專利名稱：多相流測量的制作方法
技術領域：
本公開總體涉及對油氣井的多相流測量，但不以限制性的方式涉及高氣體體積流
量分數(shù)/滯留量和/或速度/流量測量。
背景技術：
大多數(shù)油氣井最終從地球地層開采油和氣，并且通常還開采水。因此，多相流在油 氣井中是普遍的。油氣生產井的地面監(jiān)測往往趨向于在氣體體積分數(shù)(GVF)的寬范圍內計 量多相流。這種示例是所謂的濕氣井，在所述濕氣井中，GVF通常大于95%，而液體流量通 常不超過每天幾百桶。對于這種生產管，通常需要測量氣體流量和液體流量，以及液相的成 分，例如，水/液態(tài)烴比(WLR)。對于具有GVF<95%的井來說，已經/通常使用內嵌式多 相流量計。計量高GVF流的兩個現(xiàn)有方法是分離和混合。分離方法用于將流動分成在一個通 道/導管內的幾乎液體流和在分離通道/導管內的幾乎氣體流，然后使用單相流量計分別 計量分離流?；旌戏椒ㄍㄟ^將相混合成均勻混合物試圖最小化不同相之間的滑脫，使得可 以簡化速度和滯留量測量?，F(xiàn)有方法能夠為計量具有高GVF的氣體流提供良好的精度，然而，液體速率計量 精度相對較差。這種方法的缺點還包括增加與分離裝置和混合裝置相關聯(lián)的成本和在管道 中額外的壓降和/或由于將分離裝置和/或混合裝置引入到管道內而在管道中對流動的中 斷。另外，在高GVF下，因為在這種條件下持液率非常低，因此混合方法可能不能用于精確 地測量滯留量和WLR。

發(fā)明內容
本發(fā)明的實施例用于測量在管內攜帶由油氣井中采出的烴和水的多相混合物的 流動特性。本發(fā)明的實施例可以用于組合用于測量管道中的氣相的流動特性的夾緊式超聲 波氣體流量計和用于測量液相的流動特性的脈沖多普勒傳感器(一個或多個)和/或射頻 (RF)/微波電磁(EM)傳感器(一個或多個)。傳感器的組合可以用于在諸如當氣_液正在大致水平管道中流動時、當流動被分層或使所述被分層和/或類似條件的一定流動條件下 進行多相流測量。流動的分層可以由重力分離自然產生，或者以人工的方式通過使用管徑 擴張或收縮和/或類似方法使流動減速而產生。在一個實施例中，本公開提供了一種用于測量包括在層流管中流動的氣態(tài)-液態(tài) 烴和水的多相混合物的流動特性的方法。在一個步驟中，在管中測量氣相的流動特性。使 用脈沖超聲波多普勒探頭在管中測量液相的流動特性。確定持氣率或持液率。使用持氣率 和氣相的流動特性計算管中的氣體流量。使用持液率和液相的流動特性計算管中的液體流量。在另一個實施例中，本公開提供了一種用于測量在層流管中流動的氣態(tài)-液態(tài)烴 和水的多相混合物的流動特性的系統(tǒng)。所述系統(tǒng)包括超聲波氣體流量計、脈沖超聲波多普 勒探頭和處理器。超聲波氣體流量計被構造成操作性地接合管，并且被構造成測量管中的 氣相的流動特性。脈沖超聲波多普勒探頭被構造成與管操作性地接合，并且被構造成測量 管中的液相的流動特性。處理器被構造成確定持氣率或持液率，使用持氣率和氣相的流動 特性計算管內的氣體流量，以及使用持液率和液相的流動特性計算管內的液體流量。本公開的進一步應用領域從以下提供的詳細說明清楚可見。應該理解的是雖然示 出了各種實施例，但是詳細說明和具體示例僅僅是出于說明的目的，并且不旨在必然限制 本公開的保護范圍。


以下結合

本發(fā)明，其中圖1A-1E示出了多相流測量系統(tǒng)的實施例的方框圖；圖2A-2E示出了詳細說明多相流測量系統(tǒng)的部件的管結構的實施例的正視圖；圖3A-3E示出了管結構的實施例的橫截面俯視圖，其中所述橫截面位于大致平行 于氣-液界面的平面內；圖4A-4E示出了管結構的實施例的橫截面俯視圖，其中橫截面位于大致垂直于管 道內的流動的平面；圖5示出了在多相流的情況下與管道相接合的超聲波脈沖多普勒探頭的實施例 的方框圖；圖6示出了具有射束聚焦能力的超聲波脈沖多普勒探頭的實施例的方框圖；和圖7示出用于測量管道內的多相烴流的過程的實施例的流程圖。在附圖中，類似的部件和/或特征可以具有相同的附圖標記。此外，相同類型的各 種部件可以通過在附圖標記之后具有虛線和在類似部件中進行區(qū)別的第二標記來區(qū)別。只 要在說明書中使用第一附圖標記，則不管第二附圖標記，說明適用于具有相同的第一附圖 標記的類似部件中的任一個。
具體實施例方式隨后的說明僅提供了優(yōu)選的示例性實施例(一個或多個)，并且目的不是限制本 公開的保護范圍、適用性或結構。相反，優(yōu)選的示例性實施例(一個或多個)的隨后說明將 為本領域的技術人員提供用于能夠實施優(yōu)選的示例性實施例的說明。要理解的是在不背離如所附權利要求所述的精神和保護范圍的情況下可以對元件的功能和布置做各種改變。在一些方面中，傳播時間超聲換能器可以被定位成靠近管道的中心線或在所述中 心線上方或者被定位在管道上的與氣相可以在管道中流動以測量管道中的氣相的位置處。 超聲波脈沖多普勒探頭(一個或多個)和/或電磁(EM)發(fā)射器和接收器可以繞管道的底 部部分設置或者設置在其中層流可以使液相在管道中流動的位置處。在本發(fā)明的一個方 面中，EM發(fā)射器和接收器基于RF/微波以確定水液比(WLR)和水的礦化度(如美國專利 No. 6，831，470中所述，該專利通過引用在此全文并入)。在本發(fā)明的一個實施例中，超聲波脈沖多普勒探頭繞管道的圓周以多普勒陣列布 置以測量氣-液流。另外，在一些實施例中，多普勒陣列可以用于估計WLR測量值。其它實 施例使用EM發(fā)射裝置作為WLR儀。在相同氣體體積分數(shù)(GVF)值的情況下，水平流的液相與氣相之間的滑脫速度非 常不用于垂直流的液相與氣相之間的滑脫速度。通常，水平情況下的滑脫要大得多。這表示 即使在相同的GVF情況下，水平情況下的持液率通常比垂直情況下的持液率要大得多。因 此，水平流的流型圖非常不同于垂直流的流型圖。通常作為近似規(guī)則，如果液體表面速度小于0. lm/s,而氣體表面速度小于25m/s， 則水平流中的流型為層流。對于氣體表面速度超過25m/s的情況來說，流型可以為環(huán)形霧 狀流。然而，申請人已經發(fā)現(xiàn)即使在環(huán)形流中，大多數(shù)液體形成朝向管道孔徑的底部部分的 層狀層，而流動中余下的液體在管壁上形成薄的并且緩慢移動的液體膜，或者作為液滴在 氣相中被攜帶。申請人:已經確定對于GVF > 0. 95并且液體流量< 3m3/hr來說持液率通常是含液 量的15倍。這表示如果液體流量是總流量的1%，則持液率是15%。因此，重力分離有助 于產生朝向水平管的下部的液體富集區(qū)和在所述水平管的下部的上方的氣體富集區(qū)。已知 這種流動中的相分布，本發(fā)明的實施例提供了可以對不同相域進行優(yōu)化的各種速度和滯留 量測量值。例如，在一些方面中，可以繞水平管子孔徑的下部執(zhí)行持液率測量，而可以在水 平管道的中間部分或繞所述水平管道的上部測量氣體速度。因此，本發(fā)明的實施例中的一 個提供了一種多相流量計，在一些方面中，所述多相流量計可以用于測量包括高氣體和低 液體的濕氣層流的水平氣_液層流。本發(fā)明的實施例提供了對來自油氣生產井的氣流、液流和油流的計量。對于濕氣 井來說，流動的GVF可以大于95%，而液體流量可以小于5m7hr。對于這種流動來說在水 平管道中的流型主要為層流或少量的環(huán)流，即，大多數(shù)液相形成朝向管道的底部的層流，而 氣體在液相上方移動。使用相的這種分離，本發(fā)明的一些實施例可以用于測量在分離液層 和氣體層中的相的流量。根據(jù)層狀氣_液流的分析，本發(fā)明的實施例提供了一種用于多相流計量的多傳感 器結構，在一些方面中，所述多傳感器結構可以對用于計量包括在高氣體和低液體條件下 的濕氣流的水平分層多相流進行優(yōu)化?？梢酝ㄟ^使用繞管子孔徑的適當高度安裝以確保對僅氣體/氣體富集區(qū)進行測 量的氣體流量計(例如，超聲波傳播時間氣體流量計)來測量氣體速度。沿著垂直于流動 方向的方向的另外管間超聲波傳輸測量值可以提供氣相內的液滴滯留量的信息。這種信息 可以用于提高氣體和液體流量測量的精度?？梢酝ㄟ^繞管的圓周安裝的超聲波多普勒傳感器的陣列來測量液體流動速度和持液率?？梢酝ㄟ^至少一對EM發(fā)射器和接收器測量液相 中的WLR，所述EM發(fā)射器和接收器的傳輸路徑主要被朝向管底部的液體富集區(qū)覆蓋。流量 計可以一段繞直管道安裝，并且可以使用非侵入式傳感器，因此對流動沒有干擾。在本發(fā)明的一個實施例中，超聲波夾緊式傳播時間氣體流量計和距離選通超聲波 多普勒探頭可以用于測量水平或近似水平生產管道中的層狀氣-液流的氣體流量和液體 流量。為了測量氣體流量，可以安裝一對傳播時間超聲波氣流換能器以在管的兩端水平側 向提供超聲波束(一個或多個)。超聲波多普勒探頭可以在下側安裝在管處以測量主要液 層的流量和厚度(因此測量體積分數(shù)或滯留量)?？梢杂善渲芯嚯x選通多普勒能量處于最 大值時的時滯測量值估計液層厚度。然后，在不需要侵入到管道內的生產流內的情況下，可 以由上述氣_液速度和液體分數(shù)測量值確定氣體流量和液體流量，在一些方面中，傳播時間(氣體)和多普勒(液體)流量和滯留量測量值還可以 用于推導普遍的流型信息(從流型圖)，因此有助于使用更多流型具體相關的氣-液速度滑 脫，用于可選地確定氣_液流量。首先參照圖1A，示出了多相流測量系統(tǒng)100-1的實施例的方框圖。多相流測量系 統(tǒng)100測量層狀氣-液流。與本說明書中的其它地方一起，此實施例至少在圖1A、2A、3A和 4A中進行了各種說明。此實施例包括超聲波氣體流量計118、超聲波脈沖多普勒探頭120、 處理器110、和接口端口 114。此實施例被構造成在其中GVF在75%或80%以下和/或流量 與低產井相對應使得相在水平管道中分層的情況下(例如，在3英寸管道中大約2000-5000 桶/天以下)運行。超聲波氣體流量計118測量氣相的速度。至少兩個傳播時間超聲換能器116相互 之間發(fā)射超聲波信號，并且可以測量上游流動傳播時間和下游流動傳播時間。氣相的流動 速度影響傳播時間，使得傳播時間的測量值可以用于推導氣體流動速度。傳播時間超聲換 能器116可以被構造成夾緊到管道上，或者可以嵌入到管壁的孔口中。一對傳播時間超聲 換能器116繞水平生產流動管道的周邊夾緊以在管徑兩端水平側向使超聲波束(一個或多 個)對齊。即，傳播時間超聲換能器116沿管道位于不同的點處，使得所述傳播時間超聲換 能器與氣相的流動方向成一角度。傳播時間超聲換能器116中的每一個都可以發(fā)射和接收 信號。傳播時間試驗可以包括一個傳播時間超聲換能器116-1發(fā)射第一信號，在沿相反的 方向發(fā)射第二信號之前，所述第一信號被另一個傳播時間超聲換能器接收。超聲波脈沖多普勒探頭120在此實施例中是距離選通式。多普勒探頭120可以在 1MHz下運行，以例如測量主要液層的流動速度。此實施例將超聲波脈沖多普勒探頭120在 下側夾在管上，以測量在管底部處流動的主要液層的流動速度。另外，還可以由超聲波脈沖 多普勒探頭120確定液-氣界面的液位或高度。管的內橫截面面積可以由超聲波管壁厚度 計來測量，或者利用來自超聲波脈沖多普勒探頭120的讀數(shù)來估計。內橫截面面積與流動 速度和滯留量測量值一起使用以確定每單位時間通過管道的液體、烴、和/或氣體的體積。處理器110構造有從收集的信息自動確定一些參數(shù)的狀態(tài)機和/或軟件。另外，通 過處理器110驅動和讀取各種探頭和換能器?？梢酝ㄟ^處理器110確定氣體、液體和烴流動 速度和體積分數(shù)/滯留量。多相流測量系統(tǒng)100的任何輸入或輸出通過接口端口 114。一 些實施例可以包括顯示結果和測量值的顯示器，但是此實施例僅僅將信息從接口端口 114 傳播到數(shù)據(jù)記錄裝置。
參照圖1B，示出了多相流測量系統(tǒng)100-2的另一個實施例的方框圖。與在本說明 書的其它位置一起，此實施例至少在圖1B、2B、3B中進行了各種說明。此實施例使用被布置 成多普勒陣列122的多個超聲波脈沖多普勒探頭120以允許比當使用單個探頭120時更加 準確的讀數(shù)。在本發(fā)明的一些方面中，探頭120在多普勒陣列122中的空間分布可以使得 繞水平管的下部密集，以更好地提供液_氣界面檢測分辨率。當在鄰近于多普勒探頭120的管內只有氣體或液體潤濕膜時，反射明顯不同于多 普勒探頭120鄰近于液相的情況。當多普勒探頭120鄰近于液相時，反射的多普勒能級更 高。在此實施例中，通過注意多普勒探頭120中的一個似乎更鄰近于潤濕膜而不是鄰近于 液相，可以進一步估計液-氣界面。接下來參照圖1C，示出了多相流測量系統(tǒng)100-3的另一個實施例的方框圖。與在 本說明書中的其它地方一起，至少在圖1C、2C、3C和4C中以各種方式說明了本實施例。與 圖IB的實施例不同，本實施例還包括使用超聲波氣體濕度換能器106測量氣相的濕度的氣 體溫度儀108，所述超聲波氣體濕度換能器被定位成靠近管道的頂部部分與管道相對以鄰 近氣相。超聲波氣體濕度換能器可以與在管道中期望的氣體進行阻抗匹配。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，氣體濕度儀108測量濕氣流，以在氣體流量確定期間 對氣霧進行校正。如上所述，可以通過使用超聲波氣體流量計118的超聲波傳播時間方法 測量氣體速度。對于圖1C、2C、3C中所示的結構來說，傳播時間通過以下方程與流動速度相 關(tBA-tAB) / (tBAtAB) = 2XV/L2(1)其中、是從點A到B(下游)的超聲波傳播時間，tBA是上游傳播時間，X是換能 器沿著流動方向的分離，L是超聲波傳播路徑的長度，而V是流動速度。要注意的是在公式 (1)中，兩個傳播時間測量值合并使得音速對V的測量值沒有影響。在本發(fā)明的另一個方面中，對傳播時間UabJba)的計算可以用于確定混合物音速 c(注意 c>>V)。c 2L/(t^+tBA)(IB)此測量的c可以與上游/下游傳輸衰減的測量值結合以推導氣相濕度。對于水平管道結構來說，可以自動確認超聲波路徑完全通過氣相。例如，對于濕氣 應用來說，持液率通常充分地在50%以下，超聲波路徑可以位于與管道的中心相交的水平 面內。這里，氣體流量由公式(2)給出q氣體=V(l-a 液體)A(2)其中α 是管內的持液率，而A是管橫截面面積。當測量液體連續(xù)區(qū)(例如，靠近管子孔徑的底部的層狀層和管壁上的膜)內的持 液率時，可以具有一些帶到在25m/s下的氣相內的小液滴。如果未校正，液滴濃度 的影響可能會產生另外的測量誤差。可以通過垂直于流動方向傳播的超聲波能測量液滴濃 度。這種能量的傳播時間和衰減可以用于估計液體霧的滯留量。音速與液滴濃度之間的關 系可以由以下公式(3)得出c = 1/ V (P β)(3)其中P是流體混合物的密度，β是壓縮系數(shù)，而c是混合物中的音速。液滴濃度的增加導致P增加，但是β沒有顯著變化。整體影響在于當液滴濃度增加時音速減小。假設濃度較低(通常小于管橫截面的5%)，并且與液滴尺寸相比將超聲 波波長選擇得較長，則超聲波能的衰減是液滴濃度的線性函數(shù)。參照圖1D，示出了多相流測量系統(tǒng)100-4的另一個實施例的方框圖。與在本說明 書中的其它位置一起，至少在圖1D、2D、3D和4D中以各種方式說明了本實施例。本實施例 包括用于測量氣體速度的超聲波氣體流量計118、用于測量持液率和液相的速度的多普勒 陣列122和WLR儀130。此實施例的WLR儀130使用將信號發(fā)射給多個電磁(EM)微波接收 器128的EM微波發(fā)射器128。EM微波發(fā)射器128通常位于管道的底部，而EM微波接收器 124在盡可能鄰近于流體層的位置處繞管道的圓周放置。WLR和水電導率/礦化度影響發(fā) 射的EM微波相移和/或振幅衰減測量值，使得可以確定WLR和水的含鹽量。其它實施例可以使用與單個EM微波接收器124 —起工作的EM微波發(fā)射器128。 EM發(fā)射器128可以連續(xù)或以不同頻率同時發(fā)射以在此實施例中實現(xiàn)多樣性。現(xiàn)有實施例使用一個或多個超聲波脈沖多普勒探頭120估計WLR。雖然根據(jù)雙能 量伽瑪射線測量值的核方法可以用于替換其它實施例的超聲波和微波EM滯留量測量值， 但是本實施例使用微波EM裝置124、128以確定WLR。然而，其它實施例可以使用微波EM、 伽瑪射線和/或超聲波的任意組合來確定WLR。接下來參照圖1E，示出了多相流測量系統(tǒng)100-5的實施例的方框圖。與在本說明 書的其它地方一起，至少在圖1E、2E、3E和4E中以各種方式說明了本實施例。此實施例在氣 相附近使用超聲波膜測量探頭或換 能器以測量管道內部上的液體或其它膜。這樣，多普勒 陣列122使其超聲波探頭120繞水平管道的下部更加緊緊地間隔開，以提供更好地液_氣 界面檢測分辨率，而膜測量探頭132繞上部分散開，用于進行膜厚度測量。參照圖2A，示出了詳細顯示多相流測量系統(tǒng)100-1的部件的管結構200_1的實施 例的正視圖。管道204由布置成圓柱形形狀的塑料襯管208制成。被液-氣界面230分離 的液相240和氣相250位于管道內。為了顯示管道204的隱藏后側的部件，虛線用于表示 這些部件。例如，第一發(fā)射時間超聲換能器116-1在管道的后側，而第二發(fā)射時間超聲換能 器116-2在前側。發(fā)射時間超聲換能器116沿管道204的長度放置在不同的位置處，使得信號朝向 管道204內的流動的軸線傾斜。此實施例使用位于管道204底部處的單個超聲波脈沖多普 勒探頭120。以下參照圖2B，示出了詳細顯示多相流測量系統(tǒng)100-2的部件的管結構200_2的 另一個實施例的正視圖。此實施例具有沿圓周方向布置在管道204的前側的多個超聲波脈 沖多普勒探頭120。另外的超聲波脈沖多普勒探頭120允許更加準確的讀數(shù)。此外，當具有 繞管道204的圓周布置的多普勒陣列122時，可以以大致更好的精度來確定液-氣界面的尚度。參照圖2C，示出了詳細顯示多相流測量系統(tǒng)100-3的部件的管結構200-3的又一 個實施例的正視圖。此實施例類似于圖2B的實施例，但是還包括氣體濕度儀108。兩個超 聲波氣體濕度換能器106在盡可能與氣體層250接觸的位置處布置在管道204的頂部范圍 內以形成氣體濕度儀108。兩個濕度換能器106沿著同一的圓周大致彼此直接相對。以下參照圖2D，示出了詳細顯示多相流測量系統(tǒng)100-4的部件的管結構200_4的 另一個實施例的正視圖。此實施例在WLR(和水的含鹽量)儀130中使用RF/微波EM信號。在管道204的下半部分周圍，布置有EM接收器124，所述EM接收器從位于管道底部處的EM 發(fā)射器128接收RF/微波信號。各種EM元件124、128基本上沿著管道204的同一圓周定 位。
參照圖2E，示出了詳細顯示多相流測量系統(tǒng)100-5的部件的管結構200_5的實施 例的正視圖。除了超聲波氣體流量計118之外，此實施例具有多普勒陣列122和超聲波膜 量測換能器132。僅以示例的方式，多普勒陣列122可以包括七個超聲波脈沖多普勒探頭 120，如圖2E中所示，所述七個超聲波脈沖多普勒探頭沿著管道204的下半部分的圓周分 布。在其它實施例中，可以使用其它數(shù)量的多普勒探頭。超聲波膜測量換能器132沿著管 道的上半部分的圓周稀疏地分布。其它實施例可以將探頭120和換能器132以稍微隨機的 方式分布在所述管道相應的范圍內，而不是必需要沿著彼此相同的圓周分布。以下參照圖3A，示出了管結構200-1的實施例的橫截面俯視圖，其中所述橫截面 位于在管道204的大約中間部分或上半部分的大致平行于氣_液界面230的平面內。在此 實施例中，傳播時間超聲換能器116相互指向并且嵌入到塑料襯管208內，但是在其它實施 例中可以被夾住。多相流測量系統(tǒng)100-1的其它元件在此橫截面中沒有出現(xiàn)，并且不做說 明。參照圖3B，示出了管結構200-2的另一個實施例的橫截面俯視圖，其中所述橫截 面位于大致平行于氣_液界面230的平面內。除了顯示傳播時間超聲換能器116之外，此 實施例顯示了超聲波脈沖多普勒探頭120中作為多普勒陣列122的一部分的一個超聲波脈 沖多普勒探頭。接下來參照圖3C，示出了管結構200-3的又一個實施例的橫截面俯視圖，其中所 述橫截面位于大致平行于氣_液界面的平面內。除了圖3B中所示的部件之外，此實施例顯 示了布置在塑料襯管208內的超聲波氣體濕度換能器106，但是其它實施例可以使用夾緊 式結構。參照圖3D，示出了管結構200-4的另一個實施例的橫截面俯視圖，其中所述橫截 面位于大致平行于氣_液界面230的平面內。圖3D和4D顯示W(wǎng)LR儀103及其EM接收/ 發(fā)射元件124、128的布置。在圖3D的橫截面中僅示出了單個EM接收器124，但是要理解的 是具有多個EM接收器124，所述多個EM接收器被布置成使得所述EM接收器盡可能地鄰近 于液相240。在此實施例中，EM發(fā)射器128和多個EM接收器124用于根據(jù)本發(fā)明的一個實施 例使用RF/微波方法測量層狀液層中的持水率和水的含鹽量。如圖3D和圖4D中所示，EM 發(fā)射器128安裝在管(通過適當?shù)慕殡姷牟拇?的下側處，從而發(fā)射例如在幾百MHz到幾 GHz范圍內的頻率。多個EM接收器124繞管圓周(也通過適當?shù)慕殡姴牧洗翱?安裝在 與EM發(fā)射器128傾斜例如30度、60度和90度的傾斜位置處。根據(jù)EM接收器124相對于 氣_液界面230的位置選擇適當?shù)腅M接收器124。通常，其位置在氣-液界面230上方的 EM接收器124和被液體覆蓋的感測路徑具有最大百分比的EM接收器(例如，圖4D中的第 四EM接收器124-4)可以提供最靈敏的測量。通過由超聲波多普勒陣列122測量值產生的 氣_液界面測量信息可以有助于選擇適當?shù)腅M接收器124-4。RF/微波測量對被水覆蓋的傳輸路徑的百分比是靈敏的。所述RF/微波測量對油 氣之間的差不是很靈敏。因此，對于固定水電導率(礦化度)來說，RF/微波衰減或類似物與持水率成比例。由RF/微波測量的持水率可以與通過使用超聲波脈沖多普勒探頭(一個或多個)120的方法測量的總持液率結合，以推導WLR。在油與水之間具有滑脫的情況下 (如在分層情況下)，由滑脫模型估計或通過使用超聲波脈沖多普勒探頭(一個或多個)120 直接測量的滑脫值可以用于確定WLR。RF/微波測量還可給出多相流條件下的水電導率的 在線確定，因此給出普通水相的水的含鹽量，如美國專利No6，831，470中所述，該專利通過 引用在此全文并入。氣體的流量由上述公式(2)給出，其中氣體速度V通過超聲波傳播時間方法測量， 而滯留量通過各種超聲波(多普勒和/或管間傳輸)方法測量。雖然對于干氣體速度測量 來說精度較高(即，對用商業(yè)儀來說在百分之幾的范圍內)，但是在多相情況下，尤其在氣 體與液滴之間存在顯著滑脫時，精度可能降低。如果持氣率測量誤差限制在士％ (對于持 氣率大于70%來說可以實現(xiàn)這種相對精度，如在典型的濕氣流中)，則可以實現(xiàn)士 10%的 氣體流量誤差。液體流量由都通過諸如英國專利GB2363455B中所述的超聲波多普勒方法測量的 速度和滯留量的綜合來確定?？蛇_到的速度測量精度可以為士 10%。另一方面，尤其在低 持液率處可能難以最小化相對滯留量測量誤差。因此，當液體流量減小而GVF增加時，期望 增加液體速率誤差。用于在線內嵌式應用先進的信號處理的換能器設計可以減小誤差水 平。對WLR誤差的貢獻可以來自于持水率測量誤差、持液率測量誤差以及持水率與 WLR由于水相與油相之間的滑脫而產生的差。如果油在分層分布中與水分離，則很有可能發(fā) 生速度的滑脫。在這種情況下，忽略這種滑脫將導致對WLR的不準確估計，因此對油和水流 量的不準確估計。具有多個探頭120的多普勒陣列122(例如，圖2B中所示)可以用于測 量分層分布中分離油的速度和分離水的速度，并因此測量滑脫。當這種滑脫很有可能發(fā)生 時，處理器110可以進行自動識別，并且改變模型以更加精確地估計WLR。以下參照圖3E，示出了管結構200-5的實施例的橫截面俯視圖，其中所述橫截面 位于大致平行于氣-液界面230的平面內。此實施例具有從管道的前側延伸到后側的多普 勒陣列122。另外，具有超聲波膜測量換能器132，其中示出了多個中的一個用于測量氣相 250中的液體膜245。參照圖4A，示出了管道結構200-1的實施例的橫截面俯視圖，其中所述橫截面位 于大致垂直于管道204內的流的平面內。在此視圖中僅示出了多相流測量系統(tǒng)100-1中的 一些。具體地，超聲波脈沖多普勒探頭120被顯示為位于管道204的底部以測量液相240 的流動和氣_液界面230的高度。接下來參照圖4B，示出了管道結構200-2的另一實施例的橫截面俯視圖，其中 所述橫截面位于大致垂直于管道204內的流動的平面內。此視圖顯示了多相流測量系統(tǒng) 100-2的多普勒陣列122。在此實施例中使用五個超聲波脈沖多普勒探頭120。第五個超聲 波脈沖多普勒探頭120-5位于氣-液界面230上方，而第四個超聲波脈沖多普勒探頭120-4 位于下方。通過分析來自這些探頭120-5、120-4的讀數(shù)，處理器可以決定氣-液界面230 在兩者之間。此外，在氣_液界面230下方的其它探頭可以使用來自脈沖的反射來估計高 度。參照圖4C，示出了管道結構200-3的另一個實施例的橫截面俯視圖，其中所述橫截面位于大致垂直于管道204內的流動的平面內。在此視圖中示出了多相流測量系統(tǒng) 100-3的多個部分。具體地，示出了多普勒陣列122和氣體濕度儀108。利用虛線示出了超 聲波信號在超聲波氣體濕度換能器106之間的來回通過。 接下來參照圖4D，示出了管結構200-4的又一個實施例的橫截面俯視圖，其中所 述橫截面位于大致垂直于管道204內的流動的平面。在此視圖中示出了多相流測量系統(tǒng) 100-4的多個部分。四個EM接收器124被示出為以不同的角度繞管道204的下半部分的圓 周分布。EM發(fā)射器128位于管道204的底部處。參照圖4E，示出了管結構200-5的實施例的橫截面俯視圖，其中所述橫截面位于 大致垂直于道204內的流動的平面。此視圖顯示了多相流測量系統(tǒng)100-5的多普勒陣列 122以及超聲波膜測量換能器132。在此實施例的多普勒陣列122中具有九個超聲波脈沖 多普勒探頭120，但是其它實施例可以具有在六個與十個之間的任意數(shù)量。三個超聲波膜 測量換能器132每一個都對膜進行讀取。通過已知氣_液界面230的位置和流體動力學模 型，可以通過處理器110估計膜中的液體量。三個高頻率(因此高空間和速度分解)多普勒換能器132可以安裝在管204的上 部以測量環(huán)形流中的液體膜的速度和厚度。這種信息則可以與管204的下部附近的液層 240的測量值結合，并且與由氣體速度流量計118和氣體濕度儀108得出的攜帶液滴的流量 結合，以生成整個液體流動速度?？梢允褂帽扔糜谀ず穸葴y量的頻率低的頻率進行分層液層240周圍的測量。通 常，空間分辨率與頻率f成比例，而衰減與頻率f2成比例。此外，對于脈沖多普勒系統(tǒng)來說， 最大速度測量范圍與f成反比。僅以示例的方式，對于在管的底部附近相對快速移動的液 層來說，基于管尺寸可以在一些實施例中使用1-3MHZ的頻率，而對于在管壁上緩慢移動的 膜來說，可以使用4-8MHz的頻率。5MHz頻率在水中具有0. 3mm厚度分辨率。接下來參照圖5，示出了通過多相流與管204接合的超聲波脈沖多普勒探頭120 的實施例的方框圖。塑料部件515用于增加超聲波脈沖多普勒探頭120的精度。塑料部件 515吸收來自換能器晶體504的能量，并且與塑料襯管208進行阻抗匹配。塑料部件515的 作用是衰減在塑料襯管壁208傳播的能量，并因此在流動中產生更加可預測的波束圖。其 它實施例可以使用除了用于部件515的材料之外的材料。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，美國專利No6，758，100說明另外用于根據(jù)移頻和多普 勒反射能級確定液體速度和滯留量以便測量層狀氣_液流的多普勒測量原理和信號處理 方法的細節(jié)，該專利的內容通過引用在此全文并入。如圖4E中所提供的，可以通過距離選 通超聲波多普勒換能器120的多普勒陣列122進行液體速度和滯留量測量，所述距離選通 超聲波多普勒換能器120可以繞管外側安裝，使得所述距離選通超聲波多普勒換能器對于 流動來說是非侵入式的。在這種結構中，管圓周可以被多普勒陣列122掃描。因為換能器 僅從被液相240覆蓋的區(qū)域接收強多普勒回波，因此可以由繞圓周的多普勒能量分布來確 定持液率?？梢杂啥嗥绽疹l移測量液相240的速度。 參照圖6，示出了具有射束聚焦能力的超聲波脈沖多普勒探頭的實施例的方框圖。 在夾緊情況下，鋼管壁加寬超聲波束，并因此使掃描的空間分辨率降低。因此，在本發(fā)明的 一些方面中，如果可能，鋼管可以在管的一部分中被塑料襯管208代替，這允許使用聚焦機 構以提高分辨率。如圖6中所示，可以通過第一材料604實現(xiàn)聚焦延遲線，與塑料襯管的音速相比，所述第一材料具有更高的音速。第二材料608具有與管相同的音速。在這樣一個 實施例中，襯管208中的折射波束將具有較小的發(fā)散角。通過修改形狀和材料，此實施例中 可以發(fā)生各種聚焦。其它實施例可以使用多元件換能器陣列和相位電激勵以實現(xiàn)聚焦。接下來參照圖7，示出了用于測量管204內的烴的多相流的過程700的實施例的 流程圖。過程的說明部分在方框704中開始，在方框704中，液相240和氣相250分層。管 204的水平截面可以用于使多相混合物流分層。在一些方面中，可以確定水平截面的長度以 提供層流，并且在其它方面中，諸如具有內徑大于管的擴大段或類似部分的系統(tǒng)可以用于 減小多相混合物的流量，并且用于在管204的水平截面中產生層流。在一些方面中，流動多 相混合物可以被超聲波傳感器、微波傳感器、光學傳感器、和/或類似裝置詢問，以確定多 相混合物是否在層流狀態(tài)下流動。例如，多普勒詢問可以用于確定在管中是否存在液-氣 界面和/或確定液_氣界面存在于管道內的什么位置。在方框704中，超聲波氣體流量計118可以測量氣相250的速度。當在現(xiàn)場操作時，傳播時間超聲換能器116中的一個或多個可以被浸沒在液體中或以其它方式被液體堵 塞。如果是這種情況，處理器110注意誤差條件并且可以采取修正動作，但是可能不能夠采 集氣相250的讀數(shù)。在方框708中，超聲波脈沖多普勒探頭(一個或多個)120可以測量液 相240的流動速度。另外，在方框712中，超聲波脈沖多普勒探頭(一個或多個)120可以 使用反射和/或記錄器測量氣_液界面230的高度，其中多普勒陣列122中的探頭120看 起來沒有浸沒在液相中。使用EM發(fā)射器128和接收器124，方框716允許確定通過在前面方框中執(zhí)行的測 量值被確認的分層液相的WLR。在方框720中使用超聲波膜測量換能器132任選地測量氣相250中的液體膜245。 在方框724中測量氣體濕度，以確定氣體流動測量值是否盡可能精確或者處理器110是否 可以使用其它算法來確定或估計氣體流。通過在前面的方框中采集的信息，可以通過處理 器110確定在方框728中確定的液相流量和/或液態(tài)烴流量。所述信息可以轉播給其它系 統(tǒng)和/或被顯示。在本發(fā)明的各個方面中，還可以通過超聲波傳播時間和距離選通多普勒系統(tǒng)提供 以下信息-極低的多普勒能量管間剖面圖值表示單相氣流或單相液體流(通常具有標記的 速度讀數(shù)；通常在油田水或油流中總是具有雜質/散射)。-在單相氣流的情況下，超聲波傳播時間氣體流量計118提供速度讀數(shù)。_對于液體百分數(shù)表示(例如，在載氣中的攜帶的液態(tài)霧/液滴百分數(shù))來說，在 一些情況下也可以使用來自傳播時間氣體儀118的音速測量值。-可以使用脈沖多普勒系統(tǒng)在所選擇的管深度(一個或多個)處的瞬時速度或能 量讀數(shù)以表示與流型信息(例如，段塞長度/頻率)有關的流動波動；和-兩個多普勒探頭可以軸向分開地安裝在管下側和/或頂側以通過交叉關聯(lián)所述 兩個多普勒探頭同時取樣的多普勒流動速度或能量數(shù)據(jù)來推導例如段塞速度(對于段塞 流來說，所述段塞速度與氣體速度密切相關)。還可以使用公開的實施例的多個變化和修改。例如，對于給定多相流測量系統(tǒng)來 說，各種流量計、陣列、換能器、傳感器、發(fā)射器、和接收器可以以各種方式組合。另外，在各種實施例中傳感器、探頭和換能器的數(shù)量可以不同。 雖然以上已經結合具體設備和方法說明了本公開的原理，但是要清楚地理解僅僅是以示例的方式進行此說明，而不是限制本公開的保護范圍。
權利要求
一種用于測量包括在層流管中流動的氣態(tài)-液態(tài)烴和水的多相混合物的流動特性的方法，所述方法包括以下步驟測量所述管中的氣相的流動特性；使用脈沖超聲波多普勒探頭測量所述管中的液相的流動特性；確定持氣率或持液率；使用所述持氣率和所述氣相的流動特性計算所述管中的氣體流量；以及使用所述持液率和所述液相的流動特性計算所述管中的液體流量。
2.根據(jù)權利要求1所述的用于測量包括在層流管中流動的氣態(tài)-液態(tài)烴和水的多相混 合物的流動特性的方法，還包括以下步驟確定所述液相的水與液體比(WLR)；以及使用所述液體流量和所述WLR計算所述管中的水流量和液態(tài)烴流量。
3.據(jù)權利要求1所述的用于測量包括在層流管中流動的氣態(tài)-液態(tài)烴和水的多相混合 物的流動特性的方法，其中，所述測量所述管中的氣相的流動特性的步驟使用包括多個傳 播時間超聲換能器的超聲波氣體流量計。
4.根據(jù)權利要求1所述的用于測量包括在層流管中流動的氣態(tài)-液態(tài)烴和水的多相混 合物的流動特性的方法，還包括以下步驟以超聲波的方式確定所述氣相的濕度。
5.根據(jù)權利要求1所述的用于測量包括在層流管中流動的氣態(tài)-液態(tài)烴和水的多相混 合物的流動特性的方法，還包括以下步驟自動確定所述多相混合物被分層。
6.根據(jù)權利要求1所述的用于測量包括在層流管中流動的氣態(tài)-液態(tài)烴和水的多相混 合物的流動特性的方法，其中，所述脈沖超聲波多普勒探頭是以多普勒陣列布置的多個脈 沖超聲波多普勒探頭中的一個。
7.根據(jù)權利要求6所述的用于測量包括在層流管中流動的氣態(tài)-液態(tài)烴和水的多相混 合物的流動特性的方法，還包括以下步驟使用所述多普勒陣列以確定所述多相混合物被分層。
8.根據(jù)權利要求1所述的用于測量包括在層流管中流動的氣態(tài)-液態(tài)烴和水的多相混 合物的流動特性的方法，其中，所述確定持氣率或持液率的步驟包括以下步驟使用所述脈沖超聲波多普勒探頭確定所述氣_液界面的高度。
9.根據(jù)權利要求1所述的用于測量包括在層流管中流動的氣態(tài)-液態(tài)烴和水的多相混 合物的流動特性的方法，還包括以下步驟調節(jié)所述多相混合物以使所述管中的所述液相分層。
10.根據(jù)權利要求1所述的用于測量包括在層流管中流動的氣態(tài)-液態(tài)烴和水的多相 混合物的流動特性的方法，其中所述管被水平布置以使所述多相混合物分層；以及所述超聲波氣體流量計操作性地接合所述管的上半部分，所述上半部分在上方并且包 括與所述管的中線對齊的水平面。
11.根據(jù)權利要求1所述的用于測量包括在層流管中流動的氣態(tài)-液態(tài)烴和水的多相 混合物的流動特性的方法，其中，所述管被水平布置以使所述多相混合物分層，并且還包括以下步驟以超聲波的方式測量在管的與所述管的中線對齊的水平面上方的上半部分處的液體膜。
12.根據(jù)權利要求1所述的用于測量包括在層流管中流動的氣態(tài)_液態(tài)烴和水的多相 混合物的流動特性的方法，其中所述管道被水平布置以使所述多相混合物分層；以及所述超聲波氣體流量計操作性地接合所述管的在與所述管的中線對齊的水平面下方 的下半部分。
13.根據(jù)權利要求2所述的用于測量包括在層流管中流動的氣態(tài)_液態(tài)烴和水的多相 混合物的流動特性的方法，其中，所述確定WLR的步驟包括以下步驟將電磁(EM)信號發(fā)射通過所述液相。
14.根據(jù)權利要求13所述的用于測量包括在層流管中流動的氣態(tài)-液態(tài)烴和水的多相 混合物的流動特性的方法，其中，將電磁(EM)信號發(fā)射通過所述液相的發(fā)射步驟使用EM發(fā) 射器和EM接收器，所述EM發(fā)射器和所述EM接收器都靠近所述液相操作性地接合所述管。
15.一種用于測量在層流管中流動的氣態(tài)_液態(tài)烴和水的多相混合物的流動特性的系 統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括超聲波氣體流量計，所述超聲波氣體流量計被構造成操作性地接合所述管；并且測量所述管中的氣相的流動特性；脈沖超聲波多普勒探頭，所述脈沖超聲波多普勒探頭被構造成與所述管操作性地接 合，并且被構造成測量所述管中的液相的流動特性；和處理器，所述處理器被構造成確定持氣率或持液率；使用所述持氣率和所述氣相的流動特性計算所述管內的氣體流量；以及使用所述持液率和所述液相的流動特性計算所述管內的液體流量。
16.根據(jù)權利要求15所述的用于測量在層流管中流動的氣態(tài)-液態(tài)烴和水的多相混合 物的流動特性的系統(tǒng)，其中，所述處理器進一步被構造成確定所述液相的WLR;以及使用所述液體流量和所述WLR計算所述管內的液態(tài)烴流量和水流量。
17.根據(jù)權利要求15所述的用于測量在層流管中流動的氣態(tài)-液態(tài)烴和水的多相混合 物的流動特性的系統(tǒng)，其中，GVF在20%以上但在99%以下。
18.根據(jù)權利要求15所述的用于測量在層流管中流動的氣態(tài)_液態(tài)烴和水的多相混 合物的流動特性的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)還包括EM發(fā)射器和EM接收器，所述EM發(fā)射器和所述EM 接收器都靠近所述液相操作性地接合所述管。
19.根據(jù)權利要求18所述的用于測量在層流管中流動的氣態(tài)-液態(tài)烴和水的多相混合 物的流動特性的系統(tǒng)，其中，所述EM發(fā)射器和所述EM接收器用于測量WLR和水的含鹽量。
20.根據(jù)權利要求15所述的用于測量在層流管中流動的氣態(tài)-液態(tài)烴和水的多相混合 物的流動特性的系統(tǒng)，其中所述管被水平布置以使所述多相混合物分層；以及所述超聲波氣體流量計操作性地接合所述管的上半部分，所述上半部分在上方并且包 括與所述管的中線對齊的水平面。
21.根據(jù)權利要求15所述的用于測量在層流管中流動的氣態(tài)-液態(tài)烴和水的多相混合 物的流動特性的系統(tǒng)，其中所述管被水平布置以使所述多相混合物分層；以及所述超聲波氣體流量計操作性地接合所述管的在與所述管的中線對齊的水平面下方 的下半部分。
22.根據(jù)權利要求15所述的用于測量在層流管中流動的氣態(tài)-液態(tài)烴和水的多相混合 物的流動特性的系統(tǒng)，其中，所述脈沖超聲波多普勒探頭是以多普勒陣列布置的多個脈沖 超聲波多普勒探頭中的一個。
23.根據(jù)權利要求15所述的用于測量在層流管中流動的氣態(tài)-液態(tài)烴和水的多相混合 物的流動特性的系統(tǒng)，其中，所述超聲波氣體流量計包括多個傳播時間超聲換能器元件。
24.根據(jù)權利要求15所述的用于測量在層流管中流動的氣態(tài)-液態(tài)烴和水的多相混合 物的流動特性的系統(tǒng)，其中，所述脈沖超聲波多普勒探頭包括適于距離選通脈沖多普勒測 量的換能器。
25.根據(jù)權利要求24所述的用于測量在層流管中流動的氣態(tài)-液態(tài)烴和水的多相混合 物的流動特性的系統(tǒng)，其中所述脈沖超聲波多普勒探頭被構造成測量所述液相的流動速度和厚度；以及 能夠通過所述液相中的音速和所述距離選通多普勒能量最大時的時滯估計所述液層厚度。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于測量在管內攜帶由油氣井中采出的氣態(tài)-液態(tài)烴和水的多相混合物的流動特性的方法和系統(tǒng)。所述方法和系統(tǒng)可以用于組合用于測量管道中的氣相的流動特性的夾緊式超聲波氣體流量計和用于測量液相的流動特性的脈沖多普勒傳感器(一個或多個)和/或射頻(RF)/微波電磁(EM)傳感器(一個或多個)。傳感器的組合可以用于在諸如當氣-液正在大致水平管道中流動時、當流動被分層或使所述被分層和/或類似條件的一定流動條件下進行多相流測量。
文檔編號G01F1/00GK101802562SQ200880107708
公開日2010年8月11日 申請日期2008年9月17日 優(yōu)先權日2007年9月18日
發(fā)明者伊恩·阿特金森, 謝成鋼, 黃松明 申請人:普拉德研究及開發(fā)股份有限公司