专利名称：集成声相分离器和多相流体组成监测装置和方法
集成声相分离器和多相流体组成监测装置和方法
相关申请的交叉-参考
本申请要求2010年9月3日提交的美国临时专利申请号61/379，864、发明名称为“Integrated Acoustic Phase Separator And Multiphase Fluid CompositionMonitoring Device”的优先权,针对上述申请的所有公开和教导内容，通过引用将上述申请的全部内容通过引用并入本文。
关于联邦权利的声明
本发明是在美国能源部资助的合同号为DE-AC52-06NA25396下的政府支持而做出的。政府拥有本发明的某些权利。技术领域
本发明大体涉及一种用于确定多相流体的特性的设备和方法，该多相流体包含至少两种液相和一种气相，具体而言，本发明的实施例能够分离气相和液相，并且测量每一相的体积和组成。
背景技术：
来自油井的流体通常包括气体、产生的水和烃的混合物(原油)。实时确定指定油井中生产的原油的实际质量对确定原油生产工业的税费是必要的。目前，有若干种方法来完成这种测量。可以将离井的流体流发送到能由重力分离的分离容器中，在由重力分离之后，可以确定各种相的相对量。然而，这种分离需要很长时间，并需要采用大容器。重质原油的密度接近于水，在不加热流体的情况下分离十分困难。一旦被加热，油和水的密度差就会大到足以能够重力分离，但加热过程会耗费大量能量。
另一过程包括用于从流体流中分离气体的相分离器，例如旋风分离器(cycloneseparator).在输送混合流体流的管道外部，需要较大的机械管道系统。一旦气体从流体中分离出来，作为示例，基于微波的液体/液体分析仪(例如，由Agar公司生产的0W-200系列系统)可用于确定油-水组成。该过程对重质原油有效，但在轻质原油的情况下，可以使用更精确的密度测量装置，诸如Coriolis型计量器(例如，由MicroMotion Elite生产的Coriolis型计量器)系统来确定油_水混合物的密度,从而确定该流体的组成。具有这种功能的测量系统体积大且价格昂贵，所以通常不能将这种设备用于每个井。因此，通常将来自多个井的流动流混合起来，并且对混合的流动流进行测量，这在不将各个流动流切换到测量装置的情况下难以确定各个井的输出。如果需要在显著低于地面或深海操作中实现监测，这种测量的难度和成本都会增大。
如果需要在井内的各个钻孔水平面对流体进行监测，以确定哪些钻孔水平面产生有价值的流体并且应当关闭剩下的哪些水平面，则必须将设备下放到井内来进行这种测量。已经使用了钻孔TV摄像机和红外检测器，但获得的成效有限。另外，这些方法不能提供井下流体组成的定量测量。发明内容
本发明的实施例通过提供一种能移动通过井中的生产区域并连续监测井眼中的流体组成的测井工具来克服现有技术的缺点和限制。
本发明的实施例的另一目的是提供一种测井工具来连续监测井眼中的流体组成，其中流体是流动的。
本发明的实施例的再一目的是提供一种装置，用于使气体与井眼中的流体分离、确定各个流体成分的量、以及使成分能够再混合而不影响井眼中的流体流动。
本发明的其它目的、优点和新颖特征部分地将在以下描述中阐述，部分地通过以下研究而对本领域技术人员而言变得明显或者通过实践本发明而被本领域技术人员学习。本发明的目的和优点可以通过尤其是所述权利要求所指出的工具和组合来实现和达到本发明。
为了实现上述和其他目的，根据本发明的目的，如本文所体现和广泛描述的，提出了一种用于确定多相流体的特性的装置，所述多相流体包括具有至少一种成分的液体和气体，所述装置包括:第一中空压电圆筒，具有第一轴线、内壁和外壁，其中所述内壁包括第一电极，所述外壁包括第二电极；第一信号发生器，用于向所述第一电极或所述第二电极之一提供第一选择电信号，所述第一电极和所述第二电极中的另一个接地，由此所述气体从流过所述第一中空压电圆筒的所述多相流体分离；第二中空压电圆筒，具有与所述第一中空压电圆筒的轴线共线的第二轴线，其中，所述第二圆筒的内壁包括接地的第三电极，所述第二圆筒的外壁包括至少两个在直径上(diametrically)相对的第四电极；第二信号发生器，用于向所述至少两个第四电极之一提供第二选择电信号，其中，在所述至少一个成分中产生谐振声振动；以及增益-相位测量电路，用于将来自所述第一信号发生器的信号与所述至少两个第四电极中的另一个所接收的信号进行比较，其中，确定了所产生的信号与所接收信号之间的相位差以及所接收的信号的幅度；由此，确定了所述至少一种成分中的声速和所述至少一种成分中的声衰减，从而通过声干涉确定所述至少一种成分的组成，其中所述气体已经与所述至少一种成分分离。
在本发明的另一方面中，根据其目标和目的，提供了一种用于确定多相流体的特性的方法，所述多相流体包括气体以及具有至少一种成分的液体，所述方法包括:在具有轴线的第一中空压电圆筒中产生径向声辐射力，使得所述气体被引导远离其所述轴线并且与所述液体分离，其中使所述多相流体通过所述第一中空压电圆筒流动；以及测量所述至少一种成分的声速和声衰减，所述气体已与所述至少一种成分分离；由此，确定了所述至少一种成分的组成。
本发明的实施例包括的益处和优点包括但不限于:提供一种装置和方法，用于使气体与液体组成分离、用于确定和监测的多相流体的组成，由于流体可同时在中空圆筒状装置支撑部的外部和内部流动使得几乎不存在压力差，所以可用于诸如产油井内的深钻孔等高压环境，允许使用易碎晶体谐振器传感器，而其它已知技术则需要坚固的系统或需要对传感器进行保护以防止高压差。
并入说明书中并构成说明书的一部分的附图结合以下描述示出了本发明的实施例，并用于解释本发明的原理。在附图中:
图1是本发明的组合的声相分离器和多相流体组成监测器的实施例的透视图的不意表不O
图2A是图1A所示的用于液体组成监测的圆筒状谐振器的透视图的示意表示，图2B是示出电极的展开的其顶视图。
图3示出了图1A示出的装置的电气部件。
图4示出了使用图2A所示的圆筒状谐振器获得的三种不同液体的谐振频谱，示出了随液体变化的频谱特性，即，相邻波峰之间的频率差，谐振波峰的宽度和峰值幅度的变化。
图5示出了通过测量声速确定含油量(水中矿物油的百分比)。
图6示出了由谐振波峰的半高全宽(FWHM)确定的声衰减，其作为含油量函数。
图7A和图7B示出了根据峰值幅度(Peaksfa)和谐振曲线的最低点处的幅度(Peakmn)由谐振数据来分析声衰减的可选方式。
图8示出了用于确定六个高流率( 10加仑/分钟)下的含油量的声衰减的频谱的快速傅立叶变换(FFT)。
图9示出了对于六种含油量的谐振频谱的流动的效果，示出了谐振波峰随流率的频率偏移。
图10示出了流率与谐振波峰频率偏移的关系。
图1lA示出了在没有任何气泡的水中的电容测量，图1lB示出了装置内有空气时的测量。
具体实施方式
简短地说，本发明的实施例包括一种可以下放到钻井的装置，用于将气体从井眼或管道中流动的多相流体分离，确定包括至少一种成分的合成液体中各个成分的量，以及允许气体与液体再混合，在此之后可以在不影响流动流的情况下测量气体体积。采用声辐射力将气体与液体分离，从而可以对至少一种成分进行测量；由超声谐振确定液体(油/水)组成；并且由电容测量确定气体体积。下文阐述的等式对于两个不混溶的液体和溶液是有效的。
用于确定多相流体的特性的装置的实施例包括:第一中空压电圆筒，用于从液体分离气体；以及第二中空压电圆筒，位于其下游，用于在存在于流体中的大部分气体被去除之后确定和监测流体的组成。可以利用一对第二压电圆筒下游的同心中空金属圆筒，由电容测量来确定与液体重组之后的气体体积。用于测量多相流体温度的温度传感器可针对温度变化来校正测量。
在使用中，本发明的装置确定包括液体和气体的多相流体的特性，其中液体具有至少一种成分，包括将流体引导到声相分离器，其中使用声辐射力使气体从液体分离，并确定至少一种成分的组成。第一成分可以是油，第二成分可以是水、和可以是烃的气体。确定第一和第二成分的组成的步骤可以包括在没有气体的情况下测量液体的第一和第二成分的声速和声衰减，以及测量液体的温度以针对随温度变化校正液体的声速。测量气体体积的步骤可以包括再混合气体和液体，并使用同心电容元件来测量电容。还可以测量液体的流率。
尽管Faulkner等人在美国专利号4，339，247中描述了释放以气泡形式溶解在液体中的气体的声学过程，但是在类似于气穴现象(cavitation)的工艺中采用了精馏扩散。相反，本发明是将已经以多相混合物的形式存在于流体中的气泡引导远离本发明的组成分析元件。
如果流体被放置在谐振腔内且产生驻波图案，则主流体(host fluid)内的一种流体的体积在不同力下的密度和压缩性是不同的。该力可以表示为:
权利要求
1.一种用于确定多相流体的特性的方法，所述多相流体包括气体以及具有至少一种成分的液体，所述方法包括: 在具有轴线的第一中空压电圆筒中产生径向声辐射力，使得所述气体被引导远离所述第一中空压电圆筒的所述轴线并且与所述液体分离，其中使所述多相流体通过所述第一中空压电圆筒流动；以及 测量所述至少一种成分的声速和声衰减，所述气体已与所述至少一种成分分离； 由此，确定了所述至少一种成分的组成。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，测量所述至少一种成分的声速和声衰减的所述步骤还包括以下步骤: 使所述第一成分和所述第二成分流入到第二中空压电圆筒内，所述第二中空压电圆筒与所述第一中空压电圆筒共轴地设置； 在所述至少一种成分中产生声驻波；以及 测量所述声驻波的频率和幅度。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤:确定所述流体的温度。
4.根据权利要求3所述的方法，还包括以下步骤:针对温度校正所测量的声速。
5.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤: 再混合所述液体和所述气体；以及 测量所得到的多相流体的电容； 由此,确定所述多相流体中的气体体积。
6.根据权利要求5所述的方法，还包括以下步骤:使所述多相流体流过圆筒状内部电极与同心的圆筒状外部电极之间的环形区域。
7.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤:在所述气体被引导远离所述第一中空压电圆筒的所述轴线并与所述液体分离之前，测量所述多相流体的电容，由此确定所述多相流体中的气体体积 。
8.根据权利要求7所述的方法，还包括以下步骤:使所述多相流体流过圆筒状内部电极与同心的圆筒状外部电极之间的环形区域。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，具有至少一种成分的所述液体包括油和水，并且所述气体包括至少一种烃。
10.根据权利要求2所述的方法，还包括以下步骤:使用所述声驻波的所测量的频率中的移位，测量所述液体的流率。
11.一种用于确定多相流体的特性的装置，所述多相流体包括具有至少一种成分的液体和气体，所述装置包括: 第一中空压电圆筒，具有第一轴线、内壁和外壁，其中所述内壁包括第一电极，所述外壁包括第二电极； 第一信号发生器，用于向所述第一电极或所述第二电极之一提供第一选择电信号，所述第一电极和所述第二电极中的另一个接地，由此所述气体从流过所述第一中空压电圆筒的所述多相流体分离； 第二中空压电圆筒，具有与所述第一中空压电圆筒的轴线共线的第二轴线，其中，所述第二圆筒的内壁包括接地的第三电极，所述第二圆筒的外壁包括至少两个在直径上相对的第四电极；以及 第二信号发生器，用于向所述至少两个第四电极之一提供第二选择电信号，其中，在所述至少一个成分中产生谐振声振动；以及 增益-相位测量电路，用于将来自所述第一信号发生器的信号与所述至少两个第四电极中的另一个所接收的信号进行比较，其中，确定了所产生的信号与所接收信号之间的相位差以及所接收的信号的幅度； 由此，确定了所述至少一种成分中的声速和所述至少一种成分中的声衰减，从而通过声干涉确定所述至少一种成分的组成，其中所述气体已经与所述至少一种成分分离。
12.根据权利要求11所述的装置，还包括: 第一中空金属圆筒，具有与所述第二轴共线的第三轴线； 第二金属圆筒，位于所述第一中空金属圆筒内，具有与所述第一金属圆筒同心的第四轴线，所述多相流体流过由所述第一金属圆筒和所述第二金属圆筒形成的环形区域；以及电容测量装置，用于 测量所述多相流体的电容； 由此,确定了所述多相流体中的气体体积。
13.根据权利要求11所述的装置，还包括:温度传感器，用于测量所述多相流体的温度。
14.根据权利要求11所述的装置，其中，具有至少一种成分的所述液体包括油和水，并且所述气体包括至少一种烃。
全文摘要
描述了一种装置(10)和方法，用于井下气体(18)与井眼或管道中流动的多相流体(16)分离、用于确定液体的各成分的量和液体的流率、以及用于之后可测量气体体积的再混合流体的各个成分部分而不影响流体流。采用声辐射力来使气体与液体分离，从而可以对这两种成分分别进行测量；液体(油/水)组成由超声谐振器(32)确定；并且气体体积由电容测量装置(44)确定。由于流体在该装置的部件部分周围流动并流过该装置的部件部分，所以几乎不存在压力差，不需要高压力差所需的保护。
文档编号G01N29/036GK103168231SQ201180048070
公开日2013年6月19日 申请日期2011年9月6日 优先权日2010年9月3日
发明者D·N·森哈 申请人:洛斯阿拉莫斯国家安全股份有限公司