CN101802562A - 多相流测量 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于测量在管内携带由油气井中采出的气态-液态烃和水的多相混合物的流动特性的方法和系统。所述方法和系统可以用于组合用于测量管道中的气相的流动特性的夹紧式超声波气体流量计和用于测量液相的流动特性的脉冲多普勒传感器(一个或多个)和/或射频(RF)/微波电磁(EM)传感器(一个或多个)。传感器的组合可以用于在诸如当气-液正在大致水平管道中流动时、当流动被分层或使所述被分层和/或类似条件的一定流动条件下进行多相流测量。

Description

多相流测量
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“MEASURINGPROPERTIES OF STRATIFIED OR ANNULAR LIQUID FLOWS IN AGAS-LIQUID MIXTURE USING DIFFERENTIAL PRES SURE”的美国专利申请No._(代理人案号暂时为No.57.0824US 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高气体体积流量分数/滞留量和/或速度/流量测量。
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。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。对于这种生产管，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(WLR)。对于具有GVF＜95％的井来说，已经/通常使用内嵌式多相流量计。
计量高GVF流的两个现有方法是分离和混合。分离方法用于将流动分成在一个通道/导管内的几乎液体流和在分离通道/导管内的几乎气体流，然后使用单相流量计分别计量分离流。混合方法通过将相混合成均匀混合物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。
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，液体速率计量精度相对较差。这种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在管道中额外的压降和/或由于将分离装置和/或混合装置引入到管道内而在管道中对流动的中断。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WLR。
发明内容
本发明的实施例用于测量在管内携带由油气井中采出的烃和水的多相混合物的流动特性。本发明的实施例可以用于组合用于测量管道中的气相的流动特性的夹紧式超声波气体流量计和用于测量液相的流动特性的脉冲多普勒传感器(一个或多个)和/或射频(RF)/微波电磁(EM)传感器(一个或多个)。传感器的组合可以用于在诸如当气-液正在大致水平管道中流动时、当流动被分层或使所述被分层和/或类似条件的一定流动条件下进行多相流测量。流动的分层可以由重力分离自然产生，或者以人工的方式通过使用管径扩张或收缩和/或类似方法使流动减速而产生。
在一个实施例中，本公开提供了一种用于测量包括在层流管中流动的气态-液态烃和水的多相混合物的流动特性的方法。在一个步骤中，在管中测量气相的流动特性。使用脉冲超声波多普勒探头在管中测量液相的流动特性。确定持气率或持液率。使用持气率和气相的流动特性计算管中的气体流量。使用持液率和液相的流动特性计算管中的液体流量。
在另一个实施例中，本公开提供了一种用于测量在层流管中流动的气态-液态烃和水的多相混合物的流动特性的系统。所述系统包括：超声波气体流量计、脉冲超声波多普勒探头和处理器。超声波气体流量计被构造成操作性地接合管，并且被构造成测量管中的气相的流动特性。脉冲超声波多普勒探头被构造成与管操作性地接合，并且被构造成测量管中的液相的流动特性。处理器被构造成确定持气率或持液率，使用持气率和气相的流动特性计算管内的气体流量，以及使用持液率和液相的流动特性计算管内的液体流量。
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-1E示出了多相流测量系统的实施例的方框图；
图2A-2E示出了详细说明多相流测量系统的部件的管结构的实施例的正视图；
图3A-3E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-液界面的平面内；
图4A-4E示出了管结构的实施例的横截面俯视图，其中横截面位于大致垂直于管道内的流动的平面；
图5示出了在多相流的情况下与管道相接合的超声波脉冲多普勒探头的实施例的方框图；
图6示出了具有射束聚焦能力的超声波脉冲多普勒探头的实施例的方框图；和
图7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。
在一些方面中，传播时间超声换能器可以被定位成靠近管道的中心线或在所述中心线上方或者被定位在管道上的与气相可以在管道中流动以测量管道中的气相的位置处。超声波脉冲多普勒探头(一个或多个)和/或电磁(EM)发射器和接收器可以绕管道的底部部分设置或者设置在其中层流可以使液相在管道中流动的位置处。在本发明的一个方面中，EM发射器和接收器基于RF/微波以确定水液比(WLR)和水的矿化度(如美国专利No.6,831,470中所述，该专利通过引用在此全文并入)。
在本发明的一个实施例中，超声波脉冲多普勒探头绕管道的圆周以多普勒阵列布置以测量气-液流。另外，在一些实施例中，多普勒阵列可以用于估计WLR测量值。其它实施例使用EM发射装置作为WLR仪。
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。
通常作为近似规则，如果液体表面速度小于0.1m/s，而气体表面速度小于25m/s，则水平流中的流型为层流。对于气体表面速度超过25m/s的情况来说，流型可以为环形雾状流。然而，申请人已经发现即使在环形流中，大多数液体形成朝向管道孔径的底部部分的层状层，而流动中余下的液体在管壁上形成薄的并且缓慢移动的液体膜，或者作为液滴在气相中被携带。
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，本发明的实施例提供了可以对不同相域进行优化的各种速度和滞留量测量值。例如，在一些方面中，可以绕水平管子孔径的下部执行持液率测量，而可以在水平管道的中间部分或绕所述水平管道的上部测量气体速度。因此，本发明的实施例中的一个提供了一种多相流量计，在一些方面中，所述多相流量计可以用于测量包括高气体和低液体的湿气层流的水平气-液层流。
本发明的实施例提供了对来自油气生产井的气流、液流和油流的计量。对于湿气井来说，流动的GVF可以大于95％，而液体流量可以小于5m3/hr。对于这种流动来说在水平管道中的流型主要为层流或少量的环流，即，大多数液相形成朝向管道的底部的层流，而气体在液相上方移动。使用相的这种分离，本发明的一些实施例可以用于测量在分离液层和气体层中的相的流量。
根据层状气-液流的分析，本发明的实施例提供了一种用于多相流计量的多传感器结构，在一些方面中，所述多传感器结构可以对用于计量包括在高气体和低液体条件下的湿气流的水平分层多相流进行优化。
可以通过使用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，超声波传播时间气体流量计)来测量气体速度。沿着垂直于流动方向的方向的另外管间超声波传输测量值可以提供气相内的液滴滞留量的信息。这种信息可以用于提高气体和液体流量测量的精度。可以通过绕管的圆周安装的超声波多普勒传感器的阵列来测量液体流动速度和持液率。可以通过至少一对EM发射器和接收器测量液相中的WLR，所述EM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。流量计可以一段绕直管道安装，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探头可以用于测量水平或近似水平生产管道中的层状气-液流的气体流量和液体流量。为了测量气体流量，可以安装一对传播时间超声波气流换能器以在管的两端水平侧向提供超声波束(一个或多个)。超声波多普勒探头可以在下侧安装在管处以测量主要液层的流量和厚度(因此测量体积分数或滞留量)。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)流量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。
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测量层状气-液流。与本说明书中的其它地方一起，此实施例至少在图1A、2A、3A和4A中进行了各种说明。此实施例包括超声波气体流量计118、超声波脉冲多普勒探头120、处理器110、和接口端口114。此实施例被构造成在其中GVF在75％或80％以下和/或流量与低产井相对应使得相在水平管道中分层的情况下(例如，在3英寸管道中大约2000-5000桶/天以下)运行。
超声波气体流量计118测量气相的速度。至少两个传播时间超声换能器116相互之间发射超声波信号，并且可以测量上游流动传播时间和下游流动传播时间。气相的流动速度影响传播时间，使得传播时间的测量值可以用于推导气体流动速度。传播时间超声换能器116可以被构造成夹紧到管道上，或者可以嵌入到管壁的孔口中。一对传播时间超声换能器116绕水平生产流动管道的周边夹紧以在管径两端水平侧向使超声波束(一个或多个)对齐。即，传播时间超声换能器116沿管道位于不同的点处，使得所述传播时间超声换能器与气相的流动方向成一角度。传播时间超声换能器116中的每一个都可以发射和接收信号。传播时间试验可以包括一个传播时间超声换能器116-1发射第一信号，在沿相反的方向发射第二信号之前，所述第一信号被另一个传播时间超声换能器接收。
超声波脉冲多普勒探头120在此实施例中是距离选通式。多普勒探头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探头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探头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探头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。
处理器110构造有从收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驱动和读取各种探头和换能器。可以通过处理器110确定气体、液体和烃流动速度和体积分数/滞留量。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、3B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探头120以允许比当使用单个探头120时更加准确的读数。在本发明的一些方面中，探头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。
当在邻近于多普勒探头120的管内只有气体或液体润湿膜时，反射明显不同于多普勒探头120邻近于液相的情况。当多普勒探头120邻近于液相时，反射的多普勒能级更高。在此实施例中，通过注意多普勒探头120中的一个似乎更邻近于润湿膜而不是邻近于液相，可以进一步估计液-气界面。
接下来参照图1C，示出了多相流测量系统100-3的另一个实施例的方框图。与在本说明书中的其它地方一起，至少在图1C、2C、3C和4C中以各种方式说明了本实施例。与图1B的实施例不同，本实施例还包括使用超声波气体湿度换能器106测量气相的湿度的气体温度仪108，所述超声波气体湿度换能器被定位成靠近管道的顶部部分与管道相对以邻近气相。超声波气体湿度换能器可以与在管道中期望的气体进行阻抗匹配。
根据本发明的一个实施例，气体湿度仪108测量湿气流，以在气体流量确定期间对气雾进行校正。如上所述，可以通过使用超声波气体流量计118的超声波传播时间方法测量气体速度。对于图1C、2C、3C中所示的结构来说，传播时间通过以下方程与流动速度相关：
(tBA-tAB)/(tBAtAB)＝2XV/L2                            (1)
其中tAB是从点A到B(下游)的超声波传播时间，tBA是上游传播时间，X是换能器沿着流动方向的分离，L是超声波传播路径的长度，而V是流动速度。要注意的是在公式(1)中，两个传播时间测量值合并使得音速对V的测量值没有影响。
在本发明的另一个方面中，对传播时间(tAB，tBA)的计算可以用于确定混合物音速c(注意c＞＞V)。
c≈2L/(tAB+tBA)                                    (1B)
此测量的c可以与上游/下游传输衰减的测量值结合以推导气相湿度。
对于水平管道结构来说，可以自动确认超声波路径完全通过气相。例如，对于湿气应用来说，持液率通常充分地在50％以下，超声波路径可以位于与管道的中心相交的水平面内。这里，气体流量由公式(2)给出：
q气体＝V(1-α液体)A                                            (2)
其中α液体是管内的持液率，而A是管横截面面积。
当测量液体连续区(例如，靠近管子孔径的底部的层状层和管壁上的膜)内的持液率时，可以具有一些带到在V气体＞25m/s下的气相内的小液滴。如果未校正，液滴浓度的影响可能会产生另外的测量误差。可以通过垂直于流动方向传播的超声波能测量液滴浓度。这种能量的传播时间和衰减可以用于估计液体雾的滞留量。音速与液滴浓度之间的关系可以由以下公式(3)得出：
c＝1/√(ρβ)                                            (3)
其中ρ是流体混合物的密度，β是压缩系数，而c是混合物中的音速。
液滴浓度的增加导致ρ增加，但是β没有显著变化。整体影响在于当液滴浓度增加时音速减小。假设浓度较低(通常小于管横截面的5％)，并且与液滴尺寸相比将超声波波长选择得较长，则超声波能的衰减是液滴浓度的线性函数。
参照图1D，示出了多相流测量系统100-4的另一个实施例的方框图。与在本说明书中的其它位置一起，至少在图1D、2D、3D和4D中以各种方式说明了本实施例。本实施例包括用于测量气体速度的超声波气体流量计118、用于测量持液率和液相的速度的多普勒阵列122和WLR仪130。此实施例的WLR仪130使用将信号发射给多个电磁(EM)微波接收器128的EM微波发射器128。EM微波发射器128通常位于管道的底部，而EM微波接收器124在尽可能邻近于流体层的位置处绕管道的圆周放置。WLR和水电导率/矿化度影响发射的EM微波相移和/或振幅衰减测量值，使得可以确定WLR和水的含盐量。
其它实施例可以使用与单个EM微波接收器124一起工作的EM微波发射器128。EM发射器128可以连续或以不同频率同时发射以在此实施例中实现多样性。
现有实施例使用一个或多个超声波脉冲多普勒探头120估计WLR。虽然根据双能量伽玛射线测量值的核方法可以用于替换其它实施例的超声波和微波EM滞留量测量值，但是本实施例使用微波EM装置124、128以确定WLR。然而，其它实施例可以使用微波EM、伽玛射线和/或超声波的任意组合来确定WLR。
接下来参照图1E，示出了多相流测量系统100-5的实施例的方框图。与在本说明书的其它地方一起，至少在图1E、2E、3E和4E中以各种方式说明了本实施例。此实施例在气相附近使用超声波膜测量探头或换能器以测量管道内部上的液体或其它膜。这样，多普勒阵列122使其超声波探头120绕水平管道的下部更加紧紧地间隔开，以提供更好地液-气界面检测分辨率，而膜测量探头132绕上部分散开，用于进行膜厚度测量。
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。为了显示管道204的隐藏后侧的部件，虚线用于表示这些部件。例如，第一发射时间超声换能器116-1在管道的后侧，而第二发射时间超声换能器116-2在前侧。
发射时间超声换能器116沿管道204的长度放置在不同的位置处，使得信号朝向管道204内的流动的轴线倾斜。此实施例使用位于管道204底部处的单个超声波脉冲多普勒探头120。
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探头120。另外的超声波脉冲多普勒探头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。
参照图2C，示出了详细显示多相流测量系统100-3的部件的管结构200-3的又一个实施例的正视图。此实施例类似于图2B的实施例，但是还包括气体湿度仪108。两个超声波气体湿度换能器106在尽可能与气体层250接触的位置处布置在管道204的顶部范围内以形成气体湿度仪108。两个湿度换能器106沿着同一的圆周大致彼此直接相对。
以下参照图2D，示出了详细显示多相流测量系统100-4的部件的管结构200-4的另一个实施例的正视图。此实施例在WLR(和水的含盐量)仪130中使用RF/微波EM信号。在管道204的下半部分周围，布置有EM接收器124，所述EM接收器从位于管道底部处的EM发射器128接收RF/微波信号。各种EM元件124、128基本上沿着管道204的同一圆周定位。
参照图2E，示出了详细显示多相流测量系统100-5的部件的管结构200-5的实施例的正视图。除了超声波气体流量计118之外，此实施例具有多普勒阵列122和超声波膜量测换能器132。仅以示例的方式，多普勒阵列122可以包括七个超声波脉冲多普勒探头120，如图2E中所示，所述七个超声波脉冲多普勒探头沿着管道204的下半部分的圆周分布。在其它实施例中，可以使用其它数量的多普勒探头。超声波膜测量换能器132沿着管道的上半部分的圆周稀疏地分布。其它实施例可以将探头120和换能器132以稍微随机的方式分布在所述管道相应的范围内，而不是必需要沿着彼此相同的圆周分布。
以下参照图3A，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在管道204的大约中间部分或上半部分的大致平行于气-液界面230的平面内。在此实施例中，传播时间超声换能器116相互指向并且嵌入到塑料衬管208内，但是在其它实施例中可以被夹住。多相流测量系统100-1的其它元件在此横截面中没有出现，并且不做说明。
参照图3B，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平行于气-液界面230的平面内。除了显示传播时间超声换能器116之外，此实施例显示了超声波脉冲多普勒探头120中作为多普勒阵列122的一部分的一个超声波脉冲多普勒探头。
接下来参照图3C，示出了管结构200-3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平行于气-液界面的平面内。除了图3B中所示的部件之外，此实施例显示了布置在塑料衬管208内的超声波气体湿度换能器106，但是其它实施例可以使用夹紧式结构。
参照图3D，示出了管结构200-4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平行于气-液界面230的平面内。图3D和4D显示WLR仪103及其EM接收/发射元件124、128的布置。在图3D的横截面中仅示出了单个EM接收器124，但是要理解的是具有多个EM接收器124，所述多个EM接收器被布置成使得所述EM接收器尽可能地邻近于液相240。
在此实施例中，EM发射器128和多个EM接收器124用于根据本发明的一个实施例使用RF/微波方法测量层状液层中的持水率和水的含盐量。如图3D和图4D中所示，EM发射器128安装在管(通过适当的介电的材窗)的下侧处，从而发射例如在几百MHz到几GHz范围内的频率。多个EM接收器124绕管圆周(也通过适当的介电材料窗口)安装在与EM发射器128倾斜例如30度、60度和90度的倾斜位置处。根据EM接收器124相对于气-液界面230的位置选择适当的EM接收器124。通常，其位置在气-液界面230上方的EM接收器124和被液体覆盖的感测路径具有最大百分比的EM接收器(例如，图4D中的第四EM接收器124-4)可以提供最灵敏的测量。通过由超声波多普勒阵列122测量值产生的气-液界面测量信息可以有助于选择适当的EM接收器124-4。
RF/微波测量对被水覆盖的传输路径的百分比是灵敏的。所述RF/微波测量对油气之间的差不是很灵敏。因此，对于固定水电导率(矿化度)来说，RF/微波衰减或类似物与持水率成比例。由RF/微波测量的持水率可以与通过使用超声波脉冲多普勒探头(一个或多个)120的方法测量的总持液率结合，以推导WLR。在油与水之间具有滑脱的情况下(如在分层情况下)，由滑脱模型估计或通过使用超声波脉冲多普勒探头(一个或多个)120直接测量的滑脱值可以用于确定WLR。RF/微波测量还可给出多相流条件下的水电导率的在线确定，因此给出普通水相的水的含盐量，如美国专利No6,831,470中所述，该专利通过引用在此全文并入。
气体的流量由上述公式(2)给出，其中气体速度V通过超声波传播时间方法测量，而滞留量通过各种超声波(多普勒和/或管间传输)方法测量。虽然对于干气体速度测量来说精度较高(即，对用商业仪来说在百分之几的范围内)，但是在多相情况下，尤其在气体与液滴之间存在显著滑脱时，精度可能降低。如果持气率测量误差限制在±％(对于持气率大于70％来说可以实现这种相对精度，如在典型的湿气流中)，则可以实现±10％的气体流量误差。
液体流量由都通过诸如英国专利GB2363455B中所述的超声波多普勒方法测量的速度和滞留量的综合来确定。可达到的速度测量精度可以为±10％。另一方面，尤其在低持液率处可能难以最小化相对滞留量测量误差。因此，当液体流量减小而GVF增加时，期望增加液体速率误差。用于在线内嵌式应用先进的信号处理的换能器设计可以减小误差水平。
对WLR误差的贡献可以来自于持水率测量误差、持液率测量误差以及持水率与WLR由于水相与油相之间的滑脱而产生的差。如果油在分层分布中与水分离，则很有可能发生速度的滑脱。在这种情况下，忽略这种滑脱将导致对WLR的不准确估计，因此对油和水流量的不准确估计。具有多个探头120的多普勒阵列122(例如，图2B中所示)可以用于测量分层分布中分离油的速度和分离水的速度，并因此测量滑脱。当这种滑脱很有可能发生时，处理器110可以进行自动识别，并且改变模型以更加精确地估计WLR。
以下参照图3E，示出了管结构200-5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-液界面230的平面内。此实施例具有从管道的前侧延伸到后侧的多普勒阵列122。另外，具有超声波膜测量换能器132，其中示出了多个中的一个用于测量气相250中的液体膜245。
参照图4A，示出了管道结构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道204内的流的平面内。在此视图中仅示出了多相流测量系统100-1中的一些。具体地，超声波脉冲多普勒探头120被显示为位于管道204的底部以测量液相240的流动和气-液界面230的高度。
接下来参照图4B，示出了管道结构200-2的另一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道204内的流动的平面内。此视图显示了多相流测量系统100-2的多普勒阵列122。在此实施例中使用五个超声波脉冲多普勒探头120。第五个超声波脉冲多普勒探头120-5位于气-液界面230上方，而第四个超声波脉冲多普勒探头120-4位于下方。通过分析来自这些探头120-5、120-4的读数，处理器可以决定气-液界面230在两者之间。此外，在气-液界面230下方的其它探头可以使用来自脉冲的反射来估计高度。
参照图4C，示出了管道结构200-3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道204内的流动的平面内。在此视图中示出了多相流测量系统100-3的多个部分。具体地，示出了多普勒阵列122和气体湿度仪108。利用虚线示出了超声波信号在超声波气体湿度换能器106之间的来回通过。
接下来参照图4D，示出了管结构200-4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道204内的流动的平面。在此视图中示出了多相流测量系统100-4的多个部分。四个EM接收器124被示出为以不同的角度绕管道204的下半部分的圆周分布。EM发射器128位于管道204的底部处。
参照图4E，示出了管结构200-5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道204内的流动的平面。此视图显示了多相流测量系统100-5的多普勒阵列122以及超声波膜测量换能器132。在此实施例的多普勒阵列122中具有九个超声波脉冲多普勒探头120，但是其它实施例可以具有在六个与十个之间的任意数量。三个超声波膜测量换能器132每一个都对膜进行读取。通过已知气-液界面230的位置和流体动力学模型，可以通过处理器110估计膜中的液体量。
三个高频率(因此高空间和速度分解)多普勒换能器132可以安装在管204的上部以测量环形流中的液体膜的速度和厚度。这种信息则可以与管204的下部附近的液层240的测量值结合，并且与由气体速度流量计118和气体湿度仪108得出的携带液滴的流量结合，以生成整个液体流动速度。
可以使用比用于膜厚度测量的频率低的频率进行分层液层240周围的测量。通常，空间分辨率与频率f成比例，而衰减与频率f2成比例。此外，对于脉冲多普勒系统来说，最大速度测量范围与f成反比。仅以示例的方式，对于在管的底部附近相对快速移动的液层来说，基于管尺寸可以在一些实施例中使用1-3MHz的频率，而对于在管壁上缓慢移动的膜来说，可以使用4-8MHz的频率。5MHz频率在水中具有0.3mm厚度分辨率。
接下来参照图5，示出了通过多相流与管204接合的超声波脉冲多普勒探头120的实施例的方框图。塑料部件515用于增加超声波脉冲多普勒探头120的精度。塑料部件515吸收来自换能器晶体504的能量，并且与塑料衬管208进行阻抗匹配。塑料部件515的作用是衰减在塑料衬管壁208传播的能量，并因此在流动中产生更加可预测的波束图。其它实施例可以使用除了用于部件515的材料之外的材料。
根据本发明的一个实施例，美国专利No6,758,100说明另外用于根据移频和多普勒反射能级确定液体速度和滞留量以便测量层状气-液流的多普勒测量原理和信号处理方法的细节，该专利的内容通过引用在此全文并入。如图4E中所提供的，可以通过距离选通超声波多普勒换能器120的多普勒阵列122进行液体速度和滞留量测量，所述距离选通超声波多普勒换能器120可以绕管外侧安装，使得所述距离选通超声波多普勒换能器对于流动来说是非侵入式的。在这种结构中，管圆周可以被多普勒阵列122扫描。因为换能器仅从被液相240覆盖的区域接收强多普勒回波，因此可以由绕圆周的多普勒能量分布来确定持液率。可以由多普勒频移测量液相240的速度。
参照图6，示出了具有射束聚焦能力的超声波脉冲多普勒探头的实施例的方框图。在夹紧情况下，钢管壁加宽超声波束，并因此使扫描的空间分辨率降低。因此，在本发明的一些方面中，如果可能，钢管可以在管的一部分中被塑料衬管208代替，这允许使用聚焦机构以提高分辨率。如图6中所示，可以通过第一材料604实现聚焦延迟线，与塑料衬管的音速相比，所述第一材料具有更高的音速。第二材料608具有与管相同的音速。在这样一个实施例中，衬管208中的折射波束将具有较小的发散角。通过修改形状和材料，此实施例中可以发生各种聚焦。其它实施例可以使用多元件换能器阵列和相位电激励以实现聚焦。
接下来参照图7，示出了用于测量管204内的烃的多相流的过程700的实施例的流程图。过程的说明部分在方框704中开始，在方框704中，液相240和气相250分层。管204的水平截面可以用于使多相混合物流分层。在一些方面中，可以确定水平截面的长度以提供层流，并且在其它方面中，诸如具有内径大于管的扩大段或类似部分的系统可以用于减小多相混合物的流量，并且用于在管204的水平截面中产生层流。在一些方面中，流动多相混合物可以被超声波传感器、微波传感器、光学传感器、和/或类似装置询问，以确定多相混合物是否在层流状态下流动。例如，多普勒询问可以用于确定在管中是否存在液-气界面和/或确定液-气界面存在于管道内的什么位置。
在方框704中，超声波气体流量计118可以测量气相250的速度。当在现场操作时，传播时间超声换能器116中的一个或多个可以被浸没在液体中或以其它方式被液体堵塞。如果是这种情况，处理器110注意误差条件并且可以采取修正动作，但是可能不能够采集气相250的读数。在方框708中，超声波脉冲多普勒探头(一个或多个)120可以测量液相240的流动速度。另外，在方框712中，超声波脉冲多普勒探头(一个或多个)120可以使用反射和/或记录器测量气-液界面230的高度，其中多普勒阵列122中的探头120看起来没有浸没在液相中。
使用EM发射器128和接收器124，方框716允许确定通过在前面方框中执行的测量值被确认的分层液相的WLR。
在方框720中使用超声波膜测量换能器132任选地测量气相250中的液体膜245。在方框724中测量气体湿度，以确定气体流动测量值是否尽可能精确或者处理器110是否可以使用其它算法来确定或估计气体流。通过在前面的方框中采集的信息，可以通过处理器110确定在方框728中确定的液相流量和/或液态烃流量。所述信息可以转播给其它系统和/或被显示。
在本发明的各个方面中，还可以通过超声波传播时间和距离选通多普勒系统提供以下信息：
-极低的多普勒能量管间剖面图值表示单相气流或单相液体流(通常具有标记的速度读数；通常在油田水或油流中总是具有杂质/散射)。
-在单相气流的情况下，超声波传播时间气体流量计118提供速度读数。
-对于液体百分数表示(例如，在载气中的携带的液态雾/液滴百分数)来说，在一些情况下也可以使用来自传播时间气体仪118的音速测量值。
-可以使用脉冲多普勒系统在所选择的管深度(一个或多个)处的瞬时速度或能量读数以表示与流型信息(例如，段塞长度/频率)有关的流动波动；和
-两个多普勒探头可以轴向分开地安装在管下侧和/或顶侧以通过交叉关联所述两个多普勒探头同时取样的多普勒流动速度或能量数据来推导例如段塞速度(对于段塞流来说，所述段塞速度与气体速度密切相关)。
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。

Claims (25)

1.一种用于测量包括在层流管中流动的气态-液态烃和水的多相混合物的流动特性的方法，所述方法包括以下步骤：
测量所述管中的气相的流动特性；
使用脉冲超声波多普勒探头测量所述管中的液相的流动特性；
确定持气率或持液率；
使用所述持气率和所述气相的流动特性计算所述管中的气体流量；以及
使用所述持液率和所述液相的流动特性计算所述管中的液体流量。
2.根据权利要求1所述的用于测量包括在层流管中流动的气态-液态烃和水的多相混合物的流动特性的方法，还包括以下步骤：
确定所述液相的水与液体比(WLR)；以及
使用所述液体流量和所述WLR计算所述管中的水流量和液态烃流量。
3.据权利要求1所述的用于测量包括在层流管中流动的气态-液态烃和水的多相混合物的流动特性的方法，其中，所述测量所述管中的气相的流动特性的步骤使用包括多个传播时间超声换能器的超声波气体流量计。
4.根据权利要求1所述的用于测量包括在层流管中流动的气态-液态烃和水的多相混合物的流动特性的方法，还包括以下步骤：
以超声波的方式确定所述气相的湿度。
5.根据权利要求1所述的用于测量包括在层流管中流动的气态-液态烃和水的多相混合物的流动特性的方法，还包括以下步骤：
自动确定所述多相混合物被分层。
6.根据权利要求1所述的用于测量包括在层流管中流动的气态-液态烃和水的多相混合物的流动特性的方法，其中，所述脉冲超声波多普勒探头是以多普勒阵列布置的多个脉冲超声波多普勒探头中的一个。
7.根据权利要求6所述的用于测量包括在层流管中流动的气态-液态烃和水的多相混合物的流动特性的方法，还包括以下步骤：
使用所述多普勒阵列以确定所述多相混合物被分层。
8.根据权利要求1所述的用于测量包括在层流管中流动的气态-液态烃和水的多相混合物的流动特性的方法，其中，所述确定持气率或持液率的步骤包括以下步骤：
使用所述脉冲超声波多普勒探头确定所述气-液界面的高度。
9.根据权利要求1所述的用于测量包括在层流管中流动的气态-液态烃和水的多相混合物的流动特性的方法，还包括以下步骤：
调节所述多相混合物以使所述管中的所述液相分层。
10.根据权利要求1所述的用于测量包括在层流管中流动的气态-液态烃和水的多相混合物的流动特性的方法，其中：
所述管被水平布置以使所述多相混合物分层；以及
所述超声波气体流量计操作性地接合所述管的上半部分，所述上半部分在上方并且包括与所述管的中线对齐的水平面。
11.根据权利要求1所述的用于测量包括在层流管中流动的气态-液态烃和水的多相混合物的流动特性的方法，其中，所述管被水平布置以使所述多相混合物分层，并且还包括以下步骤：
以超声波的方式测量在管的与所述管的中线对齐的水平面上方的上半部分处的液体膜。
12.根据权利要求1所述的用于测量包括在层流管中流动的气态-液态烃和水的多相混合物的流动特性的方法，其中：
所述管道被水平布置以使所述多相混合物分层；以及
所述超声波气体流量计操作性地接合所述管的在与所述管的中线对齐的水平面下方的下半部分。
13.根据权利要求2所述的用于测量包括在层流管中流动的气态-液态烃和水的多相混合物的流动特性的方法，其中，所述确定WLR的步骤包括以下步骤：
将电磁(EM)信号发射通过所述液相。
14.根据权利要求13所述的用于测量包括在层流管中流动的气态-液态烃和水的多相混合物的流动特性的方法，其中，将电磁(EM)信号发射通过所述液相的发射步骤使用EM发射器和EM接收器，所述EM发射器和所述EM接收器都靠近所述液相操作性地接合所述管。
15.一种用于测量在层流管中流动的气态-液态烃和水的多相混合物的流动特性的系统，所述系统包括：
超声波气体流量计，所述超声波气体流量计被构造成：
操作性地接合所述管；并且
测量所述管中的气相的流动特性；
脉冲超声波多普勒探头，所述脉冲超声波多普勒探头被构造成与所述管操作性地接合，并且被构造成测量所述管中的液相的流动特性；和
处理器，所述处理器被构造成：
确定持气率或持液率；
使用所述持气率和所述气相的流动特性计算所述管内的气体流量；以及
使用所述持液率和所述液相的流动特性计算所述管内的液体流量。
16.根据权利要求15所述的用于测量在层流管中流动的气态-液态烃和水的多相混合物的流动特性的系统，其中，所述处理器进一步被构造成：
确定所述液相的WLR；以及
使用所述液体流量和所述WLR计算所述管内的液态烃流量和水流量。
17.根据权利要求15所述的用于测量在层流管中流动的气态-液态烃和水的多相混合物的流动特性的系统，其中，GVF在20％以上但在99％以下。
18.根据权利要求15所述的用于测量在层流管中流动的气态-液态烃和水的多相混合物的流动特性的系统，所述系统还包括EM发射器和EM接收器，所述EM发射器和所述EM接收器都靠近所述液相操作性地接合所述管。
19.根据权利要求18所述的用于测量在层流管中流动的气态-液态烃和水的多相混合物的流动特性的系统，其中，所述EM发射器和所述EM接收器用于测量WLR和水的含盐量。
20.根据权利要求15所述的用于测量在层流管中流动的气态-液态烃和水的多相混合物的流动特性的系统，其中：
所述管被水平布置以使所述多相混合物分层；以及
所述超声波气体流量计操作性地接合所述管的上半部分，所述上半部分在上方并且包括与所述管的中线对齐的水平面。
21.根据权利要求15所述的用于测量在层流管中流动的气态-液态烃和水的多相混合物的流动特性的系统，其中：
所述管被水平布置以使所述多相混合物分层；以及
所述超声波气体流量计操作性地接合所述管的在与所述管的中线对齐的水平面下方的下半部分。
22.根据权利要求15所述的用于测量在层流管中流动的气态-液态烃和水的多相混合物的流动特性的系统，其中，所述脉冲超声波多普勒探头是以多普勒阵列布置的多个脉冲超声波多普勒探头中的一个。
23.根据权利要求15所述的用于测量在层流管中流动的气态-液态烃和水的多相混合物的流动特性的系统，其中，所述超声波气体流量计包括多个传播时间超声换能器元件。
24.根据权利要求15所述的用于测量在层流管中流动的气态-液态烃和水的多相混合物的流动特性的系统，其中，所述脉冲超声波多普勒探头包括适于距离选通脉冲多普勒测量的换能器。
25.根据权利要求24所述的用于测量在层流管中流动的气态-液态烃和水的多相混合物的流动特性的系统，其中：
所述脉冲超声波多普勒探头被构造成测量所述液相的流动速度和厚度；以及
能够通过所述液相中的音速和所述距离选通多普勒能量最大时的时滞估计所述液层厚度。
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