Программно-аппаратный комплекс для измерения состава и расхода жидкости, добываемой из нефтяных скважин "Канал квант".

Важной задачей технологии нефтедобычи является контроль состава и расхода жидкости, добываемой из нефтяных скважин. Если для измерения расхода жидкости существует довольно много методов со своими достоинствами и недостатками, то измерение содержания воды является сложной технической задачей. Дело в том, что из скважины всегда добывается трехкомпонентная смесь: нефть, соленая вода и попутный газ. В связи с этим для измерения состава смеси нужно либо разделить ее, отделив хотя бы газ, либо использовать метод, который позволяет учесть наличие газа в смеси. Первый способ предполагает использование отбора проб с дальнейшим длительным отстаиванием. Это требует использования сложных механических устройств и сопряжено со значительными затратами времени. В условиях холодной зимы в таком случае потребуется решение ряда сопутствующих проблем. Наиболее перспективными методами, позволяющими учесть наличие газа в составе исследуемой смеси являются методы ядерного или электронного магнитного резонанса. В методе ЯМР при измерении содержания воды используется разные значения времени ядерной релаксации протонов соленой воды и нефти, а содержание газа сказывается только на величине сигнала резонанса. Поэтому измерение состава может производиться непосредственно в потоке жидкости. Кроме того, при наличии дополнительных средств метод позволяет измерять скорость потока смеси.

 Назначение комплекса.

Комплекс предназначен для использования на нефтяных промыслах для непрерывного контроля методами ядерного магнитного резонанса мгновенных, средних и суммарных расходов скважинной жидкости и нефти, протекающих через измерительную ячейку, состава жидкости, а также давления и температуры. Описываемый комплекс позволяет измерять содержание воды в составе жидкой части смеси в диапазоне от 0 до 100% с точностью ±5% и объемный расход жидкости в диапазоне расходов от 0 до 60 м³/сутки с точностью ±4%. Программное обеспечение комплекса имеет следующие функциональные возможности:

• Процедуры измерений могут запускаться с заданным периодом времени или непрерывно, по готовности измерителя, а также по команде оператора. Результатами измерения являются значения расхода жидкости, нефти, коэффициент заполнения ячейки и значения давления и температуры.

• Автокалибровка измерителя с помощью заданного набора операций позволяет измерителю периодически самонастраиваться при изменении внешних условий.

• Измеритель может работать в 2 режимах: режиме настройки и в режиме замера. В обоих режимах выполняется автокалибровка и измерения в заданных режимах запуска. В режиме замера ведется архив измеренных данных, в который с заданным периодом времени записываются мгновенные значения измеренных данных. По содержимому архива оператор имеет возможность восстановить графики изменений расхода компонент от времени, а также вычислять средние значения расходов за нужные промежутки времени. Кроме архива данных в режиме замера ведется архив сообщений, в который записываются сообщения об изменении параметров, аварийных и операторских отключениях измерителя, что позволяет контролировать события, произошедшие в процессе замера.

• Измеритель может быть включен в общую сеть с другими устройствами автоматики скважины или группового заборного участка (ГЗУ) и обслуживаться диспетчерской программой для получения мгновенных или усредненных данных.

 Состав комплекса.

 В состав комплекса входит измеритель с собственным контроллером, устанавливаемый на трубопровод с измеряемым потоком, и обслуживающий компьютер типа IBM PC, связанный с контроллером измерителя посредством последовательного интерфейса RS-232 или RS-485 (через соответствующий преобразователь), либо через радиомодем и контроллер фирмы "Смарт +". Компьютер может обслуживать несколько измерителей.

 Измеритель состоит из следующих узлов, размещенных в общем корпусе:

• Измерительная ячейка, устанавливаемая на трубопроводе и включающая магнитную систему на базе постоянного магнита с катушкой настройки поля, приемо-передающую катушку ЯМР, градиентную катушку, датчики давления и температуры.

• Приемо-передающий блок, включающий передатчик и приемник сигнала ЯМР, блок управления магнитной системой, блок управления импульсным градиентом, формирователи сигналов датчиков.

• Блок управления и обработки сигналов в составе:

  • контроллера измерителя на базе контроллера CPU-188-5 фирмы Fastwel с установленным таймером реального времени и дополнительным энергонезависимым ОЗУ типа КМОП объемом 128 кб

  • платы управления, включающей: двухканальный аналого-цифровой преобразователь с коммутатором, предназначенный для измерения сигналов ЯМР и сигналов давления и температуры; 4-канальный цифро-аналоговый преобразователь для управления мощностью передатчика, сигналом импульсного градиента и величиной тока настройки магнитного поля; схему формирования цифровых сигналов управления приемо-передающим блоком; синтезатор частоты передатчика

  • блока квадратурных детекторов сигнала приемника ЯМР и формирователя радиочастотных импульсов передатчика.

Программное обеспечение комплекса.

В состав программного обеспечения комплекса входят 2 компоненты:

• Программа NEDRN.EXE v.4.0, устанавливаемая на контроллер измерителя, обеспечивающая автономное выполнение функций измерения расходов и ведения архивов, а также выполняющая команды, поступающие с обслуживающего компьютера.

• Приложение NEDRD v.4.0, устанавливаемое на обслуживающем компьютере под управлением ОС Microsoft Windows 98/ ME/ 2000/ XP с установленным пакетом MS Office 97/ 2000 (используется редактор электронных таблиц Excel). Приложение обеспечивает возможности управления измерителем, настройки, получения и отображения мгновенных, усредненных и суммарных данных расходов, получения данных из архивов с переносом их в таблицы и графики Excel, получение промежуточных данных измерений и отображение их на графиках в целях настройки измерителя. Приложение позволяет управлять несколькими измерителями при использовании связи по RS-485.

Для загрузки и отладки программы измерителя в процессе разработки и настройки на управляющем или другом компьютере может использоваться приложение HyperTerminal из состава операционной системы Windows, работающее в качестве удаленной консоли контроллера.

Программа управления измерителем NEDRN.EXE.

Программа устанавливается на флеш-диск контроллера измерителя и обеспечивает управление всеми устройствами измерителя в процессе его работы в автоматическом режиме, а также исполнение команд, полученных от обслуживающего компьютера. Программа выполняет следующие функции:

• Исполнение измерительных, калибровочных и контрольных операций, запускаемых по времени и по командам обслуживающего компьютера в соответствии с заданными периодами и режимами запуска с возможностью настройки количества и типов операций, запускаемых в процессах калибровки и измерений.

• Ведение архива данных в энергонезависимой памяти с общим количеством записей до 5120 и  архива сообщений с количеством до 1024 сообщений. При переполнении архивов теряются самые старые записи.

• Хранение набора управляющих параметров модулей программы и операций в энергонезависимой памяти, с возможностью их сохранения в файле на флеш-диске контроллера. Сохранность массива параметров проверяется по контрольной сумме при каждом запуске программы. При несовпадении контрольной суммы параметры перезагружаются из файла. Параметры, получаемые в процессе автокалибровки, и некоторые другие параметры, изменяемые в процессе работы программы, также хранятся в ЭНП, но не подвергаются проверке на сохранность по контрольной сумме. Тем не менее, их значения сохраняются при перезапусках программы и могут использоваться в следующем сеансе.

• При обмене с управляющим компьютером программа работает в режиме сервера, т.е. отвечает на его запросы и выполняет соответствующие действия. В набор команд входят команды получения и изменения параметров, хранящихся в ЭНП; получения и изменения некоторых переменных и элементов массивов; получения мгновенных, средних и суммарных данных расхода, состава, давления и температуры; получения записей  данных и сообщений из архивов; команды управления архивами; команды запуска операций и режимов; команды обмена файлами между контроллером и управляющим компьютером. Процедуры измерений и обмена с компьютером могут производиться параллельно, поэтому измеритель отвечает управляющему компьютеру независимо от количества и характера выполняемых им в этот момент времени действий.

Действия программного обеспечения в процессах измерения и калибровки разделяются на отдельные процедуры – операции. Каждая операция представляет собой некоторое действие, результатом которого является получение какого-либо измеряемого параметра, либо параметров настройки измерителя, а также некоторых промежуточных данных в виде массивов, которые можно затем наблюдать в виде графиков в программе обслуживания NEDRD. Модули операций включают в себя определение следующих этапов операций:

1. Заполнение массива управляющей последовательности, при котором в специальном буфере программы создается набор команд управления устройствами измерителя.

2. Исполнение управляющей последовательности с получением массивов измеряемого сигнала.

3. Обработка массивов. Этапы 2 и 3 выполняются в цикле накопления или настройки. При накоплении производится простое повторение запуска, а при настройке на этапе 3 могут изменяться параметры последовательности для следующего запуска.

4. Обработка данных после завершения накопления или настройки. Производится вычисление измеряемых параметров или модификация настроек.

Параметры запуска операций и обработки данных могут модифицироваться в зависимости от того, как запущена операция, поэтому в одной и той же операции выполняются разные действия при запуске в пакете измерения (вычисляются и обновляются измеряемые данные), пакете калибровки (обновляются параметры текущих настроек измерителя) и при отладочном запуске (заполняются массивы для отображения графиков).

Модули операций имеют единый интерфейс, поэтому в состав программы при доработке можно легко добавлять новые операции, изменять алгоритмы существующих. В состав набора операций программы NEDRN версии 4.0 входят следующие модули операций:

1. Настройка магнитного поля измерителя. Производится подбор тока управления магнитным полем для точной настройки на резонанс.

2. Измерение состава смеси. Производится измерение спада поперечной релаксации с помощью последовательности Карра-Парселла и обработка с применением калибровочных коэффициентов. Результатами операции являются относительное содержание нефти в жидкой фазе смеси и коэффициент заполнения ячейки, вычисляемый по уменьшению амплитуды сигнала.

3. Измерение давления и температуры. Измеряются сигналы датчиков давления и температуры. Результатами операции являются значения в физических единицах, вычисляемые с применением калибровочных  полиномов.

4. Настройка передатчика ЯМР. Производится настройка мощности передатчика для обеспечения оптимальных условий наблюдения сигнала ЯМР.

5. Проверка настройки приемника ЯМР. Вычисляется частотная характеристика приемного тракта. Используется в отладочных целях.

6. Измерение спинового эха. Используется для исследования влияния градиента поля на форму сигнала спинового эха. Используется в отладочных целях.

7. Измерение расхода (скорости) смеси. Измеряется параметр, пропорциональный скорости потока по сдвигу фаз сигналов ЯМР, возникающему в присутствии импульсного градиента магнитного поля. Результатом является значение расхода смеси, вычисляемого с помощью калибровочных параметров с учетом коэффициента заполнения.

8. Настройка приемника ЯМР. Производится настройка приемного контура ячейки на резонанс.

Программа обслуживания измерителей NEDRD.

Программа NEDRD v.4.0 предназначена для операторского управления одним или несколькими измерителями с установленной программой NEDRN.EXE v.4.0. Программа выполняет следующие функции:

• Выбор и настройка последовательного порта компьютера для обслуживания измерителей с возможностью обмена через радиомодем фирмы «Интеграл» и контроллер «Стандарт» производства фирмы «Смарт плюс», выбор контролируемого измерителя по его сетевому адресу и маршруту, возможность отображения протокола обмена с измерителем с отображением команд запроса и ответа, а также сообщений об ошибках.

• Получение и изменение установок периодов и режимов запуска калибровки и измерений, периода и режима архивирования.

• Периодический автоматический или с ручным запуском контроль и отображение состояния выбранного измерителя, текущих и средних измеренных значений расхода жидкости и нефти, обводненности, температуры и давления, а также суммарных значений расхода.

• Запуск и остановка режима замера; отображение временных границ текущего или последнего завершенного замера; управление архивами измерителя: очистка и восстановление; коррекция текущего времени измерителя.

• Открытие предустановленного файла электронной таблицы MS Excel и загрузка в него содержимого архивов данных и сообщений измерителя с возможностью добавления к ранее загруженным данным, отображение графиков зависимостей данных от времени в различных форматах.

• Контроль, отображение и изменение значений параметров измерителя, хранящихся в его энергонезависимой памяти, списками по их категориям.

• Настройка списка операций, загружаемых при инициализации измерителя, выбор операций, используемых в пакетах калибровки и измерения.

• Запуск отдельных операций измерителя в отладочном режиме, получение данных и построение графиков массивов отладочных результатов.

• Возможна настройка меню параметров, графиков и текстов сообщений через текстовые файлы форматов, чтобы адаптировать приложение к новым версиям программы управления измерителем.

• Поддерживаются пересылка файлов на флеш-диск контроллера и получение файлов с него.

Опытная эксплуатация.

Комплекс разработан и производится на Альметьевском заводе “Радиоприбор” (г.Альметьевск, респ. Татарстан) и проходит опытную эксплуатацию в НГДУ «Прикамнефть»  ОАО  «Татнефть».

Для испытания измеритель был установлен на трубопровод замерного устройства ГЗУ после автоматического дистанционного переключателя потока жидкости с нескольких скважин. Испытание показало удовлетворительные метрологические характеристики и отсутствие фатальных сбоев в течение двух месяцев круглосуточной эксплуатации. Для получения информации измеритель был подключен к информационной сети автоматизации ГЗУ и обслуживался общей диспетчерской программой цеха добычи нефти и газа для контроля и регистрации измеряемых данных. Для получения данных из архивов измерителя и контроля настроек производилось периодическое (один раз в 1-2 недели) подключение его к компьютеру с установленной программой NEDRD.

Для достижения заданных метрологических характеристик измеритель должен быть прокалиброван с применением воды и нефти, добываемых на участке, где устройство будет использоваться. На заводе производителе разработан и используется стенд для испытания и калибровки измерителей.

Разработчики комплекса:

• Одиванов Владимир Леонидович,

  • E-mail: odivanov@mail.ru, телефон служ. (8432) 31-90-31 (вопросы по программам).

• Курбанов Рауф Харисович,

  • E-mail: rauf.kurbanov@kcn.ru, телефон служ. (8432) 31-90-31 (по методике ЯМР).

• Садыков Илмас Имамович,

  • E-mail: ilmas@pochta.ru, телефон служ. (8432) 69-68-25 (по аппаратуре).

• Харисов Атлас Гарифович,

  • телефон служ. (8553) 33-27-45, факс: (8553) 23-89-57 (коммерческие вопросы).