专利名称：用于测量多相流体流的设备和方法
技术领域：
本发明涉及用于测量多相混合物的流的流量计。本发明的实施例可以例如在石油和天然气工业中找到应用，其中，关系到液态烃和气态烃的混合物。
背景技术：
在不需要在测量过程期间断开流体流或分离多个相(phase)的情况下测量多相流体的流率的问题在化学工业和石油工业中特别重要。因为几乎所有的井都产生油、水、以及气体的混合物，所以流体混合物的各个组分的流测量在储油器的有效生产中是必需的。通常，在表面处，这些测量通过特别用于近海应用的昂贵并且体积大的分离器完成。以上问题已经通过现在通常在石油和天然气工业以及其他化学工业中使用的多相流量计设备解决。这样的设备通过在两个不同能级(即，“高”能级和“低”能级)处测量经过混合物的伽马射线或X-射线衰减，来测量多相流体混合物的多种组分的流速。该测量基于伽马射线/X-射线辐射的吸收系数取决于材料和光子能量的事实。因此，“高”能级被确定为使得在该光子能级处对于油和水的光子吸收系数基本相同。“低”能级被确定为使得在该光子能级处对于水的光子吸收系数显著高于对于油的光子吸收系数。伽马射线/X-射线经过导管的测试区段中的混合物，并且照射对在这两个能级处的光子敏感的检测器。由检测器记录的信号的分析允许对通过测试区段的水、油和气体流率的估计。在这种现有技术设备中的体积流率计算基于压力微差测量，因为这个原因，测试区段被提供有收缩，例如文氏管节流。文氏管节流干扰流体流。而且，这样的布置提供流测量的有限精度，并且在非均勻流组合物的情况下(特别是跨过混合物流的横截面)特别不利。
发明内容
本发明的目标在于提供用于测量多相流体流的改进设备和方法。以上目标通过根据权利要求1的设备和根据权利要求10的方法实现。本发明的以下思想在于基于从由检测装置接收的混合物发出的光子的空间分布的时间序列，直接测量混合物的一个或多个相的流速。辐射装置相应地适用于沿着混合物流的方向提供混合物的空间照射，而检测装置被配置为用于在空间上接收从混合物发出的光子。该布置因此在不需要通过引入对混合物流的收缩(例如文氏管节流)使混合物流经历压力下降的情况下直接测量体积流速。在优选实施例中，所述检测装置包括检测器元件的二维阵列。该实施例有利地允许横穿混合物的流动方向的混合物的空间密度分布的测量。在进一步有利实施例中，所提出的设备进一步包括测量管，其形成用于混合物的流的所述区段的管道，所述测量管具有矩形横截面。具有矩形横截面的测量管提供图像的便利处理，以测量跨过混合物流的该区段的各个相的空间密度分布。在示例性实施例中，为了提供混合物的合适空间照射，辐射装置被定位在离混合物的流的该区段大于0. 3m的距离处。在一个实施例中，所述分析装置适用于基于所接收的光子的空间分布的图像的所述时间序列的互相关，确定所述混合物的一个或多个相的流速。在优选实施例中，所述辐射装置适用于生成处于第一能级和第二能级的光子，其中，对于第一能级，针对包括在所述混合物中的两个不同相的光子吸收系数基本相等，并且其中，对于第二能级，针对所述混合物的所述两个相的光子吸收系数是不同的。对于具有两个液相和一个气相的三相混合物，具有第一能级的光子从而帮助指示混合物中的液体的共同(collective)密度，从而帮助识别混合物流中的气体的比例。另一方面，具有第二能级的光子帮助指示液相之间的密度差，从而帮助识别两个液相的相对比例。在优选的另一实施例中，所述辐射生成装置适用于交替地生成光子的第一和第二脉冲，其中，所述第一脉冲中的光子具有所述第一能级，并且所述第二脉冲中的光子具有所述第二能级。本实施例使用脉冲调制(pulsed)电源，其有利地提供低的总功率消耗，而在脉冲期间提供大的瞬时功率。为了提供混合物的所有相的速度的直接测量，所述检测装置适用于交替地形成第一和第二图像，所述第一图像对应于在对应于所述第一脉冲的持续时间的第一时间间隔期间具有所述第一能级的所接收的光子的空间分布，所述第二图像对应于在对应于所述第一脉冲的持续时间的第二时间间隔期间具有所述第二能级的所接收的光子的空间分布。在示例性实施例中，所述光子是X-射线光子。利用用于测量的X-射线是有利的， 这是因为其不需要放射性材料，所述放射性材料需要附加安全测量并且还可能导致输入/ 输出操作的显著问题。
参考附图中所示的示意性实施例在下文中进一步描述本发明，其中 图1是用于测量多相流体流的设备的示意图2是根据本发明的一个实施例的用于测量多相流体流的设备的顶视图，该设备具有二维布置的检测器；以及
图3是图2中所示的设备的透视图。
具体实施例方式以下描述的本发明的实施例通过考虑在一个区段上的空间流体流，而不是如现有技术中所教导的沿着通过流的横截面的单点光束，提供多相混合物的各个相的体积流速的直接测量。多相混合物可以是气体(例如，气态烃)、水、和/或油(例如，液态烃)的混合物。 各个相都可以是这些组分之一。通过照射混合物流的整个横截面之上的混合物，横穿流动方向的各相的空间密度分布可以被确定，这改善了体积流测量的质量和精度。现在参考图1，图示根据本发明的一个实施例的用于多相流体流的测量的设备1。 设备1还可以被称为多相流量计。设备1广泛地包括辐射装置2、检测装置3和分析装置 4。所示的设备1还包括测量管13，其可以例如被插入上游和下游导管20和21之间，分别通过导管流过其流率将被测量的多相流体混合物。多相流体混合物可以特别是尤其出现在上游油和气体事务中的混合物。测量管13形成用于混合物流的区段19的管道。在本论述的上下文中，该区段19可能指测量管13内的混合物或其一部分的体积。该区段19在此还指“测试区段”。辐射装置2生成光子束，以在空间上沿着测试区段19照射所述混合物。光子束在通过混合物时被衰减。检测装置3被配置成以不同时间间隔在空间上接收从混合物的流的测试区段19发出的光子。检测装置3从而形成对于每个所述时间间隔的所接收的光子的空间分布的图像。分析装置4基于由检测装置3接收的光子的空间分布的图像的时间序列， 确定混合物的一个或多个相的流速。以下总体参考图1-3详细地论述设备1的各个组件，其中，图2是辐射装置2、检测装置3和测量管13的顶视图描绘，并且图3是其透视描绘。图1-3关于相互垂直的轴 X-X、Y-Y和Z-Z示出。轴Z-Z沿着混合物的流动方向延伸，轴X-X沿着通常沿着光子束的传播方向的横向方向延伸，并且轴Y-Y沿着跨过混合物流的区段19的横向(transverse direction)延伸。在所示实施例中，测量使用X-射线光子完成，这是有利的，因为X-射线生成不需要放射性材料，所述放射性材料需要附加安全测量并且还可能导致输入/输出操作的重要问题。因此，辐射装置2包括一个或多个X-射线管。在所示实施例中，提供了两个X-射线管 5和6。结合本发明使用的X-射线管5和6应该优选递送一致(consistent)轫致辐射谱， 尤其是具有稳定端点电压的一致轫致辐射谱。X-射线管5生成处于第一能级的X-射线光子束11，而X-射线管6生成处于第二能级的X-射线光子束12。能级被选择成使得第一能级提供对混合物的总密度的敏感性，反之，第二能级提供对混合物的组分的敏感性。例如， 对于包括三个相(包含水、油和气体)的流出流态(flow regime)的流测量，第一能级被选择成使得用于液相(即，水和油)的光子吸收系数对于该能级处的光子基本恒定，而第二能量被选择成使得对于该能级处的光子，用于水和油的光子吸收系数明显不同。给定环境下的气相的光子吸收系数与水和油的光子吸收系数相比更低很多。在以上实例中，第一能级可能降低，例如，在65-90keV的范围内，而第二能级可能降低，例如，在15-3^eV的范围内。 从而，在本上下文中，第一能级被称为“高”能级，而第二能级被称为“低”能级。因此，在该实施例中，X-射线管5提供65-90keV范围内的特征发射，而X-射线管6提供在15_3^eV 范围内的特征发射。在优选实施例中，来自X-射线管5和6的光子束11和12分别通过滤波器7和8，以排除在两个光子束之间交叠的可能光谱。滤波器7和8因此应该分别允许在 65-90keV和15_35keV内的最大发射。结合本发明使用的电源可以是AC或DC。X-射线管5和6可以在连续模式下操作，但是优选在脉冲调制模式下操作。使用脉冲调制电源有利地导致较少总功率消耗，并且在该脉冲期间提供较高瞬时功率。在所示实施例中，X-射线管5和6通过可调节的时间延迟被交替地脉冲调制。脉冲的持续时间基于例如混合物流的期望速度范围，以确保流体(混合物)在照射期间不覆盖有效距离。例如，在期望流速是lOm/s或更大(其中上限是40m/s) 的应用中，用于X-射线管5和6中的每个的脉冲持续时间优选地比10 μ s更小。X-射线管 5和6的操作的定时在这种情况下在界限0. 3-lms内是可调节的，其中精度小于10 μ S。在所示实施例中，体积流速通过互相关分析(以下论述)来测量。因此，上述时间延迟应该被调节，以最优化速度测量的质量。应用至χ-射线管的电压应该优选地在用于“低”能量χ-射线的40-70kV内以及在用于“高”能量X-射线的130-170kV内可调节。
尽管在脉冲调制模式下操作X-射线管5和6，但必须确保到达检测装置3的信号 (衰减的光子束)足够强。因此，有利地，“高”能量X-射线管5的阳极材料可以包括金(Au)， 而“低”能量X-射线管6的阳极材料可以包括钼(Mo)。在可替换实施例中，代替具有两个分离的X-射线管，辐射装置2可以包括具有两个阳极的单个X-射线管，其可以以连续方式或脉冲调制方式操作。在还可替换的实施例中，测量可以使用其他类型的光子完成，诸如，伽马射线。因此，在这种情况下辐射装置2除了别的之外还将包括一个或多个伽马射线辐射源，例如，铯137或钆153放射性同位素。在所示实施例中，光子束11和12进一步分别通过束成型孔9和10，其向束提供理想形状或横截面。通过孔9和10的光子束11和12在空间上照射混合物流的测试区段 19。在所示实施例中，测试区段19的空间照射沿着Z-Y平面(S卩，空间上沿着流动方向并且横穿流动方向)，如图2和图3中所示。与二维检测装置(随后论述)结合，这使得能够进行横穿混合物的方向的混合物的相的空间密度分布的测量，这特别对在不均勻流(即，跨过流的横截面具有各相的不均勻组分的流体流)的情况下精确地测量流速特别有用。在这种情况下，光子束11和12将具有二维束横截面。然而，光子束11和12的横截面可以可替换地为一维(即，线X-射线)，以在空间上沿着Z-Z轴(S卩，流动方向)照射混合物。该实施例可以通过测量各个相的流速(例如，沿着测试区段19的中心线)，在均勻混合物流(即，用于跨过流的横截面的相的均勻组分)的情况下使用。在这种情况下，检测装置3可以适用于光子的一维空间检测。在一个实施例中，辐射装置2被定位在离测试区段19的距离“L”处，并且如通常完成的那样，不会附着至测量管13。这允许偏离的光子束充分地照射流体流的测试区段19。 该距离“L”通常大于OJm并且优选大约0.5m。由于流速通过使光子束11和12两者的图像互相关来确定，所以X-射线管5和6之间的距离“D”应该优选地比辐射装置2和测试区段19之间的距离“L”更小很多。作为一个实例，距离“D”可以约为30-70mm。测量管13包括窗口，其由通常对光子束11和12的照射是透明的材料制成。用于这样的窗口的优选材料是铍。虽然测量管13可以具有任何横截面，但是测量管13的矩形 (其包括正方形)横截面在非均勻混合物流的情况下是特别有利的，以用于提供由用于测量跨过混合物流的区段19的各种相的空间密度分布的检测装置3获取的空间图像的简易处理。光子束11和12在通过混合物时被衰减。检测装置3因此在空间上被配置成接收从混合物发出的光子。在关于具有跨过流的该区段的各相的均勻组分的混合物的流测量的情况下，可以充分地在空间上配置检测装置3，以沿着一个维度接收光子。在这种情况下，检测装置12可以包括沿着Z-Z方向(S卩，与混合物流的方向平行)对准的检测器元件的线性阵列。然而，对于关于具有跨过流的该区段的各相的非均勻组分的混合物的流测量，在空间上二维地配置检测装置3是有利的，如在图2和图3中所示。在此，检测装置3包括检测器元件的二维阵列或者布置在二维区域之上的一组检测器元件。检测器元件的阵列平行于Z-Y 平面布置。检测器阵列的尺度“b”优选地等于或大于测量管13的尺度“a”。检测器元件可以包括例如闪烁体，其可以包括无机或有机闪烁体晶体、有机液体闪烁体、或平坦塑料闪烁体。检测器元件应该对处于上述“高”和“低”能级的光子敏感。可以在此用作检测器元件的示例性无机闪烁体是NaI晶体。检测器阵列可以包括相关光电倍增器，以用于生成对应于检测器元件的照射的信号。检测装置3接收用于不同时间间隔和用于每个时间间隔的光子，形成在该时间间隔期间接收的光子的空间分布的图像。在此处所示的实施例中，检测装置3在对应于“高” 能量和“低”能量光子的脉冲持续时间的各自第一和第二时间间隔期间交替地形成所接收的光子的这种空间分布的第一和第二图像。因而，为了在上述示例性实施例中使用，检测器元件应该能够捕获曝光时间小于10 μ s并且时间延迟小于0. 3ms的两个图像。对于更高的测量精度，检测器应该优选地提供1000x2000像素或更高的图像分辨率。上述检测装置3的布置是示例性的。可以考虑多个可替换实施例。例如，检测装置2可以包括背对背布置的两层检测器阵列，其中，一个层中的检测器元件对“高”能量光子敏感，而另一层中的检测器元件对于“低”能量光子敏感。检测器装置3从而适用于将图像的时间序列馈入至用于确定混合物的一个或多个相的流速的分析装置4 (图1)，每个图像都表示在给定时间间隔内接收的光子的空间分布。根据检测器的空间布置，这些图像可以是一维的或者二维的。分析装置4可以包括例如商用个人计算机，诸如使用从检测装置3接收的图像序列运行用于混合物的体积和/或质量流率的计算并且用于递送查找结果的程序的台式机或笔记本。这种计算的实例在以下提供。根据所需要进行处理的量，分析装置4可以可替换地包括通用微处理器、现场可编程门阵列(FPGA)、微控制器、或包括适用于基于从检测装置3接收的图像计算流速的处理电路和输入/输出电路的任何其他硬件。现在描述上述流出流态(包括三个相，即，水、油和气体)中的流速计算的实例。这种流态包括基本由气体构成的交替部分和基本由液体(水和油)构成的部分。由于水和油的“高”能量光子的吸收系数基本相等，并且气体的“高”能量光子的吸收系数可以忽略不计，因此对应于“高”能量光子脉冲的图像的时间序列被用于确定液相作为一个整体(即，油和水)沿着流动方向(Z-Z)在给定时间间隔内传播多少距离。有利地，如在所示实施例中，通过使用二维检测器阵列，有可能进一步确定液相作为一个整体(水和油)横穿流动方向(即， 沿着Z-Z方向和Y-Y方向两者)的位移。另一方面，由于水和油的“低”能量光子的吸收系数明显不同，所以对应于“低”能量光子脉冲的图像可以用于例如通过计算水与液体比率(WJO来确定混合物中水和油的相对比例。从而，对应于“低”能量脉冲的图像的时间序列将指示沿着流动方向(z-z)的液相的组分的改变比率(例如，WJO。再次，通过使用根据所示实例的二维检测器阵列，有可能有利地进一步确定改变横穿流动方向(即，沿着Z-Z方向和Y-Y方向两者)的液相的组分的该比率。水和/或油的各个相的体积速度通过使对应于“高”能量脉冲和“低”能量脉冲的图像组互相关来计算。“高”能量和“低”能量脉冲之间的时间延迟因此应该尽可能地保持在系统允许地那么低。如上所述，示例性实施例中的时间延迟是0. 3-lms。通常地，这样的多相流涉及分散模式流，其中，油、水和气体的平均速度在给定条件下基本相同。因此，所有相的体积流率可以通过如上所述的相之一的体积流速的测量来获得。这些相的质量流率可以随后根据通过将这些量乘以各自相的密度而计算的体积流速获得。虽然已经参考特定实施例描述了本发明，但是该描述不意味着以限制意义来构成。例如，所提出的技术可以用于通过结合提供用于混合物的两个或多个相的类似或不同吸收特性的光子辐射的合适的一个或多个能级，直接测量包括多于或少于三个相的多相混合物的体积流速。然后，光子辐射可以因此被脉冲调制和/或过滤。从而，可以预期基于从所照射的混合物发出的光子的空间分布的时间序列本质上确定多相混合物的体积流速的所有这样的修改都在由下述专利权利要求限定的本发明的范围内。
权利要求
1.一种用于测量多相流体混合物的流速的设备(1)，包括-辐射装置(2)，其适用于生成光子束(11，12)，以在空间上沿着所述混合物的流的区段(19)照射所述混合物，-检测装置(3)，其在空间上被配置用于以不同时间间隔接收从混合物的流的所述区段(19)发出的光子，以形成针对每个所述时间间隔的所接收的光子的空间分布的图像，以及-分析装置(4)，其适用于基于所接收的光子的空间分布的图像的时间序列，确定所述混合物的一个或多个相的流速。
2.根据权利要求1所述的设备(1)，其中，所述检测装置(3)包括检测器元件的二维阵列。
3.根据前述权利要求中任一项所述的设备(1)，进一步包括测量管(13)，其形成用于混合物的流的所述区段的管道，所述测量管(13)具有矩形横截面。
4.根据前述权利要求中任一项所述的设备(1)，其中，所述辐射装置(2)被定位在离所述混合物的流的所述区段(19)大于0. 3m的距离处。
5.根据前述权利要求中任一项所述的设备(1)，其中，所述分析装置(4)适用于基于所接收的光子的空间分布的图像的所述时间序列的互相关，确定所述混合物的一个或多个相的流速。
6.根据前述权利要求中任一项所述的设备(1)，其中，所述辐射装置(2)适用于生成处于第一能级和第二能级的光子，其中，对于所述第一能级，用于包括在所述混合物中的两个不同相的光子吸收系数基本相等，并且其中，对于所述第二能级，用于所述混合物的所述两个相的所述光子吸收系数是不同的。
7.根据权利要求6所述的设备(1)，其中，所述辐射装置(2)适用于交替地生成光子的第一和第二脉冲，其中，所述第一脉冲中的光子具有所述第一能级，并且所述第二脉冲中的光子具有所述第二能级。
8.根据权利要求7所述的设备，其中，所述检测装置(3)适用于交替地形成第一和第二图像，所述第一图像对应于在对应于所述第一脉冲的持续时间的第一时间间隔期间具有所述第一能级的所接收的光子的空间分布，所述第二图像对应于在对应于所述第一脉冲的持续时间的第二时间间隔期间具有所述第二能级的所接收的光子的空间分布。
9.根据前述权利要求中任一项所述的设备(1)，其中，所述光子是X-射线光子。
10.一种用于测量多相流体混合物的流速的方法，包括-生成光子束(11，12)，以在空间上沿着混合物的流的区段(19)照射所述混合物，-以不同时间间隔在空间上接收从混合物的流的所述区段(19)发出的光子，并且形成针对每个所述时间间隔的所接收的光子的空间分布的图像，以及-基于所接收的光子的所述空间分布的图像的时间序列，确定所述混合物的一个或多个相的流速。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，在空间上接收所述光子包括在二维区域上接收所述光子。
12.根据权利要求11所述的方法，进一步包括基于在所述二维区域上接收的光子的空间分布的所述图像，确定所述混合物的一个或多个相的空间密度分布。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的方法，其中，所述生成光子束包括生成处于第一能级和第二能级的光子，其中，对于所述第一能级，用于包括在所述混合物中的两个不同相的光子吸收系数基本相等，并且其中，对于所述第二能级，用于所述混合物的所述两个相的光子吸收系数是不同的。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述生成光子束包括交替地生成光子的第一和第二脉冲，其中，所述第一脉冲中的光子具有所述第一能级，并且所述第二脉冲中的光子具有所述第二能级。
15.根据权利要求14所述的方法，包括交替地形成所接收的光子的第一和第二图像， 所述第一图像对应于在对应于所述第一脉冲的持续时间的第一时间间隔期间具有所述第一能级的所接收的光子的空间分布，所述第二图像对应于在对应于所述第一脉冲的持续时间的第二时间间隔期间具有所述第二能级的所接收的光子的空间分布。
16.根据权利要求10至15中任一项所述的方法，其中，所述确定所述混合物的一个或多个相的所述流率基于所接收的光子的空间分布的图像的所述时间序列的互相关。
全文摘要
本发明提供了用于测量多相流体混合物的流速的设备和方法。所提出的设备(1)包括辐射装置(2)、检测装置(3)、以及分析装置(3)。辐射装置(2)生成光子束(11,12)，以在空间上在混合物的流的区段(19)之上照射所述混合物。检测装置(3)在空间上被配置成以不同时间间隔接收从混合物的流的该区段(19)发出的光子，并且提供针对每个所述时间间隔的所接收的光子的空间分布的图像。分析装置(4)基于所接收的光子的空间分布的图像的时间序列，确定所述混合物的一个或多个相的流速。
文档编号G01F1/704GK102472649SQ200980160339
公开日2012年5月23日 申请日期2009年7月7日 优先权日2009年7月7日
发明者A. 波利克霍夫 S. 申请人:西门子公司