使用差压测量气-液混合物中的层状液体流或环形液体流的特性

摘要

本发明公开了一种用于测量输送烃的管内的多相混合物的流动特性。本发明实施例使用在相分离流型下流动的多相混合物的差压测量值以分析多相混合物的液相的特征。可以通过使多相混合物在大致水平管道或使多相混合物涡动来提供相分离流型。差动测量值与来自其它传感器(例如，超声波传感器、微波传感器、密度计和/或类似装置)的组合可以提供多相流测量(例如，不同相的流量或音速的确定)。

说明书

相关申请的交叉引用

本申请主张2007年9月18日提出申请的待审美国临时申请No.60/973,362的权益，并且是所述申请的继续申请，该申请通过引用在此特别地全文并入。

本申请涉及与本申请同一天提出申请的题为“MULTIPHASE FLOWMEASUREMENT”的美国专利申请No._(代理人案号暂时为No.57.0754US NP)，该申请通过引用在此全文并入。

2001年6月4日提出申请的美国专利No.6,758,100和美国专利申请No.12/048,831特别地通过应用在此全文并入本申请。

技术领域

本公开总体涉及对油气井的多相流测量，但不以限制性的方式涉及对各个相的精确测量。

背景技术

大多数油气井最终从地球地层开采油和气，并且通常还开采水。因此，多相流在油气井中是普遍的。油气生产井的地面监测往往趋向于在气体体积分数(GVF)的宽范围内计量多相流。

计量多相流的两个现有方法是分离和混合方法。分离方法用于将流动分成在分离导管内流动的几乎液体流和几乎气体流，然后使用单相流量计分别计量分离流。混合方法试图最小化不同相之间的滑脱，使得可以简化速度和滞留量测量。

具有侵入到流动内测量管内的流量的流量计。由于侵入到流动内，因此流动可能被阻碍，并且传感器可能被堵塞。在具有流量计的管运行之后，对所述管进行改型是有问题的。有时，在此过程中烃的开采被中断。

在分析数据以得到流量期间对用于测量多相流的液相中的流量的方法做了一些假设。例如，气-液界面的高度或液相中的音速可以被估计使得可以进行计算。由于没有关于各种参数的精确信息，因此将一定量的误差引入到这些流量确定中。

发明内容

本发明的实施例用于测量输送烃的管内的多相混合物的流动特性。本发明实施例使用在相分离流型下流动的多相混合物的差压测量值以分析多相混合物的液相的特征。可以通过使多相混合物在大致水平管道或使多相混合物涡动来提供相分离流型。差动测量值与来自其它传感器(例如，超声波传感器、微波传感器、密度计和/或类似装置)的组合可以提供多相流测量(例如，不同相的流量或音速的确定)。

在一个实施例中，本公开提供了一种用于确定在层流管中流动的多相混合物的流动特性的方法。所述方法包括以下步骤：使多相混合物在相分离流型下通过管，其中，相分离流型分离多相混合物的液相和多相混合物的气相；测量管段直径两端的差压；以及使用气相的密度、液相的密度和测量差压以确定在管内流动的多相混合物的液相的液层厚度。

在另一个实施例中，本公开提供了一种用于确定在层流管中流动的多相混合物的流动特性的系统。所述系统包括超声波换能器、差压传感器和处理器。超声波换能器被构造成在不需要侵入到层流内的情况下操作性地接合管，并且测量管内的速度。差压传感器被构造成在两个点处与管操作性地接合，以测量两个点之间的流动压差。处理器被构造成使用差压确定管内的气-液截面的高度，并且使用速度和高度计算管内的液体流。

在另一个实施例中，本公开提供了一种用于测量包括在层流管中流动的烃的多相混合物的流动特性的方法。在一个步骤中，对管的两个点之间的差压进行取样。在不需要侵入到层流内的情况下测量层流的气体速度和/或液体速度。使用气体速度和/或液体速度和高度计算管内的液体流。

本公开的进一步应用领域从以下提供的详细说明清楚可见。应该理解的是虽然示出了各种实施例，但是详细说明和具体示例仅仅是出于说明的目的，并且不旨在必然限制本公开的保护范围。

附图说明

以下结合附图说明本发明，其中：

图1A和图1B示出了多相流测量系统的实施例的方框图；

图2A和图2B示出了详细显示多相流测量系统的部件的管结构的实施例的正视图；

图3A和3B示出了管结构的实施例的横截面俯视图，其中所述横截面位于与管道内的流动大致对齐的垂直平面内；

图4A-4D示出了管结构的实施例的横截面俯视图，其中所述横截面位于大致平行于气-液截面的平面内；和

图5示出用于测量管道内的多相烃流的过程的实施例的流程图。

在附图中，类似的部件和/或特征可以具有相同的附图标记。此外，相同类型的各种部件可以通过在附图标记之后具有虚线和在类似部件中进行区别的第二标记来区别。只要在说明书中使用第一附图标记，则不管第二附图标记，说明适用于具有相同的第一附图标记的类似部件中的任一个。

具体实施方式

随后的说明仅提供了优选的示例性实施例(一个或多个)，并且目的不是限制本公开的保护范围、适用性或结构。相反，优选的示例性实施例(一个或多个)的随后说明将为本领域的技术人员提供用于能够实施优选的示例性实施例的说明。要理解的是在不背离如所附权利要求所述的精神和保护范围的情况下可以对元件的功能和布置做各种改变。

在烃开采期间普遍产生多相流。液相可以包括烃、水和/或各种污染物。一些方法基于一个或多个超声换能器，所述一个或多个超声换能器将脉冲发射到液相以根据传播时间测量值确定气-液界面的高度。多普勒可以用于确定流动的方向和速度。这些测量值使用音速值，但是即使音速的典型值随液相的组成变化，一些方法也可估计音速的典型值。

一方面，压力感测用于得到管道内的压力差。压力受多相流的组成的影响。管道的底部与顶部之间的压差用于确定气-液界面的高度。基本上，压差允许对多相流动进行计量。对气体流和液体流的假设和测量允许对气-液界面的高度进行估计。

如本申请中所述，对多相混合物的流动特性的测量具有显著的重要性，尤其是近年来在油气行业中。目前，已经开发了许多方法和系统，并且投入大量时间和费用来开发对多相混合物的相的流动特性的测量。在本申请中，说明了通过在管中产生水平层流或产生漩涡层流并且使用差压传感器以询问所述流动并且尤其确定液相的流动特性(例如，液相厚度)来控制多相混合物流的流型的方法和系统。这种意外的开发可以导致较低的制造成本和/或更加精确的多相流量计。

在本发明的一个实施例中，超声波脉冲多普勒换能器绕管道的圆周布置在多普勒阵列中以测量气-液流。另外，在一些实施例中，多普勒阵列可以用于估计水/液态烃比(WLR)测量值。

在相同气体体积分数(GVF)值的情况下，水平流的液相与气相之间的滑脱速度非常不用于垂直流的液相与气相之间的滑脱速度。通常，水平情况下的滑脱要大得多。这表示即使在相同的GVF情况下，水平情况下的持液率通常比垂直情况下的持液率要大得多。因此，水平流的流型图非常不同于垂直流的流型图。

申请人已经确定对于GVF＞0.95并且液体流量＜3m³/hr来说持液率通常是含液量的15倍。这表示如果液体流量是总流量的1％，则持液率是15％。因此，重力分离有助于产生朝向水平管的下部的液体富集区和在所述水平管的下部的上方的气体富集区。已知这种流动中的相分布，申请人提出了对于不同相域可以对各种速度和滞留量测量值进行优化。

可以通过使用可以绕管子孔径的适当高度安装以确保对仅气体/气体富集区进行测量的气体流量计(例如，超声波气体流量计)来测量气体速度。可以通过绕管的圆周安装的超声波多普勒换能器的阵列来测量液体流动速度和持液率。可以使用至少一对电磁微波发射器和接收器进一步表征液相中的WLR，所述电磁微波发射器和接收器的传输路径主要被朝向管底部的液体富集区覆盖。流量计可以绕一段直管道安装，并且可以使用非侵入式传感器，因此对流动没有干扰。

在本发明的一个实施例中，超声波夹紧式传播时间气体流量计和距离选通超声波多普勒换能器可以用于测量水平或近似水平生产管道中的层状气-液流的气体流动速度和液体流动速度。超声波多普勒换能器可以在下侧安装在管处以测量主要液层的流动速度和厚度(因此体积分数)。可以由其中距离选通多普勒能量处于最大值时的时滞测量值估计液层厚度。然后，在不需要侵入到管道内的生产流内的情况下，可以由上述气-液速度和液体分数测量值确定气体流量和液体流量。

在一些方面中，传播时间(气体)和多普勒(液体)流动速度和滞留量测量值还可以用于推导普遍的流型信息(从流型图)，因此有助于使用更多流型具体相关的气-液速度滑脱，用于可选地确定气-液流量。液相中的音速的估计允许超声波测量值更加精确。

在层流流型中，夹紧式超声波气体流量计可以与脉冲多普勒传感器(一个或多个)和/或微波EM传感器(一个或多个)一起使用以测量在管道中流动的多相(气-液)混合物的流动特性。为了使这种测量值精确并且稳健，理想的是尽可能精确地测量气-液层流的液体部分的厚度。因而，本发明的实施例用于使用可以与其它超声波测量结合使用的差压测量来独立地测量液层厚度。本发明的实施例可以用于层流(例如，所述层流可以在近似水平流中得到)和/或包括液体环状空间(或环空)和气芯的流型(例如，所述流型可以通过在气体液体中产生漩涡型流动而产生)。

对于垂直于流动方向的超声波束来说，通过速度v和厚度h进行流动液层的超声波测量：

其中t＝测量的时滞，c_液体＝液体音速

多普勒：v(深度＝T*c_液体)∝多普勒频移*c_液体

其中T＝选通时间

传播时间：v＝v(c_液体，h，t)

超声波测量的组合可以给出液体膜速度、液体音速和液层厚度。然而，当假定用作到以上方程的输入(例如，液层中的音速)时，这些参数的相关性使得难以进行精确测量。本发明说明了使用可以与各种超声波测量结合使用的差压测量对液层厚度进行独立测量。流型是层流和通过使流体涡动而产生的液体环状空间和气芯。

原理包括测量水平管的直径两端的差压，在所述水平管中具有分层气-液流或通过使流动涡动而产生的液体环状空间和气芯。气体和液体密度的先验测量或估计允许确定液层厚度。一些实施例可以通过传感器测量气相和液相的密度或进行周期性测量。

如在本发明的一些实施例中所提供的，测量垂直于流动速度的差压的优点在于在此实施例中几乎或者不需要考虑摩擦压降。

在水平管的直径D两端测量的差压ΔP为：

层流：ΔP＝g(h(ρ_液体-ρ_气体)+Dρ_气体)

环形流：ΔP＝g(2h(ρ_液体-ρ_气体)+Dρ_气体)

可以测量直径或者对于标准管尺寸来说所述直径是已知的。一些实施例可以使用超声换能器(一个或多个)以自动确定直径。

给定液体密度和气体密度，可以由以上公式确定液层厚度。仅以示例的方式，在各种实施例中，气相和液相的密度可以由辐射量测量值、文丘里管型测量值、微波测量值和/或类似测量值自动确定。

如果水-液体比不是已知的，则当WLR＝0.5时可以提供液体密度的估计。其它实施例可以使用通过EM微波装置确定的WLR值。

对于差压测量值的不确定性来说，厚度测量值的不确定性为：

在10毫巴范围内，Honeywell STD110差压传感器的精度为±0.01毫巴。如果用于这些类型的测量，则这使得h的精度为～0.07mm。其它实施例可以使用其它差压传感器。

首先参照图1A，示出了多相流测量系统100-1的实施例的方框图。多相流测量系统100测量液相的流动。与本说明书中的其它地方一起，此实施例至少在图1A、2A、4A和4C中进行了各种说明。此实施例包括超声波脉冲多普勒换能器120、差压传感器116、处理器110、和接口端口114。一旦安装，在不需要侵入到管道内的流动的情况下可以自动分析流动。

超声波脉冲多普勒换能器120在此实施例中是距离选通式。多普勒换能器120可以在1MHz下运行，以例如测量主要液层的流动速度。此实施例将超声波脉冲多普勒换能器120在下侧夹在管上，以测量在管底部处流动的主要液层的流动速度。另外，还可以由超声波脉冲多普勒换能器120确定液-气界面的液位或高度。管的内横截面面积可以由超声波管壁厚度计来测量，或者利用来自超声波脉冲多普勒换能器120的读数来估计。内横截面面积与流动速度和滞留量测量值一起使用以确定每单位时间通过管道的液体、烃、和/或气体的体积。

差压传感器116在两个点处连接到管以测量所述两个点之间的压差。在此实施例中，压力传感器的一端连接到水平构造管道的底部，而另一个传感器连接到管道的顶部。压差基本上与管道内的成分的重量相对应。通过对相的密度的假设或测量可以确定液-气界面的高度。其它实施例可以使用不同的几对压力测量以为在管道中的压差采集更多的数据点。

处理器110构造有从采集的信息自动确定一些参数的状态机和/或软件。另外，通过处理器110驱动和读取各种传感器和换能器。可以通过处理器110确定气气体流、液体流和烃流和体积。多相流测量系统100的任何输入或输出通过接口端口114。一些实施例可以包括显示结果和测量值的显示器，但是此实施例仅仅将信息从接口端口114传播到数据记录装置。

参照图1B，示出了多相流测量系统100-2的另一个实施例的方框图。与在本说明书的其它位置一起，此实施例至少在图1B、2B、4B和4D中进行了各种说明。此实施例使用被布置成多普勒阵列122的多个超声波脉冲多普勒换能器120以允许比当如在图1A的实施例中使用单个换能器120时更加准确的读数。在本发明的一些方面中，换能器120在多普勒阵列122中的空间分布可以使得绕水平管的下部密集，以更好地提供液-气界面检测分辨率。

当在邻近于多普勒换能器120的管内只有液体膜时，反射明显不同于多普勒换能器120邻近于液相的情况。当多普勒换能器120邻近于液相时，反射的多普勒能级更高。在此实施例中，通过注意多普勒换能器120中的一个似乎更邻近于膜而不是邻近于液相，可以进一步估计液-气界面。此外，可以通过使用多普勒阵列122提高其它超声换能器读数。

参照图2A，示出了详细显示多相流测量系统100-1的部件的管结构200-1的实施例的正视图。管道204由布置成圆柱形形状的塑料衬管208制成。被液-气界面230分离的液相240和气相250位于管道内。此实施例使用位于管道204的底部处的单个超声波脉冲多普勒换能器120。差压传感器116从顶部到底部连接在管道204两端。

以下参照图2B，示出了详细显示多相流测量系统100-2的部件的管结构200-2的另一个实施例的正视图。此实施例具有沿圆周方向布置在管道204的前侧的多个超声波脉冲多普勒换能器120。另外的超声波脉冲多普勒换能器120允许更加准确的读数。此外，当具有绕管道204的圆周布置的多普勒阵列122时，可以以大致更好的精度来确定液-气界面的高度。虽然此实施例将多普勒阵列122布置在管道204的一侧，但是其它实施例可以大致沿圆周方向布置多普勒阵列122，从而横过管道204的底部部分。

参照图3A，示出了管结构200的实施例的横截面俯视图，其中所述横截面位于大致与管道204中的流动对齐的垂直平面内。在此实施例中，多相流被水平分层成在管道204的底部处的液层240和在管道204的顶部处的气相。在塑料衬管208的底部处详细示出了超声波脉冲多普勒换能器120。

顶部室308-1和底部室308-2每一个都压力连接到管道204的内部。室308定位在垂直直径上以在靠近顶部和底部处接合管道204。通过将管连接到每一个室308，可以将压力连接到差压传感器116。每一个室308都通过适于作为隔离板以使污染物不进入室308内的隔膜304与管道的成分分离。室和附属管可以装有惰性气体或隔离流体。

虽然未示出，但是一些实施例可以增加或减小管道204的内径。减小内径会增加流量，而增加内径会减小流量。各种实施例可以增加在靠近室308处具有直径增加或减小段。

接下来参照图3B，示出了管结构200的实施例的横截面俯视图，其中所述横截面位于大致与管道204内的流动对齐的垂直平面内。在此实施例中，液相靠近管道204的内部壁呈环形分布。涡动装置可以用于使液相240以环形方式分布。

参照图4A，示出了管结构200-1的实施例的横截面俯视图，其中，所述横截面位于大致垂直于管204内的流动的平面内。在此视图中仅示出了多相流测量系统100-1中的一些。超声波脉冲多普勒换能器120被示出为位于管道204的底部处，以尤其测量液相240的流动。还示出了压力连接到管道204的内部的室308。每一个室308都具有用于防止将室连接到差压传感器116的管子的堵塞的隔膜304。

接下来参照图4B，示出了管结构200-2的另一个实施例的横截面俯视图，其中所述横截面位于大致垂直于管204内的流动的平面内。此视图显示多相流测量系统100-2的多普勒阵列122。在此实施例中使用六个超声波脉冲多普勒转换器120。第五超声波脉冲转换器120和第六超声波脉冲多普勒转换器120位于气-液界面230的上方，而第四超声波脉冲多普勒转换器120-4位于下方。通过对来自这些换能器120的读数的分析，处理器可以确定气-液界面230在第四换能器与第五换能器之间。此外，在气-液界面230下方的其它转换器可以使用来自脉冲的反射估计所述高度。差压传感器116还可以用于估计气-液界面230的高度。

参照图4C，示出了管结构200-1的另一个实施例的横截面俯视图，其中所述横截面位于大致垂直于管204内的流动的平面内。在此实施例中多相流是环形。在此实施例中使用差压感测和单个脉冲多普勒换能器120以分析多相流。涡动装置插入到管道内以产生环形流。

接下来参照图4D，示出了管结构200-2的又一个实施例的横截面俯视图，其中所述横截面位于大致垂直于管204内的流动的平面内。与图4的实施例相同，此实施例使用环形流。此实施例将多普勒阵列122与差压传感器116一起使用以分析多相流。

参照图5，示出了用于测量管道204内的烃的多相流的特性的过程500的实施例的流程图。过程的说明部分从方框504开始，在方框504中，液相和气相240、250被分层。管204的水平截面可以用于进行分层，或者可以引入混合元件以使流动以环形方式涡动。在方框508中，流动的速度可以通过增加具有较大或较小直径段任选地增加或减小。

在方框512中，超声波脉冲多普勒换能器(一个或多个)120可以任选地测量液相240的流动。另外，超声波脉冲多普勒换能器(一个或多个)120可以使用反射、估计的音速和/或通过注意多普勒阵列122中的哪一个转换器120看起来没有被浸没来任选地测量气-液界面230的高度。另外，可以通过对来自超声波脉冲多普勒换能器(一个或多个)120的分析任选地确定WLR。

在方框516中，多普勒换能器(一个或多个)120允许对层流进行确认。在不能确认分离流型的情况下，处理进行到方框518，在方框518中，注意误差并且报道所述误差。在没有分离流型的情况下可以进行其它测量。在方框516中确定了分离流的情况下，处理进行到方框520。

在方框520中可以任选地使用EM微波元件用于估计WLR。在方框524中，气体流量计可以任选地测量气相250的速度。在步骤528中，室308之间的差压由差压传感器116来测量。在方框532中，可以利用剂量计测量气相和/或液相的密度。其它实施例可以使用试验、先验知识和模拟以得到气相和液相的密度。

在方框536中，处理器110使用差压、气体层的密度、和/或液层的密度确定气-液界面230的高度。在方框540中，可以进一步确定液相的流量、音速及其它参数。可以将确定的信息通过接口端口114转播给其它系统和/或被显示。

还可以使用公开的实施例的多个变化和修改。例如，对于给定多相流测量系统来说，各种流量计、阵列、换能器、传感器、发射器、和接收器可以以各种方式组合。另外，在各种实施例中传感器、探头和换能器的数量可以不同。

虽然以上已经结合具体设备和方法说明了本公开的原理，但是要清楚地理解仅仅是以示例的方式进行此说明，而不是限制本公开的保护范围。