專(zhuān)利名稱(chēng)：濕氣流測(cè)量和氣體性質(zhì)測(cè)量的方法和裝置的制作方法
濕氣流測(cè)量和氣體性質(zhì)測(cè)量的方法和裝置本發(fā)明涉及測(cè)量主要含有氣體的多相流體的單個(gè)組分以及氣相的物理性質(zhì)的方法和裝置，如權(quán)利要求1和22的前序部分中分別定義的。自二十世紀(jì)八十年代初期，如何計(jì)量油水氣混合物就已經(jīng)成為石油工業(yè)感興趣的問(wèn)題。其后，進(jìn)行了大量的研究來(lái)開(kāi)發(fā)適合在工業(yè)環(huán)境中使用的三相流量計(jì)。油氣工業(yè)中的多相流通常定義為其中游離氣體(也表示為GVF)的量低于管體積的90-95%的液體和氣體的混合物。對(duì)于95% -99. 99%范圍內(nèi)的GVF，多相流經(jīng)常被稱(chēng)為濕氣，其中液體部分是水和冷凝物(輕油)。但是，典型的濕氣井具有高于97%的GVF，并且最常見(jiàn)的是GVF在99. 5-99. 9%范圍內(nèi)。存在若干技術(shù)和已知的儀器來(lái)測(cè)量多相氣體和濕氣，如下面將進(jìn)一步進(jìn)行描述的。這樣的儀器必須是適度精確的(對(duì)于每一相來(lái)說(shuō)，通常優(yōu)于速度的士5% )、無(wú)干擾的、 可靠的、流型獨(dú)立的且在全組分分?jǐn)?shù)范圍內(nèi)提供準(zhǔn)確的測(cè)量。盡管近年來(lái)已提出大量解決方案，但是仍沒(méi)有任何商業(yè)上可利用的三相濕氣流量計(jì)滿足所有的這些要求。除了嚴(yán)格的測(cè)量要求之外，儀器還需要在苛刻和腐蝕性環(huán)境中諸如海平面下數(shù)千米表現(xiàn)可靠。在管內(nèi)部，流動(dòng)的多相流體可在超過(guò)1000巴的壓力且高于200°C的溫度下以l-50m/s的速度行進(jìn)。 還經(jīng)常存在沙，而沙能夠損壞儀器的內(nèi)部。濕氣流量計(jì)越來(lái)越多地用于井測(cè)試和分配測(cè)量(allocation measurement) 0為了使油/氣田的生產(chǎn)和壽命達(dá)到最佳，經(jīng)營(yíng)者需要能夠定期監(jiān)測(cè)油氣田中每一口井的產(chǎn)量。這樣做的常規(guī)方式是使用計(jì)量分離器。計(jì)量分離器昂貴，占用生產(chǎn)平臺(tái)上寶貴的空間，且由于需要穩(wěn)定的流動(dòng)條件而需要長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)每一口井。此外，計(jì)量分離器僅是中等精確的(一般為每相流速的士5-10%)，并且無(wú)法用于連續(xù)監(jiān)測(cè)井?？梢允紫仁褂脻駳饬髁坑?jì)代替計(jì)量分離器，并且長(zhǎng)期作為每一口井的永久性裝置。這樣的布置將節(jié)省一般與井測(cè)試有關(guān)的生產(chǎn)損耗。對(duì)于典型的離岸安裝，這樣的損耗估計(jì)為大約2%。當(dāng)使用公共管線將不同公司擁有的許多井的產(chǎn)出輸送到處理廠時(shí)，需用分配計(jì)量。目前這是通過(guò)使每一口井的產(chǎn)出在進(jìn)入公共管線之前通過(guò)計(jì)量分離器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。然而，除了上述計(jì)量分離器的不利之處外，還需要通往每一口井的專(zhuān)用測(cè)試管線。永久安裝的濕氣流量計(jì)將對(duì)分配計(jì)量提供顯著的優(yōu)勢(shì)。濕氣流量計(jì)還需要對(duì)于配置參數(shù)的不確定性是穩(wěn)健的。市售的濕氣計(jì)的典型配置參數(shù)為濕氣中包含的所有流體的密度、電容率(介電常數(shù))、質(zhì)量吸收系數(shù)和粘度數(shù)據(jù)。對(duì)于其中液體和氣體的分離是基于濕氣的密度測(cè)量和已知的氣相和液相的密度值的濕氣流量計(jì)，測(cè)量的液體分?jǐn)?shù)(liquid fraction)(水和油)受氣體密度值的高度影響。實(shí)際上， 氣體的密度值決定了液體分?jǐn)?shù)測(cè)量的零點(diǎn)。在大多數(shù)實(shí)際生活的應(yīng)用中，氣體密度的不確定性可在2-7%的量級(jí)，并且由于油氣藏組成的變化而隨時(shí)間顯著改變。這可導(dǎo)致液體部分的顯著測(cè)量誤差，該誤差可容易地達(dá)到百分之幾百的量級(jí)。對(duì)于操作壓力為150巴的典型濕氣應(yīng)用來(lái)說(shuō)，測(cè)量的混合物(濕氣)密度可為112.7kg/m3。假定氣體密度為110kg/m3， 而冷凝物(油)密度為650kg/m3，則計(jì)算的GVF結(jié)果為99. 5%，即管中0. 5%的體積是液體。另一方面，如果氣體密度有5%誤差，以致真實(shí)的氣體密度為104. 5kg/m3而不是IlOkg/m3，則計(jì)算的GVF結(jié)果為98. 5%，這對(duì)應(yīng)于1. 5%的液體分?jǐn)?shù)。對(duì)于上面的實(shí)例，5%的氣體密度變化導(dǎo)致200%的液體分?jǐn)?shù)(和液體流速)的測(cè)量誤差。如果測(cè)量的混合物密度略低 (即111. 35kg/m3)，則基于110kg/m3的氣體密度計(jì)算的GVF結(jié)果為99. 75 %，對(duì)應(yīng)于0. 25 % 的液體分?jǐn)?shù)。同樣，如果氣體密度有5%誤差，以致真實(shí)的氣體密度為104. 5kg/m3而不是 110kg/m3，則計(jì)算的GVF結(jié)果為98. 75%，這對(duì)應(yīng)于1. 25%的液體分?jǐn)?shù)，造成了液體分?jǐn)?shù)的 400%測(cè)量誤差。因此，與氣體密度不確定性相關(guān)的液體部分的測(cè)量不確定性隨管中氣體分?jǐn)?shù)的增加而指數(shù)增加。測(cè)量的液體分?jǐn)?shù)的任何誤差都與濕氣計(jì)的計(jì)算的流速的對(duì)應(yīng)測(cè)量誤差直接相關(guān)， 因?yàn)榱魉偈峭ㄟ^(guò)將測(cè)量的分?jǐn)?shù)乘以管中流體的速度得到的。油氣藏中的地層水是典型的鹽水。在正常的情況下，井不應(yīng)產(chǎn)生任何地層水。事實(shí)上，除了嚴(yán)重的管線腐蝕之外，管線中的地層水還可導(dǎo)致水化物形成和結(jié)垢。如果油氣田經(jīng)營(yíng)者已知井中地層水和淡水的量(也稱(chēng)為總水分?jǐn)?shù))，則可將化學(xué)抑制劑注射到井內(nèi)液氣流(well stream)中以限制這些水造成的不利影響?？蛇x地，可改變井的生產(chǎn)率以使產(chǎn)生的地層水最少或減少產(chǎn)生的地層水或完全關(guān)閉井以節(jié)約管線基礎(chǔ)設(shè)施。測(cè)量遠(yuǎn)程操作的水下井的地層水和淡水含量尤其令人關(guān)注，這是因?yàn)檫@樣的設(shè)施中的管線成本是嚴(yán)重的。對(duì)于大多數(shù)水下設(shè)施來(lái)說(shuō)，將井合并成公共管線并將多相流體輸送到處理廠是常見(jiàn)的。這樣的處理廠可位于海底設(shè)施的數(shù)百公里之外，導(dǎo)致在海底有長(zhǎng)的多相輸送管。因此，若沒(méi)有濕氣流量計(jì)可能要花費(fèi)數(shù)月來(lái)檢測(cè)并確認(rèn)產(chǎn)生鹽水的井，濕氣流量計(jì)能夠?qū)Ξa(chǎn)生的水進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量。許多濕氣井具有97-99. 9%的氣體分?jǐn)?shù)(GVF)和在0，005_1 %的范圍內(nèi)的水分?jǐn)?shù)。 然而，還有以氣體中的蒸汽形式存在的水。對(duì)于變化的壓力和溫度，氣體中的一些水蒸氣可能被冷凝以形成液態(tài)水。管中蒸氣水的質(zhì)量可能是管中液態(tài)水的質(zhì)量的許多倍。此外，蒸氣水的介電常數(shù)明顯高于(3-4倍)相同質(zhì)量的液相水的介電常數(shù)。因此，含有蒸氣水的烴混合物的介電常數(shù)可能是含有相同質(zhì)量的液態(tài)水的烴混合物的介電常數(shù)的10-20倍。對(duì)于經(jīng)營(yíng)者來(lái)說(shuō)蒸氣水是不太重要的，因?yàn)槠洳皇桥c鹽水相同程度地影響管線的結(jié)垢、結(jié)蠟或腐蝕。然而，如上面所概述的，知道液態(tài)水分?jǐn)?shù)和液態(tài)水分?jǐn)?shù)的鹽含量是非常重要的，且因此蒸氣水增加了測(cè)量液態(tài)水分?jǐn)?shù)的難度，因?yàn)橐簯B(tài)水的量和蒸氣水的量之間的比還依賴于壓力和溫度。因此，與由于輸送管線中壓力降的改變所引起的流速或背壓的改變相關(guān)聯(lián)的壓力和溫度的變化可以以比多相混合物的水分?jǐn)?shù)的變化高得多的程度影響烴混合物的介電常數(shù)。氣體的電容率(介電常數(shù))通常為基于電磁測(cè)量原理進(jìn)行濕氣的水分?jǐn)?shù)測(cè)量的儀器的配置常數(shù)(configuration constant)。此配置常數(shù)可以，例如，使用克勞修斯-莫索提方程基于氣體組成進(jìn)行計(jì)算，如在H. Ε. E VanMannen的“Measurement of the Liquid Water Flow RateUsing Microwave Sensors in Wet-Gas Meters—Not As Simple As You May Think(在濕氣計(jì)中使用微波傳感器測(cè)量液態(tài)水流速-可能不像你想得那么簡(jiǎn)單)”， 第 26 屆國(guó)際北海流量測(cè)量研討會(huì)(26th International North Sea Flow Measurement Workshop), 2008 [1]中所概述的。從克勞修斯-莫索提方程中看出氣體的介電常數(shù)高度依賴于氣體的密度，然而水蒸氣的量以及氣體的組成也對(duì)氣體的電容率有顯著的影響，使得氣體的電容率不能是基于氣體的密度唯一確定的。對(duì)于產(chǎn)生濕氣的井，這些參數(shù)還可以在油田經(jīng)營(yíng)者不知道的情況下隨時(shí)間而改變。由于氣體的電容率決定了水分?jǐn)?shù)測(cè)量的零點(diǎn)，溫度、壓力或氣體組成的任何改變將導(dǎo)致氣體電容率的改變，氣體電容率的改變?cè)俅斡绊懰謹(jǐn)?shù)測(cè)量的零點(diǎn)，使得在低水分?jǐn)?shù)下的可靠測(cè)量更加困難。為了測(cè)定諸如氣體、水和冷凝物(輕油)的三種組分的多組分混合物的單個(gè)的分?jǐn)?shù)，進(jìn)行與該混合物的組分相關(guān)的兩種獨(dú)立的物理性質(zhì)的測(cè)量是足夠的，因?yàn)楦鞣謹(jǐn)?shù)的總和是100%且可以用作第三個(gè)方程。適于測(cè)量濕氣的分?jǐn)?shù)的組合的實(shí)例是電容率測(cè)量與密度測(cè)量結(jié)合、電導(dǎo)率測(cè)量與密度測(cè)量結(jié)合或在兩個(gè)不同能級(jí)處的兩種質(zhì)量吸收測(cè)量。為了計(jì)算組分的分?jǐn)?shù)(例如體積分?jǐn)?shù))，需要知道每種組分的相應(yīng)的物理性質(zhì)。例如，當(dāng)使用電容率和密度測(cè)量來(lái)測(cè)量含有氣體、水和冷凝物(輕油)的濕氣的電容率和密度時(shí)，需要知道氣體、水和冷凝物的電容率和密度以便計(jì)算管中氣體、水和冷凝物的體積分?jǐn)?shù)。市售的無(wú)干擾的多相計(jì)的一些實(shí)例顯示于US 5，103，181、US6，097，786、US 5，135，684和WO 2007/129897。使用核子密度計(jì)來(lái)測(cè)量混合物密度，并(直接或間接)使用該混合物密度來(lái)將多相混合物分離成液體和氣體。因此，多相計(jì)受到氣體密度的任何未知變化或差異的顯著影響，如上面實(shí)例中所概述的，且此外，該多相計(jì)不能夠測(cè)量氣體密度和電容率或補(bǔ)償氣體密度和電容率的變化。還熟知的是可基于測(cè)量管的截止頻率來(lái)測(cè)量多相混合物的組成。這樣的設(shè)備的實(shí)例見(jiàn)于 US 4423623、US 5455516、US 5331284、US 6614238、US 6109097 和 US 5351521，它們描述了基于不同頻率下的損耗或相位測(cè)量來(lái)測(cè)量管的截止頻率并基于后者確定多相混合物的組成的方法。然而，所有這些方法都受到高氣體分?jǐn)?shù)下氣體密度變化的高度影響，并且將不能提供濕氣的液體組分的準(zhǔn)確測(cè)量。用于測(cè)量多相流體流速的設(shè)備是熟知的。這些設(shè)備可基于檢測(cè)流中的液體微滴和氣體微滴的變化的測(cè)量信號(hào)的交互關(guān)聯(lián)。通過(guò)發(fā)射載波信號(hào)到流中并測(cè)量響應(yīng)，接收信號(hào)包含擾動(dòng)造成的振幅(損耗)、相位或頻率調(diào)節(jié)引起的流的變化信息。通過(guò)對(duì)彼此相距已知距離的管的兩個(gè)截面進(jìn)行測(cè)量，可創(chuàng)建在等于多相流在兩個(gè)截面之間行進(jìn)所耗費(fèi)的時(shí)間內(nèi)變化的兩個(gè)時(shí)間變化信號(hào)?；陔姶泡d波信號(hào)的這樣的設(shè)備的實(shí)例公開(kāi)于US4402230、US 4459858、US 4201083、US 4976154、W094/17373、US 6009760 和 US 5701083。用于測(cè)量流速的其他設(shè)備可基于測(cè)量橫跨管中的節(jié)流部(restriction)，諸如文丘里管、孔、V型錐體或流混合器的壓差。這樣的設(shè)備的實(shí)例可見(jiàn)于US 4638672、US 4974452、US 6332111、US 6335959、US 6378380、US 6755086、US 6898986、US 6993979、US 5，135，684、WO 00/45133和W003/034051。所有這些設(shè)備都受到與以上實(shí)例中描述的相同的限制，其中給定的氣體密度或電容率的任何誤差都將導(dǎo)致測(cè)量的液體流速的顯著誤差。使用流的統(tǒng)計(jì)信息來(lái)獲得多相流的組成的流量計(jì)也是已知的。一個(gè)這樣的實(shí)例見(jiàn)于US 5.576.974。這樣的設(shè)備通常非常依賴于統(tǒng)計(jì)信息來(lái)提供任何實(shí)際應(yīng)用中的可靠結(jié)果。如在US 5. 576. 974中，水分?jǐn)?shù)和氣體分?jǐn)?shù)二者均是基于微波測(cè)量計(jì)算的。穿過(guò)濕氣流或自濕氣流反射的微波信號(hào)的統(tǒng)計(jì)波動(dòng)與微滴大小、微滴數(shù)目和液體微滴中的水量相關(guān)。 液體微滴的量的增加和液體微滴中的水量的增加均引起微波信號(hào)統(tǒng)計(jì)波動(dòng)的增加。因此， 諸如US 5. 576. 974中描述的單純依賴于一種傳感器的信息的設(shè)備將不能可靠地區(qū)分與氣 /液比的變化相比，由于水/油比的變化造成的組成變化。管中任何液膜的存在將使對(duì)統(tǒng)計(jì)信息的解讀進(jìn)一步復(fù)雜化，因?yàn)橐耗さ臐撛跁r(shí)間變化與液體微滴相比具有完全不同的頻率。
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有解決方案的上述局限。本發(fā)明的目的是提供濕氣的油、水和氣的流速的準(zhǔn)確測(cè)量。本發(fā)明的目的是當(dāng)諸如密度和電容率的氣體性質(zhì)包含很大不確定性時(shí)提供濕氣的液體分?jǐn)?shù)的準(zhǔn)確測(cè)量。本發(fā)明的目的是當(dāng)諸如密度和電容率的氣體性質(zhì)隨時(shí)間改變時(shí)提供濕氣的液體分?jǐn)?shù)的準(zhǔn)確測(cè)量。本發(fā)明的目的是提供在含有液體的濕氣中的氣體的密度的測(cè)量。本發(fā)明的目的是提供在含有液體的濕氣中的氣體的電容率的測(cè)量。本發(fā)明的目的是允許對(duì)濕氣流量計(jì)使用簡(jiǎn)單校準(zhǔn)程序。本發(fā)明的目的是允許對(duì)濕氣流量計(jì)使用簡(jiǎn)單驗(yàn)證程序。本發(fā)明的目的是提供在濕氣流條件下具有高測(cè)量準(zhǔn)確性的多相流量計(jì)。本發(fā)明的目的是提供在流動(dòng)的多相流體的管中極小的壓力降。本發(fā)明的目的是提供用于執(zhí)行濕氣流量測(cè)量的無(wú)干擾設(shè)備。本發(fā)明的目的是允許濕氣流量計(jì)的緊湊安裝。本發(fā)明的目的是提供用于執(zhí)行測(cè)量的緊湊的機(jī)械結(jié)構(gòu)。因此，如權(quán)利要求1中定義的，本發(fā)明包括用于確定管中包含氣體和至少一種液體的多組分混合物的流體的流速的方法，該方法包括以下步驟a.測(cè)定所述多組分混合物的溫度和壓力，b.基于所述多組分混合物的至少兩種所述測(cè)得的物理性質(zhì)和所述多組分混合物的單個(gè)組分的同一物理性質(zhì)的知識(shí)，確定所述多組分混合物的分?jǐn)?shù)，c.測(cè)定所述多組分混合物的速度，d.基于步驟a-c的結(jié)果，確定所述流體的單個(gè)組分的流速，其特征在于用于確定所述多組分混合物的至少一種組分的物理性質(zhì)的方法，其中e.進(jìn)行電磁損耗或相位測(cè)量，f.計(jì)算與所述電磁測(cè)量相關(guān)的統(tǒng)計(jì)參數(shù)，g.將所述統(tǒng)計(jì)參數(shù)同與僅存在所述多組分混合物中的一種組分時(shí)所述統(tǒng)計(jì)參數(shù)的值對(duì)應(yīng)的由經(jīng)驗(yàn)獲得的閾值進(jìn)行比較，以及h.如果所述統(tǒng)計(jì)參數(shù)超出所述組分的閾值，測(cè)定所述流體的所述物理性質(zhì)并在步驟b_d中使用以提供所述多組分混合物的單個(gè)組分的分?jǐn)?shù)、速度和流速的改進(jìn)值。根據(jù)本發(fā)明的裝置的特征在于獨(dú)立權(quán)利要求22中定義的特征。從屬權(quán)利要求2-21和23-33定義了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案。下面將參考附圖進(jìn)一步描述本發(fā)明，其中

圖1顯示本發(fā)明主要元件的縱截面示意圖，圖2顯示根據(jù)本發(fā)明的用于測(cè)量油、水和氣的分?jǐn)?shù)和流速的裝置的示例性實(shí)施方案的縱截面示意圖，圖3顯示將統(tǒng)計(jì)電參數(shù)與濕氣的液體分?jǐn)?shù)關(guān)聯(lián)的曲線，圖4顯示隨時(shí)間變化的所測(cè)量的濕氣的液體分?jǐn)?shù)對(duì)隨時(shí)間變化的參考值，圖5顯示根據(jù)本發(fā)明的用于進(jìn)行電磁測(cè)量的裝置的示例性實(shí)施方案的縱截面示意圖，圖6顯示根據(jù)本發(fā)明的用于進(jìn)行電磁測(cè)量的裝置的示例性實(shí)施方案的縱截面示意圖。本發(fā)明涉及測(cè)量管中濕氣混合物的流速和體積分?jǐn)?shù)以及氣相的電容率、密度和/ 或質(zhì)量吸收系數(shù)的方法和裝置。本發(fā)明含有如圖1所示的四種元件。管狀部分1、用于測(cè)量濕氣混合物的速度的設(shè)備2、用于測(cè)量濕氣混合物的氣體、油和水的分?jǐn)?shù)的設(shè)備3和用于檢測(cè)管狀部分內(nèi)存在純氣體的設(shè)備5。流動(dòng)方向可以是向上或向下。設(shè)備還可以水平或任何其他傾角放置，然而，垂直向上和向下流動(dòng)是優(yōu)選的方向。設(shè)備還包含出于補(bǔ)償目的的用于測(cè)量溫度和壓力的元件；但是為簡(jiǎn)潔起見(jiàn)，附圖和進(jìn)一步的描述中省略了這些元件。這些設(shè)備中的一些可合并在一起，如圖2所示，其中用于測(cè)量氣體、油和水的分?jǐn)?shù)的設(shè)備已與用于檢測(cè)管狀部分內(nèi)存在純氣體的設(shè)備相結(jié)合。然后可將文丘里管用作測(cè)量濕氣速度的流量設(shè)備(flow device) 0文丘里管由管 1中成為窄通道11的收斂部分10組成?？梢酝ㄟ^(guò)借助壓力變送器6測(cè)量上游壓力7和窄通道中的壓力8來(lái)確定流體的流速。優(yōu)選的流向如箭頭9所示?？赏ㄟ^(guò)將測(cè)量由Y源15發(fā)射的γ光子的γ探測(cè)器16的測(cè)量結(jié)果與用天線14 進(jìn)行的電射頻的測(cè)量結(jié)果相組合來(lái)確定濕氣的氣體、油和水分?jǐn)?shù)。天線14實(shí)際上是插入管中的同軸導(dǎo)線。使用圖2中所示的裝置獲得濕氣的各組分的分?jǐn)?shù)的方法進(jìn)一步描述于NO 324812和WO 2007/129897中。然而，此設(shè)備需要配置有油、水和氣體的密度和電容率。事實(shí)上，任何濕氣計(jì)或多相計(jì)都需要此配置數(shù)據(jù)。獲得這些配置性質(zhì)的一種方式是使用PVT 模擬程序來(lái)產(chǎn)生與溫度和壓力相關(guān)的油、水和氣體性質(zhì)的查找表。對(duì)于濕氣應(yīng)用，氣體的性質(zhì)是最重要的，且一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于任何多相流測(cè)量應(yīng)用，為了獲得多相流體的最小部分的準(zhǔn)確測(cè)量，管中最大部分的性質(zhì)是最重要的配置參數(shù)。氣相的性質(zhì)在管狀部分不含任何液體的時(shí)期間內(nèi)測(cè)量。這通常在井被堵塞 (slugging)或脈動(dòng)使得在短時(shí)間段內(nèi)只有氣體流動(dòng)的情況下可能發(fā)生。在井的停工期和啟動(dòng)期的期間內(nèi)管狀部分也可以是無(wú)液體的。為了檢測(cè)其發(fā)生，需要對(duì)檢測(cè)管狀部分中的純氣體的可靠的測(cè)量。為了提供可靠的檢測(cè)，用于純氣體檢測(cè)的測(cè)量需要完全不受氣體性質(zhì)影響地進(jìn)行，這意味著純粹的密度、電容率、質(zhì)量吸收測(cè)量不能用于此目的。本發(fā)明利用氣體中缺少典型的液體特征，其是與歸因于沿著壁的液體微滴和液膜的流中的自然變化相關(guān)的時(shí)變信號(hào)。如果純氣體在管中流動(dòng)，信號(hào)沒(méi)有變化。由經(jīng)驗(yàn)獲得的信號(hào)變化的閾值可被用來(lái)定義純氣體的標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)檢測(cè)到純氣體時(shí)，氣體的電容率(介電常數(shù))、密度、質(zhì)量衰減可以使用設(shè)備3來(lái)測(cè)量。設(shè)備3可以是用于測(cè)量濕氣的電容率、密度或質(zhì)量吸收的含有傳感器的任何常規(guī)的多相流量計(jì)或濕氣流量計(jì)。然而，由于已檢測(cè)到純氣體，該設(shè)備可以改為用來(lái)測(cè)量純氣體的電容率、密度和質(zhì)量吸收以便校正氣體性質(zhì)的配置參數(shù)。校正氣體性質(zhì)的一種方式是使用測(cè)得的純氣體的性質(zhì)來(lái)計(jì)算配置參數(shù)的校正因子。由于氣體性質(zhì)受溫度和壓力的高度影響，使用測(cè)得的氣體性質(zhì)來(lái)計(jì)算氣體性質(zhì)查找表的校正因子是在更大的溫度和壓力范圍內(nèi)采用校正的氣體性質(zhì)測(cè)量的一種簡(jiǎn)便方法。通過(guò)使用與溫度和壓力相關(guān)的校正因子查找表(表中的每個(gè)溫度和壓力表示在純氣體時(shí)的測(cè)量結(jié)果)，校正因子方法還可以擴(kuò)展到更寬的溫度和壓力范圍。該方法參考附圖在下面進(jìn)一步進(jìn)行描述。
使用天線14進(jìn)行的電磁測(cè)量可以用來(lái)獲得與氣體中的液體微滴的流或沿著管壁的液膜的流相關(guān)的流的變化的測(cè)量。因此，濕氣中液體的存在將產(chǎn)生時(shí)變信號(hào)，其可用來(lái)獲得諸如該信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)差的統(tǒng)計(jì)參數(shù)。直接與管的直徑成比例的電測(cè)量是優(yōu)選的，因?yàn)槲⒌沃睆揭才c管直徑相關(guān)。電參數(shù)諸如管的波導(dǎo)截止頻率、由管的直徑變化(諸如文丘里管的發(fā)散部分12)反映的波的相位或頻率特征、或所述管內(nèi)擴(kuò)散電磁波的所測(cè)量的相位系數(shù)或衰減系數(shù)或管內(nèi)共振腔或結(jié)構(gòu)的共振頻率是非常合適的電參數(shù)。事實(shí)上，可使用管內(nèi)擴(kuò)散電磁波的任何損耗或相位測(cè)量或管中介質(zhì)的反射波的測(cè)量的損耗或相位。測(cè)量信號(hào)的波長(zhǎng)應(yīng)優(yōu)選是小的，以使得該信號(hào)能夠檢測(cè)小的液體微滴引起的小變化?；跍y(cè)量截止頻率、 管中共振腔的頻率、和擴(kuò)散電磁波的反射特征或相位或衰減系數(shù)的大多數(shù)設(shè)備使用具有小波長(zhǎng)的信號(hào)。典型的頻率范圍是100-5000MHZ，這取決于管直徑，但是也可使用更大或更小的頻率。如何能夠使用圖2中顯示的裝置獲得大多數(shù)這些電參數(shù)的實(shí)例進(jìn)一步描述于WO 2007/129897和WO 2005/057142中，它們通過(guò)引用并入。管內(nèi)共振腔的共振頻率也可用作電信號(hào)。適合這一目的的設(shè)備的實(shí)例可見(jiàn)于WO 03/034051。這一設(shè)備還可用于測(cè)量濕氣的氣體、油和水分?jǐn)?shù)。電容和電感傳感器也廣泛用于基于電容率和電導(dǎo)率的測(cè)量來(lái)測(cè)量多相流體的分?jǐn)?shù)。還可使用從電容和電感傳感器獲得的電信號(hào)，但是，與基于在較高頻率下測(cè)量的方法相比，這些設(shè)備不太適合，原因是電信號(hào)的低頻率和由此的大波長(zhǎng)，并因此不太適合捕獲小變化，而這是準(zhǔn)確的濕氣的液體測(cè)量所需要的，這意味著該設(shè)備受到能夠看到氣體中多小的液體的限制。于是，用于測(cè)定氣體的性質(zhì)和計(jì)算濕氣的單個(gè)組分的流速的程序?yàn)?)基于流體的組成，計(jì)算氣體、油和水的關(guān)于密度、電容率、質(zhì)量吸收系數(shù)的溫度和壓力查找表。2)進(jìn)行電測(cè)量，例如管中行進(jìn)的電磁波的相位系數(shù)或衰減系數(shù)、管截止頻率或反射頻率、行進(jìn)穿過(guò)管中介質(zhì)或從管中介質(zhì)反射的波的相位或損耗。如何進(jìn)行此測(cè)量的實(shí)例可以在 WO 2007/129897 和 WO 2005/057142 中找到。3)基于步驟1的時(shí)變電測(cè)量計(jì)算統(tǒng)計(jì)參數(shù)。4)將步驟2的結(jié)果同與管中純氣體對(duì)應(yīng)的由經(jīng)驗(yàn)獲得的閾值進(jìn)行比較。5)如果步驟2的計(jì)算的統(tǒng)計(jì)參數(shù)低于步驟3的閾值，測(cè)量諸如密度、電容率和質(zhì)量吸收系數(shù)的氣體性質(zhì)。氣體性質(zhì)可以用幾乎任何常規(guī)的多相計(jì)或濕氣計(jì)的傳感器來(lái)測(cè)量，且如何測(cè)量這些性質(zhì)的實(shí)例可以在W02007/129897、WO 2005/057142、WO 03/034051、 W000/45133 或 US6. 405. 604 中找到。6)計(jì)算步驟1中獲得的氣體密度、電容率和質(zhì)量吸收系數(shù)的查找表的校正因子， 使得其與步驟5的測(cè)量值相匹配。7)使用步驟6中的校正的氣體性質(zhì)，計(jì)算氣體、油和水(例如多相混合物)的分?jǐn)?shù)。在 WO 2007/129897,WO 2005/057142,WO 03/034051、W000/45133 或 US 6. 405. 604 中。8)基于步驟7的測(cè)得的分?jǐn)?shù)和步驟6的測(cè)得的氣體性質(zhì)，計(jì)算管中各部分的速度。 如何進(jìn)行計(jì)算的實(shí)例可以在 WO 2007/129897、W02005/057142、WO 03/034051、W000/45133 或US 6. 405. 604中找到。流量設(shè)備可以是基于測(cè)量壓力降的設(shè)備6諸如文丘里管或通過(guò)使用如WO 2007/129897和WO 2005/057142所述的交互關(guān)聯(lián)技術(shù)的設(shè)備。還可使用基于測(cè)量壓差的其他流量設(shè)備2諸如V形錐體或孔板和多爾管。這些是眾所周知的測(cè)量原理，關(guān)于如何使用這些設(shè)備的進(jìn)一步信息可見(jiàn)于挪威油氣測(cè)量學(xué)會(huì)(Norwegian Society for Oil and Gas Measurement)出片反白勺 Handbook of MultiPhase Metering 才目i十)。除了上述元件之外，測(cè)量裝置還包括進(jìn)行電測(cè)量的元件和進(jìn)行計(jì)算的計(jì)算機(jī)；然而，如何實(shí)現(xiàn)所需的電子設(shè)備和軟件來(lái)進(jìn)行這些測(cè)量和計(jì)算是眾所周知的。發(fā)射和反射方法是用于材料表征的眾所周知的方法，如圖3和4中所示。電磁法可以是基于如圖3中所示的穿過(guò)管壁的輻射縫17或通過(guò)使用如圖4中所示的開(kāi)口的同軸導(dǎo)線18。脈沖頻率或連續(xù)頻率在同軸電纜18上發(fā)射。基于反射回同軸導(dǎo)線上的振幅和相位變化的測(cè)量，可以確定管內(nèi)材料的電容率。如圖3和4中所示的發(fā)射和反射傳感器的設(shè)計(jì)禾口工作原理在 Chen 等人的“Microwave Electronics-measurement and material characterization (微波電子學(xué)-測(cè)量和材料表征)”，Wiley (2004)和 “Permittivity Measurements of Thin Liquid Film Layers using open-ended Coaxial Probes (使用開(kāi)口同軸探針的液膜薄層的電容率測(cè)量)”，Meas. Sci. Technol.，7 (1996)，1164-1173中進(jìn)一步描述。如圖6中所示的兩根天線也可以用來(lái)進(jìn)行電磁測(cè)量。天線是同軸導(dǎo)線，其通過(guò)絕緣材料與管壁絕緣并略微穿透到管中作為管內(nèi)部的偶極天線。發(fā)射天線28和接收天線28 也可以制作為組裝到管內(nèi)的獨(dú)立單元27或制作為獨(dú)立的天線。天線也可以沿著管的圓周或軸向地沿著管或以任何軸向和徑向定位的組合來(lái)定位。此設(shè)備可以用來(lái)測(cè)量管介質(zhì)中的電磁波的損耗、相位?；谟糜谶M(jìn)行電磁測(cè)量的三天線的相似布置顯示于圖5。天線是被絕緣材料與管壁隔開(kāi)的同軸導(dǎo)線，并略微穿透到管中充當(dāng)管內(nèi)部的偶極天線。天線可制造為圖5所示的一個(gè)緊湊的探針單元26，其中發(fā)射天線24和兩個(gè)接收天線25、23是通過(guò)陶瓷或玻璃或類(lèi)似的絕緣材料與金屬外殼26電絕緣的。設(shè)備可用于測(cè)量管內(nèi)電磁波的相位和損耗，其還可進(jìn)一步擴(kuò)展為測(cè)量管內(nèi)行進(jìn)的電磁波的相位系數(shù)和損耗系數(shù)。WO 2007/129897提供了如何能夠使用這一設(shè)備獲得這些參數(shù)的進(jìn)一步信息?？梢允褂眠m合于測(cè)量濕氣的單個(gè)組分的分?jǐn)?shù)和分速度的任何已知的測(cè)量原理 (例如濕氣流量計(jì))來(lái)獲得如上述步驟t和8所概述的濕氣(多相混合物)的分?jǐn)?shù)和速度。 作為實(shí)例，組分的分?jǐn)?shù)和速度可以混合，可以通過(guò)使用如US 5. 135. 684中所描述的雙能質(zhì)吸收(dual energy mass absorption)測(cè)量或如NO 304333中所描述的與單能質(zhì)吸收相結(jié)合的電容/電感測(cè)量原理或如WO 00/45133中所示的與交互關(guān)聯(lián)方法和文丘里管相結(jié)合的電容/電感測(cè)量原理或如WO 02/44664中所描述的基于多個(gè)壓力降測(cè)量的方法來(lái)獲得。這些設(shè)備中的任何一個(gè)可以與如上面步驟2-3中所描述的電磁測(cè)量相結(jié)合用于檢測(cè)管中純氣體(無(wú)液體的時(shí)期)。可以與上述濕氣流量計(jì)結(jié)合用于檢測(cè)純氣體的裝置的實(shí)例在圖3-6 中顯示，然而，原則上可以使用能夠在較高頻率下(通常為100-5000Mhz)對(duì)濕氣的液體分?jǐn)?shù)變化進(jìn)行電磁測(cè)量的任何電磁測(cè)量設(shè)備來(lái)獲得氣體檢測(cè)所需的統(tǒng)計(jì)參數(shù)。圖7-10顯示了測(cè)量實(shí)例，其中氣體密度和氣體電容率含有5-8%誤差率的誤差， 并隨后在管中為純氣體的時(shí)段期間進(jìn)行測(cè)量來(lái)進(jìn)行校正。由電磁測(cè)量所計(jì)算的統(tǒng)計(jì)參數(shù) 30在圖7中顯示，其中顯示了管內(nèi)電磁波的反射信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)差。在K虹st0的用于濕氣的 StatoilHydro的測(cè)試設(shè)備上進(jìn)行測(cè)量并與經(jīng)驗(yàn)獲得的純氣體的閾值32進(jìn)行比較。y軸31顯示了標(biāo)準(zhǔn)差而X-軸；34是以秒表示的時(shí)間。對(duì)于大約20分鐘的短時(shí)間33來(lái)說(shuō)，在管中檢測(cè)了純氣體。圖8顯示了與參照氣體分?jǐn)?shù)36相比較的濕氣計(jì)測(cè)得的氣體分?jǐn)?shù)35。χ軸 ；34是以分鐘表示的時(shí)間而y軸37是管中的氣體空隙分?jǐn)?shù)(gas void fraction) (GVF)。在大約250分鐘的時(shí)段期間，管中GVF接近100%。因此，統(tǒng)計(jì)參數(shù)高于氣體閾值。圖10顯示了在相同時(shí)段內(nèi)測(cè)得的氣體流速42與參照氣體流速(通過(guò)前述測(cè)試設(shè)備測(cè)得的)的對(duì)比。 從圖10中看出GVF為100%的時(shí)段對(duì)應(yīng)于沒(méi)有流動(dòng)的時(shí)段。從圖7中看出，在剛切斷流速約10-20分鐘后，所計(jì)算的電參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差30低于氣體閾值。在此時(shí)段內(nèi)已測(cè)量氣體性質(zhì) (電容率和氣體密度)。在大約10-20分鐘后，由于溫度的降低開(kāi)始發(fā)生液體冷凝，因此不再能夠進(jìn)行氣體性質(zhì)的可靠測(cè)量，即使管中仍然沒(méi)有流動(dòng)且GVF接近100%。如從圖10中所看到的，在測(cè)量了氣體性質(zhì)之后，在參照氣體流速43和測(cè)得的氣體流速42之間存在明顯較小的差異。圖9顯示了對(duì)測(cè)得的水分?jǐn)?shù)36和參照水分?jǐn)?shù)39的影響。y軸是管中水的百分?jǐn)?shù)(作為管總體積的百分?jǐn)?shù))而χ軸；34是以分鐘表示的時(shí)間。起初，氣體的介電性質(zhì)存在5%誤差(前500分鐘)，然而參照水分?jǐn)?shù)39為大約0. 0025%，測(cè)得的水分?jǐn)?shù)38接近零， 其實(shí)際上意味著計(jì)算出負(fù)的水分?jǐn)?shù)。然而，當(dāng)在無(wú)液體期間33測(cè)量了氣體的電容率并用于進(jìn)一步的測(cè)量(從大約800分鐘以及更長(zhǎng)時(shí)間)時(shí)，測(cè)得的水分?jǐn)?shù)38非常接近參照水分?jǐn)?shù) 39。 本發(fā)明的方法和裝置還可以用來(lái)獲得多組分混合物的其它組分的性質(zhì)。例如， 借助于使上述測(cè)量與相應(yīng)的物理量相關(guān)的合適的數(shù)學(xué)模型或通過(guò)添加適于測(cè)量合適的物理性質(zhì)的其它傳感器，該方法還可以用來(lái)確定流體的諸如壓縮性或摩爾重量的其它物理性質(zhì)。這樣的儀器的一個(gè)實(shí)例是氣相色譜儀，其是可以測(cè)量氣體的各種烴的分?jǐn)?shù)(例如，甲烷、丁烷、戊烷等的分?jǐn)?shù))的儀器。
權(quán)利要求
1.一種用于確定管中包含氣體和至少一種液體的多組分混合物的流體的流速的方法， 所述方法包括以下步驟a.測(cè)定所述多組分混合物的溫度和壓力，b.基于所述多組分混合物的至少兩種測(cè)得的物理性質(zhì)以及所述多組分混合物的單個(gè)組分的同一物理性質(zhì)的知識(shí)，確定所述多組分混合物的分?jǐn)?shù)，c.測(cè)定所述多組分混合物的速度，d.基于步驟a-c的結(jié)果，確定所述流體的單個(gè)組分的流速，其特征在于用于確定所述多組分混合物的至少一種組分的物理性質(zhì)的方法，其中e.進(jìn)行電磁損耗或相位測(cè)量，f.計(jì)算與所述電磁測(cè)量相關(guān)的統(tǒng)計(jì)參數(shù)，g.將所述統(tǒng)計(jì)參數(shù)同與僅存在所述多組分混合物中的一種組分時(shí)所述統(tǒng)計(jì)參數(shù)的值對(duì)應(yīng)的由經(jīng)驗(yàn)獲得的閾值進(jìn)行比較，以及h.如果所述統(tǒng)計(jì)參數(shù)超出所述組分的閾值，測(cè)定所述流體的所述物理性質(zhì)并在步驟 b-d中使用以提供對(duì)所述多組分混合物的單個(gè)組分的分?jǐn)?shù)、速度和流速的改進(jìn)值的計(jì)算。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述物理性質(zhì)是電容率。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述物理性質(zhì)是密度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述物理性質(zhì)是質(zhì)量吸收系數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述物理性質(zhì)是質(zhì)量吸收系數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述測(cè)得的物理性質(zhì)是電容率。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述測(cè)得的物理性質(zhì)是密度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述測(cè)得的物理性質(zhì)是質(zhì)量衰減。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述測(cè)得的物理性質(zhì)是電導(dǎo)率。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述速度是基于測(cè)量橫跨所述管內(nèi)的節(jié)流部的壓力降而測(cè)量的。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中使用文丘里管來(lái)提供壓力降。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中使用V形錐體來(lái)提供壓力降。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中使用多爾管來(lái)提供壓力降。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中使用孔來(lái)提供壓力降。
15.根據(jù)前述權(quán)利要求1-10中任一項(xiàng)所述的方法，其中在測(cè)定所述多組分混合物的速度時(shí)使用交互關(guān)聯(lián)技術(shù)。
16.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述電磁測(cè)量是基于測(cè)量被發(fā)射通過(guò)所述管內(nèi)的介質(zhì)的電磁波的相位或損耗。
17.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述電磁測(cè)量是基于測(cè)量所述管內(nèi)的反射的電磁波的相位或損耗。
18.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述電磁測(cè)量是基于測(cè)量所述管內(nèi)的共振頻率。
19.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述電磁測(cè)量是基于測(cè)量從所述管內(nèi)的所述介質(zhì)反射的電磁波的能量損耗和/或相移。
20.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述統(tǒng)計(jì)參數(shù)是由權(quán)利要求16-19中任一項(xiàng)進(jìn)行計(jì)算的。
21.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中標(biāo)準(zhǔn)差被用作所述統(tǒng)計(jì)參數(shù)。
22.一種用于確定管中包含氣體和至少一種液體的多組分混合物的流體的流速的裝置，該裝置包括管狀部分和以下元件a.用于測(cè)定所述多組分混合物的溫度和壓力的設(shè)備，b.用于測(cè)量所述多組分混合物的至少兩種物理量的設(shè)備，c.用于基于所述多組分混合物的單個(gè)組分的所述物理性質(zhì)的知識(shí)來(lái)計(jì)算所述多組分混合物的單個(gè)組分的分?jǐn)?shù)的設(shè)備，d.用于測(cè)定所述多組分混合物的速度的設(shè)備，e.用于計(jì)算所述多組分混合物的單個(gè)組分的流速的設(shè)備，其特征在于用于確定所述多組分混合物的至少一種組分的物理性質(zhì)的設(shè)備，該設(shè)備包括f.用于進(jìn)行電磁損耗或相位測(cè)量的設(shè)備，g.用于基于電磁測(cè)量計(jì)算統(tǒng)計(jì)參數(shù)的設(shè)備，h.用于將所述統(tǒng)計(jì)參數(shù)與由經(jīng)驗(yàn)確定的閾值進(jìn)行比較的設(shè)備，以及i.用于測(cè)量所述多組分混合物的至少一種組分的物理量的設(shè)備。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的裝置，包括用于將電磁能發(fā)射至管狀部分中并記錄從所述管狀部分接收的電磁能的設(shè)備。
24.根據(jù)權(quán)利要求22或23所述的裝置，包括用于在所述管狀部分內(nèi)提供電磁共振的設(shè)備。
25.根據(jù)權(quán)利要求22所述的裝置，包括用于在所述管狀部分內(nèi)提供電磁共振的設(shè)備。
26.根據(jù)前述權(quán)利要求22-23中任一項(xiàng)所述的裝置，包括用于將電磁能發(fā)射至所述管狀部分中并記錄由所述管狀部分反射的電磁能的設(shè)備。
27.根據(jù)權(quán)利要求22-26所述的裝置，包括用于測(cè)量所述管狀部分的窄通道中的所述速度的設(shè)備。
28.根據(jù)權(quán)利要求22-27所述的裝置，其中使用文丘里管來(lái)測(cè)定所述速度。
29.根據(jù)權(quán)利要求22-27所述的裝置，其中使用V形錐體來(lái)測(cè)定所述速度。
30.根據(jù)權(quán)利要求22-26所述的裝置，包括用于通過(guò)在所述管狀部分的兩個(gè)橫截面中進(jìn)行的交互關(guān)聯(lián)測(cè)量來(lái)測(cè)量所述速度的設(shè)備。
31.根據(jù)權(quán)利要求22-30所述的裝置，包括用于測(cè)量所述多組分混合物的物理量的放射源和光子探測(cè)器。
32.根據(jù)權(quán)利要求22-30所述的裝置，包括用于測(cè)量所述多組分混合物的物理量的多個(gè)壓力降測(cè)量。
33.根據(jù)權(quán)利要求22-30所述的裝置，包括測(cè)量所述多組分混合物的物理量的壓力降設(shè)備和交互關(guān)聯(lián)速度設(shè)備的組合。
全文摘要
一種用于確定管中包含氣體和至少一種液體的多組分混合物的流體的流速的方法，所述方法包括以下步驟a.測(cè)定所述多組分混合物的溫度和壓力，b.基于所述多組分混合物的至少兩種測(cè)得的物理性質(zhì)以及所述多組分混合物的單個(gè)組分的同一物理性質(zhì)的知識(shí)，確定所述多組分混合物的分?jǐn)?shù)，c.測(cè)定所述多組分混合物的速度，d.基于步驟a-c的結(jié)果，確定所述流體的單個(gè)組分的流速，其特征在于確定所述多組分混合物的至少一種組分的物理性質(zhì)的方法，該方法中e.進(jìn)行電磁損耗或相位測(cè)量，f.計(jì)算與電磁測(cè)量相關(guān)的統(tǒng)計(jì)參數(shù)，g.將所述統(tǒng)計(jì)參數(shù)同與僅存在所述多組分混合物中的一種組分時(shí)所述統(tǒng)計(jì)參數(shù)的值對(duì)應(yīng)的由經(jīng)驗(yàn)獲得的閾值進(jìn)行比較，以及h.如果所述統(tǒng)計(jì)參數(shù)超出所述組分的閾值，測(cè)定所述流體的所述物理性質(zhì)并在步驟b-d中使用以提供所述多組分混合物的單個(gè)組分的分?jǐn)?shù)、速度和流速的改進(jìn)值。還公開(kāi)了實(shí)施所述方法的設(shè)備。
文檔編號(hào)G01F15/02GK102246009SQ200980149571
公開(kāi)日2011年11月16日 申請(qǐng)日期2009年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月12日
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