傾斜式螺旋可收縮流量計和測量流體流量的方法
2023-06-18 23:11:26 2
專利名稱：傾斜式螺旋可收縮流量計和測量流體流量的方法
技術領域：
本文公開的主題的實施例總體涉及包括構造成與流體流動方向成預定角度展開的旋轉臂並具有螺旋葉片的傾斜式螺旋流量計(canted helix flowmeter) 0
背景技術：
由於油和氣仍然是世界經濟中不能以明顯足夠比例替代的能源，所以儘管就開採的可達性和安全性而言條件苛刻，但開發新油田(production field)的興趣持續增加。因此，常希望在海下開發油井並且在井內進行流量測量。流量測量量化移動流體的量。在油氣井中，流體流量的局部或系統性變化使得流量測量更具挑戰性。例如，當在傾斜管道(即使對於小的傾斜度)中測量多相流體流量時，可能在較輕相遷移到井的上側(在垂直於流動方向的平面中)而較重相遷移到井的下側時發生相分離。流體可能局部或與在流體中混合的不同相有關地在不同方向上具有不同的速度或甚至不同的流量。用於在井眼中測量流體流量的常規工具是圖1中示出的旋轉工具陣列1。旋轉工具陣列1包括附接在從工具本體30突出的弓形彈簧臂20上的六個流量傳感器10。弓形彈簧臂20在通過限制部(restriction)輸送到井眼內部的測量位置的過程中回縮到工具本體30內部。傳感器10在遠離工具本體的中心位置的不同位置展開成平行於流體流動方向40，直到井眼的邊緣。圖2示出了旋轉工具陣列1的流量傳感器10。流量傳感器10包括直徑約9mm且長度約25mm的葉輪60。葉輪60由於流體流動而類似於微型渦輪旋轉。為了能夠旋轉，葉輪60經由軸承80和80』安裝在保持結構70上。葉輪60的旋轉速度取決於流體的速度。基於葉輪60的旋轉速度來計算流體流量。例如，可通過測量由嵌埋在葉輪60中的小型磁體產生的電磁信號來測量該旋轉速度。所產生的信號可由位於保持結構70內部的合適裝置拾取。在油氣井內部使用旋轉工具陣列1的過程中觀察到的一個問題是軸承80和80』被汙物或其它顆粒阻塞。當軸承80和80』被阻塞時，軸承中的摩擦增加，並且葉輪60的旋轉速度下降(有時下降到零)。因此，旋轉工具陣列1由於流量傳感器對環境的脆弱性而未在油氣井中提供可靠的流量測量。另外，其中一個軸承(例如圖2中的80)和保持結構70的一部分在流體流動通路中設置在葉輪60前面(另一軸承位於葉輪60後面)，從而部分阻止流體流朝葉輪60移動。此布置影響使用旋轉工具陣列1進行流量測量的精度。因此，希望提供避免前述的問題和缺陷的系統和方法。
發明內容
根據一個示例性實施例，一種流量計包括工具本體、一個或更多個旋轉臂和安裝在各旋轉臂上的螺旋葉片。一個或更多旋轉臂構造成當展開以測量流體流量時第一端遠離工具本體並且第二端與工具本體相接合而延伸。螺旋葉片構造成由於流體大致平行於工具本體的縱向軸線流動而在第一端與第二端之間圍繞沿著旋轉臂的旋轉軸線旋轉，螺旋葉片安裝在旋轉臂上。根據另一示例性實施例，一種測量流體流量的方法包括與流動方向成預定角度展開包括螺旋葉片的一個或更多旋轉臂並測量螺旋葉片的旋轉速度，各螺旋葉片均構造成以各自的預定角度圍繞旋轉軸線旋轉。根據另一示例性實施例，一種製造流量計的方法包括將螺旋葉片安裝在一個或更多旋轉臂中的每一個上，螺旋葉片由於流體與沿著旋轉臂延伸的旋轉軸線成一個或更多預定角度流動而能夠旋轉。該製造方法還包括將一個或更多旋轉臂的第一端與工具本體相接合，該一個或更多旋轉臂構造成(i)以第二端遠離工具本體的方式延伸，並且(ii)在第二端靠近工具本體的情況下收縮。
結合在本說明書中並構成本說明書一部分的附圖示出了一個或更多個實施例，並連同描述一起來解釋這些實施例。在附圖中圖1是旋轉工具陣列的示意圖；圖2是旋轉工具陣列的流量傳感器的示意圖；圖3是根據示例性實施例的傾斜式螺旋可收縮流量計的示意圖；圖4是根據示例性實施例的螺旋葉片的示意圖；圖5是根據另一示例性實施例的螺旋葉片的示意性表示；圖6是根據示例性實施例的測量流體流量的方法的流程圖；以及圖7是根據示例性實施例的製造流量計的方法的流程圖。
具體實施例方式以下對示例性實施例的說明參照附圖。不同附圖中相同的參考標號表示相同或相似的元件。以下詳細描述不限制本發明。相反，本發明的範圍通過所附權利要求來限定。為了簡單，關於用於油氣井中的術語和結構來討論以下實施例。然而，下述實施例並不局限於這些系統，而是可適用於可用於測量流體流量的其它系統。本說明書全文對「一個實施例」或「實施例」的談及意味著結合實施例所述的特定特徵、結構或特性被包括在所公開主題的至少一個實施例中。因此，短語「在一個實施例中」或「在實施例中」在本說明書全文各處的出現不一定指的是同一實施例。此外，特定特徵、結構或特性可以以任何適當的方式結合在一個或更多實施例中。根據示例性實施例，圖3是在井眼套管105內部展開的傾斜式螺旋可收縮流量計100的示意圖。流量計100具有帶縱向軸線115的工具本體110以及兩個旋轉臂120和120』。其它實施例可具有一個或多於兩個旋轉臂。旋轉臂120和120』構造成在工具本體110周圍或內部摺疊(未示出)，而流量計100經限制通路被輸送到測量位置。在測量位置，旋轉臂120和120』相對於工具本體110大致對稱地展開(如圖3中所示)，以延伸成一端122或122』遠離工具本體110而另一端IM或124』連接至工具本體110。在圖3中，旋轉臂120和120』的每一個均與工具本體110的縱向軸線115成約45°角展開。然而，旋轉臂可成其它角度展開。通過箭頭127和127』表示的流體在套管中的流動方向與工具本體110的縱向軸線115大致平行。展開旋轉臂120和120』的此方式具有流體流在螺旋葉片130和130』上施加比對於沿著流體流展開的圖1中的旋轉工具陣列1的傳感器10更大的扭矩的效果。各旋轉臂120和120』均分別包括螺旋葉片130和130，。螺旋葉片130和130，可定位成到旋轉臂120或120』的一端122或122』比到另一端124或124』更近。螺旋葉片130和130』構造成由於流體大致平行於工具本體110的縱向軸線115流動而旋轉。螺旋葉片130或130』的旋轉軸線135或135』是在一端122或122』與另一端IM或124』之間沿著旋轉臂120或120』的軸線。傳感器140和140』構造成分別測量螺旋葉片130和130』的旋轉速度，並且在相應螺旋葉片130或130』的區域外部位於各旋轉臂120和120』上。與其中軸承80和保持結構70的相關部分由於它們沿流動方向位於葉輪60前面而部分地阻塞流動的旋轉工具陣列1相比，流量計100沿流動方向127或127』在螺旋葉片130和130』前面不包括將成為障礙物的構件。傳感器140和140』可無線或有線地將測量的旋轉速度傳送到基於所傳送的信息來估算流體流量的數據處理單元。該數據處理單元可位於工具本體110內部或遠處，獨立於傾斜式螺旋可收縮流量計100的位置。螺旋葉片130和130』可具有一個或更多螺旋。優選實施例具有兩個螺旋(即，該螺旋葉片為雙螺旋)。螺旋葉片130和130』可具有約IOmm的直徑和約50mm的長度。螺旋葉片可扭轉而具有例如約45°的螺旋角。當在旋轉軸線135的層次沿流動方向(例如成45°角)觀察時，螺旋葉片130在旋轉軸線135的一側上的區域150顯著大於螺旋葉片130在旋轉軸線135的另一側上的區域160，如圖4中所示。在圖5中所示的一個實施例中，螺旋葉片130可在旋轉軸線135周圍具有中空中心，以由於流體流動而提高旋轉效率。由於流體流動而旋轉的螺旋葉片的旋轉效率取決於旋轉軸線135的一側上暴露於進入流體流的螺旋葉片的區域150與旋轉軸線135的另一側上暴露於進入流體流的螺旋葉片的區域160之間的比值。該比值對圖5中所示的中空螺旋葉片而言大於圖4中所示的非中空螺旋葉片。螺旋葉片由輕而薄但剛性的材料製成。儘管圖4和5涉及螺旋葉片130，但相同的設計可用於螺旋葉片130』。螺旋葉片的旋轉速度是流體以可在沿著螺旋葉片的多個位置變化的速度移動的結果。當旋轉臂(例如圖3中的120或120』)展開時，螺旋葉片(例如130或130』)在多個位置上延展預定長度，流體可在該多個位置上以不同速度流動。因此，螺旋葉片的測量旋轉速度代表局部流體速度值的平均作用。因此，根據一些實施例測量流量具有如下優點基於螺旋葉片旋轉速度估算出的流體流量考慮了局部變化，但通過考慮多個位置而平均了它們對總流量值的影響。相反，旋轉工具陣列1的六個流體傳感器10中每一個均反映沿著流體流測量的局部流體速度，因此流體速度在流體傳感器位置的局部變化可對流體流量的總體估算值有不成比例的影響。圖6示出了根據示例性實施例的測量流體流量的方法200。方法200包括在步驟S210與流動方向成預定角度展開一個或更多包括螺旋葉片(例如圖3中的130、130』)的旋轉臂(例如圖3中的120、120』)，螺旋葉片中的每一個都構造成以相應的預定角度圍繞旋轉軸線(例如圖3中的135、135』)旋轉。此外，該方法包括在步驟S220測量螺旋葉片的旋轉速度。方法200可使用圖3中的裝置100來執行，該裝置具有與在圖4或圖5中示出的旋轉葉片相似的旋轉葉片。方法200還可包括在展開之前使一個或更多旋轉臂圍繞芯部收縮，並使收縮的旋轉臂朝流量測量位置通過套管(即限制部)。該方法200還可包括基於測量的旋轉速度來估算流體流量。圖7示出了根據示例性實施例的製造流量計的方法300。在步驟S310，方法300包括將螺旋葉片(例如圖3中的130、130』 )安裝在一個或更多旋轉臂(例如圖3中的120、120』 )中的每一個上，該螺旋葉片(例如圖3中的130、130』 )由於流體與沿著相應的旋轉臂(例如圖3中的120、120』 )延伸的旋轉軸線(例如圖3中的135、135』 )成一個或更多預定角度流動(例如圖3中的127、127』 )而能夠旋轉。在步驟S320，方法300還包括將一個或更多旋轉臂(例如圖3中的120、120』)的第一端(例如圖3中的124、124』)與工具本體(例如圖3中的110)連接，該一個或更多旋轉臂(例如圖3中的120、120』)能夠(i)以第二端(例如圖3中的122、122』)遠離工具本體的方式延伸，並且(ii)在第二端(例如圖3中的124、124』)靠近工具本體(例如圖3中的110)的情況下收縮。可執行螺旋葉片(例如圖3中的130、130』)的安裝，以將螺旋葉片定位成到相應旋轉臂(例如圖3中的120、120』 )的第二端(例如圖3中的122、122』 )比到其第一端(例如圖3中的124,124')更近。方法300還可包括安裝傳感器(例如圖3中的140、140』)，該傳感器配置成在一個或更多旋轉臂(例如圖3中的120、120』 )中的每一個上測量螺旋葉片(例如圖3中的130,130')的旋轉速度。可執行螺旋葉片(例如圖3中的130、130』 )的安裝，以將螺旋葉片定位成到相應旋轉臂(例如圖3中的120或120』)的第二端(例如圖3中的122、122』)比到其第一端(例如圖3中的124、124』 )更近。可執行傳感器的安裝，以使傳感器(例如圖3中的140、140』 )位於螺旋葉片(例如圖3中的130、130』 )的區域外。所公開的示例性實施例提供用於測量流體流量的工具和方法。應當理解的是，此描述並非旨在限制本發明。相反，示例性實施例旨在涵蓋包括在如所附權利要求所限定的本發明的精神和範圍內的替代、改型和等同裝置。此外，在示例性實施例的詳細描述中，闡明了許多特定細節以提供要求保護的發明的綜合理解。然而，本領域的技術人員應該理解的是，可在不具備這些特定細節的情況下實施各種實施例。儘管在實施例特別是組合中描述了本文的示例性實施例的特徵和元件，但可在不使用實施例的其它特徵和元件的情況下單獨使用或與本文公開的其它特徵和元件進行結合或不進行結合而使用每個特徵或元件。此書面描述使用所公開的主題的實例以使本領域的任何技術人員能夠實施所公開的主題，包括製造和使用任何裝置或系統並執行任何結合的方法。本發明可取得專利權的範圍通過權利要求來限定，並且可包括本領域技術人員想到的其它實例。此類其它實例旨在處於權利要求的保護範圍內。
權利要求
1.一種流量計，包括工具本體；一個或更多旋轉臂，其構造成當展開以測量流體流量時以第一端遠離所述工具本體並且使第二端與所述工具本體相連接的方式延伸；以及安裝在各所述旋轉臂上的螺旋葉片，所述螺旋葉片構造成由於流體大致平行於所述工具本體的縱向軸線流動而在所述第一端與所述第二端之間圍繞沿著所述旋轉臂延伸的旋轉軸線旋轉，所述螺旋葉片安裝在所述旋轉臂上。
2.根據權利要求1所述的流量計，其特徵在於，所述螺旋葉片是雙螺旋葉片。
3.根據權利要求1所述的流量計，其特徵在於，所述螺旋葉片在所述旋轉軸線周圍具有中空中心。
4.根據權利要求1所述的流量計，其特徵在於，所述螺旋葉片定位成到所述旋轉臂的所述第一端比到其第二端更近。
5.根據權利要求1所述的流量計，其特徵在於，所述一個或更多旋轉臂構造成與所述工具本體的縱向軸線成約45°角展開。
6.根據權利要求1所述的流量計，其特徵在於，所述螺旋葉片構造成在垂直於所述流動方向的平面中在所述旋轉軸線的一側上具有顯著大於在所述旋轉軸線的另一側上的區域的區域。
7.根據權利要求1所述的流量計，其特徵在於，所述螺旋葉片具有約45°的螺旋角。
8.根據權利要求1所述的流量計，其特徵在於，所述螺旋葉片具有約IOmm的直徑。
9.根據權利要求1所述的流量計，其特徵在於，所述螺旋葉片具有約50mm的長度。
10.根據權利要求1所述的流量計，其特徵在於，所述流量計還包括在所述螺旋葉片的區域外位於所述一個或更多旋轉臂中的每一個上的至少一個傳感器，所述至少一個傳感器配置成檢測所述螺旋葉片的旋轉速度。
11.根據權利要求1所述的流量計，其特徵在於，所述一個或更多旋轉臂構造成在所述工具本體附近收縮同時朝測量位置被輸送。
12.一種測量流體流量的方法，包括與流動方向成預定角度展開包括螺旋葉片的一個或更多旋轉臂，各所述螺旋葉片均構造成以各自的預定角度圍繞旋轉軸線旋轉；以及測量所述螺旋葉片的旋轉速度。
13.根據權利要求12所述的方法，其特徵在於，所述方法還包括在所述展開之前使所述一個或更多旋轉臂靠近中心軸線收縮；以及使收縮的所述旋轉臂朝流量測量位置通過限制部。
14.根據權利要求12所述的方法，其特徵在於，使用靠近所述螺旋葉片的一端定位的傳感器來執行所述測量，並且所述方法還包括向數據處理單元無線地傳送測量的旋轉速度。
15.根據權利要求12所述的方法，其特徵在於，使用靠近所述螺旋葉片的一端定位的傳感器來執行所述測量，並且所述方法還包括經由線纜向數據處理單元傳送測量的旋轉速度。
16.根據權利要求12所述的方法，其特徵在於，所述方法還包括基於測量的旋轉速度來估算流體流量。
17.根據權利要求12所述的方法，其特徵在於，所述預定角度為約45°。
18.一種製造流量計的方法，包括將螺旋葉片安裝在一個或更多旋轉臂中的每一個上，所述螺旋葉片由於流體與沿著所述旋轉臂延伸的旋轉軸線成預定角度流動而能夠旋轉；以及將所述一個或更多旋轉臂的第一端連接到工具本體上，所述一個或更多旋轉臂構造成(i)以第二端遠離所述工具本體的方式延伸，並且(ii)在所述第二端靠近所述工具本體的情況下收縮。
19.根據權利要求18所述的方法，其特徵在於，所述方法還包括將配置成測量所述螺旋葉片的旋轉速度的傳感器安裝在所述一個或更多旋轉臂中的每一個上。
20.根據權利要求19所述的方法，其特徵在於，執行所述螺旋葉片的安裝，以將所述螺旋葉片定位成到相應旋轉臂的所述第二端比到相應旋轉臂的第一端更近，並且執行所述傳感器的安裝，以使所述傳感器位於所述螺旋葉片的區域外。
全文摘要
本發明涉及傾斜式螺旋可收縮流量計和測量流體流量的方法，具體而言，提供了流量計和測量流體流量或製造流量計的方法。流量計具有工具本體和一個或更多旋轉臂，旋轉臂構造成當展開以測量流體流量時以第一端遠離工具本體並且第二端與工具本體相接合的方式延伸。每個旋轉臂都包括螺旋葉片，該螺旋葉片構造成由於流體大致平行於工具本體的縱向軸線流動而在第一端與第二端之間圍繞旋轉軸線旋轉。
文檔編號G01F15/00GK102564497SQ20111046167
公開日2012年7月11日 申請日期2011年12月21日 優先權日2010年12月21日
發明者K·R·伍滕 申請人:桑德克斯有限公司