用于多相流體的高側(cè)電流測量技術(shù)的制作方法
【專利摘要】提供技術(shù)供測量多相計量系統(tǒng)中的一個或更多參數(shù)。多相計量系統(tǒng)包含被配置為傳輸流過程的一個或更多流成分的傳輸構(gòu)造。電極可以設(shè)置得與傳輸構(gòu)造的橫截面同心，以確定流經(jīng)橫截面積的流體的參數(shù)。多相計量系統(tǒng)包含具有測量電路的測量電子設(shè)備，測量電路包含具有實質(zhì)上等于多相計量系統(tǒng)的寄生阻抗的阻抗的平衡負載。測量電子設(shè)備還包含適于基于由測量電路感測的電流來確定一個或更多參數(shù)，諸如流速、流量等的處理器。
【專利說明】用于多相流體的高側(cè)電流測量技術(shù)
【背景技術(shù)】
[0001]流過程可以包含其中流體流經(jīng)導管的過程。流過程涉及若干不同的產(chǎn)業(yè)，諸如油氣、精煉、食品和飲料、化學和石化、發(fā)電、藥物、以及水和廢水處理產(chǎn)業(yè)。在各種流過程中涉及的流體可以是單相流體(例如氣體、水、或液體/液體混合物等)和/或多相混合物(例如油和沙子、或液體/固體混合物等)。多相混合物可以包含具有多于一相的、諸如兩相液體/氣體混合物、固體/氣體混合物、固體/液體混合物、液體/液體混合物、攜帶氣體的液體或者三相混合物的材料的流。
[0002]在某些產(chǎn)業(yè)、諸如油氣產(chǎn)業(yè)中，可以監(jiān)控或測量流過程，以確定流動流體中不同成分的量和/或流體成分的流率。例如，當從海洋汲取油氣時，油、水、氣體和沙子會以不同量并以不同速率經(jīng)由管道汲取。測量該多相混合的量和/或流率可以改善油氣生產(chǎn)過程。例如，汲取油氣的過程可以響應于汲取的混合中高量的水或者沙子來調(diào)節(jié)。
[0003]用于監(jiān)控或者測量油氣流過程中不同流體成分的一些技術(shù)包含使用多相計量系統(tǒng)來測量流經(jīng)管道的不同流體的阻抗。然而，流過程有時可能涉及可能難以監(jiān)控的高阻抗流體。此外，根據(jù)要測量的流體的本質(zhì)，流經(jīng)導管的流體的流動模式、和/或多相計量系統(tǒng)的配置、寄生阻抗可能干擾對流過程的精確監(jiān)控并測量。常規(guī)的多相計量技術(shù)可能對于測量涉及相對高阻抗流體和/或高寄生阻抗的流過程不夠充分精確。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]一個實施例包含被配置為測量與測量的負載相關(guān)的一個或更多參數(shù)的系統(tǒng)。系統(tǒng)包含具有第一輸入和第二輸入的差分放大器。系統(tǒng)還包含連接至差分放大器的第一輸入的電極。電極被配置為輸送經(jīng)由測量的負載的電流。連接至差分放大器的第一輸入的第一感測阻抗被配置為攜帶經(jīng)由測量的負載或者并聯(lián)于測量的負載的寄生負載的一個或更多負載的電流。系統(tǒng)還包含連接至差分放大器的第二輸入并連接至系統(tǒng)的地的平衡負載。平衡負載被配置為對寄生負載進行平衡。系統(tǒng)還包含連接至第二輸入的第二感測阻抗。第二感測阻抗具有實質(zhì)上等于第一感測阻抗的阻抗的阻抗，被配置為攜帶經(jīng)由平衡負載的電流。
[0005]在另一個實施例中，提供一種多相計量系統(tǒng)。多相計量系統(tǒng)包含被配置為傳輸流過程的一個或更多流成分的傳輸管道。多相計量系統(tǒng)還包含一個或更多電極，被配置為測量流經(jīng)傳輸管道的一個或更多流成分的一個或更多參數(shù)。此外，多相計量系統(tǒng)包含的測量電子設(shè)備具有與一個或更多電極通信的測量電路。測量電路包含的平衡負載具有實質(zhì)上等于多相計量系統(tǒng)的寄生阻抗的阻抗。
[0006]另一個實施例包含監(jiān)控多相流體計量系統(tǒng)中的流參數(shù)的方法。該方法包括感測所述多相流體計量系統(tǒng)中跨流成分的一部分的差分電壓降；以及使用平衡負載來平衡所述多相流體計量系統(tǒng)的寄生阻抗。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0007]當參考附圖閱讀下面的【具體實施方式】時，本發(fā)明的上述和其他特征、方面和優(yōu)點將變得更好理解，其中，各圖中同樣的附圖標記代表同樣的部分，其中:
圖1是依據(jù)本公開的技術(shù)的、用于確定與流經(jīng)管道的一個或更多流體關(guān)聯(lián)的參數(shù)的多相計量系統(tǒng)的概要圖；
圖2-4是依據(jù)本公開的技術(shù)的、多相計量系統(tǒng)中的管道的剖視圖的概要圖；
圖5是依據(jù)本公開的技術(shù)的、連接至多相計量電路的傳感器的剖視圖的概要圖；以及 圖6是依據(jù)本公開的技術(shù)的、適于測量經(jīng)由多相流過程的電流的電路的電路圖。
【具體實施方式】
[0008]本公開的實施例涉及用于經(jīng)由對體積進行測量來更精確地確定電阻抗的系統(tǒng)和方法。確定電阻抗可以涉及測量體積的電條件，諸如跨體積的電壓和流經(jīng)體積的電流。在一些實施例中，測量跨體積的電壓和感測經(jīng)由體積的電流可以涉及測量布置在體積上的電極對之間的電條件。例如，阻抗測量系統(tǒng)的一個實施方式包含多相計量系統(tǒng)，該多相計量系統(tǒng)可以包含繞導管布置的電極。電極可以被配置為經(jīng)由導管和/或經(jīng)由流經(jīng)導管的流體來傳輸和/或接收電流。多相計量系統(tǒng)還可以包含電路，該電路適于基于電極測量來計算并處理流經(jīng)導管的流體的各種參數(shù)。
[0009]圖1提供了用于確定與流經(jīng)管道的一個或更多流體關(guān)聯(lián)的參數(shù)的多相計量系統(tǒng)的一個示例。多相計量系統(tǒng)10包含適于傳輸流體的導管，諸如管子或者管道12。系統(tǒng)10可以包含繞傳輸管道12布置的一個或更多電極14，電極14可以電連接至測量電子設(shè)備16，測量電子設(shè)備16具有適于接收并分析電極測量的一個或更多處理器17和電路18，以確定與流經(jīng)管道12的流體相關(guān)的一個或更多參數(shù)。
[0010]例如，在油氣生產(chǎn)中，一般稱作流成分的油、水、氣體、和/或沙子可以經(jīng)由海洋生產(chǎn)平臺經(jīng)由管道12汲取。該流成分可以同時流經(jīng)管道12，不同流成分的分布還可以在管道12內(nèi)以各種模式流動。管道12可以具有實質(zhì)上圓形的橫截面，并可以適于傳輸各種類型的流成分。流成分可以以不同的軸向和/或徑向模式流動，并可以在管道12內(nèi)分層和/或不分層。
[0011]在一些實施例中，多相計量系統(tǒng)10可以被用于監(jiān)控與經(jīng)由傳輸管道12的各種流成分的流動模式相關(guān)的參數(shù)。例如，系統(tǒng)10可以被用于連續(xù)測量流成分的一個或更多參數(shù)，諸如流速、體積流率等。系統(tǒng)10可以包含繞管道12設(shè)置的一個或更多電極14。例如，在一些實施例中，電極14可以布置在具有實質(zhì)上圓形橫截面的電極體15。電極體15可以相對于管道12位于同心，使得當流成分經(jīng)由管道12行進時，可以測量經(jīng)由管道12的橫截面行進的一部分流成分的一個或更多參數(shù)。
[0012]電極14可以適于測量經(jīng)由管道12的橫截面積行進的流成分的電特性，電極體15圍繞管道12定位。例如，圖2是具有布置得與管道12的截面同心的多個電極14的管道12的橫截面不意圖。在一些實施例中，一個或更多電極14 (例如傳輸電極14a)可以經(jīng)由流成分傳輸電流，并且對應的電極14 (例如接收電極14b)可以測量響應于傳輸?shù)碾娏鞫a(chǎn)生的對應的電場。在一些實施例中，測量電子設(shè)備16可以適于將電流傳輸至流成分。例如，測量電子設(shè)備16可以包含信號產(chǎn)生器,信號產(chǎn)生器可以被用于經(jīng)由傳輸電極14向管道12和流成分施加交流電壓。測量電子設(shè)備16還可以包含適于測量并輸出流成分的電響應的電路18。[0013]如圖2所示，每個電極對可以相對設(shè)置，諸如分別為傳輸和接收電極14a和14b、14c和14d、14e和14f、以及14g和14h。在一些實施例中，如圖3所示，電極對可以相鄰地配對，諸如分別為傳輸和接收電極14i和14j、14k和141、14m和14η、以及14ο和14ρ。此夕卜，在一些實施例中，如圖4所示，電極對可以另外不同地配對，諸如分別為傳輸和接收電極14q和14r、14s和14t、14u和14v、以及14w和14x。在一個或更多實施例中，電極對可以布置并被配置為傳輸電流和/或測量經(jīng)由管道12行進的流成分的電條件。應該注意的是圖2-4中的每個包含圍繞管道12的軸向截面設(shè)置的8個電極14，但在其他實施例中，不同數(shù)量的電極14可以圍繞管道12的軸向截面布置，并且電極14還可以被布置在管道12的多個軸向截面。此外，在一些實施例中，多相計量系統(tǒng)10可以涉及圍繞管道12的電極14的不同布置。例如，電極對可以跨管道12的縱向長度布置。
[0014]此外，在一些實施例中，電極14可以設(shè)置在管道12的內(nèi)表面上(即設(shè)置在管道12的與流成分相鄰側(cè))，如圖1-4中示出的那樣。在其他實施例中，電極14還可以設(shè)置在管道12的外表面(即設(shè)置在管道12的與流成分相對側(cè))，如圖5所示。在一些實施例中，電極14的屏蔽可以由同軸線纜20的屏蔽24連接至測量電路18。
[0015]可以由多相計量系統(tǒng)10的測量電子設(shè)備16來測量并分析在每個電子對之間產(chǎn)生的電場，以基于測量的電條件來確定流成分的各種參數(shù)。測量電子設(shè)備16可以包含處理器17，處理器17可以基于測量的流成分的電特性來確定各種參數(shù)。例如，處理器17可以確定電極對(例如傳輸電極14a和接收電極14b)之間的差分電壓，以確定在電極對之間行進的一個或更多流成分的阻抗。由于諸如油、水、氣體和沙子的不同流體成分中的每個都具有不同的阻抗，因此處理器17可以基于測量的阻抗來確定流成分的各種參數(shù)，諸如不同流成分的數(shù)量、流速、體積流率等。此外，由于若干電極對可以繞管道12的橫截面積布置，因此可以確定經(jīng)由橫截面積行進的實質(zhì)上所有的流成分。例如，處理器17可以基于繞橫截面積設(shè)置的電極體15的電極測量，來分解經(jīng)由管道12的橫截面積的流動流的橫截面。
[0016]根據(jù)測量的流成分的本質(zhì)、其中流成分經(jīng)由管道12傳輸?shù)倪^程、和/或同軸線纜20的長度(圖5)，不期望的寄生阻抗可能有時會干擾精確地測量經(jīng)由流成分的差分電壓和/或感測電流，流成分經(jīng)由管道12行進。尤其是，以相對高的速度經(jīng)由管道12移動并且負載阻抗具有相對小改變的流成分可能難以精確測量并分析。例如，在油氣生產(chǎn)期間汲取的流體可以以相對高的速度經(jīng)由管道12流動。該流成分可以以相對高的頻率在管道12中以不同的軸向和/或徑向模式流動。此外，經(jīng)由管道12汲取的不同流成分的數(shù)量在流過程期間可能改變，但是不同流成分的比率的顯著改變可能導致可能難以檢測的、負載阻抗的相對小的改變。此外，當寄生阻抗干擾計量系統(tǒng)時，阻抗的小改變可能會特別難以檢測。在一些系統(tǒng)中，相對大的寄生阻抗可能會汲取泄漏電流，該泄漏電流大于負載電流或者在電極對之間測量的電流。
[0017]在一些實施例中，測量電子設(shè)備16可以包含補償寄生阻抗的電路18，使得可以更精確地檢測負載電流。圖6是代表本公開的一個或更多實施例中測量電路18的電路圖。在一些實施例中，測量電路18代表傳輸與接收電極對(例如圖2中傳輸電極14a與接收電極14b)之間的電關(guān)系。例如，電阻Rsense26可以代表可以連接至差分放大器30的輸入38和地的直流電源36的接收電極14b的電阻。電源36可以代表由傳輸電極14a傳輸?shù)碾娏?。電?8可以放大跨高側(cè)Rsmse26的差分電壓降，以確定流經(jīng)管道12的流成分的電流。流成分被代表為電路18中并串聯(lián)連接至Rsmse26的負載28。
[0018]可以從電源36汲取電流的寄生阻抗在電路18中代表作為并聯(lián)于測量的負載28的寄生負載32。根據(jù)寄生負載32，經(jīng)由寄生負載32汲取的電流可以大于經(jīng)由測量的負載28汲取的電流。在該實例中，常規(guī)地可以具有連接至地的另一個輸入40的差分放大器30因為由并聯(lián)于測量的負載28的寄生負載32創(chuàng)造的大共模電壓，可能不能精確地測量經(jīng)由測量的負載28的差分電壓。
[0019]在一些實施例中，測量電路18可以包含連接在差分放大器30的輸入40與電源地之間的平衡負載34。電路18還可以包含連接至電源36的第二電阻Rsense' 44，第二電阻Rsense' 44串聯(lián)于平衡負載34，并且并聯(lián)于感測電阻Rsense26。平衡負載34具有可以實質(zhì)上等于寄生負載32的阻抗的阻抗，第二電阻Rsens/44可以實質(zhì)上等于感測電阻Rsense26。這樣，來自流經(jīng)平衡負載34的電流的電壓降可以實質(zhì)上等于來自流經(jīng)寄生負載32的電流的電壓降。因為差分放大器30可以產(chǎn)生與其2個輸入38和40的電壓的差成比例的輸出42，因此當平衡阻抗34等于寄生阻抗32時，寄生電容32的阻抗可能不會顯著影響差分放大器30的輸出42。
[0020]由于差分放大器30的輸出42可以與跨傳輸(例如電極14a)與接收(例如電極14b)電極對之間的流成分測量的電壓的差成比例，因此輸出42可以被用于確定測量的流成分的特性。在一個實施例中，多個電極對(例如電極對14a和14b、電極對14c和14d、以及電極對He和14f)可以遍及流過程連續(xù)被用于測量每個對之間的差分電壓，并且來自每個電極對的對應的輸出42可以并行傳輸至一個或更多處理器17。在一些實施例中，多個處理器17中的每個可以被用于并行處理來自多個電極對測量的每個輸出42。在其他實施例中，多個輸出42可以被多路復用傳輸至一個處理器17用來處理。一個或更多處理器17可以確定在每個電極對之間測量的流成分的電特性，諸如阻抗?；谶B續(xù)測量的輸出42，一個或更多處理器17可以實質(zhì)上實時確定不同流成分的參數(shù)。例如，一個或更多處理器17可以在測量過程期間連續(xù)確定不同流成分的數(shù)量、流速、體積流率等。
[0021]在一些實施例中，RsenJ 44可以在10Ω至IkQ之間。例如，在一個實施例中，RsenJ 44可以約為200 Ω。在一些實施例中，平衡負載34可以具有在IpF至500pF之間的阻抗。例如，在一個實施例中，平衡負載34可以具有約30pF的阻抗。此外，在一些實施例中，測量的負載28的阻抗的大小可以在5Ω與1ΜΩ之間。在不同實施例中，根據(jù)被測量的負載和/或被用于測量負載的系統(tǒng)，RsenJ 44、平衡負載34和測量的負載28的每個可以不同。例如，在多相計量系統(tǒng)中，寄生負載32可以被諸如同軸線纜20的長度和/或測量的負載28的阻抗等參數(shù)影響。因此，為了平衡跨評價的寄生負載32的電壓降，平衡負載34可以基于同軸線纜20的長度、測量的負載28的阻抗和/或已知的寄生負載阻抗。
[0022]應該注意的是，測量電路18的各種元件被代表為具有電阻或者電容的電阻或者負載，但在一個或更多實施例中，測量電路可以包含對由電源36提供的電流具有不同電響應的元件。例如，電阻Rs_26 —般代表電極14中的感測電子設(shè)備的電阻，感測電子設(shè)備可以包含具有除了由電阻Rsmse26代表的電阻之外的電容的額外的元件。此外，示例范圍的寄生和平衡負載32和34以法拉提供，但在一些實施例中，平衡負載34可以具有實質(zhì)上匹配寄生負載32的阻抗的電阻性成分。
[0023]此外，本公開中說明了多相計量系統(tǒng)作為用于具有寄生阻抗平衡電路的阻抗測量系統(tǒng)的一個示例，但一個或更多實施例可以適于不同類型的測量系統(tǒng)，并且可能不限于多相計量。此外，油氣生產(chǎn)被用作示例，用于可以利用該多相計量技術(shù)的產(chǎn)業(yè)，但本公開可以應用到其他產(chǎn)業(yè)，不限于油氣生產(chǎn)。
[0024]該書面說明使用包含優(yōu)選模式的示例公開了本發(fā)明，另外能使本領(lǐng)域的技術(shù)人員實踐本發(fā)明，包含制造并使用任何設(shè)備或系統(tǒng)并執(zhí)行任何整合的方法。本發(fā)明的可專利的范圍由權(quán)利要求限定，并可以包含本領(lǐng)域的技術(shù)人員能想到的其他示例。如果該其他示例具有沒有不同于權(quán)利要求的字面語言的構(gòu)成要素，或者如果其包含與權(quán)利要求的字面語言具有非實質(zhì)差異的等同構(gòu)成要素，那么該其他示例預期落入權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種系統(tǒng)，被配置為測量與測量的負載相關(guān)的一個或更多參數(shù)，所述系統(tǒng)包括: 差分放大器，具有第一輸入和第二輸入； 電極，連接至所述第一輸入，其中，所述電極被配置為輸送經(jīng)由所述測量的負載的電流； 第一感測阻抗，連接至所述第一輸入，其中，所述第一感測阻抗被配置為攜帶經(jīng)由所述測量的負載或者與所述測量的負載并聯(lián)的寄生負載的一個或更多負載的電流； 平衡負載，連接至所述第二輸入并連接至所述系統(tǒng)的地，其中，所述平衡負載被配置為平衡所述寄生負載；以及 第二感測阻抗，連接至所述第二輸入，其中，所述第二感測阻抗包括實質(zhì)上等于所述第一感測阻抗的阻抗，其中，所述第二感測阻抗被配置為攜帶經(jīng)由所述平衡負載的電流。
2.如權(quán)利要求1所述的所述系統(tǒng)，其中，所述第一輸入連接在所述第一感測阻抗與所述測量的負載之間。
3.如權(quán)利要求1所述的所述系統(tǒng)，包括被配置為測量經(jīng)由導管的流過程的電極體，其中，所述電極體包括一個或更多電極。
4.如權(quán)利要求3所述的所述系統(tǒng)，其中，所述測量的負載包括一個或更多所述流過程的流成分，其中，所 述一個或更多電極被配置為感測經(jīng)由所述一個或更多流成分的各個電流。
5.如權(quán)利要求1所述的所述系統(tǒng)，其中，與測量的負載相關(guān)的所述一個或更多參數(shù)包括所述測量的負載的一個或更多流成分的流速，其中，所述一個或更多流成分包括水、油、氣體、沙子及其組合。
6.如權(quán)利要求1所述的所述系統(tǒng)，包括適于傳輸所述測量的負載的管道，其中，所述電極被配置為耦合至所述管道，以感測經(jīng)由所述測量的負載的所述電流。
7.—種多相計量系統(tǒng)，包括: 傳輸管道，被配置為傳輸一個或更多流過程的流成分； 一個或更多電極，被配置為測量流經(jīng)所述傳輸管道的所述一個或更多流成分的電條件；以及 測量電子設(shè)備，包括與所述一個或更多電極通信的測量電路，并且包括平衡負載，所述平衡負載具有實質(zhì)上等于所述多相計量系統(tǒng)的寄生阻抗的阻抗。
8.如權(quán)利要求7所述的多相計量系統(tǒng)，其中，所述電條件包括所述一個或更多流成分上的電壓降、經(jīng)由所述一個或更多流成分的電流、所述一個或更多流成分的阻抗、或者其組入口 ο
9.如權(quán)利要求7所述的多相計量系統(tǒng)，其中，所述一個或更多電極被布置在電極體中，所述電極體布置得實質(zhì)上與所述傳輸管道的橫截面同心。
10.如權(quán)利要求7所述的多相計量系統(tǒng)，其中，所述測量電子設(shè)備包括處理器，所述處理器被配置為從所述一個或更多電極接收所述電條件測量，并被配置為基于所述電條件來確定與所述一個或更多流成分相關(guān)的一個或更多參數(shù)。
11.如權(quán)利要求10所述的多相計量系統(tǒng)，其中，所述一個或更多參數(shù)包括所述傳輸管道的橫截面積中的一個或更多所述流成分的流速、體積流率、以及數(shù)量中的一個或更多。
12.如權(quán)利要求7所述的多相計量系統(tǒng)，包括差分放大器，所述差分放大器被配置為輸出與跨所述一個或更多流成分的一部分的所述差分電壓降成比例的電壓。
13.如權(quán)利要求12所述的多相計量系統(tǒng)，其中，所述差分放大器包括第一輸入和第二輸入，并且其中，所述第一輸入連接至所述一個或更多電極中的一個，以測量所述一個或更多流成分的所述一部分的電條件。
14.如權(quán)利要求13所述的多相計量系統(tǒng)，其中，所述平衡負載布置在所述第二輸入與所述多相測量系統(tǒng)的地之間。
15.如權(quán)利要求13所述的多相計量系統(tǒng)，其中，所述測量電路包括平衡阻抗，所述平衡阻抗包括實質(zhì)上等于所述一個或更多電極中的一個的阻抗的阻抗，其中，所述第二輸入連接在所述平衡阻抗與所述平衡負載之間。
16.如權(quán)利要求15所述的多相計量系統(tǒng)，其中，所述平衡阻抗在10Ω至IkQ之間。
17.如權(quán)利要求7所述的多相計量系統(tǒng)，其中，所述平衡負載在IpF至500pF之間。
18.如權(quán)利要求7所述的多相計量系統(tǒng)，其中，所述一個或更多流成分的測量的部分的阻抗的大小在5 Ω與1ΜΩ之間。
19.一種監(jiān)控多相流體計量系統(tǒng)中的流參數(shù)的方法，所述方法包括: 感測所述多相流體計量系統(tǒng)中的跨流成分的一部分的差分電壓降；以及 使用平衡負載來平衡所述多相流體計量系統(tǒng)的寄生阻抗。
20.如權(quán)利要求19所述的所述方法,包括輸出與第一電壓輸入和第二電壓輸入之間的電壓差成比例的電壓，其中，所述第一電壓輸入包括所述流成分的所述一部分上的電壓降以及所述寄生阻抗上 的所述電壓降，并且所述第二電壓輸入包括所述平衡負載上的電壓降。
21.如權(quán)利要求20所述的所述方法，包括基于所述輸出電壓來確定所述流參數(shù)。
【文檔編號】G01R27/22GK103946696SQ201280059339
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2012年11月15日 優(yōu)先權(quán)日:2011年11月30日
【發(fā)明者】S.邁蒂, A.M.梅, J.R.瓦爾德, S.馬哈林格姆 申請人:通用電氣公司