多相流體特性系統的製作方法

2023-11-30 17:04:21 1

多相流體特性系統的製作方法
【專利摘要】描述了一種用於允許流經管道的多相流體的數個物理參數的多個獨立測量的測量系統和方法。多個聲換能器布置成與一段現有的繞線管（金屬管道）（通常長度小於3英尺）的外表面聲通信，或附接至一段現有的繞線管（金屬管道）的外表面，以用於非侵入性測量。可以由所述系統同時測量聲音速度、聲音衰減量、流體密度、流體流動、容器壁的諧振特性、用於氣體體積分數的都卜勒測量量。使用用於含油量校正的溫度傳感器進行溫度測量。
【專利說明】多相流體特性系統
[0001]相關申請的交叉參考
[0002]本申請要求享有2010年9月3日提交的美國臨時專利申請號61/397919的^Noninvasive Multiphase Fluid Characterization System」 的優先權，為了該專利申請公開和教導的一切，其全部內容通過引用併入本文。
[0003]有關聯邦權利的聲明
[0004]以在美國能源部授予的合同號DE-AC52-06NA25396下的政府支持完成了本發明。政府具有在本發明中的特 定權利。
【技術領域】
[0005]本發明通常涉及用於確定流經管道的流體的組成，更特別的是，涉及用於獨立測量流經管道的多相流體(分散相的混合，例如，包括油、氣和水相的混合)的數個物理參數。
【背景技術】
[0006]在許多工業中，特別是在石油生產中，多相流體(例如，油/水/氣)的組成和流動的確定對於確定在儲油層中產生多少任意給定相的流體以及確定通過管道抽出或運輸多少任意給定相的流體是重要的。存在許多能夠提供該信息的當前使用的商業儀器，但是由於沒有一個設備能夠做出所有需要的測量，通常需要來自多個製造商的不同類型的單獨的儀器來提供完整的答案。例如，一個儀器可以測量流體流動，而另一個儀器測量流體組成。
[0007]這些儀器通常具有嚴格的約束和受限的操作範圍。例如，用於測量油/水組成的電容探針在流體變成連續型水時無法良好地工作。科裡奧利流量計是質量流量計，其也可以用作振動管密度計。每一相的密度可以用來將對於特定相的質量流率轉換為體積測量量。在使用科裡奧利流量計來識別整個組合的流體流中的油、氣和水各自的質量百分比中存在許多困難，特別是在液體存在氣體時。
[0008]此外，大部分流體屬性測量儀器要求將流動從主流動管道轉移出去並進入該特定儀器。其它流體屬性測量儀器要求傳感器與流體之間的物理接觸，這需要許多針對腐蝕性流體的維護。本發明允許使用非侵入性技術進行多相系統的多參數測量，其中，傳感器附接在現有管道的外部，或者附接在插入線中的小繞線管上，並且所有的傳感器除了溫度傳感器之外都是基於聲學的。

【發明內容】

[0009]本發明的實施例通過提供一種用於獨立測量多相流體的所選擇的參數的系統和方法來克服現有技術中的缺點和限制。
[0010]本發明的實施例的另一目標是提供一種用於獨立測量多相流體的選擇的參數的系統和方法，其中在不必將流體從其主流動管道轉移出去的情況下進行測量。
[0011]本發明的實施例的又一目標是提供一種用於非侵入性且獨立地測量多相流體的選擇的參數的系統和方法。[0012]本發明的附加目的、優點和新穎特徵將部分地在接下來的描述中被闡述，且在考查下文時將部分地對本領域中的技術人員變得明顯或可通過本發明的實踐被獲悉。可藉助於特別在所附權利要求中指出的手段和組合來實現和達到本發明的目的和優點。
[0013]為了實現前述的和其它目標，並且根據本發明的目的，作為本文中具體化且廣泛地描述了用於非侵入性測量多相流體的多個獨立的參數的系統，所述多相流體包括在具有壁、外表面和軸的管道中流動的至少一個液體成分和氣泡，所述系統包括:與管道的外表面超聲通信的第一發射換能器；第一波形產生器，其產生用於驅動第一發射換能器的頻率啁啾信號；與管道的外表面超聲通信的第一接收換能器，與第一發射換能器完全相對，以用於在啁啾信號經過多相流體之後接收來自第一發射換能器的頻率啁啾信號，並且用於產生響應頻率啁啾信號的第一電信號；用於接收來自第一接收換能器的第一電信號以及由波形產生器產生的頻率啁啾信號並用於由此產生聲音的速度和聲音衰減量信息的模塊，根據所述聲音的速度和聲音衰減量信息來確定多相流體的至少一個成分的組成；與管道的外表面超聲通信的第二發射換能器；與管道的外表面超聲通信的第三發射換能器，設置在沿著所述管道的軸距從第二發射換能器的已知距離處；第二波形產生器，其用於產生第一固定頻率信號來驅動第二發射換能器和第三發射換能器；與管道的外表面超聲通信的第二接收換能器，與第二發射換能器完全相對，以用於在所述固定頻率信號經過多相流體之後接收來自第二發射換能器的第一固定頻率信號，並且用於產生響應第一固定頻率信號的第二電信號；與管道的外表面超聲通信的第三接收換能器，其與第三發射換能器完全相對，以用於在所述固定頻率信號經過多相流體之後接收來自第三發射換能器的第一固定頻率信號，並且用於產生響應第一固定頻率信號的第三電信號；用於接收第二電信號和第三電信號的模塊，由此在流體中影響第二電信號的幹擾將在一段時間以後影響第三電信號，根據所述幹擾來計算流體的流速；與管道的外表面超聲通信的第四發射換能器；第三波形產生器，其用於產生第二固定頻率信號來驅動第四發射換能器；與管道的外表面超聲通信的第四接收換能器，其設置在第四發射換能器的附近的沿著管道的軸的與第四發射換能器相同的位置處，以用於接收源自多相流體中的氣泡反射的都卜勒頻移第二固定頻率信號並用於產生響應所述都卜勒頻移第二固定頻率信號的第四電信號；以及用於接收第四電信號和來自第三波形產生器的第二固定頻率信號且用於確定都卜勒頻移第二固定頻率信號的信號強度的模塊，根據所述信號強度來確定氣泡的體積。
[0014]在本發明的另一方案中，且根據本發明的目標和目的，用於非侵入性測量多相流體的多個獨立的物理參數的方法，所述多相流體包括在具有壁、外表面和軸的管道中流動的至少一個液體成分和氣泡，所述方法包括:產生頻率啁啾信號，以用於驅動與所述管道的外表面超聲通信的第一發射換能器；在啁啾信號經過所述多相流體之後，在第一接收換能器上接收所產生的頻率啁啾信號，並且產生響應頻率啁啾信號的第一電信號，與管道的外表面超聲通信的所述第一接收換能器與第一發射換能器完全相對；接收第一電信號和所產生的頻率啁啾信號，並由此產生聲音的速度和聲音衰減量信息，根據所述聲音的速度和聲音衰減量信息來確定所述多相流體的至少一個成分的組成；產生第一固定頻率信號，以用於驅動與所述管道的外表面超聲通信的第二發射換能器，並且與所述管道的外表面超聲通信的第三發射換能器設置在沿著所述管道的軸距第二發射換能器的已知距離處；在第一固定頻率信號經過所述多相流體之後，在第二接收換能器上接收第一固定頻率信號，並且產生響應第一固定頻率信號的第二電信號，與所述管道的外表面超聲通信所述第二接收換能器與第二發射換能器完全相對；在第一固定頻率信號經過所述多相流體之後，在第三接收換能器上接收第一固定頻率信號，並且產生響應第一固定頻率信號的第三電信號，與所述管道的外表面超聲通信的所述第三接收換能器與第三發射換能器完全相對；接收第二電信號和第三電信號，並且根據在流體中影響第二電信號並在一段時間以後影響第三電信號的幹擾來計算所述多相流體的流速；產生第二固定頻率信號，以用於驅動與所述管道的外表面超聲通信的第四發射換能器；在第四接收換能器上接收源自所述氣泡反射的都卜勒頻移第二固定頻率信號，並且用於產生響應都卜勒頻移第二固定頻率信號的第四電信號，與所述管道的外表面超聲通信的所述第四接收換能器設置在第四發射換能器的附近的沿著所述管道的軸的與第四發射換能器相同的位置處；以及接收第四電信號和第二固定頻率信號，並且確定所述都卜勒頻移第二固定頻率信號的信號強度，根據所述信號強度來確定所述氣泡的體積。
[0015]在本發明的另一個方案中，且根據本發明的目標和目的，用於非侵入性測量多相流體的多個獨立的物理參數的方法，所述多相流體包括在具有壁、外表面和軸的管道中流動的至少一個液體成分和氣泡，所述方法包括:在多相流體中產生超聲頻率啁啾信號；在啁啾信號經過所述多相流體之後，接收所產生的頻率啁啾信號，並且產生響應頻率啁啾信號的第一電信號；接收第一電信號和所產生的頻率啁啾信號，並且由此產生聲音的速度和聲音衰減量信息，根據所述聲音的速度和聲音衰減量信息來確定所述多相流體的至少一個成分的組成；產生第一固定超聲頻率信號和第二固定超聲頻率信號，所述第二固定超聲頻率信號設置在多相流體中沿著所述管道的軸距第一固定超聲頻率信號的已知距離處；在第一固定頻率信號經過多相流體之後，接收第一固定頻率信號，並且產生響應第一固定頻率信號的第二電信號；在第二固定頻率信號經過所述多相流體之後，接收第二固定頻率信號，並且產生響應第二固定頻率信號的第三電信號；接收第二電信號和第三電信號，並且根據在流體中影響第二固定頻率電信號並在一段時間以後影響第三電信號的幹擾來計算所述多相流體的流速；在多相流體中產生第三固定超聲頻率信號；接收源自所述氣泡反射的都卜勒頻移第三固定頻率信號，並且產生響應所述都卜勒頻移第三固定頻率信號的第四電信號；以及接收第四電信號和第三固定頻率信號，並且確定所述都卜勒頻移第二固定頻率信號的信號強度，根據所述信號強度來確定所述氣泡的體積。
[0016]本發明的實施例的好處和優點包括但不限於:提供用於非侵入性測量多相流體的選擇的參數的系統和方法，其中，測量是彼此獨立的，且足夠推導出所有必要的信息。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]合併在說明書中並形成了說明書一部分的附圖示出了本發明的實施例，且連同描述一起用於說明本發明的原理。在附圖中:
[0018]圖1A是本發明的測量系統的實施例的示意圖，圖1B是電子設備模塊中的一個的實施例的示意圖，以及圖1C是用於使用互相關、快速傅立葉變換(FFT)以及其它信號處理函數來產生頻率啁啾(chirp)信號並處理數據的裝置的示意圖。
[0019]圖2示出了在聲音速度的測量中隨後的回波的包含物。
[0020]圖3示出了作為峰值指標的函數的峰值幅度(實心圓)，其中，實線是對實驗數據的指數擬合，根據該指數擬合，可以從用於擬合的指數中確定聲音衰減量。
[0021]圖4示出了使用與圖1C中示出的相似的裝置在具有1/4英寸壁厚且3英寸直徑(ID)的鋼管中通過按60-40比的油和水的混合物的啁啾測量。
[0022]圖5示出了作為圖4中示出的啁啾信號的頻率的函數的所測量的壁的聲音傳輸。
[0023]圖6示出了圖5中所接收到的信號和圖4中的發射信號的互相關，其顯著提高了信噪比。
[0024]圖7示出了關於聲音速度與水和礦物油的混合物的含油量之間的關係的數據。
[0025]圖8示出了在水在3.7英寸直徑的管道中的測量期間的氣體流動的影響，底部曲線示出了在有水而沒有氣體流動的情況下獲得的數據。
[0026]圖9示出了在具有5mm壁厚且包含密度分別為0.79、1.00和0.87g/cm3的丙酮、水和10W-40機油的鋁管中，流體密度在壁諧振的峰值幅度上產生的影響。
[0027]圖10示出了用於測量在兩個測量位置之間的距離已知且聲學上測量出幹擾經行進到該距離所花費的時間時所獲得的流體流速的裝置，假定幹擾在本質上置入流體中並與流體一起行進，作為圖1A所示的系統的部分的所述裝置包括具有分開距離L的兩對換能器。
[0028]圖1lA示出了相同的幹擾由兩個通道來檢測但在時間上被偏移的測量，而圖1lB示出了兩個通道的互相關，所述互相關示出了對應於延遲時間τ的峰值，根據所述延遲時間τ，移動速度可以被計算為L/ τ。
[0029]圖12示出了與用商業的科裡奧利流量計進行的測量相比的採用本發明實施例在原油/水混合物中進行的測量。
[0030]圖13Α示出了單個氣泡的振蕩和振蕩的快速傅立葉變換(FFT)，而圖13Β示出了多個氣泡的振蕩和振蕩的快速傅立葉變換。
【具體實施方式】
[0031]簡言之，本發明包括用於允許流經管道的多相流體的數個物理參數的多個獨立測量的測量系統和方法。將多個傳感器放置成與一段現有的繞線管(金屬管道)(其通常長度小於3英尺)的外表面進行聲通信，或附接至一段現有的繞線管(金屬管道)的外表面，以用於非侵入性測量。可以由系統同時測量聲音速度、聲音衰減量、流體密度、流體流動、容器壁的諧振特性、用於含油量校正的溫度和用於氣體體積分數的都卜勒測量量。在下文中，多相流體可以包括至少一個液體成分和至少一個氣體成分，該至少一個液體成分包括液態烴、油和水，並且氣體成分包括氣態烴。
[0032]本裝置的元件和方法功能協同如下:
[0033]1.使用雙通道聲音傳輸相關性來測量液體流動。當由於氣泡的擾動而導致在流動流中存在大量的波動時，雙通道傳輸信號變得不穩定，但是啁啾傳輸信號清楚地示出了應當被考慮的傳輸中斷。非常快地完成了啁啾測量(大約每次測量100μ S)，而流動測量明顯花費更長的時間。
[0034]2.為了確定流動，選擇操作傳輸頻率，使得通過合適的壁諧振來實現最大的聲音傳輸。雖然，關於這個的信息可以從啁啾傳輸數據中導出，更加精確和可靠的是對數據進行慢掃描(數秒)以獲得壁諧振信息，因為該測量示出了在壁峰值(wall peak)中的更詳細結構。因為更長的測量，由於流動而導致的時間波動達到平均數，且清楚地觀察到壁諧振信息。通過經由發射器掃描頻率且記錄作為頻率的函數的聲音傳輸幅度(和相位)來在頻域中完成掃描測量。
[0035]3.用於氣體體積的都卜勒測量和啁啾傳輸測量也是相關的，並且可以比較這兩個測量來獲得氣體體積的可靠值。
[0036]4.液體密度測量將頻率掃描法與都卜勒換能器相結合，以獲得該結果。
[0037]對於液體粘度確定存在相同的情況。由於液體粘度和其聲音衰減量
[0038]是相關的，該信息於是與通過啁啾傳輸的聲音衰減量測量相關。
[0039]現在將對本發明的實施例進行詳細地介紹，在附圖中示出了本發明實施例的示例。在圖中，將使用相同的附圖標記來標識相似的結構。應當理解的是，附圖是用於描述本發明的特定實施例的目的，而並不旨在將本發明限制於此。現在轉到圖1A，示出了本發明的測量系統10的實施例的示意圖。作為示例，將三對壓電換能器12a、12b、14a、14b、16a和16b放置成與管道20的外表面18進行超聲通信，或作為示例使用膠水附接至管道20的外表面18，所述管道20可以是多相流體22正流經的現有管道結構的一部分。將每對換能器12a和12b、13a和13b、以及14a和14b中的每一換能器定位在管道20的外表面18，每對換能器中的每個構件與該對換能器中相對應的第二構件完全(diametricalIy)相對。第四換能器24是雙元件換能器，其中，一個元件用作發射器，而另一個元件用作接收器，該第四換能器24被放置在與所述三對壓電換能器在管道20上基本相同的半徑的位置處，與管道20的外表面18超聲通信，或附接至管道20的外表面18。為了方便，換能器可附接至被插入測量管線中的繞線管(一段管道)，從而有效地成為原有管線的一部分。所有的換能器附接在管道的外表面，並且以非侵入性方式進行所有的測量。
[0040]溫度傳感器26附接至管道20的外表面18，以用於測量接觸管道壁28的流體22的溫度。作為示例，可以利用換能器12a和12b使用頻率啁啾激勵來測量聲音速度和衰減量。繼續該示例，設置換能器14a和14b、以及16a和16b，使得兩對是平行的且沿著管道20由選擇的距離30分隔開，並且可以用於聲的流動測量。選擇的距離30可以在約一個外管直徑與約兩個外管直徑之間。一對換能器中的一個也可被用於慢頻率掃描測量以確定壁22中的諧振峰值，其對於流動測量是需要的。雙元件換能器24可被用於超聲都卜勒測量來檢測氣體，以用於與流動測量相結合確定氣體體積，並且用於液體密度測量。
[0041]用於操作上述裝置的電子電路32包括三個相同的模塊34、36和38以及電阻溫度檢測器轉換器，該模塊和電路是可方便地互換的，並且該電阻溫度檢測器轉換器用於將來自溫度傳感器26 (例如，鉬電阻溫度計(PRT))的信號轉換為數字形式。電子電路32由數位訊號處理器(DSP) 42控制，該數位訊號處理器(DSP) 42轉而由計算機44控制。
[0042]參照圖1B，示出了模塊34的實施例。計算機44可以是外部計算機，其通過用於通信的USB埠 46來驅動DSP42。DSP42控制任意波形產生器(ARB) 48，該任意波形產生器(ARB) 48能夠產生具有期望的數學形式的波形。對於本文中以下描述的測量，使用在IOOkHz與IOMHz之間具有高斯型包絡的頻率啁啾，固定頻率正弦波以及FM調製信號。ARB48具有在相位上成90°分離的兩個輸出。同相信號由功率放大器50放大，並且被施加至壓電發射器換能器12a，而將正交(餘弦波)信號引至1-Q (同相正交)解調器56。通常，換能器在一端接地。激勵電壓可以高達50V。然而，偶爾，接地構造可能會接收到周圍的噪聲。為了避免該影響，激勵電壓可以通過具有來自連接至RF1:1比例變壓器(圖1B中未示出)的功率放大器50的輸出來差分地施加至換能器，在換能器12a連接至該變壓器的情況下，該變壓器將換能器12a電隔離，由此避免接收到亂真信號。從換能器12b接收到的信號由具有可控的增益(高達70dB)的低噪聲放大器52放大，並且要麼被引向高速(60M採樣/s)16位模數(A/D)換能器54來用於啁啾測量，要麼被引向1-Q正交解調器56來用於流動和都卜勒測量。1-Q解調器56的輸出提供了三個信號(兩個正交信號:實信號和虛信號，以及信號包絡(ENV))。使用IOMHz帶寬有效值(rms-to-dc)換能器電路來確定包絡信號(在圖1B中示出)。同樣也可以根據實輸出信號和虛輸出信號來確定該包絡信號，但是包絡檢測器電路對於觀察在信號幅度中的快速改變是方便的。這些數據由16位IM採樣/s A/D轉換器58來數位化。所有數位化的數據存儲在高速內存條60中，並且由可以執行在圖1C中示出的互相關，快速傅立葉變換(FFT)和其它數字處理函數的DSP42來分析，採用直接數字合成器62來代替ARB48，如將下文中更詳細描述的那樣。
[0043]A.流體組成的測量
[0044]在兩相流體中，例如，油/水混合物，聲音速度和聲音衰減量與流體的組成相關。聲音速度通常由脈衝回波法來測量，在所述脈衝回波法中，將由附接至管道外壁的超聲換能器(圖1A中的源12a)生成的特定持續時間的聲音脈衝發出通過液體，並且採用第二換能器(圖1A中的接收器12b)在管道的相對側上檢測該聲音脈衝。如果確定了脈衝的飛行時間，則可以從該時間和聲音源與聲音接收器之間的距離中計算出聲音速度。也可以採用用作發射器和接收器這兩者的單個換能器進行這樣的測量，例如圖1A中的雙換能器24。猝發聲列(其中固定頻率的預定數量的周期(例如十個)被引到流體中)可以用來代替脈衝。可以進行在各種頻率下(一次一個頻率)的測量，但是飛行時間的確定則更加困難，因為在流動多相液體的波動聲音傳輸環境中的脈衝的實際開始的識別是困難的。為了改進信號的質量，進一步處理原始信號是非常常見的。所處理信號的信噪比(S/N)相對於未處理信號的信噪比由如下的處理增益來給出:處理增益=頻率帶寬X持續時間。
[0045]在脈衝的情況下，持續時間非常短，而在單一頻率猝發聲列的情況下，頻率帶寬是極其小的。不論哪種情況，處理增益是小的，並且在測量中引入大量的噪聲，由此需要對信號進行平均並需要額外的測量時間。這些技術是不適於實時測量的，雖然它們廣泛地用在工業中。因管道壁或容器壁的存在而引入了額外的困難，管道壁或容器壁的存在使得這些技術難以用於非侵入性測量。脈衝將由於在壁厚度內的多次反射而在壁中鳴響，這使得飛行時間的確定變得困難。對於猝發聲列測量也是相似的。由DipenN.Sinha在美國專利N0.5767407中研發的掃描頻率聲學幹涉測量(SFAI)技術通過在長的持續時間中使用寬的頻率掃描測量來克服S/N比問題，該掃描頻率聲學幹涉測量(SFAI)技術允許在靜態的流體中進行精確的聲音速度和聲音衰減量測量。然而，該方法具有以下限制:如果在諸如多相流體(油/水/氣)之類的流動系統中進行測量，則將獲得整個流經管道的大體積的流體的平均值，因為正在被測量的流體的體積在更長的持續掃描測量期間(通常是數秒)已經過換能器的有效測量區域。
[0046]通過使用例如在約IOOkHz與約IOMHz之間但具有在約IOys與約IOms之間的較短持續時間的寬帶寬頻率掃描(其是常見已知的如頻率啁啾信號)，可以獲得在信噪比中的數量級改進。回到圖1C，在本發明的實施例中，頻率啁啾信號64由微控制器44控制的直接數字合成器(DDS) 62來產生，並且施加至壓電換能器(發射器)12a上，該壓電換能器(發射器)12a外部地附接至充入液體的金屬管道20的外表面18。第二換能器(接收器)12b附接至與第一換能器12a在直徑上相對的管道20的外表面18上，並且對準來截取由發射器產生的聲束。在由放大器52放大之後，接收信號由模數(A/D)轉換器54數位化。接收信號66包括因為信號在管道壁的內部的相對側之間反彈而在液體路徑內的多個反射。因為使用的管道具有薄壁，所以壁28的影響是微小的。在由微控制器44控制的數位訊號處理器(DSP)42中，發射信號與接收信號68互相關。第一尖峰值表示信號從換能器12a至接收器12b的飛行時間。峰值的尖銳度是由於如上文討論的高處理增益而引起的，並且能夠易於確定。互相關信號處理68是在所接收的原始信號66上的顯著改進，因此改進了聲音速度的測量。
[0047]時間測量(到互相關68中的第一峰值的時間)包括通過容器壁的聲音傳播時間(對於本測量的薄管道壁是微不足道的)，並且通常被考慮在精確的流體聲音速度測量的推導中。在互相關68中來自於在管道的相對壁內的多個反彈的隨後的峰值可用來獲得聲音速度的附加測量。例如，第二峰值與第一峰值之間的時間差或任意連續的兩個峰值之間的時間差是聲音在流體中傳播所花時間的兩倍，並且不包括在管道壁中花費的任何時間。因此，為了在聲音速度測量中更高精度，可以使用所有所觀察到的峰值之間的時間，因為這提供了可以被平均的多個測量量。
[0048]在圖2中示出了用於包括在聲音速度的測量中隨後的回波的另一個方法。相對峰值指標來繪製針對每個峰值的時間，其中，每個回波被編號。每個回波花費有限的時間以在內表面與外表面之間的管道壁中且通過液體來回反彈，這個時間對於所有的回波是固定的。因此，對於數據的線性最小二乘擬合提供了作為斜率的飛行時間測量量。這與確定每個連續的回波之間的平均時間是等同的，但卻是更簡單的方式。在該情況下，路徑長度是2cm，並且對應於通過管道的往返時間的斜率是26.866 (擬合的相關係數=1.0)。這給出了對於水的1487.7m/s的聲音速度，這與文獻中給出的值相比效果更好。
[0049] 上述討論示出了如何使用頻率啁啾法非侵入性且快速地進行聲音速度的精確測量。整個測量在小於200 μ s內執行。對於快速流經管道的液體，可易於在高精度的情況下快於50 μ s地進行測量。該測量時間在實踐中可以減小到10 μ S，而不顯著影響測量精度，該測量時間對於通常的石油在從井下儲油層抽出期間流經管道而言是足夠迅速的，任何小體積的液體在換能器之間的活動區內已經移動小於1mm，並且可以獲得聲音速度的瞬時測量。
[0050]用於確定聲音速度的另一方法是將所接收到的信號(或互相關信號)快速傅立葉變換至頻域70。該頻譜示出了在頻率中的相等間隔的峰值(Λ f)，其直接與聲音的速度有關:聲音速度=2X液體路徑長度X Δ?。所觀察到的頻譜反映了所使用的換能器的帶寬，並且示出了在中心的兩側上的幅度下降。因為將峰值間隔而非幅度用在聲音速度的確定中，該影響並不會改變針對聲音速度所獲得的值。從圖1C中測量到的Af的值是37.45kHz,其導致對於水的1486m/s的聲音速度。在2cm直徑、充入水的且壁厚Imm的鋼管中進行這些測量以說明該測量。
[0051]該頻譜法不提供新的信息，但是常常比從時間繪圖或相關繪圖獲得的數據容易處理得多。在頻譜的情況下，許多峰值可用於確定頻率間隔且可以獲得良好的平均值。為了使用頻譜法，在原始記錄的所接收的換能器信號中必須存在回波。當駐波(諧振)形成在由容器的相對壁形成的流體容器腔內時生成這樣的回波。在由Dipen N.Sinha等在2011年 9 月 6 日提交的專利申請號的「Method For Noninvasive Determination Of AcousticProperties Of Fluids Inside Pipes」(代理人案號 N0.LANS.24USU1; S-121, 335)中可以找到關於數據分析的額外信息，為了該專利申請公開和教導的一切，其全部內容通過參考併入本文中。
[0052]還可以通過測量在整個頻率範圍上的每個峰值的峰值寬度Λ f從頻譜中確定液體中的聲音衰減量。這允許確定在流體中取決於頻率的聲音衰減量，這有助於液體成分的確定。替代的方案是通過觀察峰值幅度衰減量來從互相關中確定液體衰減量。圖3示出了作為峰值指標的函數的峰值幅度(實心圓)。實線是對實驗數據的指數擬合。因為路徑長度是已知的，可以從用於擬合的指數中確定聲音衰減量。
[0053]對於具有厚壁的管道或容器，在壁的厚度中的多次反射或鳴響使得飛行時間的測量更困難，並且傳統的方法不提供精確的測量。鳴響可以視作壁的厚度模式諧振。圖4示出了在具有1/4英寸壁厚的3英寸直徑(ID)的鋼管中通過按60-40比的油和水的混合物的典型的啁啾測量。用來獲得該跟蹤的裝置與圖1C中示出的裝置相似。施加至發射換能器的發射啁啾信號的頻率範圍以100 μ s的持續時間處於約I與約4MHz之間，為清楚起見，該發射啁啾信號的頻率範圍如沿著縱軸轉化的那樣示出，另外，它環繞零軸對稱。啁啾信號的中部的幅度的略微下降是由於換能器阻抗加載而引起的。因為在管道內部穿過流體的傳播時間，所接收的信號示出了約53 μ s的延遲。所接收的信號示出了強的幅度調製，這是由於管道壁的聲音傳輸特性所引起的。
[0054]圖5在此示出了作為圖4中示出的啁啾信號的頻率的函數的所測量的壁的聲音傳輸。因為每個壁的厚度模式諧振依次通過頻率啁啾信號計時匹配，發射信號到達最大值，隨後減小，從而產生所觀察的調製圖形。每當進行通過厚壁的非侵入性測量時，就存在這樣的影響。為了確定飛行時間，可以利用上文描述的互相關法。如可以從圖6中觀察到的，接收信號和發射信號的互相關顯著地提高了信噪比。從由箭頭表示的第一峰值獲得飛行時間。雖然在此從圖5中，回波是僅僅可勉強辨別的，但是互相關信號處理提取了回波。因此，使用互相關的精確的聲音速度和聲音衰減量的確定可用於厚壁。
[0055]對於諸如油-水和少量氣之類的2相系統,聲音速度和聲音衰減量可以用於流體組成確定。聲音衰減量對於具有少量水存在的高含水量的情況是特別有價值的。圖7示出了關於聲音速度與用於水和礦物油的混合物的含油量之間的關係的數據。根據下式，混合物的聲音速度與油的體積分數Φ有關:
[0056]速度混合物=Φ.速度油+ ( 1_Φ ).速度水
[0057]該關係式提供了如圖7中所示的實際測量的良好表示。因為聲音速度和液體密度兩者都受溫度的影響，所以實際依存度取決於溫度。典型地，在100%的油和100%採出水這兩者的樣品中測量聲音速度和聲音衰減量的溫度依存度提供了用於精確組成的確定的適當校準(3%的精度)，並且對於高含水量測量，該精度可以實際上等於0.1%，因為在高含水量的情況下，聲音傳輸是強的，並且容易檢測到多個回波，這允許更加精確地確定聲音速度和聲音衰減量。當在液體中存在氣體時，這種方法對於確定流體組成是有價值的，雖然存在氣體的量應當不夠大，以致於沒有聲音傳輸通過流體；例如，如果管道完全充入氣體且沒有液體存在。
[0058]圖8示出了在3.7英寸管道中的水中進行測量期間的氣體流動的影響。圖8的底部示出了僅僅有水而沒有氣體流動的情況下的數據。可以容易觀察到在互相關繪圖中的測量中的多個回波，在該互相關繪圖中，y軸是相關幅度的包絡。示出的數據表示10個測量量的平均。圖8的上部示出了在氮氣以650cc/min的速率流經2英寸直徑的鋼管的情況下的測量。也可以在具有90%的水和10%的原油的油/水組成的3英寸直徑管道中重複這些測量，具有相似的結果。由於聲音被氣泡散射，所以主要的影響是減小的信號幅度以及較少的回波數量。然而，如可以從圖8中垂直的虛線所觀察的，飛行時間保持不變。因此，聲音速度和由此的流體組成可以如上文描述的那樣來確定。在產油井中的典型的油/水流動中，除非該井是重氣體生產井，流動處於泡沫流態，其中，小的氣泡正流過該井。這些井通常使用靜態混合器以打碎氣體中的大氣泡或大體積。在典型的聲測量期間，發射器/接收器換能器的對之間的路徑不總是完全被氣泡阻塞，因為這些氣泡正流過所述井，並且因此，如果對測量值進行平均，則結果並未顯示出因為氣體的存在而帶來的有害影響，所存在的氣體按體積計在約40%體積的一定體積分數以下。如果氣體體積是適中的，則飛行時間在流體組成變化時而變化，而並不是因為氣體的存在而變化。如果迅速順序地施加多個啁啾並且對所接收的信號進行平均，則將提高測量質量。上文描述的裝置允許對這樣速射(rapidfire)信號進行平均。例如，來自10個啁啾的數據可以在DSP中在小於2ms內被平均。以下將討論氣體體積的確定。
[0059]B.液體密度的確定
[0060]圖6中的相關信號的包絡在此顯得不對稱，帶有較長的尾部和較快的上升時間。這是由於如上文討論的壁內的多個反射所引起的。衰減形狀包含關於聲音傳輸通過固-液界面並因此在壁與容器(管道)內的液體之間的聲阻抗失配的信息。因為容器材料是已知的，且液體的聲音速度可以根據互相關來確定，唯一未知的是液體密度。隨著界面處的每次反射，觀察到發射信號在幅度上減小；相關信號的衰減的包絡因此提供了關於液體密度的信息，這是時域密度確定。
[0061]用於監控液體密度的更容易的方案是在頻域中分析。當管道內的流體不允許任何或多個聲音傳輸時(這出現在高含油量和大直徑管道)，該方法是有利的。該方法利用液體與管道壁的直接接觸，並且不要求聲音傳輸至管道的相對側。可以在管道的一側使用雙元件換能器或單個換能器。在雙元件換能器的情況下，一個元件用作發射器，而另一個元件用作接收器。典型地，標準都卜勒換能器對於該目的工作良好，其中，所採用的電子電路在圖1C中示出。另一方法是測量單個換能器的電阻抗。在任意一種情況下，監控壁諧振峰中的一個的幅度(參見圖5)。該測量由頻率掃描(頻率調製)來進行，其中，頻率在包圍諧振峰的小的頻率範圍上變化。記錄響應的包絡。通過壁的聲音洩露到液體中，洩露量取決於壁材料與液體之間的聲阻抗(Z=密度X聲音速度)失配。這將影響在壁厚度內產生的駐波，因為在一個方向上行進的波僅部分地與反射的波幹涉，所反射的波轉而影響諧振峰的幅度。在空氣或氣體出現在管道中的情況下，大部分信號被俘獲在壁中，且諧振峰具有最大的幅度。然而，因為液體聲阻抗增加且接近壁材料的阻抗，諧振峰的幅度根據界面的反射係數(R)而減小，並由下式給出:
【權利要求】
1.一種用於非侵入性測量多相流體的多個獨立的物理參數的系統，所述多相流體包括在具有壁、外表面以及軸的管道中流動的至少一個液體成分和氣泡，所述系統包括: 第一發射換能器，其與所述管道的所述外表面超聲通信； 第一波形產生器，其產生用於驅動所述第一發射換能器的頻率啁啾信號； 與所述管道的外表面超聲通信的第一接收換能器，其與所述第一發射換能器完全相對，以用於在所述啁啾信號經過所述多相流體之後接收來自所述第一發射換能器的所述頻率啁啾信號並用於產生響應所述頻率啁啾信號的第一電信號； 用於接收來自所述第一接收換能器的所述第一電信號以及由所述波形產生器產生的所述頻率啁啾信號並用於由此產生聲音的速度和聲音衰減量信息的模塊，根據所述聲音的速度和聲音衰減量信息來確定所述多相流體的至少一個成分的組成； 第二發射換能器，其與所述管道的外表面超聲通信； 與所述管道的外表面超聲通信的第三發射換能器，其設置在沿著所述管道的軸距所述第二發射換能器的已知距離處； 第二波形產生器，其用於產生第一固定頻率信號來驅動所述第二發射換能器和所述第三發射換能器； 與所述管道的外表面超聲通信的第二接收換能器，其與所述第二發射換能器完全相對，以用於在所述第一固定頻率信號經過所述多相流體之後接收來自所述第二發射換能器的所述第一固定頻率信號，並且用於產生響應所述第一固定頻率信號的第二電信號； 與所述管道的外表面超聲通信的第三接收換能器，其與所述第三發射換能器完全相對，以用於在所述固定頻率信號經過所述多相流體之後接收來自所述第三發射換能器的所述第一固定頻率信號，並且用於產生響應所述第一固定頻率信號的第三電信號； 用於接收所述第二電信號和所述第三電信號的模塊，由此，在所述流體中影響所述第二電信號的幹擾將在一段時間以後影響所述第三電信號，根據所述幹擾來計算所述多相流體的流速； 第四發射換能器，其與所述管道的外表面超聲通信； 第三波形產生器，其用於產生第二固定頻率信號來驅動所述第二發射換能器； 與所述管道的外表面超聲通信的第四接收換能器，其設置在所述第四發射換能器的附近的沿著所述管道的軸的與所述第四發射換能器相同的位置處，以用於接收源自所述氣泡的反射的都卜勒頻移第二固定頻率信號，並且用於產生響應所述都卜勒頻移第二固定頻率信號的第四電信號；以及 用於接收所述第四電信號和來自所述第三波形產生器的所述第二固定頻率信號且用於確定所述都卜勒頻移第二固定頻率信號的信號強度的模塊，根據所述信號強度來確定所述氣泡的體積。
2.根據權利要求1所述的裝置，還包括:溫度傳感器，用於確定所述多相流體的溫度以校正所測量的聲音的速度。
3.根據權利要求1所述的裝置，其中，所述第一發射換能器、所述第一接收換能器、所述第二發射換能器、所述第二接收換能器、所述第三發射換能器、所述第三接收換能器、所述第四發射換能器以及所述第四接收換能器包括壓電換能器。
4.根據權利要求3所述的裝置，其中，所述第四發射換能器和所述第四接收換能器包括雙元件換能器。
5.根據權利要求1所述的裝置，還包括用於確定所述多相流體對所述管道的壁的厚度模式諧振的影響的模塊，由此確定所述多相流體的密度。
6.根據權利要求1所述的裝置，還包括用於確定源自所述氣泡的反射的所接收的都卜勒頻移第二固定頻率信號的頻移的模塊，由此確定所述多相流體的流速。
7.根據權利要求1所述的裝置，其中，用於接收來自所述第一接收換能器的所述第一電信號以及由所述波形產生器產生的頻率啁啾的模塊對其執行互相關和快速傅立葉變換。
8.根據權利要求1所述的裝置，其中，所述多相流體的至少一個成分包括液態烴或油、和水，並且所述氣泡包括至少一種烴。
9.根據權利要求1所述的裝置，其中，所述頻率啁啾信號包括在約IOOkHz與約IOMHz之間的頻率。
10.根據權利要求9所述的裝置，其中，所述頻率啁啾信號具有在約IOyS與IOms之間的持續時間。
11.根據權利要求1所述的裝置，其中，所述幹擾包括在所述多相流體中的局部不均勻。
12.根據權利要求11所述的裝置，其中，所述局部不均勻包括在所述多相流體中的密度波動和氣泡。
13.一種用於非侵入性測量多相流體的多個獨立的物理參數的方法，所述多相流體包括在具有壁、外表面和軸的管道中流動的至少一個液體成分和氣泡，所述方法包括: 產生頻率啁啾信號，以用於驅動與所述管道的外表面超聲通信的第一發射換能器；在所述啁啾信號經過所述多相流體之後，在第一接收換能器上接收所產生的頻率啁啾信號，並且產生響應所述頻率啁啾信號的第一電信號，與所述管道的外表面超聲通信的所述第一接收換能器與所述第一發射換能器完全相對； 接收所述第一電信號和所產生的頻率啁啾信號，並且由此產生聲音的速度和聲音衰減量信息，根據所述聲音的速度和聲音衰減量信息來確定所述多相流體的至少一個成分的組成； 產生第一固定頻率信號，以用於驅動與所述管道的外表面超聲通信的第二發射換能器以及與所述管道的外表面超聲通信的第三發射換能器，所述第三發射換能器設置在沿著所述管道的軸距所述第二發射換能器的已知距離處； 在所述第一固定頻率信號經過所述多相流體之後，在第二接收換能器上接收所述第一固定頻率信號，並且產生響應第一固定頻率信號的第二電信號；與所述管道的外表面超聲通信的所述第二接收換能器與第二發射換能器完全相對； 在所述第一固定頻率信號經過所述多相流體之後，在第三接收換能器上接收所述第一固定頻率，並且產生響應所述第一固定頻率的第三電信號，與所述管道的外表面超聲通信的所述第三接收換能器與所述第三發射換能器完全相對； 接收所述第二電信號和所述第三電信號，並且根據在流體中影響所述第二電信號並在一段時間以後影響第三電信號的幹擾來計算所述多相流體的流速； 產生第二固定頻率信號，以用於驅動與所述管道的外表面超聲通信的第四發射換能器；在第四接收換能器上接收源自所述氣泡的反射的都卜勒頻移第二固定頻率信號，並且用於產生響應所述都卜勒頻移第二固定頻率信號的第四電信號，與所述管道的外表面超聲通信的所述第四接收換能器設置在所述第四發射換能器的附近的沿著所述管道的軸的與所述第四發射換能器相同的位置處；以及 接收所述第四電信號和所述第二固定頻率信號，並且確定所述都卜勒頻移第二固定頻率信號的信號強度，根據所述信號強度來確定所述氣泡的體積。
14.根據權利要求13所述的方法，還包括的步驟為:確定所述多相流體的溫度；並且校正所測量的聲音的速度。
15.根據權利要求13所述的方法，其中，所述第一發射換能器、所述第一接收換能器、所述第二發射換能器、所述第二接收換能器、所述第三發射換能器、所述第三接收換能器、所述第四發射換能器以及所述第四接收換能器包括壓電換能器。
16.根據權利要求15所述的方法，其中，所述第四發射換能器和所述第四接收換能器包括雙元件換能器。
17.根據權利要求13所述的方法，還包括的步驟為:確定所述多相流體對所述管道的壁的厚度模式諧振的影響，並且由此確定所述多相流體的密度。
18.根據權利要求13所述的方法，還包括的步驟為:確定源自所述氣泡的反射的所接收的都卜勒頻移第二固定頻率信號的頻移；並且由此確定所述多相流體的流速。
19.根據權利要求13所述的方法，其中，所述接收來自所述第一接收換能器的所述第一電信號以及所述頻率啁啾信號的步驟包括對其進行互相關和快速傅立葉變換。
20.根據權利要求13所述的方法，其中`，所述多相流體的至少一個成分包括液態烴或油、和水，並且所述氣泡包括至少一種烴。
21.根據權利要求13所述的方法，其中，所述頻率啁啾信號包括在約IOOkHz與約IOMHz之間的頻率。
22.根據權利要求21所述的方法，其中，所述頻率啁啾信號具有在約10μs與IOms之間的持續時間。
23.根據權利要求13所述的方法，其中，所述幹擾包括在所述多相流體中的局部不均勻。
24.根據權利要求23所述的方法，其中，所述局部不均勻包括在所述多相流體中的密度波動和氣泡。
25.一種用於非侵入性測量多相流體的多個獨立的物理參數的方法，所述多相流體包括在具有壁、外表面和軸的管道中流動的至少一個液體成分和氣泡，所述方法包括: 在所述多相流體中產生超聲頻率啁啾信號； 在啁啾信號經過所述多相流體之後，接收所產生的頻率啁啾信號，並且產生響應所述頻率啁啾信號的第一電信號； 接收所述第一電信號和所產生的頻率啁啾信號，並且由此產生聲音的速度和聲音衰減量信息，根據所述聲音的速度和聲音衰減量信息來確定所述多相流體的至少一個成分的組成； 在所述多相流體中產生第一固定超聲頻率信號和第二固定超聲頻率信號，所述第二固定超聲頻率信號設置在沿著所述管道的軸距所述第一固定超聲頻率信號的已知距離處；在所述第一固定頻率信號經過所述多相流體之後，接收所述第一固定頻率信號，並且產生響應所述第一固定頻率信號的第二電信號； 在所述第二固定頻率信號經過所述多相流體之後，接收所述第二固定頻率信號，並且產生響應所述第二固定頻率信號的第三電信號； 接收所述第二電信號和所述第三電信號，並且根據在流體中影響所述第二固定頻率電信號並在一段時間以後影響所述第三電信號的幹擾來計算所述多相流體的流速； 在所述多相流體中產生第三固定超聲頻率信號； 接收源自所述氣泡的反射的都卜勒頻移第三固定頻率信號，並產生響應所述都卜勒頻移第三固定頻率信號的第四電信號；以及 接收所述第四電信號和所述第三固定頻率信號，並且確定所述都卜勒頻移第二固定頻率信號的信號強度，根據所述信號強度來確定所述氣泡的體積。
26.根據權利要求25所述的方法，還包括以下步驟:確定所述多相流體的溫度；並且校正所測量的聲音的速度。
27.根據權利要求25所述的方法，還包括以下步驟:確定所述多相流體對所述管道的壁的厚度模式諧振的影響，並且由此確定所述多相流體的密度。
28.根據權利要求25所述的方法，還包括以下步驟:確定源自所述氣泡的反射的所接收的都卜勒頻移第二固定 頻率信號的頻移；並且由此確定所述多相流體的流速。
29.根據權利要求25所述的方法，其中，所述接收來自所述第一接收換能器的所述第一電信號以及所述頻率啁啾信號的步驟包括對其執行互相關和快速傅立葉變換。
30.根據權利要求25所述的方法，其中，所述多相流體的至少一個成分包括液態烴或油、和水，並且所述氣泡包括至少一種烴。
31.根據權利要求25所述的方法，其中，所述頻率啁啾信號包括在約IOOkHz與約IOMHz之間的頻率。
32.根據權利要求31所述的方法，其中，所述頻率啁啾信號具有在約10μs與IOms之間的持續時間。
33.根據權利要求25所述的方法，其中，所述幹擾包括在所述多相流體中的局部不均勻。
34.根據權利要求33所述的方法，其中，所述局部不均勻包括在所述多相流體中的密度波動和氣泡。
【文檔編號】G01N29/02GK103733061SQ201180048126
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2011年9月6日 優先權日:2010年9月3日
【發明者】D·N·森哈 申請人:洛斯阿拉莫斯國家安全股份有限公司