专利名称：使用具有不同灵敏度深度的两个开端式同轴探头测量多相混合物中的液体的特性的系统 ...的利记博彩app
技术领域：
本公开总体涉及测量在管道在流动的多相混合物的特性，并且更具体地但不是限 制性地，本公开涉及使用具有不同灵敏度深度的探头测量多相混合物的液相的液体分数和 水液比。
背景技术：
在油气工业中，油气生产井的地面监测往往趋向于计量具有大范围气体体积流动 分数(GVF)的多相流。这种示例是所谓的湿气井，在所述湿气井中，GVF通常大于95%，而 液体流量通常不超过每天几百桶。对于这种生产井，通常需要测量气体流量和液体流量，以 及液相的成分，例如，水/液态烃比。对于具有GVF <95%的井来说，内嵌式(in-line)多 相流量计可以用于测量流动特性。然而，在GVF大于95%时，内嵌式计量可能是有问题的， 并且用于计量高GVF流的两种现有方法是分离和混合。分离方法用于使将要被测量/表征 的流动分成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，使得可以获得速度和滞留量测量值。现有方法能够为计量具有高GVF的气体流提供良好的精度，然而，液体流动特性 的测量可能不准确。现有方法的缺点还包括增加与分离装置和混合装置相关联的成本和管 道中的压降和/或在管道中由于将分离装置和/或混合装置引入到输送油气混合物的管道 内而使管道内的流动中断。另外，在高GVF下，因为在这种条件下持液率非常低，因此混合 方法可能不能用于精确地测量滞留量和水液比(“WLR”)。
发明内容
在本发明的一个实施例中，提供了一种用于测量流动通过管道的多相混合物的特 性的系统，所述系统包括旋动元件，所述旋动元件被构造成生成多相混合物的环形流；第 一探头，所述第一探头在第一位置处联接到管道的内壁，且第一探头被构造成接触沿管道 的内壁流动的多相混合物的液相；和第二探头，所述第二探头在第二位置处联接到管道的 内壁，且第二探头被构造成接触沿所述管道的内壁流动的多相混合物的液相；其中，第一探 头和第二探头包括射频频率范围的电磁感测探头、微波频率范围的电磁感测探头和毫米波 频率范围的电磁感测探头中的一个；第一探头和第二探头被构造成具有不同的灵敏度深 度；以及第二探头具有第二灵敏度深度，其中第二灵敏度深度被构造成大于在管道的内壁 上流动的液相的深度/厚度。在根据本发明的另一个实施例中，提供了一种用于测量在管中流动的多相混合物
4的特性的方法，所述方法包括以下步骤使多相混合物旋动以在管中产生环形流，其中，环 形流包括多相混合物的在管的内壁上的液相流；使用具有第一灵敏度深度的第一探头测量 在管的内壁上流动的液相的环形流的第一视复介电常数；使用具有第二灵敏度深度的第二 探头测量在管的内壁上流动的液相的环形流的第二视复介电常数，其中，第二灵敏度深度 大于在管的内壁上流动的液相的环形流的深度；以及使用处理器液相的特性进行处理。在本发明的多个方面中，探头可以包括开端式同轴探头。探头可以包括射频频率 范围的电磁感测探头、微波频率范围的电磁感测探头和/或毫米波频率范围的电磁感测探 头。根据本发明，可以通过使用探头测量多相混合物正在流动通过的管中的两个位置处的 多相混合物的环形流的视介电常数，以测量在管的内壁上流动的环形流的多相混合物的液 相的深度/厚度、多相混合物的液体分数、液相的水液比和/或类似物。
以下结合
本公开，其中图1是根据本发明的实施例的安装在管壁中的同轴探头的图；图2是根据本发明的实施例的双探头流动测量系统的方框图；以及图3是用于处理由具有不同灵敏度深度的两个探头测量的管道中的多相混合物 的环形流的视介电常数以确定环形流的液相流动特性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，不同类型的各 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。
具体实施例方式随后的说明仅提供了示例性实施例，并且目的不是限制本公开的保护范围、适用 性或结构。相反，示例性实施例的随后说明将为本领域的技术人员提供用于能够实施一个 或多个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本发明的精神和 保护范围的情况下可以对元件的功能和布置做各种改变。以下说明中给出了具体细节以提供对实施例的彻底理解。然而，本领域的技术人 员要理解的是在没有这些具体细节的情况下可以实施所述实施例。例如，系统、结构、及其 它部件可以被显示为在方框图中的部件，从而以不必要的细节的方式使实施例清楚。在其 它情况下，可以显示公知的过程、技术、及其它方法，而无需不必要的详细以免使所述实施 例不清楚。此外，要注意的是个别实施例可以作为被描述为流程图、程序框图、结构图、或方 框图的过程而进行说明。虽然流程图可以说明作为顺序进程的操作，但是许多操作可以并 行或同时执行。此外，可以重新组合操作的顺序。此外，在一些实施例中可以不发生任意一 个或多个操作。当过程的操作完成时，所述过程结束，但是可以具有没有包括在附图中的另 外的步骤。过程可以与方法、程序等相对应。图1示出了根据本发明的一个实施例的安装在管壁中的同轴探头。如图所示，单 个微波开端式同轴探头116嵌装在管壁118处，并且与(水-油)液层114接触，所述液层
5在此示例中被示出为夹带有气体。探头116的内导体具有外半径a，探头116的外导体具 有内半径b ；探头绝缘体(所述探头绝缘体热稳定并且电稳定，优选地为陶瓷或玻璃)的介 电常数为A。在所述结构中，a、b和Α的适当选择确定探头116的特性阻抗Z。。探头116 通过微波同轴电缆112连接到微波反射计110，所述微波同轴电缆优选地具有Z。的特性阻 抗。微波反射计110可以用于产生与探头孔径处的复反射系数G有关的复反射系数r的测 量值。图2示出了根据本发明的实施例的双探头流动测量系统。在本发明的实施例中， 深探头210中的至少一个和浅探头220中的至少一个可以用于感测在管道240中流动的多 相混合物230的液相的特性。仅以示例的方式，在油气工业中，多相混合物可以包括气态烃 类，而多相混合物的液相可以包括水和/或油。在本发明的实施例中，确定多相混合物230的液相的特性。在本发明的一些方面， 双探头流动测量系统可以用于在多相混合物230包括湿-气流的情况下确定液相的特性， 并且更具体地，可以在GVF大于95 %的情况下使用。在本发明的一个实施例中，多相混合物 230的液相可以在管道240的内壁上的环状层233中流动。在多相混合物230是湿气且湿 气的流动包括液相沿管道壁的流动和作为气芯的气相沿管道的流动的情况下，这会自然发 生。在这些情况下，对气芯/液体环状流的认知和/或对气芯/液体环状流的感测可以用于 定位根据本发明的系统和/或用于确定适合使用这种系统来确定液相的流动特性的时间。在一些实施例中，漩流诱导元件245可以用于使多相混合物230旋动，使得当所述 多相混合物沿管道240移动时使所述多相混合物旋动。在这种漩流下，液相通常沿管道240 的内壁作为环状层233流动，且气芯236流动通过管道240的横截面的其余部分。漩流诱 导元件245可以包括叶轮、弯曲元件、进入管道240内的倾斜/切向流入装置和/或用于在 多相混合物230中生成漩涡型流的类似物。在共同待审的美国出版物No. 2008/0223146中 更加全面地说明了漩涡流和这种流动的生成，该出版物通过引用在此全文并入。 在本发明的实施例中，相同、不同和/或可控制/期望灵敏度深度的、多个安装在 管壁的射频(RF)、和/或微波、和/或毫米波频率范围的电磁感测探头可以用于提供多相混 合物的液相的特性的测量值(例如，在管壁上流动的液层的厚度和WLR)。在本发明的多个 方面中，具有不同灵敏度深度的多个安装在管壁的开端式同轴探头(以下简称同轴探头或 微波探头)可以用于提供多相混合物的液相的特性的测量值。在一个实施例中，图1中所 示的同轴探头可以用作感测探头。在本发明的一个实施例中，深探头210和浅探头220与管壁联接以与环状层233 接触。对于同轴探头，如上所述，这种探头可以被表征为具有带有外半径a的内导体、具有 内半径b的外导体和探头内导体/外导体绝缘体，所述绝缘体的介电常数为ερ，并且是热 稳定和电稳定的，并可以包括陶瓷或玻璃。探头的a、b和ε p值的改变确定探头的特征阻 抗 Z。(其中，Ztl (60/ep1/2)ln(b/a))o开端式同轴探头的灵敏度深度大约等于探头的外导体的内半径b。这种灵敏度表 示探头对在其灵敏度深度范围内的材料的整体电特性(介电常数和/或电导率，或复介电 常数)是敏感的。因此，探头可以用于感测在其灵敏度深度范围内的材料的视介电常数εΑ。 对于其中例如发生在漩涡流和/或环形流中的液层由气层支撑(backed)的情况来说，当覆 盖探头孔径的液层的厚度(d)增加超过探头的灵敏度深度时，由探头测量的视介电常数ε a等于液层的介电常数h。因此，使用具有(同轴探头外导体的)多个内半径b的多个探头 将使多个灵敏度深度涵盖到液层内，从而能够测量包括复介电常数、厚度、WLR等的液层特 性。在图2中，环状层233具有深度d250。管道240具有半径R235，而浅探头220与 深探头210间隔开距离L253。使用这种结构和不同敏感度的深探头210和浅探头220，可 以从由气芯236支撑的环状层233的由深探头210和/或浅探头220感测的视介电常数确 定环状层233的特性。在本发明的一些方面中，基于不同感测原理(例如，反射、透射、共振和/或类似原 理)的探头可以连接到适当的测量电子线路以确定环状层233的介电常数和/或电导率。 仅以示例的方式，诸如图1中所示的基于反射感测的同轴探头可以通过使用优选地具有与 探头本身相同的特征阻抗Z。的一段微波同轴电缆将两个设备连接在一起而与诸如图1中 所示的微波反射计结合使用。对于多个探头来说，可以通过多路传输或切换到单个反射计 连续执行来自探头的测量，和/或通过使用多个RF/微波反射计并行执行所述测量，或与两 种测量方案结合来执行所述测量。在频率范围取决于同轴探头孔径的直径的情况下，反射 计可以在单个和/或多个频率下工作。仅以示例的方式，具有7mm孔径的同轴探头可以从 200MHz到6GHz工作。更小的探头可以在更高的频率下工作，且测量值的不确定性通常随频 率的增加而增加。微波反射计电子设备提供与探头视平面处的实际复反射系数T有关的视复反射 系数 P 。先前例如己经在题目为“Methods and Apparatus forEstimating On-Line Water Conductivity of Multiphase Mixtures”的美国专利 No. 6，831，470 和题目为“Probe for Measuring the Electromagnetic Propertiesof a Down-Hole Material，，的美国专利 No. 7，327，146中详细说明了用于测量探头孔径处的油田流体混合物的复介电常数(ε 的 微波开端式同轴探头和反射计的使用，所述专利通过引用在此全文并入。在本发明的一些方面中，用于测量在管道中流动的多相混合物的环形流的电磁特 性的方法可以包括以下步骤·联接感测探头与管壁以与流动接触；·将RF/微波频率输入信号发射到与流动接触的探头；·测量被探头反射的RF/微波频率输出信号；·测量基于RF/微波频率输出信号的反射系数；·根据反射系数计算与流动有关的复介电常数值；以及·在不同的RF/微波频率下和/或对于不同的探头重复以上步骤。所述方法还可以包括使用联接到探头的反射计电子线路的校准步骤，且在确定的 时间间隔下执行所述校准。校准步骤可以包括将电子线路连续连接到至少三个不同的阻 抗，并且测量反射的RF/微波频率输出信号。在本发明的实施例中，为了避免在现场操作中的实验室型校准，并且为了在宽范 围操作温度内对电子设备线路和开端式同轴探头的温度漂移进行自动校正，反射计电子设 备可以设计有用于执行周期电子校准的内部自动校准装置。自动校准装置可以用于在确定 的时间间隔下对电子线路和开端式同轴探头本身进行校准。自动校准装置可以包括第二同 轴结构、用于连接到至少三个校准端子(例如，短路、开路、和500hm端子)的第二开关；三个端子的组合可以不同，从而涵盖流体测量同轴探头的不同阻抗范围(例如，可以使用公 知的RC端子)。在本发明的方面中，第二接通电路(on-circuit)同轴结构优选地与流体 测量同轴探头相同，以补偿测量探头长度和损耗的变化。先前已经例如在题目为“Methods and Apparatus forEstimating on—Line Water Conductivity of Multiphase Mixtures" 的美国专利 No. 6,831,470 禾口题目为"Probe for Measuring the Electromagnetic Propertiesofa Down-Hole Material”的美国专利No. 7,327，146中详细说明了用于与微波 开端式同轴探头和反射计电子设备一起使用的自动校准线路装置，所述专利通过引用在此 全文并入。以下提供根据本发明的实施例的关于复介电常数(或混合物电导率和混合物介 电常数)确定的示例和说明。由反射计记录的测量的入射和反射(振幅和/或相位)信 号可以用于推导在测量探头孔径处的复反射系数Γ = (ζ。-ζ。)/(ζ。+ζ。)，所述复反射系数是 在探头的特征电阻抗Ζ。与所述探头的孔径流体阻抗Ζ。之间的不匹配的测量值，其中Ζ。= [jcoCb)]—1，而 ω = 2 jif 是角频率。作为示例性示例，探头的边缘带电容可以被描述为线性模型C( ε*) = ε *C。+Cf，其 中ε*= ε ’ _f ε ”是靠近探头孔径的液层的相对复介电常数，而Cf和C。是表征探头内边 缘电容和外边缘电容的电容参数。给出为在探头视平面处测量的反射信号/入射信号比的实际复反射系数Γ，由于 例如一段微波电缆将测量探头连接到反射计，因此RF/微波反射计通常测量与Γ不同的复 反射系数P，探头电容C(Z)以及流体复介电常数^可以被推导为C ( ε *) = (1- Γ ) / (1+ Γ ) / (j ω Zo)ε*= (C ( ε *) -Cf) /C0 = (1_ Γ ) / (1+ Γ ) / (j ω Z0C0) _Cf/C。在美国专利No. 6，831，470中已经说明了一种流体校准双线性模型，所述流体校 准双线性模型在不需要测量探头模型电容C。和Cf的情况下，通过使用具有已知不同复介 电常数的三种校准流体使期望的复介电常数ε*与实际测量的(视)反射系数P相关。 流体校准程序考虑了探头与所述探头的连接器之间的电长度，和所有不合逻辑的效应(内 部反射、不准确的机械尺寸等)。选择的三种校准流体如是空气/水/盐。推导出的复介 电常数^= ε ’ _j ε ”与靠近探头孔径的流体混合物的有效电导率和介电特性以如下公 式相关ε* = εω-」σω/(ω ε。)这里ε^Π σ m是视混合物(相对)介电常数和电导率； ε 0 ^ 8. 854pF/m是自由空间的(绝对)介电常数。开端式同轴探头的灵敏度深度大约等于探头外导体的内半径b，这在很大程度上 与探头工作频率无关。湿气流中的液体可以被离心/旋动到管壁上作为移动液层。在图2 中，预期的深度d 250小于深探头210的灵敏度深度，使得可以通过深探头210和浅探头
220测量不同的视复介电常数O^1,ff^>。在本发明的实施例中，使用作为液层厚度(d)和
层介电常数(ff:)的函数的环形流视介电常数的模型能够计算深度d 250和环形液层 233的复介电常数。在一些方面中，可以由深度/厚度d250确定整个持液率α。如图3中所示，根据本发明的实施例，可以处理管道中的多相混合物的由气芯支 撑的液相的环形流的、由具有不同敏感度的两个探头测量的视介电常数以确定多相混合物 的液相的特性，例如，环形流的流动特性(所述环形流包括混合物的液相，所述混合物的液
8相还可以包括一些被夹带的气体)。在步骤260中，由两个探头测量视介电常数，并且将所 述视介电常数输入到处理器中，且视介电常数等于与环形流的液层的介电常数和深度相关 的函数，在步骤270中，求解两个相关的函数以确定包括环形流的液层的介电常数和液层 的深度。在步骤280中，处理环形流液层的深度以确定液体分数。并且在步骤290中，包括 环形流的液层的介电常数可用于使用液体/液体混合物的适当的介电常数混合模型确定 WLR。液体/液体混合物可以被很好地混合(一个相的液滴分散在另一个连续液相中)，或 者可以分离或分层(例如，较重的水环状层在较轻的油环状层的外侧)。在本发明的实施例中，由液层厚度确定的整体持液率由于双探头布置而可能对 电导率变化几乎不敏感。当油是连续相时，液层WLR确定也几乎与水电导率率无关。对 于水连续、或间断水连续的液层来说，由通过任一个/两个同轴探头快速测量的复介电常 数对在线水电导率的估计的能力将允许在改变水的矿化度的情况下进行在线WLR估计， 如在题目为“Methodsand apparatus For estimating on-line water conductivity ofmultiphasemixtures"的美国专利No. 6，831，470中所述，所述专利通过引用在此全文并 入。在一些方面中，双探针测量值的互相关可以用于生成液层的速度，从而得到液体 流量测量值。来自具有相同灵敏度深度的两个轴向间隔开的探头的信号的互相关是优选 的。因此，在一些实施例中，具有等于两个探头中的一个的灵敏度深度的灵敏度深度的一个 或多个另外的探头可以用于互相关法。在其它方面中，嵌装在管壁处的微波多普勒探头或 类似物可以用于确定液层流动速度。在本发明的其它方面中，在给出估算的液体流量和WLR 的情况下，可以通过使用其它装置(例如，使用文丘里流量计)可得到气体流量测量值。可以使用用于确定流体介电常数的不同探头响应模型。例如，当液层的厚度已知 时，可以使用双线性模型估计液层的介电常数，所述双线性模型，结合探头的响应模型，使 用具有已知介电常数的三种样品的复反射系数的校准测量值以由相关的复反射系数测量 值确定未知样品的复介电常数。在测量角频率(ω)下，由探头测量的视介电常数(塞;^随液层厚度d及其介电常
数农变化；支撑(backing)气芯介电常数在很大程度上被认为是已知的，即
权利要求
一种用于测量流动通过管道的多相混合物的特性的系统，包括旋动元件，所述旋动元件被构造成生成所述多相混合物的环形流；第一探头，所述第一探头在第一位置处联接到所述管道的内壁，所述第一探头被构造成接触沿所述管道的内壁流动的所述多相混合物的液相；和第二探头，所述第二探头在第二位置处联接到所述管道的内壁，所述第二探头被构造成接触沿所述管道的内壁流动的所述多相混合物的液相；其中所述第一探头和所述第二探头被构造成具有不同的灵敏度深度；以及所述第二探头具有第二灵敏度深度，其中所述第二灵敏度深度被构造成大于在所述管道的内壁上流动的液相的深度。
2.根据权利要求1所述的用于测量流动通过管道的多相混合物的特性的系统，其中， 所述第一探头和所述第二探头每一个都包括开端式同轴探头。
3.根据权利要求1所述的用于测量流动通过管道的多相混合物的特性的系统，其中， 所述第一探头和所述第二探头每一个都包括射频频率范围的电磁感测探头、微波频率范围 的电磁感测探头和毫米波频率范围的电磁感测探头中的一个。
4.根据权利要求1所述的用于测量流动通过管道的多相混合物的特性的系统，还包括处理器，所述处理器与所述第一探头和所述第二探头通信。
5.根据权利要求4所述的用于测量流动通过管道的多相混合物的特性的系统，其中， 所述处理器对由所述第一探头测量的环形流的第一视介电常数和由所述第二探头测量的 环形流的第二视介电常数进行处理，以确定所述液相的环形流的深度。
6.根据权利要求5所述的用于测量流动通过管道的多相混合物的特性的系统，其中， 所述处理器对所述环形流的深度进行处理，以确定所述多相混合物的液体分数。
7.根据权利要求4所述的用于测量流动通过管道的多相混合物的特性的系统，其中， 所述处理器对由所述第一探头测量的环形流的第一视介电常数和由所述第二探头测量的 环形流的第二视介电常数进行处理，以确定所述环形流的液相的水液比。
8.根据权利要求4所述的用于测量流动通过管道的多相混合物的特性的系统，其中， 所述多相混合物包括一种或多种烃。
9.根据权利要求1所述的用于测量流动通过管道的多相混合物的特性的系统，还包括第一微波反射计，所述第一微波反射计通过第一微波同轴电缆与所述第一探头联接。
10.根据权利要求9所述的用于测量流动通过管道的多相混合物的特性的系统，还包括第二微波反射计，所述第二微波反射计通过第二微波同轴电缆与所述第二探头联接。
11.一种用于测量在管中流动的多相混合物的特性的方法，包括以下步骤使所述多相混合物旋动以在所述管中产生环形流，其中，所述环形流包括所述多相混 合物的在所述管的内壁上的液相流；使用具有第一灵敏度深度的第一探头测量所述环形流的第一视复介电常数； 使用具有第二灵敏度深度的第二探头测量所述环形流的第二视复介电常数，其中，所 述第二灵敏度深度大于所述环形流的深度；以及使用处理器由测量的所述第一视复介电常数和所述第二视复介电常数对流动的所述 多相混合物的特性进行处理。
12.根据权利要求11所述的用于测量在管中流动的多相混合物的特性的方法，其中， 使用处理器由测量的所述第一视复介电常数和所述第二视复介电常数对流动的所述多相 混合物的特性进行处理的步骤包括使用作为液层厚度和液层复介电常数的函数的环形流视复介电常数的模型和测量的 所述第一视复介电常数和所述第二视复介电常数对所述液相的厚度或所述液相的复介电 常数进行处理。
13.根据权利要求12所述的用于测量在管中流动的多相混合物的特性的方法，还包括 以下步骤使用处理的所述液相的厚度确定在所述管的横截面上的所述多相混合物的液体分数。
14.根据权利要求12所述的用于测量在管中流动的多相混合物的特性的方法，还包括 以下步骤使用液体/液体混合物的介电常数或电导率混合定律和所述液相的复介电常数确定 所述液相的水液比。
15.根据权利要求11所述的用于测量在管中流动的多相混合物的特性的方法，还包括 以下步骤使来自所述第一探头的测量值与来自所述第二探头的测量值互相关，以确定液层流动 速度。
16.根据权利要求11所述的用于测量在管中流动的多相混合物的特性的方法，还包括 以下步骤使来自所述第一探头的测量值与来自具有相同灵敏度深度的另一个探头的测量值互 相关，以确定液层流动速度。
17.根据权利要求11所述的用于测量在管中流动的多相混合物的特性的方法，还包括 以下步骤使用所述液层流动速度确定所述液相的液体流量。
18.根据权利要求11所述的用于测量在管中流动的多相混合物的特性的方法，还包括 以下步骤由所述液相的流量、所述水液比和所述多相混合物的流量测量所述多相混合物的气相 的流量。
19.根据权利要求17所述的用于测量在管中流动的多相混合物的特性的方法，其中， 当所述多相混合物流动通过文丘里流量计时，所述多相混合物的流量由所述多相混合物的 差压的测量值来确定。
20.根据权利要求11所述的用于测量在管中流动的多相混合物的特性的方法，其中， 所述第一探头和所述第二探头每一个都包括开端式同轴探头。
21.根据权利要求11所述的用于测量在管中流动的多相混合物的特性的方法，其中， 所述第一探头和所述第二探头每一个都包括射频频率范围的电磁感测探头、微波频率范围 的电磁感测探头和毫米波频率范围的电磁感测探头中的一个。
全文摘要
本发明公开了一种使用具有不同灵敏度深度的探头测量在管中流动的多相混合物的特性的系统和方法。通过在管中生成多相混合物的环形流，探头可以与在管的内部上流动的混合物的液相，并且可以由探头测量环形流的视介电常数。可以对这些测量的介电常数进行处理，以确定环形流的液体分数和环形流的液相的水液比。
文档编号G01N22/00GK101952713SQ200980104836
公开日2011年1月19日 申请日期2009年2月10日 优先权日2008年2月11日
发明者谢成钢 申请人:普拉德研究及开发股份有限公司