和由此得到的泡状 物集中的方式的示意图，留下用于通过无泡状物的液体的声传输测量的路径。
【具体实施方式】
[0037] 多相计量器（MPM)是在石油和天然气工业用于测量在石油生产过程期间产生的 油、水和气的混合物的单相组分的设备。这些计量器的主要用途是井测试、井管理和生产分 配。这些计量器无需测试分离器、测试线路相关阀门安装和相关仪器控制、安全系统和计 量、以及维护/测试，尤其是对于离岸/海底的管道与装置。MPM产生实时、连续的井数据， 其可以提供详细的井信息-如水突破等，以使得优化井性能。当前还没有足够准确且廉价 的商业上可用的MPM，以使得将它们可用于单个井的连续测试中。
[0038] 进行这种测量的困难在于在组分测量期间混合物中存在气体。还期望确定气体的 体积；因此，将气体从流动流中分离是不合算的。用于两相测量的商业上可用的计量器不能 允许存在任何气体，或者如果气体体积分数超过几个百分点就产生不稳定的结果。本装置 和方法允许在流动的多相液体体积中测量气体的量，而不必从流动流中分离多相液体或气 体。
[0039] 本发明的实施例以三个频率范围引导超声传输通过流动的多相流体：低频、气泡 谐振频率和高频，其中，在三个分离的频率区的一个或多个中进行某些声传播测量，包括声 速、声衰减和声散射，由此提取多相组分。大多数基于超声的仪器以固定频率工作，这将其 工作局限于流体中存在的有限气体体积或泡状物大小分布。另外，如上所述的，由于气泡存 在的结果，大多数仪器不能以高声衰减来工作。
[0040] 低频区使用小于或等于25kHz的频率，其低于石油-天然气工业中泡状物流体的 泡状物谐振。在如此的低频下，声的波长比最大泡状物大小大得多，并且对于这些大波长， 混合物起到介质的作用，有效声速为流体的声速和气体的声速的组合。不检测细微的细节， 例如泡状物大小。可以使用正确频率范围中的正弦波突发、频率啁嗽或白噪声突发来进行 低频测量。流体的声速和密度的平均值都是必要的，对于测量无需对流体进行校准。校准 仅在气体的量极低时才是需要的。对于高于10%的气体体积分数（GVF)，引入的误差小于 5%。但校准可以用于改进精度。
[0041] 第二个范围是泡状物谐振频率区。不同的泡状物大小具有不同的谐振频率。这可 以使用频率啁嗽技术来测量，以使得可以在单次测量中检测整个泡状物分布（大小和量）。 测量发射信号和散射信号。散射信号包括对应于泡状物谐振的峰值，而发射信号包括相应 的振幅下降（对于散射信号中的增大）。如果存在过多泡状物或气体，衰减就会过高以致于 无法传送声音；在此情况下，散射信号提供了测量。于是两个数据集的组合提供了更准确的 测量。这些测量可以以每秒100次的高速进行，每一个测量都提供了在任意给定时刻的泡 状物体积的瞬象（snapshot)。如果随时间对测量积分，就可以获得一列泡状物流体中的气 体体积分数。
[0042] 通过组合低频和泡状物谐振频率测量，可以提取可靠的GVF的测量。例如，在段塞 流情形下，在此大量气体以突发方式突然流过的情况下，泡状物谐振测量不能提供准确的 测量，使用低频测量。
[0043] 第三个频率范围是高频范围，在该高频范围中可以确定液体-液体（油-水）组 分。低频测量同样需要这个组分来将声速转换为体积分数数据。在管道略微呈卵形的单独 部分（扁圆的，1-3%偏心率）中，换能器用于在管道或其它容器内部产生足够的声辐射力 来移动泡状物，以便在跨管道的发射器换能器与接收器换能器之间提供无泡状物的路径。 使用不同的偏心率量获得力集中的不同量。选择数值，其提供如所示的通过液体的畅通路 径。需要校准来获得准确的油-水组分。
[0044] 还需要GVF来校正测量中的滑移（slip)。例如，不管液体是否流动，泡状物都会流 动；即气体会滑移通过液体。许多流体测量设备需要滑移率来校正实际液体流。滑移率或 速率随GCF而改变。高于约50%GVF，滑移率会变得极大，因为主导介质是气体。存在理论 模型，其与系统中GVF和滑移速率有关。
[0045] 图la是于此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，示出了上述的三个频率范围，而图lb是作为频率的函数的图la中 所述的含泡状物液体的声衰减的曲线图。可以观察到，在泡状物谐振区中，声速和声衰减都 以数量级方式增大。高频区特性基本上随频率是平坦的。在低频，在此声波长明显大于液 体中任何泡状物的大小（大于或等于泡状物大小的约5倍），可以将介质视为具有某些有效 属性（例如，密度、弹性等）的均匀介质，因为失去（抹除）了流体的由于泡状物的存在而 引起的不均匀性中的细微细节。在此弹性意味着泡状物介质的可压缩性。在全文中泡状物 大小指代泡状物的最大线性大小或宽度。
[0046] 通过使用平均弹性和密度可以计算液体-空气（例如，水-气）混合物的声速。以 PWEW和PaEa分别表示成分水和空气的密度和弹性，如下标w和a所示的。以Φ为第一成 分体积比，以及（1-Φ)为第二成分体积比。于是平均密度为
[0047] P=φρκ+(1-φ)pa (1)
[0048] 类似地给出平均弹性：
[0049]
[0050]
[0051]
[0052]如由等式（3)可见的，[例如参见PrestonS.Wislon的 "Low-frequency dispersioninbubblyliquids'，，AcousticsResearchLettersOnline, [D0I:10. 1121 /1. 1903024]，June2005]，声速由气体和液体的体积分数、密度和弹性属性确定，但不涉及 泡状物大小。如果图la中的曲线延伸到零频率，这就是在零频率下的声速值。然而，实际 上，可以见到，这个等式对于小于泡状物谐振频率区的任何频率都适用。等式1-3也称为伍 德等式（wood'sequation)。这些等式在声波长比主介质中的一个介质的任何小滴（或内 含物）的大小都大得多的限制下对于大多数两相成分有效。由于气体的高可压缩性和低密 度，声速在远离两个极限值（0和1)的体积分数时可以极低。将泡状物谐振频率区认为是 分离低频区与高频区的区域。
[0053] 低频区中声速的测量因而可以提供气体体积分数的直接测量，只要已知了组分中 的每一个组分的密度和弹性（或可压缩性）。这可以从文献中的数值或使用纯成分的校准 测量获得。这个校准需要根据操作温度范围上温度而进行，因为声速和密度都随温度改变。 如果针对每一个成分测量密度和声速，就可以易于根据两个测量的参数来确定弹性（可压 缩性）。应指出，如果液体也是混合物，例如油-水乳状液，那么以上的等式1-3可以用于确 定混合物的有效属性，因为水中的油或油中的水的小滴大小比用于进行声速测量的波长小 得多。以下将针对多相系统描述在低频区中声速的多个测量。
[0054] 泡状物的在热标度和拉普拉斯标度上都大的固有频率可以在M.Minnaert 的"Onmusicalair-bubblesandthesoundsofrunningwater[Philos. Mag.16,pp.235-248 (1933)]中得到。由仁=ω。/2π表示的其中
[0055]
[0056] 的这个固有频率称为"Minnaert频率"。在等式4中，γ是气体常数，以及R。是泡 状物的半径。谐振的泡状物在其中泡状物在泡状物流体中振荡的频率区中强烈散射声音并 引入大的声衰减。这妨碍了传统声传输测量，因为如果选择衰减频率，就几乎没有声音传送 通过这个泡状物流体。如可以从等式4观察到的，谐振频率取决于泡状物大小以及流体中 是否存在泡状物大小的分布，在最大泡状物集中出现的最大衰减的情况下，一系列频率将 不能传送通过这个流体。因此，某些频率范围中的单频声测量常常遇到问题。
[0057] 为了确定在包含上述的多个频率范围的宽频率范围上这个泡状物流体中的声传 播，需要更多复杂的分析。例如参见K.W.Commanderetal.的"Linearpressurewaves inbubblyliquids:Comparisonbetweentheoryandexperiments'，（J.Acoust.Soc. Am. 85, 732-746 (1989))，其中，提出了用于在泡状物液体声传播的模型，其以详尽方式考虑 了包括热耗散的多个因素。在这个模型中，主液体具有声速Cl，密度Pl，粘度μ，表面张 力〇,平衡压力Κ。泡状物由具有热扩散系数Dg和热容比γ的气体组成。对于每单位 体积具有η个泡状物的单分散性泡状物群，每一个都拥有平衡半径a，这产生混合物空隙率 复杂混合物声速(^由
[0058]
[0059] 给出，其中，ω是角频率，以及b是包括粘度、热和声耗散的阻尼项。传播通过泡 状物流体的声速和声衰减可以根据这个分析得到（参见用于声速和衰减的示例的图la和 lb)。如上所述，由泡状物散射的声音与声衰减有关。
[0060] 图2和图3示出了分别用于三个不同泡状物大小（50μm(曲线（a))、100μm(曲 线（b))和100μπι泡状物（曲线（c)))的泡状物流体中计算的声速和声衰减。在这些图 中，以对数分度显示两个轴。这是在油田中遇到的泡状物的典型范围。应提到，对于较小 泡状物大小，曲线移动到较高频率。在典型的混合物中，预期到具有主要平均值的