专利名称：多相流体流束的流量测量装置和方法
技术领域：
本发明涉及通过相对于总流量的有效部分(5-20%)的等动力取样来测量多相流的流量的装置和方法。本发明尤其适用于，但不仅仅适用于在石油工业中测量多相流。
背景技术：
在石油和天然气开采过程中，为了确定多相流束和单相的流动，在运输烃的管内进行测量，多相流由油-水-气的两相或三相结合物组成。对输油管/输烃管内不同相的流动体的测量通常对控制和调节烃的开采很有用，并且对多相流内部水和气的含量评估也很有用。为了准确地测量多相油-水-气流束的不同相的流动，有必要使用能够在不同流动状态中操作的多相测量器(MPFM)。
已经开发的一定数量的不同多相流测量器主要应用在石油工业中，一部分基于电离辐射的使用，其余的基于微波的使用。这些仪器的特征在于很强的测量不确定性。当这些测量仪器用于对特征为高气体份额(fraction) (GVF>98%)的多相流束进行流量测量时，
误差变得显著。使用Y-射线源来确定混合物的密度的测量设备，例如在专利US4，289，02、US. 5，101，163、US 5，259，239及WO 2007/034132中指出的那些测量设备，其准确度低，具有高成本的局限性，这样的测量设备难以在生产场所内安装，并且可能危及健康、安全和环 境。此外，如果汽相占优势，则借助于Y-射线密度计测量混合物的密度相对不准确。在高GVF情况下多相流测量器应用中所遇到的问题已经导致基于等动力取样原理的多相测量器的开发，其在国际专利申请W02000/49370中被公开。这种测量器能够通过适当调整被排除的流量来排除多相流的份额代表(fractions representative)(总容量的5%+20%)，并且准确地测量入口处多相流束的气体和液体流量。然而，此测量设备受到的困扰是与操作的自校准(self-calibration)方法相关联的失效可能性。其它设备，例如国际专利申请WO 2005/031311和WO 2007/060386中公开的那些设备，其使用等动力取样结合与等动力取样无关的多相流束的总流量测量器，使得多相混合物的液体和气体流量能够被特征化。基于等动力排除和取样的所有上述设备都存在着与取样探头相关的局限性。当含有分散的小液滴的连续气相存在时，单栅(single-gate)与多栅(multiple-gate)取样探头两者都能正确发挥作用，但在高液体份额的情况下有效性较差。
发明内容
在所附的权利要求书中被更清楚地描述的本发明的目的是提供一种测量多相流的装置和简单的方法，其能够以高容积液体份额(LVF) >10%进行操作，无论流动状态是怎样的(例如层流、气泡、团状流)。根据本发明的测量装置具有取样段，其几何形状例如能保证将总气体和液体流量等分布到一定数量n的通道内部，其中的m个通道是取样通道，其余的通道是非取样通道。根据本发明的一个重要方面，取样段包括等动力取样设备，用于多相流束的部分的取样，以便将多相流束分离成取样部分和非取样部分，等动力取样设备由管状体和位于管状体内部的分布体(distributingbody)组成,用于形成多相流束流动进入n个通道的均匀径向分布，其中的m个通道是环状布置在分布体上的取样通道，分布体保证取样流束的所存在的各相(phases present)的容积的份额和比率与非取样流束的所存在的各相的容积的份额和比率几乎相同。根据本发明的另一个重要方面，管状体包括两个截头圆锥段，一个扩散段和一个收敛段，通过圆柱形段沿轴向相互连接，并且分布体包括固定在管状体的圆柱形段内部的环状支承部和在环状支承部内部同轴线地定位的旋转固体，该旋转固体包括在环状支承部的上方和下方呈轴向对称延伸的两个大致锥形尖顶部，它们分别在管状体的圆柱形段上半部和扩散段的内部及圆柱形段下半部和收敛段的内部。通过围绕切割线半椭圆旋转大致获得所述旋转固体。
根据本发明的另一个方面，位于沿着环状支承部的各通道是等角度距离地布置并且均匀地分布的，并且具有相等的截面。此外，每个通道都包括第一段和第二段，第一段与环状体的轴线平行并且与流动方向一致，就非取样通道而言，第二段是朝管状体的内部倾斜的，以便将多相流束的非取样份额传送到管状体中，而就取样通道而言，第二段是朝外部倾斜的，以便将取样份额朝气体-液体分离单元传送。在这些情况下，如果A1表示总流动体的流动截面的面积，并且A2表示取样流动体的流动截面的总面积，如果在截面A2内取样的总流量q与流向截面A1的总流量Q的比率等于比率A2A1，则能够将取样定义为等动力的。应当注意到，在本发明所提出的取样段内，通过在入口处强制流动体平均再分到数量为n的通道的内部，每个通道具有面积A，其中m个是取样通道，这样得出A1=A n(I)A2=A m⑵通过用(I)逐项除(2)，下面得出
m A2-=- (3)
n Ai从而，在使用本发明的目的装置进行等动力取样的情况下，如果％和％分别是取样部分中测出的液体和气体的流量，并且和Qe分别是管内流动的液体和气体的总流量，则下列关系式成立
AinQl =-qL =-qL(4)
A2 mAin Qg =-=-Qg(5)
A2 m取样和分离后，在关系式(4)和(5)的基础上，能够从测出的％和9(；直接得出和Qe。液体和气体的取样流量％和％是使用用于单相流束的已知类型的测量器测出的。入口处多相流束的流量是计算出的液体和气体流量和Qe的总和。根据本发明的另一个方面，提供用于测量多相流束的液体和气体流量的方法，其中对于多相流束的一部分的取样，根据流动体的均匀径向分布将后者分成n个流束，其中的m个流束是取样流束，其具有的所存在的各相的比率和容积份额与非取样流束的几乎相同，流动体的所述分布在环状布置的n个通道内实现，其中m个取样通道具有等于A2的总通流截面。因此，差压(differential pressure)信号是在取样下游在取样份额和非取样份额之间得到的，并且总流束的取样部分的流量被改变以使得所述差压信号等于零。在这样得到的等动力情况下，一旦已经测量出总流束的取样部分内的气相流量％和液相流量％，就在如下关系式的基础上将多相流束的总流量计算为气体份额Qe和液体份额Ql的流量总和Qg=A1/A2 qG=n/m qG和Ql=A1/A2qL=n/m qL。
借助于下文中对本发明的实施例之一所作的描述，将更清晰地理解根据本发明的测量多相流流量的装置和方法的更多特征和优点，所提供的本发明的实施例用于示例性和非限制性的目的，并且结合附图而做出，附图中-图I示出根据本发明的测量多相流流量的装置的功能图；-图2表示图I的测量装置的等动力取样段的局部剖视立体图；-图3是图I的装置的取样设备的轴向截面，利用含有图2的X-X轴线的平面图制成；-图4示出根据图2的箭头A-A的取样设备的横断面。
具体实施例方式参考图1，用于测量在管2内部流动的多相流8的流量的根据本发明的装置包括测量单元11，其位于管2的两个竖向部分2a、2c之间，其中的流动体朝下流动，并且测量单元11被包括在管2的两个凸缘部分2d和2e之间。测量单元11包括等动力取样设备1，参考图2在下文对其进行更加详细的描述，等动力取样设备I的功能是从多相流中排除流量q，使在管2入口处的多相流8的总流量Q的一部分10脱离，使其进入已知类型的气体-液体分离器15内部。已知类型的差压测量设备12的位置与等动力取样设备I相对应，用于在取样后在被移出流体和非被移出流体之间测量压力差；为了使得取样是等动力的，压力差必须为零。测量单元11还含有在等动力取样设备I下游的流动限制部13，竖向管段2b在等动力取样设备I和流动限制部13之间插置，该流动限制部13用以产生在位于上游的设备I内实现取样所必需的压降。已知类型的差压测量设备14可以定位成与流动限制部13相对应，以便测量由于经过流动限制部13的流动体的通过而造成的压降。等动力取样设备I与气体-液体分离器15连通，取样多相流的部分10借助于管、的水平段16而被注入气体-液体分离器15，将被分离成它的液体和气体成分。液相经过管17离开分离器15的底部，而气相经过管18离开分离器15的上端部。在将管17插入单元11下游的管段2c中之前，管17与阀20下游的已知类型的液体流量测量设备19相交(intersected)，其中将管17构造成将液体部分注入到气相管18内部，可以关闭阀20以实现不连续的测量，如下文更清楚地描述的那样。配备有液面差指示器的液面指示器21与分离器15相关联。在管17的插入点的上游，管18与已知类型的气体流量测量设备22相交，在管17的插入点的下游，管18与取样流体10的流量调节阀23相交。此外，在测量单元11的上游，绝对压力指示器24及温度指示器25都与管2相关联，用于分别监测在管2内部流动的多相流体的压力P和温度T。
虚线30表示各阀与各测量设备至数据处理系统31的电连接。具体地说，在操作状态期间，系统被配置成接收与处理通过仪器传送的信号，并且根据与本测量装置相关的方法描述中的指示将操作信号发送至各阀。参考图2，等动力取样设备I包括管状体3，其由扩散段3a、圆柱形段3b及收敛段3c组成，它们按顺序同轴线地相互连接。具体地说，管状体3的扩散段3a在管的上段2a和圆柱形段3b之间延伸，并且扩散段3a具有截头圆锥体形状，其较小直径等于管道上段2a的直径，而较大直径等于管道段3b的直径。管状体3的收敛段3c在圆柱形段3b和管道的下段2b之间延伸，并且收敛段3c具有截头圆锥体形状，其较大直径等于管状段3b的直径，而较小直径等于管道下段2b的直径。在管状体3的内部，与圆柱形段3b的下半部相对应，环状支承部4沿轴向被固定，该环状支承部4用于支承旋转固体，该旋转固体以标记“5”总体地指代、并包括两个大致锥形的尖顶部5a和5b，这两个大致锥形的尖顶部5a和5b分别在管状体3的圆柱形段3b上半部和扩散段3a的内部以及圆柱形段3b下半部和收敛段3c的内部，在环状支承部4的上方和下方沿轴向延伸。第一尖顶部5a被定位成使得尖端面朝上，而圆形基部坐置在环状支承部4上；而第二尖顶部5c被定位成使得尖端面朝下，而圆形基部坐置在环状支承部4上。n个通道6a、b贯穿环状支承部4，每个通道都具横截面A，等角度距离地布置，其中，n-m个通道是非取样通道6a，并且m个通道是取样通道6b。取样通道6b贯穿环状支承部4，第一段6bl平行于管状体3的轴线，而第二段6b2向外部倾斜，以允许将所收集的流体向分离器15传送。非取样通道6a贯穿环状支承部4，第一段6al平行于轴线，而第二段6a2向内部倾斜一角度，此角度等于取样通道的角度，以便将未被收集的流体向收敛段3c内部传送。参考图3，D是n个通道的直径，其中分布有多相流体，每个通道的特征是，在弯曲之前的竖向段的长度I等于直径D的8至10倍，并且倾斜角a的范围是10至30°。在距离圆柱形段3b上的环状支承部4的上基部几毫米的距离d和2D处，设有压力测量点7a、b，它们使每个通道6a、b与外部连通。具体地说，取样通道6b的各压力测量点7b以传统方式互相连接，非取样通道6a的各压力测量点7a也是如此。差压测量设备12插入在取样通道6b的各压力测量点7b和非取样通道6a的各压力测量点7a之间。
在每个通道内，在从环状支承部4的上基部算起的高度为h(该h等于直径D的四至五倍)处，在压力测量点7a和7b下游的取样通道6b或非取样通道6a内，设有流动限制部26，该流动限制部26将通流截面A减小20-30%。各通道内部这种变窄的主要效果是用于平衡由于最终段的不同倾斜造成的与压力测量点相对应的流体线(fluid threads)的畸变效应(distortion effect)。参考图4，此图示出与图2的竖向轴线正交的A-A剖面，其与作为本发明目的的装置的具体构造有关，其特征在于，n=20个总通道的分布，其中，n-m=16是非取样通道6a，m=4是取样通道6b，后者是相对于环状支承部4的截面总体是等角度距离地分布的。具体地说，图4示出n=4个取样通道6b的两个段6bI和6b2。用于实现与作为发明目的的测量装置有关的多相流流束的连续测量的操作程序
在下文中示出。在操作状态下，参考图2和图3，在管2内部流动的多相流8从管的上段2a流进测量设备I内部，在此，与扩散段3a相对应，沿着上尖顶部5a的流动方向，顺应扩散轮廓，多相流8经历径向偏离。系统的具体几何结构，使得朝环状支承部4移动的各流体线在所有非取样通道6a和取样通道6b之间均匀地分布，进入到各竖向段6al和6bl的内部。穿过非取样通道6a内部的流体线的部分9由于流动限制部26的缘故而在第一段6al内变直，并且，与非取样通道的第二段6a2相对应，这部分9在收敛的径向上经历偏离，伴随着此偏离，这部分9流动到收敛段3c内部。沿着下尖顶部5b的流动方向，顺应收敛轮廓，流体线的部分9被发送到管的下段2b。穿过取样通道6b内部的流体线的部分10由于流动限制部26的缘故而在第一段6bl内变直，并且与非取样通道的第二段6b2相对应，这部分10在扩散的径向上经历偏离，伴随着此偏离，这部分10朝取样设备I的外周流动，进入管16中。参考图1，在取样位置的下游，当取样的特征是被移出流体和非被移出流体之间的零压差时，取样是等动力的，当通过差压测量器12记录的△ P是零时，对于被检查系统而言，该情况已得到验证。如果数据处理系统31从差压测量设备12接收到不为零的差压值，则它发送操作信号，该操作信号作用于阀23以对该阀加以调节，导致取样流体10的流量发生变化，从而在测量设备12处解除差压。可选地，可以手动地实现这种调节。此外，如果利用测量设备19不能揭示从流体混合物分离出的液体的流量，则通过对阀20进行关闭，数据处理系统31允许流量测量不连续地实现。通过确定填充已知容积所必需的时间来实现液体流量的不连续测量，所述已知容积被包括在使用位于分离器15上的液面指示器21预先固定(prefixed)的两个高度之间。仅仅使用已知类型的测量器和一种小型等动力取样段的、根据本发明的多相流测量系统，具有简单的结构和不臃肿的体积。另外，它不需要任何类型的自校准。应当指出，通过改变通道总数量n与取样通道的数量m之间的比率，可以改变取样流体的百分比。被排除的流体份额和由此产生的m/n比率的变化范围落入在总流动体的5至20%范围内。应当指出，在本说明书和权利要求书中使用的术语“上”和“下”、“高”和“低”，指的是管2截面的轴线的竖向方位，其中管状体3是同轴线地插入的，并且就所述轴线的一般方位而言，这些术语等价于术语“上游”和“下游”。
权利要求
1.一种用于测量在管(2)内流动的多相流束中的液体和气体流量％和Qtj的测量装置，包括 -测量单元(11)，其同轴线地设置所述管(2)的两个部分(2a)和(2c)之间，该测量单元包括 a)等动力取样设备(1)，用于对所述多相流束的一部分进行取样，以便将所述多相流束分离成取样份额和非取样份额，所述设备包括与所述管(2)的所述部分(2a、c)同轴线的管状体(3)和定位在所述管状体内部的分布体(4、5)，所述分布体用于形成所述多相流束流入n个通道内的均匀径向分布，其中的m个通道是环状布置在所述分布体(4、5)上的取样通道(6a、6b )，所述取样通道保证所述取样份额将具有的性质，具体是所存在的各相的容积的份额和比率，与所述非取样份额的性质几乎相同； b)差压测量装置(12)，在处于取样位置下游的所述取样份额和所述非取样份额之间； c)流动限制部(13)，其具有相对于所述管(2)的截面而言减小的通流截面，位于所述等动力取样设备(I)的下游，所述等动力取样设备配备有与所述流动限制部(13)相关联的差压测量装置(14); -分离装置(15)，用于分离在所述等动力取样装置(I)内的所述取样份额的液相和气相； -测量装置(19、22)，在所述分离装置(15)的出口处，用于产生所述取样份额内的液体和气体流量的测量信号； -调节装置(23)，其在离开所述分离器(15)的液体和气体份额的重新混合位置之后安装，用于通过所述等动力取样设备(I)控制取样流量； -数据处理装置(31)，用于接收和处理来自于压力指示器和流量测量器的信号，并将操作信号发送至所述调节装置(23)，以改变所述取样设备内的所述取样份额的流量。
2.根据权利要求I所述的测量装置，其中，所述等动力取样设备(I)的所述管状体(3)包括按顺序一个接一个同轴线地连接的扩散段(3a)、圆柱形段(3b)及收敛段(3c)，所述扩散段(3a)在上管段(2a)和所述圆柱形段(3b)之间延伸，所述收敛段(3c)在所述圆柱形段(3c)和下管段(2b)之间延伸。
3.根据权利要求2所述的测量装置，其中，所述扩散段(3a)具有截头圆锥体形状，其较小直径等于上管段(2a)的直径，而较大直径等于管状段(3b)的直径；所述收敛段(3c)具有截头圆锥体形状，其较大直径等于管状段(3b)的直径，而较小直径等于下管段(2b)的直径。
4.根据上述权利要求中的任一项所述的测量装置，其中，所述分布体包括环状支承部(4)和旋转固体(5)，所述环状支承部沿轴向固定在所述管状体(3)的所述圆柱形段(3b)内部，所述旋转固体同轴地定位在所述环状支承部(4)的内部、并且包括两个大致锥形的尖顶部(5a、5b)，所述尖顶部分别在所述管状体(3)的所述圆柱形段(3b)上半部和所述扩散段(3a)的内部及所述圆柱形段(3b)下半部和所述收敛段(3c)的内部，在所述环状支承部(4)的上方和下方沿轴向延伸。
5.根据权利要求4所述的测量装置，其中，所述两个尖顶部(5a、5b)具有分别朝向所述管(2)的所述上段(2a)和下段(2c)的各自的尖端。
6.根据上述权利要求中的任一项所述的测量装置，其中所述n个通道(6a、6b)沿着所述环状支承部(4)等角度距离地布置并且均匀分布地定位，并且具有相等的截面，其中的m个通道是取样通道。
7.根据权利要求6所述的测量装置，其中，所述非取样通道(6a)和所述取样通道(6b)包括通道的第一段(6al、6bl)和通道的第二段(6a2、6b2)，所述第一段平行于所述管状体(3)的轴线，所述第二段对于所述非取样通道(6a)是朝所述管状体(3)内部倾斜的，对于所述取样通道(6b)是朝外部倾斜的。
8.根据权利要求7所述的测量装置，其中，所述非取样通道(6a)的倾斜段(6a2)具有与所述取样通道(6b)的倾斜段(6b2)相同的倾斜角和相反的方向。
9.根据权利要求8所述的测量装置，其中，所述倾斜角的范围是10至30°。
10.根据上述权利要求中的任一项所述的测量装置，其中，所述差压测量装置(12)具有与非取样通道(6a、6b)的所述第一段(6al、6bl)相对应的压力测量点(7a、7b)。
11.根据权利要求10所述的测量装置，其中，所述压力测量点位于与入口的距离不大于所述通道(6a、6b)的直径的两倍之处。
12.根据上述权利要求中的任一项所述的测量装置，其中，通道(6a、6b)的所述第一段(6al、6bl)的长度等于所述通道的直径的8-10倍。
13.根据上述权利要求中的任一项所述的测量装置，其中，所述取样份额的流动截面面积A2与总多相混合物的流动截面面积A1之间比率等于取样通道(6b)的所述数量m和通道(6)的总数量n之间的比率。
14.根据权利要求I所述的测量装置，其中，所述流动限制部(13)位于与通道(6a、6b)的所述第一段(6al、6bl)的入口的距离等于它们直径的4-5倍之处，并且将通道的通流截面减小20-30%。
15.根据上述权利要求中的任一项所述的测量装置，其中，通过改变所述通道的总数量n和所述取样通道的数量m的比率，所述面积A1与A2之间的所述比率能够在5至20%的范围内变化。
16.根据上述权利要求中的任一项所述的测量装置，其中，在离开所述分离器装置(15)的液体份额上设有打开/关闭装置(20)，用以实现对经过与所述分离器装置(15)相关联的液面测量器(21)的液体流量的不连续测量。
17.一种用于测量管(2)内部流动的流量为Q的多相流束内的液体流量和气体流量Qg的测量方法，包括 -通过面积为A1的截面收集所述多相流束的一部分流量q，其中，借助于等动力取样设备(I)验证大致等动力的情况，所述等动力取样设备限定取样截面A2,该取样截面是A1的一部分； -将取样流束的所述部分分离成单独的液相和气相成分； -测量取样流束的所述部分的液相成分流量％和气相成分流量qe ; 所述方法的特征在于，对于多相流束的所述部分的取样，所述多相流束以流动体均匀径向分布形式而被分布成n个流束，其中的m个流束是取样流束，所述取样流束具有与非取样流束几乎相等的所存在的各相的比率和容积份额，流动体的所述分布形式是在环状布置的n个通道内实现的，其中的m个取样通道具有的总通流截面等于A2;并且所述方法的特征还在于，它还包括以下各阶段-在所述取样的下游获得取样份额和非取样份额之间的差压信号； -改变总流束的所述取样部分的流量，从而使所述差压信号等于零； -在等动力的情况下，一旦在下列关系式的基础上已经测量出所述总流束的所述取样部分内的气相流量qe和液相流量qy就将所述多相流束的总流量计算为气体部分流量Qe和液体部分流量的总和Q^Ai/A^^n/m qG和QL=Ai/A2qL=n/m qL。
18.根据权利要求17所述的测量方法，其中，通过沿着围绕流动轴线的扩散旋转表面使多相流束径向偏离而获得流动体的均匀径向分布，所述n个通道围绕所述扩散表面的具有较大直径的端部等距地、环状地布置，所述n个通道具有平行于所述流动轴线的部分和对于n-m个非取样通道朝所述轴倾斜及对于n个取样通道在相反方向上倾斜的部分。
19.根据权利要求17或18所述的测量方法，其中，离开所述n-m个非取样通道的所述多相流束的非取样部分在被再次引入所述管内之前沿着围绕所述流动轴线的收敛旋转表面被径向偏离。
全文摘要
一种用于测量管(2)内流动的多相流体流束的装置包括测量单元(11)，其与管同轴线，由等动力取样设备(1)和流动限制部(13)组成，将等动力取样设备(1)配置成适于允许入口处的流动体等分布到面积为A的n个通道(6)内，其中的m个通道是取样通道，流动限制部(13)配备有差压测量装置(12、14)，连接至取样设备的相分离器(15)、测量器和所述分离器下游的调节装置。根据所述装置的方法包括入口处的多相流Q的部分q的等动力取样、取样部分的液体qL和气体qG的流量测量及根据等式QG=n/m qG和QL=n/m qL计算来自于取样段的液体和气体流量(QL和Q0)。此方法提供对于被排除的流动体的部分的等动力取样的范围为5%至20%。
文档编号G01F1/74GK102741667SQ201080051554
公开日2012年10月17日 申请日期2010年9月21日 优先权日2009年9月29日
发明者P·安德烈乌西, S·博斯基 申请人:泰亚系统股份公司, 艾尼股份公司