包括复合腔体构件的流体传感器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及流体传感器，其用于测量流体的组成和/或流动特性，并且具体地但非排他性地用于测量管中和/或油或天然气井中流体的油、气体和/或水的含量以及流率。
【背景技术】
[0002]已知使用流体传感器来测量流体的组成和/或流动特性。这种流体传感器通常被称为多相计量器。已知的多相计量器包括基管，所述基管在其内部限定由同心布置的开放式的大致圆筒形金属腔体构件所包围的流体流动路径。基管对于射频(RF)电磁辐射基本上是透过性的。腔体构件限定适于RF电磁场的腔体，所述腔体延伸通过基管和延伸跨越(across)流体流动路径。在已知的多相计量器中，基管可由聚氯乙烯(PVC)或聚醚醚酮(PEEK)形成，并且腔体构件由黄铜形成。这种已知的多相计量器配置成检测RF电磁场频谱中的谐振峰，并从谐振峰的特征推断出流体流动路径中流体的组成和/或流动特性。
[0003]众所周知的是，RF电磁场的强度跨越谐振腔而变化。因此，当非均相的流体存在于流体流动路径中时，存在于流体中的不同流体组成(例如水、油或气体)可位于具有显著不同的RF电磁场强度的区域内或流动通过所述区域。如果不同的流体组成的位置跨越流体流动路径移动，则这会使得流体流动路径中的流体的组成和/或流动特性的测量更加困难和/或更加不准确。因此，在已知的多相计量器中，腔体构件通常与基管分隔开，从而限定谐振腔，所述谐振腔在横截面上显著大于流体流动路径，以便改善跨越流体流动路径的RF电磁场强度的均匀性。因此，已知的多相计量器具有在基管的外表面和腔体构件的内表面之间限定的环形外部腔体区域。
[0004]在已知的多相计量器中，环形外部腔体区域填充有空气或水。这种已知的多相计量器的实例在下述文献中有所描述:s.Al-Hajeri, S.R.Wylie, R.A.Stuart和A.1.Al-Shamma' a，“在石油和天然气工业中用于多相测量的电磁腔体传感器(An electromagnetic cavity sensor for multiphase measurement in:the oiland gas industry) ”，物理学杂志(Journal of Physics):会议序列号(ConferenceSeries) 76 (2007) 012007 ；S.Al-Hajeri, S.R.Wylie, A.Shaw 和 A.1.Al-Shamma’a，‘‘用于石油工业三相流量测量的实时电磁波监测系统(Real time EM waves monitoringsystem for oil industry three phase flow measurement)，，，物理学杂志(Journalof Physics):会议序列号(Conference Series) 178(2009)012030 ；S.R.Wylie,A.1.Al-Shamma’ a，A.Shaw和S.Al-Hajeri, “用于多相测量的电磁腔体传感器(Electromagnetic cavity sensors for multiphase measurement)，，，石油和天然气的勘探和生产综论(Explorat1n and product1n Oil and Gas Review)，第 9 卷，第 I 期；和号为FI834892的芬兰专利文献。
[0005]因为黄铜腔体构件可能必须承受高的外部压力，因此尤其是在高压环境中使用包括黄铜腔体构件和空气填充的外部腔体区域的流体传感器可能是有问题的。这可能需要使用相对厚的黄铜腔体构件。备选地，腔体构件可由保护性的外部壳体包围，例如配置成承受高外部压力的钢制外部壳体。这可能需要使用相对厚的外部壳体。已知的黄铜腔体构件在海底环境条件下或在油井或天然气井的环境条件下也会易于受到侵蚀和/或腐蚀。也可能有必要使用外部壳体来保护黄铜腔体构件以免在海底环境条件下或在油井或天然气井的环境条件下受到侵蚀和/或腐蚀。
[0006]使用包括黄铜腔体构件和水填充的外部腔体区域的流体传感器也可能是有问题的，因为即使水通常比空气的可压缩性小得多，但是如果外部流体压力足够高，则对于黄铜腔体构件和/或外部壳体而言可能仍然有必要配置成承受高的外部流体压力。
【发明内容】
[0007]根据本发明的第一方面，提供一种流体传感器，其包括:
[0008]限定流体流动路径的芯体；和
[0009]腔体构件，其位于芯体的外部并包括导电性的复合材料，所述导电性的复合材料包括基质和嵌入到基质内的一个或多个增强元素；
[0010]其中腔体构件配置成给电磁场提供约束，并且芯体配置成允许在电磁场的一频率下的电磁辐射通过其传输。
[0011]电磁场可包括射频(RF)电磁场、微波场、毫米波场、光场或任何其它频率的电磁场。
[0012]电磁场可具有在I千赫兹至I太赫兹、10千赫兹至100千兆赫兹、100千赫兹至10千兆赫兹或I兆赫兹到I千兆赫兹范围内的频率。
[0013]流体传感器可用于测量存在于芯体中和/或流动通过芯体的流体的组成和/或流率。
[0014]基质可以是电绝缘的，并且一个或多个增强元素可以是导电性的。
[0015]基质可以是导电性的，并且一个或多个增强元素可以是电绝缘的。
[0016]基质以及一个或多个增强元素可以都是导电性的。
[0017]腔体构件可以是结构构件。
[0018]腔体构件可以是强度构件。
[0019]腔体构件可配置成承受预定的压力和/或预定的力。
[0020]腔体构件可配置成承受预定的轴向拉力、预定的轴向压缩和/或预定的弯曲应力。
[0021]腔体构件可配置成承受施加到腔体构件外部上的预定的压力或预定的力，诸如施加到腔体构件外部上的外部流体压力。腔体构件可配置成承受可存在于海底下的外部压力或可存在于油井或天然气井内的外部压力。
[0022]腔体构件可配置成承受施加到腔体构件内部上的预定的压力或预定的力，诸如作为流体流动路径中流体压力的结果而由芯体施加到腔体构件内部上的预定的压力或预定的力。
[0023]基质可包括聚合物材料。
[0024]基质可包括热塑性材料。
[0025]基质可包括热固性材料。
[0026]基质可包括聚芳基醚酮、聚芳基酮、聚醚酮(PEK)、聚醚醚酮(PEEK)、聚碳酸酯和/或类似物。
[0027]基质可包括聚氯乙烯(PVC)。
[0028]基质可包括聚酰胺。
[0029]基质可包括聚酰胺11 (PAll)。
[0030]基质可包括聚偏氟乙烯或聚偏二氟乙烯(PVDF)。
[0031]基质可包括聚苯硫醚(PPS)。
[0032]基质可包括聚乙烯亚胺(PEI)。
[0033]基质可包括聚甲醛(POM)或乙缩醛。
[0034]基质可包括树脂，诸如硬化树脂、聚合物树脂、环氧树脂或类似物。
[0035]一个或多个增强元素可对于在一定电磁场频率下的电磁辐射是基本上不透过性的。
[0036]一个或多个增强元素可包括连续的或者细长的元素。
[0037]一个或多个增强元素可包括纤维、股线、细丝、纳米管或类似物。
[0038]一个或多个增强元素可包括不连续的元素。
[0039]一个或多个增强元素可包括粒子、簇、片和/或类似物。
[0040]一个或多个增强元素可包括碳。
[0041]申请人已经发现，使用下述腔体构件对于给射频电磁场、以及特别是给具有在近似I兆赫兹至100千兆赫兹范围内的频率的电磁场提供约束而言是出奇地有效的，所述腔体构件包括复合材料，所述复合材料包括PEEK基质和嵌入到PEEK基质内的碳纤维增强元素。据信包括导电性复合材料的腔体构件可能够提供具有在I千赫兹至I太赫兹兹、10千赫兹至100千兆赫兹、100千赫兹至10千兆赫兹或I千赫兹至I千兆赫兹范围内的频率的电磁场的约束。导电性的复合腔体构件不仅可以给射频电磁场提供约束，而且也足够强，以便承受在海底环境下或在油井或天然气井的环境下的外部流体压力。此外，导电性的复合腔体构件相比于已知的黄铜腔体构件可相对耐侵蚀和/或腐蚀。使用导电性复合腔体构件可避免对使用厚的黄铜腔体构件来承受外部流体压力的任何要求。使用导电性的复合腔体构件也可避免对单独的外部壳体(诸如用于保护已知的黄铜腔体构件的钢制外部壳体)的任何要求。另外，导电性的复合腔体构件相比于已知的黄铜腔体构件可更容易地形成、装配和/或应用到芯体上。导电性的复合腔体构件可更容易地集成为复合管道的一部分。
[0042]一个或多个增强元素可以是金属的。一个或多个增强元素可包括金属纤维、金属粒子、金属簇、金属片和/或类似物。
[0043]一个或多个增强元素可包括铜、黄铜、金、银、铝、铁、钢和类似物中的至少一种。
[0044]腔体构件可完全约束电磁场。
[0045]腔体构件可仅部分地约束电磁场。例如，电磁场的一部分可延伸超过腔体构件的外部封套。
[0046]腔体构件可配置成在一定的电磁场频率进行高反射。
[0047]腔体构件可配置成使得电磁场成形。
[0048]腔体构件可配置成聚焦和/或集中电磁场。
[0049]腔体构件可配置成过滤电磁场。
[0050]腔体构件的组成可跨越腔体构件的厚度而变化。腔体构件基质的基质组成可跨越腔体构件的厚度而变化。一个或多个增强元素的组成、分布和/或布置可跨越腔体构件的厚度而变化。
[0051]腔体构件的组成可相对于腔体构件的轴线沿轴向或周向变化。腔体构件基质的基质组成可相对于腔体构件的轴线沿轴向或周向变化。一个或多个增强元素的组成、分布和/或布置可相对于腔体构件的轴线沿轴向或周向变化。
[0052]腔体构件可形成在芯体的上方、芯体上和/或其周围。
[0053]腔体构件可通过将导电性的复合材料操纵、加工、弯曲、卷绕、缠绕、涂覆、浇铸、模制、浸渍、沉积或以其它方式施加到芯体的上方、芯体上和/或其周围来形成。
[0054]腔体构件可通过将导电性复合材料的带、条、粗纱、箔片或薄片操纵、加工、弯曲、卷绕、缠绕或以其它方式施加到芯体的上方、芯体上和/或其周围来形成。
[0055]腔体构件可独立于芯体而形成。
[0056]腔体构件可远离芯体而形成。
[0057]腔体构件可通过将导电性的复合材料操纵、加工、弯曲、卷绕、缠绕、涂覆、浇铸、模制、浸渍、沉积或以其它方式施加到心轴的上方、心轴上和/或其周围来形成。
[0058]腔体构件可通过将导电性复合材料的带、条、粗纱、箔片或薄片操纵、加工、弯曲、卷绕、缠绕或以其它方式施加到心轴的上方、心轴上和/或其周围来形成。
[0059]—旦腔体构件形成，则心轴可被移除并且腔体构件可相对于芯体进行装配。腔体构件可装配到芯体的上方、芯体上和/或其周围。腔体构件可相对于芯体进行冷装配。
[0060]腔体构件和芯体可一体地形成。
[0061]腔体构件可包括金属。例如，腔体构件可包括铜、黄铜、金、银、铝、铁、钢和类似物中的至少一种。
[0062]腔体构件可包括多个部分。腔体构件的不同部分可被不同地配置。
[0063]腔体构件的一部分可包括导电性的复合材料。
[0064]腔体构件的一部分可包括除了所述导电性复合材料之外的材料。
[0065]腔体构件可包括金属部分。腔体构件可包括由铜、黄铜、金、银、铝、铁、钢和类似物中的至少一种所形成的部分。
[0066]腔体构件可包括由金属形成的主体部分和由导电性复合材料形成的一个或多个端部部分。
[0067]腔体构件可包括由导电性复合材料形成的主体部分和由金属形成的一个或多个端部部分。
[0068]腔体构件可包括单层。该层可通过将导电性复合材料的带、条、粗纱、箔片或薄片操纵、加工、弯曲、卷绕、缠绕或以其它方式一次或多次地施加到芯体的上方、芯体上和/或其周围来形成。
[0069]腔体构件可包括多个层。每一层可通过将导电性复合材料的带、条、粗纱、箔片或薄片操纵、加工、弯曲、卷绕、缠绕或以其它方式一次或多次地施加到芯体的上方、芯体上和/或其周围来形成。
[0070]腔体构件可包括第一层。第一层可包括导电性复合材料。
[0071]腔体构件可包括第二层。
[0072]第二层可位于第一层的外部。
[0073]第一层可位于第二层的外部。
[0074]第一层可限定腔体构件的内表面。
[0075]第二层可限定腔体构件的外表面。
[0076]使用包括第一层和第二层的腔体构件可允许第一层和第二层的性能以至少一定程度的独立性来选择或变化。第一层的导电性复合材料可配置成给腔体构件提供预定的电性能。例如，第一层的导电性复合材料可配置成给电磁场提供预定程度的约束。第二层可配置成给腔体构件提供预定的机械性能(诸如预定的强度)。第二层可配置成承受预定的压力、预定的力、预定的轴向拉力、预定的轴向压缩、预定的弯曲应力和类似物中的至少一种。
[0077]第二层可包括与第一层的导电性复合材料不同的材料。
[0078]第二层可包括与第一层的导电性复合材料相同的材料。
[0079]第二层可包括具有与第一层的导电性复合材料不同组成的材料。
[0080]第二层可包括具有与第一层的导电性复合材料相同组成的材料。
[0081 ] 第二层可包括复合材料，所述复合材料包括基质和嵌入到基质中的一个或多个增强元素。
[0082]第二层的复合材料的基质可与第一层的导电性复合材料的基质不同。
[0083]第二层的复合材料的基质可与第一层的导电性复合材料的基质相同。
[0084]第二层的复合材料的增强元素可与第一层的导电性复合材料的增强元素不同。
[0085]第二层的复合材料的增强元素可与第一层的导电性复合材料的增强元素相同。
[0086]第二层的复合材料的增强元素可由与第一层的导电性复合材料的增强元素不同的材料形成。
[0087]第二层的复合材料的增强元素可由与第一层的导电性复合材料的增强元素相同的材料形成。
[0088]第二层的复合材料的增强元素具有的浓度、密度和/或分布可与第一层的导电性复合材料的增强元素的浓度、密度和/或分布不同。
[0089]第二层的复合材料的增强元素具有的浓度、密度和/或分布可与第一层的导电性复合材料的增强元素的浓度、密度和/或分布相同。
[0090]第二层的复合材料的增强元素具有的取向可与第一层的导电性复合材料的增强元素的取向不同。
[0091]第二层的复合材料的增强元素具有的取向可与第一层的导电性复合材料的增强元素的取向相同。
[0092]第一层可通过将导电性复合材料的带、条、粗纱、箔片或薄片操纵、加工、弯曲、卷绕、缠绕或以其它方式施加到芯体的上方、芯体上和/或其周围来形成。
[0093]第二层可通过将导电性复合材料的带、条、粗纱、箔片或薄片操纵、加工、弯曲、卷绕、缠绕、或以其它方式施加到第一层或位于第一层和第二层之间的第三层的上方、第一层或第三层上和/或其周围来形成。
[0094]第一层的增强元素可沿着第一螺旋形轨迹而形成。第二层的增强元素可沿着不同于第一螺旋形轨迹的第二螺旋形轨迹而形成。第一和第二螺旋形轨迹可共享公共轴线。第一和第二螺旋形轨迹可以限定各自的切线，其中每条切线限定相对于公共轴线的不同角度。第一和第二螺旋形轨迹可以都是右旋轨迹或左旋轨迹。第一和第二螺旋形轨迹中之一可以是右旋轨迹，并且第一及第二螺旋形轨迹中之一可以是左旋轨迹。
[0095]第二层的复合材料的增强元素具有的取向可与第一层的导电性复合材料的增强元素的取向相同。
[0096]腔体构件可包括位于腔体构件的第一层和第二层之间的第三层。在第一层和第二层之间存在中间的第三层可用于将腔体构件的第一层和第二层解耦，从而提高独立性的程度，第一层和第二层的性能以所述独立性的程度来选择或变化。
[0097]第三层可以是电绝缘的。在第一层和第二层之间存在电绝缘的中间的第三层可用于将所述腔体构件的第一层和第二层电解耦，从而提高第一层的电性能与第二层的性能(例如电性能和/或机械性能)解耦的程度。
[0098]第三层可包括与适于腔体构件第一层和第二层中一者或两者的基质相同的材料。
[0099]第三层可以是复合材料，所述复合材料包括基质和嵌入到基质内的一个或多个增强元素，例如一个或多个电绝缘的增强元素。
[0100]腔体构件可包括与电绝缘层交替的导电层。导电层和电绝缘层的构造可被选择成给电磁场提供预定程度的约束。导电层和电绝缘层的构造也可以选择成在一定的电磁场频率下进行反射。这种多层腔体构件可相比单层腔体构件或包括单一导电层和单一电绝缘层的腔体构件会进行更高的反射。导电层和电绝缘层的结构可选择成承受预定的压力、预定的力、预定的轴向拉力、预定的轴向压缩和/或预定的弯曲应力中的至少一种。腔体构件可限定针对电磁场的谐振腔，所述谐振腔延伸通过芯体并至少部分地延伸到由芯体所限定的流体流动路径内。在使用中，腔体构件可支持一种或多种电磁模式，每一种模式具有相关联的谐振频率和/或幅度，所述谐振频率和/或幅度随着谐振腔的几何形状以及存在于谐振腔内的包括芯体材料的任何材料的介电常数以及存在于由芯体所限定的流体流动路径内或流动通过流体流动路径的流体的组成和/或流率而变化。
[0101]流体传感器可配置成与流体流动路径内的不同流体组成的预定范围一起使用。流体传感器例如可配置成与包括水、气体和/或油的流体一起使用，其中流体的各组分可具有在O和100%之间的体积分数。每种流体组成具有不同的介电常数。实际上，这意味着流体组成的预定范围限定流体传感器可在其内操作的相应的预定介电常数范围。
[0102]流体传感器可配置成在流体传感器的预定电介电常数范围内防止一个或多个所选择的模式从腔体构件的内部耦联到芯体。
[0103]流体传感器可配置成使得能够从腔体构件的内部耦联到芯体的模式具有在流体传感器的预定电介电常数范围内的相应谐振频率，所述谐振频率别小于在芯体内针对相同模式的截止频率。
[0104]芯体可以用作波导，用于将电磁能量以引导模式沿着芯体远离腔体构件传输。每个引导模式将仅在高于截止频率的频率下在芯体内传播。换句话说，芯体可以用作高通滤波器。在芯体内每个模式的截止频率是芯体的配置连同存在于由芯体所限定的流体流动路径内和/或沿着流体流动路径流动的任何材料的介电常数一起的函数。因此，选择流体传感器的配置，使得腔体构件内模式的谐振频率保持低于芯体内相同的模式的截止频率可以防止模式沿着芯体传播，并且可减少电磁能量沿着芯体从腔体构件内部的损耗。这是重要的，因为如果电磁能量沿着芯体从腔体构件内部的损耗过大，则在谐振腔内根本不可能激发电磁模式，由此完全防止流体的组成和/或流率的测量。即使在谐振腔内激发电磁模式，则沿着芯体从谐振腔损耗的电磁能量可能难以量化。这会降低通过其可测量腔体构件内电磁模式幅度的精确度。这依次会降低对流体流动路径内的流体的组成和/或流率测量的精确度。因此，降低电磁能量沿着芯体从谐振腔的损耗可提高流体的组成和/或流率测量的精确度。另外，减少电磁能量从谐振腔的损耗可避免或至少部分地降低与其它附近的电子系统电磁干扰的风险。
[0105]腔体构件可配置成控制由腔体构件所限定的腔体内的电磁能量的谐振频率。
[0106]腔体构件可配置成支持在腔体内在预定的电磁能量频率下的谐振模式。在使用中，电信号可从腔体构件输出。为了允许电信号的放大和/或处理，电信号具有在预定的频率下或频率的预定范围内的谐振频率会是重要的。
[0107]可在腔体构件内激发不同的模式。这种模式的谐振频率会彼此接近，并且会对于由芯体所限定的流体流动路径内流体介电常数的变化具有不同的灵敏度。当由这种流体传感器测量电响应时，这可能会由于在与不同模式相关联的电响应上的谐振之间的重叠导致与数据解释相关的问题。电磁能量在腔体内的谐振频率可被控制，以便减少在与不同模式相关联的电响应上的不同谐振之间的重叠。这可简化数据解释。这依次会提高流体的组成和/或流率测量的精确度。这可用于产生针对具体应用定制的流体传感器，例如以便产生下述流体传感器，针对其在与不同模式相关联的电响应上的谐振之间的重叠对于在流体流动路径中的给定范围内的流体组成和/或流率而言被最小化。
[0108]腔体构件可配置成将由腔体构件所限定的腔体内的电磁能量的第一谐振频率与腔体内的电磁能量的第二谐振频率分离。
[0109]腔体构件的复合材料的一个或多个导电性的增强元素的取向可选择成控制由腔体构件所限定的腔体内的电磁能量的谐振频率。
[0110]包括嵌入到电绝缘基质内的一个或多个导电性的增强元素的复合材料的电导率主要沿着一个或多个增强元素的方向。因此，选择一个或多个增强元素的方向至少部分地抑制在其它方向上的电流流动，通常可将电流流动的方向限制到一个或多个增强元素的方向。这可具有抑制腔体构件内电磁模式的效果，因为在腔体构件