專利名稱：流體流體積的測(cè)定設(shè)備與測(cè)定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種對(duì)于由某種源產(chǎn)生的烴類流體的體積流量進(jìn)行測(cè)定的作業(yè)，具體說來，涉及從海底的一或多口井內(nèi)生產(chǎn)出多種烴類流體相的一種海上作業(yè)。通常，這項(xiàng)作業(yè)的流出物或產(chǎn)物為一種多相流，包括有氣體、水與原油之類的液體烴。
排出的流體從井內(nèi)產(chǎn)生出以后，經(jīng)集流管或聚集到一儲(chǔ)藏裝置或一用來直接傳送到岸上的管道。在后一種情形，此生產(chǎn)出的流體被引至一設(shè)備，使液體與氣體組分分離。此分離開的兩種流體然后根據(jù)需要作獨(dú)立地處理或輸送。
任何情況下，此種作業(yè)的一個(gè)基本組成部分是要求能以相當(dāng)精確的程度，去測(cè)定上述不同流體相的體積流量。更確切地說，是去測(cè)定所產(chǎn)生之液體的體積流量，它一般包括某種數(shù)量的無用的水，這種水則是與有用的原油同時(shí)生產(chǎn)出的。
對(duì)于所用到的水下裝備，所遇到的一個(gè)顯著缺點(diǎn)是，生產(chǎn)出的液體在能夠進(jìn)行測(cè)量來確定其體積流率之前，常需從相應(yīng)的源或井經(jīng)管道輸送一大段距離。
為了克服與上述作業(yè)相關(guān)的這類缺點(diǎn)，本發(fā)明提出了一種用來測(cè)定多相烴類產(chǎn)品流之體積流率的系統(tǒng)。這是直接在井口或在一個(gè)整個(gè)產(chǎn)品流已然收集于其中的集流管中來完成的。此系統(tǒng)能提供一種精確的裝置來測(cè)量包括水與石油兩者在內(nèi)的液體的體積流量。此系統(tǒng)還能測(cè)量分離開的氣體組分。
所測(cè)量之液體的源，如前面指出的，可以來自一口井中，也可以來自一批井中，它們匯聚的產(chǎn)品流被引向或經(jīng)管道輸至一共同的集合點(diǎn)。后一種情形，正如所指出的，可以包括一海底流管，例如一種通過它可以形成一批井的型板結(jié)構(gòu)，這樣便可使有關(guān)的海上井口能緊密地定位。
井的排出物或產(chǎn)品流，不論它所產(chǎn)自的源如何，將包括一或多種烴類液體，以及氣體與天然的或注入的水。后者將以不等的比例存在，主要取決于它所采自的地下的儲(chǔ)烴層的特征。
為了闡述本發(fā)明(但并非強(qiáng)加一種無根據(jù)的限制)，將把這種井的排出物或產(chǎn)品流視作來自單一的一口海上井。此種多相產(chǎn)品流的組成將包括原油之類的一或多種烴類液體、以及此液體流中所攜帶的來自儲(chǔ)烴層中的水。
為了達(dá)到所要求的精度，最好是直接在井口來測(cè)量這種組合的產(chǎn)品流，或是在盡可能接近井口處，而不是在遠(yuǎn)距這口井的地方來從事此種測(cè)量。為了確保此種液體的測(cè)量與讀數(shù)的精度，從一開始便應(yīng)將所有的氣體組分絕大部分從該液相中分離出去并獨(dú)立地測(cè)量。此組合液體此時(shí)將基本上沒有，雖則未必是完全沒有那種氣體組分，因而不會(huì)影響到隨后進(jìn)行的體積測(cè)量。所謂“基本上沒有”是指，在打算去測(cè)量的一種產(chǎn)品液體體積的封閉系統(tǒng)中，即便是在分離步驟之后，仍將含有高達(dá)15～20%的氣體組分。
此基本上無氣體的液體流通過一配備有隔水監(jiān)控器的導(dǎo)管導(dǎo)引。此時(shí)，水與油含量間的數(shù)學(xué)關(guān)系則據(jù)該液體流確定。然后將此組合流引至一保持在此液體壓頭之下的約束計(jì)的入口，以便測(cè)定通過此約束計(jì)收縮口時(shí)的壓差。這時(shí)，再將這一多相的液體流引至測(cè)定其密度的裝置。
換一種方式說，即提供了一種連續(xù)流體的流道設(shè)備，其中包括有將此流體流分成液相與汽相的裝置。這里的液體然后通過a)在此液體流中來測(cè)定水與烴類液體間體積關(guān)系，并提供一反映這種關(guān)系之信號(hào)的裝置;
b)在此組合液體流過一銳孔時(shí)來測(cè)定其壓差的裝置，以及由一可發(fā)送的信號(hào)來反映這一壓差的裝置;
c)接收此組合液體并供給一指示該液體密度之信號(hào)的密度測(cè)量裝置。
然后將指示各相關(guān)數(shù)據(jù)的信號(hào)引至一用來測(cè)定所需之體積流率的公式。
于是本發(fā)明目的之一便是提供相應(yīng)的裝置與方法，直接在井口來測(cè)量一種液體產(chǎn)品流的流率，此種液體流包括至少一種烴類液體以及帶有一定數(shù)量之儲(chǔ)烴層中之氣體的水。


圖1示意地表明了指出了流體流流道的本系統(tǒng)的設(shè)備。
圖2是沿圖1中2-2線截取的橫剖面圖。
參看附圖，圖1示明了本發(fā)明的多相流體流的監(jiān)控與測(cè)量系統(tǒng)，它結(jié)合到一具有井口11的地下井10之內(nèi)。后者通常由一段導(dǎo)管或一井框支架13支承于洋面或海面12之上。此導(dǎo)管嵌埋入基層下一段充分長(zhǎng)的距離，與地下的儲(chǔ)烴層14溝通。
從實(shí)際出發(fā)，井10通常在儲(chǔ)烴層14中按一垂直位置形成。后者最好結(jié)合有足夠的氣體壓力，以便從儲(chǔ)烴層14中自然地生產(chǎn)出液體烴。取決于上述底層的組成和其它因素，在井口11處生產(chǎn)出的流體流或排出物一般如前面所提到的，將由至少一種烴類液體、一或多種氣體以及水組成。
如果所產(chǎn)生的氣體體積從商業(yè)與經(jīng)濟(jì)上考慮大到足以供收集目的，便加以儲(chǔ)存，但要是此數(shù)量有限，則通過放空方法或類似的處置方法予以處理。任何情況下，這種組合的液體流都是經(jīng)過一導(dǎo)管16而來自井口11的。應(yīng)知這種液體流是為一種井口閥或適當(dāng)?shù)挠脕砜刂苼碜跃?0的流體流的扼流裝置控制。
導(dǎo)管16與一液體/氣體分離器18的上游端或升高端17相通。此分離器包括一第一種導(dǎo)管或主管19，這基本上是由一根細(xì)長(zhǎng)的第一管件構(gòu)成，用來在其升高的進(jìn)口端17接受此組合液體。從上面與此第一種導(dǎo)管19相分開的第二導(dǎo)管21，是在一或多個(gè)相隔開的輸送通道22與23處與此第二管件相通連的。
當(dāng)此組合的液體/氣體產(chǎn)品從導(dǎo)管16流入分離器18時(shí)，此第一種導(dǎo)管19有效地將此產(chǎn)品流下引，以促進(jìn)此多相組分的一種漸進(jìn)的重力分離。氣體組分然后將從流動(dòng)中的流體上升，并通過傳輸通道22與23進(jìn)入第二導(dǎo)管21中。這一初步的分離過程通?？蓮拇艘后w部分中基本上除去，雖然不是完全除去所有的氣體。
為了在此基本上無氣體的液體中確定油對(duì)水的相對(duì)比例，對(duì)此基本上無氣體的液體實(shí)行連續(xù)監(jiān)控，借此能時(shí)刻測(cè)定此兩種液體間的這一比例關(guān)系。在此項(xiàng)工藝中已知有多種這樣的方法與設(shè)備，它們能以不等的精度給出這種流體流中烴類液體與水之間的有效關(guān)系。于其中的一種工作方式下，是將一種隔水監(jiān)控器24與一輔助導(dǎo)管26相配合地設(shè)置，后者載有此組合液體的一個(gè)樣品流。
隔水監(jiān)控器24已在Helms等人1985年2月12日的美國專利4499418中公開并提出了專利權(quán)保護(hù)。在該項(xiàng)專利中公開了一種微波發(fā)射器，它能在通過此多相流時(shí)發(fā)射通過水/油流體流的微波能，由此而指示出此混合物中的水分。
這種微波發(fā)射器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)位于上述載液流體導(dǎo)管附近，與之相結(jié)合但在其外部的發(fā)射與接收裝置。所發(fā)出的微波能有效地通過導(dǎo)管26的壁部和此多相的液體流，而產(chǎn)生的差別便構(gòu)成了所發(fā)生之信號(hào)的基礎(chǔ)。
分離器的第一種導(dǎo)管19最好按下傾或斜向位置設(shè)置，以便使此基本上無氣體的液體流能沿一下降管流至一約束計(jì)32的入口31。此約束計(jì)這時(shí)便將液體蓄積在其上游側(cè)，并在液體的連續(xù)落差之下起作用，而這種落差則是因約束計(jì)以及與其相配合之管道的壓力損耗所形成的反壓而造成的，此約束計(jì)以及與之配合的管道則是將液體引導(dǎo)至氣體與液體重新組合處(47)。
參看圖2，在約束計(jì)32中，液體進(jìn)入一大直徑(d1)的第一或上游室33上，且最好是以10000或更大的雷諾數(shù)流動(dòng)。室33包括一由環(huán)形肩36限定的收縮出口34(直徑為d2)。此環(huán)形肩最好與經(jīng)過約束計(jì)32之液體流通道的縱軸相垂直。然后此液流將以加大了的速度通過一減經(jīng)的出口34而進(jìn)入排放管道38。
通過環(huán)形肩36所形成的流體流的壓差示明于一壓差式流量計(jì)39中。后者連至一與室33相通連，距下游基準(zhǔn)線D一段距離(h1)的一支管41處。第二支管42則與一直徑較小的，處于收縮出口34(直徑為d2)的下游側(cè)且距基準(zhǔn)線D一段距離(h2)處的導(dǎo)管38相通。
總之，為了在通過環(huán)形肩36時(shí)實(shí)現(xiàn)所希望的壓力關(guān)系，這兩個(gè)取壓分接管41與42分別與肩36下游的公共基準(zhǔn)線分開距離h1與h2。前述約束計(jì)還包括有發(fā)生或建立一指示所測(cè)壓力差之信號(hào)的裝置。
液體流從約束計(jì)32流出后，經(jīng)導(dǎo)管35引至一密度計(jì)43的入口，由此測(cè)出此組合液體流的密度。這一液體的密度被轉(zhuǎn)換成能被發(fā)送的信號(hào)。
如圖1所示，這一封閉系統(tǒng)是用于一海底環(huán)境中來直接監(jiān)控井口11處的產(chǎn)品流的。此系統(tǒng)可以方便地組合到一適當(dāng)?shù)闹Ъ?6或類似的裝置上，后者可以裝配各種閥門、測(cè)量?jī)x表或信號(hào)傳導(dǎo)裝置。
為了確保它能正常地起作用，支架46可以固定到海面上，或者是永久性地，或者用一種可使之卸下而用于另一場(chǎng)所的裝置。
還應(yīng)知道，由于不可能進(jìn)入所公開的這一海底系統(tǒng)，故設(shè)有裝置來以各種儀表所發(fā)生之信號(hào)的形式，將信息與數(shù)據(jù)傳送至可對(duì)它們加以利用的水面。因此，盡管沒有詳細(xì)示明，對(duì)于隔水監(jiān)控器24、約束計(jì)32與密度計(jì)43之類的各式儀器是能夠配合以必要的布線與相關(guān)的傳輸設(shè)備的。這些必要的信號(hào)傳送裝置或電纜最好載于導(dǎo)線管28之類的有剛性壁部的導(dǎo)管中，它們從隔水器24垂下，內(nèi)裝有一批導(dǎo)線。導(dǎo)線管29類似地從約束計(jì)32下垂，而導(dǎo)管49則從密度計(jì)43上垂掛下。
以上各導(dǎo)線管28、29與49構(gòu)成在一終端51處相交狀態(tài)。這里已給出了必要的電連接件，由此使所有的信號(hào)都能經(jīng)一鎧裝電纜52傳送至水面。終端51包括有能利用所需信號(hào)的適當(dāng)儀表與計(jì)算機(jī)。
根據(jù)這些在此多相流體流監(jiān)控期間內(nèi)取得的儀表讀數(shù)，可將發(fā)生的信號(hào)傳至以海面為基地的計(jì)算機(jī)或其它記錄器裝置。在實(shí)際測(cè)量中，最方便的方法是將前述布線鋪設(shè)在井口11鄰近處的海面12之上或它的下方，以確保布線安全。
再來參看圖2，其中設(shè)有裝置用來測(cè)定所需的體積流率Q，因而也測(cè)定了所生產(chǎn)出之流體流的質(zhì)量流率。下面的公式結(jié)合本系統(tǒng)從各測(cè)量點(diǎn)所獲得的信號(hào)數(shù)據(jù)時(shí)，將能相對(duì)于此流體的體積流量來說，提供所希望的高精度。
Q=Cfkgeom｛g［ (△Pm)/(ρg) +(h1-h2)(1- (Pm)/(ρ) ］｝
式中Q＝流體流的流率，Cf＝據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定的系數(shù)，Kgeom={43-2(d2d1)4-(d2d1)2}12(π4(d1)1)]]>d1＝大的收縮口直徑d2＝小的收縮口直徑g＝因重力引起的加速度(32.2ft/sec2)△Pm＝壓差式流量計(jì)的讀數(shù)
ρ＝流動(dòng)中液體的密度ρm＝流體在壓力計(jì)傳感器分支2中的密度(h1-h2)＝約束計(jì)中大直徑與小直徑部的靜態(tài)壓力口之間的垂直距離。
多相的液體流從密度計(jì)43經(jīng)導(dǎo)管44引至與載承有氣體相的導(dǎo)管47的匯合處。這樣，相關(guān)的液體相與氣體相便重新組合，而借導(dǎo)管48經(jīng)管道49引至一終端或目的地。
應(yīng)該理解到，在不脫離本發(fā)明的精神與范圍的前提下是可對(duì)它作出種種改進(jìn)與變動(dòng)，但只是后附權(quán)利要求書中所指出的才對(duì)這種限定產(chǎn)生影響。
權(quán)利要求
1.一種用來在一與地下儲(chǔ)烴層(14)相通之生產(chǎn)井(13)的井口(11)處，對(duì)一多相的產(chǎn)品流之體積流率進(jìn)行測(cè)定的系統(tǒng)，此儲(chǔ)烴層至少含有一種烴類液體、水與一種氣體組分，而這一界定了一流體流道的系統(tǒng)則包括一種流體分離器裝置(18)，它與上述井口(11)相通，自井(13)接納一種包括上說至少一種烴類液體、水與一種氣體組分的組合的多組分產(chǎn)品流；汽相分離裝置(19)，它在前述的流體分離裝置(18)中，設(shè)在便于接收從前述組合的多組分產(chǎn)品流中分離出的氣體組分；監(jiān)控裝置(14)，它與分離裝置(18)的下游端相配合，能有效地監(jiān)控已基本上無氣體組分這一組合的產(chǎn)品流，同時(shí)用來提供第一種信號(hào)以指示此產(chǎn)品流中烴類液體與水分間的體積關(guān)系；約束計(jì)裝置(32)，它與分離裝置相通，具有一個(gè)收縮段(38)，同時(shí)有用來測(cè)定此基本上無氣體的組合液體流流經(jīng)該收縮段(38)時(shí)的同力差的裝置，還有用來提供一指示此壓力差的第二信號(hào)的裝置；密度計(jì)裝置(43)，它與約束計(jì)裝置(32)相通以接受來自后者的上述基本上無氣體的組合液體流，能用來提供一流過其間之上述液體流之密度的第三種信號(hào)。
2.如權(quán)利要求1的一種系統(tǒng)，它包括有使上述分離裝置通連，與前述密度計(jì)裝置(43)的下游側(cè)的導(dǎo)管裝置(44)，用來自前述汽相分離裝置的氣體組分去重整所說的組合的多組分產(chǎn)品流。
3.如權(quán)利要求1的一種系統(tǒng)，其中述及的流體分離裝置(18)包括與前述井口(11)通連的第一種分離導(dǎo)管(19)，此用作為汽相分離的第一種分離導(dǎo)管(19)則又包括第二種導(dǎo)管裝置(21)，它位于前述第一種分離導(dǎo)管(19)一定高度之上;使流體上升的傳輸通道裝置(22)，它使相關(guān)的第一種分離導(dǎo)管(19)與此第二種導(dǎo)管裝置(21)溝通，將已從該組合產(chǎn)品流分離出的氣體組分引入到第二導(dǎo)管裝置(21)。
4.如權(quán)利要求1的一種系統(tǒng)，其中述及的第一種分離導(dǎo)管(19)包括一以傾斜位置裝設(shè)的細(xì)長(zhǎng)管件，用來在其較高端接收上述組合的多組分流體流，同時(shí)將一種無氣體組分之流體流導(dǎo)引到所說第一導(dǎo)管(19)的較低端。
5.如權(quán)利要求3的一種系統(tǒng)，其中述及的使流體上升的裝置(22)包括若干個(gè)流體上升件(22，23)，它們沿縱向與所說的第一種分離導(dǎo)管(19)分開，而每個(gè)這樣的流體上升件都與該第二導(dǎo)管裝置通連。
6.如權(quán)利要求1的一種系統(tǒng)，其中所說之約束計(jì)裝置(32)的收縮段則包括一于其間界定出一收縮狀流道的銳孔。
7.如權(quán)利要求1的一種系統(tǒng)，其中所說之約束計(jì)裝置(32)的收縮段包括一位于其間的有陡削邊棱的銳孔。
8.如權(quán)利要求1的一種系統(tǒng)，它包括有一支架(46)，用來支承確定在海面(12)上方各種裝置之流體流路。
9.如權(quán)利要求1的一種系統(tǒng)。其中述及的監(jiān)控裝置(24)包括一隔水監(jiān)控器。
10.如權(quán)利要求1的一種系統(tǒng)，此系統(tǒng)包括有終端裝置(51)，前述的監(jiān)控裝置(24)包括一與此終端裝置(51)通連的第一信號(hào)傳輸導(dǎo)線管(28)、前述的約束計(jì)裝置(32)包括一與此終端裝置(51)通連的第二信號(hào)傳輸導(dǎo)線管(29)，而前述的密度計(jì)裝置(43)則包括一與此終端裝置(51)連通的第三信號(hào)傳輸導(dǎo)線管(49)。
11.一種用來對(duì)一種生產(chǎn)出包括烴類液體、水與氣體組分之組合液體流的地下井所流出的加壓排出物，測(cè)定其體積流量的方法，此方法包括以下各步驟提供一條連續(xù)的流體流路設(shè)備，上面依次裝設(shè)有裝置，用來(a)形成一種基本上無氣體的液體流;(b)在此液體流中測(cè)定其各液體間的關(guān)系;(c)在此種組合液體流經(jīng)一銳孔時(shí)，對(duì)其所形成的壓力差進(jìn)行測(cè)定，以及(d)測(cè)定此組合液體的密度;將所述氣體組分與此組合液體流分離以形成一種基本上無氣體的液體流;在此無氣體的液體流中測(cè)定其中之烴與水之間的體積關(guān)系;在此無氣體的液體流流經(jīng)一銳孔流量計(jì)時(shí)來測(cè)定所呈現(xiàn)的壓力差，并測(cè)定此無氣體之液體流的密度;以及依據(jù)下述數(shù)學(xué)關(guān)系式來測(cè)定所述之排出物流的體積流量Q=Cfkgeom｛g［ (△Pm)/(ρg) +(h1-h2)(1- (pm)/(ρ) ］｝
式中Q＝流體流的流率，Cf＝據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定的系數(shù)Kgeom={43-2(d2d1)4-(d2d1)2}12(π4(d1)1)]]>d1＝大的收縮口直徑，d2＝小的收縮口直徑g＝因重力引起的加速度(32.2ft/sec2)Pm＝壓差式流量計(jì)的讀數(shù)＝流動(dòng)中液體的密度m＝流體在壓力計(jì)傳感器分支2中的密度h1-h2＝約束計(jì)中大直徑與小直徑部的靜態(tài)壓力口之間的垂直距離。
全文摘要
用來對(duì)原油、水與氣體組成的一種多相流體流之體積流率進(jìn)行快速測(cè)定的系統(tǒng)與方法。首先將此流體流中的氣體組分分離，以便測(cè)量各液相之間的體積關(guān)系，然后即可測(cè)定剩余下之液體的密度。將通過這些測(cè)量所求得的值轉(zhuǎn)換，便能使此系統(tǒng)有效地用于遠(yuǎn)距離的多相流體源。
文檔編號(hào)G01F1/74GK1046221SQ9010071
公開日1990年10月17日 申請(qǐng)日期1990年2月14日 優(yōu)先權(quán)日1989年2月14日
發(fā)明者邁克爾·喬治·杜里特, 厄爾·利昂亞德·多蒂, 喬治·約翰·哈頓 申請(qǐng)人:德士古發(fā)展公司