專(zhuān)利名稱(chēng)：氣體/液體流中的氣體壓力確定的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氣體/液體流中的氣體壓力確定，并且具體地涉及在漩流氣體/液體 流中的氣體壓力確定。
背景技術(shù)：
在油汽工業(yè)中確定氣_液混合物的氣體流量和液體流量是重要的。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,M. 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(xiàn)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。在Vx 系統(tǒng)中，并且在其它傳統(tǒng)的多相流量計(jì)中，重要的是知道管線(xiàn)條件下的氣 體密度。因此，通常必須確定管線(xiàn)條件下的氣體壓力。對(duì)于如Vx 系統(tǒng)中的非漩流氣-液 流來(lái)說(shuō)，在相同管橫截面上管壁處的壓力和管中心處的壓力大致相同，因此，在文丘里喉管 段處的管壁處測(cè)量的壓力將基本上是所述管壁處的氣體壓力。GB A2447490中公開(kāi)了一種多相流量計(jì)原理。所述原理基于通過(guò)離心力使流動(dòng)產(chǎn) 生漩流以生成液體環(huán)和氣體芯。諸如超聲波夾裝式(clamp-on)轉(zhuǎn)換器的傳感器用于測(cè)量 文丘里喉管段處的諸如液層厚度和軸向速度的液層特性。由于在大范圍流動(dòng)條件上的被控 制的環(huán)型流分布，這可以給出液體流量的直接測(cè)量值。然而，對(duì)于漩流氣-液流來(lái)說(shuō)，在相 同管橫截面上管壁處的壓力和管中心處的壓力明顯不同，因此，在管壁處測(cè)量的壓力將不 再是用于氣體密度計(jì)算所需的氣體芯壓力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實(shí)施例至少基于如下認(rèn)識(shí)在諸如兩相氣/液流的漩流多相流的氣體芯 的靜態(tài)氣體壓力Pc與其它流動(dòng)的參數(shù)之間存在相互關(guān)系。更具體地Pc = F (Pw, α液體，ν切向，ρ液體，ρ氣體)其中Pw是導(dǎo)管壁處的流動(dòng)的靜壓，α ^^是液層滯留量，是液層切向速度，P #是液體密度，而P 是氣體密度。因此，大體上，本發(fā)明提供一種相對(duì)于導(dǎo)管使用導(dǎo)管內(nèi)測(cè)量的流動(dòng)參數(shù)用于確定 氣體芯的靜態(tài)氣體壓力的用途，被分離成氣體芯和液體外層的漩流氣體/液體流流動(dòng)通過(guò) 所述導(dǎo)管，所述流動(dòng)參數(shù)包括液層切向速度、持液率、和導(dǎo)管壁處的流動(dòng)的靜壓。例如，本發(fā)明的第一方面提供一種用于確定氣體/液體流中的靜態(tài)氣體壓力的方 法，所述方法包括以下步驟提供導(dǎo)管，被分離成氣體芯和液體外層的漩流氣體/液體流被 輸送通過(guò)所述導(dǎo)管；測(cè)量導(dǎo)管內(nèi)的流動(dòng)參數(shù)，測(cè)量的流動(dòng)參數(shù)包括液層切向速度、持液率、 和導(dǎo)管壁處的流動(dòng)的靜壓；以及由測(cè)量的流動(dòng)參數(shù)確定氣體芯的靜態(tài)氣體壓力。
接下來(lái)說(shuō)明所述用途和方法的任選特征，且任選特征可單獨(dú)或以任意組合的方式 適用于所述用途和方法。通常，如果水和油密度以及兩種液體的諸如水_液比(WLR)的相對(duì)百分?jǐn)?shù)(或相 對(duì)份額)是給定的或已測(cè)量的，則P #是已知。此外，流動(dòng)的溫度τ通常也通過(guò)測(cè)量是已 知的，藉此，P氣體可以通過(guò)應(yīng)用氣體定律由P。表示。因此，P。通常可以?xún)H與Pw、α碰和ν切 自相關(guān)。然而，如果需要，測(cè)量的流動(dòng)參數(shù)還可以包括流動(dòng)的溫度和/或WLR，藉此，P?？梢?與K、α a#、vt_、T和/或WLR相關(guān)。有利地，所述方法允許在不需要將侵入式和潛在不 可靠的探頭插入到流動(dòng)內(nèi)以測(cè)量氣體芯的靜態(tài)氣體壓力的情況下確定所述壓力。不是直接測(cè)量測(cè)液層切向速度、持液率和壁靜壓，而是可以間接測(cè)量這些流動(dòng)參 數(shù)中的任一個(gè)或組合。例如，可以由液層軸向速度的測(cè)量值(例如，以超聲波的方式)間接 測(cè)量液層切向速度。這在以下進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，其中對(duì)于給定WLR顯示了切向速度通常與 軸向速度線(xiàn)性相關(guān)。作為另一個(gè)示例，可以由液層的厚度的測(cè)量值(例如，以超聲波的方 式)間接測(cè)量持液率，液層的厚度在已知橫截面的導(dǎo)管中等于α 的測(cè)量值。可選地或另 外，可以由流動(dòng)混合物密度P 的測(cè)量值(例如，使用Y射線(xiàn)或X射線(xiàn))間接測(cè)量持液
，Μ ^云力？昆^^勿 fit P混合物與α液體才目# (艮P，由P混合物=P液體α液體+ P氣體(1-α液
#))，可選地或另外，可以由流動(dòng)混合物復(fù)介電常數(shù)ε 的測(cè)量值(例如，使用無(wú)線(xiàn)頻率 和/或微波傳輸和/或反射法)間接測(cè)量持液率。可選地或另外，如GB A 2430493中所 公開(kāi)的，可以由流動(dòng)混合物ε胃_和P 的組合測(cè)量值(例如，使用組合的RF/微波和 Y-射線(xiàn)法)間接測(cè)量持液率。因此，可以以超聲波的方式測(cè)量液層切向速度和/或持液率。有利地，這種測(cè)量可 以相對(duì)簡(jiǎn)單并且可靠地執(zhí)行，并且可以使用穩(wěn)固的設(shè)備。優(yōu)選地，由液層軸向速度和液層厚 度的超聲波測(cè)量值分別間接測(cè)量液層切向速度和持液率。這允許一個(gè)超聲波探頭獲取兩個(gè) 測(cè)量值。然而，用于測(cè)量這些參數(shù)中的任一個(gè)的其它選擇包括用于間接測(cè)量持液率的Y射 線(xiàn)、X射線(xiàn)或RF/微波(如上所述)?？梢酝ㄟ^(guò)使用超聲波或RF/微波多普勒法測(cè)量液層切 向速度?？蛇x地或另外，可以基于來(lái)自具有適當(dāng)空間間距(一個(gè)或多個(gè))的多個(gè)超聲波傳感 器、電傳感器、或RF/微波傳感器、或光學(xué)傳感器的信號(hào)的交叉相關(guān)性測(cè)量液層切向速度。優(yōu)選地，導(dǎo)管包括收縮部，所述收縮部具有減少的導(dǎo)管橫截面，且在所述收縮部處 測(cè)量流動(dòng)參數(shù)。有利地，這種收縮部可以增加流動(dòng)的漩流并且提高液體/氣體分離。例如， 收縮部可以由文丘里管提供。液體可以具有兩種液相(例如，油和水)。在這種情況下，測(cè)量的流動(dòng)參數(shù)可以包 括兩種液體的相對(duì)百分?jǐn)?shù)，例如，水-液比(WLR)。相對(duì)百分?jǐn)?shù)可以基于核傳感器、或超聲波 傳感器、或電傳感器、或RF/微波傳感器、或毫米波傳感器、或光學(xué)傳感器、或科里奧利傳感 器、或壓力傳感器在管線(xiàn)上或由代表性液層樣品測(cè)量。測(cè)量的相對(duì)百分?jǐn)?shù)允許確定液體的 密度(不管是否假設(shè)兩相之間沒(méi)有滑移，或是否應(yīng)用滑移定律)。本發(fā)明的第二方面提供對(duì)第一方面的用于測(cè)量氣體/液體流中的流量的方法的 使用(任選地包括所述方法的任選特征中的任一個(gè)或任意組合)。可以由收縮部?jī)啥?例 如，文丘里管的入口和喉管)測(cè)量的差壓和測(cè)量的持液率(如上所述)以及氣體密度和液 體密度確定總流量。氣體流量則可以由總流量與測(cè)量的液體流量的差來(lái)確定。本發(fā)明的第三方面提供一種用于確定氣體/液體流中的靜態(tài)氣體壓力的設(shè)備，所述設(shè)備包括導(dǎo)管，所述導(dǎo)管用于輸送被分離成氣體芯和液體外層的漩流氣體/液體流；用 于測(cè)量導(dǎo)管內(nèi)的流動(dòng)參數(shù)的裝置，測(cè)量的流動(dòng)參數(shù)包括液層切向速度、持液率、和導(dǎo)管壁處 的流動(dòng)的靜壓；和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，所述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)被構(gòu)造成由測(cè)量的流動(dòng)參數(shù)確定氣體芯的 靜態(tài)氣體壓力。因此，所述設(shè)備與第一方面的所述方法相對(duì)應(yīng)。以下說(shuō)明所述設(shè)備的任選特征，且 任選特征單獨(dú)或以任意組合的方式適用于所述設(shè)備。第一方面的方法的任選特征中的任一 個(gè)或任意組合還可以提供所述設(shè)備的相對(duì)應(yīng)的任選特征(一個(gè)或多個(gè))。所述設(shè)備還可以包括用于誘導(dǎo)氣體/液體流產(chǎn)生漩流的漩流元件。例如，漩流元 件可以具有到導(dǎo)管的切向槽入口?？蛇x的嵌入式漩流元件例如是在導(dǎo)管或電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的推 進(jìn)器內(nèi)的螺旋形插入件。導(dǎo)管可以包括具有減少導(dǎo)管橫截面的收縮部，且在收縮部處測(cè)量流動(dòng)參數(shù)。優(yōu)選 地，收縮部由文丘里管提供。優(yōu)選地，用于測(cè)量導(dǎo)管內(nèi)的流動(dòng)參數(shù)的裝置包括用于以超聲波的方式測(cè)量液層切 向速度和/或持液率的一個(gè)或多個(gè)超聲波探頭。例如，液層切向速度和持液率可以由液層 軸向速度和液層厚度的超聲波測(cè)量值分別間接測(cè)量。單個(gè)超聲波探頭可以獲取兩個(gè)測(cè)量 值。液體可以具有兩種液相。在這種情況下，測(cè)量的流動(dòng)參數(shù)可以包括兩種液體的相 對(duì)百分?jǐn)?shù)。優(yōu)選地，所述設(shè)備沒(méi)有實(shí)體地延伸到氣體芯內(nèi)的、用于測(cè)量芯內(nèi)的靜態(tài)氣體壓力 的探頭(例如，壓力計(jì))。本發(fā)明的第四方面提供一種包括第三方面的設(shè)備和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的多相流量計(jì) (并且任選地包括所述設(shè)備的任選特征中的任一個(gè)或組合)，所述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)被構(gòu)造成使 用確定的靜態(tài)氣體壓力確定氣體、液體和/或氣體和液體的流量(一個(gè)或多個(gè))。本發(fā)明的第五方面提供一種包括根據(jù)第三方面的設(shè)備(并且任選地包括所述設(shè) 備的任選特征的任一個(gè)或組合)、或一種根據(jù)第四方面的流量計(jì)(并且任選地包括所述流 量計(jì)的任選特征中的任一個(gè)或組合)的油井管道或氣井管道。本發(fā)明的第六方面提供第三方面的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，本發(fā)明的第七方面提供相對(duì)應(yīng)的 計(jì)算機(jī)程序，而本發(fā)明的第八方面提供承載第七方面的計(jì)算機(jī)程序的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品。因 此，(i)第六方面的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可以被構(gòu)造成由在輸送被分離成氣體芯和液體外層的漩流 氣體/液體流的導(dǎo)管內(nèi)測(cè)量的流動(dòng)參數(shù)確定氣體芯的靜態(tài)氣體壓力，且測(cè)量的流動(dòng)參數(shù)包 括液層切向速度、持液率、和導(dǎo)管壁處的流動(dòng)的靜壓，和(ii)第七方面的計(jì)算機(jī)程序可以 由在輸送被分離成氣體芯和液體外層的漩流氣體/液體流的導(dǎo)管內(nèi)測(cè)量的流動(dòng)參數(shù)確定 氣體芯的靜態(tài)氣體壓力，且測(cè)量的流動(dòng)參數(shù)包括液層切向速度、持液率、和導(dǎo)管壁處的流動(dòng) 的靜壓。此外，前述方面的任選特征可單獨(dú)或以任意組合適用于第六方面、第七方面和第八 方面。


以下以示例的方式參照

本發(fā)明，其中圖1示意性地顯示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的用于測(cè)量差壓、液體分?jǐn)?shù)和液體切向速度的實(shí)驗(yàn)裝置；圖2顯示對(duì)于水/液體比(WLR)為0. 0(油/氣兩相流)、 0. 2、 0. 5、 0. 8、
或1.0(水/氣兩相流)下相對(duì)于液體體積流量所畫(huà)出的通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定的喉管管壁/氣體 芯差壓；圖3顯示相對(duì)于液體體積分?jǐn)?shù)通過(guò)超聲波得到的持液率與時(shí)均持液率的標(biāo)準(zhǔn)偏 差的比值的圖；圖4(a)-(e)對(duì)于WLR分別為0、0. 2、0. 5、0. 8和1顯示由喉管管壁/氣體芯差壓 并假設(shè)固體模型得出的、相對(duì)于液層軸向速度所畫(huà)出切向液體速度，而圖4(f)顯示相對(duì)于 WLR的相對(duì)應(yīng)的線(xiàn)性擬合斜率的圖；圖5 (a)-(e)對(duì)于WLR分別為0、0. 2、0. 5、0. 8和1顯示由喉管管壁/氣體芯差壓 并假設(shè)固體/自由渦模型得出的、相對(duì)于液層軸向速度所畫(huà)出切向液體速度，而圖5(f)顯 示相對(duì)于WLR的相對(duì)應(yīng)的線(xiàn)性擬合斜率的圖；圖6(a)和6(b)顯示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的、分別由固體模型和固體/自由渦模 型得出的、相對(duì)于測(cè)量的相對(duì)應(yīng)的氣體芯壓力畫(huà)出的氣體芯喉管壓力，而圖6(c)和6(d)分 別對(duì)于固體模型和固體/自由渦模型顯示氣體芯喉管壓力的推導(dǎo)值與測(cè)量值之間的比值；圖7對(duì)于固體模型和固體/自由渦模型顯示相對(duì)于喉管處的持氣率所畫(huà)出的氣體 芯壓力的部分誤差(或相對(duì)誤差)；和圖8顯示示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的用于確定氣體/液體流中的氣體芯壓力的 方法的流程圖。在附圖中，類(lèi)似的部件和/或特征可以具有相同的附圖標(biāo)記。此外，相同類(lèi)型的各 種部件可以通過(guò)在附圖標(biāo)記之后具有在類(lèi)似部件中進(jìn)行區(qū)別的字母短線(xiàn)和第二附圖標(biāo)記 來(lái)進(jìn)行區(qū)別。只要在說(shuō)明書(shū)中使用第一附圖標(biāo)記，則不管第二附圖標(biāo)記，說(shuō)明適用于具有相 同的第一附圖標(biāo)記的類(lèi)似部件中的任一個(gè)。
具體實(shí)施例方式隨后的說(shuō)明僅提供了示例性實(shí)施例(一個(gè)或多個(gè))，并且目的不是限制本公開(kāi)的 保護(hù)范圍、適用性或結(jié)構(gòu)。相反，優(yōu)選的示例性實(shí)施例(一個(gè)或多個(gè))的隨后說(shuō)明將為本領(lǐng) 域的技術(shù)人員提供用于能夠?qū)嵤┍景l(fā)明的優(yōu)選的示例性實(shí)施例的說(shuō)明。要理解的是在不背 離如所附權(quán)利要求所述本發(fā)明的保護(hù)范圍的情況下可以對(duì)元件的功能和布置做各種改變。以下說(shuō)明中給出了具體細(xì)節(jié)以提供對(duì)實(shí)施例的徹底理解。然而，本領(lǐng)域的技術(shù)人 員要理解的是在沒(méi)有這些具體細(xì)節(jié)的情況下可以實(shí)施所述實(shí)施例。例如，可以在方框圖中 顯示本發(fā)明的線(xiàn)路，從而以不必要的細(xì)節(jié)的方式使實(shí)施例清楚。在其它情況下，可以顯示公 知的線(xiàn)路、過(guò)程、算法、結(jié)構(gòu)和技術(shù)，而無(wú)需不必要的詳細(xì)以免使所述實(shí)施例不清楚。此外，要注意的是實(shí)施例可以被說(shuō)明為被示出為流程圖、流程圖解、數(shù)據(jù)流程圖、 結(jié)構(gòu)圖、或方框圖的過(guò)程。雖然流程圖可以說(shuō)明作為連續(xù)過(guò)程的操作，但是可以并行或同時(shí) 執(zhí)行多個(gè)操作。此外，可以重新布置操作的順序。當(dāng)過(guò)程的操作完成時(shí)結(jié)束所述過(guò)程，但是 可以具有沒(méi)有包括在附圖中的另外的步驟。過(guò)程可以與方法、函數(shù)、程序、子例程、子程序等 相對(duì)應(yīng)。當(dāng)過(guò)程與函數(shù)相對(duì)應(yīng)時(shí)，所述過(guò)程的終止與函數(shù)到調(diào)用函數(shù)或主函數(shù)的返回相對(duì) 應(yīng)。
此外，如這里所公開(kāi)的，術(shù)語(yǔ)“存儲(chǔ)介質(zhì)”可以表示用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的一個(gè)或多個(gè)裝 置，包括只讀存儲(chǔ)器(ROM)、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)、磁RAM、磁心存儲(chǔ)器、磁盤(pán)存儲(chǔ)介質(zhì)、光 存儲(chǔ)介質(zhì)、閃速存儲(chǔ)器裝置、和/或用于存儲(chǔ)信息的其它機(jī)器可讀介質(zhì)。術(shù)語(yǔ)“計(jì)算機(jī)可讀 介質(zhì)”包括但不局限于便攜式或固定存儲(chǔ)器裝置、光學(xué)存儲(chǔ)器裝置、無(wú)線(xiàn)信道和能夠存儲(chǔ)、 包含或承載指令(一個(gè)或多個(gè))和/或數(shù)據(jù)的各種其它介質(zhì)。此外，可以通過(guò)硬件、軟件、固件、中間件、微碼、硬件描述語(yǔ)言，或所述硬件、軟件、 固件、中間件、微碼、硬件描述語(yǔ)言的任意組合實(shí)施實(shí)施例。當(dāng)在軟件、固件、中間件或微碼 中實(shí)施時(shí)，用于執(zhí)行必要任務(wù)的程序代碼或代碼段可以?xún)?chǔ)存在諸如存儲(chǔ)介質(zhì)的機(jī)器可讀介 質(zhì)中。處理器(一個(gè)或多個(gè))可以執(zhí)行必要的任務(wù)。代碼段可以表示過(guò)程、函數(shù)、子程序、 程序、例程、子例程、模塊、軟件包、類(lèi)、或指令、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、或程序語(yǔ)句的任意組合。代碼段可 以通過(guò)傳送和/或接收信息、數(shù)據(jù)、自變量、參數(shù)、或存儲(chǔ)內(nèi)容而耦合到另一個(gè)代碼段或硬 件線(xiàn)路?？梢酝ㄟ^(guò)包括存儲(chǔ)器共享、信息傳送、權(quán)標(biāo)傳遞、網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)热魏魏线m的方法傳遞、 轉(zhuǎn)發(fā)、或傳輸信息、自變量、參數(shù)、數(shù)據(jù)等。執(zhí)行實(shí)驗(yàn)以測(cè)量文丘里管的喉管段處的管壁/氣體芯徑向差壓(APw。,th)，并 且比較測(cè)量差壓和由以下模型計(jì)算得到的差壓(i)對(duì)氣體芯和液層都基于固體旋轉(zhuǎn) (solid-body rotation)的模型，和(ii)對(duì)于氣體芯來(lái)說(shuō)基于固體旋轉(zhuǎn)而對(duì)于液層來(lái)說(shuō)基 于自由渦的模型。實(shí)驗(yàn)顯示氣體芯壓力可以由測(cè)量的壁壓、液層滯留量和切向液體速度得 到，所述液層滯留量和切向液體速度可由超聲波傳感器測(cè)量。差壓、液體百分?jǐn)?shù)和液體切向速度測(cè)量值如圖1中示意性地所示，實(shí)驗(yàn)使用通過(guò)具有文丘里管2的導(dǎo)管1的漩流氣_液流。 切向入口 3用于在管內(nèi)生成漩流。在入口壁流出口 4與喉管壁流出口 5之間測(cè)量差壓ΔΡν。 還在喉管壁流出口 5和侵入式喉管氣體芯探頭7處測(cè)量靜壓(Pw,th)和(P。,th)。兩個(gè)超聲波 脈沖_反射和多普勒轉(zhuǎn)換器安裝在管喉段管頂側(cè)和下側(cè)，用于分別測(cè)量液層厚度和軸向速度。在水/液比(WLR)為0. 0 (油/氣兩相流)、0· 2,0. 5,0. 8或1. 0 (水/氣兩相流)
下并且在管喉段處的氣體體積分?jǐn)?shù)(GVF)達(dá)到大約95%的情況下執(zhí)行實(shí)驗(yàn)。氮?dú)狻⒚河秃?自來(lái)水是實(shí)驗(yàn)流體。由探頭7測(cè)量文丘里管的喉管處的氣體芯壓力P。,th。圖2中示出了對(duì)于各種WLR 相對(duì)于液體體積流量畫(huà)出的由實(shí)驗(yàn)確定的喉管管壁/氣體芯差壓APw。,th，并且由ΔΡψ。, th — Pw, th~PC, th ^ ii。喉管處的時(shí)均持液率(α 由超聲波多普勒測(cè)量值、脈沖-反射模式測(cè)量值、管 頂部-底部測(cè)量值、液層厚度測(cè)量值得到。圖3畫(huà)出α 與時(shí)均α 的標(biāo)準(zhǔn)偏差的比值， 并且顯示對(duì)于高氣體百分?jǐn)?shù)(即，在液體體積分?jǐn)?shù)LVF < 10%的情況下)來(lái)說(shuō)標(biāo)準(zhǔn)偏差可 與平均α 本身相當(dāng)。喉管處的徑向差壓對(duì)于液層和氣體芯假設(shè)固體旋轉(zhuǎn)，徑向壓力梯度dp/dr= ρΓω2(其中，ω是角速 度，而r是徑向距離)可以從管內(nèi)壁(r = R)積分到管中心(r = 0)，且氣體液體界面位于 r = rg處，以如下得到壁-芯差壓

(ρ液體α液體+ ρ氣體α氣體)
液體α液體
混合物向(^))2其中V^l 0 )是管壁處的(固體)切向液體速度，混合物密度P .混合物=P + ρ n#(l-a液體)。持液率α液體由超聲波液層厚度測(cè)量值和油水無(wú)滑移液體密度P液體= P水WLR+P油(I-WLR)得到，且WLR = q7K/qa體。因此，例如通過(guò)使用適當(dāng)對(duì)齊的多普勒超 聲傳感器(一個(gè)或多個(gè))得到的喉管管壁處的液層切向速度ν品(i )的直接測(cè)量值可以用 于確定壁-芯差壓ΔΡψ。。然而，液層切向速度ν品(Λ)的間接測(cè)量值可以由以超聲波的方式測(cè)量的液 層軸向速度獲得。圖4(a)-4(e)分別對(duì)于WLR = 0、0· 2、0· 5、0· 8和I顯示相 對(duì)于液層軸向速度( = q液體/(a m#AT)其中，At是喉管橫截面面積)畫(huà)出的
忑，并且在每一種情況下示出了《向⑷=ksBU液體線(xiàn)性擬合。為了
由超聲波測(cè)量值確定α ，在油中使用I345m/s的音速、在水中使用I450m/s的音速、而在 水/油混合物中使用I400m/s的音速。圖4(f)顯示相對(duì)于WLR的線(xiàn)性擬合斜率kSB的圖。圖4顯示ν品(R) = J2AP—/P混合物隨液體軸向速度u液體線(xiàn)性變化。
液體的):最佳擬合線(xiàn)性相關(guān)性的斜率kSB隨WLR的增加而增加，從而表明與對(duì)
于油-氣流來(lái)說(shuō)，切向速度對(duì)于水-氣流來(lái)說(shuō)更大。這認(rèn)為是由液體混合物粘度隨WLR的 變化(并因此由壁摩擦力的變化)引起的?；诠腆w旋轉(zhuǎn)模型計(jì)算， 1<1^< 1.3。對(duì)氣體芯假設(shè)固體轉(zhuǎn)體而對(duì)液層假設(shè)自由渦，即，假設(shè)以下切向速度剖面圖，可以
執(zhí)行類(lèi)似的分析 可以顯示的是氣體芯和液層的徑向壓力梯度則變?yōu)? 由方程(2)，管壁r = R處的液層切向速度為
α氣體對(duì)方程(3)從管壁到芯積分，從而提供徑向壓力梯度 其中^1T OO是管壁處的(固體主體/自由渦)切向液體速度。要注意的是對(duì)于 僅液體流來(lái)說(shuō)當(dāng)α?xí)r這種模型具有“奇異”點(diǎn)。此外，喉管處的切向速度^5^ OO的 直接超聲波測(cè)量值可以用于確定壁_芯差壓ΔΡΨ。?？蛇x地或另外地，可以由以超聲波的方 式測(cè)量的液層軸向速度u獲得液層切向速度T^f (A)。
5 (a)-5(e)分別對(duì)于 < 和1顯示相對(duì)于液層軸向速度u液 #所畫(huà)出的^s1T (R) Klh 氣體/[pmam + P%# )，并且在每一種情況下顯示出了 線(xiàn)性擬合(R) = kSBFVUis體。圖5(f)顯示相對(duì)于WLR的線(xiàn)性擬合斜率kSBFV的圖。圖5再次顯示了
體/(Z7液體α液體+夕氣體)隨液體軸向速度
線(xiàn)性變化，并且!^,隨札！ 的增加而增加。基于固體/自由渦旋轉(zhuǎn)模型計(jì)算， 0.7 由方程⑴和(4)，在低壓力下，比值kSBFV/kSB(等于固體旋轉(zhuǎn)模型的切向速度與固 體/自由渦模型的切向速度的比值)為
5)因此，比值kSBFV/kSB大大地取決于氣體分?jǐn)?shù)由測(cè)量的壁壓推導(dǎo)氣體芯壓力氣體密度可以通過(guò)以下公式與氣體壓力有關(guān) 其中麗1#是氣體分子量，是氣體常數(shù)，T是氣體溫度(絕對(duì)溫度)，Patm是大 氣壓力(對(duì)于 N2 氣體來(lái)說(shuō)，[kg/m3] = 3371XP[E]/T[K])。漩流徑向差壓模型(例如，方程(1)或方程(4))可以用于由壁壓推導(dǎo)氣體芯壓 力。這避免了使用安裝在管喉段的侵入式氣體芯壓力探頭7。已經(jīng)建立了形式為^的相互關(guān)系，可以將方程(1)的固體旋轉(zhuǎn)模型
改寫(xiě)為 由此
類(lèi)似地，在V^f (/ ) 、BF—相互關(guān)系的情況下，方程(4)的固體/自由渦模型可
以被改寫(xiě)為 由此 在方程⑶或方程(10)中，持液率
3
Ql α.
氣體
(10)
(Ct液體，α氣體=l—α液體
................…,.)和
軸向液體速度可以例如由超聲波脈沖-反射和/或多普勒轉(zhuǎn)換器測(cè)量。如果可 以例如由超聲波多普勒裝置得到液層切向速度V^1 OO或V^T O )的直接測(cè)量值，則 在方程⑶或方程(10)中由液層軸向速度(ua#)得到的所述直接測(cè)量值的估計(jì)值 ^m(Rhkss "液體或⑷d服"液體)可以由直接測(cè)量值代替。
圖6(a)和圖6(b)中分別顯示了由固體模型(方程(8))和固體/自由渦模型(方程(10))得到的、相對(duì)于由探頭7測(cè)量的相對(duì)應(yīng)的氣體芯壓力所畫(huà)的氣體芯喉管壓力P。th°對(duì)于圖6(a)來(lái)說(shuō)，推導(dǎo)的氣體芯壓力使用kSB = 1. 16的值，該值是對(duì)于WLR數(shù)據(jù)點(diǎn)的范圍 來(lái)說(shuō)用于v·^ 00 = kSBu液體的整體線(xiàn)性最佳擬合，而對(duì)于圖6(b)來(lái)說(shuō)，推導(dǎo)的氣體芯壓力 使用kSB = 0. 73的值，該值是對(duì)于WLR數(shù)據(jù)點(diǎn)的范圍來(lái)說(shuō)用于V^f (R) = kSBFVU液體的整體 線(xiàn)性最佳擬合。圖6 (c)和圖6(d)分別對(duì)固體模型和固體/自由渦模型顯示P。,&的推導(dǎo)值 和測(cè)量值之間的比值。對(duì)于高達(dá) 95%的GVF來(lái)說(shuō)，確定氣體芯壓力時(shí)不確定性在低管線(xiàn) 壓力處在測(cè)量值的士5%的范圍內(nèi)。由方程⑶和方程(10)，喉管氣體芯壓力部分誤差(Δρ氣體/p氣體)可以作為持液 率的絕對(duì)誤差(Λ α液體)的函數(shù)而被推導(dǎo)如下
(12)圖7顯示對(duì)于固體模型(方程(11)和固體/自由渦模型(方程(12)來(lái)說(shuō)在持液 率的絕對(duì)誤差Δ α ■等于α 的標(biāo)準(zhǔn)偏差(如圖3中所示)的情況下相對(duì)于喉管α ^ 畫(huà)出的氣體芯壓力(在喉管處)的部分誤差。對(duì)于兩種模型來(lái)說(shuō)，Δ ρ/p數(shù)據(jù)點(diǎn)中的 大多數(shù)都在讀數(shù)的5 %的范圍內(nèi)。結(jié)論評(píng)述實(shí)驗(yàn)表明可以由壁壓的測(cè)量值、液層滯留量的測(cè)量值和液體切向速度的測(cè)量值確 定氣體芯壓力。在多相流量計(jì)中，通常在管線(xiàn)條件下測(cè)量液體流量和氣體流量，但是這是所需的 標(biāo)準(zhǔn)條件(即，在大氣壓力和15°C )下的流量。為了確定這些標(biāo)準(zhǔn)流量，需要管線(xiàn)壓力和流 體的壓力-體積-溫度(PVT)說(shuō)明。因此，如上確定的氣體芯壓力可以在標(biāo)準(zhǔn)流量測(cè)量時(shí) 使用。更具體地，可以由在收縮部(例如，文丘里管的入口和喉管)兩端測(cè)量的差壓與測(cè) 量的(例如，以超聲波的方式)持液率、和氣體密度和液體密度(氣體密度由如上確定的氣 體芯壓力計(jì)算)確定總流量。可以由超聲波(例如，液層滯留量和軸向速度)測(cè)量值(直 接)確定液體流量。氣體流量則可以由總流量與以超聲波方式測(cè)量的液體流量之間的差來(lái) 確定。圖8顯示示出了根據(jù)本發(fā)明的用于確定氣體/液體流中的氣體芯壓力的方法。雖然已經(jīng)結(jié)合上述示例性實(shí)施例說(shuō)明了本發(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。以上涉及的所有參考通過(guò)引用在此并入。
權(quán)利要求
一種用于確定氣體/液體流中的靜態(tài)氣體壓力的方法，所述方法包括以下步驟使氣體/液體流漩流通過(guò)導(dǎo)管，其中，所述氣體/液體流被分離成氣體芯和液體外層；測(cè)量所述導(dǎo)管中的流動(dòng)參數(shù)，其中，測(cè)量的所述流動(dòng)參數(shù)包括液層切向速度、持液率和導(dǎo)管壁處的流動(dòng)的靜壓；以及由測(cè)量的所述流動(dòng)參數(shù)確定所述氣體芯的靜態(tài)氣體壓力。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述導(dǎo)管包括收縮部，所述收縮部具有減少的導(dǎo) 管橫截面，并且在所述收縮部處測(cè)量所述流動(dòng)參數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，以超聲波的方式測(cè)量所述液層切向速度和所述 持液率中的至少一個(gè)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述氣體/液體流包括兩種液相，并且測(cè)量的所 述流動(dòng)參數(shù)包括所述兩種液相的相對(duì)百分?jǐn)?shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括以下步驟使用所述靜態(tài)氣體壓力處理所述氣體/液體流中的流量。
6.一種用于確定氣體/液體流中的靜態(tài)氣體壓力的設(shè)備，所述設(shè)備包括 導(dǎo)管，所述導(dǎo)管用于輸送被分離成氣體芯和液體外層的漩流氣體/液體流；用于測(cè)量所述導(dǎo)管中的流動(dòng)參數(shù)的裝置，其中，測(cè)量的所述流動(dòng)參數(shù)包括液層切向速 度、持液率和導(dǎo)管壁處的流動(dòng)的靜壓；和處理器，所述處理器被構(gòu)造成由測(cè)量的所述流動(dòng)參數(shù)處理所述氣體芯的靜態(tài)氣體壓力。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的設(shè)備，還包括漩流元件，所述漩流元件用于誘導(dǎo)所述氣體/液 體流產(chǎn)生漩流。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的設(shè)備，其中，所述導(dǎo)管包括收縮部，所述收縮部具有相對(duì)于所 述導(dǎo)管減少的橫截面，并且在所述收縮部處測(cè)量所述流動(dòng)參數(shù)。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的設(shè)備，其中，所述用于測(cè)量所述導(dǎo)管中的所述流動(dòng)參數(shù)的裝 置包括一個(gè)或多個(gè)超聲波探頭，所述一個(gè)或多個(gè)超聲波探頭構(gòu)造成用于以超聲波的方式測(cè) 量所述液層切向速度和所述持液率中的至少一個(gè)。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的設(shè)備，其中，所述氣體/液體流包括兩種液相，并且測(cè)量的所 述流動(dòng)參數(shù)包括所述兩種液相的相對(duì)百分?jǐn)?shù)。
11.根據(jù)權(quán)利要求6所述的設(shè)備，其中，所述設(shè)備不包括實(shí)體地延伸到所述氣體芯的、 用于測(cè)量所述氣體芯的靜態(tài)氣體壓力的探頭。
12.根據(jù)權(quán)利要求6所述的設(shè)備，其中，所述設(shè)備相對(duì)于所述氣體/液體流是非侵入式的。
13.一種多相流量計(jì)，包括 根據(jù)權(quán)利要求6所述的設(shè)備；和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，所述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)被構(gòu)造成使用已確定的所述靜態(tài)氣體壓力確定所述氣 體、所述液體、和總氣體和液體中的至少一個(gè)的流量。
14.一種包括根據(jù)權(quán)利要求6所述的設(shè)備的油井管道或氣井管道。
15.一種關(guān)于導(dǎo)管使用在所述導(dǎo)管內(nèi)測(cè)量的流動(dòng)參數(shù)用于確定氣體芯的靜態(tài)氣體壓力 的用途，其中被分離成氣體芯和液體外層的漩流氣體/液體流流動(dòng)通過(guò)所述導(dǎo)管，所述流 動(dòng)參數(shù)包括液層切向速度、持液率、和導(dǎo)管壁處的流動(dòng)的靜壓。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種用于確定氣體/液體流中的靜態(tài)氣體壓力的設(shè)備和方法。所述設(shè)備和方法可以是相對(duì)于將要被分析的流動(dòng)是非侵入式的。所述設(shè)備和方法可以包括使多相流漩流，使得所述流動(dòng)被分離成氣體芯和液體外層；測(cè)量流動(dòng)參數(shù)，所述流動(dòng)參數(shù)包括液層切向速度、持液率和導(dǎo)管壁處的流動(dòng)的靜壓；和由測(cè)量的流動(dòng)參數(shù)確定氣體芯中的靜態(tài)氣體壓力。
文檔編號(hào)G01F1/44GK101900623SQ201010193379
公開(kāi)日2010年12月1日 申請(qǐng)日期2010年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月27日
發(fā)明者伊恩·阿特金森, 謝成鋼 申請(qǐng)人:普拉德研究及開(kāi)發(fā)股份有限公司