专利名称：气-液流体混合物的流量确定的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种测量气-液流体混合物的流量的方法。
背景技术：
在油汽工业中确定气_液混合物的气体流量和液体流量是重要的。用于测量这种流量的设备的示例是Schlumberger的Vx 系统(例如，见1999年10 月 25-28 日在 Oslo Norway 举行的第 17 届 International North Sea Flow Measurement Workshop 中 I. Atkinson, M. Berard, B. -V. Hanssen, G. Segeral 白勺 “New Generation Multiphase Floweters from Schlumberger and Framo Engineering AS”)，所述系统包括 垂直安装的文丘里流量计、双能量伽玛射线滞留量测量装置和相关联的处理器。此系统允 许同时计算多相流中的气体、水和油的体积流量。虽然提供了已被证明的性能，但是Vx 系统及其它传统的多相流量计却相对较 贵，这往往阻碍了所述系统在“棕色”油气田井场(即，其中生产能力已经降到大约1000桶 /天(0.0018m3/秒)以下的油气井)及其它低油气生产井。然而，这种井场在全世界可能 占大约2百万-3百万个油气井。
发明内容
因此，需要一种在气体体积分数(GVF)的范围内仍然具有充分的线性和重复性的 相对便宜的流量计。例如，来自“棕色”油气田井场的流动的GVF可以从大约15%变化到大 约 95%。大体上，本发明提供一种用于确定诸如气_液流体混合物的流体的流量的方法和 相对应的设备。在第一方面中，本发明提供了一种用于确定气-液流体混合物的流量的方法，包 括以下步骤提供气-液流体混合物流动通过的管道；调节管道中的流体混合物以使混合物中的液体与气体分离；测量被分离液体的滞留量；测量所述被分离液体的速度；测量被分离气体的速度；以及由滞留量和被分离液体的速度以及被分离气体的速度确定气-液流体混合物的流量。通常并且便利地，可以对相同管道横向横截面进行测量。然而，如果调节的流动充 分稳定，则测量值可以沿管道间隔开。与需要伽玛射线确定的滞留量来计算流量的Vx 系统不同，用于测量流量的方法 可以使用诸如超声波的相对便宜的技术来测量滞留量和液体速度。相对于Vx 系统的另一 个优点在于可以避免与使用伽玛射线源有关的健康和安全问题。
有利地，管道没有必要是水平的。实际上，所述方法独立于管道定向。此外，所述 方法可高度调节，并且可以应用于通过直径广泛变化的管道的流动。优选地，通过使管道中的流动进行漩流以形成绕气芯的液体环来分离液体与气 体。例如，管道可以具有用于使混合物显示漩流的诸如螺旋形插入件或叶片组件的漩流元 件。漩流元件可以包括沿管道在流体流动的方向上延伸的一个或多个螺旋形构件。优选地， 螺旋形构件位于管道的壁处，并且当沿管道的轴线观察时，管道的中心芯没有被阻碍(即， 所述螺旋形构件不会径向向内延伸直到管道的中心轴线)。可选地，漩流元件可以由与管道 相切的流动入口形成。漩流的优点在于其相对容易诱导和确认，并且关于流动轴线对称。然而，可选地， 流动可以被调节成显示层流以分离液体与气体。当采用漩流时，优选地，通过确定液体环的厚度测量滞留量。优选地，确定被分离液体与被分离气体之间的界面的位置以测量滞留量。例如，如 上所述，可以以超声波的方式确定界面的位置。另外(或实际上可选地)，可以以超声波的 方式测量被分离液体的速度。优选地，确定被分离气体的动压力以测量被分离气体的速度。例如，可以使用皮托 管确定动压力。这可以是一种可以应用到大流动速度操作范围的低成本并且稳固的方法。 然而，可选地，可以使用诸如涡街流量计或插入式涡轮流量计来测量被分离气体的速度。优选地，还可测量被分离气体的静压和/或被分离气体的温度。这些测量值允许 将流量转换成标准条件。有利地，皮托管装置可以在测量动压力的同时测量静压。此外，这 种装置可以容易地装有温度计。为了补偿流动中的不规则性并且减少测量值中的噪点的影响，滞留量和速度测量 可以被时间平均。混合物的液体可以包括油和/或水。气体可以包括天然气。因此，气-液流体混 合物可以是天然气、凝析液以及任选地水的混合物。本发明的第二方面提供一种用于提供可在确定气_液流体混合物的流量时使用 的测量值的设备，所述设备包括管道，气-液流体混合物可流动通过所述管道，且在使用中管道中的流体混合物 被调节以使流体混合物中的液体与气体分离；用于测量被分离液体的滞留量的滞留量测量装置；用于测量被分离液体的速度的液体速度测量装置；和用于测量被分离气体的速度的气体速度测量装置，其中，滞留量和被分离液体的速度以及被分离气体的速度可用于确定气_液流体 混合物的流量。所述设备可以用于执行第一方面的方法。第一方面的任选特征因此可以单独或组 合地应用于第二方面。因此，所述设备还可以包括用于通过使管道中的流动进行漩流以形成绕气芯的液 体环来调节流体的漩流元件。滞留量测量装置则可以确定液体环的厚度以测量滞留量。然 而，一般地说，滞留量测量装置可以确定被分离液体与被分离气体之间的界面的位置以测
量滞留量。
滞留量测量装置可以以超声波的方式确定界面的位置。另外(或者可选地)，液体 速度测量装置可以以超声波的方式测量被分离液体的速度。优选地，滞留量测量装置和液 体速度测量装置被合并成在一个超声波测量装置中。优选地，气体速度测量装置确定被分离气体的动压力以测量被分离气体的速度。 例如，气体速度测量装置可以包括用于确定动压力的皮托管装置。优选地，还可由适当的装 置测量被分离气体的静压和/或被分离气体的温度。例如，可以通过皮托管装置测量静压， 并且通过设置在与皮托管装置并排的温度计测量温度。有利地，所述设备可以没有移动部件。所述装置可以测量被时间平均的滞留量和被时间平均的速度。本发明的第三方面提供一种用于确定气_液流体混合物的流量的流量计，所述流 量计包括根据第二方面所述的设备；和处理器，所述处理器被布置成使用由所述设备测量的滞留量和被分离气体的速度 以及被分离液体的速度确定气_液流体混合物的流量。处理器可以由各个测量值的时序性计算被时间平均的滞留量和被时间平均的速度。本发明的另一个方面提供包括根据第二方面的设备或根据第三方面的仪表的油 井管道或气井管道。本发明的另一个方面提供了一种当输送气_液流体混合物时根据第二方面的设 备、或当输送气_液流体混合物时根据第三方面的仪表。
以下参照附图以示例的方式说明本发明的实施例，其中图1示意性地显示通过用于提供在确定气-液流体混合物的流量时可使用的测量 值的设备的纵向截面；图2示意性地显示在图1设备中的管道内的液体与气体的分离；图3示意性地显示校准因子k与雷诺数Re的关系；图4示意性地显示基于两个超声波脉冲回波测量值的组合的、具有进入液体层内 的不同折射角的夹装式超声波测量装置(TRl和TR2可以是执行距离选通多普勒测量和绘 制流动分布图的窄带收发器，或者可以是在时域内直接测量回波信号的到达时间的宽带脉 冲回波收发器)；图5显示由典型的距离选通多普勒测量系统产生的流动速度分布图和多普勒信 号能量分布图的草图；图6示意性地显示在液相被分隔的情况下并且与速度分布图结合以产生空间平 均液体流量的横截面；图7显示超声波测量装置的测量过程流程图；图8显示得到声阻抗和界面位置的测量值的时域脉冲回波方法的原理；和图9显示装入具有不同入射角、频率和测量模式的另外的收发器的超声波测量装 置的变形。
具体实施例方式图1示意性地显示通过用于提供在确定气-液流体混合物的流量时可使用的测量 值的设备的实施例的纵向截面。所述设备包括圆形横截面并且直径为D的管道11。气-液流体混合物沿由箭头 12所示的方向流动通过导管。诸如管道内的螺旋形插入件或与管道相切的流动入口的漩流 元件(未示出)使混合物显示由箭头13所示的漩流。此漩流的作用是使来自混合物的液 体移动到管道的壁以形成绕半径为a的气芯的液体环，如图2中示意性地所示。回到图1，所述设备具有公知类型的皮托管装置14，所述皮托管装置14测量管道 中心处的气体的动压力ΔΡ(例如，通过测量所述位置处的停滞压力与静压之间的差)。装 置14还包括测量管道中心处的气体温度的温度计。与皮托管装置14相对的夹装式超声波测量装置15测量液体环与气芯之间的界面 的位置。装置15还测量横过液体环的厚度的液体的速度分布图。附件中说明了装置15可 能的结构。虽然超声波测量装置15在图1中被示出为与皮托管装置14相对，但是漩流的 稳定性可以允许超声波测量装置15与皮托管装置14沿管道相对于彼此间隔开。例如，达 到两个管道直径的间距是可以接受的。超声波测量装置15通过测量液体层厚度h提供作为液体深度t、和持液率的函数 的液体速度v(t)。管道中的总液体体积流量Ct因此由以下公式给出
O /2qt = J v(t)2ntdt (公式 ι )
D / 2 - h还需要确定气体体积流量qe。假设平坦气体速度分布图，qG由以下公式给出qG = π(呈-h) Vg (公式 II )其中Ve是气体速度。Ve通过以下关系与皮托管动压力测量值Δ P有关ΔΡ = kpGvG2(公式 III)其中Pe是气体密度，而k是作为芯体中的气体的雷诺数Re (= pGvGa/yG, Ug^ 气体粘度)的函数而变化的校准因子。k与Re之间的关系可以通过实验显示以获得利用图3中的实线示意性地所示的 形式。已经确定这种关系，对于具体的ΔΡ可以通过迭代获得k。例如，k的初始值可以被 取作为通过实验确定的k与Re曲线的外推值(图3中的虚线所示)在Re = O时的交点。 这允许由公式III确定ve的初始值，所述值然后可以用于确定相对应的Re值(由皮托管装 置14的温度计测量的温度允许采用温度相关量P e和μ e的精确值，且由D-h确定气芯半 径a，其中h由超声波测量装置15测量)。相对应的Re值然后可以用于使用通过实验确定 的k与Re曲线更新k的初始值。k的稳定值的收敛通常发生在大约四次迭代。然后，使用k值，由公式III确定的Ve由公式II提供qe，由公式I和公式II提供总 流量％+qe。如果需要，由装置14得到的温度测量值和静压测量值允许将这些流量转换成标准条件。因此，通过将皮托管装置14和超声波测量装置15的输出连接到被适当地构造成 执行上述分析的处理器(未示出)，可以获得液体、气体和/或总流量的流量计读数。虽然分析使用轴向气体速度，而不是使用切向气体速度或轴向速度与切向速度的 组合，但是在Re中所述分析仍然有效。这是因为轴向气体速度与切向气体速度的比值是固 定的，并且由漩流元件的横截面面积之间的恒定比值(例如，切向流动入口的横截面面积 与管道的横截面面积之间的比值、或者受螺旋形插入件影响的管道横截面的尺寸与不受影 响的管道横截面的尺寸之间的比值)来确定。此外，漩流对动压力测量值的影响不会明显地改变分析。具体地，管道的中心线上 的点处的气体压力Ptl与气-液界面上的点处的气体压力P3之间由于漩流的差为Pa-P0 = kpG(aQG)2(公式 IV)其中Qe是气体的角速度。对于典型的管线压力和尺寸，可以表明kpe(aQe)2不 是重要的因子。管道不需要是水平的，并且所述方法是高度可调节的，从而允许所述方法可应用 于通过不同直径的管道的流动。具体地，所述方法应该可应用于通过标准全径(即，2英寸 /5. Icm内径)管道的流动。可以相对于时间对测量值做平均以说明流动中的不规则性，并且减少噪点对各个 测量值的影响。其它技术可以用于获得液体环厚度、和液体速度以及气体速度，但是这些技术中 的大多数相对于超声波皮托管方法都具有缺陷。例如，Y-射线可以用于确定液体环厚度， 但是Y-射线设备昂贵并且具有健康和安全隐患。涡街流量计或插入式涡轮流量计可以代 替皮托管用于测量气体速度，但是这种装置往往比皮托管更易于被侵入。此外，如果需要转 换成标准条件，将仍然需要并入温度测量值和静压测量值。已经相对于被调节以显示漩流的流体混合物说明了上述实施例。然而，可以设想 其它调节流动。例如，液体和气体可以被调节成显示层流。超声波可以再次用于确定持液 率和液体速度，并且皮托管装置可以用于确定气体速度。然而，可能的困难是将皮托管正确 地定位在流动的气体部分中。例如，如果GVF非常低，可能难以将皮托管定位于气体中。相 反，如果GVF非常高，可能必须在气体层的厚度的两端获取压力读数测量值以正确地表征 所述气体层中的气体速度。当流体混合物被调节成显示漩流时，一种选择是在管道中含有诸如文丘里管的收 缩区，并且获取此区域处的测量值。在收缩区处，角动量守恒可以增加漩流动速度并且使液 体与气体更好地分离。然而，当液体层的厚度在收缩区内减小时，可能必须要注意用于测量 被分离液体的滞留量和被分离液体的速度的一个或多个装置的分辨率是充足的。虽然已经结合上述示例性实施例说明了本发明，但是当给出本公开时许多等价修 改和变化对本领域的技术人员是显而易见的。因此，本发明的上述示例性实施例被认为是 示例性的而不是限制性的。在不背离本发明的精神和保护范围的情况下可以对所述实施例 做各种变化。附件图4中示出了夹装式超声波测量装置5的示例，并且所述夹装式超声波测量装置5包括至少一个第一超声波收发器变换器(TRl)和至少一个第二超声波收发器变换器 (TR2)，所述至少一个第一超声波收发器变换器具有相对于液体/管壁界面的第一脉冲入 射角，所述至少一个第二超声波收发器变换器具有相对于液体/管壁界面的第二脉冲入射 角；两个入射角明显不同，并且优选地所述两个入射角之间的差应该尽可能地大。作为示 例，第一入射角在37° -80°范围内，而第二入射角为0°，S卩，垂直入射。优选地，上述变换器安装在输送流动管的外部，从而执行非侵入式测量，尽管上述 变换器还可以用于以侵入的方式与液相直接接触。变换器在脉冲_回波模式下工作，在所 述脉冲_回波模式中，将具有适当频谱的超声波脉冲发射到流动中，并且记录来自诸如液 体/管壁界面和气体/液体界面的各种界面的回波信号，用于进一步信号处理。脉冲频谱 的中心频率的范围通常可以从IOOkHz到100MHz，但是优选地从500kHz到10MHz。适当的 信号处理器记录来自TRl和TR2的信号，并且计算与流动相关的参数_声速、界面位置(由 此计算滞留量)、流动速度、流量、声阻抗和组分混合比(例如，WLR)。对TRl和TR2假设典型的脉冲回波测量方法，以下参照图4说明用于测量气体/液 体界面位置和声速的原理。在这种方法中，TRl在发射器模式下将具有入射角为P1的脉冲 发射到厚度为Ii1的管壁内，脉冲在Ill内以声速C1传播。在管壁/液体界面处，脉冲以角度 β 2被折射到液体层内，所述液体层的厚度为h2 (在管壁与气体/液体界面之间)。脉冲在 液体层内继续以声速C2传播，所述液体层以平均轴向速度V流动。当脉冲到达气体/液体 界面时(所述气体/液体界面一点也不平滑同时正在流动)，脉冲能量的一部分向后回波， 从而生成沿发射路径传播返回到变换器TRl的强回波信号，所述变换器TRl此时处于接收 器模式下。在变换器处脉冲的发射与回波信号的到达之间的时间差给出了脉冲回波的往返 行程传播时间。此时间可以被表示如下Ta = Tc^TJT2(公式 1)其中F0a = 2^ '(公式 2)
C| - COS βγ是脉冲在管壁内的往返行程传播时间加上脉冲在变换器内的往返行程传播时间，T1 = __ . .(公式 3)
(C2-F,腿於2)是从管壁到气体/液体界面的输出脉冲(out going pulse)传播时间，以及
_ hy / cos β T2 =？(公式 4)
(c2 +V· sin β2)是从界面到管壁的返回回波信号传播时间。要注意的是，在图4中，远去脉冲有效 地逆着流动方向，并因此所述远去脉冲的实际传播速度被减小了流动速度，而返回回波信 号有效地顺着流动传播，并因此实际传播速度被增加了流动速度。在公式1中，Ttla是可以通过校准测量确定的常数。要注意的是，由于往返行程性 质，V对T1和T2的影响往往彼此补偿。液体中的往返行程传播时间是
权利要求
一种用于确定气 液流体混合物的流量的方法，包括以下步骤提供所述气 液流体混合物流动通过的管道；调节所述管道中的所述气 液流体混合物以使所述气 液流体混合物中的液体与气体分离；测量被分离液体的滞留量；测量所述被分离液体的速度；测量被分离气体的速度；以及由所述滞留量和所述被分离液体的速度以及所述被分离气体的速度确定所述气 液流体混合物的流量。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述调节所述管道中的所述气_液流体混合物 以使所述气_液流体混合物中的液体与气体分离的步骤中，通过使所述管道中的流动进行 漩流以形成绕气芯的液体环来分离所述液体与所述气体。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，通过确定所述液体环的厚度测量所述滞留量。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，确定所述被分离液体与所述被分离气体之间的 界面的位置以测量所述滞留量。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，以超声波的方式确定所述界面的位置。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，以超声波的方式测量所述被分离液体的速度。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，确定所述被分离气体的动压力以测量所述被分 离气体的速度。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，使用皮托管确定所述动压力。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述气_液流体混合物包括天然气和凝析液。
10.一种用于提供能够在确定气-液流体混合物的流量时使用的测量值的设备，所述 设备包括管道，所述气_液流体混合物能够流动通过所述管道，且在使用中所述管道中的气_液 流体混合物被调节以使所述气-液流体混合物中的液体与气体分离；用于测量被分离液体的滞留量的滞留量测量装置；用于测量所述被分离液体的速度的液体速度测量装置；和用于测量被分离气体的速度的气体速度测量装置，其中，所述滞留量和所述被分离液体的速度以及所述被分离气体的速度能够用于确定 所述气_液流体混合物的流量。
11.根据权利要求10所述的设备，还包括漩流元件，所述漩流元件用于通过使所述管 道中流动进行漩流以形成绕气芯的液体环来调节所述流动。
12.根据权利要求11所述的设备，其中，所述滞留量测量装置确定所述液体环的厚度 以测量所述滞留量。
13.根据权利要求10所述的设备，其中，所述滞留量测量装置确定所述被分离液体与 所述被分离气体之间的界面的位置以测量所述滞留量。
14.根据权利要求13所述的设备，其中，所述滞留量测量装置以超声波的方式确定所 述界面的位置。
15.根据权利要求10所述的设备，其中，所述液体速度测量装置以超声波的方式测量所述被分离液体的速度。
16.根据权利要求10所述的设备，其中所述滞留量测量装置以超声波的方式确定所述界面的位置，而所述液体速度测量装置 以超声波的方式测量所述被分离液体的速度；以及所述滞留量测量装置和所述液体速度测量装置被合并在一个超声波测量装置中。
17.根据权利要求10所述的设备，其中，所述气体速度测量装置确定所述被分离气体 的动压力以测量所述被分离气体的速度。
18.根据权利要求17所述的设备，其中，所述气体速度测量装置包括用于确定所述动 压力的皮托管装置。
19.一种用于确定气_液流体混合物的流量的流量计，所述流量计包括根据权利要求10所述的设备；和处理器，所述处理器被布置成使用由所述设备测量的滞留量和所述被分离气体的速度 以及所述被分离液体的速度确定所述气_液流体混合物的流量。
20.一种油井管道或气井管道，所述油井管道或所述气井管道包括根据权利要求10所 述的设备。
21.一种油井管道或气井管道，所述油井管道或所述气井管道包括根据权利要求19所 述的流量计。
全文摘要
本发明公开了用于确定管道中的气-液流体混合物的流量的方法和系统。在所述的系统和方法中，流体混合物被调节成使得混合物中的液体与混合物中的气体分离。然后可以测量已调节流的性质以确定流量。在本发明的实施例中，测量被分离液体的滞留量；测量被分离液体的速度；测量被分离气体的速度；以及由所述滞留量和所述被分离液体的速度和所述被分离气体的速度确定气-液混合物的流量。
文档编号G01F1/34GK101970991SQ200980108910
公开日2011年2月9日 申请日期2009年3月12日 优先权日2008年3月14日
发明者伊恩·艾金森, 迈里安·阿彻 申请人:普拉德研究及开发股份有限公司