandwidth of the Doppler filter;
α _{pop the} width of the antenna radiation pattern in the transverse direction;
λ wavelength of the emitted signal;
V _sweat mixture flow rate;
b _d d _d absorption coefficient and thickness of the dielectric layer at the output of the antenna / if any /;
d _{tr the} inner diameter of the pipeline.

Как видно из формулы /3/, искомая толщина наросшего слоя парафина d входит в трансцендентное уравнение, решение которого возлагается на вычислительное устройство. Кроме того, необходимо также производить измерения входящих в формулы /2/ и /3/ параметров β, g, и q. Коэффициент поглощения b смеси замеряется детектором затухания, g в дискриминаторе допплеровского измерителя скорости в отстроенном допплеровском фильтре, q по значению сигнала управления углом поворота или шириной диаграммы направленности антенны поверхностных волн, при котором, мощность принимаемого ею сигнала равна пороговой. As can be seen from the formula / 3 /, the desired thickness of the wax layer d is included in the transcendental equation, the solution of which lies with the computing device. In addition, it is also necessary to measure the parameters β, g, and q included in the formulas / 2 / and / 3 /. The absorption coefficient b of the mixture is measured by the attenuation detector, g in the discriminator of the Doppler speed meter in the detuned Doppler filter, q by the value of the rotation angle control signal or by the width of the radiation pattern of the surface wave antenna, at which the signal received by it is threshold.

Используемые при этом значения параметров b и g замеряются для всего сечения трубопровода, т.е. вместе с наросшим слоем парафина, и должны уточняться с учетом толщины d этого слоя. Поэтому в алгоритм работы вычислительного устройства заложены итерационные процедуры последовательного автоматического приближения к точным значениям толщины неподвижного наросшего парафина d и значений коэффициента поглощения b и удельной эффективной площади рассеяния движущегося потока смеси g. The values of parameters b and g used in this case are measured for the entire pipeline section, i.e. together with an accumulated paraffin layer, and should be specified taking into account the thickness d of this layer. Therefore, iterative procedures of sequential automatic approximation to the exact values of the thickness of the fixed wax and d and the absorption coefficient b and the specific effective scattering area of the moving mixture flow g are included in the algorithm of the computing device.

Принятые в изобретении принципы замера относительного содержания нефти, воды и газа в движущемся газожидкостном потоке, замера скорости этого потока и толщины наросшего слоя парафина предопределили наличие в зондирующем блоке приема-передающей антенны поверхностных волн, обеспечивающей излучение микроволновой энергии вдоль стенки трубопровода, приеме-передающей антенны с осью диаграммы направленности под известным углом к оси трубопровода /в частности перпендикулярно/ и расположенной на противоположной стороне трубопровода приемной антенны. The principles adopted in the invention for measuring the relative content of oil, water and gas in a moving gas-liquid stream, measuring the speed of this stream and the thickness of the wax layer have determined the presence of surface waves in the probe unit of the transmitting and receiving antenna, which emits microwave energy along the pipe wall, transmitting and receiving antenna with the axis of the radiation pattern at a known angle to the axis of the pipeline / in particular perpendicular / and located on the opposite side of the pipeline th antenna.

Таким образом, в своем полном варианте, обеспечивающем наибольшую точность, устройство измерения покомпонентного расхода трехкомпонентного газажидкостного потока, проходящего по трубопроводу, состоит /см. фиг. 3/ из следующих блоков: зондирующего блока 1, СВЧ-генератора 2, измерителя фазовых сдвигов 3, емкостного ила радиоволнового датчика 4, допплеровского измерителя скорости потока 5, детектора затухания 6, вычислительного устройства 7, регистрирующего устройства 8, направленных ответвителей 9, 10, 11, циркулятора 12, переключателей 13 и 14. Thus, in its full version, providing the greatest accuracy, the device for measuring the component flow rate of a three-component gas-liquid flow passing through the pipeline is / cm. FIG. 3 / of the following blocks: probe block 1, microwave generator 2, phase shift meter 3, capacitive sludge radio wave sensor 4, Doppler flow velocity meter 5, attenuation detector 6, computing device 7, recording device 8, directional couplers 9, 10, 11, circulator 12, switches 13 and 14.

Зондирующий блок представляет собой трубу из диэлектрического материала /или с окнами из этого материала/ с внутренним диаметром таким же, как у основного трубопровода, по периметру которой расположены: передающая 15 и приемная 16 антенные направленные под углом к оси трубопровода, антенна поверхностных волн 17, пластины емкостного датчика 18 и 19 /или первичный преобразователь радиоволнового датчика/, датчик температуры 20. The probe unit is a pipe of dielectric material / or with windows of this material / with an inner diameter the same as the main pipeline, along the perimeter of which are located: transmitting 15 and receiving 16 antenna directed at an angle to the axis of the pipeline, the antenna of surface waves 17, plate capacitive sensor 18 and 19 / or the primary Converter of the radio wave sensor /, temperature sensor 20.

Измеритель фазовых сдвигов 3 является фазометрической следящей системой и содержит управляемый фазовращатель 21, смеситель 22, дифференциальный усилитель 23, цепь обратной связи 24. The phase shift meter 3 is a phase-tracking servo system and contains a controlled phase shifter 21, mixer 22, differential amplifier 23, feedback circuit 24.

Емкостной или радиоволновой датчик 4 содержит резонансный контур 25, элементами которого являются чувствительные звенья 18 и 19 в зондирующем блоке, управляемый генератор 26 и экстремальный регулятор 27. Capacitive or radio wave sensor 4 contains a resonant circuit 25, the elements of which are the sensitive links 18 and 19 in the probing unit, a controlled oscillator 26 and an extremal regulator 27.

В состав допплеровского измерителя скорости потока 5 входят смеситель 28, узкополосный усилитель 29, амплитудный дискриминатор 30, ключ 31, цепь обратной связи 32, управляемый генератор 33 и вторая цепь обратной связи 34. The structure of the Doppler flow meter 5 includes a mixer 28, a narrowband amplifier 29, an amplitude discriminator 30, a key 31, a feedback circuit 32, a controlled oscillator 33, and a second feedback circuit 34.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

Электромагнитная энергия от управляемого СВЧ-генератора 2 поступает на направленный ответвитель 9, с которого подается на первый вход управляемого фазовращателя 21 и через циркулятор 12 и переключатель 13 на приемо-передающую антенну 15 и приемо-передающую антенну поверхностных волн 17. Энергия, излученная антенной 15, пронизывает контролируемый поток газожидкостной смеси и принимается приемной антенной 16, притерпев сдвиг по фазе и затухание, зависящее от состава смеси. Принятый антенной 16 сигнал через переключатель 14 и направленный ответвитель 11 поступает на первый вход смесителя 22 измерителя фазовых сдвигов 3, где смешивается с сигналом, пришедшим на его второй вход с первого выхода управляемого фазовращателя 21. Пара сигналов С₁ и С₂ с выхода смесителя усиливается дифференциальным усилителем 23 и его выходной сигнал С₃ поступает через цепь обратной связи 24 на второй /управляющий/ вход управляемого фазовращателя 21, замыкая таким образом контур следящей фазометрической системы, устойчивость которой обеспечивается цепью обратной связи 24. Под воздействием управляющего сигнала управляемый фазовращатель сдвигает фазу опорного СВЧ-сигнала, поступающего на его первый вход, до тех пор, пока разность фаз сигналов, приходящих на первый и второй входы смесителя 22 не примет значения p/2.. В результате при известной статической характеристики управляемого фазовращателя управляющий сигнал Ф пропорционален разности фаз, в которой содержится также интересующий нас сдвиг фаз α электромагнитной энергии при ее прохождении через поток смеси. Со второго выхода управляемого фазовращателя 21 сигнал a_ц, пропорциональный сдвигу фаз в потоке смеси и преобразованный в форму, удобную для вычислительного устройства 7, поступает на его первый вход. Одновременно сигнал со второго выхода направленного ответвителя 11 подается на детектор затухания 6, который вырабатывает сигнал С₄, пропорциональный затуханию электромагнитной энергии в потоке смеси. Он поступает на второй вход вычислительного устройства,
В тех случаях, когда затухание слишком велико /например, при большом диаметре трубопровода/ и уровень сигнала в приемной антенне недостаточен для нормального функционирования измерителя фазовых сдвигов и детектора затухания, переключатель 14 по команде, поступающей с первого выхода вычислительного устройства на его третий управляющий вход, переключает свой выход с сигнала от антенны 16 на сигнал от антенны 15, поступающий через переключатель 13 циркулятор 12 и направленный ответвитель 10 на его второй вход. При этом замеряются сдвиг фаз и затухание отраженной от потока смеси электромагнитной энергии. Эти замеры могут быть использованы как дублирующие и тогда, когда мощность сигнала в принимающей антенне 16 достаточна. В детекторе затухания предусмотрена также возможность установки вручную работы по прошедшему через поток сигналу или по отраженному от него.Electromagnetic energy from a controlled microwave generator 2 is supplied to a directional coupler 9, from which it is fed to the first input of a controlled phase shifter 21 and through a circulator 12 and a switch 13 to a transmit-receive antenna 15 and a transmit-receive antenna of surface waves 17. The energy emitted by the antenna 15 penetrates the controlled flow of the gas-liquid mixture and is received by the receiving antenna 16, having suffered a phase shift and attenuation, depending on the composition of the mixture. The signal received by the antenna 16 through the switch 14 and the directional coupler 11 is fed to the first input of the mixer 22 of the phase shift meter 3, where it is mixed with the signal that came to its second input from the first output of the controlled phase shifter 21. The pair of signals C ₁ and C ₂ from the output of the mixer is amplified a differential amplifier 23 and its output signal C ₃ supplied through a feedback circuit 24 to the second / control / control input of the phase shifter 21, thereby closing the servo loop fazometricheskoy system which both resistance is fed by the feedback circuit 24. Under the influence of the control signal, the controlled phase shifter shifts the phase of the microwave reference signal arriving at its first input until the phase difference of the signals arriving at the first and second inputs of mixer 22 becomes p / 2 .. As a result, with the known static characteristic of the controlled phase shifter, the control signal Φ is proportional to the phase difference, which also contains the phase shift α of electromagnetic energy of interest to us as it passes through the mixture flow. From the second output of the controlled phase shifter 21, the signal a _c , proportional to the phase shift in the mixture stream and converted into a form convenient for computing device 7, is fed to its first input. At the same time, the signal from the second output of the directional coupler 11 is supplied to the attenuation detector 6, which generates a signal C ₄ proportional to the attenuation of electromagnetic energy in the mixture stream. It goes to the second input of the computing device,
In those cases when the attenuation is too large (for example, with a large pipeline diameter) and the signal level in the receiving antenna is insufficient for the normal operation of the phase shift meter and the attenuation detector, switch 14, upon a command from the first output of the computing device to its third control input, switches its output from the signal from the antenna 16 to the signal from the antenna 15 coming through the switch 13 of the circulator 12 and the directional coupler 10 to its second input. In this case, the phase shift and attenuation of the mixture of electromagnetic energy reflected from the flow are measured. These measurements can be used as duplicate even when the signal power in the receiving antenna 16 is sufficient. The attenuation detector also provides the ability to manually set the work on the signal passed through the stream or on the reflected signal from it.

Для устранения влияния неопределенности при измерении сдвига фаз, вызванной тем, что на расстоянии между приемной и передающей антеннами укладывается несколько длин волн, замер фаз производится на двух близких частотах и в вычислительном устройстве вычисляется разность этих двух замеров, которая после умножения на соответствующий множитель и является однозначной оценкой интересующего нас сдвига фаз в потоке смеси. To eliminate the influence of the uncertainty when measuring the phase shift, due to the fact that several wavelengths are placed at a distance between the receiving and transmitting antennas, the phases are measured at two close frequencies and the difference between these two measurements is calculated in the computing device, which, after multiplying by the corresponding factor, is An unambiguous assessment of the phase shift in the mixture flow that interests us.

Сигнал, отраженный от протекающего потока газожидкостной смеси и содержащий допплеровскую составляющую смещения частоты излученного сигнала принимается приемо-передающей антенной 15 и через переключатель 13, циркулятор 12, который принятый сигнал направляет на направленный ответвитель 10 и не пропускает обратно к СВЧ-генератору, поступает со второго выхода направленного ответвителя 10 на первый вход смесителя 28, входящего в состав допплеровского измерителя скорости потока 5, представляющего собой следящий фильтр. На второй вход смесителя 26: подается сигнал с управляемого генератора. 33. Сигнал разностной частоты с выхода смесителя через узкополосный усилитель промежуточной частоты 29 поступает на дискриминатор 30, имеющий в своем составе узкополосный фильтр о амплитудным детектором и пороговым устройством. The signal reflected from the flowing stream of the gas-liquid mixture and containing the Doppler component of the frequency offset of the emitted signal is received by the transceiver antenna 15 and through the switch 13, the circulator 12, which sends the received signal to the directional coupler 10 and does not pass back to the microwave generator, comes from the second the output of the directional coupler 10 to the first input of the mixer 28, which is part of the Doppler flow meter 5, which is a follow-up filter. At the second input of the mixer 26: a signal is supplied from a controlled generator. 33. The difference frequency signal from the mixer output through the narrow-band amplifier of the intermediate frequency 29 is fed to the discriminator 30, which includes a narrow-band filter with an amplitude detector and a threshold device.

При работе с широкоугольной антенной, ось диаграммы направленности которой перпендикулярна оси трубопровода, в дискриминаторе напряжение с выхода порогового устройства является его первым выходом. Под воздействием этого напряжения частота управляемого генератора 33 возрастает до тех пор, пока амплитуда сигнала на выходе полосового фильтра не упадет до порогового значения, несколько превышающего уровень шумов. Таким образом осуществляется слежение за максимальной допплеровской частотой. Выходным сигналом допплеровского измерителя скорости является входной сигнал управляемого генератора

, который подается на третий вход вычислительного устройства.When working with a wide-angle antenna, the axis of the radiation pattern of which is perpendicular to the axis of the pipeline, in the discriminator, the voltage from the output of the threshold device is its first output. Under the influence of this voltage, the frequency of the controlled oscillator 33 increases until the amplitude of the signal at the output of the bandpass filter drops to a threshold value slightly exceeding the noise level. Thus, the maximum Doppler frequency is monitored. The output signal of the Doppler speed meter is the input signal of a controlled generator

which is fed to the third input of the computing device.

В допплеровском измерителе скорости предусмотрен режим поиска допплеровской частоты, который реализуется путем размыкания ключа 31 командой, приходящей на его второй вход со второго выхода вычислительного устройства, и подачей на второй вход управляемого генератора 33 напряжения поиска U_поиск с третьего выхода вычислительного устройства. При этом в качестве информации о завершении поиска и переходу в режим слежения используется в вычислительном устройстве сигнал U_f, поступающий на его четвертый вход с выхода дискриминатора 30.The Doppler velocity meter is provided a Doppler frequency search mode, which is implemented by opening the switch 31 commands coming to its second input from the second output of the calculation unit, and fed to the second input of the search managed voltage generator 33 U _search on the third output of the computing device. At the same time, the signal U _f applied to its fourth input from the output of the discriminator 30 is used as information on the completion of the search and the transition to the tracking mode in the computing device.

Для определения толщины наросшего слоя парафина по команде с четвертого выхода вычислительного устройства переключатель 13 подключает к циркулятору 12 вместо антенны 15 антенну 17, сигнал с которой при этом через циркулятор 12 и направленный ответвитель поступает на вход смесителя 28. To determine the thickness of the wax layer that has grown, on command from the fourth output of the computing device, the switch 13 connects the antenna 17 to the circulator 12 instead of the antenna 15, the signal from which through the circulator 12 and the directional coupler enters the input of the mixer 28.

Дискриминатор 30 дополняется подключенной к выходу детектора цепью из последовательно соединенных инвертора и второго порогового устройства с большим пороговым уровнем, переключателем и вторым и третьим выходами. Третий выход дискриминатора постоянно подсоединен к выходу детектора, а по команде, поступающей с пятого выхода вычислительного устройства на второй вход дискриминатора, первый выход переключается с выхода первого порогового устройства на выход второго порогового устройства, а второй выход дискриминатора подключается к выходу первого порогового устройства. The discriminator 30 is supplemented by a circuit connected to the output of the detector from a series-connected inverter and a second threshold device with a large threshold level, a switch, and second and third outputs. The third output of the discriminator is constantly connected to the output of the detector, and by the command from the fifth output of the computing device to the second input of the discriminator, the first output switches from the output of the first threshold device to the output of the second threshold device, and the second output of the discriminator is connected to the output of the first threshold device.

При наличии команды на втором входе дискриминатора допплеровский измеритель скорости потока работает в режиме отслеживания минимальной допплеровской частоты в пределах диаграммы направленности антенны поверхностных волн 17. If there is a command at the second input of the discriminator, the Doppler flow velocity meter operates in the tracking mode of the minimum Doppler frequency within the directivity pattern of the surface wave antenna 17.

Отличие сигнала от более высокого порогового значения является в этом режиме первым выходным сигналом дискриминатора, который, как и в режиме работы от антенны 15, через ключ 31 и цепь обратной связи 32 поступает на управляющий вход управляемого генератора 33. Частота сигнала на выходе генератора изменяется до тех пор, пока не станет равной допплеровской частоте сигнала, принимаемого под углом визирования на краю амплитудной диаграммы направленности антенны поверхностных волн 17. The difference between the signal and the higher threshold value is in this mode the first output signal of the discriminator, which, as in the operation mode from the antenna 15, is supplied through the key 31 and the feedback circuit 32 to the control input of the controlled generator 33. The frequency of the signal at the generator output changes to until it becomes equal to the Doppler frequency of the signal received at an angle of sight at the edge of the amplitude radiation pattern of the surface wave antenna 17.

Разность между сигналом с выхода первого амплитудного детектора и более низким пороговым значением выдается на второй выход дискриминатора, с которого через цепь обратной связи 34 поступает /в случае частотного управления шириной диаграммы направленности антенны поверхностных волн/ на второй управляющий вход СВЧ-генератора 2. Таким образом замыкается контур управления частотой СВЧ-генератора, при которой ширина диаграммы направленности антенны поверхностных волн 17 такова, что ее незначительная часть выходит за пределы неподвижного слоя парафина в движущийся поток газожидкостной смеси. Сигнал управления СВЧ-генератором-выход цепи обратной связи 34, содержащий информацию об угле наклона внутреннего края диаграммы направленности антенны 17, подается также на пятый вход вычислительного устройства. При работе устройства от сигналов с антенны 16, т.е. при отсутствии команды на дискриминатор 30 с пятого выхода вычислительного устройства, сигнал на втором выходе дискриминатора отсутствует и управление СВЧ-генератором осуществляется по его первому вход непосредственно сигналом с шестого выхода вычислительного устройства. The difference between the signal from the output of the first amplitude detector and a lower threshold value is output to the second output of the discriminator, from which through feedback circuit 34 it enters / in the case of frequency control of the antenna radiation pattern width of the surface waves / to the second control input of the microwave generator 2. Thus the frequency control loop of the microwave generator is closed, at which the beam pattern of the surface wave antenna 17 is such that a small part of it goes beyond the fixed paraffin wax in a moving stream of gas-liquid mixture. The control signal of the microwave generator-the output of the feedback circuit 34, containing information about the angle of the inner edge of the radiation pattern of the antenna 17, is also fed to the fifth input of the computing device. When the device is operating from signals from the antenna 16, i.e. in the absence of a command to discriminator 30 from the fifth output of the computing device, there is no signal at the second output of the discriminator and the microwave generator is controlled by its first input directly by the signal from the sixth output of the computing device.

Для определения удельной эффективной площади рассеяния неоднородностей потока γ ключ 31 по команде с вычислительного устройства размыкается, а на второй вход управляемого генератора 33 с третьего выхода вычислительного устройства поступает сигнал, обеспечивающий уменьшение частоты Допплера на величину, немного меньшую ее значения перед размыканием ключа 31, при этом сигнал, поступающий с третьего выхода дискриминатора на 6-й вход вычислительного устройства, пропорционален g. To determine the specific effective area of dispersion of the inhomogeneities of the flow γ, the key 31 is opened by a command from the computing device, and a signal is supplied to the second input of the controlled generator 33 from the third output of the computing device, which reduces the Doppler frequency by a value slightly less than its value before opening the key 31, the signal from the third output of the discriminator to the 6th input of the computing device is proportional to g.

Работа емкостного датчика происходит следующим образом. The capacitive sensor is as follows.

Пластины первичного преобразователя 18 и 19, между которыми находится поток контролируемой газожидкостной смеси с диэлектрической проницаемостью, зависящей от относительного содержания компонент этого потока, образуют конденсатор, который соединен с первым и вторым входами резонансного контура 25. Выход резонансного контура подключен ко входу экстремального регулятора 27 который вырабатывает и подает на вход управляемого генератора 26 такой сигнал, при котором на его выходе, соединенном с третьим входом резонансного контура 25, частота сигнала равна резонансной частоте для данной диэлектрической проницаемости потока смеси. Выходной сигнал экстремального регулятора подается также на седьмой вход вычислительного устройства. The plates of the primary transducer 18 and 19, between which there is a flow of a controlled gas-liquid mixture with a dielectric constant, depending on the relative content of the components of this stream, form a capacitor that is connected to the first and second inputs of the resonant circuit 25. The output of the resonant circuit is connected to the input of the extreme controller 27 which generates and feeds to the input of the controlled oscillator 26 such a signal at which its frequency connected to the third input of the resonant circuit 25 the wavelength is equal to the resonant frequency for a given dielectric constant of the mixture flow. The output signal of the extreme controller is also supplied to the seventh input of the computing device.

Сигналы, полученные в результате работы описанных выше систем обрабатываются в вычислительном устройстве по следующим алгоритмам. The signals obtained as a result of the operation of the systems described above are processed in a computing device according to the following algorithms.

Относительное объемное содержание нефти и воды определяется путем поиска в памяти вычислительного устройства соответствующих значений V $\binom{т}{н}$ и V $\binom{n}{в}$ для замеренных величин фазового сдвига α и резонансной частоты w_рез и /или/ для замеренных значений α и коэффициента поглощения b, а также температуры смеси, поступающей с датчика температуры на восьмой вход вычислительного устройствам Данные в память заносятся или уточняются при калибровке под конкретную нефть массивами для различных значений удельной проводимости воды s и ее температуры T /возможен учет изменения температуры при работе устройства путем коррекции s /. Найденные таким образом относительные значения объемного содержания нефти и воды при наличии отложений парафина на стенках трубопровода /зондирующего блока/ корректируются в соответствии со следующими формулами:

где d_тр внутренний диаметр трубопровода /зондирующего блока/;
d толщина наросшего слоя парафина.The relative volumetric content of oil and water is determined by searching the corresponding values of V in the memory of the computing device

\binom{t}{n}

and v

\binom{n}{in}

for the measured values of the phase shift α and the resonant frequency w _cut and / or / for the measured values of α and the absorption coefficient b, as well as the temperature of the mixture coming from the temperature sensor to the eighth input of the computing devices Data is stored or refined during calibration for a specific oil with arrays for different values of the specific conductivity of water s and its temperature T /, it is possible to take into account the temperature change during operation of the device by correcting s /. The relative values of the volumetric content of oil and water thus found in the presence of paraffin deposits on the walls of the pipeline / sounding block / are adjusted in accordance with the following formulas:

where d _{tr the} inner diameter of the pipeline / probing unit /;
d the thickness of the wax layer.

Определение толщины наросшего слоя парафина производится по итерационному алгоритму в следующей последовательности:
I/ вычисление коэффициента поглощения движущейся смеси β_k k-ой итерации из уравнения:

2/ вычисление удельной эффективной площади рассеяния неоднородностей движущейся смеси b_k k-ой итерации по уравнению:

3/ вычисление толщины слоя парафина (d_k k-ой итерации из уравнения, полученного из /3/ для малых значений угла θ:

полученное значение d_k подставляется вместо d_k-1 в уравнение /8/ и вся процедура повторяется непрерывно, либо периодически с интервалом времени, определяемым из скорости нарастания парафина.The thickness of the waxed paraffin layer is determined according to an iterative algorithm in the following sequence:
I / calculation of the absorption coefficient of the moving mixture β _k k-th iteration from the equation:

2 / calculation of the specific effective area of dispersion of the inhomogeneities of the moving mixture b _k k-th iteration according to the equation:

3 / calculation of the thickness of the paraffin layer (d _k k-th iteration from the equation obtained from / 3 / for small values of the angle θ:

the obtained value of d _{k is} substituted instead of d _k-1 in equation / 8 / and the whole procedure is repeated continuously or periodically with an interval of time determined from the paraffin rise rate.

В приведенных формулах /8/, /9/, /10/ обозначено:
K_β коэффициент, зависящий от параметра передатчика, антенной системы и СВЧ-тракта;
P_β мощность на входе приемника, получаемая с выхода детектора затухания 6;
b_п коэффициент поглощения парафина;
l- расстояние между передающей и приемной антеннами;
K_γ коэффициент, зависящий от параметров передатчика дискриминатора 30, антенной системы 15-16 и СВЧ-трактов;
u_γ напряжение со второго выхода дискриминатора 30;
Dr шаг по расстоянию r от антенны 15, принятой для вычислений;
i количество шагов в движущемся потоке;
V_пот скорость потока смеси;
k коэффициент, зависящий от параметров передатчика, дискриминатора 30, антенной системы поверхностных волн и CВЧ-трактов;
θ угол наклона края диаграммы направленности антенны поверхностных волн к оси трубопровода.In the above formulas / 8 /, / 9 /, / 10 / is indicated:
K _β coefficient, depending on the parameter of the transmitter, antenna system and microwave path;
P _{β the} power at the input of the receiver received from the output of the attenuation detector 6;
b _p paraffin absorption coefficient;
l is the distance between the transmitting and receiving antennas;
K _γ coefficient depending on the parameters of the transmitter discriminator 30, the antenna system 15-16 and microwave paths;
u _γ voltage from the second output of the discriminator 30;
Dr step along the distance r from the antenna 15, adopted for calculations;
i the number of steps in a moving stream;
V _sweat mixture flow rate;
k a coefficient depending on the parameters of the transmitter, discriminator 30, antenna system of surface waves and microwave paths;
θ the angle of inclination of the edge of the antenna pattern of surface waves to the axis of the pipeline.

Скорость потока смеси вычисляется по формуле

где l длина волны в вакууме;

частота допплера со входа управляемого генератора 33.The flow rate of the mixture is calculated by the formula

where l is the wavelength in vacuum;

Doppler frequency from input of controlled oscillator 33.

Общий расход смеси Q вычисляется по формуле
Q=π(r_тр-d)²•v_пот, (12)
а отдельных компонент воды, нефти и газа соответственно по формулам
Q_в=V $\binom{o}{в}$ •Q; (13)
Q_н=V $\binom{o}{н}$ •Q; (14)
Q_г = V $\binom{o}{г}$ •Q (15)
Результаты всех расчетов в вычислительном устройстве выдаются с его седьмого выхода в регистрирующий блок 8.The total flow rate of the mixture Q is calculated by the formula
Q = π (r _tr -d) ² • v _sweat , (12)
and the individual components of water, oil and gas, respectively, according to the formulas
Q _in = V $\binom{o}{in}$ • Q; (thirteen)
Q _n = V $\binom{o}{n}$ • Q; (14)
Q _g = V $\binom{o}{g}$ • Q (15)
The results of all calculations in the computing device are issued from its seventh output in the recording unit 8.

Вычислительное устройство выполняет также функции управления всем устройством, обеспечивая последовательность реализации режимов работы путем периодической выдачи команд на управление переключателями 13 и 14, дискриминатором 30, ключом 31, СВЧ-генератором 2. ЫЫЫ2 The computing device also performs the functions of controlling the entire device, providing a sequence of implementation of operating modes by periodically issuing commands to control switches 13 and 14, discriminator 30, key 31, and microwave generator 2.

Claims

1. The method of measuring the component flow rate of a three-component gas-liquid flow passing through the pipeline, comprising determining the ratio of components and flow rate and processing the results, characterized in that for determining the ratio of components using a capacitive or radio wave sensor through which the measured stream is passed through the primary transducer, measure it resonant frequency, a microwave electromagnetic signal is emitted into the stream and the phase shift of the signals reflected from the stream and / or passing through it, and to determine the flow rate, the Doppler frequency shift of the same signal reflected from the inhomogeneities of the flow is measured, and all measurements are carried out simultaneously in the same local volume of the pipeline, the relative volume content of the components is determined by looking in the database for data obtained during calibration, the same combination of resonant frequency and phase shifts as obtained during the measurement, the flow rate and the total distance are calculated from the maximum value of the Doppler frequency shift stroke, and taking into account the relative volumetric content of the components, the flow rate of each component.

2. The method according to claim 1, characterized in that the absorption coefficient of the signal transmitted through the stream and / or reflected from it, and the temperature of the stream, and the relative volumetric content of the components are determined by finding the same combination in the databank, are measured values of the resonant frequency, phase shifts and absorption coefficient, as obtained by measurement, and when changing the specific conductivity of water and its structure in the stream, the data bank is adjusted.

3. The method according to claim 2, characterized in that, using an additional antenna, a surface wave is emitted along the pipe wall, a signal reflected from inhomogeneities in the stream and paraffin growing on the internal walls of the pipeline is received, and in the absence of a Doppler shift in the reflected signal frequency change angle θ of the radiation pattern antenna end to the pipe axis until the Doppler shift detector via damping measured power P passing through the _straight stream and / or reflection ennogo him signal measured U _γ amplitude of the reflected signal, and the thickness of accrued wax layer d, the relative volumetric water content Vc ^o, oil Vr ^o and Vz gas ^o in the flow, the total flow rate Q of flow and flow rate of each component Q _N, Q _in , Q _{g is} calculated by the formulas:

Q = π (r _tr - d) ² • V _sweat ;
Q _n Vn ^o • Q;
Q _in Vв ^o • Q;
Q _g Vg ^o • Q,
Where
λ wavelength;
Dr increment distance;
k _β ; k _γ ; k coefficients depending on the design of the antenna and the parameters of the transmitters and receivers;
r _{tr the} inner radius of the pipeline;
V _sweat flow rate;
Vn ^t , Vv ^{t the} relative volumetric content of oil and water from the data bank in the memory of the computing device about the values of the resonant frequency and phase shifts corresponding to different values relative to the volumetric content of oil and water for different values of the specific conductivity of the water and the flow temperature, as well as the water structure in flow.

4. The method according to claim 3, characterized in that the thickness of the overgrown paraffin layer is calculated according to an iterative algorithm, for which:
calculate the absorption coefficient of the moving stream of the K-th iteration b _k according to the formula:

where β _p the absorption coefficient of paraffin;
calculate the specific effective area of dispersion of the inhomogeneities of the moving stream of the Kth iteration γ _k by the formula

calculate the thickness of the paraffin layer of the K-th iteration d _to by the formula

the obtained value of d _{k is} substituted instead of d _k-1 in the equations for β _k and γ _k and the whole procedure is repeated continuously or periodically with an interval of time determined from the paraffin rise rate, and for k = 1, d = 0.

5. A device for measuring the component flow rate of a three-component gas-liquid flow passing through the pipeline, comprising a probe unit in the form of a pipe segment with a radio wave or capacitive sensor mounted on it, an computing device and a recording unit, characterized in that the case of the probe unit is made with windows from radiolucent material or entirely from this material, on the inner surface of the housing, in the thickness of its walls, there are coils or sheets The primary transducer of the radio wave or capacitive sensor, the transmitting and receiving antenna at an angle to the axis of the pipeline and opposite it, the receiving antenna, the radio wave or capacitive sensor of the component composition of the stream, comprise a first controlled oscillator connected in series in a closed circuit, a resonant circuit, which includes a winding or plates of the primary a converter, and an extreme controller, the output of which is connected to the input of the first controlled generator and to the seventh input of the computing device, in becoming a device, a controlled microwave generator is introduced, the output of which through the first directional coupler is connected to a phase shift meter, which includes a series-connected controlled phase shifter, a first mixer, a differential amplifier and a first feedback circuit, the output of which is connected to the control input of the controlled phase shifter, and to the circulator, the first output of which is connected to the transceiver antenna, and the second through the second directional coupler with the first switch, the second input of which is connected n with a receiving antenna, and the output with the second input of the first mixer, the flow meter is made in the form of a Doppler flow velocity meter and contains a second mixer in series, the first input of which is connected to the second output of the second directional coupler, an intermediate frequency amplifier, a discriminator with a band-pass filter, an amplitude detector and a threshold device, a key, a second feedback circuit and a second controlled generator, the output of which is connected to the second input of the second mixer, while the device is made with a large amount of memory, its first input is connected to the second output of the controlled phase shifter, the third input is the output of the second feedback circuit, the sixth is the first output of the discriminator, its first output is connected to the control input of the first switch, the second output is the second key input, the third with the control input of the second controlled generator, the sixth with the control input of the microwave generator, and the seventh with the input of the recording unit.

6. The device according to claim 5, characterized in that a damping detector, a third directional coupler and a temperature sensor are inserted into it, the output of the first switch being connected to the second input of the first mixer through a third directional coupler, the second output of which is connected to the input of the attenuation detector, output which is connected to the second input of the computing device, and the temperature sensor is installed in the probing unit and connected to the eighth input of the computing device.

7. The device according to claim 6, characterized in that the second switch and the surface wave antenna are inserted in it, located in the wall of the probe unit and connected to the second output of the second switch, the first output of which is connected to the transceiver antenna, the first input is connected to the first the output of the circulator, and the second input with the fourth output of the computing device, as well as the third feedback circuit, the input of which is connected to the second output of the discriminator, and the output with the fifth input of the computing device, the microwave generator is equipped with The second control input connected to the output of the third feedback circuit, the discriminator is additionally equipped with a second threshold device, an inverter and a third switch, while the input of the bandpass filter is the first input of the discriminator, and the output through the amplitude detector is connected directly to the first threshold device and through the inverter to the second threshold device, the outputs of the first and second threshold devices are connected to the second and third inputs of the third switch, the first and second outputs of which are respectively, the first and second outputs of the discriminator, the output of the amplitude detector with its third output connected to the fourth input of the computing device, the first input of the third switch being the second input of the discriminator and connected to the fifth output of the computing device.