專利名稱：對二態(tài)和三態(tài)流量測量設(shè)備所做的改進的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是第07/502，691號美國專利申請的部分繼續(xù)申請案。本發(fā)明涉及一種不要求把氣流和液流物理地分離開的二態(tài)或三態(tài)在線流量計。
由于常規(guī)的流量計不能同時既處理氣體又處理流體，對二態(tài)流體(氣體和液體一起流動)的測量非常困難。常規(guī)的流量計可以分成三類差壓式、體積式和質(zhì)量流量式。第一類包括孔板、文杜里管(細腰管)和空速管等等，第二類包括渦輪、正排量裝置和磁性流量計等等，而在第三類中，人們可以發(fā)現(xiàn)振動型(corollis)、熱傳遞型、及動量型等等。
第一類根據(jù)下面的百努利方程產(chǎn)生一個與下游的壓力分接點處的流動速度有關(guān)的差壓輸出△P＝ρv2/2g這里，△P＝裝置上的差壓，ρ＝上游壓力分接點處的流體密度，V＝下游壓力分接點處的流體速度，g＝重力常數(shù)。
這樣，氣體/液體之比的變化會影響密度ρ，會造成速度的變化。由于必須要知道有多少氣體和多少液體流過這類裝置，因此，這類流量計不能工作。
第二類裝置不能區(qū)分氣體和液體，對它們給出幾乎相等的流率。因此，如果流體是二態(tài)流體，這類裝置還是不能測定流過的有多少氣體，有多少液體。
第三類裝置也有同樣的缺點。此外，當流體中的氣體體積含量超過20%時，振動型質(zhì)量流量計還不能正常振動。
由于上面描述的那些先有技術(shù)中沒有任何一個能分析流體的成分，以前通常需要把它們物理地分離開，然后再分別測量每個成分。目前已知的有兩種分離器一種較早的二態(tài)分離器和一種較新的動態(tài)分離器。第一種分離器使送入的流體減慢，使氣體膨脹，然后測量從頂部排出的氣體和從底部排出的液體。如果流體是由三種成分(如油、水和氣)組成的，對排出的液體再進行一次分析。在第二種情況下，使用于二根傾斜的管道。氣體將收集在上管中，而液體則收集在下管中。在流體是三態(tài)流體的情況下，還需對油/水成分再作一次分析。
這些方法的較大缺點在于它們的尺寸和它們在測量中引起的延遲。為了使小氣泡能上升到液體表面，必須要有足夠的時間。氣泡的上升速率由下面的斯多克(stoke)定律決定V＝K(ρL-ρg)d/μ (2)其中，V＝氣泡的極限速度，K＝尺寸常數(shù)，ρL＝液體的密度，ρg＝氣體的密度，μ＝液體的速度，d＝氣泡的直徑。
這樣，如果是高粘度的液體，那么極限速度相當慢，需要很長的分離時間，也使容器的尺寸必須增加，造價也上升。
大多數(shù)油井同時產(chǎn)生氣體、油和液體。由于分解和處理等原由，需要對這種三態(tài)流體中的每種成分進行測量。為了對每口油井進行測量而建造多個分離容器很不經(jīng)濟的。因此，人們出于經(jīng)濟上的考慮，希望能在油井低成本地進行這些測量。在低于海平面的油井和海上平臺的情況下，尺寸是很受重視的。因此，迫切需要在不使三種成分物理上分開的情況下對它們進行測量。
因此，本發(fā)明的目的就是提供一種不需物理地把氣體與液體分離開來即可隊多態(tài)流體流進行測量的一種新穎的裝置。
本發(fā)明采用了一種多態(tài)流體流測量裝置來解決上述問題，該裝置包括串聯(lián)聯(lián)接的用以測量第一和第二流體流并提供表示上述的第一和第二流體流的第一和第二信號的第一、第二流量表，位于上述的第一和第二流量表之間、用于限制上述的第一、第二流量計之間的流體流動限制器，以及有效地和每個流量表相連、用于提供表示每個流量計中的壓力的第一、第二信號的第一、第二壓力測量設(shè)備。
結(jié)合附圖閱讀下面對本發(fā)明的詳細描述，可以更好地理解本發(fā)明，對本發(fā)明及其優(yōu)點有個更完整的認識。附圖中，

圖1.是一個在二態(tài)流量計，圖1(a).用來測量圖1所示的流量計的輸出的一臺計算機，圖2.示出了一臺帶有電子油/水流量計的三態(tài)流量計，圖3.示出了一臺帶有密度油/水監(jiān)視器的三態(tài)流量計，
圖3(a).示出了一臺用于測量圖3所示的流量計的輸出的一臺計算機。
圖1中示出了一臺無需物理上把油、氣分離開的二態(tài)輸出流體的在線測量裝置。流體(液體和氣體)從端口(1)進入流量表，其總流量由流量表(2)通過體積方式測得，流量表(2)的輸出V1被連至計算機(10)[見圖1(a)]。溫度表T1和壓力傳感器(4)測量溫度T1和壓力P1。接著，流體流過限制器(5)，該限制器(5)使流體的壓力降至P2。這將使流體中的氣體膨脹，流量計(6)因而指示出一個較大的體積流量V2。溫度T2和壓力P2分別由(7)和(8)測量，流體在端口(9)離開流量計。
體積流量可由下式表示V1＝G1+L;V2＝G2+L其中，V1＝1秒內(nèi)流過第一流量計的流體的總體積，G1＝1秒內(nèi)流過第一流量計的氣體的總體積，G2＝1秒內(nèi)流過第二流量計的氣體的總體積，L＝1秒內(nèi)流過第二流量計的液體的總體積。
如果沒有氣體存在，則V1＝V2，因為液體是不可壓縮的，有多少體積的流體進入端口(1)，就肯定會有多少體積離開端口(9)。相反，如果有氣體存在，氣體的體積將根據(jù)Charles和Boyle定律膨脹，因此，流量計(6)中的流率將大于流量計(2)中的流率。換句話說V1＜V2 ……(3)
這兩個流量計之間的差值將只與氣體有關(guān)，理由是如果限制器(5)并沒有把壓力降到一個不可接受的量值上，因蒸發(fā)而引起的液體重量損失是非常微小的。
在(2)和(6)處的氣體之間的關(guān)系由Charles和Boyle定律定律給出P1G1/T1＝P2G2/T2＝(P2+△p)G1/T1＝P2(G1+△v)/T2……(4)其中，△p＝P1-P2，△V＝G2-G1，整理等式(4)，得到((P2+△P)T2)/(P2T1) - (G1+△V)/(G1) =(1+ (△P)/(P2) ) (T2)/(T1) =1+ (△V)/(G1) (5)通過這二個流量計套上保溫套并且把它們靠近安裝在一起，很容易使T2≌T1，因此，我們得到△P/P2＝△V/G1，或者△V＝G1△P/P2……(6)如果流體中只是氣體，則V1＝G1，V2＝G2……(7)。
這將使體積得到最大的增長△V＝△Vmax，即當V1＝G1時△Vmax＝△V＝V2-V1……(8)換句話說，△Vmax＝V1△P/P2……(9)如果流體中包含一半氣體一半液體，則△V＝1/2△Vmax。
因此，△V是從全部為液體的零到全部為氣體時的△Vmax之間變動的。因此，比率△V/Vmax給出工作條件為P2和T2時的氣/液比值。
現(xiàn)在，G1+△V＝G1·P1/P2;G1[(P1/P2)-1]＝V2-V1＝G1·△P/P2或者，G1= (P2)/(△P) (V2-V1)……(10)其中G1＝第一個流量計中的流體中的氣體體積。
V中的氣體部分L＝V1-G1L＝V1-(V2-V1)P2/△P ……(11)第二個流量計中的氣體體積為G2＝G1+(V2-V1)＝(V2-V1)(1+P2/△P) ……(12)氣/液比率由下式給出G/L＝[(V2-V1)P2/△P]/[V1(V2-V1)P2/△P)](13)所有測量裝置的輸出都送入計算機(10)中，由該計算機(10)執(zhí)行上述計算。從P2和T2及P3、T3還可以推出從而也就預測出處于標準壓力和溫度(如1巴，15.5℃)下的敞開式容器中的油的最終體積。
圖2中所示的裝置適用于液體是由不可互溶的液體(如由和水)組成時的情況。圖1中的裝置只可以測定有多少氣體和多少液體在一根管道中流動，還需要加上一個電子油/水監(jiān)視器(11)如美國專利4，503，383中所描述的那種未對水與總液體的比值進行分析。由于氣體和油對上述裝置來說是一樣的，因此如果我們知道氣體在液體中的百分比，我們就可以確定流體中有多少是油。舉個例子來說，如果根據(jù)等式(13)我們已經(jīng)確定氣液率為40%，油/水監(jiān)視器(11)上的讀數(shù)大約為42%水，則我們知道，剩下的40%中只有60%是液體，亦即其組成如下42%水，40%氣，18%油 ……(14)這樣，圖2中所示的裝置還可以對第三種成分進行分析，產(chǎn)生如[圖2(a)]計算機(10)的顯示屏上所示的輸出%水以及總共的氣、油和水。
在圖3中，用一個垂直容器(13)和一個壓差傳感器(12)代替了油/水監(jiān)視器。上述容器的截面積大于與之相接的管道的截面積，從而使因流體阻尼造成了壓力損耗為最小。如等式(15)所示，差壓△P＝ρh;ρ＝△P/h ……(15)h為容積(13)的高度。
流體的密度于是可根據(jù)等式(11)給出ρL＝ρV1/L ……(16)液體的實際密度通過溫度計(3)被校到標準溫度。
SL＝ρL/[1-α(TL-TS)]ρW……(17)這里，SL＝液體的相比密度(S.G.)＝考慮了油水百分比的計算密度(等式16)α＝液體的熱膨脹系數(shù)，TL＝液體溫度，
Ts＝標準溫度。
混合物中抒的百分比于是可以根據(jù)下式算出100(SL-SO)/SW-SO)＝%W ……(18)這里，SW是處理水的相對密度，SO是處理油的相對密度，SL是無氣體的混合物的相對密度，S是無氣體的混合物的相對密度。
實例如果水的相對密度(S.G.)為1.1，純油的相對密度為0.9，以及沒S＝0.8，L/V＝0.75(即液體中有25%的氣體)，我們得到100(0.8/0.75-0.9)(1.1-0.9)-(9.17)(10.2)＝83%水。
在本例中，油井在工作條件下產(chǎn)生62%水+13%油+25%自由氣體。在更低的壓力下，氣體將膨脹到一個可以用(圖3(a)計算機推算出的一個值(G3)G3= (P1)/(P3) · (T3)/(T1) ·G1……(19)如果知道與流體的密度，還可以使用需要密度校正的其它類型的流量表，如孔板，質(zhì)量流量計等等。
很顯然，根據(jù)上面的示數(shù)可以對本發(fā)明作多數(shù)改進和變型。因此，應(yīng)該注意的是本發(fā)明并不具體限定了后附的權(quán)利要求所建立的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種測量二態(tài)流體流的裝置，包括·串聯(lián)聯(lián)結(jié)的第一和第二儀表，用于測量第一、第二流體流，提供表示上述的第一和第二流體流的第一和第二信號；·位于上述的第一、第二流量表。用于在第一、第二流量表之間限制流動的一個流動限制器；·與每個上述的流量收有效連接的第一和第二壓力測量裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中上述的二態(tài)流體流動包括一個氣體流動和一個液體流動。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中還包括與每個上述的流量計有效地相連的第一、第二溫度測量裝置，用于提供表示每個上述流量計中的溫度的第一和第二信號。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的裝置，還包括用于從上述的第一和第二流量計、上述的第一和第二壓力測量裝置、第一和第二溫度測量裝置接收上述信號、并且確定上述的二態(tài)流動流中流體比值的關(guān)系。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的裝置，還包括一個在測定三態(tài)流體流動時用于確定上述的流體流中水與液體的比值的電子油/水監(jiān)視裝置。
6.根據(jù)權(quán)利要求4的裝置，還包括用于在上述流體流中分析一種液體以及測量三態(tài)流體流的分析裝置。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的裝置，其中上述的分析裝置是一個密度計。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的裝置，其中上述的密度表包括一個垂直容器和一個差壓發(fā)送器。
全文摘要
本發(fā)明為測量多態(tài)流量流動的裝置，包括測量第一、第二流體流并且提供表示該第一和第二流體流的第一和第二信號的串聯(lián)聯(lián)結(jié)的第一、第二流量計。本裝置還包括第一和第二流量計之間亦即與上述流量表相連的第一和第二壓力測量裝置之間的流動限制器。本裝置不需要物理地使不同的流體流分離，就能對多態(tài)流動進行測量。
文檔編號G01F1/74GK1055423SQ9110202
公開日1991年10月16日 申請日期1991年4月2日 優(yōu)先權(quán)日1990年4月2日
發(fā)明者喬拉姆·艾加 申請人:Agar有限公司