CN101076721A

CN101076721A - 测量含水多相混合物的成分和水的盐度的方法及设备

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Publication number: CN101076721A
Application number: CNA2005800277776A
Authority: CN
Inventors: 安斯汀·维基
Original assignee: Multi Phase Meters AS
Current assignee: FMC Kongsberg Subsea AS
Priority date: 2004-08-20
Filing date: 2005-08-19
Publication date: 2007-11-21
Anticipated expiration: 2025-08-19
Also published as: GB2431007B; US7631543B2; CN101076721B; NO323244B1; US20070279073A1; NO20043470D0; GB0700746D0; NO20043470L; CA2572955A1; GB2431007A; WO2006019311A1; CA2572955C

Abstract

一种用于确定管(1)中的气体和至少一种液体的多成分混合物的成分和水盐度的方法，所述至少一种液体包括水，所述方法包括下面的步骤：a.在两接收天线(4)间进行电磁相位测量，所述两接收天线位于自发射天线(3)的不同距离处，b.根据经验确定的一个或多个常数以及上述的测量，计算有效介电常数和虚介电常数，c.确定所述混合物的密度，d.确定温度和压力，e.基于流体混合物中的成分的密度、有效介电常数以及虚介电常数的知识以及以上步骤a－d的结果，计算流体混合物的气体和液体或多种液体的体积分数以及水盐度。还公开一种用于实施所述方法的设备。

Description

测量含水多相混合物的成分和水的盐度的方法及设备

本发明涉及一种方法和装置，其用于根据多相混合物的复数介电常数和密度的测量结果，来测量多相混合物的组分和水的盐度。通过测量两接收天线间的相移的频率位置以及相移的频率位置所除的相移的扩展，来确定复数介电常数。所述方法特别适合于分散在烃连续混合物中的少量水的体积分数和盐度的高精度测量，例如烃湿气流中的水百分率和水盐度的测量(对于湿气流的典型的水百分率为管道体积的0.001-0.5％量级)。所述方法不可用于高损耗介质的复数介电常数的测量，所述高损耗介质例如为多相混合物，其中烃分散在水中，以及水的盐分按重量超过约0.5％的NaCl。

油水和气或冷凝水和气的流动的流体混合物在石油工业中是普遍出现的，为未加工的井流的产物。这样的井流通常称为多相流混合物，其中油、水和气称为单相或组分。

当井流的气体组分超过90％气体时，所述井通常称为湿气井。湿气井还可称为气井/冷凝井，其中冷凝物为从气体中冷凝的液体。气井/冷凝井的组分一般可为98％的气体、已从所述气体冷凝出的1.9％的冷凝物和0.1％的液态淡水。油气层中的地层水一般为盐水，以及操作员通常知道其的盐度。在正常情况下，井不应产生任何地层水。事实上，管道中的地层水可引起水合物和水垢形成，还可引起管道的严重腐蚀。如果操作员已经知道井中的地层水和淡水的量(还称为总水百分率)，则可向井流中注入化学抑制剂，以限制由该水所引起的有害效果，或改变该井的生产率以最小化地层水的产生。特别关注的是测量远程操作的海底油井中的地层水和淡水的含量，因为在这种装置中管道的成本是非常高的。由于操作员已知地层水的盐度，因此通过测量总水(地层水加上淡(冷凝)水)百分率和水的盐度，可确定的井中淡水和地层水的百分率。为了满足野外操作员的要求，用于测量井中的总水百分率和水盐度的仪器需要能够对水的百分数和水盐度进行可靠且可重复的测量，其中地层水的百分率为管道总面积的千分之几那么少。

微波广泛用于多相混合物的成分和水盐度的测量。美国4,458,524(1984)公开了一种测量介电常数(电容率)、密度、温度和压力的多相流量计。这种设备使用两接收天线间的相移来确定介电常数。另外已知其他技术是基于共振频率测量。这样的技术的例子公开在W03/034051和美国专利US6,466,035中。美国专利US5,103,181描述了一种基于管中的相长和相消干涉图的测量的方法。

然而，上述的方法没有一个方法能够测量复数介电常数，使得能够确定多相混合物的水盐度。

众所周知，通过测量电磁波经过介质的相移和衰减，可确定所述介质的复数介电常数。美国专利US 4,902,961描述了一种基于相移和功率衰减的测量结果来测量复数介电常数的方法。该测量在两个不同(固定)的频率中进行，一个在X带，另一个在S带。由于此方法依靠功率测量来测量复数介电常数，因此无法获得为精确测量烃湿气流的水百分率和水盐度所要求的灵敏性和稳定性。NO 200 10 616公开了一种基于微波频率的功率和相位测量结果来测量多相混合物中的连续相的水电导率(waterconductivity)的方法。然而，此方法也依赖于功率测量，且所述方法不能进行具有分散的水相的烃连续混合物的复数介电常数的准确测量。

本发明的目的在于提供复数介电常数的准确测量。本发明的目的在于进行烃连续介质的分散的水百分率和水盐度的准确测量。本发明的目的在于提供含有少量的水和大量气体的多相混合物中油、气体和水百分率和水盐度的准确测量，这在烃湿气流是典型的。

根据本发明的方法包括下面的步骤：

a.在两接收天线间进行电磁相位测量，所述两接收天线位于自发射天线的不同距离处，

b.根据经验确定的一个或多个常数以及上述的测量，确定有效介电常数和虚介电常数，

c.确定混合物的密度，

d.确定温度和压力，

e.基于流体混合物中的成分的密度、有效介电常数以及虚介电常数的知识以及以上步骤a-d的结果，计算流体混合物的气体和液体或多种液体的体积分数以及水的盐度。

根据本发明的设备进一步特征在于独立权利要求8所述的特征。

从属权利要求2-7和9-12定义本发明的优选实施方式。

下面参考附图进一步描述本发明，其中：

图1显示根据本发明的用于测量成分和水盐度的仪表的示例性实施方式的示意性纵截面图，

图2显示沿图1中的线III-III的示意性横截面图，

图3显示水的介电常数的实部和虚部的曲线图，

图4显示正规化为淡水值的水的介电常数的虚部的曲线图，

图5显示淡水和盐水中的相位测量的曲线图，

图6显示水的所测量的和理论有效的介电常数和虚介电常数的曲线图，

图7显示典型湿气流的相位测量的曲线图，

图8显示典型湿气流的所测量的水百分率的曲线图，

图9显示对于水的所测量出的s因子与虚介电常数的关系的曲线图，

图10显示水组分的所测量出的电导率与理论电导率的关系曲线图，

图11显示水组分的所测量出的盐度与理论盐度的关系曲线图。

图1所示的根据本发明的示例性成分仪表包括如下的三个主单元：

1)通过在宽频带进行相位测量来获得多相混合物的有效介电常数，该有效介电常数在下文中定义。RF信号从发射天线3(探针)发射，并在位于管1中的两接收天线4接收，油、水和气体在所述管1中流动。图1中的管和天线装置还可称为传感器。RF信号的频率一般从10Mhz改变到3.500Mhz。对于具有小于50mm内径的管或文丘里喉管，上频率可以为10.000Mhz高。通过记录在几个预定相差的频率以及使用该系统的校准常数，可测量所述管内的有效介电常数。

2)通过测量相差对频率的称作S因子(形状因子)的参数，来获得多相混合物的介电常数的虚部。所述S因子在本说明书中定义为在上、下预定相差所测量的频差除以在上、下相差间的预定相差所测量的频率。通过使用该系统的校准常数，可获得多相混合物的介电常数的虚部。

3)基于温度、压力和密度的确定，以及有效介电常数、虚介电常数和油、气体、水的密度的知识，可获得油、气体和水的百分数以及水盐度。

有效介电常数定义为：

ϵ_{eff} = \sqrt{{(ϵ^{'})}^{2} + {(ϵ^{''})}^{2}}

其中：

ε′：介电常数的实部

ε″：介电常数的虚部

用于测量温度、压力和密度的仪器可包括在用于确定温度、压力和密度的成分仪表中。可替换地，从位于成分仪表的上游或下游的其他源例如温度和压力变送器(transmitter)也可获得所述温度、压力和密度，并可电传输到所述成分仪表。使用PVT(压力、体积和温度)算法也可确定通过成分仪表的流动的流体的密度。可根据烃的成分和从成分仪表所测量的水的百分率，并基于烃态为温度和压力以及所测量的水的百分率的函数的方程，以迭代法来计算多相混合物的密度。

现有解决方案的缺点

众所周知，通过测量经过介质的电磁波的相移和衰减，可测量所述介质的复数介电常数。这种用于测量复数介电常数的方案的主要缺点在于，其具有有限的准确度以及不能检测小的变化，这是因为其依赖于准确的功率或损耗测量。微波频率的准确的功率和损耗测量难于进行，这部分是由于阻抗错配，它对于用于测量介电常数的任何基于微波的工业设备是很普遍的，以及部分由于其电子设备自身的限制。因此，测量电子设备的限制以及由于阻抗错配引起的驻波使得在测量具有高的气体百分率的湿气井和原油井的准确成分和水的盐度时难于获得所要求的准确度、可重复性和灵敏性，以及对于测量，而在所述湿气井和原油井中，准确地测量水百分数和盐度的小波动是很重要的。

本发明的独特性

本发明的独特性在于提供复数介电常数的准确可重复的测量的能力，以及其不需要进行任何功率和/或损耗检测，就能检测复数介电常数中的小变化的能力。而，基于相位的差动测量以及频率测量，来测量所述复数介电常数，其中由于相比于功率/损耗测量，相位受到阻抗失配的影响少得多，因此可进行高准确的测量。此外，通过使用相同实际长度的两通道，可容易去除传感器、电缆和电子测量通道中的任何偏差。因此，与基于电功率和/或电损耗的测量技术相比，本发明受到测量电子传感器装置中的频谱和驻波(波动)中的与功率变化有关的测量失真的影响少的多。

本创新的详细说明

圆形波导的最低截止频率为TE₁₁：

公式1：

f_{c} = \frac{0.293}{r \sqrt{μϵ}}

其中：

f_c＝截止频率

r＝管的半径

ε＝波导(管)内的有效介电常数(电容率)

μ＝波导(管)内的磁导率

低于所述截止频率，电场按平面波理论传播。当管1中的所述场从平面波改变到TE₁₁时，在图1的接收探针4的相差中出现阶跃。通过对变送器3施加频率扫描，以及测量相移25的频率位置，公式1的截止频率f_c可重新调整为：

公式2：

ϵ = \frac{k_{2}^{2}}{f_{c}^{2}}

其中

k_{2} = \frac{0.293}{r \sqrt{μϵ}}

f_c＝电磁波的频率(TE₁₁的截止频率)

ε＝所述管内的有效介电常数

因此通过测量频率f_c，已知所述管内的介电常数，可确定k₂。

众所周知，介电常数的实部和虚部可表达成：

公式3：

ε＝ε′-jε″

其中

ε＝复数介电常数

ε′＝所述复数介电常数的实部

ε″＝所述复数介电常数的虚部

对于空气、气体、油和冷凝物，介电常数的虚部对于所有的实际目的为零。对于水，复数介电常数可由仅德拜驰豫定律(single Debye relaxationlaw)来表达，其中：

方程4：

其中：

ε_水＝水的复数介电常数

ε_∞＝在无穷频率的介电常数

ε_s＝静电介电常数

ω＝频率

ω_r＝德拜弛豫频率

η＝科尔-科尔分布系数(Cole-Cole spread factor)

σ_水＝水的电导率

ε₀＝玻尔兹曼常数

根据J.B.Hasted，水电介质(1973)，第29页，水的介电常数可还可表达为：

公式5：

ε_水＝水的复数介电常数

ε_s＝静电介电常数

ε_电介质″＝淡水的介电常数的虚部

σ_水＝水的电导率

ω＝频率

ε₀＝玻尔兹曼常数

文献中充分描述了水的静电介电常数和淡水的介电常数的虚部的测量结果和方程。一些例子为Malmberg和Maryott(1956)，Res.Nat.BurStandards，56，1(静电介电常数)，kelf和Oshry(1950)，Am.ChemSoc，72 284(静电介电常数)，Barthel(1991)，Phys.Chem，95，P853(淡水的虚介电常数)，以及Meissner和Wentz，Report from Boeing/AERinverstigation for CMIS(淡水的虚介电常数)。

图3显示淡水的介电常数的实部6和虚部7，以及在25℃具有盐分按重量百分比计分别为0.5％、1.0％、1.5％、和2.0％的NaCl的盐水8、9、10、11、12的虚部的曲线图。图4显示具有盐分按重量百分比计分别为0.5％、1.0％、1.5％、和2.0％的NaCl的盐水13、14、15、16、17的虚部数据相同，正规化为淡水的介电常数的虚部值。

图5显示当图1的传感器充满具有盐分按重量百分比计分别为0.5％、1.0％、1.5％、和2.0％的NaCl的100％的水时的相差18、19、20、21、22。图5显示有效介电常数23和介电常数的虚部24的相应测量结果与理论值的关系曲线。

图7显示在典型湿气情况的相位测量结果。开始，传感器是空的，具有25所示的响应。当0.09％的淡水注入传感器时，相差曲线26在左边接近4、5Mhz。此外，随着水的盐分按重量百分比计分别增加到0.5％、1.0％、1.5％、和2.0％的NaCl时，相位曲线27、28、29、30的斜率如图7所示降低。

为了测量油、水和气体(％油、％水与％气体)的组成，基于测量混合物介电常数ε_混合和混合物的密度ρ_混合，可使用下面的公式：

公式6：

Φ_油+Φ_水+Φ_气体＝1

其中：

Φ_油＝油(凝聚物)的截面体积分数

Φ_水＝水的截面体积分数

Φ_气体＝气体的截面体积分数

公式7：

Φ_油×ρ_油+Φ_水×ρ_水+Φ_气体×ρ_气体＝ρ_温和

其中：

ρ_油＝油(凝聚物)的密度

ρ_水＝水的密度

ρ_气体＝气体的密度

ρ_温和＝所测量的密度

温度和压力测量也是需要的，以补偿因温度和压力变化的上述密度参数，但出于简化考虑，对下述测量原理的讨论中忽略了这些因素。

Bruggeman-Hanai混和方程涉将两成分混合物的介电常数与所述成分的体积分数联系起来。若两成分混合物为小滴，内相分散在外相的连续介质中，方程为：

公式8：

其中：

ε_内＝内相(分散相)的介电常数

ε_外＝外相(连续相)的介电常数

ε_混和＝所测量出的混合物的介电常数

Φ_内＝内相(分散相)的体积分数

Φ_外＝外相(连续相)的体积分数

温度和压力测量也是需要的，以补偿因温度和压力变化的上述介电常数参数，但出于简化考虑，对下述测量原理的讨论中忽略了这些因素。

以上方程还可用于三相混合物，例如油、水和气体，其中内相为分散在外相中的充分混和的两相的均匀混合组合，例如，内油/水混合物可分散在气体的外连续介质中，类似地，气泡可分散在油/水混合的外连续介质中。

图8显示所测量的图7的原始测量的水百分率。根据公式1和2计算介电常数，以及根据公式8计算水组分的体积分数。

通过测量相差对频率的称作S因子(形状因子)，来获得多相混合物的介电常数的虚部。S因子在本说明书中定义为在上、下预定相差所测量的频差除以在上、下相差间的预定相差所测量的频率。

图9显示图6数据的测量的正规化S因子与水的介电常数的正规化虚部的关系。所述数据被正规化为淡水的相应值。通过将实验获得的校正因子应用于正规化S因子测量，可测量水组分的电导率，因此得盐度。一种实验获得上述校正因子的方法为将有已知水含量和已知水盐度的气体或空气通过传感器循环，并记录相应的S因子测量结果。通过调整通过传感器循环的流体混合物的气体、水和水盐度的量，可获得宽操作范围的成分仪表的校正因子。

图10显示所测量的水组分的水电导率与参考电导率的关系曲线，以及图1显示所测量的水盐度与图7的原始数据测量的参考盐度的关系曲线。

由于野外操作员已知地层水的盐度，因此可根据总水百分率和水组分的盐度的以上测量结果可计算地层水百分率和淡水百分率。

Claims

1.一种用于确定管中的气体和至少一种液体的多成分混合物的成分和水盐度的方法，所述至少一种液体包括水，所述方法包括下面的步骤：

b.基于经验确定的一个或多个常数以及上述的测量值，确定有效介电常数和虚介电常数，

c.确定混合物的密度，

d.确定温度和压力，

e.基于流体混合物中的成分的密度、有效介电常数和虚介电常数的知识以及以上步骤a-d的结果，计算流体混合物的气体和液体或多种液体的体积分数以及水盐度。

2.根据权利要求1所述的方法，其中在10Mhz和10.000Mhz间的频率范围进行所述电磁测量。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中沿管的截面方向进行所述电磁相位测量。

4.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其中通过对发射天线进行频率扫描以及测量所述两接收天线上在至少三个预定相差的频率，来进行所述电磁相位测量。

5.根据权利要求4所述的方法，其中基于在所述至少三个预定相差的所测量的频率的平均值，计算确定有效介电常数。

6.根据权利要求4所述的方法，其中基于在所述所测量的频率的两频率间的频率差和其间的一频率，确定介电常数的虚部。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中计算流体混合物的质量分数。

8.一种设备，用于测量管中的气体和至少一种液体的流体多成分混合物的成分和水盐度，所述至少一种液体包括水，所述设备包括管状部件和下面的元件：

a.电磁相位测量装置，其用于进行两接收天线间的电磁相位测量，所述两接收天线位于自发射天线的不同距离处，

b.计算机和数学程序，其用于根据所述上面的测量以及至少一个经验确定常数，计算有效介电常数和虚介电常数，

c.密度确定装置，其用于确定混合物的密度，

d.温度和压力确定装置，其用于确定温度和压力，

e.计算装置，其用于基于流体混合物成分的密度和有效介电常数及虚介电常数的知识以及以上装置a-d所确定的结果，计算流体混合物的气体和液体或多种液体的体积分数以及水盐度。

9.根据权利要求8所述的设备，其中所述管状部件包括至少一个发射天线和至少两个接收天线，其位于所述管状部件的基本相同的截面上。

10.根据权利要求9所述的设备，包括电子装置，其用于不时地发送对至少一个发射天线的频率扫描，并记录至少两个接收天线上的对于所述频率扫描的相差。

11.根据权利要求8-10中任一项所述的设备，包括密度计，其基于γ线吸收，用于测量流体混合物的密度。

12.根据权利要求8-10中任一项所述的设备，包括计算机、数学程序和烃的成分说明部分，其用于计算流体混合物的密度。