具有電介質(zhì)樣品管以及填充波導(dǎo)的電介質(zhì)構(gòu)件的波導(dǎo)傳感器的制造方法
【專利說(shuō)明】具有電介質(zhì)樣品管以及填充波導(dǎo)的電介質(zhì)構(gòu)件的波導(dǎo)傳感
□ □
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及流體傳感器，其用于測(cè)量流體的組成和/或流動(dòng)特性，并且具體地但非排他性地用于測(cè)量管中和/或油或天然氣井中流體的油、氣體和/或水的含量以及流率。
【背景技術(shù)】
[0002]已知使用流體傳感器來(lái)測(cè)量流體的組成和/或流動(dòng)特性。這種流體傳感器通常被稱為多相計(jì)量器。已知的多相計(jì)量器包括基管，所述基管在其內(nèi)部限定由同心布置的開(kāi)放式的大致圓筒形金屬腔體構(gòu)件所包圍的流體流動(dòng)路徑。基管對(duì)于射頻(RF)電磁輻射基本上是透過(guò)性的。腔體構(gòu)件限定適于RF電磁場(chǎng)的諧振腔體，所述諧振腔體延伸通過(guò)基管和延伸跨越(across)流體流動(dòng)路徑。在已知的多相計(jì)量器中，基管可由聚氯乙烯(PVC)或聚醚醚酮(PEEK)形成，并且腔體構(gòu)件由黃銅形成。這種已知的多相計(jì)量器配置成檢測(cè)RF電磁場(chǎng)頻譜中的諧振峰，并從諧振峰的特征推斷出流體流動(dòng)路徑中流體的組成和/或流動(dòng)特性。
[0003]眾所周知的是，RF電磁場(chǎng)的強(qiáng)度跨越諧振腔而變化。因此，當(dāng)非均相的流體存在于流體流動(dòng)路徑中時(shí)，存在于流體中的不同流體組成(例如水、油或氣體)可位于具有顯著不同的RF電磁場(chǎng)強(qiáng)度的區(qū)域或流動(dòng)通過(guò)所述區(qū)域。如果不同的流體組成的位置跨越流體流動(dòng)路徑移動(dòng)，則這會(huì)使得流體流動(dòng)路徑中的流體的組成和/或流動(dòng)特性的測(cè)量更加困難和/或更加不準(zhǔn)確。因此，在已知的多相計(jì)量器中，腔體構(gòu)件通常與基管分隔開(kāi)，從而限定諧振腔，所述諧振腔在橫截面上顯著大于流體流動(dòng)路徑，以便改善跨越流體流動(dòng)路徑的RF電磁場(chǎng)強(qiáng)度的均勻性。因此，已知的多相計(jì)量器具有在基管的外表面和腔體構(gòu)件的內(nèi)表面之間限定的環(huán)形外部腔體區(qū)域。
[0004]在已知的多相計(jì)量器中，環(huán)形外部腔體區(qū)域填充有空氣或水。這種已知的多相計(jì)量器的實(shí)例在下述文獻(xiàn)中有所描述:s.Al-Hajeri, S.R.Wylie, R.A.Stuart和A.1.Al-Shamma' a，“在石油和天然氣工業(yè)中用于多相測(cè)量的電磁腔體傳感器(An electromagnetic cavity sensor for multiphase measurement in:the oiland gas industry) ”，物理學(xué)雜志(Journal of Physics):會(huì)議序列號(hào)(ConferenceSeries) 76 (2007) 012007 ；S.Al-Hajeri, S.R.Wylie, A.Shaw 和 A.1.Al-Shamma’a，‘‘用于石油工業(yè)三相流量測(cè)量的實(shí)時(shí)電磁波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(Real time EM waves monitoringsystem for oil industry three phase flow measurement)，，，物理學(xué)雜志(Journalof Physics):會(huì)議序列號(hào)(Conference Series) 178(2009)012030 ；S.R.Wylie,A.1.Al-Shamma’ a，A.Shaw和S.Al-Hajeri, “用于多相測(cè)量的電磁腔體傳感器(Electromagnetic cavity sensors for multiphase measurement)，，，石油和天然氣的勘探和生產(chǎn)綜論(Explorat1n and product1n Oil and Gas Review)，第 9 卷，第 I 期；和號(hào)為FI834892的芬蘭專利文獻(xiàn)。
[0005]因?yàn)閷?duì)于腔體構(gòu)件而言會(huì)有必要配置成承受高的外部壓力，因此尤其是在高壓環(huán)境中使用包括空氣填充的外部腔體區(qū)域的流體傳感器可能是有問(wèn)題的。類似地，如果腔體構(gòu)件由殼體包圍以便在高壓環(huán)境中受到保護(hù)，則對(duì)于殼體而言會(huì)有必要配置成承受高的外部壓力。在海底環(huán)境中，為空氣填充的外部腔體區(qū)域提供高壓密封以防止水進(jìn)入也可能是重要的。此外，對(duì)于在流體流動(dòng)路徑內(nèi)的高的內(nèi)部流體壓力而言，對(duì)于基管而言會(huì)出于類似原因有必要配置成承受高的內(nèi)部流體壓力。
[0006]因?yàn)樗哂邢鄬?duì)高的導(dǎo)電性，因此使用包括水填充的外部腔體區(qū)域的流體傳感器也可能是有問(wèn)題的。這可能會(huì)導(dǎo)致在水填充的外部腔體區(qū)域中的RF電磁場(chǎng)的吸收并且可能使得難以檢測(cè)在RF電磁場(chǎng)中的諧振峰。這可能使得測(cè)量流體流動(dòng)路徑中的流體的組成和/或流動(dòng)特性更加困難和/或更加不準(zhǔn)確。此外，盡管水比空氣的可壓縮性要小得多，但是如果外部和/或內(nèi)部流體壓力足夠高，則對(duì)于腔體構(gòu)件和/或基管而言可能仍然有必要配置成承受高的外部流體壓力和/或高的內(nèi)部流體壓力。為了防止流體傳感器結(jié)構(gòu)完整性上的任何降低，為水填充的外部腔體區(qū)域提供高壓密封以防止水流出也可能是重要的。
[0007]另外，對(duì)于具有空氣或水填充的外部腔體區(qū)域的已知的流體傳感器的情況下，其中所述基管包括聚合物材料，加壓流體(尤其是氣體)，可隨著時(shí)間的推移從流體流動(dòng)路徑通過(guò)所述聚合物材料迀移并積聚在外部腔體區(qū)域內(nèi)。如果流體傳感器稍后經(jīng)受內(nèi)部或外部流體壓力的降低，則這可能是有問(wèn)題的，因?yàn)檫@種降壓可導(dǎo)致所積聚流體的膨脹，并可導(dǎo)致流體傳感器的結(jié)構(gòu)變形，或者在最壞的情況下可導(dǎo)致流體傳感器的結(jié)構(gòu)故障。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種流體傳感器，其包括:
[0009]限定流體流動(dòng)路徑的基部構(gòu)件；
[0010]腔體填充構(gòu)件，其位于基部構(gòu)件的外部；以及
[0011]腔體構(gòu)件，其位于基部構(gòu)件和腔體填充構(gòu)件的外部；
[0012]其中腔體構(gòu)件配置成給電磁場(chǎng)提供約束，并且基部構(gòu)件和腔體填充構(gòu)件均配置成允許在一定電磁場(chǎng)頻率下的電磁福射通過(guò)其傳輸。
[0013]電磁場(chǎng)可包括射頻(RF)電磁場(chǎng)、微波場(chǎng)、毫米波場(chǎng)、光場(chǎng)或任何其它頻率的電磁場(chǎng)。
[0014]電磁場(chǎng)可具有在I千赫茲至I太赫茲、10千赫茲至100千兆赫茲、100千赫茲至10千兆赫茲或I兆赫茲到I千兆赫茲范圍內(nèi)的頻率。
[0015]基部構(gòu)件、腔體填充構(gòu)件和腔體構(gòu)件均可包括一種或多種固體材料。
[0016]基部構(gòu)件、腔體填充構(gòu)件和腔體構(gòu)件可單獨(dú)地形成。
[0017]基部構(gòu)件和/或腔體構(gòu)件可在基部構(gòu)件的外部限定外部腔體區(qū)域。
[0018]腔體填充構(gòu)件可完全填充外部腔體區(qū)域。與具有空氣或水填充的外部腔體區(qū)域的已知的流體傳感器相比，這可允許流體傳感器承受更高的外部和/或內(nèi)部流體壓力。備選地，對(duì)于給定的外部和/或內(nèi)部流體壓力而言，這可允許使用更弱或更薄壁的腔體構(gòu)件和/或更弱或更薄壁的基部構(gòu)件。此外，如果腔體填充構(gòu)件完全填充外部腔體區(qū)域，使得在外部腔體區(qū)域內(nèi)沒(méi)有空隙、空間或間隙，則這可用于防止任何加壓流體、以及特別是任何加壓氣體從外部環(huán)境迀移通過(guò)腔體構(gòu)件進(jìn)入到外部腔體區(qū)域內(nèi)或從流體流動(dòng)路徑通過(guò)基部構(gòu)件進(jìn)入到外部腔體區(qū)域內(nèi)。這可以避免或至少降低加壓流體在外部腔體區(qū)域內(nèi)的積聚，以及與流體傳感器在降壓下的變形或結(jié)構(gòu)塌陷相關(guān)聯(lián)的任何潛在問(wèn)題。這也可避免對(duì)高壓密封件的任何要求，或至少減少所需的密封性能，以便當(dāng)流體傳感器位于海底環(huán)境中時(shí)防止水進(jìn)入到空氣填充的外部腔體區(qū)域內(nèi)或防止水從水填充的外部腔體區(qū)域流出。與具有水填充的外部腔體區(qū)域的已知的流體傳感器相比，這還可減少RF電磁場(chǎng)的吸收，從而簡(jiǎn)化和/或提高測(cè)量流體流動(dòng)路徑中流體的組成、分布和/或流動(dòng)特性的精確度。
[0019]腔體填充構(gòu)件可部分地填充外部腔體區(qū)域。與具有外部腔體區(qū)域(其具有相同的體積但是是空氣或水填充的)的已知的流體傳感器相比，這可用于降低存在于外部腔體區(qū)域內(nèi)的空氣或水的體積。與具有外部腔體區(qū)域(其具有相同的體積但是是空氣或水填充的)的已知的流體傳感器相比，這可允許流體傳感器承受更高的外部和/或內(nèi)部流體壓力。備選地，對(duì)于給定的外部和/或內(nèi)部流體壓力而言，這可允許使用更弱或更薄壁的腔體構(gòu)件和/或更弱或更薄壁的基部構(gòu)件。此外，即使腔體填充構(gòu)件僅部分地填充外部腔體區(qū)域，在外部腔體區(qū)域內(nèi)的所導(dǎo)致的空隙、空間或間隙也會(huì)小于外部腔體區(qū)域本身。這可用于減少任何加壓流體、以及特別是任何加壓氣體從外部環(huán)境迀移通過(guò)腔體構(gòu)件進(jìn)入到外部腔體區(qū)域內(nèi)或從流體流動(dòng)路徑通過(guò)基部構(gòu)件進(jìn)入到外部腔體區(qū)域內(nèi)。這可以避免或至少降低與流體傳感器在降壓下的變形或結(jié)構(gòu)塌陷相關(guān)聯(lián)的任何潛在問(wèn)題。與具有相同體積但是是水填充的外部腔體區(qū)域的已知的流體傳感器相比，這還可減少RF電磁場(chǎng)的吸收，從而簡(jiǎn)化和/或提高測(cè)量流體流動(dòng)路徑中流體的組成、分布和/或流動(dòng)特性的精確度。腔體構(gòu)件在基部構(gòu)件外部的位置可避免基部構(gòu)件的強(qiáng)度或完整性的任何損害，否則如果腔體構(gòu)件嵌入到基部構(gòu)件內(nèi)，則會(huì)導(dǎo)致基部構(gòu)件的強(qiáng)度或完整性的任何損害。
[0020]基部構(gòu)件可對(duì)于在一定電磁場(chǎng)頻率下的電磁輻射的傳輸而言是基本上透過(guò)性的。這種基部構(gòu)件可允許在一定的電磁場(chǎng)頻率下的電磁輻射通過(guò)其穿透，而不會(huì)過(guò)度吸收能量?；繕?gòu)件在一定的電磁場(chǎng)頻率下可以是基本上不導(dǎo)電的。
[0021]基部構(gòu)件可包括介電材料。
[0022]基部構(gòu)件可包括具有在流體傳感器的使用壽命期間相對(duì)恒定的介電常數(shù)的材料。這可使得簡(jiǎn)化和/或提高在流體傳感器的使用壽命期間確定流體的組成、分布和/或流動(dòng)特性的精確度。
[0023]基部構(gòu)件可包括具有對(duì)于溫度相對(duì)不敏感的介電常數(shù)的材料。這可使得簡(jiǎn)化和/或提高在溫度的更寬范圍內(nèi)確定流體的組成、分布和/或流動(dòng)特性的精確度。
[0024]基部構(gòu)件可包括具有對(duì)于流體(諸如空氣和/或水)到基部構(gòu)件內(nèi)或通過(guò)基部構(gòu)件的滲透相對(duì)不敏感的介電常數(shù)的材料。這即使在進(jìn)入到基部構(gòu)件內(nèi)或通過(guò)基部構(gòu)件的諸如空氣或水的流體迀移通過(guò)或部分滲透基部構(gòu)件的情況下也可使得簡(jiǎn)化和/或提高確定流體的組成、分布和/或流動(dòng)特性的精確度。
[0025]基部構(gòu)件可包括具有在流體傳感器的使用壽命期間內(nèi)以可預(yù)測(cè)的量化方式作為時(shí)間的函數(shù)而變化的介電常數(shù)的材料。
[0026]基部構(gòu)件可包括具有以可預(yù)測(cè)的量化方式作為溫度的函數(shù)而變化的介電常數(shù)的材料。
[0027]基部構(gòu)件可包括具有以可預(yù)測(cè)的量化方式作為諸如空氣和/或水的流體到基部構(gòu)件內(nèi)或通過(guò)基部構(gòu)件的滲透程度的函數(shù)而變化的介電常數(shù)的材料。
[0028]基部構(gòu)件可以是結(jié)構(gòu)構(gòu)件。
[0029]基部構(gòu)件可以是強(qiáng)度構(gòu)件。
[0030]基部構(gòu)件可配置成承受施加在基部構(gòu)件內(nèi)部上的預(yù)定壓力或預(yù)定力，諸如作為流體流動(dòng)路徑中流體壓力的結(jié)果而施加的預(yù)定壓力或預(yù)定力。
[0031 ]基部構(gòu)件可配置成承受預(yù)定壓力和/或預(yù)定力。
[0032]基部構(gòu)件可配置成承受預(yù)定軸向拉力、預(yù)定軸向壓縮和/或預(yù)定彎曲應(yīng)力。
[0033]基部構(gòu)件可配置成承受施加在基部構(gòu)件外部上的預(yù)定壓力和/或預(yù)定力，諸如施加在基部構(gòu)件外部上的外部流體壓力。
[0034]基部構(gòu)件可配置成承受可存在于海底的外部壓力或可存在于油井或天然氣井內(nèi)的外部壓力。
[0035]基部構(gòu)件可包括聚合物材料。
[0036]基部構(gòu)件可包括熱塑性材料。
[0037]基部構(gòu)件可包括熱固性材料。
[0038]基部構(gòu)件可包括聚芳基醚酮、聚芳基酮、聚醚酮(PEK)、聚醚醚酮(PEEK)、聚碳酸酯和/或類似物。
[0039]基部構(gòu)件可包括聚氯乙烯(PVC)。
[0040]基部構(gòu)件可包括聚酰胺。
[0041 ]基部構(gòu)件可包括聚酰胺11 (PAl I)。
[0042]基部構(gòu)件可包括聚偏氟乙烯或聚偏二氟乙烯(PVDF)。
[0043]基部構(gòu)件可包括聚苯硫醚(PPS)。
[0044]基部構(gòu)件可包括聚乙烯亞胺(PEI)。
[0045]基部構(gòu)件可包括聚甲醛(POM)或乙縮醛。
[0046]基部構(gòu)件可包括樹脂，諸如硬化樹脂、聚合物樹脂、環(huán)氧樹脂或類似物。
[0047]基部構(gòu)件可由復(fù)合材料形成，所述復(fù)合材料包括基質(zhì)和嵌入到基質(zhì)內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)增強(qiáng)元素。
[0048]基部構(gòu)件的基質(zhì)可對(duì)于在一定電磁場(chǎng)頻率下的電磁輻射的傳輸而言是基本上透過(guò)性的。
[0049]基部構(gòu)件的基質(zhì)在一定的電磁場(chǎng)頻率下可以是基本上不導(dǎo)電的。
[0050]基部構(gòu)件的基質(zhì)可包括聚合物材料。
[0051]基部構(gòu)件的基質(zhì)可包括熱塑性材料。
[0052]基部構(gòu)件的基質(zhì)可包括熱固性材料。
[0053]基部構(gòu)件的基質(zhì)可包括聚芳基醚酮、聚芳基酮、聚醚酮(PEK)、聚醚醚酮(PEEK)、聚碳酸酯和/或類似物。
[0054]基部構(gòu)件的基質(zhì)可包括聚氯乙烯(PVC)。
[0055]基部構(gòu)件的基質(zhì)可包括聚酰胺。
[0056]基部構(gòu)件的基質(zhì)可包括聚酰胺11 (PAll)。
[0057]基部構(gòu)件的基質(zhì)可包括聚偏氟乙烯或聚偏二氟乙烯(PVDF)。
[0058]基部構(gòu)件的基質(zhì)可包括聚苯硫醚(PPS)。
[0059]基部構(gòu)件的基質(zhì)可包括聚乙烯亞胺(PEI)。
[0060]基部構(gòu)件的基質(zhì)可包括聚甲醛(POM)或乙縮醛。
[0061]基部構(gòu)件的基質(zhì)可包括樹脂，諸如硬化樹脂、聚合物樹脂、環(huán)氧樹脂或類似物。
[0062]基部構(gòu)件的一個(gè)或多個(gè)增強(qiáng)元素可對(duì)于在一定電磁場(chǎng)頻率下的電磁輻射的傳輸而言是基本上透過(guò)性的。
[0063]基部構(gòu)件的一個(gè)或多個(gè)增強(qiáng)元素在一定的電磁場(chǎng)頻率下可以是基本上不導(dǎo)電的。
[0064]基部構(gòu)件的一個(gè)或多個(gè)增強(qiáng)元素可包括連續(xù)的或者細(xì)長(zhǎng)的元素。
[0065]基部構(gòu)件的一個(gè)或多個(gè)增強(qiáng)元素可包括纖維、股線、細(xì)絲、納米管或類似物。
[0066]基部構(gòu)件的一個(gè)或多個(gè)增強(qiáng)元素可包括不連續(xù)的元素。
[0067]基部構(gòu)件的一個(gè)或多個(gè)增強(qiáng)元素可包括聚合物纖維，例如芳族聚酰胺纖維。
[0068]基部構(gòu)件的一個(gè)或多個(gè)增強(qiáng)元素可包括非聚合物纖維，例如玻璃、玄武巖纖維和/或類似物。
[0069]基部構(gòu)件的一個(gè)或多個(gè)增強(qiáng)元素可包括E-玻璃。
[0070]基部構(gòu)件的基質(zhì)和增強(qiáng)元素可包括類似或相同的材料。例如，基部構(gòu)件的增強(qiáng)元素可包括與基部構(gòu)件的基質(zhì)相同的材料，盡管可為纖維拉伸的細(xì)長(zhǎng)形式等。
[0071]基部構(gòu)件可限定在其內(nèi)