專利名稱：使用具有不同靈敏度深度的兩個(gè)開端式同軸探頭測(cè)量多相混合物中的液體的特性的系統(tǒng) ...的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開總體涉及測(cè)量在管道在流動(dòng)的多相混合物的特性，并且更具體地但不是限 制性地，本公開涉及使用具有不同靈敏度深度的探頭測(cè)量多相混合物的液相的液體分?jǐn)?shù)和 水液比。
背景技術(shù)：
在油氣工業(yè)中，油氣生產(chǎn)井的地面監(jiān)測(cè)往往趨向于計(jì)量具有大范圍氣體體積流動(dòng) 分?jǐn)?shù)(GVF)的多相流。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(duì)于這種生產(chǎn)井，通常需要測(cè)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。對(duì)于具有GVF <95%的井來說，內(nèi)嵌式(in-line)多 相流量計(jì)可以用于測(cè)量流動(dòng)特性。然而，在GVF大于95%時(shí)，內(nèi)嵌式計(jì)量可能是有問題的， 并且用于計(jì)量高GVF流的兩種現(xiàn)有方法是分離和混合。分離方法用于使將要被測(cè)量/表征 的流動(dòng)分成幾乎液體流和幾乎氣體流，然后使用單相流量計(jì)分別計(jì)量分離流?；旌戏椒ㄔ?圖最小化不同相之間的滑脫，使得可以獲得速度和滯留量測(cè)量值。現(xiàn)有方法能夠?yàn)橛?jì)量具有高GVF的氣體流提供良好的精度，然而，液體流動(dòng)特性 的測(cè)量可能不準(zhǔn)確?，F(xiàn)有方法的缺點(diǎn)還包括增加與分離裝置和混合裝置相關(guān)聯(lián)的成本和管 道中的壓降和/或在管道中由于將分離裝置和/或混合裝置引入到輸送油氣混合物的管道 內(nèi)而使管道內(nèi)的流動(dòng)中斷。另外，在高GVF下，因?yàn)樵谶@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(cè)量滯留量和水液比(“WLR”)。

發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，提供了一種用于測(cè)量流動(dòng)通過管道的多相混合物的特 性的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括旋動(dòng)元件，所述旋動(dòng)元件被構(gòu)造成生成多相混合物的環(huán)形流；第 一探頭，所述第一探頭在第一位置處聯(lián)接到管道的內(nèi)壁，且第一探頭被構(gòu)造成接觸沿管道 的內(nèi)壁流動(dòng)的多相混合物的液相；和第二探頭，所述第二探頭在第二位置處聯(lián)接到管道的 內(nèi)壁，且第二探頭被構(gòu)造成接觸沿所述管道的內(nèi)壁流動(dòng)的多相混合物的液相；其中，第一探 頭和第二探頭包括射頻頻率范圍的電磁感測(cè)探頭、微波頻率范圍的電磁感測(cè)探頭和毫米波 頻率范圍的電磁感測(cè)探頭中的一個(gè)；第一探頭和第二探頭被構(gòu)造成具有不同的靈敏度深 度；以及第二探頭具有第二靈敏度深度，其中第二靈敏度深度被構(gòu)造成大于在管道的內(nèi)壁 上流動(dòng)的液相的深度/厚度。在根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，提供了一種用于測(cè)量在管中流動(dòng)的多相混合物
4的特性的方法，所述方法包括以下步驟使多相混合物旋動(dòng)以在管中產(chǎn)生環(huán)形流，其中，環(huán) 形流包括多相混合物的在管的內(nèi)壁上的液相流；使用具有第一靈敏度深度的第一探頭測(cè)量 在管的內(nèi)壁上流動(dòng)的液相的環(huán)形流的第一視復(fù)介電常數(shù)；使用具有第二靈敏度深度的第二 探頭測(cè)量在管的內(nèi)壁上流動(dòng)的液相的環(huán)形流的第二視復(fù)介電常數(shù)，其中，第二靈敏度深度 大于在管的內(nèi)壁上流動(dòng)的液相的環(huán)形流的深度；以及使用處理器液相的特性進(jìn)行處理。在本發(fā)明的多個(gè)方面中，探頭可以包括開端式同軸探頭。探頭可以包括射頻頻率 范圍的電磁感測(cè)探頭、微波頻率范圍的電磁感測(cè)探頭和/或毫米波頻率范圍的電磁感測(cè)探 頭。根據(jù)本發(fā)明，可以通過使用探頭測(cè)量多相混合物正在流動(dòng)通過的管中的兩個(gè)位置處的 多相混合物的環(huán)形流的視介電常數(shù)，以測(cè)量在管的內(nèi)壁上流動(dòng)的環(huán)形流的多相混合物的液 相的深度/厚度、多相混合物的液體分?jǐn)?shù)、液相的水液比和/或類似物。


以下結(jié)合

本公開，其中圖1是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的安裝在管壁中的同軸探頭的圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的雙探頭流動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的方框圖；以及圖3是用于處理由具有不同靈敏度深度的兩個(gè)探頭測(cè)量的管道中的多相混合物 的環(huán)形流的視介電常數(shù)以確定環(huán)形流的液相流動(dòng)特性的過程的實(shí)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(biāo)記。此外，不同類型的各 種部件可以通過在附圖標(biāo)記之后具有虛線和在類似部件中進(jìn)行區(qū)別的第二標(biāo)記來區(qū)別。只 要在說明書中使用第一附圖標(biāo)記，則不管第二附圖標(biāo)記，說明適用于具有相同的第一附圖 標(biāo)記的類似部件中的任一個(gè)。
具體實(shí)施例方式隨后的說明僅提供了示例性實(shí)施例，并且目的不是限制本公開的保護(hù)范圍、適用 性或結(jié)構(gòu)。相反，示例性實(shí)施例的隨后說明將為本領(lǐng)域的技術(shù)人員提供用于能夠?qū)嵤┮粋€(gè) 或多個(gè)示例性實(shí)施例的說明。要理解的是在不背離如所附權(quán)利要求所述的本發(fā)明的精神和 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，系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)、及其 它部件可以被顯示為在方框圖中的部件，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，可以顯示公知的過程、技術(shù)、及其它方法，而無需不必要的詳細(xì)以免使所述實(shí)施 例不清楚。此外，要注意的是個(gè)別實(shí)施例可以作為被描述為流程圖、程序框圖、結(jié)構(gòu)圖、或方 框圖的過程而進(jìn)行說明。雖然流程圖可以說明作為順序進(jìn)程的操作，但是許多操作可以并 行或同時(shí)執(zhí)行。此外，可以重新組合操作的順序。此外，在一些實(shí)施例中可以不發(fā)生任意一 個(gè)或多個(gè)操作。當(dāng)過程的操作完成時(shí)，所述過程結(jié)束，但是可以具有沒有包括在附圖中的另 外的步驟。過程可以與方法、程序等相對(duì)應(yīng)。圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的安裝在管壁中的同軸探頭。如圖所示，單 個(gè)微波開端式同軸探頭116嵌裝在管壁118處，并且與(水-油)液層114接觸，所述液層
5在此示例中被示出為夾帶有氣體。探頭116的內(nèi)導(dǎo)體具有外半徑a，探頭116的外導(dǎo)體具 有內(nèi)半徑b ；探頭絕緣體(所述探頭絕緣體熱穩(wěn)定并且電穩(wěn)定，優(yōu)選地為陶瓷或玻璃)的介 電常數(shù)為A。在所述結(jié)構(gòu)中，a、b和Α的適當(dāng)選擇確定探頭116的特性阻抗Z。。探頭116 通過微波同軸電纜112連接到微波反射計(jì)110，所述微波同軸電纜優(yōu)選地具有Z。的特性阻 抗。微波反射計(jì)110可以用于產(chǎn)生與探頭孔徑處的復(fù)反射系數(shù)G有關(guān)的復(fù)反射系數(shù)r的測(cè) 量值。圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的雙探頭流動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)。在本發(fā)明的實(shí)施例中， 深探頭210中的至少一個(gè)和淺探頭220中的至少一個(gè)可以用于感測(cè)在管道240中流動(dòng)的多 相混合物230的液相的特性。僅以示例的方式，在油氣工業(yè)中，多相混合物可以包括氣態(tài)烴 類，而多相混合物的液相可以包括水和/或油。在本發(fā)明的實(shí)施例中，確定多相混合物230的液相的特性。在本發(fā)明的一些方面， 雙探頭流動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)可以用于在多相混合物230包括濕-氣流的情況下確定液相的特性， 并且更具體地，可以在GVF大于95 %的情況下使用。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，多相混合物 230的液相可以在管道240的內(nèi)壁上的環(huán)狀層233中流動(dòng)。在多相混合物230是濕氣且濕 氣的流動(dòng)包括液相沿管道壁的流動(dòng)和作為氣芯的氣相沿管道的流動(dòng)的情況下，這會(huì)自然發(fā) 生。在這些情況下，對(duì)氣芯/液體環(huán)狀流的認(rèn)知和/或?qū)庑?液體環(huán)狀流的感測(cè)可以用于 定位根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)和/或用于確定適合使用這種系統(tǒng)來確定液相的流動(dòng)特性的時(shí)間。在一些實(shí)施例中，漩流誘導(dǎo)元件245可以用于使多相混合物230旋動(dòng)，使得當(dāng)所述 多相混合物沿管道240移動(dòng)時(shí)使所述多相混合物旋動(dòng)。在這種漩流下，液相通常沿管道240 的內(nèi)壁作為環(huán)狀層233流動(dòng)，且氣芯236流動(dòng)通過管道240的橫截面的其余部分。漩流誘 導(dǎo)元件245可以包括葉輪、彎曲元件、進(jìn)入管道240內(nèi)的傾斜/切向流入裝置和/或用于在 多相混合物230中生成漩渦型流的類似物。在共同待審的美國(guó)出版物No. 2008/0223146中 更加全面地說明了漩渦流和這種流動(dòng)的生成，該出版物通過引用在此全文并入。 在本發(fā)明的實(shí)施例中，相同、不同和/或可控制/期望靈敏度深度的、多個(gè)安裝在 管壁的射頻(RF)、和/或微波、和/或毫米波頻率范圍的電磁感測(cè)探頭可以用于提供多相混 合物的液相的特性的測(cè)量值(例如，在管壁上流動(dòng)的液層的厚度和WLR)。在本發(fā)明的多個(gè) 方面中，具有不同靈敏度深度的多個(gè)安裝在管壁的開端式同軸探頭(以下簡(jiǎn)稱同軸探頭或 微波探頭)可以用于提供多相混合物的液相的特性的測(cè)量值。在一個(gè)實(shí)施例中，圖1中所 示的同軸探頭可以用作感測(cè)探頭。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，深探頭210和淺探頭220與管壁聯(lián)接以與環(huán)狀層233 接觸。對(duì)于同軸探頭，如上所述，這種探頭可以被表征為具有帶有外半徑a的內(nèi)導(dǎo)體、具有 內(nèi)半徑b的外導(dǎo)體和探頭內(nèi)導(dǎo)體/外導(dǎo)體絕緣體，所述絕緣體的介電常數(shù)為ερ，并且是熱 穩(wěn)定和電穩(wěn)定的，并可以包括陶瓷或玻璃。探頭的a、b和ε p值的改變確定探頭的特征阻 抗 Z。(其中，Ztl (60/ep1/2)ln(b/a))o開端式同軸探頭的靈敏度深度大約等于探頭的外導(dǎo)體的內(nèi)半徑b。這種靈敏度表 示探頭對(duì)在其靈敏度深度范圍內(nèi)的材料的整體電特性(介電常數(shù)和/或電導(dǎo)率，或復(fù)介電 常數(shù))是敏感的。因此，探頭可以用于感測(cè)在其靈敏度深度范圍內(nèi)的材料的視介電常數(shù)εΑ。 對(duì)于其中例如發(fā)生在漩渦流和/或環(huán)形流中的液層由氣層支撐(backed)的情況來說，當(dāng)覆 蓋探頭孔徑的液層的厚度(d)增加超過探頭的靈敏度深度時(shí)，由探頭測(cè)量的視介電常數(shù)ε a等于液層的介電常數(shù)h。因此，使用具有(同軸探頭外導(dǎo)體的)多個(gè)內(nèi)半徑b的多個(gè)探頭 將使多個(gè)靈敏度深度涵蓋到液層內(nèi)，從而能夠測(cè)量包括復(fù)介電常數(shù)、厚度、WLR等的液層特 性。在圖2中，環(huán)狀層233具有深度d250。管道240具有半徑R235，而淺探頭220與 深探頭210間隔開距離L253。使用這種結(jié)構(gòu)和不同敏感度的深探頭210和淺探頭220，可 以從由氣芯236支撐的環(huán)狀層233的由深探頭210和/或淺探頭220感測(cè)的視介電常數(shù)確 定環(huán)狀層233的特性。在本發(fā)明的一些方面中，基于不同感測(cè)原理(例如，反射、透射、共振和/或類似原 理)的探頭可以連接到適當(dāng)?shù)臏y(cè)量電子線路以確定環(huán)狀層233的介電常數(shù)和/或電導(dǎo)率。 僅以示例的方式，諸如圖1中所示的基于反射感測(cè)的同軸探頭可以通過使用優(yōu)選地具有與 探頭本身相同的特征阻抗Z。的一段微波同軸電纜將兩個(gè)設(shè)備連接在一起而與諸如圖1中 所示的微波反射計(jì)結(jié)合使用。對(duì)于多個(gè)探頭來說，可以通過多路傳輸或切換到單個(gè)反射計(jì) 連續(xù)執(zhí)行來自探頭的測(cè)量，和/或通過使用多個(gè)RF/微波反射計(jì)并行執(zhí)行所述測(cè)量，或與兩 種測(cè)量方案結(jié)合來執(zhí)行所述測(cè)量。在頻率范圍取決于同軸探頭孔徑的直徑的情況下，反射 計(jì)可以在單個(gè)和/或多個(gè)頻率下工作。僅以示例的方式，具有7mm孔徑的同軸探頭可以從 200MHz到6GHz工作。更小的探頭可以在更高的頻率下工作，且測(cè)量值的不確定性通常隨頻 率的增加而增加。微波反射計(jì)電子設(shè)備提供與探頭視平面處的實(shí)際復(fù)反射系數(shù)T有關(guān)的視復(fù)反射 系數(shù) P 。先前例如己經(jīng)在題目為“Methods and Apparatus forEstimating On-Line Water Conductivity of Multiphase Mixtures”的美國(guó)專利 No. 6，831，470 和題目為“Probe for Measuring the Electromagnetic Propertiesof a Down-Hole Material，，的美國(guó)專利 No. 7，327，146中詳細(xì)說明了用于測(cè)量探頭孔徑處的油田流體混合物的復(fù)介電常數(shù)(ε 的 微波開端式同軸探頭和反射計(jì)的使用，所述專利通過引用在此全文并入。在本發(fā)明的一些方面中，用于測(cè)量在管道中流動(dòng)的多相混合物的環(huán)形流的電磁特 性的方法可以包括以下步驟·聯(lián)接感測(cè)探頭與管壁以與流動(dòng)接觸；·將RF/微波頻率輸入信號(hào)發(fā)射到與流動(dòng)接觸的探頭；·測(cè)量被探頭反射的RF/微波頻率輸出信號(hào)；·測(cè)量基于RF/微波頻率輸出信號(hào)的反射系數(shù)；·根據(jù)反射系數(shù)計(jì)算與流動(dòng)有關(guān)的復(fù)介電常數(shù)值；以及·在不同的RF/微波頻率下和/或?qū)τ诓煌奶筋^重復(fù)以上步驟。所述方法還可以包括使用聯(lián)接到探頭的反射計(jì)電子線路的校準(zhǔn)步驟，且在確定的 時(shí)間間隔下執(zhí)行所述校準(zhǔn)。校準(zhǔn)步驟可以包括將電子線路連續(xù)連接到至少三個(gè)不同的阻 抗，并且測(cè)量反射的RF/微波頻率輸出信號(hào)。在本發(fā)明的實(shí)施例中，為了避免在現(xiàn)場(chǎng)操作中的實(shí)驗(yàn)室型校準(zhǔn)，并且為了在寬范 圍操作溫度內(nèi)對(duì)電子設(shè)備線路和開端式同軸探頭的溫度漂移進(jìn)行自動(dòng)校正，反射計(jì)電子設(shè) 備可以設(shè)計(jì)有用于執(zhí)行周期電子校準(zhǔn)的內(nèi)部自動(dòng)校準(zhǔn)裝置。自動(dòng)校準(zhǔn)裝置可以用于在確定 的時(shí)間間隔下對(duì)電子線路和開端式同軸探頭本身進(jìn)行校準(zhǔn)。自動(dòng)校準(zhǔn)裝置可以包括第二同 軸結(jié)構(gòu)、用于連接到至少三個(gè)校準(zhǔn)端子(例如，短路、開路、和500hm端子)的第二開關(guān)；三個(gè)端子的組合可以不同，從而涵蓋流體測(cè)量同軸探頭的不同阻抗范圍(例如，可以使用公 知的RC端子)。在本發(fā)明的方面中，第二接通電路(on-circuit)同軸結(jié)構(gòu)優(yōu)選地與流體 測(cè)量同軸探頭相同，以補(bǔ)償測(cè)量探頭長(zhǎng)度和損耗的變化。先前已經(jīng)例如在題目為“Methods and Apparatus forEstimating on—Line Water Conductivity of Multiphase Mixtures" 的美國(guó)專利 No. 6,831,470 禾口題目為"Probe for Measuring the Electromagnetic Propertiesofa Down-Hole Material”的美國(guó)專利No. 7,327，146中詳細(xì)說明了用于與微波 開端式同軸探頭和反射計(jì)電子設(shè)備一起使用的自動(dòng)校準(zhǔn)線路裝置，所述專利通過引用在此 全文并入。以下提供根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的關(guān)于復(fù)介電常數(shù)(或混合物電導(dǎo)率和混合物介 電常數(shù))確定的示例和說明。由反射計(jì)記錄的測(cè)量的入射和反射(振幅和/或相位)信 號(hào)可以用于推導(dǎo)在測(cè)量探頭孔徑處的復(fù)反射系數(shù)Γ = (ζ。-ζ。)/(ζ。+ζ。)，所述復(fù)反射系數(shù)是 在探頭的特征電阻抗Ζ。與所述探頭的孔徑流體阻抗Ζ。之間的不匹配的測(cè)量值，其中Ζ。= [jcoCb)]—1，而 ω = 2 jif 是角頻率。作為示例性示例，探頭的邊緣帶電容可以被描述為線性模型C( ε*) = ε *C。+Cf，其 中ε*= ε ’ _f ε ”是靠近探頭孔徑的液層的相對(duì)復(fù)介電常數(shù)，而Cf和C。是表征探頭內(nèi)邊 緣電容和外邊緣電容的電容參數(shù)。給出為在探頭視平面處測(cè)量的反射信號(hào)/入射信號(hào)比的實(shí)際復(fù)反射系數(shù)Γ，由于 例如一段微波電纜將測(cè)量探頭連接到反射計(jì)，因此RF/微波反射計(jì)通常測(cè)量與Γ不同的復(fù) 反射系數(shù)P，探頭電容C(Z)以及流體復(fù)介電常數(shù)^可以被推導(dǎo)為C ( ε *) = (1- Γ ) / (1+ Γ ) / (j ω Zo)ε*= (C ( ε *) -Cf) /C0 = (1_ Γ ) / (1+ Γ ) / (j ω Z0C0) _Cf/C。在美國(guó)專利No. 6，831，470中已經(jīng)說明了一種流體校準(zhǔn)雙線性模型，所述流體校 準(zhǔn)雙線性模型在不需要測(cè)量探頭模型電容C。和Cf的情況下，通過使用具有已知不同復(fù)介 電常數(shù)的三種校準(zhǔn)流體使期望的復(fù)介電常數(shù)ε*與實(shí)際測(cè)量的(視)反射系數(shù)P相關(guān)。 流體校準(zhǔn)程序考慮了探頭與所述探頭的連接器之間的電長(zhǎng)度，和所有不合邏輯的效應(yīng)(內(nèi) 部反射、不準(zhǔn)確的機(jī)械尺寸等)。選擇的三種校準(zhǔn)流體如是空氣/水/鹽。推導(dǎo)出的復(fù)介 電常數(shù)^= ε ’ _j ε ”與靠近探頭孔徑的流體混合物的有效電導(dǎo)率和介電特性以如下公 式相關(guān)ε* = εω-」σω/(ω ε。)這里ε^Π σ m是視混合物(相對(duì))介電常數(shù)和電導(dǎo)率； ε 0 ^ 8. 854pF/m是自由空間的(絕對(duì))介電常數(shù)。開端式同軸探頭的靈敏度深度大約等于探頭外導(dǎo)體的內(nèi)半徑b，這在很大程度上 與探頭工作頻率無關(guān)。濕氣流中的液體可以被離心/旋動(dòng)到管壁上作為移動(dòng)液層。在圖2 中，預(yù)期的深度d 250小于深探頭210的靈敏度深度，使得可以通過深探頭210和淺探頭
220測(cè)量不同的視復(fù)介電常數(shù)O^1,ff^>。在本發(fā)明的實(shí)施例中，使用作為液層厚度(d)和
層介電常數(shù)(ff:)的函數(shù)的環(huán)形流視介電常數(shù)的模型能夠計(jì)算深度d 250和環(huán)形液層 233的復(fù)介電常數(shù)。在一些方面中，可以由深度/厚度d250確定整個(gè)持液率α。如圖3中所示，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，可以處理管道中的多相混合物的由氣芯支 撐的液相的環(huán)形流的、由具有不同敏感度的兩個(gè)探頭測(cè)量的視介電常數(shù)以確定多相混合物 的液相的特性，例如，環(huán)形流的流動(dòng)特性(所述環(huán)形流包括混合物的液相，所述混合物的液
8相還可以包括一些被夾帶的氣體)。在步驟260中，由兩個(gè)探頭測(cè)量視介電常數(shù)，并且將所 述視介電常數(shù)輸入到處理器中，且視介電常數(shù)等于與環(huán)形流的液層的介電常數(shù)和深度相關(guān) 的函數(shù)，在步驟270中，求解兩個(gè)相關(guān)的函數(shù)以確定包括環(huán)形流的液層的介電常數(shù)和液層 的深度。在步驟280中，處理環(huán)形流液層的深度以確定液體分?jǐn)?shù)。并且在步驟290中，包括 環(huán)形流的液層的介電常數(shù)可用于使用液體/液體混合物的適當(dāng)?shù)慕殡姵?shù)混合模型確定 WLR。液體/液體混合物可以被很好地混合(一個(gè)相的液滴分散在另一個(gè)連續(xù)液相中)，或 者可以分離或分層(例如，較重的水環(huán)狀層在較輕的油環(huán)狀層的外側(cè))。在本發(fā)明的實(shí)施例中，由液層厚度確定的整體持液率由于雙探頭布置而可能對(duì) 電導(dǎo)率變化幾乎不敏感。當(dāng)油是連續(xù)相時(shí)，液層WLR確定也幾乎與水電導(dǎo)率率無關(guān)。對(duì) 于水連續(xù)、或間斷水連續(xù)的液層來說，由通過任一個(gè)/兩個(gè)同軸探頭快速測(cè)量的復(fù)介電常 數(shù)對(duì)在線水電導(dǎo)率的估計(jì)的能力將允許在改變水的礦化度的情況下進(jìn)行在線WLR估計(jì)， 如在題目為“Methodsand apparatus For estimating on-line water conductivity ofmultiphasemixtures"的美國(guó)專利No. 6，831，470中所述，所述專利通過引用在此全文并 入。在一些方面中，雙探針測(cè)量值的互相關(guān)可以用于生成液層的速度，從而得到液體 流量測(cè)量值。來自具有相同靈敏度深度的兩個(gè)軸向間隔開的探頭的信號(hào)的互相關(guān)是優(yōu)選 的。因此，在一些實(shí)施例中，具有等于兩個(gè)探頭中的一個(gè)的靈敏度深度的靈敏度深度的一個(gè) 或多個(gè)另外的探頭可以用于互相關(guān)法。在其它方面中，嵌裝在管壁處的微波多普勒探頭或 類似物可以用于確定液層流動(dòng)速度。在本發(fā)明的其它方面中，在給出估算的液體流量和WLR 的情況下，可以通過使用其它裝置(例如，使用文丘里流量計(jì))可得到氣體流量測(cè)量值。可以使用用于確定流體介電常數(shù)的不同探頭響應(yīng)模型。例如，當(dāng)液層的厚度已知 時(shí)，可以使用雙線性模型估計(jì)液層的介電常數(shù)，所述雙線性模型，結(jié)合探頭的響應(yīng)模型，使 用具有已知介電常數(shù)的三種樣品的復(fù)反射系數(shù)的校準(zhǔn)測(cè)量值以由相關(guān)的復(fù)反射系數(shù)測(cè)量 值確定未知樣品的復(fù)介電常數(shù)。在測(cè)量角頻率(ω)下，由探頭測(cè)量的視介電常數(shù)(塞;^隨液層厚度d及其介電常
數(shù)農(nóng)變化；支撐(backing)氣芯介電常數(shù)在很大程度上被認(rèn)為是已知的，即
權(quán)利要求
一種用于測(cè)量流動(dòng)通過管道的多相混合物的特性的系統(tǒng)，包括旋動(dòng)元件，所述旋動(dòng)元件被構(gòu)造成生成所述多相混合物的環(huán)形流；第一探頭，所述第一探頭在第一位置處聯(lián)接到所述管道的內(nèi)壁，所述第一探頭被構(gòu)造成接觸沿所述管道的內(nèi)壁流動(dòng)的所述多相混合物的液相；和第二探頭，所述第二探頭在第二位置處聯(lián)接到所述管道的內(nèi)壁，所述第二探頭被構(gòu)造成接觸沿所述管道的內(nèi)壁流動(dòng)的所述多相混合物的液相；其中所述第一探頭和所述第二探頭被構(gòu)造成具有不同的靈敏度深度；以及所述第二探頭具有第二靈敏度深度，其中所述第二靈敏度深度被構(gòu)造成大于在所述管道的內(nèi)壁上流動(dòng)的液相的深度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于測(cè)量流動(dòng)通過管道的多相混合物的特性的系統(tǒng)，其中， 所述第一探頭和所述第二探頭每一個(gè)都包括開端式同軸探頭。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于測(cè)量流動(dòng)通過管道的多相混合物的特性的系統(tǒng)，其中， 所述第一探頭和所述第二探頭每一個(gè)都包括射頻頻率范圍的電磁感測(cè)探頭、微波頻率范圍 的電磁感測(cè)探頭和毫米波頻率范圍的電磁感測(cè)探頭中的一個(gè)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于測(cè)量流動(dòng)通過管道的多相混合物的特性的系統(tǒng)，還包括處理器，所述處理器與所述第一探頭和所述第二探頭通信。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于測(cè)量流動(dòng)通過管道的多相混合物的特性的系統(tǒng)，其中， 所述處理器對(duì)由所述第一探頭測(cè)量的環(huán)形流的第一視介電常數(shù)和由所述第二探頭測(cè)量的 環(huán)形流的第二視介電常數(shù)進(jìn)行處理，以確定所述液相的環(huán)形流的深度。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的用于測(cè)量流動(dòng)通過管道的多相混合物的特性的系統(tǒng)，其中， 所述處理器對(duì)所述環(huán)形流的深度進(jìn)行處理，以確定所述多相混合物的液體分?jǐn)?shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于測(cè)量流動(dòng)通過管道的多相混合物的特性的系統(tǒng)，其中， 所述處理器對(duì)由所述第一探頭測(cè)量的環(huán)形流的第一視介電常數(shù)和由所述第二探頭測(cè)量的 環(huán)形流的第二視介電常數(shù)進(jìn)行處理，以確定所述環(huán)形流的液相的水液比。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于測(cè)量流動(dòng)通過管道的多相混合物的特性的系統(tǒng)，其中， 所述多相混合物包括一種或多種烴。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于測(cè)量流動(dòng)通過管道的多相混合物的特性的系統(tǒng)，還包括第一微波反射計(jì)，所述第一微波反射計(jì)通過第一微波同軸電纜與所述第一探頭聯(lián)接。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的用于測(cè)量流動(dòng)通過管道的多相混合物的特性的系統(tǒng)，還包括第二微波反射計(jì)，所述第二微波反射計(jì)通過第二微波同軸電纜與所述第二探頭聯(lián)接。
11.一種用于測(cè)量在管中流動(dòng)的多相混合物的特性的方法，包括以下步驟使所述多相混合物旋動(dòng)以在所述管中產(chǎn)生環(huán)形流，其中，所述環(huán)形流包括所述多相混 合物的在所述管的內(nèi)壁上的液相流；使用具有第一靈敏度深度的第一探頭測(cè)量所述環(huán)形流的第一視復(fù)介電常數(shù)； 使用具有第二靈敏度深度的第二探頭測(cè)量所述環(huán)形流的第二視復(fù)介電常數(shù)，其中，所 述第二靈敏度深度大于所述環(huán)形流的深度；以及使用處理器由測(cè)量的所述第一視復(fù)介電常數(shù)和所述第二視復(fù)介電常數(shù)對(duì)流動(dòng)的所述 多相混合物的特性進(jìn)行處理。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的用于測(cè)量在管中流動(dòng)的多相混合物的特性的方法，其中， 使用處理器由測(cè)量的所述第一視復(fù)介電常數(shù)和所述第二視復(fù)介電常數(shù)對(duì)流動(dòng)的所述多相 混合物的特性進(jìn)行處理的步驟包括使用作為液層厚度和液層復(fù)介電常數(shù)的函數(shù)的環(huán)形流視復(fù)介電常數(shù)的模型和測(cè)量的 所述第一視復(fù)介電常數(shù)和所述第二視復(fù)介電常數(shù)對(duì)所述液相的厚度或所述液相的復(fù)介電 常數(shù)進(jìn)行處理。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的用于測(cè)量在管中流動(dòng)的多相混合物的特性的方法，還包括 以下步驟使用處理的所述液相的厚度確定在所述管的橫截面上的所述多相混合物的液體分?jǐn)?shù)。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的用于測(cè)量在管中流動(dòng)的多相混合物的特性的方法，還包括 以下步驟使用液體/液體混合物的介電常數(shù)或電導(dǎo)率混合定律和所述液相的復(fù)介電常數(shù)確定 所述液相的水液比。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的用于測(cè)量在管中流動(dòng)的多相混合物的特性的方法，還包括 以下步驟使來自所述第一探頭的測(cè)量值與來自所述第二探頭的測(cè)量值互相關(guān)，以確定液層流動(dòng) 速度。
16.根據(jù)權(quán)利要求11所述的用于測(cè)量在管中流動(dòng)的多相混合物的特性的方法，還包括 以下步驟使來自所述第一探頭的測(cè)量值與來自具有相同靈敏度深度的另一個(gè)探頭的測(cè)量值互 相關(guān)，以確定液層流動(dòng)速度。
17.根據(jù)權(quán)利要求11所述的用于測(cè)量在管中流動(dòng)的多相混合物的特性的方法，還包括 以下步驟使用所述液層流動(dòng)速度確定所述液相的液體流量。
18.根據(jù)權(quán)利要求11所述的用于測(cè)量在管中流動(dòng)的多相混合物的特性的方法，還包括 以下步驟由所述液相的流量、所述水液比和所述多相混合物的流量測(cè)量所述多相混合物的氣相 的流量。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的用于測(cè)量在管中流動(dòng)的多相混合物的特性的方法，其中， 當(dāng)所述多相混合物流動(dòng)通過文丘里流量計(jì)時(shí)，所述多相混合物的流量由所述多相混合物的 差壓的測(cè)量值來確定。
20.根據(jù)權(quán)利要求11所述的用于測(cè)量在管中流動(dòng)的多相混合物的特性的方法，其中， 所述第一探頭和所述第二探頭每一個(gè)都包括開端式同軸探頭。
21.根據(jù)權(quán)利要求11所述的用于測(cè)量在管中流動(dòng)的多相混合物的特性的方法，其中， 所述第一探頭和所述第二探頭每一個(gè)都包括射頻頻率范圍的電磁感測(cè)探頭、微波頻率范圍 的電磁感測(cè)探頭和毫米波頻率范圍的電磁感測(cè)探頭中的一個(gè)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種使用具有不同靈敏度深度的探頭測(cè)量在管中流動(dòng)的多相混合物的特性的系統(tǒng)和方法。通過在管中生成多相混合物的環(huán)形流，探頭可以與在管的內(nèi)部上流動(dòng)的混合物的液相，并且可以由探頭測(cè)量環(huán)形流的視介電常數(shù)?？梢詫?duì)這些測(cè)量的介電常數(shù)進(jìn)行處理，以確定環(huán)形流的液體分?jǐn)?shù)和環(huán)形流的液相的水液比。
文檔編號(hào)G01N22/00GK101952713SQ200980104836
公開日2011年1月19日 申請(qǐng)日期2009年2月10日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月11日
發(fā)明者謝成鋼 申請(qǐng)人:普拉德研究及開發(fā)股份有限公司