多相流測量的製作方法

2023-06-18 23:49:26 3

專利名稱：多相流測量的製作方法
技術領域：
本公開總體涉及對油氣井的多相流測量，但不以限制性的方式涉及高氣體體積流
量分數/滯留量和/或速度/流量測量。
背景技術：
大多數油氣井最終從地球地層開採油和氣，並且通常還開採水。因此，多相流在油 氣井中是普遍的。油氣生產井的地面監測往往趨向於在氣體體積分數(GVF)的寬範圍內計 量多相流。這種示例是所謂的溼氣井，在所述溼氣井中，GVF通常大於95%，而液體流量通 常不超過每天幾百桶。對於這種生產管，通常需要測量氣體流量和液體流量，以及液相的成 分，例如，水/液態烴比(WLR)。對於具有GVF<95%的井來說，已經/通常使用內嵌式多 相流量計。計量高GVF流的兩個現有方法是分離和混合。分離方法用於將流動分成在一個通 道/導管內的幾乎液體流和在分離通道/導管內的幾乎氣體流，然後使用單相流量計分別 計量分離流。混合方法通過將相混合成均勻混合物試圖最小化不同相之間的滑脫，使得可 以簡化速度和滯留量測量。現有方法能夠為計量具有高GVF的氣體流提供良好的精度，然而，液體速率計量 精度相對較差。這種方法的缺點還包括增加與分離裝置和混合裝置相關聯的成本和在管道 中額外的壓降和/或由於將分離裝置和/或混合裝置引入到管道內而在管道中對流動的中 斷。另外，在高GVF下，因為在這種條件下持液率非常低，因此混合方法可能不能用於精確 地測量滯留量和WLR。

發明內容
本發明的實施例用於測量在管內攜帶由油氣井中採出的烴和水的多相混合物的 流動特性。本發明的實施例可以用於組合用於測量管道中的氣相的流動特性的夾緊式超聲 波氣體流量計和用於測量液相的流動特性的脈衝都卜勒傳感器(一個或多個)和/或射頻 (RF)/微波電磁(EM)傳感器(一個或多個)。傳感器的組合可以用於在諸如當氣_液正在大致水平管道中流動時、當流動被分層或使所述被分層和/或類似條件的一定流動條件下 進行多相流測量。流動的分層可以由重力分離自然產生，或者以人工的方式通過使用管徑 擴張或收縮和/或類似方法使流動減速而產生。在一個實施例中，本公開提供了一種用於測量包括在層流管中流動的氣態-液態 烴和水的多相混合物的流動特性的方法。在一個步驟中，在管中測量氣相的流動特性。使 用脈衝超聲波都卜勒探頭在管中測量液相的流動特性。確定持氣率或持液率。使用持氣率 和氣相的流動特性計算管中的氣體流量。使用持液率和液相的流動特性計算管中的液體流量。在另一個實施例中，本公開提供了一種用於測量在層流管中流動的氣態-液態烴 和水的多相混合物的流動特性的系統。所述系統包括超聲波氣體流量計、脈衝超聲波多普 勒探頭和處理器。超聲波氣體流量計被構造成操作性地接合管，並且被構造成測量管中的 氣相的流動特性。脈衝超聲波都卜勒探頭被構造成與管操作性地接合，並且被構造成測量 管中的液相的流動特性。處理器被構造成確定持氣率或持液率，使用持氣率和氣相的流動 特性計算管內的氣體流量，以及使用持液率和液相的流動特性計算管內的液體流量。本公開的進一步應用領域從以下提供的詳細說明清楚可見。應該理解的是雖然示 出了各種實施例，但是詳細說明和具體示例僅僅是出於說明的目的，並且不旨在必然限制 本公開的保護範圍。


以下結合

本發明，其中圖1A-1E示出了多相流測量系統的實施例的方框圖；圖2A-2E示出了詳細說明多相流測量系統的部件的管結構的實施例的正視圖；圖3A-3E示出了管結構的實施例的橫截面俯視圖，其中所述橫截面位於大致平行 於氣-液界面的平面內；圖4A-4E示出了管結構的實施例的橫截面俯視圖，其中橫截面位於大致垂直於管 道內的流動的平面；圖5示出了在多相流的情況下與管道相接合的超聲波脈衝都卜勒探頭的實施例 的方框圖；圖6示出了具有射束聚焦能力的超聲波脈衝都卜勒探頭的實施例的方框圖；和圖7示出用於測量管道內的多相烴流的過程的實施例的流程圖。在附圖中，類似的部件和/或特徵可以具有相同的附圖標記。此外，相同類型的各 種部件可以通過在附圖標記之後具有虛線和在類似部件中進行區別的第二標記來區別。只 要在說明書中使用第一附圖標記，則不管第二附圖標記，說明適用於具有相同的第一附圖 標記的類似部件中的任一個。
具體實施例方式隨後的說明僅提供了優選的示例性實施例(一個或多個)，並且目的不是限制本 公開的保護範圍、適用性或結構。相反，優選的示例性實施例(一個或多個)的隨後說明將 為本領域的技術人員提供用於能夠實施優選的示例性實施例的說明。要理解的是在不背離如所附權利要求所述的精神和保護範圍的情況下可以對元件的功能和布置做各種改變。在一些方面中，傳播時間超聲換能器可以被定位成靠近管道的中心線或在所述中 心線上方或者被定位在管道上的與氣相可以在管道中流動以測量管道中的氣相的位置處。 超聲波脈衝都卜勒探頭(一個或多個)和/或電磁(EM)發射器和接收器可以繞管道的底 部部分設置或者設置在其中層流可以使液相在管道中流動的位置處。在本發明的一個方 面中，EM發射器和接收器基於RF/微波以確定水液比(WLR)和水的礦化度(如美國專利 No. 6，831，470中所述，該專利通過引用在此全文併入)。在本發明的一個實施例中，超聲波脈衝都卜勒探頭繞管道的圓周以都卜勒陣列布 置以測量氣-液流。另外，在一些實施例中，都卜勒陣列可以用於估計WLR測量值。其它實 施例使用EM發射裝置作為WLR儀。在相同氣體體積分數(GVF)值的情況下，水平流的液相與氣相之間的滑脫速度非 常不用於垂直流的液相與氣相之間的滑脫速度。通常，水平情況下的滑脫要大得多。這表示 即使在相同的GVF情況下，水平情況下的持液率通常比垂直情況下的持液率要大得多。因 此，水平流的流型圖非常不同於垂直流的流型圖。通常作為近似規則，如果液體表面速度小於0. lm/s,而氣體表面速度小於25m/s， 則水平流中的流型為層流。對於氣體表面速度超過25m/s的情況來說，流型可以為環形霧 狀流。然而，申請人已經發現即使在環形流中，大多數液體形成朝向管道孔徑的底部部分的 層狀層，而流動中餘下的液體在管壁上形成薄的並且緩慢移動的液體膜，或者作為液滴在 氣相中被攜帶。申請人:已經確定對於GVF > 0. 95並且液體流量< 3m3/hr來說持液率通常是含液 量的15倍。這表示如果液體流量是總流量的1%，則持液率是15%。因此，重力分離有助 於產生朝向水平管的下部的液體富集區和在所述水平管的下部的上方的氣體富集區。已知 這種流動中的相分布，本發明的實施例提供了可以對不同相域進行優化的各種速度和滯留 量測量值。例如，在一些方面中，可以繞水平管子孔徑的下部執行持液率測量，而可以在水 平管道的中間部分或繞所述水平管道的上部測量氣體速度。因此，本發明的實施例中的一 個提供了一種多相流量計，在一些方面中，所述多相流量計可以用於測量包括高氣體和低 液體的溼氣層流的水平氣_液層流。本發明的實施例提供了對來自油氣生產井的氣流、液流和油流的計量。對於溼氣 井來說，流動的GVF可以大於95%，而液體流量可以小於5m7hr。對於這種流動來說在水 平管道中的流型主要為層流或少量的環流，即，大多數液相形成朝向管道的底部的層流，而 氣體在液相上方移動。使用相的這種分離，本發明的一些實施例可以用於測量在分離液層 和氣體層中的相的流量。根據層狀氣_液流的分析，本發明的實施例提供了一種用於多相流計量的多傳感 器結構，在一些方面中，所述多傳感器結構可以對用於計量包括在高氣體和低液體條件下 的溼氣流的水平分層多相流進行優化。可以通過使用繞管子孔徑的適當高度安裝以確保對僅氣體/氣體富集區進行測 量的氣體流量計(例如，超聲波傳播時間氣體流量計)來測量氣體速度。沿著垂直於流動 方向的方向的另外管間超聲波傳輸測量值可以提供氣相內的液滴滯留量的信息。這種信息 可以用於提高氣體和液體流量測量的精度。可以通過繞管的圓周安裝的超聲波都卜勒傳感器的陣列來測量液體流動速度和持液率。可以通過至少一對EM發射器和接收器測量液相 中的WLR，所述EM發射器和接收器的傳輸路徑主要被朝向管底部的液體富集區覆蓋。流量 計可以一段繞直管道安裝，並且可以使用非侵入式傳感器，因此對流動沒有幹擾。在本發明的一個實施例中，超聲波夾緊式傳播時間氣體流量計和距離選通超聲波 都卜勒探頭可以用於測量水平或近似水平生產管道中的層狀氣-液流的氣體流量和液體 流量。為了測量氣體流量，可以安裝一對傳播時間超聲波氣流換能器以在管的兩端水平側 向提供超聲波束(一個或多個)。超聲波都卜勒探頭可以在下側安裝在管處以測量主要液 層的流量和厚度(因此測量體積分數或滯留量)。可以由其中距離選通都卜勒能量處於最 大值時的時滯測量值估計液層厚度。然後，在不需要侵入到管道內的生產流內的情況下，可 以由上述氣_液速度和液體分數測量值確定氣體流量和液體流量，在一些方面中，傳播時間(氣體)和都卜勒(液體)流量和滯留量測量值還可以 用於推導普遍的流型信息(從流型圖)，因此有助於使用更多流型具體相關的氣-液速度滑 脫，用於可選地確定氣_液流量。首先參照圖1A，示出了多相流測量系統100-1的實施例的方框圖。多相流測量系 統100測量層狀氣-液流。與本說明書中的其它地方一起，此實施例至少在圖1A、2A、3A和 4A中進行了各種說明。此實施例包括超聲波氣體流量計118、超聲波脈衝都卜勒探頭120、 處理器110、和接口埠 114。此實施例被構造成在其中GVF在75%或80%以下和/或流量 與低產井相對應使得相在水平管道中分層的情況下(例如，在3英寸管道中大約2000-5000 桶/天以下)運行。超聲波氣體流量計118測量氣相的速度。至少兩個傳播時間超聲換能器116相互 之間發射超聲波信號，並且可以測量上遊流動傳播時間和下遊流動傳播時間。氣相的流動 速度影響傳播時間，使得傳播時間的測量值可以用於推導氣體流動速度。傳播時間超聲換 能器116可以被構造成夾緊到管道上，或者可以嵌入到管壁的孔口中。一對傳播時間超聲 換能器116繞水平生產流動管道的周邊夾緊以在管徑兩端水平側向使超聲波束(一個或多 個)對齊。即，傳播時間超聲換能器116沿管道位於不同的點處，使得所述傳播時間超聲換 能器與氣相的流動方向成一角度。傳播時間超聲換能器116中的每一個都可以發射和接收 信號。傳播時間試驗可以包括一個傳播時間超聲換能器116-1發射第一信號，在沿相反的 方向發射第二信號之前，所述第一信號被另一個傳播時間超聲換能器接收。超聲波脈衝都卜勒探頭120在此實施例中是距離選通式。都卜勒探頭120可以在 1MHz下運行，以例如測量主要液層的流動速度。此實施例將超聲波脈衝都卜勒探頭120在 下側夾在管上，以測量在管底部處流動的主要液層的流動速度。另外，還可以由超聲波脈衝 都卜勒探頭120確定液-氣界面的液位或高度。管的內橫截面面積可以由超聲波管壁厚度 計來測量，或者利用來自超聲波脈衝都卜勒探頭120的讀數來估計。內橫截面面積與流動 速度和滯留量測量值一起使用以確定每單位時間通過管道的液體、烴、和/或氣體的體積。處理器110構造有從收集的信息自動確定一些參數的狀態機和/或軟體。另外，通 過處理器110驅動和讀取各種探頭和換能器。可以通過處理器110確定氣體、液體和烴流動 速度和體積分數/滯留量。多相流測量系統100的任何輸入或輸出通過接口埠 114。一 些實施例可以包括顯示結果和測量值的顯示器，但是此實施例僅僅將信息從接口埠 114 傳播到數據記錄裝置。
參照圖1B，示出了多相流測量系統100-2的另一個實施例的方框圖。與在本說明 書的其它位置一起，此實施例至少在圖1B、2B、3B中進行了各種說明。此實施例使用被布置 成都卜勒陣列122的多個超聲波脈衝都卜勒探頭120以允許比當使用單個探頭120時更加 準確的讀數。在本發明的一些方面中，探頭120在都卜勒陣列122中的空間分布可以使得 繞水平管的下部密集，以更好地提供液_氣界面檢測解析度。當在鄰近於都卜勒探頭120的管內只有氣體或液體潤溼膜時，反射明顯不同於多 普勒探頭120鄰近於液相的情況。當都卜勒探頭120鄰近於液相時，反射的都卜勒能級更 高。在此實施例中，通過注意都卜勒探頭120中的一個似乎更鄰近於潤溼膜而不是鄰近於 液相，可以進一步估計液-氣界面。接下來參照圖1C，示出了多相流測量系統100-3的另一個實施例的方框圖。與在 本說明書中的其它地方一起，至少在圖1C、2C、3C和4C中以各種方式說明了本實施例。與 圖IB的實施例不同，本實施例還包括使用超聲波氣體溼度換能器106測量氣相的溼度的氣 體溫度儀108，所述超聲波氣體溼度換能器被定位成靠近管道的頂部部分與管道相對以鄰 近氣相。超聲波氣體溼度換能器可以與在管道中期望的氣體進行阻抗匹配。根據本發明的一個實施例，氣體溼度儀108測量溼氣流，以在氣體流量確定期間 對氣霧進行校正。如上所述，可以通過使用超聲波氣體流量計118的超聲波傳播時間方法 測量氣體速度。對於圖1C、2C、3C中所示的結構來說，傳播時間通過以下方程與流動速度相 關(tBA-tAB) / (tBAtAB) = 2XV/L2(1)其中、是從點A到B(下遊)的超聲波傳播時間，tBA是上遊傳播時間，X是換能 器沿著流動方向的分離，L是超聲波傳播路徑的長度，而V是流動速度。要注意的是在公式 (1)中，兩個傳播時間測量值合併使得音速對V的測量值沒有影響。在本發明的另一個方面中，對傳播時間UabJba)的計算可以用於確定混合物音速 c(注意 c>>V)。c 2L/(t^+tBA)(IB)此測量的c可以與上遊/下遊傳輸衰減的測量值結合以推導氣相溼度。對於水平管道結構來說，可以自動確認超聲波路徑完全通過氣相。例如，對於溼氣 應用來說，持液率通常充分地在50%以下，超聲波路徑可以位於與管道的中心相交的水平 面內。這裡，氣體流量由公式(2)給出q氣體=V(l-a 液體)A(2)其中α 是管內的持液率，而A是管橫截面面積。當測量液體連續區(例如，靠近管子孔徑的底部的層狀層和管壁上的膜)內的持 液率時，可以具有一些帶到在25m/s下的氣相內的小液滴。如果未校正，液滴濃度 的影響可能會產生另外的測量誤差。可以通過垂直於流動方向傳播的超聲波能測量液滴濃 度。這種能量的傳播時間和衰減可以用於估計液體霧的滯留量。音速與液滴濃度之間的關 系可以由以下公式(3)得出c = 1/ V (P β)(3)其中P是流體混合物的密度，β是壓縮係數，而c是混合物中的音速。液滴濃度的增加導致P增加，但是β沒有顯著變化。整體影響在於當液滴濃度增加時音速減小。假設濃度較低(通常小於管橫截面的5%)，並且與液滴尺寸相比將超聲 波波長選擇得較長，則超聲波能的衰減是液滴濃度的線性函數。參照圖1D，示出了多相流測量系統100-4的另一個實施例的方框圖。與在本說明 書中的其它位置一起，至少在圖1D、2D、3D和4D中以各種方式說明了本實施例。本實施例 包括用於測量氣體速度的超聲波氣體流量計118、用於測量持液率和液相的速度的都卜勒 陣列122和WLR儀130。此實施例的WLR儀130使用將信號發射給多個電磁(EM)微波接收 器128的EM微波發射器128。EM微波發射器128通常位於管道的底部，而EM微波接收器 124在儘可能鄰近於流體層的位置處繞管道的圓周放置。WLR和水電導率/礦化度影響發 射的EM微波相移和/或振幅衰減測量值，使得可以確定WLR和水的含鹽量。其它實施例可以使用與單個EM微波接收器124 —起工作的EM微波發射器128。 EM發射器128可以連續或以不同頻率同時發射以在此實施例中實現多樣性。現有實施例使用一個或多個超聲波脈衝都卜勒探頭120估計WLR。雖然根據雙能 量伽瑪射線測量值的核方法可以用於替換其它實施例的超聲波和微波EM滯留量測量值， 但是本實施例使用微波EM裝置124、128以確定WLR。然而，其它實施例可以使用微波EM、 伽瑪射線和/或超聲波的任意組合來確定WLR。接下來參照圖1E，示出了多相流測量系統100-5的實施例的方框圖。與在本說明 書的其它地方一起，至少在圖1E、2E、3E和4E中以各種方式說明了本實施例。此實施例在氣 相附近使用超聲波膜測量探頭或換 能器以測量管道內部上的液體或其它膜。這樣，都卜勒 陣列122使其超聲波探頭120繞水平管道的下部更加緊緊地間隔開，以提供更好地液_氣 界面檢測解析度，而膜測量探頭132繞上部分散開，用於進行膜厚度測量。參照圖2A，示出了詳細顯示多相流測量系統100-1的部件的管結構200_1的實施 例的正視圖。管道204由布置成圓柱形形狀的塑料襯管208製成。被液-氣界面230分離 的液相240和氣相250位於管道內。為了顯示管道204的隱藏後側的部件，虛線用於表示 這些部件。例如，第一發射時間超聲換能器116-1在管道的後側，而第二發射時間超聲換能 器116-2在前側。發射時間超聲換能器116沿管道204的長度放置在不同的位置處，使得信號朝向 管道204內的流動的軸線傾斜。此實施例使用位於管道204底部處的單個超聲波脈衝多普 勒探頭120。以下參照圖2B，示出了詳細顯示多相流測量系統100-2的部件的管結構200_2的 另一個實施例的正視圖。此實施例具有沿圓周方向布置在管道204的前側的多個超聲波脈 衝都卜勒探頭120。另外的超聲波脈衝都卜勒探頭120允許更加準確的讀數。此外，當具有 繞管道204的圓周布置的都卜勒陣列122時，可以以大致更好的精度來確定液-氣界面的尚度。參照圖2C，示出了詳細顯示多相流測量系統100-3的部件的管結構200-3的又一 個實施例的正視圖。此實施例類似於圖2B的實施例，但是還包括氣體溼度儀108。兩個超 聲波氣體溼度換能器106在儘可能與氣體層250接觸的位置處布置在管道204的頂部範圍 內以形成氣體溼度儀108。兩個溼度換能器106沿著同一的圓周大致彼此直接相對。以下參照圖2D，示出了詳細顯示多相流測量系統100-4的部件的管結構200_4的 另一個實施例的正視圖。此實施例在WLR(和水的含鹽量)儀130中使用RF/微波EM信號。在管道204的下半部分周圍，布置有EM接收器124，所述EM接收器從位於管道底部處的EM 發射器128接收RF/微波信號。各種EM元件124、128基本上沿著管道204的同一圓周定 位。
參照圖2E，示出了詳細顯示多相流測量系統100-5的部件的管結構200_5的實施 例的正視圖。除了超聲波氣體流量計118之外，此實施例具有都卜勒陣列122和超聲波膜 量測換能器132。僅以示例的方式，都卜勒陣列122可以包括七個超聲波脈衝都卜勒探頭 120，如圖2E中所示，所述七個超聲波脈衝都卜勒探頭沿著管道204的下半部分的圓周分 布。在其它實施例中，可以使用其它數量的都卜勒探頭。超聲波膜測量換能器132沿著管 道的上半部分的圓周稀疏地分布。其它實施例可以將探頭120和換能器132以稍微隨機的 方式分布在所述管道相應的範圍內，而不是必需要沿著彼此相同的圓周分布。以下參照圖3A，示出了管結構200-1的實施例的橫截面俯視圖，其中所述橫截面 位於在管道204的大約中間部分或上半部分的大致平行於氣_液界面230的平面內。在此 實施例中，傳播時間超聲換能器116相互指向並且嵌入到塑料襯管208內，但是在其它實施 例中可以被夾住。多相流測量系統100-1的其它元件在此橫截面中沒有出現，並且不做說 明。參照圖3B，示出了管結構200-2的另一個實施例的橫截面俯視圖，其中所述橫截 面位於大致平行於氣_液界面230的平面內。除了顯示傳播時間超聲換能器116之外，此 實施例顯示了超聲波脈衝都卜勒探頭120中作為都卜勒陣列122的一部分的一個超聲波脈 衝都卜勒探頭。接下來參照圖3C，示出了管結構200-3的又一個實施例的橫截面俯視圖，其中所 述橫截面位於大致平行於氣_液界面的平面內。除了圖3B中所示的部件之外，此實施例顯 示了布置在塑料襯管208內的超聲波氣體溼度換能器106，但是其它實施例可以使用夾緊 式結構。參照圖3D，示出了管結構200-4的另一個實施例的橫截面俯視圖，其中所述橫截 面位於大致平行於氣_液界面230的平面內。圖3D和4D顯示WLR儀103及其EM接收/ 發射元件124、128的布置。在圖3D的橫截面中僅示出了單個EM接收器124，但是要理解的 是具有多個EM接收器124，所述多個EM接收器被布置成使得所述EM接收器儘可能地鄰近 於液相240。在此實施例中，EM發射器128和多個EM接收器124用於根據本發明的一個實施 例使用RF/微波方法測量層狀液層中的持水率和水的含鹽量。如圖3D和圖4D中所示，EM 發射器128安裝在管(通過適當的介電的材窗)的下側處，從而發射例如在幾百MHz到幾 GHz範圍內的頻率。多個EM接收器124繞管圓周(也通過適當的介電材料窗口)安裝在 與EM發射器128傾斜例如30度、60度和90度的傾斜位置處。根據EM接收器124相對於 氣_液界面230的位置選擇適當的EM接收器124。通常，其位置在氣-液界面230上方的 EM接收器124和被液體覆蓋的感測路徑具有最大百分比的EM接收器(例如，圖4D中的第 四EM接收器124-4)可以提供最靈敏的測量。通過由超聲波都卜勒陣列122測量值產生的 氣_液界面測量信息可以有助於選擇適當的EM接收器124-4。RF/微波測量對被水覆蓋的傳輸路徑的百分比是靈敏的。所述RF/微波測量對油 氣之間的差不是很靈敏。因此，對於固定水電導率(礦化度)來說，RF/微波衰減或類似物與持水率成比例。由RF/微波測量的持水率可以與通過使用超聲波脈衝都卜勒探頭(一個或多個)120的方法測量的總持液率結合，以推導WLR。在油與水之間具有滑脫的情況下 (如在分層情況下)，由滑脫模型估計或通過使用超聲波脈衝都卜勒探頭(一個或多個)120 直接測量的滑脫值可以用於確定WLR。RF/微波測量還可給出多相流條件下的水電導率的 在線確定，因此給出普通水相的水的含鹽量，如美國專利No6，831，470中所述，該專利通過 引用在此全文併入。氣體的流量由上述公式(2)給出，其中氣體速度V通過超聲波傳播時間方法測量， 而滯留量通過各種超聲波(都卜勒和/或管間傳輸)方法測量。雖然對於幹氣體速度測量 來說精度較高(即，對用商業儀來說在百分之幾的範圍內)，但是在多相情況下，尤其在氣 體與液滴之間存在顯著滑脫時，精度可能降低。如果持氣率測量誤差限制在士％ (對於持 氣率大於70%來說可以實現這種相對精度，如在典型的溼氣流中)，則可以實現士 10%的 氣體流量誤差。液體流量由都通過諸如英國專利GB2363455B中所述的超聲波都卜勒方法測量的 速度和滯留量的綜合來確定。可達到的速度測量精度可以為士 10%。另一方面，尤其在低 持液率處可能難以最小化相對滯留量測量誤差。因此，當液體流量減小而GVF增加時，期望 增加液體速率誤差。用於在線內嵌式應用先進的信號處理的換能器設計可以減小誤差水 平。對WLR誤差的貢獻可以來自於持水率測量誤差、持液率測量誤差以及持水率與 WLR由於水相與油相之間的滑脫而產生的差。如果油在分層分布中與水分離，則很有可能發 生速度的滑脫。在這種情況下，忽略這種滑脫將導致對WLR的不準確估計，因此對油和水流 量的不準確估計。具有多個探頭120的都卜勒陣列122(例如，圖2B中所示)可以用於測 量分層分布中分離油的速度和分離水的速度，並因此測量滑脫。當這種滑脫很有可能發生 時，處理器110可以進行自動識別，並且改變模型以更加精確地估計WLR。以下參照圖3E，示出了管結構200-5的實施例的橫截面俯視圖，其中所述橫截面 位於大致平行於氣-液界面230的平面內。此實施例具有從管道的前側延伸到後側的多普 勒陣列122。另外，具有超聲波膜測量換能器132，其中示出了多個中的一個用於測量氣相 250中的液體膜245。參照圖4A，示出了管道結構200-1的實施例的橫截面俯視圖，其中所述橫截面位 於大致垂直於管道204內的流的平面內。在此視圖中僅示出了多相流測量系統100-1中的 一些。具體地，超聲波脈衝都卜勒探頭120被顯示為位於管道204的底部以測量液相240 的流動和氣_液界面230的高度。接下來參照圖4B，示出了管道結構200-2的另一實施例的橫截面俯視圖，其中 所述橫截面位於大致垂直於管道204內的流動的平面內。此視圖顯示了多相流測量系統 100-2的都卜勒陣列122。在此實施例中使用五個超聲波脈衝都卜勒探頭120。第五個超聲 波脈衝都卜勒探頭120-5位於氣-液界面230上方，而第四個超聲波脈衝都卜勒探頭120-4 位於下方。通過分析來自這些探頭120-5、120-4的讀數，處理器可以決定氣-液界面230 在兩者之間。此外，在氣_液界面230下方的其它探頭可以使用來自脈衝的反射來估計高 度。參照圖4C，示出了管道結構200-3的另一個實施例的橫截面俯視圖，其中所述橫截面位於大致垂直於管道204內的流動的平面內。在此視圖中示出了多相流測量系統 100-3的多個部分。具體地，示出了都卜勒陣列122和氣體溼度儀108。利用虛線示出了超 聲波信號在超聲波氣體溼度換能器106之間的來回通過。 接下來參照圖4D，示出了管結構200-4的又一個實施例的橫截面俯視圖，其中所 述橫截面位於大致垂直於管道204內的流動的平面。在此視圖中示出了多相流測量系統 100-4的多個部分。四個EM接收器124被示出為以不同的角度繞管道204的下半部分的圓 周分布。EM發射器128位於管道204的底部處。參照圖4E，示出了管結構200-5的實施例的橫截面俯視圖，其中所述橫截面位於 大致垂直於道204內的流動的平面。此視圖顯示了多相流測量系統100-5的都卜勒陣列 122以及超聲波膜測量換能器132。在此實施例的都卜勒陣列122中具有九個超聲波脈衝 都卜勒探頭120，但是其它實施例可以具有在六個與十個之間的任意數量。三個超聲波膜 測量換能器132每一個都對膜進行讀取。通過已知氣_液界面230的位置和流體動力學模 型，可以通過處理器110估計膜中的液體量。三個高頻率(因此高空間和速度分解)都卜勒換能器132可以安裝在管204的上 部以測量環形流中的液體膜的速度和厚度。這種信息則可以與管204的下部附近的液層 240的測量值結合，並且與由氣體速度流量計118和氣體溼度儀108得出的攜帶液滴的流量 結合，以生成整個液體流動速度。可以使用比用於膜厚度測量的頻率低的頻率進行分層液層240周圍的測量。通 常，空間解析度與頻率f成比例，而衰減與頻率f2成比例。此外，對於脈衝都卜勒系統來說， 最大速度測量範圍與f成反比。僅以示例的方式，對於在管的底部附近相對快速移動的液 層來說，基於管尺寸可以在一些實施例中使用1-3MHZ的頻率，而對於在管壁上緩慢移動的 膜來說，可以使用4-8MHz的頻率。5MHz頻率在水中具有0. 3mm厚度解析度。接下來參照圖5，示出了通過多相流與管204接合的超聲波脈衝都卜勒探頭120 的實施例的方框圖。塑料部件515用於增加超聲波脈衝都卜勒探頭120的精度。塑料部件 515吸收來自換能器晶體504的能量，並且與塑料襯管208進行阻抗匹配。塑料部件515的 作用是衰減在塑料襯管壁208傳播的能量，並因此在流動中產生更加可預測的波束圖。其 它實施例可以使用除了用於部件515的材料之外的材料。根據本發明的一個實施例，美國專利No6，758，100說明另外用於根據移頻和多普 勒反射能級確定液體速度和滯留量以便測量層狀氣_液流的都卜勒測量原理和信號處理 方法的細節，該專利的內容通過引用在此全文併入。如圖4E中所提供的，可以通過距離選 通超聲波都卜勒換能器120的都卜勒陣列122進行液體速度和滯留量測量，所述距離選通 超聲波都卜勒換能器120可以繞管外側安裝，使得所述距離選通超聲波都卜勒換能器對於 流動來說是非侵入式的。在這種結構中，管圓周可以被都卜勒陣列122掃描。因為換能器 僅從被液相240覆蓋的區域接收強都卜勒回波，因此可以由繞圓周的都卜勒能量分布來確 定持液率。可以由都卜勒頻移測量液相240的速度。 參照圖6，示出了具有射束聚焦能力的超聲波脈衝都卜勒探頭的實施例的方框圖。 在夾緊情況下，鋼管壁加寬超聲波束，並因此使掃描的空間解析度降低。因此，在本發明的 一些方面中，如果可能，鋼管可以在管的一部分中被塑料襯管208代替，這允許使用聚焦機 構以提高解析度。如圖6中所示，可以通過第一材料604實現聚焦延遲線，與塑料襯管的音速相比，所述第一材料具有更高的音速。第二材料608具有與管相同的音速。在這樣一個 實施例中，襯管208中的折射波束將具有較小的發散角。通過修改形狀和材料，此實施例中 可以發生各種聚焦。其它實施例可以使用多元件換能器陣列和相位電激勵以實現聚焦。接下來參照圖7，示出了用於測量管204內的烴的多相流的過程700的實施例的 流程圖。過程的說明部分在方框704中開始，在方框704中，液相240和氣相250分層。管 204的水平截面可以用於使多相混合物流分層。在一些方面中，可以確定水平截面的長度以 提供層流，並且在其它方面中，諸如具有內徑大於管的擴大段或類似部分的系統可以用於 減小多相混合物的流量，並且用於在管204的水平截面中產生層流。在一些方面中，流動多 相混合物可以被超聲波傳感器、微波傳感器、光學傳感器、和/或類似裝置詢問，以確定多 相混合物是否在層流狀態下流動。例如，都卜勒詢問可以用於確定在管中是否存在液-氣 界面和/或確定液_氣界面存在於管道內的什麼位置。在方框704中，超聲波氣體流量計118可以測量氣相250的速度。當在現場操作時，傳播時間超聲換能器116中的一個或多個可以被浸沒在液體中或以其它方式被液體堵 塞。如果是這種情況，處理器110注意誤差條件並且可以採取修正動作，但是可能不能夠採 集氣相250的讀數。在方框708中，超聲波脈衝都卜勒探頭(一個或多個)120可以測量液 相240的流動速度。另外，在方框712中，超聲波脈衝都卜勒探頭(一個或多個)120可以 使用反射和/或記錄器測量氣_液界面230的高度，其中都卜勒陣列122中的探頭120看 起來沒有浸沒在液相中。使用EM發射器128和接收器124，方框716允許確定通過在前面方框中執行的測 量值被確認的分層液相的WLR。在方框720中使用超聲波膜測量換能器132任選地測量氣相250中的液體膜245。 在方框724中測量氣體溼度，以確定氣體流動測量值是否儘可能精確或者處理器110是否 可以使用其它算法來確定或估計氣體流。通過在前面的方框中採集的信息，可以通過處理 器110確定在方框728中確定的液相流量和/或液態烴流量。所述信息可以轉播給其它系 統和/或被顯示。在本發明的各個方面中，還可以通過超聲波傳播時間和距離選通都卜勒系統提供 以下信息-極低的都卜勒能量管間剖面圖值表示單相氣流或單相液體流(通常具有標記的 速度讀數；通常在油田水或油流中總是具有雜質/散射)。-在單相氣流的情況下，超聲波傳播時間氣體流量計118提供速度讀數。_對於液體百分數表示(例如，在載氣中的攜帶的液態霧/液滴百分數)來說，在 一些情況下也可以使用來自傳播時間氣體儀118的音速測量值。-可以使用脈衝都卜勒系統在所選擇的管深度(一個或多個)處的瞬時速度或能 量讀數以表示與流型信息(例如，段塞長度/頻率)有關的流動波動；和-兩個都卜勒探頭可以軸向分開地安裝在管下側和/或頂側以通過交叉關聯所述 兩個都卜勒探頭同時取樣的都卜勒流動速度或能量數據來推導例如段塞速度(對於段塞 流來說，所述段塞速度與氣體速度密切相關)。還可以使用公開的實施例的多個變化和修改。例如，對於給定多相流測量系統來 說，各種流量計、陣列、換能器、傳感器、發射器、和接收器可以以各種方式組合。另外，在各種實施例中傳感器、探頭和換能器的數量可以不同。 雖然以上已經結合具體設備和方法說明了本公開的原理，但是要清楚地理解僅僅是以示例的方式進行此說明，而不是限制本公開的保護範圍。
權利要求
一種用於測量包括在層流管中流動的氣態-液態烴和水的多相混合物的流動特性的方法，所述方法包括以下步驟測量所述管中的氣相的流動特性；使用脈衝超聲波都卜勒探頭測量所述管中的液相的流動特性；確定持氣率或持液率；使用所述持氣率和所述氣相的流動特性計算所述管中的氣體流量；以及使用所述持液率和所述液相的流動特性計算所述管中的液體流量。
2.根據權利要求1所述的用於測量包括在層流管中流動的氣態-液態烴和水的多相混 合物的流動特性的方法，還包括以下步驟確定所述液相的水與液體比(WLR)；以及使用所述液體流量和所述WLR計算所述管中的水流量和液態烴流量。
3.據權利要求1所述的用於測量包括在層流管中流動的氣態-液態烴和水的多相混合 物的流動特性的方法，其中，所述測量所述管中的氣相的流動特性的步驟使用包括多個傳 播時間超聲換能器的超聲波氣體流量計。
4.根據權利要求1所述的用於測量包括在層流管中流動的氣態-液態烴和水的多相混 合物的流動特性的方法，還包括以下步驟以超聲波的方式確定所述氣相的溼度。
5.根據權利要求1所述的用於測量包括在層流管中流動的氣態-液態烴和水的多相混 合物的流動特性的方法，還包括以下步驟自動確定所述多相混合物被分層。
6.根據權利要求1所述的用於測量包括在層流管中流動的氣態-液態烴和水的多相混 合物的流動特性的方法，其中，所述脈衝超聲波都卜勒探頭是以都卜勒陣列布置的多個脈 衝超聲波都卜勒探頭中的一個。
7.根據權利要求6所述的用於測量包括在層流管中流動的氣態-液態烴和水的多相混 合物的流動特性的方法，還包括以下步驟使用所述都卜勒陣列以確定所述多相混合物被分層。
8.根據權利要求1所述的用於測量包括在層流管中流動的氣態-液態烴和水的多相混 合物的流動特性的方法，其中，所述確定持氣率或持液率的步驟包括以下步驟使用所述脈衝超聲波都卜勒探頭確定所述氣_液界面的高度。
9.根據權利要求1所述的用於測量包括在層流管中流動的氣態-液態烴和水的多相混 合物的流動特性的方法，還包括以下步驟調節所述多相混合物以使所述管中的所述液相分層。
10.根據權利要求1所述的用於測量包括在層流管中流動的氣態-液態烴和水的多相 混合物的流動特性的方法，其中所述管被水平布置以使所述多相混合物分層；以及所述超聲波氣體流量計操作性地接合所述管的上半部分，所述上半部分在上方並且包 括與所述管的中線對齊的水平面。
11.根據權利要求1所述的用於測量包括在層流管中流動的氣態-液態烴和水的多相 混合物的流動特性的方法，其中，所述管被水平布置以使所述多相混合物分層，並且還包括以下步驟以超聲波的方式測量在管的與所述管的中線對齊的水平面上方的上半部分處的液體膜。
12.根據權利要求1所述的用於測量包括在層流管中流動的氣態_液態烴和水的多相 混合物的流動特性的方法，其中所述管道被水平布置以使所述多相混合物分層；以及所述超聲波氣體流量計操作性地接合所述管的在與所述管的中線對齊的水平面下方 的下半部分。
13.根據權利要求2所述的用於測量包括在層流管中流動的氣態_液態烴和水的多相 混合物的流動特性的方法，其中，所述確定WLR的步驟包括以下步驟將電磁(EM)信號發射通過所述液相。
14.根據權利要求13所述的用於測量包括在層流管中流動的氣態-液態烴和水的多相 混合物的流動特性的方法，其中，將電磁(EM)信號發射通過所述液相的發射步驟使用EM發 射器和EM接收器，所述EM發射器和所述EM接收器都靠近所述液相操作性地接合所述管。
15.一種用於測量在層流管中流動的氣態_液態烴和水的多相混合物的流動特性的系 統，所述系統包括超聲波氣體流量計，所述超聲波氣體流量計被構造成操作性地接合所述管；並且測量所述管中的氣相的流動特性；脈衝超聲波都卜勒探頭，所述脈衝超聲波都卜勒探頭被構造成與所述管操作性地接 合，並且被構造成測量所述管中的液相的流動特性；和處理器，所述處理器被構造成確定持氣率或持液率；使用所述持氣率和所述氣相的流動特性計算所述管內的氣體流量；以及使用所述持液率和所述液相的流動特性計算所述管內的液體流量。
16.根據權利要求15所述的用於測量在層流管中流動的氣態-液態烴和水的多相混合 物的流動特性的系統，其中，所述處理器進一步被構造成確定所述液相的WLR;以及使用所述液體流量和所述WLR計算所述管內的液態烴流量和水流量。
17.根據權利要求15所述的用於測量在層流管中流動的氣態-液態烴和水的多相混合 物的流動特性的系統，其中，GVF在20%以上但在99%以下。
18.根據權利要求15所述的用於測量在層流管中流動的氣態_液態烴和水的多相混 合物的流動特性的系統，所述系統還包括EM發射器和EM接收器，所述EM發射器和所述EM 接收器都靠近所述液相操作性地接合所述管。
19.根據權利要求18所述的用於測量在層流管中流動的氣態-液態烴和水的多相混合 物的流動特性的系統，其中，所述EM發射器和所述EM接收器用於測量WLR和水的含鹽量。
20.根據權利要求15所述的用於測量在層流管中流動的氣態-液態烴和水的多相混合 物的流動特性的系統，其中所述管被水平布置以使所述多相混合物分層；以及所述超聲波氣體流量計操作性地接合所述管的上半部分，所述上半部分在上方並且包 括與所述管的中線對齊的水平面。
21.根據權利要求15所述的用於測量在層流管中流動的氣態-液態烴和水的多相混合 物的流動特性的系統，其中所述管被水平布置以使所述多相混合物分層；以及所述超聲波氣體流量計操作性地接合所述管的在與所述管的中線對齊的水平面下方 的下半部分。
22.根據權利要求15所述的用於測量在層流管中流動的氣態-液態烴和水的多相混合 物的流動特性的系統，其中，所述脈衝超聲波都卜勒探頭是以都卜勒陣列布置的多個脈衝 超聲波都卜勒探頭中的一個。
23.根據權利要求15所述的用於測量在層流管中流動的氣態-液態烴和水的多相混合 物的流動特性的系統，其中，所述超聲波氣體流量計包括多個傳播時間超聲換能器元件。
24.根據權利要求15所述的用於測量在層流管中流動的氣態-液態烴和水的多相混合 物的流動特性的系統，其中，所述脈衝超聲波都卜勒探頭包括適於距離選通脈衝都卜勒測 量的換能器。
25.根據權利要求24所述的用於測量在層流管中流動的氣態-液態烴和水的多相混合 物的流動特性的系統，其中所述脈衝超聲波都卜勒探頭被構造成測量所述液相的流動速度和厚度；以及 能夠通過所述液相中的音速和所述距離選通都卜勒能量最大時的時滯估計所述液層厚度。
全文摘要
本發明公開了一種用於測量在管內攜帶由油氣井中採出的氣態-液態烴和水的多相混合物的流動特性的方法和系統。所述方法和系統可以用於組合用於測量管道中的氣相的流動特性的夾緊式超聲波氣體流量計和用於測量液相的流動特性的脈衝都卜勒傳感器(一個或多個)和/或射頻(RF)/微波電磁(EM)傳感器(一個或多個)。傳感器的組合可以用於在諸如當氣-液正在大致水平管道中流動時、當流動被分層或使所述被分層和/或類似條件的一定流動條件下進行多相流測量。
文檔編號G01F1/00GK101802562SQ200880107708
公開日2010年8月11日 申請日期2008年9月17日 優先權日2007年9月18日
發明者伊恩·阿特金森, 謝成鋼, 黃松明 申請人:普拉德研究及開發股份有限公司