專利名稱：對(duì)用于計(jì)量流體流的密度的確定的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測(cè)量流體流的密度的方法，并且更具體地涉及一種測(cè)量氣-液流 體混合物的流量的方法。
背景技術(shù)：
在油汽工業(yè)中確定氣_液流體混合物的氣體流量和液體流量以及混合物密度是 重要的。用于測(cè)量這種流量的設(shè)備的示例是Schlumberger的Vx 系統(tǒng)(例如，見(jiàn)1999年10 月 I. Atkinson, Μ. Berard, B. -V. Hanssen, G. Segeral, 17thInternational North Sea Flow Measurement Workshop, Oslo Norway 25-28, "New Generation Multiphase Floweters from Schlumberger and FramoEngineering AS”)，所述系統(tǒng)包括垂直安裝的文丘里流量 計(jì)、雙能量伽瑪射線滯留量測(cè)量裝置和相關(guān)聯(lián)的處理器。此系統(tǒng)允許同時(shí)計(jì)算多相流中的 氣體、水和油的體積流量。雖然提供了已被證明的性能，但是Vx 系統(tǒng)及其它傳統(tǒng)的多相流量計(jì)卻相對(duì)較 貴，這往往阻礙了所述系統(tǒng)在“棕色”油氣田井場(chǎng)(即，其中生產(chǎn)能力已經(jīng)降到大約1000桶 /天(0.0018m3/秒)以下的油氣井)及其它低油氣生產(chǎn)井。然而，這種井場(chǎng)在全世界可能 占大約2百萬(wàn)-3百萬(wàn)個(gè)油氣井。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明至少部分地基于可以測(cè)量輸送流體流的大致水平導(dǎo)管的兩側(cè)的垂直壓差 并且使用所述壓差確定流體密度的認(rèn)識(shí)。流體密度則可以用于計(jì)算諸如氣_液流體混合物 的流體中的液體流量或氣體流量的流量或用于其它目的。因此，大體上，本發(fā)明提供一種用于確定諸如氣-液流體混合物的流體的密度的 方法和相對(duì)應(yīng)的設(shè)備。本發(fā)明的第一方面提供一種用于測(cè)量流體的密度的方法，包括以下步驟提供流 體(例如，氣-液流體混合物)流動(dòng)通過(guò)的導(dǎo)管，所述導(dǎo)管大致水平延伸；測(cè)量導(dǎo)管中的兩 個(gè)垂直間隔開(kāi)的測(cè)量位置之間(例如，在導(dǎo)管的面對(duì)的上壁部分和下壁部分處)的壓差；和 使用所述壓差確定流體的密度。測(cè)量垂直于流動(dòng)方向的方向上的壓差的優(yōu)勢(shì)在于由測(cè)量引起的摩擦壓力損失通 常為零。摩擦壓力損失具體地對(duì)于多相流來(lái)說(shuō)可能難以預(yù)測(cè)，并且可能會(huì)對(duì)密度測(cè)量值引 入明顯的誤差。密度是過(guò)程控制的重要參數(shù)。在多相流中，密度(與已知或測(cè)量的單相密度一起) 確定部分滯留量(fractional hold up)。如果流動(dòng)例如進(jìn)行到可以僅操作一些氣體部分 (gas fraction)的裝置(例如，泵)，則這是重要的。然而，更具體地，本發(fā)明的這方面提供一種用于測(cè)量氣-液流體混合物的流量的 方法，包括以下步驟
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提供氣-液流體混合物流動(dòng)通過(guò)的導(dǎo)管，所述導(dǎo)管大致水平延伸并且具有收縮 區(qū)，所述收縮區(qū)具有減小的導(dǎo)管橫截面；測(cè)量導(dǎo)管內(nèi)的兩個(gè)垂直間隔開(kāi)的測(cè)量位置之間的第一壓差；測(cè)量導(dǎo)管內(nèi)的兩個(gè)水平間隔開(kāi)的測(cè)量位置之間的第二壓差，第一垂直間隔開(kāi)的測(cè) 量位置在收縮區(qū)處，而第二水平間隔開(kāi)的測(cè)量位置在收縮區(qū)的上游或下游；以及使用第一壓差和第二壓差以確定氣_液流體混合物的流量(例如，氣體流量和/ 或液體流量)。因此，用于測(cè)量流量的方法的第一壓差與用于測(cè)量流體的密度的更一般的方 法的壓差相對(duì)應(yīng)。通常，便利地，垂直間隔開(kāi)的測(cè)量位置可以位于還包括水平間隔開(kāi)的測(cè)量 位置中的一個(gè)的導(dǎo)管的橫截面上。在這種情況下，水平間隔開(kāi)的測(cè)量位置可以與垂直間隔 開(kāi)的測(cè)量位置中的一個(gè)重合。與需要確定滯留量以計(jì)算流量的伽馬射線的Vx 系統(tǒng)不同，用于測(cè)量流量的所述 方法在確定流量時(shí)使用第一壓差(所述第一壓差實(shí)際上是導(dǎo)管兩側(cè)的混合物密度或重力 壓力頭的測(cè)量值)。當(dāng)可以使用相對(duì)便宜的、傳統(tǒng)的并且穩(wěn)固的技術(shù)獲得壓差測(cè)量值時(shí)，應(yīng) 用所述方法的多相流量計(jì)可以適用于在棕色油氣田井場(chǎng)中使用。相對(duì)于Vx 系統(tǒng)的進(jìn)一步 優(yōu)點(diǎn)在于可以避免與使用伽瑪射線源有關(guān)的健康和安全問(wèn)題。總之，為了由第一壓差計(jì)算流體密度，以及為了使用所述密度和第二壓差計(jì)算流 量，流體混合物應(yīng)該在測(cè)量位置處顯現(xiàn)預(yù)定類型的流動(dòng)。例如，如果已知的是混合物是層 流、渦流、或均質(zhì)流，則可以適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)到在計(jì)算流體密度和流量中所使用的關(guān)系。然而，優(yōu) 選地，調(diào)節(jié)混合物以顯現(xiàn)漩渦流，所述漩渦流分離測(cè)量位置處的液體與氣體。例如，導(dǎo)管可 以具有用于誘導(dǎo)混合物在這些位置處顯現(xiàn)漩渦流的漩渦元件(例如，螺旋形插入件或葉片 組件)。漩渦元件可以包括在流體流動(dòng)的方向上沿導(dǎo)管延伸的一個(gè)或多個(gè)螺旋形構(gòu)件。優(yōu) 選地，螺旋形構(gòu)件位于導(dǎo)管壁處，并且當(dāng)沿著軸線觀察時(shí)，在導(dǎo)管中心留下不受阻礙的中心 芯(即，所述螺旋形構(gòu)件沒(méi)有徑向向內(nèi)延伸遠(yuǎn)至導(dǎo)管的中心軸線)。可選地，漩渦元件可以由到導(dǎo)管的切向流動(dòng)入口形成。漩渦流的優(yōu)點(diǎn)在于所述漩渦流相對(duì)易于誘導(dǎo)并維持(不同于在通常大的測(cè)量距 離上可能不穩(wěn)定的層流和或均質(zhì)流)。此外，與例如模擬層流或渦流相比，模擬通過(guò)文丘里 管的漩渦流的特性相對(duì)簡(jiǎn)單。此外，漩渦流關(guān)于流動(dòng)軸線對(duì)稱，從而產(chǎn)生獨(dú)立于角度方位的
第二壓差。誘導(dǎo)混合物以顯現(xiàn)漩渦流會(huì)分離混合物的液相和氣相。漩渦流使混合物的液體移 動(dòng)到導(dǎo)管的壁，例如以形成臨近導(dǎo)管的壁液體環(huán)，從而將氣體芯留在導(dǎo)管的中心處。收縮區(qū)內(nèi)的漩渦流將相對(duì)于收縮區(qū)外側(cè)(例如，在到收縮區(qū)的進(jìn)口處)的漩渦流 具有增加的離心加速度。此增加的離心加速度可以增加液體到導(dǎo)管的壁的移動(dòng)。因此，優(yōu) 選地，收縮區(qū)內(nèi)的漩渦流通過(guò)擾動(dòng)收縮區(qū)上游的導(dǎo)管內(nèi)的漩渦流而產(chǎn)生。在收縮區(qū)內(nèi)，分離的液體層往往比氣體流動(dòng)得慢，這增加了液體滯留量，從而使得 更加容易研究液體的特性。此外，收縮區(qū)處改善的離心分離可以減少液體內(nèi)的夾帶氣體的 量，從而提高對(duì)氣體滯留量或液體滯留量的估計(jì)。第二水平間隔開(kāi)的測(cè)量位置優(yōu)選地在收縮區(qū)的上游。當(dāng)調(diào)節(jié)混合物以在收縮區(qū)上 游的導(dǎo)管內(nèi)顯示漩渦流時(shí)，第二水平間隔開(kāi)的測(cè)量位置可以在所述漩渦流內(nèi)。通常，收縮區(qū)由文丘里管提供。收縮區(qū)可以是文丘里管的喉管。第二水平間隔開(kāi)的測(cè)量位置可以位于到文丘里管的入口處。所述方法還可以包括以下步驟測(cè)量例如測(cè)量位置中的一個(gè)位置處但是優(yōu)選地在包括垂直間隔開(kāi)的測(cè)量位置的 橫截面上的流動(dòng)的絕對(duì)壓力。絕對(duì)壓力然后還可以用于確定流量。所述方法還可以包括以 下步驟測(cè)量例如測(cè)量位置中的一個(gè)位置處的但是優(yōu)選地在包括垂直間隔開(kāi)的測(cè)量位置的 橫截面上的流動(dòng)的溫度。溫度也可以用于確定流量。所述方法還可以包括以下步驟測(cè)量導(dǎo)管內(nèi)的在垂直間隔開(kāi)的測(cè)量位置的上游或 下游被間隔開(kāi)的另外兩個(gè)垂直間隔開(kāi)的測(cè)量位置(例如，在導(dǎo)管的面對(duì)的上壁部分與下壁 部分處)之間的第三壓差，在所述垂直間隔開(kāi)的測(cè)量位置處測(cè)量第一壓差。其中第一壓差、第二壓差和第三壓差用于確定所述流量。通常并且便利地，另外的 垂直間隔開(kāi)的測(cè)量位置可以位于還包括水平間隔開(kāi)的測(cè)量位置中的一個(gè)的導(dǎo)管橫截面上。 具體地，當(dāng)用于第一壓差的垂直間隔開(kāi)的測(cè)量位置在包括水平間隔開(kāi)的測(cè)量位置中的一個(gè) 的導(dǎo)管橫截面上時(shí)，用于第三壓差的另外的垂直間隔開(kāi)的測(cè)量位置可以位于包括另一個(gè)水 平間隔開(kāi)的測(cè)量位置的導(dǎo)管橫截面上。在這種情況下，所述另一個(gè)水平間隔開(kāi)的測(cè)量位置 可以與另外的垂直間隔開(kāi)的測(cè)量位置重合。與第一壓差相同實(shí)際上是混合物密度或?qū)Ч軆蓚?cè)的重力壓力頭的測(cè)量值的第三 壓差可以用于當(dāng)確定流量時(shí)補(bǔ)償混合物的流動(dòng)的滑移。為了補(bǔ)償流動(dòng)的不規(guī)則性并且減少測(cè)量值中的噪點(diǎn)的影響，測(cè)量的壓差(一個(gè)或 多個(gè))可以是均時(shí)壓差(一個(gè)或多個(gè))。所述方法還可以包括以下步驟測(cè)量導(dǎo)管的包括另外的垂直間隔開(kāi)的測(cè)量位置的 橫截面上并且優(yōu)選地在另外的垂直間隔開(kāi)的測(cè)量位置中的一個(gè)位置處的流動(dòng)的絕對(duì)壓力， 其中此絕對(duì)壓力還用于確定流量。所述方法還可以包括以下步驟測(cè)量所述導(dǎo)管的包括另 外的垂直間隔開(kāi)的測(cè)量位置的橫截面上并且優(yōu)選地在另外的垂直間隔開(kāi)的測(cè)量位置中的 一個(gè)位置處的流動(dòng)的溫度，其中，此溫度還用于確定流量。混合物的液體可以包括油和/或水。氣體可以包括天然氣。因此，氣-液流體混 合物可以是天然氣、凝析液和任選水的混合物。本發(fā)明的第二方面提供一種用于提供可在確定流體的密度時(shí)使用的測(cè)量值的設(shè) 備，所述設(shè)備包括流體(例如，氣-液流體混合物)可以流動(dòng)通過(guò)的導(dǎo)管，所述導(dǎo)管大致水平延伸； 和壓力計(jì)，所述壓力計(jì)用于測(cè)量導(dǎo)管內(nèi)的兩個(gè)垂直間隔開(kāi)的測(cè)量位置(例如，在導(dǎo) 管的面對(duì)的上壁部分和下壁部分處)之間的壓差；其中，壓差可用于確定流體的密度。更具體地，本發(fā)明的第二方面提供一種用于提供可在確定氣_液流體混合物的流 量中使用的測(cè)量值的設(shè)備，所述設(shè)備包括氣-液流體混合物可以流動(dòng)通過(guò)的導(dǎo)管，所述導(dǎo)管大致水平延伸，并且具有收縮 區(qū)，所述收縮區(qū)具有減小的導(dǎo)管橫截面；第一壓力計(jì)，所述第一壓力計(jì)用于測(cè)量導(dǎo)管內(nèi)的兩個(gè)垂直間隔開(kāi)的測(cè)量位置之間 的第一壓差；和
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第二壓力計(jì)，所述第二壓力計(jì)用于測(cè)量導(dǎo)管內(nèi)的兩個(gè)水平間隔開(kāi)的測(cè)量位置之間 的第二壓差，第一水平間隔開(kāi)的測(cè)量位置在收縮區(qū)處，而第二水平間隔開(kāi)的測(cè)量位置在收 縮區(qū)的上游或下游；其中第一壓差和第二壓差可用于確定氣_液流體混合物的流量(例如，氣體流量 和/或液體流量)。因此，用于提供可在確定流量時(shí)使用的測(cè)量值的方法的第一壓力計(jì)與用 于提供可在確定流體的密度時(shí)使用的測(cè)量值的更一般方法的壓力計(jì)相對(duì)應(yīng)。垂直間隔開(kāi)的 測(cè)量位置可以在還包括水平間隔開(kāi)的測(cè)量位置中的一個(gè)的導(dǎo)管橫截面上。在這種情況下， 所述水平間隔開(kāi)的測(cè)量位置可以與垂直間隔開(kāi)的測(cè)量位置中的一個(gè)重合。因此，所述設(shè)備可以在第一方面的方法的性能中使用。第一方面的任選特征因此 可以應(yīng)用于第二方面。例如，所述設(shè)備還可以包括調(diào)節(jié)元件，所述調(diào)節(jié)元件調(diào)節(jié)流體混合物以在測(cè)量位 置處顯現(xiàn)預(yù)定流動(dòng)類型。調(diào)節(jié)元件可以是用于誘導(dǎo)混合物以在測(cè)量位置處顯現(xiàn)漩渦流的漩 渦元件。漩渦元件可以包括沿著導(dǎo)管在流體流動(dòng)的方向上延伸的一個(gè)或多個(gè)螺旋形構(gòu)件。第二水平間隔開(kāi)的測(cè)量位置可以在收縮區(qū)的上游。收縮區(qū)由文丘里管提供。收縮區(qū)可以是文丘里管的喉管。第二水平間隔開(kāi)的測(cè)量 位置可以位于到文丘里管的入口處。所述設(shè)備還可以包括用于測(cè)量例如測(cè)量位置中的一個(gè)位置處但是優(yōu)選地在導(dǎo)管 的包括垂直間隔開(kāi)的測(cè)量位置的橫截面上的流動(dòng)的絕對(duì)壓力的裝置(便利地，此裝置本身 可以裝入壓力計(jì)中)。所述設(shè)備還可以包括用于測(cè)量例如測(cè)量位置中的一個(gè)位置處但是優(yōu) 選地在導(dǎo)管的包括垂直間隔開(kāi)的測(cè)量位置的橫截面上的流動(dòng)的溫度的裝置。所述設(shè)備還可以包括第三壓力計(jì)，所述第三壓力計(jì)用于測(cè)量導(dǎo)管內(nèi)的在垂直間隔 開(kāi)的測(cè)量位置的上游或下游被間隔開(kāi)的另外兩個(gè)垂直間隔開(kāi)的測(cè)量位置之間(例如，在導(dǎo) 管的面對(duì)的上壁部分和下壁部分處)的第三壓差，在所述垂直間隔開(kāi)的測(cè)量位置處測(cè)量第 一壓差。另外的垂直間隔開(kāi)的測(cè)量位置可以位于還包括水平間隔開(kāi)的測(cè)量位置中的一個(gè)的 導(dǎo)管橫截面上。具體地，當(dāng)用于第一壓差的垂直間隔開(kāi)的測(cè)量位置位于包括水平間隔開(kāi)的 測(cè)量位置中的一個(gè)的導(dǎo)管橫截面上時(shí)，用于第三壓差的另外的垂直間隔開(kāi)的測(cè)量位置可以 位于包括另一個(gè)水平間隔開(kāi)的測(cè)量位置的導(dǎo)管橫截面上。在這種情況下，所述另一個(gè)水平 間隔開(kāi)的測(cè)量位置可以與所述另外的垂直間隔開(kāi)的測(cè)量位置中的一個(gè)測(cè)量位置重合。壓力計(jì)(一個(gè)或多個(gè))可以測(cè)量時(shí)均壓差。所述設(shè)備還可以包括用于測(cè)量在導(dǎo)管的包括另外的垂直間隔開(kāi)的測(cè)量位置的橫 向橫截面上并且優(yōu)選地在另外的垂直間隔開(kāi)的測(cè)量位置中的一個(gè)位置處的流動(dòng)的絕對(duì)壓 力的裝置(便利地，此裝置本身可以裝入第三壓力計(jì)中)。所述設(shè)備還可以包括用于測(cè)量在 導(dǎo)管的包括另外的垂直間隔開(kāi)的測(cè)量位置的橫截面上并且優(yōu)選地在另外的垂直間隔開(kāi)的 測(cè)量位置中的一個(gè)位置處的流動(dòng)的溫度的裝置。本發(fā)明的第三方面提供一種儀表(例如，比重計(jì)或滯留量計(jì))，所述儀表包括第二 方面的用于提供可在確定流體的密度時(shí)使用的測(cè)量值的設(shè)備、和處理器，所述處理器被布 置成用于使用由所述設(shè)備的壓力計(jì)測(cè)量的壓差確定流體的密度。更具體地，本發(fā)明的第三方面提供一種流量計(jì)，所述流量計(jì)包括第二方面的用于 提供在確定氣-液流體混合物的流量時(shí)可使用的測(cè)量值的設(shè)備、和處理器，所述處理器被
8布置成用于使用由所述設(shè)備的壓力計(jì)測(cè)量的壓差(并且任選使用所述或每一個(gè)測(cè)量的絕 對(duì)壓力和/或所述每一個(gè)測(cè)量的溫度)確定氣_液流體混合物的流量。處理器可以從通過(guò)壓力計(jì)(一個(gè)或多個(gè))測(cè)量的壓差的時(shí)序性計(jì)算相應(yīng)的時(shí)均壓 差(一個(gè)或多個(gè))，時(shí)均壓差(一個(gè)或多個(gè))然后用于確定密度或流量。本發(fā)明的又一個(gè)方面提供一種包括根據(jù)第二方面的設(shè)備或根據(jù)第三方面的儀表 的油井管道或氣井管道。本發(fā)明的又一個(gè)方面提供一種當(dāng)輸送氣_液流體混合物時(shí)根據(jù)第二方面的設(shè)備、 或當(dāng)輸送氣_液流體混合物時(shí)根據(jù)第三方面的儀表。本發(fā)明的另一方面提供一段導(dǎo)管，所述一段導(dǎo)管具有導(dǎo)管壁并且具有上下流體通 道，所述流體通道每一個(gè)都穿過(guò)壁；其中每一個(gè)流體通道在壁的內(nèi)表面上的內(nèi)開(kāi)口與壁的 外表面的外開(kāi)口之間延伸，并且通道被布置成使得當(dāng)在上通道的內(nèi)開(kāi)口正好在下通道的 內(nèi)開(kāi)口上方的情況下沿所述一段導(dǎo)管沿著所述一段導(dǎo)管的軸向方向看時(shí)，通道在其相應(yīng)的 內(nèi)開(kāi)口與外開(kāi)口之間大致水平延伸。因此，所述一段導(dǎo)管可以是第一或第二方面的導(dǎo)管的一部分，流體通道的內(nèi)開(kāi)口 提供垂直間隔開(kāi)的測(cè)量位置或另外的垂直間隔開(kāi)的位置，在所述垂直間隔開(kāi)的測(cè)量位置處 測(cè)量第一壓差，在所述另外的垂直間隔開(kāi)的測(cè)量位置處測(cè)量第三壓差。在使用中，所述一段導(dǎo)管將被布置成使得上通道的內(nèi)開(kāi)口在下通道的內(nèi)開(kāi)口的豎 直上方。因?yàn)橥ǖ罆?huì)在其相應(yīng)的內(nèi)開(kāi)口與外開(kāi)口之間的管道段的壁的兩側(cè)大致水平延伸， 因此可以避免在通道的內(nèi)開(kāi)口上方和下通道的內(nèi)開(kāi)口下方不必要的流體柱。這又可以提高 連接到流體通道的外開(kāi)口的壓力計(jì)對(duì)內(nèi)開(kāi)口之間的重力壓力頭的變化的靈敏度。通常，所述一段導(dǎo)管具有圓形橫截面。優(yōu)選地，流體通道的內(nèi)開(kāi)口在所述一段導(dǎo)管 的同一橫截面上。優(yōu)選地，內(nèi)開(kāi)口在所述壁的面對(duì)部分處(即，在具有圓形橫向橫截面的一 段導(dǎo)管上，內(nèi)開(kāi)口優(yōu)選地在沿直徑方向相對(duì)的位置處)。通常，通道沿垂直于所述一段導(dǎo)管 的軸向方向的方向水平延伸。管道段還可以具有連接在流體通道的外開(kāi)口兩端的用于測(cè)量?jī)?nèi)開(kāi)口之間的壓差 的壓力計(jì)。雖然在使用中通道在導(dǎo)管壁的兩側(cè)大致水平延伸，但是每一個(gè)通道可以初始從其 內(nèi)開(kāi)口沿垂直于內(nèi)開(kāi)口所在的壁的內(nèi)表面的部分的方向延伸。通常，這產(chǎn)生非橫向或者甚 至是垂直的一段短通道。當(dāng)所述一段導(dǎo)管輸送氣_液流體混合物的漩渦流時(shí)，壁處的液體 具有大致圓周速度分量。然而，由于具有從內(nèi)開(kāi)口在垂直于壁的內(nèi)表面的方向初始延伸的 通道，因此可防止此速度分量迫使來(lái)自漩渦流的液體直接進(jìn)入通道內(nèi)。


以下以示例的方式參照

本發(fā)明，其中圖1示意性地顯示通過(guò)用于提供可在確定氣-液流體混合物的流量時(shí)使用的測(cè)量 值的設(shè)備的第一實(shí)施例的縱向截面；圖2示意性地顯示用于圖1的截面的氣體和液體分布；圖3示意性地顯示通過(guò)用于提供可在確定氣_液流體混合物的流量時(shí)使用的測(cè)量 值的設(shè)備的第二實(shí)施例的縱向截面；
圖4是氣體體積分?jǐn)?shù)(fraction)與氣體滯留量的圖；圖5是圖1或圖3在用于AP1的測(cè)量位置處的導(dǎo)管的示意性橫截面；和圖6顯示通過(guò)圖1或圖3的設(shè)備的示意性橫截面。
具體實(shí)施例方式圖1示意性地顯示通過(guò)用于提供可在確定氣-液流體混合物的流量時(shí)使用的測(cè)量 值的設(shè)備的第一實(shí)施例的縱向截面。所述設(shè)備包括圓形橫截面的大致橫向?qū)Ч?。導(dǎo)管具有文丘里管2、提供導(dǎo)管內(nèi)的 收縮區(qū)的文丘里管的喉管3。氣-液流體混合物沿箭頭4所示的方向流動(dòng)通過(guò)導(dǎo)管。漩渦元件(未示出)誘導(dǎo) 混合物顯現(xiàn)如箭頭5所示的漩渦流。此漩渦流的作用在于將來(lái)自混合物的液體移動(dòng)到導(dǎo)管 壁，以形成繞氣體芯的液體環(huán)，如圖2中示意性地所示。在文丘里管的喉管中，離心加速度 增加液體到導(dǎo)管的壁的移動(dòng)?；氐綀D1，在文丘里管喉管的橫截面處，第一壓力計(jì)7測(cè)量喉管的上壁部分與下壁 部分上的面對(duì)測(cè)量位置之間的壓差A(yù)Pltj第二壓力計(jì)6測(cè)量文丘里管的喉管的用于AP1的 橫截面處的測(cè)量位置與導(dǎo)管內(nèi)的到文丘里管的入口處的測(cè)量位置之間的差壓ΔΡ2。導(dǎo)管的 在包括用于Δ P2的上游測(cè)量位置的文丘里管入口橫截面處的直徑為D，而文丘里管喉管的
直徑為d。
假設(shè)在液相與氣相之間沒(méi)有滑移，以下分析允許計(jì)算氣體流量和液體流量。
注意q =體積流量
α =滯留量
GVF =氣體體積分?jǐn)?shù)
P =密度
P =壓力
ΔΡ=壓差
ν =速度
下標(biāo)
T=總的
L =液體
G=氣體
M=混合物
H =均質(zhì)的
上標(biāo)
t=喉管
i =入口
導(dǎo)管內(nèi)的總體積流量由文丘里方程給出 q = Jc pEL
7 V Pm
10
其中，k是常數(shù)通過(guò)Vx 系統(tǒng)得到的經(jīng)驗(yàn)表明在上述方程中使用文丘里管的喉管處的混合物密 度Pj可提供更精確的結(jié)果?？梢杂煽邕^(guò)喉管的壓差ΔΡ產(chǎn)獲得此密度。例如，對(duì)于通過(guò)圓形橫截面的導(dǎo)管的漩渦流來(lái)說(shuō)可以顯示的是(見(jiàn)附錄)AP1 = pjdg其中，g是重力加速度。因此，文丘里方程可以被改寫(xiě)為qj = k I -
VP^fiAP1, d》液體密度和氣體密度P L和P e通常在管線條件(line condition)下是已知的或 者可以被估計(jì)。例如，在天然氣和凝析液的混合物的典型管線條件下，P ^實(shí)際上是常數(shù)，而 Pc以已知的方式(即，根據(jù)理想氣體定律)隨壓力和溫度變化。如果導(dǎo)管中的壓力和/或溫度不是已知的，則可以通過(guò)適當(dāng)?shù)难b置測(cè)量所述壓力 和/或溫度。壓力計(jì)7裝入用于測(cè)量導(dǎo)管內(nèi)的喉管處的絕對(duì)壓力可以提供另一個(gè)裝置 (未示出)用于測(cè)量在所述位置處的溫度。在沒(méi)有滑移的假設(shè)下，液體密度和氣體密度允許由以下公式確定氣體滯留量α G Pm = aGpG+(l-aG) Pl其中上述公式可以被重新變換為
pL - pMaG ~ ---
Pl 一 pg藉此《=qM
_5] ql ^ ql - ql因此，喉管內(nèi)的氣體和液體的體積流量可以由喉管內(nèi)已知的液體密度和氣體密 度、以及測(cè)量值A(chǔ)P1和ΔΡ2計(jì)算。顯然，這些體積流量可以被轉(zhuǎn)換成導(dǎo)管內(nèi)的其它位置處 的質(zhì)量流量、或者被轉(zhuǎn)換成體積流量(例如，應(yīng)用理想氣體定律，但是忽略非常小的溫度效 應(yīng)，Qci可以由公式沁=《(產(chǎn)/(尸‘+閑))計(jì)算)?？梢詫?duì)除了漩渦流之外的流動(dòng)類型執(zhí)行類似的分析，但是在這種分析中，文丘里 方程中的常數(shù)k和與混合物密度的有關(guān)的AP1的表達(dá)式可以不同。圖3示意性地顯示通過(guò)用于提供可在確定氣_液流體混合物的流量時(shí)使用的測(cè)量 值的設(shè)備的第二實(shí)施例的縱向截面。所述設(shè)備類似于第一實(shí)施例的設(shè)備，并且對(duì)于兩個(gè)實(shí) 施例的公共特征來(lái)說(shuō)，在圖1和圖3中使用相同的附圖標(biāo)記。然而，第二實(shí)施例與第一實(shí)施 例的不同在于在包括用于ΔΡ2的上游測(cè)量位置的入口橫截面上，第三壓力計(jì)8測(cè)量導(dǎo)管 的上壁部分和下壁部分上的面對(duì)位置之間的壓差δρ3。以下分析允許通過(guò)額外的壓差Δ P3計(jì)算氣體流量和液體流量，從而能夠說(shuō)明氣相 與液相之間的滑移。如先前的分析中所述，假設(shè)P^是已知的常數(shù)，并且Pe以已知的方式 隨壓力和溫度變化。
即，

定律
壓差A(yù)P1*八&與在分別到文丘里管和喉管的入口處的流體混合物的密度有關(guān)，
因此，如先前的分析所述，文丘里方程可以被改寫(xiě)為
此外，可以由以下方程確定到文丘里管和喉管的入口處的相應(yīng)的氣體滯留量
方程2)
藉此，從入口到文丘里管的喉管的氣體滯留的變化可以被計(jì)算為 Δαβ，(4 _ 咗(方程 3)
接下來(lái)，對(duì)從入口到文丘里的喉管的GVF的變化尋求表達(dá)式。首先，應(yīng)用理想氣體
因?yàn)榈湫偷慕^對(duì)溫度的變化較小，因此TVTi相接近于一并且可以忽略不計(jì)。便利 地，壓力計(jì)7、8裝入用于測(cè)量以及AP1*裝置。因此，從入口到文丘里的喉
管的氣體流速的變化可以被表示為 現(xiàn)在GVF = QeAqt^qL)，藉此，在合理的假設(shè)下，所述qL是不變量 AGVFQj
因此
滑移可以由GVF與CIe之間的關(guān)系被表示為 QV 總之，雖然當(dāng)具有單相流時(shí)，GVF= Qg= 1或GVF =Qg = 0，但是在有滑移的情 況下，GVF > aGO因此，如圖4中所示，滑移定律可以被近似為表示從沒(méi)有滑移的情況(即， GVF = aG)偏移的兩條直線A禾口 B。
AGVF /,GVF = —- (0￡g 一 1) + 1應(yīng)用此滑移定律，然后可以以迭代的方式確定GVF，并由此計(jì)算氣體流量和液體流 量。迭代的步驟如下1)由方程(1)確定q/2)由方程(2)確定a 3)由方程(3)確定Δ Cic4)假設(shè)沒(méi)有滑移，設(shè)6TF'= <ζ—=gvfWtq,.=q'T-q'G6)由方程(4)確定AGVF
AGVF7)計(jì)算^
AGVFXGVF ,8)如果，則重設(shè)^^7"(滑移定律，直線Α)
Aac
AGVF ΛAGVF ^ ,,、，而如果^<1，則重設(shè)GW =^(a'G-l) + l (滑移定律，直線B)
Aa0Aaa9)迭代5) -8)直到GVFt已經(jīng)收斂W)q'G=GVF'q'rqL=q'T-q'G再次，體積流量可以被轉(zhuǎn)換成在導(dǎo)管內(nèi)其它位置處的質(zhì)量流量或體積流量?？梢酝ㄟ^(guò)適當(dāng)布置的處理器(圖1和圖3中未示出)執(zhí)行相對(duì)于第一實(shí)施例和第 二實(shí)施例的上述分析，所述處理器接收來(lái)自相應(yīng)設(shè)備的壓力計(jì)的壓差測(cè)量值(并且任選地 接收絕對(duì)壓力測(cè)量值和溫度測(cè)量值)。然后，可以傳輸、存儲(chǔ)和/或顯示由分析產(chǎn)生的流量 計(jì)算。因?yàn)殇鰷u流可能不穩(wěn)定，并且為了降低壓差測(cè)量值中的噪點(diǎn)的影響，對(duì)于分析來(lái)說(shuō)有 利的是對(duì)時(shí)均壓差測(cè)量值執(zhí)行分析。雖然壓差A(yù)P1和ΔΡ3通常會(huì)比較小，但是可以以足夠精確度測(cè)量差。例如，將近 似值d = 0. Im和g = IOms-2放入到表達(dá)式=此命中，并且對(duì)于< =IOOOkgnT3假設(shè)最 大值，對(duì)于AP1 = IOOOPa給出近似上限值。Honeywell的ST 3000系歹Ij 100壓差計(jì)STD120
對(duì)于直線A來(lái)說(shuō) AGVF ,
—-^ 1，并且當(dāng) α c = 0 時(shí) GVF = 0
^aG
_AGVF
=> GVF = -Oi5
Δα0
而對(duì)于直線B來(lái)說(shuō) AGVF ,
—< 1，并且當(dāng) α e = 1 時(shí) GVF = 1
^aG
13型是可以用于測(cè)量AP1* ΔΡ3的傳統(tǒng)的壓力計(jì)的示例。此壓力計(jì)應(yīng)該具有在0-1000的范 圍內(nèi)大約士 IPa的足夠精度。事實(shí)上，因?yàn)槲那鹄锓匠?上述方程(1))中的Δ P1相表現(xiàn)為平方根，因此可減少 AP1測(cè)量值的誤差對(duì)所計(jì)算的流量的影響。還可以采取預(yù)防措施以提高AP1*八&測(cè)量值的精度。例如，如圖5中所示，其 中圖5是圖1或圖3的在用于AP1的測(cè)量位置處的導(dǎo)管的示意性橫截面，連接到壓力計(jì)7 的流體填充通道9、10大致水平延伸通過(guò)導(dǎo)管的壁11。通過(guò)避免通道在面對(duì)的上壁部分和 下壁部分處朝向?qū)Ч荛_(kāi)口的位置的上方和下方的流體柱，壓力計(jì)對(duì)通道開(kāi)口之間的重力壓 力頭的變化的靈敏度提高了。然而，通道具有臨近朝向?qū)Ч軆?nèi)的開(kāi)口的短縱向段12、13。這 些短段有助于防止來(lái)自漩渦流5的液體由于流動(dòng)的圓周速度分量而被迫進(jìn)入通道內(nèi)。優(yōu)選 地，壓力計(jì)7通過(guò)通道9、10內(nèi)的隔離波紋管14、15與導(dǎo)管流體隔離?？捎衫鏗oneywell 的ST3000 系列100獲得適當(dāng)?shù)牟y管。雖然已經(jīng)結(jié)合上述示例性實(shí)施例說(shuō)明了本本發(fā)明，但是當(dāng)給出此公開(kāi)時(shí)多種等效 修改和變化對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員是顯而易見(jiàn)的。因此，以上所述的本發(fā)明的示例性實(shí)施例 被認(rèn)為是說(shuō)明性的而不是限制性的。在不背離本發(fā)明的保護(hù)范圍的情況下可以對(duì)所述實(shí)施 例做各種改變。
1權(quán)利要求
一種用于測(cè)量氣 液流體混合物的流量的方法，包括以下步驟提供所述氣 液流體混合物流動(dòng)通過(guò)的導(dǎo)管，所述導(dǎo)管大致水平延伸，并且具有收縮區(qū)，所述收縮區(qū)具有減小的導(dǎo)管橫截面；調(diào)節(jié)所述氣 液流體混合物以在所述導(dǎo)管內(nèi)顯現(xiàn)漩渦流，其中所述漩渦流分離液體與氣體；測(cè)量所述導(dǎo)管內(nèi)的兩個(gè)垂直間隔開(kāi)的測(cè)量位置之間的第一壓差；測(cè)量所述導(dǎo)管內(nèi)的兩個(gè)水平間隔開(kāi)的測(cè)量位置之間的第二壓差，第一水平間隔開(kāi)的測(cè)量位置在所述收縮區(qū)處，而第二水平間隔開(kāi)的測(cè)量位置在所述收縮區(qū)的上游或下游；以及使用所述第一壓差和所述第二壓差以確定所述氣 液流體混合物的流量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述第二水平間隔開(kāi)的測(cè)量位置在所述收縮區(qū) 的上游。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述收縮區(qū)由文丘里管提供。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，所述收縮區(qū)是所述文丘里管的喉管。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，所述第二水平間隔開(kāi)的測(cè)量位置位于到所述文 丘里管的入口處。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括以下步驟測(cè)量所述導(dǎo)管內(nèi)的在所述垂直間隔 開(kāi)的測(cè)量位置的上游或下游被間隔開(kāi)的另外兩個(gè)垂直間隔開(kāi)的測(cè)量位置之間的第三壓差， 在所述垂直間隔開(kāi)的測(cè)量位置的上游或下游測(cè)量所述第一壓差，其中，所述第一壓差、所述第二壓差和所述第三壓差用于確定所述流量。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述流體混合物包括天然氣和凝析液。
8.一種用于提供在確定流體的密度時(shí)能夠使用的測(cè)量值的設(shè)備，其中，所述流體包括 氣_液流體混合物，所述設(shè)備包括導(dǎo)管，所述流體能夠流動(dòng)通過(guò)所述導(dǎo)管，所述導(dǎo)管大致水平延伸；第一壓力計(jì)，所述第一壓力計(jì)用于測(cè)量所述導(dǎo)管內(nèi)的兩個(gè)垂直間隔開(kāi)的測(cè)量位置之間 的壓差；和漩渦元件，所述漩渦元件用于誘導(dǎo)所述流體以在所述垂直間隔開(kāi)的測(cè)量位置處顯現(xiàn)漩 渦流，其中，由所述第一壓力計(jì)測(cè)量的所述壓差能夠用于確定所述流體的密度。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的設(shè)備，還包括在所述導(dǎo)管內(nèi)的收縮區(qū)，所述收縮區(qū)具有減小的導(dǎo)管橫截面；第二壓力計(jì)，所述第二壓力計(jì)用于測(cè)量所述導(dǎo)管內(nèi)的兩個(gè)水平間隔開(kāi)的測(cè)量位置之間 的第二壓差，第一水平間隔開(kāi)的測(cè)量位置在所述收縮區(qū)處，而第二水平間隔開(kāi)的測(cè)量位置 在所述收縮區(qū)的上游或下游；和處理器，其中所述處理器由來(lái)自所述第一壓力計(jì)和所述第二壓力計(jì)的測(cè)量值處理所述 流體混合物的流量。
10.一種用于提供在確定氣-液流體混合物的流量時(shí)能夠使用的測(cè)量值的設(shè)備，所述 設(shè)備包括導(dǎo)管，所述氣_液流體混合物能夠流動(dòng)通過(guò)所述導(dǎo)管，所述導(dǎo)管大致水平延伸并且具 有收縮區(qū)，所述收縮區(qū)具有減小的導(dǎo)管橫截面；第一壓力計(jì)，所述第一壓力計(jì)用于測(cè)量所述導(dǎo)管內(nèi)的兩個(gè)第一垂直間隔開(kāi)的測(cè)量位置 之間的第一壓差；第二壓力計(jì)，所述第二壓力計(jì)用于測(cè)量所述導(dǎo)管內(nèi)的兩個(gè)第二水平間隔開(kāi)的測(cè)量位置 之間的第二壓差，第一水平間隔開(kāi)的測(cè)量位置在所述收縮區(qū)處，而第二水平間隔開(kāi)的測(cè)量 位置在所述收縮區(qū)的上游或下游；和漩渦元件，所述漩渦元件用于誘導(dǎo)所述流體混合物以在所述垂直間隔開(kāi)的測(cè)量位置和 所述水平間隔開(kāi)的測(cè)量位置處顯現(xiàn)漩渦流，其中，所述第一壓差和所述第二壓差能夠用于 確定所述氣_液流體混合物的流量。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其中，所述第二水平間隔開(kāi)的測(cè)量位置在所述收縮 區(qū)的上游。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其中，所述收縮區(qū)由文丘里管提供。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的設(shè)備，其中所述收縮區(qū)是所述文丘里管的喉管。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的設(shè)備，其中，所述第二水平間隔開(kāi)的測(cè)量位置位于到所述 文丘里管的入口處。
15.根據(jù)權(quán)利要求10所述的設(shè)備，還包括第三壓力計(jì)，所述第三壓力計(jì)用于測(cè)量所述 導(dǎo)管內(nèi)的在所述垂直間隔開(kāi)的測(cè)量位置的上游或下游被間隔開(kāi)的另外兩個(gè)垂直間隔開(kāi)的 測(cè)量位置之間的第三壓差，在所述垂直間隔開(kāi)的測(cè)量位置的上游或下游測(cè)量所述第一壓 差，
16.一種包括處理器和根據(jù)權(quán)利要求10所述的設(shè)備的儀表，所述處理器被布置成使用 由所述設(shè)備的壓力計(jì)測(cè)量的壓差確定流體的密度。
17.—種包括處理器和根據(jù)權(quán)利要求10所述的設(shè)備的流量計(jì)，所述處理器被布置成使 用由所述設(shè)備的壓力計(jì)測(cè)量的壓差確定所述氣_液流體混合物的流量。
18.—種包括根據(jù)權(quán)利要求10所述的設(shè)備的油井管道或氣井管道。
19.一種包括根據(jù)權(quán)利要求17所述的儀表的油井管道或氣井管道。
20.一種用于提供在確定氣_液流體混合物的流量時(shí)能夠使用的測(cè)量值的設(shè)備，所述 設(shè)備包括一段導(dǎo)管，其中所述一段導(dǎo)管包括收縮區(qū)，所述收縮區(qū)具有減小的導(dǎo)管橫截面，并且其 中所述一段導(dǎo)管包括導(dǎo)管壁；上流體通道，所述上流體通道穿過(guò)所述導(dǎo)管壁；下流體通道，所述下流體通道穿過(guò)所述導(dǎo)管壁，其中所述上流體通道和所述下流體通 道中的每一個(gè)都在所述導(dǎo)管壁的內(nèi)表面上的內(nèi)開(kāi)口與所述導(dǎo)管壁的外表面的外開(kāi)口之間 延伸，其中每一個(gè)流體通道初始從其內(nèi)開(kāi)口沿垂直于所述導(dǎo)管壁的內(nèi)表面的所述內(nèi)開(kāi)口所 位于的部分的方向延伸，并且其中所述上流體通道和所述下流體通道被布置成使得當(dāng)在 所述上流體通道的開(kāi)口正好在所述下流體通道的開(kāi)口上方的情況下沿著所述一段導(dǎo)管的 軸向方向觀看所述一段導(dǎo)管時(shí)，所述上流體通道和所述下流體通在其各自的內(nèi)開(kāi)口與外開(kāi) 口之間大致水平延伸；第一壓力計(jì)，所述第一壓力計(jì)連接在所述流體通道的所述外開(kāi)口的兩端，用于測(cè)量所 述內(nèi)開(kāi)口之間的壓差；和第二壓力計(jì)，所述第二壓力計(jì)被構(gòu)造成用于測(cè)量所述導(dǎo)管內(nèi)的兩個(gè)水平間隔開(kāi)的測(cè)量位置之間的壓差，第一水平間隔開(kāi)的測(cè)量位置在所述收縮區(qū)處，而第二水平間隔開(kāi)的測(cè)量 位置在所述收縮區(qū)的上游或下游。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種用于測(cè)量氣-液流體混合物的密度和流量的系統(tǒng)和方法。在所述系統(tǒng)和方法中，當(dāng)流體混合物流動(dòng)通過(guò)包括收縮區(qū)(3)的導(dǎo)管(1)時(shí)，使流體混合物顯現(xiàn)漩渦，測(cè)量導(dǎo)管內(nèi)的兩個(gè)垂直間隔開(kāi)的測(cè)量位置之間的壓差(ΔP1)，測(cè)量導(dǎo)管內(nèi)的兩個(gè)水平間隔開(kāi)的測(cè)量位置之間的壓差(ΔP2)，且第一水平間隔開(kāi)的測(cè)量位置在收縮區(qū)處，而第二水平間隔開(kāi)的測(cè)量位置在收縮區(qū)的上游或下游，并且使用第一壓差和第二壓差確定氣-液流體混合物的密度或流量。
文檔編號(hào)G01F1/44GK101903750SQ200880114364
公開(kāi)日2010年12月1日 申請(qǐng)日期2008年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月3日
發(fā)明者伊恩·阿特金森, 約翰·舍伍德 申請(qǐng)人:普拉德研究及開(kāi)發(fā)股份有限公司