CN101970991A

CN101970991A - 气-液流体混合物的流量确定

Info

Publication number: CN101970991A
Application number: CN2009801089109A
Authority: CN
Inventors: 伊恩·艾金森; 迈里安·阿彻
Original assignee: Prad Research and Development Ltd
Current assignee: Prad Research and Development Ltd; Schlumberger Technology Corp
Priority date: 2008-03-14
Filing date: 2009-03-12
Publication date: 2011-02-09
Anticipated expiration: 2029-03-12
Also published as: RU2010135668A; WO2009112834A1; US20090229375A1; CN101970991B; US7607358B2

Abstract

本发明公开了用于确定管道中的气-液流体混合物的流量的方法和系统。在所述的系统和方法中，流体混合物被调节成使得混合物中的液体与混合物中的气体分离。然后可以测量已调节流的性质以确定流量。在本发明的实施例中，测量被分离液体的滞留量；测量被分离液体的速度；测量被分离气体的速度；以及由所述滞留量和所述被分离液体的速度和所述被分离气体的速度确定气-液混合物的流量。

Description

气-液流体混合物的流量确定

技术领域

本发明涉及一种测量气-液流体混合物的流量的方法。

背景技术

在油汽工业中确定气-液混合物的气体流量和液体流量是重要的。

用于测量这种流量的设备的示例是Schlumberger的Vx^TM系统(例如，见1999年10月25-28日在Oslo Norway举行的第17届International North Sea Flow Measurement Workshop中I.Atkinson，M.Berard，B.-V.Hanssen，G.Ségéral的“New Generation Multiphase Floweters from Schlumberger and Framo Engineering AS”)，所述系统包括垂直安装的文丘里流量计、双能量伽玛射线滞留量测量装置和相关联的处理器。此系统允许同时计算多相流中的气体、水和油的体积流量。

虽然提供了已被证明的性能，但是Vx^TM系统及其它传统的多相流量计却相对较贵，这往往阻碍了所述系统在“棕色”油气田井场(即，其中生产能力已经降到大约1000桶/天(0.0018m3/秒)以下的油气井)及其它低油气生产井。然而，这种井场在全世界可能占大约2百万-3百万个油气井。

发明内容

因此，需要一种在气体体积分数(GVF)的范围内仍然具有充分的线性和重复性的相对便宜的流量计。例如，来自“棕色”油气田井场的流动的GVF可以从大约15％变化到大约95％。

大体上，本发明提供一种用于确定诸如气-液流体混合物的流体的流量的方法和相对应的设备。

在第一方面中，本发明提供了一种用于确定气-液流体混合物的流量的方法，包括以下步骤：

提供气-液流体混合物流动通过的管道；

调节管道中的流体混合物以使混合物中的液体与气体分离；

测量被分离液体的滞留量；

测量所述被分离液体的速度；

测量被分离气体的速度；以及

由滞留量和被分离液体的速度以及被分离气体的速度确定气-液流体混合物的流量。

通常并且便利地，可以对相同管道横向横截面进行测量。然而，如果调节的流动充分稳定，则测量值可以沿管道间隔开。

与需要伽玛射线确定的滞留量来计算流量的Vx^TM系统不同，用于测量流量的方法可以使用诸如超声波的相对便宜的技术来测量滞留量和液体速度。相对于Vx^TM系统的另一个优点在于可以避免与使用伽玛射线源有关的健康和安全问题。

有利地，管道没有必要是水平的。实际上，所述方法独立于管道定向。此外，所述方法可高度调节，并且可以应用于通过直径广泛变化的管道的流动。

优选地，通过使管道中的流动进行漩流以形成绕气芯的液体环来分离液体与气体。例如，管道可以具有用于使混合物显示漩流的诸如螺旋形插入件或叶片组件的漩流元件。漩流元件可以包括沿管道在流体流动的方向上延伸的一个或多个螺旋形构件。优选地，螺旋形构件位于管道的壁处，并且当沿管道的轴线观察时，管道的中心芯没有被阻碍(即，所述螺旋形构件不会径向向内延伸直到管道的中心轴线)。可选地，漩流元件可以由与管道相切的流动入口形成。

漩流的优点在于其相对容易诱导和确认，并且关于流动轴线对称。然而，可选地，流动可以被调节成显示层流以分离液体与气体。

当采用漩流时，优选地，通过确定液体环的厚度测量滞留量。

优选地，确定被分离液体与被分离气体之间的界面的位置以测量滞留量。例如，如上所述，可以以超声波的方式确定界面的位置。另外(或实际上可选地)，可以以超声波的方式测量被分离液体的速度。

优选地，确定被分离气体的动压力以测量被分离气体的速度。例如，可以使用皮托管确定动压力。这可以是一种可以应用到大流动速度操作范围的低成本并且稳固的方法。然而，可选地，可以使用诸如涡街流量计或插入式涡轮流量计来测量被分离气体的速度。

优选地，还可测量被分离气体的静压和/或被分离气体的温度。这些测量值允许将流量转换成标准条件。有利地，皮托管装置可以在测量动压力的同时测量静压。此外，这种装置可以容易地装有温度计。

为了补偿流动中的不规则性并且减少测量值中的噪点的影响，滞留量和速度测量可以被时间平均。

混合物的液体可以包括油和/或水。气体可以包括天然气。因此，气-液流体混合物可以是天然气、凝析液以及任选地水的混合物。

本发明的第二方面提供一种用于提供可在确定气-液流体混合物的流量时使用的测量值的设备，所述设备包括：

管道，气-液流体混合物可流动通过所述管道，且在使用中管道中的流体混合物被调节以使流体混合物中的液体与气体分离；

用于测量被分离液体的滞留量的滞留量测量装置；

用于测量被分离液体的速度的液体速度测量装置；和

用于测量被分离气体的速度的气体速度测量装置，

其中，滞留量和被分离液体的速度以及被分离气体的速度可用于确定气-液流体混合物的流量。

所述设备可以用于执行第一方面的方法。第一方面的任选特征因此可以单独或组合地应用于第二方面。

因此，所述设备还可以包括用于通过使管道中的流动进行漩流以形成绕气芯的液体环来调节流体的漩流元件。滞留量测量装置则可以确定液体环的厚度以测量滞留量。然而，一般地说，滞留量测量装置可以确定被分离液体与被分离气体之间的界面的位置以测量滞留量。

滞留量测量装置可以以超声波的方式确定界面的位置。另外(或者可选地)，液体速度测量装置可以以超声波的方式测量被分离液体的速度。优选地，滞留量测量装置和液体速度测量装置被合并成在一个超声波测量装置中。

优选地，气体速度测量装置确定被分离气体的动压力以测量被分离气体的速度。例如，气体速度测量装置可以包括用于确定动压力的皮托管装置。优选地，还可由适当的装置测量被分离气体的静压和/或被分离气体的温度。例如，可以通过皮托管装置测量静压，并且通过设置在与皮托管装置并排的温度计测量温度。

有利地，所述设备可以没有移动部件。

所述装置可以测量被时间平均的滞留量和被时间平均的速度。

本发明的第三方面提供一种用于确定气-液流体混合物的流量的流量计，所述流量计包括：

根据第二方面所述的设备；和

处理器，所述处理器被布置成使用由所述设备测量的滞留量和被分离气体的速度以及被分离液体的速度确定气-液流体混合物的流量。

处理器可以由各个测量值的时序性计算被时间平均的滞留量和被时间平均的速度。

本发明的另一个方面提供包括根据第二方面的设备或根据第三方面的仪表的油井管道或气井管道。

本发明的另一个方面提供了一种当输送气-液流体混合物时根据第二方面的设备、或当输送气-液流体混合物时根据第三方面的仪表。

附图说明

以下参照附图以示例的方式说明本发明的实施例，其中：

图1示意性地显示通过用于提供在确定气-液流体混合物的流量时可使用的测量值的设备的纵向截面；

图2示意性地显示在图1设备中的管道内的液体与气体的分离；

图3示意性地显示校准因子k与雷诺数Re的关系；

图4示意性地显示基于两个超声波脉冲回波测量值的组合的、具有进入液体层内的不同折射角的夹装式超声波测量装置(TR1和TR2可以是执行距离选通多普勒测量和绘制流动分布图的窄带收发器，或者可以是在时域内直接测量回波信号的到达时间的宽带脉冲回波收发器)；

图5显示由典型的距离选通多普勒测量系统产生的流动速度分布图和多普勒信号能量分布图的草图；

图6示意性地显示在液相被分隔的情况下并且与速度分布图结合以产生空间平均液体流量的横截面；

图7显示超声波测量装置的测量过程流程图；

图8显示得到声阻抗和界面位置的测量值的时域脉冲回波方法的原理；和

图9显示装入具有不同入射角、频率和测量模式的另外的收发器的超声波测量装置的变形。

具体实施方式

图1示意性地显示通过用于提供在确定气-液流体混合物的流量时可使用的测量值的设备的实施例的纵向截面。

所述设备包括圆形横截面并且直径为D的管道11。气-液流体混合物沿由箭头12所示的方向流动通过导管。诸如管道内的螺旋形插入件或与管道相切的流动入口的漩流元件(未示出)使混合物显示由箭头13所示的漩流。此漩流的作用是使来自混合物的液体移动到管道的壁以形成绕半径为a的气芯的液体环，如图2中示意性地所示。

回到图1，所述设备具有公知类型的皮托管装置14，所述皮托管装置14测量管道中心处的气体的动压力ΔP(例如，通过测量所述位置处的停滞压力与静压之间的差)。装置14还包括测量管道中心处的气体温度的温度计。

与皮托管装置14相对的夹装式超声波测量装置15测量液体环与气芯之间的界面的位置。装置15还测量横过液体环的厚度的液体的速度分布图。附件中说明了装置15可能的结构。虽然超声波测量装置15在图1中被示出为与皮托管装置14相对，但是漩流的稳定性可以允许超声波测量装置15与皮托管装置14沿管道相对于彼此间隔开。例如，达到两个管道直径的间距是可以接受的。

超声波测量装置15通过测量液体层厚度h提供作为液体深度t、和持液率的函数的液体速度v(t)。管道中的总液体体积流量q_L因此由以下公式给出：

q_{L} = {&Integral;}_{D / 2 - h}^{D / 2} v (t) 2 πtdt

(公式Ⅰ)

还需要确定气体体积流量q_G。

假设平坦气体速度分布图，q_G由以下公式给出：

q_{G} = π {(\frac{D}{2} - h)}^{2} v_{G}

(公式Ⅱ)

其中v_G是气体速度。

v_G通过以下关系与皮托管动压力测量值ΔP有关：

ΔP＝kρ_Gv_G ² (公式Ⅲ)

其中ρ_G是气体密度，而k是作为芯体中的气体的雷诺数Re(＝ρ_Gv_Ga/μ_G，μ_G是气体粘度)的函数而变化的校准因子。

k与Re之间的关系可以通过实验显示以获得利用图3中的实线示意性地所示的形式。已经确定这种关系，对于具体的ΔP可以通过迭代获得k。例如，k的初始值可以被取作为通过实验确定的k与Re曲线的外推值(图3中的虚线所示)在Re＝0时的交点。这允许由公式Ⅲ确定v_G的初始值，所述值然后可以用于确定相对应的Re值(由皮托管装置14的温度计测量的温度允许采用温度相关量ρ_G和μ_G的精确值，且由D-h确定气芯半径a，其中h由超声波测量装置15测量)。相对应的Re值然后可以用于使用通过实验确定的k与Re曲线更新k的初始值。k的稳定值的收敛通常发生在大约四次迭代。

然后，使用k值，由公式Ⅲ确定的v_G由公式II提供q_G，由公式I和公式II提供总流量q_L+q_G。如果需要，由装置14得到的温度测量值和静压测量值允许将这些流量转换成标准条件。

因此，通过将皮托管装置14和超声波测量装置15的输出连接到被适当地构造成执行上述分析的处理器(未示出)，可以获得液体、气体和/或总流量的流量计读数。

虽然分析使用轴向气体速度，而不是使用切向气体速度或轴向速度与切向速度的组合，但是在Re中所述分析仍然有效。这是因为轴向气体速度与切向气体速度的比值是固定的，并且由漩流元件的横截面面积之间的恒定比值(例如，切向流动入口的横截面面积与管道的横截面面积之间的比值、或者受螺旋形插入件影响的管道横截面的尺寸与不受影响的管道横截面的尺寸之间的比值)来确定。

此外，漩流对动压力测量值的影响不会明显地改变分析。具体地，管道的中心线上的点处的气体压力P₀与气-液界面上的点处的气体压力P₃之间由于漩流的差为：

P_a-P₀＝kρ_G(aΩ_G)² (公式Ⅳ)

其中Ω_G是气体的角速度。对于典型的管线压力和尺寸，可以表明kρ_G(aΩ_G)²不是重要的因子。

管道不需要是水平的，并且所述方法是高度可调节的，从而允许所述方法可应用于通过不同直径的管道的流动。具体地，所述方法应该可应用于通过标准全径(即，2英寸/5.1cm内径)管道的流动。

可以相对于时间对测量值做平均以说明流动中的不规则性，并且减少噪点对各个测量值的影响。

其它技术可以用于获得液体环厚度、和液体速度以及气体速度，但是这些技术中的大多数相对于超声波皮托管方法都具有缺陷。例如，γ-射线可以用于确定液体环厚度，但是γ-射线设备昂贵并且具有健康和安全隐患。涡街流量计或插入式涡轮流量计可以代替皮托管用于测量气体速度，但是这种装置往往比皮托管更易于被侵入。此外，如果需要转换成标准条件，将仍然需要并入温度测量值和静压测量值。

已经相对于被调节以显示漩流的流体混合物说明了上述实施例。然而，可以设想其它调节流动。例如，液体和气体可以被调节成显示层流。超声波可以再次用于确定持液率和液体速度，并且皮托管装置可以用于确定气体速度。然而，可能的困难是将皮托管正确地定位在流动的气体部分中。例如，如果GVF非常低，可能难以将皮托管定位于气体中。相反，如果GVF非常高，可能必须在气体层的厚度的两端获取压力读数测量值以正确地表征所述气体层中的气体速度。

当流体混合物被调节成显示漩流时，一种选择是在管道中含有诸如文丘里管的收缩区，并且获取此区域处的测量值。在收缩区处，角动量守恒可以增加漩流动速度并且使液体与气体更好地分离。然而，当液体层的厚度在收缩区内减小时，可能必须要注意用于测量被分离液体的滞留量和被分离液体的速度的一个或多个装置的分辨率是充足的。

虽然已经结合上述示例性实施例说明了本发明，但是当给出本公开时许多等价修改和变化对本领域的技术人员是显而易见的。因此，本发明的上述示例性实施例被认为是示例性的而不是限制性的。在不背离本发明的精神和保护范围的情况下可以对所述实施例做各种变化。

附件

图4中示出了夹装式超声波测量装置5的示例，并且所述夹装式超声波测量装置5包括至少一个第一超声波收发器变换器(TR1)和至少一个第二超声波收发器变换器(TR2)，所述至少一个第一超声波收发器变换器具有相对于液体/管壁界面的第一脉冲入射角，所述至少一个第二超声波收发器变换器具有相对于液体/管壁界面的第二脉冲入射角；两个入射角明显不同，并且优选地所述两个入射角之间的差应该尽可能地大。作为示例，第一入射角在37°-80°范围内，而第二入射角为0°，即，垂直入射。

优选地，上述变换器安装在输送流动管的外部，从而执行非侵入式测量，尽管上述变换器还可以用于以侵入的方式与液相直接接触。变换器在脉冲-回波模式下工作，在所述脉冲-回波模式中，将具有适当频谱的超声波脉冲发射到流动中，并且记录来自诸如液体/管壁界面和气体/液体界面的各种界面的回波信号，用于进一步信号处理。脉冲频谱的中心频率的范围通常可以从100kHz到100MHz，但是优选地从500kHz到10MHz。适当的信号处理器记录来自TR1和TR2的信号，并且计算与流动相关的参数-声速、界面位置(由此计算滞留量)、流动速度、流量、声阻抗和组分混合比(例如，WLR)。

对TR1和TR2假设典型的脉冲回波测量方法，以下参照图4说明用于测量气体/液体界面位置和声速的原理。在这种方法中，TR1在发射器模式下将具有入射角为β₁的脉冲发射到厚度为h₁的管壁内，脉冲在h₁内以声速c₁传播。在管壁/液体界面处，脉冲以角度β₂被折射到液体层内，所述液体层的厚度为h₂(在管壁与气体/液体界面之间)。脉冲在液体层内继续以声速c₂传播，所述液体层以平均轴向速度V流动。当脉冲到达气体/液体界面时(所述气体/液体界面一点也不平滑同时正在流动)，脉冲能量的一部分向后回波，从而生成沿发射路径传播返回到变换器TR1的强回波信号，所述变换器TR1此时处于接收器模式下。在变换器处脉冲的发射与回波信号的到达之间的时间差给出了脉冲回波的往返行程传播时间。此时间可以被表示如下：

T_a＝T_0a+T₁+T₂ (公式1)

其中

T_{0 a} = \frac{2 \cdot h_{1}}{c_{1} \cdot \cos β_{1}}

(公式2)

是脉冲在管壁内的往返行程传播时间加上脉冲在变换器内的往返行程传播时间，

T_{1} = \frac{h_{2} / {\cos β}_{2}}{(c_{2} - V \cdot \sin β_{2})}

(公式3)

是从管壁到气体/液体界面的输出脉冲(out going pulse)传播时间，以及

T_{2} = \frac{h_{2} / \cos β_{2}}{(c_{2} + V \cdot \sin β_{2})}

(公式4)

是从界面到管壁的返回回波信号传播时间。要注意的是，在图4中，远去脉冲有效地逆着流动方向，并因此所述远去脉冲的实际传播速度被减小了流动速度，而返回回波信号有效地顺着流动传播，并因此实际传播速度被增加了流动速度。

在公式1中，T_0a是可以通过校准测量确定的常数。要注意的是，由于往返行程性质，V对T₁和T₂的影响往往彼此补偿。液体中的往返行程传播时间是：

T_{1} + T_{2} = \frac{h_{2} / \cos β_{2}}{c_{2} - V \cdot \sin β_{2}} + \frac{h_{2} / \cos β_{2}}{c_{2} + V \cdot {\sin β}_{2}} = \frac{2 \cdot c_{2} \cdot h_{2} / \cos β_{2}}{c_{2}^{2} - {(V \cdot \sin β_{2})}^{2}}

(公式5)

以下，对于典型的油田液体，c₂的值通常在1000m/s-1500m/s的范围内，作为设计参数的β₂通常小于30°，而V通常小于20m/s。因此，具有：

{(V \cdot \sin β_{2})}^{2} < < c_{2}^{2}

(公式6)

使用V＝20m/s，c₂＝1000m/s，并且β₂＝30°，

平方运算有助于使此比值非常小。因此，在公式5中省略掉与流动速度V有关的项是非常合理的，并且公式1变成：

T_{a} = T_{0 a} + \frac{2 \cdot h_{2}}{c_{2} \cdot \cos β_{2}} = T_{0 a} + \frac{2 \cdot h_{2}}{c_{2} \cdot \sqrt{1 - {(\sin β_{2})}^{2}}}

(公式7)

根据Snell折射定律：

\sin β_{2} = \frac{\sin β_{1}}{c_{1}} \cdot c_{2}

(公式8)

可以将公式7重新写成：

T_{a} = T_{0 a} + \frac{2 \cdot h_{2}}{c_{2} \cdot \sqrt{1 - {(γ \cdot c_{2})}^{2}}}

(公式9)

其中γ＝sin β₁/c₁是常数，因为管壁材料的声速和折射角是已知的。

因为在公式9中有两个未知量h₂和c₂，因此需要另一个单独的测量值，并且这由变换器TR2提供。

TR2执行类似于TR1的脉冲回波测量的脉冲回波测量。然而，TR2的脉冲入射角β₁并因此折射角β₂具有与TR1的脉冲入射角和折射角非常不同的值。为了简化分析，选择β₁＝0°，即，垂直入射。因此，测量的往返行程脉冲回波传播时间是：

T_{p} = \frac{2 \cdot h_{2}}{c_{2}} + T_{0 p}

(公式10)

其中

T_{0 p} = \frac{2 \cdot h_{1}}{c_{1}}

(公式11)

是管壁内的往返行程传播时间，其是公知常数。要注意的是在公式10中，流动速度影响不存在。这是由于脉冲传播方向垂直于平均流动速度。

公式10除以公式9，得到：

\frac{T_{p} - T_{0 p}}{T_{a} - T_{0 a}} = \sqrt{1 - {(γ \cdot c_{2})}^{2}}

(公式12)

因此，可以推导出液体层中的平均声速为：

c_{2} = \frac{1}{γ} \cdot \sqrt{1 - {(T_{p} - T_{0 p})}^{2} / {(T_{a} - T_{0 a})}^{2}}

(公式13)

其中

(T_p-T_0p)＜(T_a-T_0a)

在已知c₂的情况下，可以使用公式10或公式9获得液体层厚度h₂。h₂的已知则允许推导出持液率。

显而易见的是声速测量值对于从基于传播时间的测量值推导出液体层厚度是必不可少的。还需要已知c₂用于利用飞行时间法或多普勒方法对流动速度测量值进行校正，所述或多普勒方式对声速敏感。除了这些主要应用之外，可以使用c₂值推导出在一些情况下的其它有用参数。例如，对于含有两种组分的均匀混合物的液相来说，声速c₂可以与混合比α相关联。用于从c₂推导a的方法已经在1999年10月3-6日在休斯顿举行的SPE技术会议和展览会年会上介绍的paper SPE56584中Gudmundsson J.S.和Celius H.K的“Gas-Liquid Metering Using Pressure Pulse Technology”中进行了说明。假设液相没有气体，并且仅含有两种组分，即，油和水，此方法的有用应用是水液比(WLR)测量。要注意的是没有气体的条件是重要的，因为油与水之间的c₂比较小(1300m/s和1500m/s)，并且小百分数未分离气泡的存在将不可抵抗地影响c₂，从而使得难以确定WLR。

因为c₂对液体中的气体含量是灵敏的，因此c₂可以用于监测液体/气体分离过程的质量。

图4中所示的装置还将允许测量与管壁接触的液相的声阻抗。通常，使用垂直入射变换器TR2。从TR2发射的脉冲在液体/管壁界面和管/变换器界面处被部分反射，从而在管壁内生成回波混响。这种混响的衰减率是液相的声阻抗的函数。例如，已经在1991年6月16-19日举行的SPWLA第32届测井学术讨论会年会上在HeymanA.、Hutin R.和Wright P.的“Highresolution cementation and corrosion imaging by ultrasound”和2004年3月的Journal of Fluids Engineering第126卷第189-192页中Greenwood M.S.和Bamberger J.A.的“Self-Calibrating Sensor for Measuring Density Through Stainless Steel pipeline Wall”中说明了测量这种衰减率并推导出声阻抗的方法。。以下将进一步说明基本原理。因为声阻抗被如下表示：

Z_{L} = ρ_{mx} \cdot c_{2 x}

(公式14)

其中ρ_mx和c_2x是液相的近壁区中的密度和声速。如果液体混合物在各处都是均相的，则ρ_mx＝ρ_m并且c_2x＝c₂。在由公式13确定c₂的情况下，混合物密度ρ_m可以由测量的声阻抗Z_L推导出。如果已知诸如ρ_w和ρ_o的单一组分的密度，则混合物密度提供通过公式15推导诸如水液比的组分混合比α_wlR的另外的方法。

ρ_m＝α_wlR·ρ_w+(1-α_wlR)·ρ_o (公式15)

经由测量的液体层厚度推导出的持液率可以与速度测量值一起生成液相的流量。以下结合一些示例性实施例说明速度测量方法。

在一个实施例中，第一倾斜入射超声波收发器TR1是促进脉冲(又称为距离选通)多普勒测量的窄带变换器。优选地相对于管壁具有垂直入射角的第二变换器TR 2也可以是有助于距离选通多普勒测量的窄带变换器。已经在GB专利申请no.2363455中说明了用于流动速度测量的窄带变换器设计和这种多普勒系统的原理的细节。这里充分说明了系统产生作为其输出的两个分布图-流动速度与回波迟滞时间分布图和多普勒信号能量与回波迟滞时间分布图。图5中示出了这些的示例性草图。

图5的左侧显示速度分布图，而右侧显示多普勒能量分布图。时间轴表示发射脉冲与从沿线束轨迹的位置的回波信号的到达之间的延迟时间。对于速度分布图来说，朝向分布图的下半部的具有零速度值的部分与变换器和管壁内部的区域相对应，因为在这些区域内没有移动反射体以产生多普勒信号。如果在流动液相中可检测到诸如固体颗粒、小气泡、液滴(如果询问频率充分高，甚至为湍流涡旋)的移动反射体，则生成多普勒信号，并且可以生成横跨液体层的速度分布图。可以理解的是由于通常比液相传播的更快的气相的曳引效应，速度朝向分界面区显著增加。

类似地，对于多普勒能量分布图，零值部分与变换器内部和管壁内部的区域相对应。在液体层中，流动反射体产生一定水平的多普勒信号能量。每一个距离选通的能级取决于诸如反射体与连续液相之间的阻抗失配、液体中相对应的样品体积中的反射体的浓度和粒径分布的因素，所述因素确定离散横截面。在界面处，这种能级由于非常大的反射面而显著增加。

可以测量速度或能量分布图上的零部分的长度以识别液体/管壁界面并且获得公式13中的恒定时间T_0a。由多普勒能量分布图上的最大值或速度分布图上的最大值识别气体/液体界面的位置。由分布图上的最大值与壁位置之间的时间差测量倾斜入射脉冲在液体中的传播时间T_a-T_0a。

为了推导流量，测量的速度分布图上的每一个值乘以其表征的横截面面积以产生局部流量值。对于层流来说，液体横截面被平行水平线分成多个子区域(参见图6，如英国专利申请号2363455中所述)。对于环形流来说，液体横截面被分成与速度分布图上的非零速度点的数量一样多的同心环形区域，所述区域在T_a-T_0a范围内(参见图6)。流量被推导为：

Q_{L} = Σ_{i = 1}^{n} A_{i} \cdot V_{i}

(公式16)

其中n是在多普勒分布图上在T_a-T_0a范围内的非零速度点的数量，A_i和V_i是第i个区域内的面积和速度。

类似于TR1的操作，TR2也可以是窄带变换器并且被操作以执行距离选通多普勒测量。不同在于TR2的入射角垂直于管壁。TR2可以使用与TR1的发射频率相同的发射频率，或者可以使用与TR1的发射频率不同的发射频率。因为沿管的径向方向的平均速度为零，因此由TR2产生的多普勒速度分布图可能不是很有用。另一方面，因为反射体往往在所有方向上同时移动，因此多普勒能量分布图应该仍然在流动区域内显示非零值。虽然脉冲方向上的平均速度为零，但是瞬时能量值是绝对值，并且不会互相抵消。至少，在波动的气体/液体界面处会生成显著的多普勒信号能量。因此，识别通过能量最大值的界面的方法仍然可应用于垂直入射测量。这允许确定公式13中的传播时间T_p。可以以多种方式确定管壁中的恒定传播时间T_0p。例如，作为优选的方法，可以检查在初始发射频率下的回波(非多普勒回波)，并且可以测量与管壁/液体界面相对应的回波时间。这样，除了距离选通多普勒测量之外，TR2同时执行简单的时域脉冲回波测量。这直接给出T_0p(c₁是已知的)。作为另一个示例，如果能量分布图在整个液体层的两端是非零的，则可以由多普勒能量分布图的零值部分识别管壁。

可以由图7中所示的流程图总结基本测量过程。

作为前述实施例的变形例，宽带(高时间分辨率脉冲)收发器TR3可以用于以垂直入射角执行时域脉冲回波测量。TR3可以替换窄带多普勒收发器TR2来使用，或者可以作为与多普勒收发器TR2并排的另外的变换器来使用以提供测量值的冗余性。

以下可以参照图8说明基于脉冲回波的测量的基本原理。在图8的左侧示出了多层结构，所述多层结构包括压电式传感器，所述压电式传感器可以包括作为所述压电式传感器的一部分的耦合材料(被公知为迟滞线)、管壁、管内部的液体层和气体层。因为每一层的声阻抗与其它层的声阻抗不同，因此传播通过所述结构的超声波脉冲的能量在各个界面处被部分反射，从而产生被变换器接收的回波。在图8的左侧，主要界面被标有附图标记，且1表示变换器/管界面，2表示管/液体界面，而3表示液体/气体界面。可以是用于NDT(无损测试)应用且典型频率在1到20MHz范围内的商用宽带压电变换器的宽带压电变换器可以通过适当材料的迟滞线联接到管壁。在典型的测量循环中，短期超声波脉冲(在图8的右手侧的黑色部分显示)由变换器生成，所述超声波脉冲传播横过分层构造，从而在界面处产生回波信号。当起始脉冲传播到变换器/管界面1处时，脉冲能量的一部分朝向变换器向后反射，从而产生回波(绿色脉冲)。剩余能量继续朝向管/液体界面2传播。再次，脉冲能量的一部分朝向变换器向后反射，从而产生另一个回波(第一蓝色脉冲)。剩余能量到达界面3，在所述界面3处，几乎所有的脉冲能量由于气体与液体之间巨大的阻抗失配而被反射。事实上，每一个层材料产生了多个回波。例如，当在界面2处生成的第一回波(蓝色脉冲)返回到变换器时，所述第一回波的能量的一部分在界面1处被反射，这再次传播返回到界面2并且再次被反射，从而在管壁的两个边界之间产生混响。界面2的振幅反射系数由以下公式给出：

r_{2} = \frac{Z_{L} - Z_{p}}{Z_{L} + Z_{p}}

(公式17)

其中Z_L是与内管壁接触的液体的声阻抗，而Z_p是管的声阻抗。在公式17中，Z_p是已知的。如果可以测量反射系数r₂，则可以确定阻抗Z_L，即：

Z_{L} = Z_{p} \frac{1 + r_{2}}{1 - r_{2}}

(公式18)

可以通过测量由界面2产生的回波序列的衰减率确定振幅反射系数r₂。例如，可以表明r₂的简化形式由以下公式给出：

r_{2} = \frac{1}{r_{1}} \cdot \frac{B}{A}

(公式19)

其中r₁是界面1处的振幅反射系数，A和B是如图8中所示的回波振幅。因为管壁的阻抗和变换器耦合材料的阻抗是已知的，因此r₁是已知的。因此，可以根据公式19确定r₂，然后可以在公式18中使用r₂以确定Z_L。在已知Z_L的情况下，可以推导出液相中的水的百分数。Z_L通过混合物的密度和声速的乘积由以下公式给出，即：

Z_L＝ρ_m·c_L (公式20)

其中，ρ_m由公式15给出，并且

c_{L} = \frac{1}{\sqrt{ρ_{m} \cdot (\frac{α_{wlR}}{Z_{w} \cdot c_{w}} + \frac{1 - α_{wlR}}{Z_{o} \cdot c_{o}})}}

(公式21)

在如上Gudmundsson J.S.和Celius H.K中被称为Wood公式。如果已知水的密度ρ_w、声速c_w(由此已知阻抗Z_w)和油的密度和声速(由此已知阻抗)，则可以利用测量的阻抗Z_L由公式20、15和21的组合推导α_wlR。

除了阻抗测量之外，脉冲回波法还可测量液体层的厚度。这通过从界面3产生的回波(在图8中由红色显示)(例如，通过测量第一蓝色回波与第一红色回波之间的延迟时间T_p-T_0p)来实现。然后由公式10得出所述厚度，即：

h_{2} = \frac{c_{2} \cdot (T_{p} - T_{0 p})}{2}

(公式22)

作为另一个变形例，诸如TR4、TR5等另外的窄带变换器可以添加到基本实施例以执行另外的脉冲多普勒测量。与TR1的入射角和发射频率相比较，这些变换器具有不同值的入射角β₁和发射频f_e。主要思想在于得到稳固的速度分布测量值。如果液体层较薄并且液相仅含有小尺寸反射体，则与1MHz的低频变换器可以提供的测量分辨率和灵敏度相比，10MHz的高频(短波长)变换器将提供更高的测量分辨率和灵敏度。然而，与低频变换器所使用的入射角相比，高频变换器需要具有较小的入射角β₁。这是因为流动速度测量限制由以下公式给出：

| V_{\max} | = \frac{c_{1} \cdot f_{prf}}{4 \sin β_{1} \cdot f_{e}}

(公式23)

其中f_prf多普勒测量的脉冲重复频率，所述脉冲重复频率通常在100HZ到100kHz的范围内。

图9中示出了基本实施例的包括另外的变换器的示例性变形例。在此系统中，TR1和TR4使用不同的发射频率；TR1、TR2和TR3可以使用相同的发射频率，或者他们可以使用不同的频率。

在实施例中使用的变换器可以基于传统的压电晶体、PVDF膜、复合材料阵列、相迟滞阵列和具有束聚焦功能的装置。

这里公开的系统可以与基于投捕(pitch catch)(具有分离发射器和接收器的系统)技术的飞行时间测量系统结合，以形成适用于更宽流动条件范围的更加稳固的集成系统。例如，当在液相中没有移动的反射体时，投捕系统工作，以产生可检测得到的多普勒信号。

Claims

1.一种用于确定气-液流体混合物的流量的方法，包括以下步骤：

提供所述气-液流体混合物流动通过的管道；

调节所述管道中的所述气-液流体混合物以使所述气-液流体混合物中的液体与气体分离；

测量被分离液体的滞留量；

测量所述被分离液体的速度；

测量被分离气体的速度；以及

由所述滞留量和所述被分离液体的速度以及所述被分离气体的速度确定所述气-液流体混合物的流量。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述调节所述管道中的所述气-液流体混合物以使所述气-液流体混合物中的液体与气体分离的步骤中，通过使所述管道中的流动进行漩流以形成绕气芯的液体环来分离所述液体与所述气体。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，通过确定所述液体环的厚度测量所述滞留量。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，确定所述被分离液体与所述被分离气体之间的界面的位置以测量所述滞留量。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，以超声波的方式确定所述界面的位置。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，以超声波的方式测量所述被分离液体的速度。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，确定所述被分离气体的动压力以测量所述被分离气体的速度。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，使用皮托管确定所述动压力。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述气-液流体混合物包括天然气和凝析液。

10.一种用于提供能够在确定气-液流体混合物的流量时使用的测量值的设备，所述设备包括：

管道，所述气-液流体混合物能够流动通过所述管道，且在使用中所述管道中的气-液流体混合物被调节以使所述气-液流体混合物中的液体与气体分离；

用于测量被分离液体的滞留量的滞留量测量装置；

用于测量所述被分离液体的速度的液体速度测量装置；和

用于测量被分离气体的速度的气体速度测量装置，

其中，所述滞留量和所述被分离液体的速度以及所述被分离气体的速度能够用于确定所述气-液流体混合物的流量。

11.根据权利要求10所述的设备，还包括漩流元件，所述漩流元件用于通过使所述管道中流动进行漩流以形成绕气芯的液体环来调节所述流动。

12.根据权利要求11所述的设备，其中，所述滞留量测量装置确定所述液体环的厚度以测量所述滞留量。

13.根据权利要求10所述的设备，其中，所述滞留量测量装置确定所述被分离液体与所述被分离气体之间的界面的位置以测量所述滞留量。

14.根据权利要求13所述的设备，其中，所述滞留量测量装置以超声波的方式确定所述界面的位置。

15.根据权利要求10所述的设备，其中，所述液体速度测量装置以超声波的方式测量所述被分离液体的速度。

16.根据权利要求10所述的设备，其中：

所述滞留量测量装置以超声波的方式确定所述界面的位置，而所述液体速度测量装置以超声波的方式测量所述被分离液体的速度；以及

所述滞留量测量装置和所述液体速度测量装置被合并在一个超声波测量装置中。

17.根据权利要求10所述的设备，其中，所述气体速度测量装置确定所述被分离气体的动压力以测量所述被分离气体的速度。

18.根据权利要求17所述的设备，其中，所述气体速度测量装置包括用于确定所述动压力的皮托管装置。

19.一种用于确定气-液流体混合物的流量的流量计，所述流量计包括：

根据权利要求10所述的设备；和

处理器，所述处理器被布置成使用由所述设备测量的滞留量和所述被分离气体的速度以及所述被分离液体的速度确定所述气-液流体混合物的流量。

20.一种油井管道或气井管道，所述油井管道或所述气井管道包括根据权利要求10所述的设备。

21.一种油井管道或气井管道，所述油井管道或所述气井管道包括根据权利要求19所述的流量计。