用于测量多相油-水-气混合物的属性的方法
【专利说明】
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求享有于2013年4月4日提交的题为"ApparatusAndMethodFor MeasurementOfMultiphaseOilAndGasComposition"的美国临时专利申请号 61/808, 620的权益，该申请公开和教导的全部内容在此通过参考特别地并入本文。
[0003] 关于联邦权利的声明
[0004]本发明按照美国能源部授予的合同No.DE-AC52-06NA25396在政府的支持下完 成。政府具有本发明的某些权利。
技术领域
[0005] 本发明总体上涉及对石油、水和气的混合物的各个相的组分的测量，具体而言，涉 及在不需要测试分离器、测试线路、以及相关阀门和仪器的情况下在石油生产过程期间提 供石油、水和气的混合物的各个相的组分的实时、连续的数据。
【背景技术】
[0006] 在石油生产过程期间产生的石油、水和气的混合物的单相组分的测量用于井测 试、井管理和生产分配中。用于两相和三相计量系统的传统测量设备需要昂贵且笨重的测 试分离器、测试线路、相关阀门安装和仪器使用控制、安全系统和计量，尤其是对于离岸/ 海底的井以及其它设施，其需要高维护和现场人员干预。测试分离器还会引入环境问题。对 于多相计量的当前方案是昂贵的，因此在单个井上很少使用计量器，而是用于一组井上，它 们借助容纳多个井的大型歧管将其产物传送到观测站。在短暂的时间期间中按顺序测试每 一个井。在一些油田中，在将液体引向油-水测量系统之前，首先将产生的多相流体传送通 过旋风式气-液分离器。可以使用许多仪器来进行两相（油-水）组分测量，包括电容式、 微波、科里奥利法和超声测量。当前没有适合于单个井测试的商业上可用的、廉价且可靠的 仪器。
【发明内容】
[0007] 本发明的实施例通过提供一种用于在石油生产过程期间生成石油、水和气的混合 物的各个相的组分的实时井数据的方法而克服了现有技术的缺点和局限。
[0008] 本发明的实施例的另一个目的是提供一种用于在石油生产过程期间生成石油、水 和气的混合物的各个相的组分的连续数据的方法。
[0009] 本发明的实施例的再另一个目的是提供一种用于在不需要测试分离器、测试线 路、以及相关阀门安装和仪器使用的情况下在石油生产过程期间生成石油、水和气的混合 物的各个相的组分的实时、连续的井数据的方法。
[0010] 在随后的说明中会部分地阐述本发明的其它目的、优点和创新特点，部分对于研 究了以下内容的本领域技术人员是显而易见的或者可以通过实践本发明来获知。本发明的 目的和优点可以借助在所附权利要求书中特别指出的手段和组合来实现并达到。
[0011] 为了实现前述以及其它目的，且根据本文包含且宽泛描述的本发明的意图，用于 在具有含界定了腔的内表面的壁的管道和其它容器中确定具有一系列大小的气泡和流体 的混合物的气体体积分数的方法于此包括：将脉冲振荡声能施加到管道或容器的壁，以使 得将声脉冲传送通过混合物，并且其中，振荡声能在混合物中的波长大于或等于的泡状物 的大小约5倍；接收到达管道或容器的壁的脉冲声能；以及测量脉冲声能通过混合物的渡 越时间，根据所述渡越时间确定脉冲声能的声速；由此计算混合物的气体体积分数。
[0012] 在本发明的另一个方面中并根据其目的和意图，用于在具有含界定了腔的内表面 的壁的管道和其它容器中确定气-水-油混合物中油-水混合物的组分的方法于此包括： 将脉冲振荡声能施加到管道或容器的壁，以使得将声脉冲传送通过混合物，并且其中，振荡 声能在气-水-油混合物中的最低频率大于500kHz;接收到达管道或容器的壁的脉冲声 能；以及测量脉冲声能通过混合物的渡越时间，根据所述渡越时间确定脉冲声能的声速； 由此计算混合物的气体体积分数。
[0013] 在本发明的再另一个方面中并根据其目的和意图，用于在具有含界定了腔的内表 面的壁的管道和其它容器中测量具有大小的分布的气泡和流体的混合物中泡状物大小的 分布的方法于此包括：将宽带脉冲振荡声能施加到管道或容器的壁，以使得将脉冲声能传 送到混合物中，并且其中，宽带振荡声能的频率范围在泡状物谐振频率的范围内；接收由 泡状物散射的脉冲声能；从所散射的声能提取多普勒信号；以及测量所述多普勒信号的强 度，根据所述强度确定泡状物大小的分布。
[0014] 在本发明的再另一个方面中并根据其目的和意图，用于在具有含界定了腔的内表 面的壁的管道和其它容器中测量具有大小的分布的气泡和流体的混合物中泡状物流速的 分布的方法于此包括：将宽带脉冲振荡声能施加到管道或容器的壁，以使得将脉冲声能传 送到混合物中，并且其中，宽带振荡声能的频率范围在泡状物谐振频率的范围内；接收由泡 状物散射的脉冲声能；以及根据所散射的声能确定多普勒频移；根据所述多普勒频移确定 泡状物流速的分布。
[0015]本发明的实施例的益处与优点包括但不限于，提供用于在石油生产过程期间生成 石油、水和气的混合物的各个相的组分的实时、连续数据的装置和方法，而不必将气体从流 动流分离，由此改进了油藏管理并降低了任何油田的工作的成本。
【附图说明】
[0016] 附图包含在说明书中并构成其一部分，附图示出了本发明的实施例，并与说明一 起用于解释本发明的原理。在附图中：
[0017] 图1是作为用于包含单分散性的20μm泡状物的1 %体积分数的液体的频率的函 数的声速的曲线图，示出了低频，气泡谐振频率和高频，而图lb是于此作为频率的函数的 针对图la描述的含泡状物液体的声衰减的曲线图。
[0018] 图2是作为分别用于三个不同泡状物大小（50μπι(曲线（a))、100ym(曲线（b)) 和100μπι(曲线（c))泡状物）的声频率的函数的泡状物流体中计算的声速的双对数绘图。
[0019] 图3是作为分别用于三个不同泡状物大小（50μm(曲线（a))、100μπι(曲线（b)) 和100μπι(曲线（c))泡状物）的声频率的函数的泡状物流体中计算的声衰减的双对数绘 图。
[0020] 图4是作为在217kHz固定频率下的泡状物大小的函数的消光截面的双对数绘图， 217kHz是15μm泡状物的谐振频率。
[0021] 图5是作为声频率的函数的具有15μm半径的单个泡状物的散射截面的双对数绘 图。
[0022] 图6是作为在1到200kHz之间变化的频率的函数的啁嗽信号的振幅的曲线图，啁 嗽信号用于激发压电换能器，其继而激发泡状物流体。
[0023] 图7是于此响应于图6中所示类型的啁嗽信号，如由宽带接收器换能器检测的来 自具有含以一平均值为中心的不同大小的泡状物的泡状物流体的散射信号的振幅的曲线 图。
[0024]图8是本发明的装置的实施例的示意图，示出了用作发射器的宽带压电换能器和 用作接收器的两个相同换能器，一个接收器检测发射的信号，而另一个接收器与发射换能 器成角度设置，其检测散射信号。
[0025] 图9是作为频率的函数的50mm直径压电晶体的多个谐振的振幅的曲线图，对于这 个几何形状，这个晶体的厚度模式谐振约为1. 1MHz，而径向模式延伸到低频，这个晶体的最 低径向模式约为50kHz。
[0026] 图10示出了用于生成径向模式谐振的晶体的设计，其中，示出了相对于盘直径与 盘厚度的比的频率乘以盘厚度，编号的曲线表示不同径向模式，较高模式具有较高频率。
[0027] 图11示出了以径向模式（52kHz)振动的压电圆盘的表面振动振幅分布，环形图案 (振幅和间距）具有贝塞耳函数的形式，其方式为振动的强度从圆盘中心到外边缘改变，较 高模式具有较大数量的圆环。
[0028] 图12示出了于此通过以水听器扫描在水箱内部测量的在图11中描述的径向模式 换能器的束分布。
[0029] 图13示出了在非线性介质中两个频率匕和f2的混频，例如用以产生谐波以及混 频的在多相流体中的泡状物，其中，在介质中混频两个较高频率以产生和频与差频。
[0030]图14是用于在非线性泡状物介质中混频的调制方法的示意图，其中，f。是高频载 波，以及圪是调制信号，以及混频的结果是差频f。_圪。
[0031]图15是本发明的装置的实施例的示意图，该装置用于在垂直定向的管道中的非 线性泡状物介质中混频由相同函数发生器产生的两个频率，其中，泡状物流体流动以由此 生成差频。
[0032]图16a是换能器到管道的非侵入式附接的示意图，而图16b是与管道中流体直接 连通的换能器的示意图。
[0033] 图17是示出作为几个泡状物大小的体积分数的函数的泡状物谐振频率以下的泡 状物流体中声速的理论预测的曲线图。
[0034] 图18是示出作为几个泡状物大小的体积分数的函数的泡状物流体中声衰减的理 论预测的曲线图。
[0035] 图19a是装置的示意图，该装置使用由圆柱形压电管以管的呼吸模式频率产生的 声辐射压力，该声辐射压力用于移动水/石油混合物中携带的泡状物，以使得腔谐振移动， 而图19b是示出在施加对压电管的激发后作为时间的函数的泡状物的频移量的曲线图。
[0036]图20是管道的椭圆形破坏其对称性并影响某些区域中的驻波