多相流量计的制作方法
【专利摘要】一种多相流量计(10)和确定穿过位于井处导管的多相流体流的处于恶劣环境中存在的流动的两种或更多种流体的比例以及流体中的每一种的流率的方法。一个或更多个传感器(16)安装在流体流中来监测感测的区域(22)，其中各个传感器包括流体识别探针形式的电子装置和热流体速度热损失传感器形式的温度装置。提出了一种电子电路，该电子电路形成具有流体识别探针的共振电路(54)。处理器(24)用于基于电学性质计算感测的区域中存在的流体的比例以及基于温度差异计算流率。点测量通过使感测的区域显著小于导管的横截面积来实现。
【专利说明】
多相流量计
技术领域
[0001]本发明涉及一种用于油气工业中管线、井口或井下的多相流量计，并且更具体的，但不是排他性的，本发明涉及一种仪表，其可以确定在导管中处于恶劣环境下流动的两种或更多种流体的比例，以及存在的流体中的每一个的流率(f 1W rate)。
【背景技术】
[0002]在油气工业中，有利的是在多个位置包括测量设备以建立流体流动的量以及该流体流的组分。典型的组分可以是油，天然气，卤水和空气。测量的可以是井下，地表或者在加工厂内。
[0003]常规地，存在测量流体流率的多种方法。例如，存在具有活动部分的多个简易涡轮流量计。然而这些活动部分常常会降低流量计对小的流率的精度和灵敏度，以及还会减少流量计的预期寿命。
[0004]其他的例子包括非侵入式的方法，诸如只在导电流体中运行的电磁流量计和仅限在包含已知组分且非常少或没有自由气体的流体中使用的超声流量计。电磁流量计和超声流量计两者的另一个缺点是从这些流量计获得测量值所需的电子设备趋向于相当地复杂。
[0005]现有技术中一种多相流量计记载在GB2354329中，受让给本
【申请人】。一种流量计被用来确定流体的流率，以及一种记载在GB 2386691中并同样受让给本
【申请人】的比例工具被用来确定从其中流过的流体的性质和数量。流量计在流体路径上包括限制部或扼流圈(choke)，在扼流圈上设置有应变测量仪来测量扼流圈上的力。比例工具具有多个流体鉴别传感器，这些传感器包括位于跨过扼流圈的成对的盘或者条并且在整个仪器本体的长度上延伸，以用于测量流体的电学性质，特别是阻抗或者电阻和电容两者。GB 2354329和GB2386691通过引用而并入本文中。
[0006]与许多现有技术中的多相流量计相同，这种多相流量计的主要缺点是它只允许将建立的流的大量测量(bulk measurement)。因此，典型地由于密度变化而以不同平均速度流经管道的不同流体会产生现有技术多相流量计不能解决的滑移速度，因为它们不能确定个体的速度。另外，现有技术多相流量计不能处理气泡悬浮的存在。为了克服这些缺点，一些现有技术多相流量计会包括一个在流量计上游的混合单元，以调节流体并产生均一的混合流体，打碎任何气泡悬浮和创造一种稳定的单一流率来用于测量。这也给与大量测量。另夕卜，这类混合单元是侵入性的，并且由于需要具有活动部分而易于故障。
[0007]这种多相流量计的另一个缺点是对扼流圈的需求。这人为地改变了流体的流率，以及不能使多相流量计作为一种非侵入式测量设备使用。
[0008]这种多相流量计又一个缺点是它确定组分流体的方式。一个自由振荡电路被使用。这样一种电路对获得油气工业中使用的多相流体混合物的Q值不够灵敏。盐水(卤水)和实际上任何种类的水看起来没有共振，因为在油/气和水之间有几个数量级的差异。
[0009]这种多相流量计再又一个缺点是测量流率的测压单元(load cell)设置在本体上有别于流体识别传感器的不同位置上，一个在另一个的上游。因此必须这样假设，流率和成分流体的比例沿着本体的长度在不同位置之间必须一致。本领域技术人员可以认识到在实际的流经导管的多相流中上述假设不可能发生。
[0010]因此本发明的至少一个实施例的目标是提供一种多相流量计，以用于确定流过位于井处的导管的多相流体的处于恶劣环境下的存在的流体的比例以及它们相应的流率，该流量计缓解了现有技术多相流量计的至少部分缺点。
[0011]本发明的至少一个实施例的另一个目标是提供一种多相流量计及确定流过位于井处的导管的多相流体的处于恶劣环境下的流动的两种或更多种流体的比例和存在的流体中的每一个的流率的方法。
【发明内容】
[0012]根据本发明的第一个方面，提供一种用于确定穿过井处的导管的多相流体流的处于恶劣环境下的处于恶劣环境下的存在的流体的比例和它们相应的流率的多相流量计，包括:
[0013]传感器，该传感器安装在导管中，与流过导管的流体接触，该传感器包括:包括弹力流体识别探针的电子装置，该探针布置在感测的区域以测量越过导管感测的区域的流体的电学性质；以及温度装置，以测量指示基本在感测的区域中的流体流的冷却效应的温度差异;
[0014]电子电路，该电子电路形成具有流体识别探针的共振电路；以及
[0015]处理器，以根据电学性质计算感测的区域中存在的流体比例以及根据温度差异计算流率。
[0016]以这种方式提供了一种多相流量计，其中可以在导管中基本相同的位置处确定流率和流体成分。弹性探针的使用提供了可能在井口，井下管线，表面管线和井处的地表加工厂的恶劣环境下的鲁棒性(robustness)。另外，电子电路的并入提供了信号调节和测量电子设备，以及由于电子电路形成了具有流体识别探针的至少一个共振电路，(多个)共振电路响应的分析可以用于确定导管中流体流的(多个)种类和比例，以给出流体成分体积分数测量值。
[0017]优选地，感测的区域显著小于导管的横截面积。由于感测的区域显著小于导管的横截面积，可以在导管中做出点测量以及流体可以环绕传感器本体流动。
[0018]优选地，在导管中具有以阵列定位有多个传感器，并且各自感测的区域是不同的。通过做出多于一次的测量，在导管的横截面上可以确定变化的流体成分和流率。由于每个感测的区域互不交叠，避免了大量测量。有利地是，可以为导管提供流体成分和流率的横截面2D图像。
[0019]优选地，流体识别探针用于形成与感测的区域中流体的电接触，作为复电阻抗使用。该电接触可以是通过直接导电直流接触，通过穿过小的绝缘膜的电容接触，或者两者兼备。该复阻抗提供了流体、传感器的一个或更多个部分和/或接地金属元件之间的电容元件和电阻元件。
[0020]优选地，温度装置是流体速度热损失传感器。这类传感器在通过测量热力学的热损失确定流体速度的领域是公知的。每个流体速度热损失传感器可包括一个或更多个温度传感器和加热元件。
[0021]优选地，温度装置包括流体温度探针，加热器和至少一个流体温度探针温度传感器。通过使用加热的探针，形成风速计。在一个实施例中，流体识别探针和温度探针一起形成为单个探针。采用这种方式，传感器与现有技术的布置相比可以做的相对小一些。另外，可能有至少一个流体温度传感器。采用这种方式，跨过感测的区域的温度差异剖面能够被建立。
[0022]另外地，由于流体速度传感器相对导管的横截面积可以是小的，流量计可以由在流体流的不同部分的若干单独的传感器构成，提供导管中不同点处的流体速度剖面，提供速度剖面的部分，其完整性取决于部署的传感器数量。采用这种方式，处理复杂流体动态的流动精度和能力可以通过使用传感器阵列解决。
[0023]优选地，多相流量计包括DC电源。采用这种方式，通过应用DC电源，可以做出电解的或者电池响应的测量值。这就允许得到电解流体混合物(诸如井眼中发现的矿化盐水混合物)的测量值。另外，DC电源的使用还可以提供电阻抗测量值，其可以给出流体是否导电以及导电到何种程度的额外的确认。
[0024]优选地，处理器包括历史数据的数据库，以用于与从电子设备得到的测量值作比较。更优选地，历史数据包括已知流体和流体混合物的复阻抗数值。
[0025]在一个实施例中，多相流量计包括:感测模块，其包括针对导管内位置的多个传感器；电子模块，其包括电子电路；以及远程数据记录器，其包括显示单元，在该显示单元上可以看到在导管中存在的流体的确定的成分和它们相应的流率。处理器可以位于电子模块中或者数据记录器中。
[0026]根据本发明的第二个方面，提供一种确定穿过位于井处导管的多相流体流中处于恶劣环境下存在的流体的比例以及它们相应的流率的方法，包括如下步骤:
[0027]a)提供根据本发明的第一个方面的多相流量计；
[0028]b)在导管的横截面定位传感器阵列；
[0029]c)由传感器测量感测的区域流体的电学性质；
[0030]d)由传感器测量流体温度和感测的区域上加热的表面的温度之间的温度差异；
[0031]e)使用电学性质来确定各个区域中存在的流体的比例；
[0032]f)使用温度差异来确定存在的流体的流率。
[0033]采用这种方式，可以确定感测的区域存在的流体的比例和它们相应的流率，可以认为是点测量值。这些点测量值可以画成导管横截面的2D阵列。
[0034]在一个实施例中，在沿着导管的分开的位置处构建多个相同的阵列并定位。该方法还可以包括在连续的阵列之间使用时间相关的步骤，以匹配流动和流体混合物类型来确定被测量的速度和流动动态稳定性两者。
[0035]优选地，步骤(C)包括测量振幅，Q和主共振频率附近的边带增益。此测量值可以来自于共振电路，其包括有源电路中的电阻，电容和电感，以及由传感器中的流体识别探针、接地金属元件和导管中流体形成的复阻抗。优选地，接地金属元件是传感器本体的一部分。
[0036]优选地，步骤(C)包括做出若干共振频率附近的测量值，以及使用已知的油、气和盐水的低频和高频表现，来通过在不同频率下比较每个测量值的反应部(reactive part)和实部(real part)进一步改善确定存在的每种成分是何种比例的能力。
[0037]优选地，步骤(e)包括利用高频相对低频行为的差异来确定流中存在的流体成分。例如，低频可能指示主要由带有一些油的盐水的成分，相反高频行为发生是由于在流动中主要由带有一些盐水的石油的成分。可选地，步骤(C)进一步包括在流体体积分数确定中使用盐水的复频率表现。
[0038]优选地，步骤(e)包括使用电路的共振峰值的幅值作为存在的盐水的测量值。如果流体流是连续的盐水那么振幅低，几乎没有或者没有可辨别的共振峰值，反之油和天然气具有产生明显频率行为的明显的反应性电学性质，以及可测量的共振峰值。
[0039]优选地，步骤(f)包括维持流体温度探针上恒定的电源，使得在流体温度上的传感器被加热表面的实际瞬时的温度上升只会被流体冷却影响，该冷却正比于流体速度和流体的导热性。
[0040]优选地，步骤(f)包括确定流体成分中空气的存在。当空气存在时，随着流体温度探针被加热，它在空气中会到达一个相比于当浸入例如盐水或者油的流体中时高得多的温度。更优选地，该方法包括通过测量流体温度探针的热上升以确定存在的天然气的比例的步骤。
[0041]优选地，该方法包括使用电解行为的DC测量以确定存在的盐分的比例的步骤。这样有助于流体成分中盐水的确定。在一个实施例中，存在盐分的确定，也就是水中含盐度是通过体积分数测量和DC电阻测量两者形成的。
[0042]优选地，步骤(e)和(f)在其中执行信号分析的处理器中执行。该分析可能是迭代的。采用这种方法，频率响应和电阻以及电解动作的初始过程测量值可以得到，然后使用处理器，可以对测量电子设备做改变以将测量聚焦到感兴趣的区域，或者调整测量到粗糙测量中观测到的多个流体状态下。
[0043]优选地，信号分析可能包括将数据与储存的历史数据比较。采用这种方式，已知流体和流体混合物的复阻抗可以在一个可控的环境中确定，并且测量的数据与历史数据比较以提供在导管中被测量的感测的区域的流体成分体积分数，同时以DC电流随时间的变化作为盐水性质改变的计量来辅助识别盐水的存在。
[0044]在后续的说明中，附图不必要按比例尺。本发明的某些特点可能以夸大的尺度或者以稍微概图的形式示出，并且常规的元件的一些细节为了简明和清晰可能没有示出。可以被充分认识到的是下面讨论的实施例的不同教导可以分别或者以任何合适的组合实施从而产生预期的结果。
[0045]因此，附图和说明被认为本质上是描述性的，而非限制性的。此外，本文中使用的术语和措辞只是用于说明的目的并且不应被解释为对范围的限制。诸如“包含”、“由......构成”、“具有”、“含有”或者“包括”以及其变型的语言意图认为是开放性的并且包含后续列出的内容，等同物，以及未书面陈述的其他内容，并且不应被理解为排除其他的附加物，构件，整数或步骤。类似的，术语“由......构成”被认为与术语“包含”、“含有”对适用的法律目的来说是同义的。
[0046]本说明书所有的数值被理解为可用“大约”来修饰。所有单数形式的元件或任何其他本文中描述的构件(包括(但不限于)装置的构件)应理解成包括它们的复数形式。
【附图说明】
[0047]本发明的这些和其他方面现在将参考附图，仅以示例的方式描述，在附图中:
[0048]图1为根据本发明的实施例的位于导管中的多相流量计的示意图；
[0049]图2(a)至2(d)为根据本发明的实施例的多相流量计的传感器的示意图；
[0050]图3为图1的多相流量计的共振电路的不意图；
[0051]图4用于本发明的多相流量计的电路的示意图；
[0052]图5用于本发明的多相流量计的电路的示意图；
[0053]图6(a)_(c)每一幅都是根据本发明的实施例的多相流量计中的传感器，处理器和数据记录器的布置的示意图；
[0054]图7为根据本发明的实施例的在位于管线中的多相流量计中的传感器的线性阵列的不意图；
[0055]图8为根据本发明的实施例的在位于管线中的多相流量计中的传感器的周向或径向阵列的示意图；以及
[0056]图9为根据本发明的实施例的在位于管线中的多相流量计中的围绕杆安装的传感器的阵列的示意图。
【具体实施方式】
[0057]首先参考附图的图1，其示出了多相流量计，大体上以附图标记10示出，以用于确定存在的流体12的比例和它们在导管也就是管线14中相应的流率。管线14以横截面示出并且流体流的方向是穿过附图。
[0058]流量计10包括传感器16，其经由杆18安装以位于平面内，也就是与流体流的方向垂直的纸面。传感器16布置使得流体12可以围绕传感器本体20流动。传感器本体20的外尺寸可以限定一片区域(被称为感测的区域22)，在其上做出流体12的测量。将认识到的是，感测的区域22明显的小于管线14的横截面积。实际上，传感器16可以确定尺寸使得对合适大小的管线14来说，感测的区域22有效地是一个点。采用这种方式，传感器16可以进行“点测量”。当多于一个的传感器布置在平面中时，传感器可以共同地称为感测模块。
[0059]处理器24同样也在流量计10中。在所示的实施例中，处理器24经由导线26和电子电路28连接到传感器16。导线26布置成在杆18的内部经过。处理器24和电子电路28可以当做电子模块30。另外，还包括远程数据记录器32和视觉显示器34以用于为用户储存和显示结果。
[0060]穿过流量计10中杆18和传感器16的截面图在附图2(a)中示出。传感器16包括电子装置，大体上以附图标记36示出，位于本体20的中心，以及温度装置，大体上以附图标记38示出，跨越传感器16的表面40定位。电子装置36和温度装置38的协同定位使在管线14内流动的流体12的流率和流体成分可以在管线14的同一点确定。
[0061]电子装置36包括位于本体20中且通过环形绝热体44与本体分离的流体识别探针42。典型地，传感器本体20和流体识别探针42由同一种材料加工而成，诸如不锈钢或其他此类在恶劣环境中以能够保证弹性性能这些特性而著称的合适的材料。绝缘体44a和44b可以由诸如PEEK的材料加工而来，PEEK也是以在恶劣环境中高标准性能而著称。
[0062]温度装置38是流体速度热损失传感器。在附图2(a)示出的实施例中，两个温度探针温度传感器46a，b在加热单元48间隔开。本体20加工有适于温度探针温度传感器46和加热单元48的凹缝或者插槽。本体20位于绝缘体44之间的部分用作温度探针52，其由加热单元48加热。与温度探针52分开安装的是流体温度传感器50。流体温度探针50需要与温度探针52热分离，使得加热器48不会影响流体温度测量值。理想的布置在附图2(b)中示出，其中具有加热器48的相同的机械组件布置具有流体温度传感器50，而没有加热器48，以提供参考。然而，任何测量流体温度的布置可以被使用，只要它不受外部条件和测量流体本身的影响。
[0063]共同的流体识别探针42和温度探针52都通过绝缘体44与传感器本体20绝缘。附图2(c)是示出其中探针42，52和绝缘体44a，44b成与传感器16的圆柱形本体20同轴布置的圆盘的侧视图。备选地，如在附图2(d)的侧视图中所示，探针42，52可以布置成提供与本体20的纵轴线垂直的圆形面。然后绝缘体44是环绕探针42，52的圆形面的环形面。
[0064]使用流体识别探针42，通过产生具有电子电路28的共振电路得到流体成分体积分数的测量值。参考附图3，示出了共振电路54，其使共振频率以及因此流体成分得以建立。共振电路54包括电阻器56，感应器58以及复阻抗60。电阻器56和感应器58是固定数值构件，其可以在电子模块30的电子电路28中或嵌入流量计10的本体20中。该共振电路54中的复阻抗由传感器本体20，流体识别探针42和管线14中的流体12形成。本体20和流体识别探针42被绝缘体44电隔离。复阻抗也可能存在于探针42，流体12和任意接地金属之间，诸如导管14的内表面。采用这种方式，可以在较宽的流体条件下优化距离以给出理想的响应。
[0065]在使用中，由于共振电路54的另一个电阻器56和感应器58的值是已知的，因而流体12的复阻抗可以使用电路分析确定。通过获得扫频响应，例如通过具有变化的电阻器56和感应器58的数值，振荡电路能够覆盖整个频率谱共振，它使响应从由水或盐水在低频产生的那些到由诸如油和天然气的流体在高频产生的那些的检测成为可能。由电路54检测到的输出响应能够与已知的或历史的数据进行分析，以指示流体12中的组分流体的类型和比例。
[0066]可以围绕若干共振频率做出测量。使用油气和盐水的低频和高频行为的知识，并通过在不同频率比较每个测量值的反应部和实部，我们可以进一步细化确定存在的每种组分是何种比例的能力。
[0067]在附图4中，示出的是可操作产生且将扫描正弦波应用至图3的共振电路54的框图图示。电路62包含发生器单元，在此情况下是用于产生数值序列的微控制器64。数值序列由微控制器64输出，且给送数模转换器(DAC)66。由微控制器64输出的数值代表编码，该编码当被DAC66转化成模拟输出时是正弦波的采样值。来自DAC66的模拟输出给送至放大器电路68以进一步调节电压输出。该电压然后由电路62输出，且给送至共振电路54的输入。在使用中，微控制器64可以改变输出正弦波的一个循环的时间周期，并且也将一系列不同时间周期循环排序因此产生扫描正弦波，其由电路62输出，且该输出被应用作为至共振电路54的输入。电路62位于电子模块30中。
[0068]现在参考附图5，示出的是电路70的框图，电路70可操作成测量来自共振电路54的输出的响应。在电路70中，在模数转换器(ADC) 74采样经过调整的信号以提供可被微控制器76读取的数字编码之前，放大器72调整来自共振电路54的输出。采用这种方式，可以增加响应的灵敏度以拾取代表水和盐水的小的共振峰值，同时可降低灵敏度以拾取油的较大的共振峰值，否则其会吞没信号并促使水峰值不可检测。
[0069]参考附图2，利用被描述成探针42和任意接地金属表面(诸如传感器本体20)的盘，在传感器16中流体识别探针42也可以按现有技术文件GB 2354329和GB 2386691中记载的方式操作以提供流体成分体积分数。GB 2354329和GB 2386691通过参考并入本文中。
[0070]为了确定流体速度，温度探针温度传感器46a，b记录加热探针52的温度。该温度给送至处理器24。当流体12经过探针52时，热量将会被流体12对流带走并且温度会下降。该温度降正比于流体速度和它的导热性，所以对具有已知导热性的流体来说速度可以直接被测量出来。备选地可利用反馈回路，其中处理器24增加给加热器48的功率以维持探针52处恒定的温度。维持温度需要的能量指示由流经探针52的流体12的冷却效应引起的温度差异。使用恒定的功率允许去测量更宽范围的流动速度，但是在高流率时提供可测量的很小的温度差异。流体温度传感器50将记录远离被加热的温度探针52的流体12的温度，使得也能测得温度差异。通过具有多个流体温度传感器50，可以确定跨过感测的区域的温度差异剖面。按照标准的对流理论，热损失能被转换成流体速度的测量值。
[0071]呈现了一种测量温度以及操作加热器和反馈机构的电子电路。由精密电阻和两个或更多个PRT46(铂电阻温度计)构成的分压器也被提供。精密参考电压作为用于分压器网络的电源供应。每个电阻元件两端的电压由多通道ADC测量。处理器24中的微控制器执行固件，其周期性的读取每个电压元件两端的电压，转化成电阻值并由一个公知的关于PRT的电阻和温度性能关系得出由每个PRT感测到的温度。用户控制下的微控制器可以改变施加在加热器48两端的电压。ADC感测加热器两端的电压并反馈给微控制器使得可以得到对施加电压的微小调整以及还用作应对构件故障的安全措施。
[0072]多相流量计10还包括DC电池25，如附图1所示。跨过在传感器16处的流体应用的直流电源信号的使用能够提供电解的或者电池响应的测量值，其可以指示存在于流体12中矿物(特别是盐)的数量。该测量值可以独立于电子装置36得到或者能被用于验证和/或辅助组分计算，当考虑水测量时作为所存在的盐水的测量值。出现直流电流时，关于盐水性质随时间的变化储存的数据也可以被利用。
[0073]因此多相流量计10中的传感器16确定在感测的区域上存在的流体的比例和它们在导管中相应的流率，感测的区域能等价为点测量。处理器24由接收电路70测得的振幅和频率以及电路80的温度测量值计算数值。这可以以迭代过程实现，借此首先采取一个过程测量，然后改变灵敏度和频率范围以收集更精密的数据。另外地，测量值可以与历史的和/或参考的值的数据库对比。由于在实验室条件下针对预设的处于设定好流率下的流体混合物可以确定复阻抗和温度损失，代表这些已知条件的参考值可以存储以用于比较和辅助在管线14中获得的测量值的解释。盐水具有复频率行为这个事实的使用能够进一步用于做出流体体积分数确定。这些数值可以被传输到远程数据记录器32，以用于存储和/或进一步的处理。另外地，这些数值能够为用户在视觉单元34上显示。
[0074]针对多相流量计10中的传感器16或者感测模块，处理器24和数据记录器32的布置的备选的实施例在附图6(a)_(c)中示出。在附图6(a)中，附图1的布置示出为其中传感器16插入表面管线(未示出)并经由一段短长度的电缆(导线26)连接到电子模块30。电子模块将包括附图3到5的电路。还有将电子模块30连接到远程记录器32的电缆27，在这种情况下，远程记录器在可以是基于PC的系统，其将接收数据并将数据传输到电子模块30以及视觉显示单元34或者触摸屏，以允许流率，流体成分和其他有用信息的显示。
[0075]在附图6(b)中示出了备选的系统实施方式的框图。在此实施方式中，传感器16和电子模块30是与传感器本体20物理地为一体的，并且感测电子30插入到表面管线中，以及数据记录器32中的调整和测量电子保留在表面管线的外部。在该实施例中，电子模块需要电源。取决于模块中的电子设备，电源类型可以是交流或直流。远程记录器32和显示单元34经由通信电缆29连接到电子模块30。通信可以是经由多种不同的协议，其中一个是RS485。
[0076]参考附图6(c)，示出了第二备选的典型的系统实施方式的框图。在该示例中，传感器16远离感测电子30而布置，其中传感器16插入到表面管线中。电子模块30和带VDU/触摸屏34(未示出)的数据记录器PC 32组合成单个封壳并且经由短的导线26连接到传感器16。功率将供给至单个封壳，取决于封壳内部的记录器/电子设备的设计，为AC或DC电源。
[0077]上文所述的单个传感器16可以被感测模块中管线14中同一平面上以阵列布置的多个传感器16代替。每个传感器16的数值给出了一个点测量值，其可以用于提供管线14横截面之上的流体成分和流率的2D表示。
[0078]传感器16可以以附图7所示的线性阵列13对准。为了有助于清楚，跟前述的附图中那些部分一样的零件采用相同的附图标记。阵列13包括跨过管线14直径相等地间隔开的三个传感器16。传感器16附接到一个圆柱杆18上。将认识到的是杆18可以通过任何已知的方法保持在管线14的开孔15。传感器16经由位于杆18内的导线26联接到一起，杆为恶劣环境下穿过开孔15的多相流体流提供保护作用。在此布置中，提供了三个感测的区域22。当管线14水平放置的时候这是有利的，因为较重的组分(例如油)会倾向于向开孔15的底部17运动，然而天然气和较轻的组分会在上部。这会反映在每个感测的区域22计算出的成分体积分数上。由于多个测量点，该布置还有助于确定滑移速度。同样地，虽然以夸大的形式示出，传感器16可以做得非常小使得感测的区域22等价于横截平面的一个点。取决于管线的直径，数十个传感器的线性阵列可以用于给出流体速度和流体成分体积分数的线性剖面。因此管线14的大量测量得以避免。通过将传感器16做得很小，杆18的插入不会干扰穿过开孔15的流体流。采用这种方法，给出了可以得到近乎实时结果的一种非侵入式测量技术。
[0079]为了得到管线14横截面之上的流体速度和流体成分体积分数的2D表示，传感器16按照2D阵列19定位。传感器16定位在想获得测量值的阵列19中的每个坐标处。可以采用网格布置，其将传感器16以常规的方阵安装。备选地，如附图8所示的周向或径向阵列19也可以采用。在沿杆的长度安装的带有期望数量的传感器16的多根杆18跨过管线14的直径定位，其中每根杆绕横截面旋转来以周向阵列19的方式将杆18等距间隔开。在示出的阵列19中，有四根杆，每根杆18上两个传感器16，并且有利地，一根杆18a包括中心传感器16a，使得管线14中的中心感测的区域22a测量值也可以获得。传感器16可经由导线联接到单个处理器并且结果在单元上为操作者以2D图形表示的方式显示(未示出K2D表示是由于在与流体流直接接触的位置处的小的传感器的阵列而通过由流体类型和流体速度的独立的点测量值的数学分析形成的。
[0080]在进一步的实施例中，若干传感器16可以围绕每个圆柱杆18径向安装，以提供附图9所示的布置。相对布置的传感器16b此时在同一平面上，但是传感器16b，c，d将在平行的平面上。如果杆18和传感器足够小，则感测的区域22可以近似显示在相同的平面上。备选地，它们可以确定尺寸使得可以测量管线14的多个横截面。这提供了沿管线14多个点的流体成分和流率确定值。相同地，附图1，7和8的阵列可以沿管线间隔安装来获得近似3D测量值。
[0081]本发明的主要优点在于提供了一种可以确定导管中基本相同位置处的流率和流体成分的多相流量计。
[0082]本发明的又一个优点在于提供了一种可以在导管中实现点测量的多相流量计，且因此避免大量测量。
[0083]本发明的至少一个实施例的又一个优点在于提供了一种多相流量计，其中通过在共振电路之上扫过频率，可以检测出代表水的低共振特征。
[0084]本领域技术人员可以理解的是，在不脱离本发明的范围的情况下可以对这里公开的发明做出多种不同的修改。例如，虽然说明书涉及到具有圆柱形开孔的表面管线，但是导管可以是任意横截面形状并在诸如水下和井中的其他环境中找到。另外，传感器可以布置成提供不跨越管线的整个直径的若干非连续的探针。
【主权项】
1.一种多相流量计，用于确定穿过位于井处的导管的多相流体流的在恶劣环境下的存在的流体的比例和它们相应的流率，包括: 传感器，所述传感器安装在所述导管中与穿过所述导管的流体流接触，所述传感器包括:包括弹性流体识别探针的电子装置，探针布置在感测的区域以测量越过所述导管的所述感测的区域的流体的电学性质；以及温度装置，以测量表现出基本在所述感测的区域中的流体流的冷却效应的温度差异； 电子电路，所述电子电路形成具有流体识别探针的共振电路；以及 处理器，以基于所述电学性质计算所述感测的区域中存在的流体的比例以及基于所述温度差异计算流率。2.根据权利要求1所述的多相流量计，其特征在于，有以阵列定位的多个传感器，且各自感测的区域是不同的。3.根据权利要求1或权利要求2所述的多相流量计，其特征在于，所述导管从包括井口，井下管，表面管线和地表加工厂的集合中选取。4.根据前述权利要求中的任一项所述的多相流量计，其特征在于，所述电子装置布置成提供所述流体识别探针，接地金属元件和所述流体之间的复阻抗，并且其中所述接地金属元件从包括传感器本体的一部分，传感器的安装件的一部分或者所述导管的壁的一部分的集合中选取。5.根据前述权利要求中的任一项所述的多相流量计，其特征在于，所述温度装置是流体速度热损失传感器。6.根据权利要求5所述的多相流量计，其特征在于，所述流体速度热损失传感器包括流体温度探针，至少一个流体温度探针温度传感器和加热元件。7.根据权利要求6所述的多相流量计，其特征在于，所述流体识别探针和所述流体温度探针一起形成为单个弹性探针。8.根据权利要求7所述的多相流量计，其特征在于，所述温度装置进一步包括一个或更多个流体温度传感器。9.根据权利要求8所述的多相流量计，其特征在于，有多个流体温度传感器。10.根据前述权利要求中的任一项所述的多相流量计，其特征在于，所述多相流量计包括DC电源。11.根据前述权利要求中的任一项所述的多相流量计，其特征在于，所述处理器包括历史数据的数据库，以用于与来自所述电子装置的测量值比较。12.根据权利要求11所述的多相流量计，其特征在于，所述历史数据包括用于已知流体和流体混合物的复阻抗数值。13.根据前述权利要求中的任一项所述的多相流量计，其特征在于，所述多相流量计包括:包括针对所述导管中的位置的多个传感器的感测模块，包括所述电子电路的电子模块，以及包括显示单元的远程数据记录器，在该显示单元上可以察看所确定的所述导管中存在的流体的比例以及它们相应的流率。14.根据权利要求13所述的多相流量计，其特征在于，所述处理器在所述电子模块中。15.根据权利要求13所述的多相流量计，其特征在于，所述处理器在所述数据记录器中。16.—种确定穿过位于井处的导管的多相流体流的处于恶劣环境下的存在的流体的比例和它们相应的流率的方法，包括下述步骤: a)提供根据权利要求1至15中的任一项的多相流量计； b)越过所述导管的横截面定位传感器的阵列； c)由所述传感器测量所述流体的感测的区域的电学性质； d)测量所述流体的温度和越过所述传感器的所述感测的区域的经过加热的表面的温度之间的温度差异； e)使用电学性质来确定各个区域中存在的流体的比例；以及 f)使用所述温度差异来确定存在的所述流体的流率。17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，步骤(c)包括测量共振频率。18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，共振频率测量来自包括电阻器，感应器和复阻抗的共振电路，其中该复阻抗由所述传感器本体，所述传感器中的流体识别探针和所述导管中的流体形成。19.根据权利要求16至18中的任一项所述的方法，其特征在于，步骤(c)包括在若干共振频率附近做出测量，以及在不同频率下比较每个测量值的反应部和实部。20.根据权利要求16至19中的任一项所述的方法，其特征在于，步骤(e)包括利用高频相对低频行为的差异来确定存在于流动中的流体成分。21.根据权利要求17至20中的任一项所述的方法，其特征在于，步骤(e)包括使用电路的共振峰值的振幅作为存在的盐水的测量值。22.根据权利要求16至21中的任一项所述的方法，其特征在于，步骤(f)包括利用恒定差异温度技术，其包括测量加热的流体温度探针和所述流体成分的外界环境温度之间的差升。23.根据权利要求16至22中的任一项所述的方法，其特征在于，步骤(f)包括确定所述流体成分中空气的存在。24.根据权利要求16至23中的任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括通过测量所述流体温度探针的热量上升来确定存在的气体的比例的步骤。25.根据权利要求16至24中的任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括使用电解行为的DC测量值来确定存在的盐分的比例的步骤。26.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，存在的盐分的确定，也就是存在的水中含盐度的确定是通过体积分数测量和DC电阻测量两者。27.根据权利要求16至26中的任一项所述的方法，其特征在于，步骤(e)和(f)在其中可以执行信号分析的处理器中执行。28.根据权利要求27所述的方法，其特征在于，分析是迭代的。29.根据权利要求27或权利要求28所述的方法，其特征在于，信号分析的步骤包括将数据与储存的历史数据比较。
【文档编号】E21B47/00GK106030257SQ201480045028
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2014年8月6日
【发明人】D·S·尚克斯, R·辛普森
【申请人】鼎盛油田技术有限公司