CN102341702B - 用于测量油水混合物中水的质量分数的方法和设备 - Google Patents

用于测量油水混合物中水的质量分数的方法和设备 Download PDF

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Abstract

一种用于测量通过管道的流动的油水混合物中水和油的质量分数的设备包括传感器部分，所述传感器部分在第一时间和第二时间处测量所述流动的混合物的声速和温度。所述设备包括与所述流动的流体热连通的温度变换器，所述温度变换器在所述第一时间与所述第二时间之间将所述混合物的温度更改可测量的量。一种用于测量通过管道的流动的油水混合物中水的质量分数的方法包括使用传感器部分在第一时间和第二时间处测量所述混合物的声速和温度的步骤。其中包括使用与所述流动的流体热连通的温度变换器将所述混合物的温度更改可测量的量的步骤。

Description

用于测量油水混合物中水的质量分数的方法和设备
技术领域
本发明涉及测量通过管道的流动的油水混合物中水和油的质量分数。(本文提到的“本发明”或“发明”涉及示范性实施例，但不一定涉及所附权利要求书包含的所有实施例。)具体而言，本发明涉及测量流动的混合物中水和油的质量分数，其中温度变换器在第一时间与第二时间之间将流动的油水混合物的温度更改可测量的量，这样即可通过已知的温度变化所引起的混合物的声速变化来确定所述质量分数。
背景技术
此部分旨在向读者介绍可能涉及到本发明的多个方面的技术的多个方面。以下讨论旨在提供帮助读者更好地了解本发明的信息。相应地，应了解，此下讨论中的声明应就此而论，并不是对现有技术的承认。
近年来，对精确测量含水量(原油中的含水量占混合物总量的分数)的需求正在不断增加。此类需求不断增加的原因在于衰竭油田中提取原油所需的水和蒸汽的量不断增加，且使用油轮将原油运抵远离油田的精炼厂所需的路程不断增加(运输油轮通常通过将海水引入储油罐中来维持标称固定压载状态)。
经实践证明，精确测量含水量十分困难：
1.市场上存在致力于将油水混合物的电容与含水量相互关联的多种系统。但是，这些系统中存在多个技术难题：(a)如果含水量较高，那么混合物的电导率就较高，此时电容就不再是测量含水量的好方法；以及(b)极间电容(或电阻)的关系可能无法反映流动的流体中真正的水质量分数或体积分数，因为相分布并不与静电场强度相互关联。
2.如各项实验所示，在某些情况下，油水混合物的声速大小可用于表示混合物中水和油的质量分数。然而，此方法存在多个缺点：(a)必须精确测量声速以及两个相的每一个相的比重，以及(b)当一个相的声速和比重与另一个相接近时，该方法的精确程度也会随之降低(该情况可在重质原油中出现)。
3.许多人依赖对工序流体进行分批取样来测量含水量，其中对相的分离和称重在线下执行。该方法具有几个明显的缺点：(a)劳动密集型；(b)样本对总体的代表性具有不确定性，这种不确定性很难限定，以及(c)无法实时获取样本数据，从而根据含水量的突然变化而采取相应的措施。
本发明的含水量测量方法借鉴了上述技术2的技术，但通过其独特且迄今为止未经利用的方法克服了该技术以及其他技术的难点。
发明内容
本发明涉及测量油水混合物中水的质量分数。所述测量是使用超声波转换器执行。所述测量基于以下事实：所述质量分数与已知的温度变化所引起的混合物的声速变化相关。
附图说明
附图描绘了本发明的优选实施例以及实施本发明的优选方法，其中：
图1描绘声速(VOS，60华氏度下)和含水量(WC(％))变化的比较。
图2描绘1000psia下纯水中的声速和温度的比较。
图3描绘纯水的单位流体温度变化所引起的声速变化。
图4描绘多种原油的声速和温度的比较。
图5描绘55种原油的声速对温度的灵敏度的分布。
图6描绘重质原油每华氏度对应的油水混合物的声速变化。
图7描绘中档原油每华氏度对应的油水混合物的声速变化。
图8描绘轻质原油每华氏度对应的油水混合物的声速变化。
图9为测量本发明的油水混合物的水的质量分数的流程图。
图10描绘本发明的温度和声速传感器组件。
图11为测定水质量分数的方框图。
图12描绘含水量与每华氏度的混合物声速变化dC/dT(混合物温度为100F)的比较。
图13描绘差分温度测量的RTD桥。
图14描绘对线性的含水量测定与声速变化/单位温度变化的关系的校正。
具体实施方式
现在参照附图，其中相同的参考数字指代所有附图中类似或相同的部件，具体而言，对于本文的图9和图10，其显示了用于测量通过管道12的流动的油水混合物中水和油的质量分数的设备10。设备10包含用于在第一时间和第二时间处测量流动的油水混合物的声速和温度的传感器部分14。设备10包含与流动的流体热连通的温度变换器16，所述变换器在第一时间与第二时间之间将流动的油水混合物的温度更改可测量的量。
传感器部分14可包括位于温度变换器16上游的用于测量流动的油水混合物的声速和温度的第一传感器部分18，以及位于温度变换器16下游的用于测量流动的混合物的声速和温度的第二传感器部分20。温度变换器16可为向流动的混合物中增加热能的热交换器，也可为从流动的混合物中移除热能的冷却器。
设备10可包括通过存储在计算机可读取媒介上的算法确定水和油的质量分数的控制器22以及处理器24，所述算法由控制器22和处理器24执行，其将所述质量分数与已知的温度变化所引起的混合物声速变化关联起来。油水混合物可经乳化，以使得作为油或水的分散相的液滴分布于作为水或油的连续相中。所述分散可通过流动的混合物以足以实现乳化而基本上没有滑移的速度进行移动来实现。设备10可包括与混合物流体连通的泵26以确保让样本混合物的速度达到或超过乳化速度要求，其中流动的油水混合物的一部分连续被取样并传递通过第一和第二传感器部分18和20以及温度变换器16，以便确定测定的温度变化所引起的混合物声速变化。
在另一项实施例中，设备10可包括与混合物流体连通的泵26以确保让样本混合物的速度达到或超过乳化速度要求，其中流动的油水混合物的若干部分连续或相继被取样。单独或组合态的样本可通过第一和第二传感器部分18和20以及温度变换器16，以便确定每个样本处测定的温度变化所引起的混合物声速变化。
设备10可包括用于对与第一传感器部分18连通的流体进行取样的取样装置28。所述取样装置28可包括对混合物进行取样的安置于管道12中的不同半径处的多个旋塞30。取样装置28可包括用于每个旋塞的阀门32，所述阀门在足够长的一段时间内保持开启，以确保相关旋塞处的声速和温度测量具有代表性。
第一传感器部分18可包括声速转换器34和反射插件36。混合物的声速C可通过该转换器的超声波脉冲到达传感器的反射插件36并返回转换器的传播时间t确定。
本发明涉及测量通过管道12的流动的油水混合物中水的质量分数的方法。所述方法包括使用传感器部分14在第一时间处测量流动的油水混合物的声速和温度的步骤。其中包括通过与流动的流体热连通的温度变换器16将流动的油水混合物的温度更改可测量的量的步骤。其中包括使用传感器部分14在第二时间处测量流动的油水混合物的声速和温度的步骤。
第一时间处的测量步骤可包括使用传感器部分14的在温度变换器16上游的第一传感器部分18测量流动的油水混合物的声速和温度的步骤，且第二时间处的测量步骤包括使用传感器部分14的在温度变换器16下游的第二传感器部分20测量流动的油水混合物的声速和温度的步骤。温度变换器16可为向流动的混合物中增加热能的热交换器，也可为从流动的混合物中移除热能的冷却器。
可包括通过存储在计算机可读取媒介上的算法确定水质量分数的步骤，所述算法由控制器22和处理器24执行，其将所述质量分数与已知的温度变化所引起的混合物声速变化关联起来。
可包括乳化油水混合物，以使得作为油或水的分散相的液滴分布于作为水或油的连续相中的步骤，所述分散是通过流动的混合物以足以达到乳化作用而基本上没有滑移的速度进行移动来实现。
可包括使用与混合物流体连通的泵26抽吸混合物以确保让样本混合物的速度达到或超过乳化速度要求的步骤，其中流动的油水混合物的一部分连续被取样并传递通过第一和第二传感器部分18和20以及温度变换器16，以便确定测定的温度变化所引起的混合物声速变化。
在替代实施例中，可包括使用与混合物流体连通的泵26抽吸混合物以确保让样本混合物的速度达到或超过乳化速度要求的步骤，其中流动的油水混合物的若干部分连续或相继被取样，所述单独或组合态的样本通过第一和第二传感器部分18和20以及温度变换器16，以便确定每个样本处测定的温度变化所引起的混合物声速变化。
可包括使用与第一传感器部分18连通的取样装置28对流体取样的步骤。所述取样步骤可包括使用安置于取样装置28的管道12中的不同半径处的多个旋塞30对混合物取样的步骤。
可包括让取样装置28的每个旋塞的阀门32在足够长的一段时间保持开启，以确保相关旋塞处的声速和温度测量具有代表性的步骤。可包括通过转换器的超声波脉冲到达第一传感器部分18的反射插件36并返回转换器的传播时间t来确定混合物的声速C的步骤。
在本发明的实施中，声速(压力波在物理媒介中的传播速度)为媒介的硬度与密度比率的函数。为了让声速测量值能够反映油水混合物的组成，相必须为分散相，以便让混合物每一成分的硬度和密度均参与到压力波的传播中。另外，压力波的长度必须比分散相的尺寸要长，以防波程中的多相界面过多地分散声能。
当油水混合物以超过每秒4至10英尺的速度流动时，混合物会开始乳化(两个相中的一个开始分散)。乳化通常在速度为每秒10英尺时完成，但某些情况下可能需要更快的速度。如果油的分数较高，则水将分散于油中；如果水的分数较高，则油将分散于水中。但在上述两种情况中，分散相液滴均较小，且频率高达1MHz或以上的超声波脉冲可经由足够长的距离发射和接收，以便让多种超声波测量方式可行。
下面为油水混合物的声速的等式(1)，所述声速为混合物中水的质量M1与混合物中油的质量M2的比例K的函数：
1)1/C2＝{(K+1)/(K/SG1+1/SG2)2}[K/(SG1C1)2+1/(SG2C2)2]
此处的C为混合物的声速(或超声速—其频率不会影响速度)。
如上所述，K定义为水的质量M1与油的质量M2的比例。[K更精确地定义为水的“质量流率”W1与油的“质量流率”W2的比例。]根据此定义，水相对于总质量的质量分数为K/(K+1)。
SG1为测量条件下，混合物中水的比重。
SG2为测量条件下，混合物中油的比重。
C1为在测量条件下(即，温度，以及较低程度的混合物的压力和水的盐度)，混合物中水的声速。
C2为在测量条件下，混合物中油的声速。对于原油，此变量取决于原油的分子比、温度，还有压力(较低程度)。
图1绘出在限定的水质量分数范围内(0至10％)，油水混合物的测定声速与混合物中水的质量分数的曲线，其中油和水的属性已知。应注意，本文所用的术语“含水量”为上面定义的水的“质量”分数K/(K+1)的同义词。严格说来，含水量是水的“体积”分数。如果各成分的比重已知，则这两个术语之间的关系就很明确。混合物中水的体积分数V1/(V1+V2)由M1v1/(M1v1+M2v2)决定，其中v1和v2分别为水和油的比容。该表达式可转换为以下形式：V1/(V1+V2)＝Kv1/(Kv1+v2)。
图1还绘出了使用等式(1)计算出的混合物声速与水质量分数的曲线。计算出的混合物声速(图中的“质量加权”速度)比测定的速度约低0.1％。[另一方面，计算出的体积加权速度比测定的声速约高0.07％。体积加权数据的物理意义具有不确定性。]等式(1)所预测的声速与测定的声速之间存在差异的原因可能在于实验的配置(如参考中所述)，但也可能在于存在滑移，即分散相(这种情况下为水)的速度并不一定与连续相的速度相同。等式(1)不考虑任何滑移。此外，滑移可能会因测量具体的测量方式而异。人们相信在参考(1)的实验中存在滑移，因为流动的流体的速度相对于实现完全乳化而言是边缘性的。要实现完全乳化，流体的速度必须达到每秒10英尺或以上；在此速度下，液滴十分小。在每秒10英尺以上的速度下，液滴上以接近连续相的速度将其沿移动方向拉动的拖曳力远远超出液滴上的重力，从而导致滑移很小或是没有滑移。该速度介于每秒3至4英尺之间。在此速度下，分散相的较大液滴上的拖拽力并没有远远超出重力，且水滴会倾向于以低于连续油相的速度移动。
重申一下，如果在流向为水平时测量混合物的声速，且流体速度超过每秒10英尺，则可以避免出现滑移并确保实现乳化。使用声速作为含水量的决定性因素的任何测量方式都必须符合该要求。
对等式(1)的重新审视显示，单独使用混合物声速来测量含水量存在多个缺点。具体而言，在所述测量条件下，各成分相的声速必须准确已知，尤其是这两个相的温度和水相的盐度。这从图1的坐标上来看更加明显：3℉的油温变化可引起每秒250英寸的混合物声速变化，其对应于10％的含水量变化。因此，若要确定(例如)±1％以内的含水量，则必须绝对地测量比±0.3℉更小的温度。
如上面的背景部分所述，如果混合物各成分的声速和密度相等或几乎相等，那么直接使用混合物声速来测量含水量还会产生其他问题。这很容易从等式(1)中看出；如果两个相的比重和声速相同，则K的变化将不会引起任何的混合物声速变化。
本发明提出的测量含水量的方法利用了油水混合物的各成分对温度“变化”的反应。水的声速对温度升高的反应与油的声速对所述温度升高的反应极为不同。这种差异可从图2、图3、图4和图5的数据中明显看出。所述附图的数据描述在多数含水量数据所处的温度范围(40℉至140℉)内，声速对温度的反应。图2绘出水的声速与温度的曲线；图3绘出每华氏度水的声速的增量改变的曲线。图4绘出拥有某一范围比重的4种典型原油的声速与温度的曲线。图5为显示在所关注的温度范围内，55种不同原油每华氏度的声速增量改变的条形图。
通过比较图3和图5，可明显看出混合物各成分的声速对温度变化的反应存在差异。对于水而言，温度升高可引起从+7fps/℉(低温下)至接近0(达到所关注温度范围上限时)的声速变化。对于多数原油而言，温度升高可引起约-6.7fps/℉±0.3fps/℉(全温度范围内)的声速变化。所有原油的增量改变为负，而水的增量可为正也可为0，具体取决于其温度。
本发明提出的测量含水量的方法原理在图6、图7和图8中说明，所述附图显示对于从0至100％的水质量分数，每华氏度混合物温度升高所引起的声速变化。图6表示典型重质原油的反应，图7表示中档原油的反应，而图8则表示轻质原油的反应。每幅图都显示了三个不同混合物温度的声速反应：40℉、100℉和140℉(覆盖所有潜在应用的范围)。对这些附图的比较显示了使用所述方法针对仅1℉的混合物温度变化的测量强度：
·这三个曲线的左截距(对于0％含水量)相同，均为-6.7fps/℉。图5显示该曲线代表许多原油，无论其比重多少。图5还显示，与水不同(图3)，所有原油声速与温度曲线的斜度均为负。原油的属性较为明确。混合物声速/温度变化与含水量曲线的左截距可对任意原油明确且精确固定。
·同样地，右截距(对于100％含水量)可使用精度适中的温度测量方式迅速且精确地确定。纯水的声速与温度曲线(图2)已在科学文献中拥有大量文档证明；同样地，盐度影响也拥有大量文档证明，且相对于曲线斜度来说影响极小。相应地，如图3所示，(例如)±2℉以内的混合物温度测量可精确确定右截距。
·所述测量并不在很大程度上取决于对各成分的声速和比重的了解。这正如图6、图7和图8中的曲线形状所示。在两个截距之间，所述曲线与线性关系相差不大(40℉下重质原油的曲线几乎为线性曲线)。如附录A所述，范围计算显示，本发明提出的方法可以超出±0.7％的精度在整个含水量范围(0％至100％)内测量含水量。该结论受以下条件的制约：
°成分的声速和比重由±2℉的温度测量确定；
°可进行几千ppm内的盐度估计；
°原油的来源已知且其属性是使用现有的原油属性数据库确定；以及
°让油水混合物的温度升高(或降低)2℉，以确定随着温度变化的混合物声速变化。
实施方案
图9和图10描绘本含水量测量技术的一项实施方案。图9显示在管道12中流动的油水混合物。管道12的直径经选择以将混合物的速度维持在每秒10英尺以上，从而确保实现乳化和最低限度的滑移。样本布置(4个旋塞30位于管道12内的不同半径处)提高了所述测量的精确程度。根据数值积分法(例如高斯求积法)的规则定位旋塞30，并根据积分法的规定对每处的质量分数进行加权处理，可降低整体平均含水量计算的不确定性。
样本旋塞布置可通过运行电磁阀S1至S4实现每个旋塞处的轮流取样。每个阀门在足够长的一段时间内保持开启，以确保相关旋塞处的声速和温度测量具有代表性。计量泵26确保将取样管道内的混合物的速度维持在最小化滑移并维持乳化所必需的速度之上。
图10显示用于测量声速和温度的传感器的一个布置。传感器管道的直径经选择以确保在取样泵26的流速已知的情况下，混合物能够一直处于乳化状态。具有必要精度的传感器(RTD或热电偶)测量引入的样本混合物的温度。传感器位于90°的入口弯曲处，以确保对样本流体的测量具有代表性。所述样本随后经引导通过第二个90°弯曲处，所述弯曲处定位有压电陶瓷声速转换器34。所述转换器以脉冲回波模式运行。经过适当的信号处理，可通过超声波脉冲到达传感器的反射插件36并返回转换器的传播时间t确定混合物的声速C：
2)C＝2L/t
其中L为转换器表面至反射插件的距离，以及
t为在流体中的往返传播时间。
超声波转换器的直径和频率，以及传感器管路的配置经选择以确保在已知处于传播时间测量的路径中的传感器组合件的直径的情况下，预期传感器组合件的壁不会干扰所述脉冲的传播。此外，传感器组合件的此部分为水平的，以避免样本混合物中出现由重力引起的滑移。流体速度对声速测量的影响本质上将由所述脉冲回波布置抵消。
应注意，脉冲传播时间测量将包括脉冲通过非流体介质的行程时间(电缆、电子元件和转换器组合件的声“窗”的延迟)。这些延迟可进行计算(或线下测定)。无论何时，高精度地确定非流体介质中的所述延迟并不必要，因为所述方法完全依靠混合物在两个不同温度下的声速的“差异”。用于以符合测量精度目标的方式处理两次测量的延迟的差异的方法将在附录A中进一步说明。
图9中入口传感器组合件下游的电加热器将混合物的温度升高预设的量。如附录A所示，基于数字的传播时间测量可确定100,000分之几以内的声速差异(热与冷)，小到2℉的温度升高足以实现对混合物声速改变的精确测量。请注意，如果样本温度冷却2℉，则所述方法依然可以有效运作。对加热器-冷却器的选择可根据引入的油水混合物的温度以及影响加热与冷却所需的电量来决定。
在加热器(或冷却器)的下游，样本混合物经引导通过第二声速和温度传感器组合件。通过所述传感器组合件后，混合物返回至从中提取混合物的管道12。
应指出的是，所述系统的数据处理应考虑通过在上游和下游处测量声速和温度的传感器之间的管道和加热器(或冷却器)的输送延迟。所述数据处理必须考虑在热(或冷)传感器处的测量与在入口传感器处以等于输送延迟的时间量较早进行的测量之间的差异。该措施是必要的，因为含水量会因时间不同而异；没有考虑到输送延迟将引起“噪声”，并导致含水量的测量可能出现偏差。
要获得含水量，来自每个样本的数据都按照图11的流程图进行处理。反复过程如图所示。由于含水量与声速的关系几乎为线性关系，因此预期2次或3次反复将导致含水量结果在0.1％至0.2％以内。
加热器功率和流速影响如图9所示的样本系统的性能。显然地，系统成本在功率和流速要求较低时得以最小化。另一方面，加大温度升高(或降低)的量可提高精度。较大的超声波转换器可适应于较大的传感器管道12的直径，所述管道需要较高的流量。较大的转换器最大化接收到的超声波信号的强度，同时仍避免声波与管道12的管壁的相互作用。下表说明了各种设计折衷方案。
表1
样本系统设计折衷方案
最小流速10fps，比重1.0，比热1.0btu/#/℉
  系统1   系统2   系统3
  温度升高(或降低)   1℉   1℉   2℉
  加热器功率增加   2kW   5kW   5kW
  流速   14gpm   34gpm   17gpm
  传感器管道直径   0.75英寸   1.2英寸   0.83英寸
附录A定义了算法并分析了上述表格中测量系统3中的不确定性。其结论为，使用所述系统测量含水量的不确定性约为±1/2％含水量(含水量接近0％和100％的情况下)。对于中等范围的含水量(20％至70％)，所述不确定性增至约±2/3％含水量。增强加热(或冷却)以使系统3中的温度增加(或降低)翻倍可能会使所述不确定性减半。
可能存在除图9和图10所示的实施方法以外的实施方法。例如，在某些管道中，加热器在其首端使用以提高油温，从而降低抽吸功率要求。加热器上游和下游的常规温度仪器，以及常规超声波转换器(可安装于管道上游和下游的外部)将向使用与图11所示算法类似的算法确定含水量的系统提供输入。同样，此类设置的数据处理必须考虑到冷和热传感器之间的输送延迟。
尽管已出于说明目的而在上述实施例中详细描述了本发明，但应了解，此类详情仅作解释之用，所属领域的一般技术人员可做出相应修改，但不得偏离本发明的精神和范围，除非所附权利要求书中另有说明。
附录A-含水量计算的算法和不确定性
概要
本分析确定，在经乳化的油水混合物的温度升高或降低2℉的情况下，本文所述类型的系统可在全部含水量范围内以超过±0.67％含水量的精度测量含水量。对于接近0％和100％的含水量，精度接近±0.5％含水量。这些精度是针对本文的系统3计算。如果增强加热(或冷却)以使温度变化翻倍，则精度可降低至约为原来的一半。
分析
本文的表格中列出了用于测量流动的油水混合物样本的含水量的各系统的设计折衷方案。图9和图10描绘样本测量系统的布置。在本文的系统3中，5kW的加热器为流速为17gpm的样本提供2℉的温度增量。该流速在直径为0.83英寸的管道12中产生每秒10英尺的流体速度，假定这一速度足以确保实现样本的乳化以及极其微小的滑移。该系统将用作确定声速变化和温度变化的测量精度以及用于在全部含水量范围内计算含水量确定精度的其他流体属性的精度的参考。
含水量测量的精度目标(约为±1％含水量)表明对混合物声速变化ΔC和由参考系统的加热器产生的混合物温度变化ΔT的测量精度的要求。针对所述分析选择在100℉范围内的输入混合物温度。对于该混合物温度，单位温度变化所引起的混合物声速变化dC/dT从0％含水量时的每华氏度-81英寸/秒到100％含水量时的每华氏度+36英寸/秒之间不等。根据支持本发明的分析绘制的图12显示，对于重质原油，含水量的中间值与dC/dT相关，根据这种关系，连接这些终点的线几乎为直线。本例中的中档和轻质原油曲线具有相同的终点，但微偏离线性，原因在于各成分的属性的差异，尤其是声速和密度(与声速紧密相关)的差异。为支持本发明所做的灵敏度分析表明，如果大致了解成分属性，则可对线性关系进行校正，以获得良好的含水量精度(对此校正的定量分析将在本分析的下文中给出)。但对于所有原油而言，含水量确定的总体精度取决于dC/dT测量的精度：本例中为1.17英寸/秒/华氏度/％含水量。对于参考系统的样本的2℉的温度变化，这相当于1％含水量变化对应2.34英寸/秒的声速变化。因此，问题如下：(1)每秒2.34英寸的混合物声速变化是否能够以足够的精度来测量，以支持±1％含水量测定？以及(2)2℉的混合物温度变化是否能够以足够的精度来测量，以支持±1％含水量测定？
解决这些问题之前，应注意，在假定产品温度低于100℉时，斜度变得较高；因此在声速变化和温度变化的测量精度方面的负担也得以减轻。另一方面，当产品温度较高时(例如140℉)，斜度较低。但在这种情况下，设计人员可以使用环境作为散热器来将样本冷却(例如)5或10℉。对于这些情况，冷却过程需要消耗的电力极少，因此降低的斜度的测量所引起的负担可由增加许多的温度变化所抵消。
用于确定ΔC(混合物声速变化)的算法
原油和水的混合物的声速约为55,000英寸/秒，这样检测并测量2.34英寸/秒的变化的要求即等于约1/24,000的精度要求。图10的传感器组合件所测定的声速C为：
A-1)C＝2L/t
其中，L为在流体中从转换器窗的表面至反射插件的距离，以及
t为在流体中的传播时间。
如上所述，所测定的时间不仅包括在流体中的传播时间，而且也包括从发射器通过电缆、转换器、声窗和信号检测电子元件传输能量的延迟时间。假定目前每个传感器的非流体延迟τ和路径长度相等，则加热器元件的上游的传感器(C)和下游的传感器(H)测定的声速分别为：
A-2A)CC＝2L/(tC-τ)
A-2B)CH＝2L/(tH-τ)＝2L/(tC+Δt-τ)
其中Δt为在加热器中加热流体而产生的传播时间差。
声速差ΔC为
A-3)ΔC＝CH-CC＝2L[1/(tC+Δt-τ)-1/(tC-τ)]
将括号中的两个项均乘以乘积(tC+Δt-τ)(tC-τ)即可得到以下ΔC的表达式：
A-4)ΔC＝2L[(tC-τ)-(tC+Δt-τ)]/[(tC+Δt-τ)(tC-τ)]
在等式(A-4)中进行代数运算：
A-4A)ΔC＝-2LΔt/[(tC+Δt-τ)(tC-τ)]≌-2LΔt/(tC-τ)2
等式(A-4A)的近似值的证明如下：对于参考系统的传感器，选择5英寸的路径长度L。通过该路径长度，直径为1/2英寸的3MHz转换器即可产生不会与直径为0.83英寸的传感器管状壁相互作用的集中波束。具有这些参数的3MHz声能包在流体中的净传播时间(tC-τ)标称为167微秒(入口温度为100℉)。对于1％的含水量变化，加热2℉所引起的声速变化可产生6.5纳秒的传播时间变化Δt。因此相对于tC，Δt可在分母乘积中忽略。
确定混合物声速变化的不确定性
声速变化的不确定性可通过对等式A-4A进行差分获得。该过程的结果如下：
A - 5 ) ∂ ΔC = 2 L / ( t C - τ ) 2 [ - ∂ Δt + 2 Δt / ( t C - τ ) ∂ ( t C - τ ) - Δt ∂ L / L ]
路径长度的不确定性和净传播时间的不确定性由不随操作条件而变化的偏差支配。它们的净影响可通过在加热器或冷却器关闭的情况下(即两个传感器之间不存在温度变化)测量Δt来确定。在这种情况下，测定的残差即表示传播时间和路径长度的净残差偏差，包括因上游传感器与下游传感器的长度和非流体延迟之间的差异而产生的偏差。
A - 6 ) ∂ Δ t 0 = [ 2 Δt / ( t C - τ ) ∂ ( t C - τ ) - Δt ∂ L / L ] 0
相应地，在加热样本时将与测定的Δt以代数方法相组合可最小化因路径长度和非流体延迟的不确定性而产生的ΔC的不确定性。但应注意，校正经受与Δt的测量相同的单次测量不确定性，所述不确定性将在下面的段落中说明。
存在ΔC的残差不确定性的原因在于，在操作条件下，由热和冷声速传感器测定的传播时间之间的时间差Δt存在不确定性。Δt的不确定性的要素如下表A-1所示。
表A-1.时间差测量的不确定性要素
这些相同的不确定性也会作用于对因路径长度和非流体延迟而产生的净偏差的测量(温度变化为0)。因此，测量参考系统的声速随温度的变化dC/dT的总不确定性为：
A - 7 ) ∂ ΔC = 2 L / ( t C - τ ) 2 [ ( ∂ Δt ) 2 + ( ∂ Δ t 0 ) 2 ] 1 / 2 = C C [ ( ∂ Δt ) 2 + ( ∂ Δ t 0 ) 2 ] 1 / 2 / ( t C - τ )
针对参考系统替换相应数字：
相对于参考系统中2℉的温度变化所引起的混合物声速变化ΔC(2.34英寸/秒/％含水量)，声速的不确定性导致测量1％含水量变化的不确定性为1％的0.88/2.34＝0.376。因此，差分声速测量不确定性可将测量1％含水量变化的能力降低±0.38％。
确定混合物温度变化ΔT的不确定性；确定dC/dT的总不确定性
所述±0.38％的数据并未考虑测量温度增量ΔT的不确定性，所述温度增量也用于确定dC/dT。为了有效测量含水量，温度测量系统必须经设计以精确测量加热(或冷却)装置上游和下游的混合物的温度“差”。图13为此用途的系统的样本示意图，该系统在热段温度测量和冷段温度测量时均使用精确RTD。每个RTD在32℉时的电阻为100Ω，灵敏度约为0.214Ω/℉。参考系统中温度升高2℉可在电阻桥的每段之间产生0.418毫伏的差分电压。对于本分析，假定该电压的测量精度可为±0.1毫伏以内；因此，参考系统中温度增量的测量精度为1％含水量变化的0.1/0.418＝0.24，即±0.24％含水量。
与声速差异相同，电阻桥差分中的偏差可通过在“热”与“冷”测量之间的温度差为零时(即不存在加热或冷却)测量差分电压来轻松消除。但是，在未加热或冷却情况下的差分电压测量的假定不确定性为±0.1毫伏。相应地，温度增量测量的总不确定性为零偏差测定的不确定性和使用加热测定的不确定性的和的平方根，即[2×(0.24％)2]1/2＝±0.34％。
斜度测量dC/dT的总精度为声速分量和温度分量的和的平方根，即[(0.38％)2+(0.34％)2]1/2＝±0.51％。
较轻质原油的含水量测定的不确定性；校正线性含水量-dC/dT关系的算法
之前的部分中计算的斜度不确定性自身可应用于接近0％和100％的含水量的含水量确定中。但是，如图12所示，对于中间范围的含水量，含水量与dC/dT之间的关系偏离线性关系，其偏离量取决于混合物中各成分的声速和比重，原油越轻，其偏离越大。偏离量取决于原油与水的声速和密度之间的差。如之前所述，原油和水的密度与它们的声速紧密相关。
对含水量与dC/dT之间的线性关系的校正可使用含水量反复计算，所述含水量可使用线性(重质原油)含水量与dC/dT曲线以及使用混合物声速等式(1)分别计算热和冷混合物声速C(TH)和C(TC)进行确定。所使用的等式如下再现。
A-8)1/[C(TC)]2＝{(K+1)/(K/SG1(TC)+1/SG2(TC))2}[K/(SG1(TC)C1(TC))2+1/(SG2(TC)C2(TC))2]
A-9)1/[C(TH)]2＝{(K+1)/(K/SG1(TH)+1/SG2(TH))2}[K/(SG1(TH)C1(TH))2+1/(SG2(TH)C2(TH))2]
该等式中，下标为1的属性对应于混合物中的水；下标为2的变量对应于油。变量K为水的质量流率与油的质量流率的比例。以质量为基础，含水量等于K/(K+1)。
计算出的混合物声速的差值随后会与测定的差值进行比较。如果在选定的公差(～0.1％)以内所述差值不相同，则调整含水量直到其相同为止。
图14按照该方法绘制。分析图14表明，对于给定的dC/dT的测量，从含水量与dC/dT之间的线性关系的校正与测量条件下水的声速C1(TC)与油的声速C2(TC)之间的差值(即，[C1(TC)-C2(TC)])线性成比例。
如图11的流程图所示，变量C1(TC)和C2(TC)可通过作为查找表的入口变量的测定混合物温度TC来确定，所述查找表描述水和原油的声速与其温度的函数关系。所述表格是根据盐水与原油的已公布数据构建。用户针对水的盐度和原油来源的输入使查找范围变得集中。
实验性研究表明，所述表格表示指定温度下盐水的实际声速的精度等于或超过±36英寸/秒，相当于本例中100℉温度下的约1℉。原油声速对其温度的依赖性的精度较为不确定，但很可能可以通过一次性实验确定在每秒±160英寸或以上以内，在所述实验中提取混合物的样本，将原油与水中分离，然后在所关注温度范围内的多个温度下测定纯油的声速。
用于确定成分声速的温度TC是通过图13中电阻桥的冷(加热器入口)RTD上测定的电压进行确定。根据经验，图中所示的布置可达到介于±1与±2℉之间的精度。此效果是通过确保将RTD的自热和RTD连接的电阻维持在低位来实现，所述低的自热由图13中桥式电路的低电流来实现。传感器组合件外部也需要与其周围环境热绝缘，以降低环境温度对测量的影响。混合物与RTD之间的热传递由原油的低传导性抑制；因此温度测量很容易受到外部温度变化的影响，其中风力和雨水可能会促进空气与RTD组合件外部之间的热传递。
下面的表A-2就对线性dC/dT与含水量曲线的校正中的不确定性进行了总结和汇总。应注意，由温度测量本身所引起的误差(表格第3行)会系统地影响原油和水两者的声速；给定的不确定性反映出系统性(代数附加性)影响。由水和原油声速引起的总不确定性(表格第4行)使用图14中隐含的数据而转化为含水量的不确定性。根据表中的计算，参考系统中由成分属性引起的不确定性为±0.44％。
表A-2：校正线性含水量与dC/dT曲线的不确定性
含水量测定的总不确定性
由各成分属性引起的最大不确定性为±0.44％；如图14所示，对线性含水量与dC/dT关系的校正接近于上表中仅在中间含水量范围内使用的14.9％。在此范围内，参考系统的总测量不确定性为斜度不确定性±0.51％和成分不确定性±0.44％的和的平方根，或±0.67％。因此，对于0％至100％含水量范围，参考系统的含水量测量的不确定性取决于含水量本身而介于±0.51％至0.67％含水量之间。

Claims (16)

1.一种用于测量通过管道的流动的油水混合物中水和油的质量分数的设备，所述设备包含：
传感器部分，用于在第一时间和第二时间处测量所述流动的油水混合物的温度和声速；以及
与所述流动的流体热连通的温度变换器，所述温度变换器在所述第一时间与所述第二时间之间将所述流动的油水混合物的温度更改可测量的量；
所述传感器部分包括位于所述温度变换器上游的用于测量所述流动的油水混合物的温度和声速的第一传感器部分，以及位于所述温度变换器下游的用于测量所述流动的混合物的声速和温度的第二传感器部分；
其中所述第一传感器部分包括声速转换器和反射插件，所述混合物的声速C是根据所述转换器的超声波脉冲到达所述第一传感器部分的所述反射插件并与所述流动的流体沿着轴向流动返回所述转换器的传播时间t来确定，该声速转换器产生的超声波脉冲频率高达1MHz，所述声速转换器与所述反射插件为固定距离；
与所述混合物流体连通的泵以确保让所述流动的混合物以足以实现乳化而没有滑移的速度来移动，其中所述油水混合物经乳化以使得作为油或水的分散相的液滴分布于作为水或油的连续相中，所述分散是通过所述流动的混合物以足以实现乳化而没有滑移的速度进行移动来实现。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述温度变换器是向所述流动的混合物中增加热能的热交换器，或者是从所述流动的混合物中移除热能的冷却器。
3.根据权利要求2所述的设备，其包括通过存储在计算机可读取媒介上的算法来确定所述水和油的所述质量分数的控制器和处理器，所述算法由所述控制器和处理器执行，其把所述质量分数与已知的温度变化下的所述混合物中的声速变化关联起来。
4.根据权利要求2所述的设备，其中与所述混合物流体连通的泵确保让样本混合物的速度达到或超过乳化速度要求，且其中所述流动的油水混合物的一部分被连续取样并通过所述第一和第二传感器部分以及所述温度变换器，以便确定测得的温度变化下的混合物声速变化。
5.根据权利要求2所述的设备，其中与所述混合物流体连通的泵确保让样本混合物的速度达到或超过乳化速度要求，且其中所述流动的油水混合物的若干部分连续或相继被取样，单独或组合态的所述样本通过所述第一和第二传感器部分以及所述温度变换器，以便确定每个样本处测得的温度变化所下的混合物声速变化。
6.根据权利要求5所述的设备，其包括用于对与所述第一传感器部分连通的所述流体进行取样的取样装置。
7.根据权利要求6所述的设备，其中所述取样装置包括安置于所述管道中的不同半径处的用于对所述混合物进行取样的多个旋塞。
8.根据权利要求7所述的设备，其中所述取样装置包括用于每个旋塞的阀门，所述阀门在足够长的一段时间内保持开启，以确保相关旋塞处的声速和温度测量具有代表性。
9.一种用于测量通过管道的流动的油水混合物中水的质量分数的方法，所述方法包含以下步骤；
使用与该混合物流体连通的泵来抽吸该流动的混合物，以确保让所述流动的混合物以足以实现乳化而没有滑移的速度来移动，其中所述油水混合物经乳化以使得作为油或水的分散相的液滴分布于作为水或油的连续相中，所述分散是通过所述流动的混合物以足以实现乳化而没有滑移的速度进行移动来实现；
使用传感器部分在第一时间处测量所述流动的油水混合物的声速和温度，其中第一时间处的测量步骤包括使用在所述温度变换器上游的所述传感器部分的的第一传感器部分测量所述流动的油水混合物的声速和温度的步骤；
根据所述声速转换器的超声波脉冲与所述流动的流体沿着轴向流动到达所述第一传感器部分的所述反射插件并与所述流动的流体沿着轴向流动返回所述声速转换器的传播时间t来确定所述混合物的声速C，所述声速转换器产生的超声波脉冲频率高达1MHz，所述声速转换器与所述反射插件为固定距离；
使用与所述流动的流体热连通的所述温度变换器将所述流动的油水混合物的所述温度更改可测量的量；以及
使用所述传感器部分在第二时间处测量所述流动的油水混合物的声速和温度，第二时间处的所述测量步骤包括使用在所述温度变换器下游的所述传感器部分的第二传感器部分测量所述流动的油水混合物的声速和温度的步骤。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述温度变换器为向所述流动的混合物中增加热能的热交换器，或者为从所述流动的混合物中移除热能的冷却器。
11.根据权利要求10所述的方法，其包括通过存储在计算机可读取媒介上的算法确定所述水的质量分数的步骤，所述算法由控制器和处理器执行，其将所述质量分数与已知的温度变化下的所述混合物中的声速变化关联起来。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述使用与该混合物流体连通的泵来抽吸该混合物的步骤包括抽吸所述混合物以确保让样本混合物的速度达到或超过乳化速度要求的步骤，且其中所述流动的油水混合物的一部分被连续取样并通过所述第一和第二传感器部分以及所述温度变换器，以便确定测得的温度变化下的混合物声速变化。
13.根据权利要求11所述的方法，其中所述使用与该混合物流体连通的泵来抽吸该混合物的步骤包括抽吸所述混合物以确保让样本混合物的速度达到或超过乳化速度要求的步骤，且其中所述流动的油水混合物的若干部分连续或相继被取样，单独或组合态的所述样本通过所述第一和第二传感器部分以及所述温度变换器，以便确定每个样本处测得的温度变化下的混合物声速变化。
14.根据权利要求13所述的方法，其包括使用与所述第一传感器部分相连通的取样装置对所述流体进行取样的步骤。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述取样步骤包括使用安置于所述取样装置的所述管道中的不同半径处的多个旋塞对所述混合物进行取样的步骤。
16.根据权利要求15所述的方法，其包括让所述样本布置的每个旋塞的阀门在足够长的一段时间保持开启，以确保相关旋塞处的声速和温度测量具有代表性。
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