專利名稱：Coriolis流量計中不穩(wěn)定氣泡的校正的制作方法
背景技術(shù)：
1.發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明涉及Coriolis效應(yīng)質(zhì)量流量計。更詳細(xì)地說，Coriolis效應(yīng)質(zhì)量流量計本身包含在測量包含氣體和液體混合物的兩相流動方面或在鑒定可受該儀器內(nèi)部水銹或蠟沉積影響的測量方面提高精度的診斷程序。
2.問題的提出Coriolis流量計直接測量流經(jīng)管道的質(zhì)量流量。如在本技術(shù)中，諸如在美國專利No.4,491,025(于1985年1月1日授與J.E.Smith等人，本文中稱之為美國專利No.4,491,025)和Re.31,450(于1982年2月11日授與J.E.Smith，本文中稱之為美國專利No.Re.31,450)所公開的，這些流量計具有一個或多個直的或彎曲構(gòu)形的流量管。在Coriolis質(zhì)量流量計中的每一流量管構(gòu)形具有一組自然振動頻率，它們可以是簡單彎曲，扭轉(zhuǎn)或耦合型。在進(jìn)口側(cè)，流體自鄰接導(dǎo)管流入該流量計，經(jīng)流量管或一些管子引導(dǎo)，而后經(jīng)該流量計的出口側(cè)自該流量計流出。該充滿流體的振動系統(tǒng)的自然振動模式部分由流量管和其內(nèi)的流體的綜合質(zhì)量的限定。每一流量管以這些自然振動模式中的一種諧振被激發(fā)而振蕩。
當(dāng)沒有流量流經(jīng)流量計時，沿流量管的所有部位以相同相位振蕩。隨著流體開始流動，Coriolis加速使沿流量管各部位具有不同的相位。在流量管進(jìn)口側(cè)的相位滯后于激發(fā)器，而其出口側(cè)的相位導(dǎo)前后激發(fā)器。在流量管上可安置一些傳感器，以產(chǎn)生一些應(yīng)答流量管運(yùn)動的正弦信號。兩信號之間的相位差正比于流經(jīng)流量管的流體流量率。在該測量中的一個復(fù)雜因素是一般流程流體的密度發(fā)生變化。密度變化使自然振動模式頻率發(fā)生變化。由于流量計的控制系統(tǒng)保持諧振，該振蕩頻率特性發(fā)生變化。在此情況下，質(zhì)量流量率正比于相位差與振蕩頻率之比。
美國專利No.Re.31,450公開了一種無需測量相位差和諧振頻率的Coriolis流量計。相位差通過測量兩正弦波的水平相交之間的時間滯后來確定。當(dāng)采用該方法時，振蕩頻率的變化消失了，而質(zhì)量流量率正比于所測的時間滯后。該測量方法在本文中稱作時間滯后測量法。
在現(xiàn)行的Coriolis流量測定裝置中的一個問題是其應(yīng)用局限于氣體。氣體比液體密度低，因此，在相同的流動速度下，產(chǎn)生的Coriolis加速度較小。這一情況便需要一種有較高靈敏度的流量計。另一種方法是，若流動速度提高到獲得相同的Coriolis加速度時，可采用普通靈敏度的流量計。不幸的是，該替代方法導(dǎo)致流量計的靈敏度不穩(wěn)定。
氣體流過Coriolis流量計的一些問題是在一些系統(tǒng)中由于包含液體和氣體的多相流動而惡化。該氣體由于阻尼了該系統(tǒng)，而有降低測量靈敏度的效果。這種阻尼效果可嚴(yán)重到使流量計不能完成流量測量。
涉及采用Coriolis流量計測量多相流動的情況常出現(xiàn)在油井產(chǎn)生油、天然氣和水的石油工業(yè)中。氣井同樣產(chǎn)生天然氣，凝液和水。美國專利No.5,654,502敘述了一種井檢驗系統(tǒng)，其中一岐管經(jīng)一檢驗分離器通到一所選井，該分離器自該井中將產(chǎn)物分離或包含天然氣、油或凝液和水的相應(yīng)的幾部分。采用Coriolis流量計來測量相應(yīng)的油和水成份的質(zhì)量流量率。該流量計的測量精度由于采用電子推導(dǎo)的井中出水量測量來相對于剩余水含量校正被分離油相的測量密度而獲得提高。該校正工藝在某些情況下是難于或不可能采用的，因為不是所有的井都偶連檢驗分離器的。有時希望從井中直接測量流量而不采用檢驗分離器或花費(fèi)其開支。在這些情況下，在該系統(tǒng)中天然氣的存在，對于儀器的測量精度可能是一個決定性的限制因素。
美國專利No.5,029,482敘述了采用用實驗推導(dǎo)的關(guān)系式，該關(guān)系式是使具有已知的相應(yīng)氣體和液體成份的質(zhì)量百分比的混合的氣體和液體流通過Coriolis流量計來獲得的。然后根據(jù)總質(zhì)量流量率的Coriolis直接測量用該實驗推導(dǎo)的相互關(guān)系式來計算未知?dú)怏w和液體百分比的混合的氣體和液體流的氣體百分比和液體百分比。該′482專利并不解決在該系統(tǒng)測量中對氣體阻尼效應(yīng)的校正，雖然該阻尼效應(yīng)對該實驗關(guān)系式可能有影響。
因此，確實需要一種使氣體阻尼對多相流動中的密度測量的效應(yīng)不敏感的Coriolis流量計。
解決方案本發(fā)明克服了上述問題，并通過提供一種使氣體阻尼對多相流動中的密度測量的效應(yīng)不敏感的Coriolis流量計來提升該技術(shù)。該儀器的電子設(shè)備為特定的工藝方法編制了程序，該方法對比激勵增益和門檻值作為多相流動的顯示符。
Coriolis流量計可廣泛地用作包含氣體與液體，氣體與固體，或固體與液體的多相流動環(huán)境中的振動密度計。該流量計包含至少一個流量管和一個以相應(yīng)于流經(jīng)該流量管的物質(zhì)密度的基頻激振該流量管的激發(fā)器。該儀器的電子設(shè)備監(jiān)測激振流量管中激勵增益變化值來確定流經(jīng)所述流量管的多相流動的存在。該變化值通常是對某一門檻值的比較，在該門檻值時，包含氣體和液體的多相流動由超過該門檻值的激勵增益顯示的?？蓪Φ诙T檻值作第二對比，以顯示包含氣體和固體、液體和固體、或液體、氣體和固體的多相流動的存在，該值可顯示對氣體和液體系統(tǒng)的相似的阻尼效應(yīng)。該儀器的電子設(shè)備按照多相流動的持續(xù)時間應(yīng)答所述流量管中多相流動的存在。這種應(yīng)答通常是提供用于根據(jù)所述儀器的實時質(zhì)量流量率數(shù)據(jù)確定容積流量率的過去的密度數(shù)據(jù)。用于阻尼的多相流動的間隙期間的其它有用的密度值可包含有多相流動的選定成份中得到的密度測量值。
用于阻尼的多相流動間隙的間隙期間的過去的密度值通常是在時間間隔內(nèi)取平均值，以提供一平均密度值。還可對這些值進(jìn)行統(tǒng)計分析，以消除或減少包含在平均密度值中的謬誤測量結(jié)果。作為采用過去測量值的另一方案，樣品流體的密度值可從對包含密度的流體性質(zhì)的實驗室測量或從用實驗推導(dǎo)的關(guān)系式中得到。
Coriolis流量計打算應(yīng)用于存在多相流動的任何環(huán)境中，其中多相流動被定義為包含至少兩種物質(zhì)狀態(tài)固體，液體或氣體的流動。在包含氣體和液體或氣體和固體的多相系統(tǒng)中，該流量計是特別有用的。在生產(chǎn)油井或自然氣井可涌出油霧、氣泡或其它多相流體系統(tǒng)的石油工業(yè)中，這些環(huán)境是特別常見的。在完成井上的流量測定以確定井的水、氣體和油或冷凝液的容積流量率方面，該流量計是特別有用的。在這些情況下，該器的電子設(shè)備可采用行動來克服氣體阻尼的問題，其方法是直接提高井的背壓，迫使氣體進(jìn)入溶液，或指示一警戒狀況，要求操作者介入。
本發(fā)明還涉及包含完成本發(fā)明各種目的的各指令的控制軟件。具體地說，當(dāng)由處理機(jī)執(zhí)行時，這些指令可使用來指導(dǎo)該處理機(jī)從Coriolis流量計接收激勵增益輸入，并處理這些激勵增益輸入，通過對比這些激勵增益輸入和指示多相流動的門檻值，以確定流經(jīng)Coriolis流量計的多相流動的存在，并提供包含不代表在多相流動延續(xù)期間的實際密度測量的過去密度值的輸出。這些指令被儲存在機(jī)器可讀儲存媒體內(nèi)，供需要時提取。
本發(fā)明的第一個方面是具有儀器電子設(shè)備的Coriolis流量計，這些電子設(shè)備監(jiān)測在由激發(fā)器以相應(yīng)于流過該流量管的物質(zhì)密度的基頻激振的至少一個流量管中的激勵增益，以檢測變化值來確定經(jīng)所述至少一個流量管的多相流動的存在。為應(yīng)答流經(jīng)該流量管的物質(zhì)的多相流動的存在的確定，提供該物質(zhì)的校正密度值。
本發(fā)明的另一方面是對比該激勵增益和門檻值，以確定是否該激勵增益超過作為多相流動指示的門檻值。
本發(fā)明的另一方面是該門檻值是包含氣體和液體的多相流動的指示。
本發(fā)明的另一方面是對比該激勵增益和第二門檻值，以確定是否該激勵增益超過作為包含液體和固體物質(zhì)的多相流動的指示的第二門檻值。
本發(fā)明的另一方面是提供一個不同于相應(yīng)于所述基頻的密度值的新密度值。
本發(fā)明的另一方面是提取相應(yīng)于過去密度測量的數(shù)據(jù)，用作另一密度值。
本發(fā)明的另一方面是在時間間隔內(nèi)平均該過去的密度測量，以提一平均密度值。
本發(fā)明的另一方面是對該過去的密度測量進(jìn)行統(tǒng)計分析，以消除或減少包含在該平均密度值中的謬誤測量值。
本發(fā)明的另一方面是提取代表自實驗室測量獲得的密度測量值的數(shù)值，用作所述另一密度值。
本發(fā)明的另一方面是提取代表自一關(guān)系式中獲得的密度測量值的數(shù)據(jù)，用作所述另一密度值。
本發(fā)明的另一方面是將流量管的進(jìn)口聯(lián)接到至少一個生產(chǎn)井，以測量自該井流出的物質(zhì)，并在產(chǎn)物自井中流出時停止正在進(jìn)行中的井試驗。
本發(fā)明的另一方面是應(yīng)答多相流動的確定起動一個多相流動的警報指示。
本發(fā)明的另一方面是提供激勵增益，作為儀器的輸出。
附圖簡述

圖1繪出一Coriolis流量計；圖2是Coriolis流量計中的儀器電子設(shè)備的方塊圖；圖3繪出一激振彈簧和重量系統(tǒng)的簡圖；圖4繪出類似于圖3的激振彈簧和重量系統(tǒng)的簡圖，但還包括了類似于多相流動系統(tǒng)中氣體的氣體阻尼器；圖5繪出傳遞系數(shù)對振動頻率的曲線，包含一假想液體系統(tǒng)和被附加的多相流動中氣體成份阻尼的假想液體系統(tǒng)之間的對比；圖6繪出在需要校正的不穩(wěn)定氣泡作用期間激勵增益對時間的曲線；圖7繪出演示校正圖6中所示不穩(wěn)定氣泡作用的方法的過程控制簡圖；圖8繪出了井測試系統(tǒng)的簡略方塊圖。
優(yōu)選實施例詳述總圖1中的Coriolis流量計圖1表示一Coriolis流量計5，包括一流量計組件10和流量計電子設(shè)備20。流量計電子設(shè)備20經(jīng)引線100連接于流量計組件10，以提供密度，質(zhì)量流量率，容積流量率，總質(zhì)量流量率和沿路徑26的其它數(shù)據(jù)。業(yè)內(nèi)人士應(yīng)當(dāng)明白，本發(fā)明能應(yīng)用于任何型式的Coriolis流量計，而與激發(fā)器的數(shù)量及拾取傳感器的數(shù)量無關(guān)。
流量計組件10包含一對法蘭101和101′，岐管102和流量管103A和103B。連接于流量管103A和103B的是激發(fā)器104與拾取傳感器105和105′。系桿106和106′用作限定各流量管103A和103B繞其振蕩的軸線W和W′。
當(dāng)將流量計組件10插入到一輸送被測量的物質(zhì)的管道系統(tǒng)(未示)內(nèi)時，物質(zhì)經(jīng)法蘭101進(jìn)入流量計組件10，通過岐管102，在那里，引導(dǎo)該物質(zhì)進(jìn)入流量管103A和103B，流過流量管103A和103B，而后返回到岐管102，在那里，經(jīng)法蘭101′流出流量計組件10。
選擇流量管103A和103B，并適當(dāng)?shù)匕惭b于岐管102上，以便基本上具有分別繞彎曲軸線W-W和W′-W′的相同的質(zhì)量分布，慣性矩和彈性模數(shù)。這些流量管以基本上平行的方式自該岐管向外延伸。
流量管103A和103B由激發(fā)器104沿相反的方向繞它們各自的彎曲軸線W和W′并以被稱作流量計的快速輸出彎折(first out ofbendingfold)激振。激發(fā)器104可包括許多公知結(jié)構(gòu)中的一個，諸如一個安裝于流量管103A的磁鐵和一個安裝于流量管103B的對置線圈。交流電流通過該對置線圈，使兩流量管振蕩。一適當(dāng)?shù)募ぐl(fā)信號電流量計電子設(shè)備20經(jīng)引線110作用于激發(fā)器104。
關(guān)于圖1的說明，僅作為Coriolis計流計的操作例子而提供的，并不想限制對本發(fā)明的說明。本發(fā)明同樣可應(yīng)用于其它型式的Coriolis流量計，包括單管流量計以及具有多個傳感器或多個激發(fā)器的流量計。
流量計電子設(shè)備20接收分別出現(xiàn)在導(dǎo)線111和111′上的左右速度信號。流量計電子設(shè)備20在導(dǎo)線110上產(chǎn)生激發(fā)信號，使激發(fā)器104去振蕩流量管103A和103B。如本文所述的本發(fā)明能從多個激發(fā)器上產(chǎn)生多個激發(fā)信號。流量計電子設(shè)備20處理左右速度信號來計算質(zhì)量流量率，并為本發(fā)明提供確認(rèn)系統(tǒng)。通道26構(gòu)成一輸入和輸出裝置，它允許流量計電子設(shè)備20與操作器連系。
總圖2的流量計電子設(shè)備圖2圖示完成本發(fā)明有關(guān)過程的流量計電子設(shè)備20的部件方塊圖。通道111和111′自流量計組件10將左右速度信號傳輸?shù)搅髁坑嬰娮釉O(shè)備20。該速度信號由流量計電子設(shè)備20內(nèi)的模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器203接收。A/D轉(zhuǎn)換器203將左右速度信號轉(zhuǎn)換為處理機(jī)201能用的數(shù)字信號，并將通道213上的數(shù)字信號傳輸給I/O總線210。該數(shù)字信號由I/O總線210傳輸?shù)教幚頇C(jī)201。I/O總線上的一些激發(fā)器信號被傳輸?shù)酵ǖ?13，后者將這些信號加到數(shù)/模(D/A)轉(zhuǎn)換器202。來自D/A轉(zhuǎn)換器202的模擬信號經(jīng)通道110被轉(zhuǎn)換到激發(fā)器104。通道26連于I/O總線210，并將這些信號傳輸?shù)捷斎牒洼敵鲅b置(未示)，后者允許流量計電子設(shè)備20操作器接收數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸給操作器。
處理機(jī)201讀出完成流量計各種功能的指示，包括，但并不限于，經(jīng)通道221根據(jù)只讀存儲器(ROM)220計算物質(zhì)的質(zhì)量流量率，計算物質(zhì)的容積流量率，和計算物質(zhì)的密度。這些數(shù)據(jù)和完成各種功能的指示被存儲在隨機(jī)存取存儲器(RAM)230內(nèi)。處理機(jī)201經(jīng)通道231讀出并寫入RAM中的各種操作。從廣義上講，流量計電子設(shè)備20包含附上的控制裝置和其它的處理機(jī)，它們可任選地連于通道26上的流量計電子設(shè)備20。
流體密度計算圖3繪出一無阻尼的動力彈簧組件300，它依據(jù)在單相流動中的Coriolis流量計5的流量管103A和103B(參圖1)同樣的物理原理工作。彈簧302連于一支撐物304和一質(zhì)量306。質(zhì)量306在平行于雙箭頭線308的路途上往復(fù)運(yùn)動或振動。組件300的基頻為(1)fn=12πksm]]>其中ks為彈簧302的彈簧常數(shù)，而m為質(zhì)量306的質(zhì)量。在Coriolis流量計5的情況下，m為流量管103A和103B與這些管內(nèi)的物質(zhì)質(zhì)量的綜合重量。
方程式(1)在應(yīng)用于流量管103A或103B的情況下，變?yōu)?2)ρ=Afn2-B]]>其中A和B為用傳統(tǒng)方式確定的Coriolis流量計的標(biāo)訂常數(shù)，ρ為流經(jīng)這些流量管的介質(zhì)密度，fn為基頻。這樣，已知基頻，便能確定該流體的密度。
Coriolis流量計通過測量激振傳感器管，如流量管103A和103B(參圖1)中的一根的Coriolis扭曲來測量質(zhì)量流量率。該傳感器管的振動具有改變在該管內(nèi)流動的流體角動量的效果。Coriolis扭曲力較小，而這些流量管剛性較大。為使該管以充分大振幅振動，以使Coriolis扭曲力可以檢測到，該流量計的電子設(shè)備20產(chǎn)生一激勵電壓來激勵線圈104，線圈104使流量管或管子以其基頻振動。于是，處理機(jī)201(參圖2)提供輸出，后者以通常的方式連續(xù)地使Coriolis流量計的傳遞系數(shù)比(transmissivity ratio)或激勵增益最大。例如激勵電壓通常隨傳遞系數(shù)比或激勵增益的降低而增大。同時，該激勵電壓不能增大到超出某個最大極限值，否則該電壓最終會變得太大，結(jié)果該流量計因過大的電壓或過大的振幅而損壞。
氣體對該系統(tǒng)阻尼的影響圖4繪出一受阻尼的動力彈簧和質(zhì)量組件400，它依據(jù)與以包含氣體和液體的多相流動方式工作的Coriolis流量計5(參圖1)的流量管103A和103B相同的物理原理工作。在可能的情況下，對圖4中相同的零件保留圖4中相同的編號。圖4不同于圖3在于附加了一阻尼器402，它具有沿通道308減小振幅的效果。方程式(1)和(2)仍適用于圖4所示的系統(tǒng)，但總的振幅因阻尼器402而較小。
圖5是演示氣體對Coriolis流量計5(參圖1)的流量管103A和103B的頻率諧振的實際阻尼影響的假設(shè)數(shù)據(jù)曲線。將傳遞系數(shù)的對數(shù)例如在頻率f0，f1和f2時畫成施加于激勵線圈104的交流電壓的函數(shù)。傳遞系數(shù)比Tr等于傳感器輸出除以激勵輸入，即Tr為激勵增益。 其中傳感器線圈Vac是來自傳感器105和105′的導(dǎo)線111和111′上的交流電壓，而激勵電線Vac是通至激勵線圈104的導(dǎo)線110上的交流電壓。這些電壓可由一標(biāo)訂正常數(shù)成正例地調(diào)節(jié)，以計及激勵線圈104和傳感器105與105＇之間標(biāo)尺的不同。第一曲線500相當(dāng)于方程式(1)和圖3的無阻尼系統(tǒng)，即在被測的流體中無氣體存在。第二曲線502相當(dāng)于方程式(3)的有阻尼系統(tǒng)。兩曲線500和502在基頻fn處分別具有最佳值504和504′。曲線500和502至fn左側(cè)的區(qū)域506代表流量管103A和103B(參圖1)同相振動的情況。曲線500和502至fn右側(cè)的區(qū)域508代表流量管103A和103B(參圖1)異相振動的情況。最佳點504′由于其幅值減小，比最佳點504更難測定。由于氣體阻尼隨著幅值減小，Coriolis流量計5(圖1)不再能完成有效的流量測定，和流量計的靈敏度有關(guān)。
流量計電子設(shè)備20用來監(jiān)測激勵增益或通過量，并根據(jù)傳感器線圈的電壓和激勵線圈的電壓之比使傳遞系數(shù)的幅值最佳。該最佳值根據(jù)曲線500的斜率分析完成的。例如，取自由激勵線圈的較快振動頻率產(chǎn)生的新數(shù)據(jù)的第一前差分會產(chǎn)生具有零值(最佳情況)、負(fù)值(區(qū)域508)或正值(區(qū)域506)的斜率。流量計的電子設(shè)備然后按這些數(shù)值的斜率指示的需要，較快或較慢地激振，直到獲得最佳的傳遞系數(shù)。圖6是表示激勵增益和隨機(jī)事件600的時間之間關(guān)系的假想數(shù)據(jù)曲線，其中不穩(wěn)定氣泡在時間602進(jìn)入Coriolis流量計5(參圖1)，而在時間604泄出。激勵增益在圖6中被表示為一百分比，并斷斷續(xù)續(xù)地被畫成為時間，如t1，t2和t3的函數(shù)。按照本發(fā)明的構(gòu)思，處理機(jī)201(亦見圖2)基于激勵增益或傳遞系數(shù)以門檻值編成程序。在曲線608的激勵增益或傳遞系數(shù)超過門檻時606處時，處理機(jī)201停止采用以傳統(tǒng)方式按方程式(2)計算得到的密度數(shù)值。處理機(jī)201然后按圖7中所示的流程圖計算密度。
圖5-6中所示的結(jié)果類同于包含液體和例如帶有石蠟、沙子、流體中的水銹，或帶有在流量管103A和103B內(nèi)壁上已實際生成的水銹的固體的多相流動的結(jié)果。這樣，能檢測氣體和液體多相流動的系統(tǒng)也能利用同樣的原理檢測包含氣體和固體，液體和固體或流量管內(nèi)的水銹的多相流動。
不穩(wěn)定氣泡校正模式總是最好采用按方程式(2)得到的測量結(jié)果作為包含密度值的流量計輸出；然而，由于多相流動中氣體阻尼的有害影響，不總是能采用方程式(2)的。圖7繪出當(dāng)不穩(wěn)定氣泡進(jìn)入Coriolis流量計5時以氣體阻尼影響來校正密度值的過程P700。過程P700是按照下述前提制定起來的雖然氣體阻尼可產(chǎn)生實時測量困難，然而從Coriolis流量計獲得的隨后最佳密度值是最新測定的密度值。過程P700的各相應(yīng)步驟在也出現(xiàn)在圖6中的標(biāo)號的上下文中得到說明。
在步驟P702中，由于曲線608在602處已和門檻值606相交，處理機(jī)201確定激勵增益已超過門檻值606。由于曲線608居先時間602部分，因要進(jìn)入流量計的氣泡的作用，可能具有某些噪音，在步驟P704中，在一預(yù)定時間間隔610到平均間隔612內(nèi)，處理機(jī)201追溯。平均間隔612可相應(yīng)于單個數(shù)據(jù)點，但最好包括一個包含多數(shù)據(jù)點的間隔，以便使可能向上形成蜂值的謬錯測量結(jié)果614趨于光滑，而不超過門檻值。
在步驟P706中，處理機(jī)201確定在平均間隔612內(nèi)是否有任何測量結(jié)果超過門檻值606。若有，在步驟P708中，在計算中，可采用多次或部分追溯(look back)間隔610，經(jīng)重復(fù)步驟P704來得到一個新的平均間隔612。若經(jīng)步驟P706重復(fù)的嘗試沒有得到?jīng)]有一個點大于門檻值606的間隔612，則包含那些大于門檻值606的謬誤測量結(jié)果，如測量點614，能用統(tǒng)計分析加以剔除。該統(tǒng)計分析可包含計算一標(biāo)準(zhǔn)誤差，并忽略在標(biāo)準(zhǔn)誤差之外的所有數(shù)值，或忽略所有大于門檻值606的數(shù)值，只要在平均間隔612內(nèi)的某些測量結(jié)果小于門檻值606?；蛘邔⑻幚頇C(jī)201編成程序，以輸出一預(yù)定的密度值，諸如可從實驗室測量獲得的密度值。
步驟P710包含將平均間隔612內(nèi)的密度值平均化，以提供一個相應(yīng)于平均間隔612的有代表性的平均密度值。用于計算該平均值的數(shù)值可通過和步驟P706有關(guān)的上述討論的統(tǒng)計分析加以調(diào)整。在流量計診斷表明由于氣體阻尼它不在正確地工作以進(jìn)行質(zhì)量流量率測量的情況下，流量計的質(zhì)量流量率輸出也能按這些相同的原理進(jìn)行平均化。
按照步驟712，處理機(jī)201提供自步驟P710獲得的平均密度值作為流量計輸出，直到該時間由于曲線608在時間604降到低于門檻值606為止。因此，過程P700在步驟P714完結(jié)，處理機(jī)離開不穩(wěn)定氣泡校正模式而返回到由按方程式(2)完成的測量結(jié)果組成的流量計輸出。
門檻值606的追溯間隔610和平均間隔610的精確值或延續(xù)時間與流量計的型式和尺寸以及要應(yīng)用的環(huán)境有關(guān)。例如，對于安裝在每天生產(chǎn)一千桶石油的油井上跟生產(chǎn)一桶石油的油井上的流量計，這些數(shù)值是不同的。在實踐中，操作者決定Coriolis流量計5以無氣泡工作的門檻值606。該決定是由經(jīng)驗、試湊法，制造商的推薦，或在要應(yīng)用的環(huán)境中的長時間的記錄的綜合作出的。操作者將該值輸入流量計電子設(shè)備20，作為用于過程P700的一套數(shù)值。該流量計電子設(shè)備不間斷地監(jiān)測該激勵增益值。不穩(wěn)定氣泡校正技術(shù)的應(yīng)用不限于石油工業(yè)，它包括可遇到包含氣體和液體的多相流動的任何場合。
圖5中所示的跟曲線500和502對比相同的阻尼原則適用于其時多相流動包含固體和液體的場合，雖然在較低的程度上適用。多相流動也可包含氣體、液體和固體的混合物。在石油工業(yè)應(yīng)用環(huán)境中，出現(xiàn)流體流包含天然氣、石油或冷凝液，水、石蠟、沙子和/或油頁巖的情況。因此，圖6和7的原理可用于校正由于包含固體和液體，或氣體和固體，以及氣體和液體的多相流動而出現(xiàn)的謬誤的密度或質(zhì)量流量率測量結(jié)果。
上述的處理過程包括存儲在存儲媒體上的各種指示。這些指示可由處理機(jī)保持和執(zhí)行。一些指示的例子為軟件、程序卡和同件操作系統(tǒng)。一些存儲媒體的例子為記憶裝置、磁帶、軟盤，集成電路和伺服器。這些指示當(dāng)被處理機(jī)執(zhí)行時可用來指導(dǎo)處理機(jī)按本發(fā)明工作。術(shù)語“處理機(jī)”指單個處理裝置或一組相應(yīng)配合工作的處理裝置。一些處理機(jī)的例子為集成電路、計算機(jī)和邏輯電路。業(yè)內(nèi)人士都熟悉這些指令，處理機(jī)和存儲體。
Coriolis流量計和被裝備來實現(xiàn)上述不穩(wěn)定氣泡校正原理的相關(guān)的儀器電子設(shè)備都能應(yīng)用于包含多相流動的任何環(huán)境，在校正瞬間油霧和細(xì)泡方面，這些儀表工作特別好。在本文中，“瞬間”意指瞬時或周期性地存在的流動情況。在校正團(tuán)狀流動或塞式流動(play floW)中的氣體效應(yīng)方面，這些儀表也工作良好，可以接受，雖然，在這些流動條件下，所計算的容積流量率比油霧流動條件下的可靠性較小。具體的應(yīng)用包括在反應(yīng)器或工藝流送管、食物處理罐中伴隨氣體生成的化學(xué)處理，伴隨氣體生成的微生物處理，以及伴有多相流體的任何系統(tǒng)，如在石油工業(yè)中的生產(chǎn)井，在那里，在儀表前后有安裝分離器。
用于石油井檢驗測量的系統(tǒng)如圖8方塊簡圖所示，系統(tǒng)800包括一個帶有若干電子作動井頭閥803，803′和803″的岐管802，每個閥對管子804提供包含氣體、液體和固體的多相流動。閥803，803′和803″最好為三通電子起動氣動閥，諸如帶MATRYX MX200作動器的Xomox TUFFLINE 037 AX WCB/316井切換閥。使閥803，803′和803″有選擇地構(gòu)形，以便在每一時刻有一個井經(jīng)岐管802和檢驗管對Coriolis流量計806提供多相流動，流量計806可以跟Coriolis流量計5相同。流經(jīng)Coriolis流量計806的井處在其容積流量率的檢驗之中，以決定其總銷售組成。井803，803′和803″的其余部分流到集流管808，以便流經(jīng)第二儀表810，第二儀表可以是銷售儀表。經(jīng)Criolis流量計806的流動排入儀表排出管812，并進(jìn)入井中出水量儀表812。該流動隨后與集流管808中的流動匯合，以便經(jīng)第二儀表進(jìn)行測量。流量計806和810的示例性結(jié)構(gòu)形式包括ELITEModels CMF 300 356 NU和Model CMF 300 H 551 NU，它們可從科羅拉多州Boulder的Micro Motion買到。
系統(tǒng)800包括一計算機(jī)816(如IBM兼容機(jī))，用數(shù)據(jù)采集和編程軟件將計算機(jī)編成程序。該軟件的優(yōu)先形式為Intellution軟件DMACS，它可從Emerson Electric的子公司INTELLUTION買到。該軟件特別優(yōu)先，因為它能發(fā)出代表有潛在危險的機(jī)械故障的非正常井檢驗狀態(tài)的警報。計算機(jī)816控制控制操作控制器818的程序，它包括若干驅(qū)動器和界面，它們允許計算機(jī)816與系統(tǒng)800的遙控部件相互作用。遙控操作控制器818的一種優(yōu)先形式是Fisher Model Roc364?？刂破?18還可用軟件編成程序，以便于執(zhí)行來自計算機(jī)816的控制指令。
閥控制連接820，820'和820″將控制器818和電子作動閥803，803′和803″連接，以便有選擇地控制這些閥。連線822將控制器818和壓力變換器824連接。變換器824的示例性形式為ELITE Model RFT9739，它可從科羅拉多州，Boulder的Micro Motion買到。連線826將控制器818和井中出水量儀表814連接?？蓪⒖刂破?18，變換器824和計算機(jī)816的功能結(jié)合在諸如儀表電子設(shè)備20(見圖2)的單個處理機(jī)內(nèi)。
系統(tǒng)800操作如下，岐管802使單井803，803'或803″流經(jīng)Coriolis流量計806以檢驗該井，以檢驗該井或提供關(guān)于該井的質(zhì)量流量率信息，而這些井的其余部分流入集流管808，作為第二儀表810的混合銷售輸出。Coriolis流量計806對變換器824提供密度和質(zhì)量流量率信息，作為儀表輸出，變換器824又對連線822上的控制器818提供信號。計算機(jī)816、控制器818、變換器824或Coriolis流量計806之一(一般為計算機(jī)816)按照方程式(4)完成總?cè)莘e流量率Qe的計算(4)Qe=MeDe]]>其中De為從總混合的油和水的流量流獲得的Coriolis基本質(zhì)量流量率測量結(jié)果；而De為在測量溫度T時總混合的油、氣、水和固體流量流的密度。
按照方程式(5)計算出油的容積流量率(5)Qo＝Qe(1－Xw)其中Qo為油的容積流量率；Xw為水的百分?jǐn)?shù)流量率，其余的變量由上式限定。
按照方程式(6)計算水的容積流量率(6)Qw＝Qe*Xw其中Qw為水的容積流量率，其余的變量由上式限定。
將容積流量率值乘以在測量溫度下的密度并除以在參考溫度下的密度，可將容積流量率數(shù)值Qo和Qw修正到一標(biāo)準(zhǔn)參考溫度Tref下，例如，如方程式(7)中那樣(7)Qo=Qo*Do,TDo]]>
其中Do在標(biāo)準(zhǔn)溫度Tref下油的容積流量率；Qo，T為在溫度T時測得并按方程式(5)計算的油的容積流量率；Do為在參考溫度Tref下由實驗室測量測得的油的密度；Do，T為在溫度T時測得的油的密度。
水的百分比流量率計算如下(8)Xw=De-Po,TPw,T-Po,T]]>其中Do為在測量溫度T時總混合的油(冷凝液)和水的流量流的密度，Po，T為排除了分離油組份的任何殘余水分的純油(或冷凝液)相的密度；Pw，T為純水相的密度；剩下的變量由上式限定。
Xw值為“井中出水量”(Water-Cut)測量值，是井檢測的重要結(jié)果。術(shù)語“井中出水量”在本文中被定義為代表在油和水液體混合物中油容量和水容量之間關(guān)系的任何比值。井中出水量儀表814采用電容、電阻、微波輻射或其它測量來確定井中出水量的數(shù)量。在某些情況下，水的容量大到超過儀器的極限。例如，僅僅在水容積小于總流量流的約20％至30％的場合，電容或電阻監(jiān)測儀才提供能接受的精確的井中出水量測量結(jié)果。30％的精度上限遠(yuǎn)低于從許多生產(chǎn)井觀察到的值。例如，油井的總液體產(chǎn)物容積可以為99％的水。因此，將某些井中出水量監(jiān)測儀歸類為測定在具有低含水量的油組份中的井中出水量。井中出水量監(jiān)測儀常常不能用于測定以兩相分離器流出的物質(zhì)中的水含量，因為總液體組份具有超過30％精度上限的水含量。井中出水量監(jiān)測儀66的示例性形式為Drexelbrook Model CM-2電容監(jiān)測儀。因此，方程式(8)提供了計算井中出水量及水和油或冷凝液的容量流量率。數(shù)值Po，T和Pw，T可從各別井產(chǎn)出的流體的傳統(tǒng)實驗室測量結(jié)果中獲得。
其中Xw值處在井中出水量儀表814的性能和精度極限內(nèi)。(9)Po,T=Pt-PW,TWC1-WC]]>油密度相對于水含量的修正可按下式進(jìn)行其中Po，T為在溫度T時水修正的油密度；Pt為在溫度T時由Coriolis流量計806測得的混合的井中出水量液體的總密度；Pw為在溫度T時由實驗室測定或由溫度-含鹽量傳統(tǒng)經(jīng)驗關(guān)系式確定的水組分的密度；WC是由井中出水量儀表814測定的井中出水量。
總之，為銷售目的，需要流量計的液體測量從質(zhì)量流量率轉(zhuǎn)換為容積流量率，因為石油產(chǎn)品是按容積出售的。密度值被用來完成自質(zhì)量流量率到容積流量率的轉(zhuǎn)換。水和油的百分比流量率是通過井中含水量的直接測量確定的，但這一方法并不總是奏效的，因為儀器先天性地限制著井中出水量儀表。井中出水量的直接測量還能用來相應(yīng)于在產(chǎn)油井壽命期內(nèi)油密度值的變化標(biāo)訂儀表。若水和油各自的密度值可從其它的產(chǎn)油源獲知，則井中出水量便可根據(jù)密度測量確定。氣體對該系統(tǒng)的阻尼干擾了方程式(8)和(9)的計算，因為阻尼可嚴(yán)重到使儀表停止對流經(jīng)流量管的物質(zhì)提供精確密度讀數(shù)，或者因為所測得的密度有足夠多的氣體含量而破壞了為方程式(8)和(9)固有的兩相流動的前提。按照美國專利No.5,029,482，該氣體流量率可由經(jīng)驗關(guān)系式確定，在本文中引用被充分公開的該專利作參考。
由此可見，圖8的計算機(jī)816或控制器818具有利用按圖7獲得的密度或質(zhì)量流量率值來處理的選擇自由，同時不穩(wěn)定氣泡在流量計806內(nèi)檢測。或者，若不希采用間隔612的平均值，則其它的選擇包含停止井檢驗或指示一警報供操作者介入。再一個選擇方案是計算機(jī)816給控制器818發(fā)信號以部分關(guān)閉所選定的閥803，803′或803″中的一個，以提高井內(nèi)的背壓。在油井的情況下，該背壓可迫使析出的氣體返回到溶液中，從而由于從產(chǎn)品流體中全部或部分消除了氣體，完全或部分地克服了氣體阻尼對Coriolis流量計806的影響。
方程式(8)和(9)特別適用于油和水，但這些方程式更廣泛地適用于也可能受作為第三相的氣體的影響的任何兩相不溶混的液體系統(tǒng)，如任何膠溶液。氣體對這些系統(tǒng)的有害影響不僅僅只是包含阻尼，因為根據(jù)方程式(8)利用密度計算的Xw值，在用方程式(9)修正時，考慮到這些方程式是建立在未計及氣體的兩相不溶混液體的前提下，由于密度值De減小而具有誤差。
業(yè)內(nèi)人士會理解，上述的各優(yōu)先實施例在不背離本發(fā)明的實際精神和范圍的情況下可進(jìn)行種種明顯的修改。因此，本發(fā)明人在此聲明本發(fā)明依靠等同物原理，以保護(hù)他在本發(fā)明中的全部權(quán)利。
權(quán)利要求
1.一種用以測量流經(jīng)其間的物質(zhì)的性質(zhì)的裝置，具有至少一個接收所述物質(zhì)的流量管(103A-103B)，一個用以振蕩所述至少一個流量管(103A-103B)的激發(fā)器，一些用以測量所述至少一個流量管(103A-103B)的振蕩的傳感器(105-105′)，以及流量計電子設(shè)備(20)，該電子設(shè)備包含用以監(jiān)測在以相應(yīng)于流經(jīng)所述至少一個流量管(103A-103B)的物質(zhì)的密度的基頻而振動的所述至少一個流量管(103A-103B)內(nèi)的激勵增益的裝置(200)，以檢測數(shù)值的變化來確定流經(jīng)所述至少一個流量管的多相流動的存在；借助于所述監(jiān)測裝置應(yīng)答所述流量管內(nèi)多相流動存在的確定，為所述物質(zhì)提供修正密度值的裝置(P700)。
2.權(quán)利要求1的裝置，其特征在于所述監(jiān)測裝置(20)包含用以對比所述激勵增益和門檻值以確定所述激勵增益是否超過作為多相流動指示符的所述門檻值的裝置。
3.權(quán)利要求2的裝置，其特征在于所述門檻值表示包含氣體和液體的多相流動。
4.權(quán)利要求3的裝置，其特征在于所述監(jiān)測裝置(20)包含用以對比所述激勵增益和第二門檻值以確定所述激勵增益是否超過作為包含液體和固體物質(zhì)的多相流動的指示符的所述第二門檻值。
5.權(quán)利要求1的裝置，其特征在于所述用以提供修正的密度值的裝置提供一個不同于相應(yīng)于所述基頻的密度值的新密度值。
6.權(quán)利要求5的裝置，其特征在于所述提供修正密度的裝置(P700)包含用以修正代表自所述至少一個流量管獲得的過去密度測量結(jié)果的數(shù)據(jù)、用作所述另一密度值的裝置(P704)。
7.權(quán)利要求6的裝置，其特征在于所述提供修正密度值的裝置(P700)包含用以相對于一時間間隔平均所述過去的密度測量結(jié)果以提供一平均密度值的裝置(P710)。
8.權(quán)利要求7的裝置，其特征在于對所述過去密度測量結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析，以避免或減少謬誤測量結(jié)果被包含在所述平均密度值內(nèi)。
9.權(quán)利要求5的裝置，其特征在于所述提供裝置(P700)包含用以修正代表從實驗室測量獲得的密度測量結(jié)果的數(shù)據(jù)、用作所述另一密度值的裝置。
10.權(quán)利要求5的裝置，其特征在于所述提供裝置(P700)包含用以修正代表從一關(guān)系式獲得的密度測量結(jié)果的數(shù)據(jù)、用作所述另一密度值的裝置。
11.權(quán)利要求1的裝置，其特征在于還包括用以接合所述至少一個流量管的入口和至少一個生產(chǎn)井以測量自所述井流出的物質(zhì)的裝置(803)；所述的提供裝置包含當(dāng)產(chǎn)物自所述井流出時，用以停止正在進(jìn)行中井檢驗的裝置。
12.權(quán)利要求11的裝置，其特征在于還包含根據(jù)所述多相流動的確定起動指示多相流動的警報的裝置。
13.權(quán)利要求1的裝置，其特征在于還包含提供激勵增益作為流量計輸出的裝置。
14.提供流經(jīng)一管道的物質(zhì)的密度的并利用插入所述管道內(nèi)的Coriolis流量計(5)提供所述物質(zhì)密度的方法，該流量計具有至少一個流量管(103A-103B)，一個用以振蕩所述一流量管(103A-103B)的激發(fā)器(104)，和一些用以檢測所述至少一個流量管的振蕩的傳感器(105-105′)，所述方法包括如下步驟監(jiān)測所述至少一個流量管(103A-103B)內(nèi)的激勵增益值變化，以確定流經(jīng)所述流量管的多相流量的存在；根據(jù)所述流量管內(nèi)多相流動存在的確定提供(P700)一修正的密度值。
15.權(quán)利要求14的方法，其特征在于監(jiān)測激勵增益的步驟包含如下步驟對比所述激勵增益和門檻值，以確定所述激勵增益是否超過作為多相流動指示符的所述門檻值。
16.權(quán)利要求15的裝置，其特征在于所述對比步驟包含如下步驟設(shè)定所述門檻值作為包含氣體和液體的多相流動的指示符。
17.權(quán)利要求16的裝置，其特征在于所述對比步驟包含如下步驟對比所述激勵增益和第二門檻值，以確定所述激勵增益是否超過作為包含液體和固體物質(zhì)的多相流動的指示符的所述第二門檻值。
18.權(quán)利要求14的裝置，其特征在于所述提供步驟包含如下步驟提供不是相應(yīng)于所述基頻的密度值的密度值。
19.權(quán)利要求18的裝置，其特征在于所述提供步驟包含如下步驟修正(P704)代表自所述流量管獲得的過去密度測量結(jié)果的數(shù)據(jù)、用作所述另一密度值。
20.權(quán)利要求19的裝置，其特征在于包含如下步驟相對于一時間間隔平均所述過去的密度測量結(jié)果，以提供一平均密度值。
21.權(quán)利要求20的裝置，其特征在于包含如下步驟對過去的密度測量結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析(P712)，以避免或減小謬誤的測量結(jié)果包含在所述平均密度值內(nèi)。
22.權(quán)利要求18的裝置，其特征在于所述提供步驟包含如下步驟修正代表自實驗室測量獲得的密度測量結(jié)果的數(shù)據(jù)，用作所述另一密度值。
23.權(quán)利要求18的裝置，其特征在于還包含如下步驟修正代表從一關(guān)系式獲得的密度測量結(jié)果的數(shù)據(jù)，用作所述另一密度值。
全文摘要
Coriolis流量計(5)可作為激振管密度計工作,其中一流量管(103A－103B)被激發(fā),以基頻振動,根據(jù)該基頻,可計算流經(jīng)該流量管(103A－103B)的物質(zhì)的密度。監(jiān)測激勵增益,作為包含氣體和液體成分的多相流動的指示符,其中激勵增益的明顯增加表明由于不穩(wěn)定氣泡進(jìn)入流量管,因而有對流量管振動的氣體阻尼。不穩(wěn)定氣泡的氣體阻尼效應(yīng)和相應(yīng)減小的密度讀數(shù)通過采用相應(yīng)于無不穩(wěn)定氣泡進(jìn)入流量管時的流動周期的過去的密度測量結(jié)果來修正。
文檔編號G01N9/32GK1328636SQ9981357
公開日2001年12月26日 申請日期1999年9月9日 優(yōu)先權(quán)日1998年9月30日
發(fā)明者R·E·杜頓 申請人:微動公司