CN102445240B - 用于测量管内流动的特性的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于测量管内流动的特性的装置。具体而言，公开了一种用于测量管(200)内流动的物理特性的装置。在一个示例性实施例中，该装置包括附接到两个或多个支柱组件(120)上的塞子(150)，各支柱组件(120)均包括前支柱(130)、后支柱(135)和具有面对塞子(150)的内表面(147)的滑块(140)；以及定位在滑块(140)的内表面(147)上的一个或多个传感器。

Description

用于测量管内流动的特性的装置
技术领域
本文的主题主要涉及井下流量计量计，并且更具体地涉及一种也称为多相流量计量计的改进式井下流量计量计，其能够测量包括多于一个物质相(例如，液体和气体)的流动的物理特性。
背景技术
流量计量计提供关于管内流动的特性的重要测量，例如，流经管的材料的速率和体积，以及压力和温度的测量。这在井下应用中尤其如此，例如在其中流量计量计用于测量井口下方的油井中的材料流的那些应用。产生的数据不但用于监测和量化井的输出，而且还评估总体井状态和操作性能。因此，井下计量计必须在性质上稳健，以便在井下应用中所经历的恶劣环境下起作用，例如，在宽泛变化的温度极限内、高流速和高压下，同时产生高度准确的测量，以便适合地量化井的生产水平和估计操作特性。
当前，若干装置用于在井下应用中执行流动测量。例如，涡轮流量计量计使用自旋叶片，该自旋叶片放置在定位于井口下方的管内的流动中。当来自于井内的材料流过叶片时，叶片转动。叶片的旋转速度与流速之间存在线性关系，使得流速可通过旋转速度确定。此外，叶片的各次旋转导致给定体积的流体通过叶片，从而还使得能够对流动进行体积测量。然而，由于叶片必须自由旋转，故其不可完全占据其所处的管的全部内径，从而导致一些材料通过计量计而未测量到，这也称为滑移(slip)。材料体积对叶片旋转中所产生的非线性导致测量不准确。此外，由于涡轮流量计量计使用运动叶片，故其可能易于受到破坏和维护问题，其中松脱或破裂的零件对于给定井系统中的下游构件尤其成问题。另外，井内的典型流动包含涡轮流量计量计不能区分的液体和气体组分的混合物，如原油、水和天然气。因此，涡轮流量计量计的准确度不是对所有应用都充分，例如在需要单独地量化井内所产生的原油和天然气的体积量的情况下。
用于测量井下流动的其它技术包括使用压力传感器，该压力传感器沿定位在井口下方的管中心中的塞子放置。塞子占据流动传递所穿过的管直径的一部分，从而在流体和气体移动穿过时导致流动中的扰动。通过测量管中的压力和塞子周围的压差，便可确定流速。对于该技术的一个优点在于，其消除了对系统内运动零件的需要。然而，获得的结果相比于使用涡轮流量计量计所获得的结果具有较低的准确度。此外，测量准确度取决于将塞子定位在管中心，这在井下环境中随着时间的推移可能难以正确地建立和维持。
将会有利的是提供一种井下流量计量计，其不但在机械上稳健和能够在井下应用中所经历的恶劣环境下操作，而且还提供高度准确的流动特性测量，以及能够区分存在于流动中的不同物质相。
发明内容
公开了一种用于测量管内流动的特性的装置，在一个实施例中，包括具有前端和后端的塞子；两个或多个支柱组件，各支柱组件均包括具有第一端和第二端的前支柱，具有第一端和第二端的后支柱，以及具有内表面的滑块，其中，前支柱的第一端邻近前端固定地附接到塞子上，后支柱的第一端邻近后端固定地附接到塞子上，以及滑块固定地附接到前支柱的第二端和后支柱的第二端上使得内表面面对塞子；以及定位在内表面上用于测量流动特性的传感器。
附图说明
为了能理解本发明特征的方式，本发明的详细描述可参照一些实施例，其中的一部分在附图中示出。然而，应注意的是，附图仅示出了本发明的一些实施例且因此不应认作是限制其范围，因为本发明的范围包含其它同样有效的实施例。附图不必按比例，重点通常在于示出本发明一些实施例的特征。因此，为了进一步理解本发明，可参照结合附图阅读的以下详细说明，在附图中：
图1为本发明一个实施例中在管内的具有电阻抗谱(EIS)传感器的多相井下计量计的示例性截面侧视图。
图2为本发明一个实施例中在其已从一个直径的管移动至直径较窄的管之后的多相井下计量计的示例性截面侧视图。
图3为本发明一个实施例中在管内的多相井下计量计的流动面对端的示例性截面视图。
图4为本发明一个实施例中在管中的具有EIS传感器、超声波传感器和压力传感器的多相井下计量计的示例性截面侧视图。
图5为本发明一个实施例中在管中的具有多相传感器的多相井下计量计的流动面对端的示例性截面视图。
零件清单
100多相流量计量计
105前端
110后端
120支柱组件
130前支柱
135后支柱
140滑块
142前滑块端
145后滑块端
147内表面
150塞子
152鼻部
155本体
158尾部
160EIS传感器
170超声波发射器
180超声波接收器
190压力传感器
200管
具体实施方式
图1示出了本发明的一个实施例中的在管200内的具有EIS传感器160的多相流量计量计100的示例性截面侧视图。例如，管200可为任何类型的中空导管。在一个示例性实施例中，多相流量计量计100可包括居中定位的塞子150，塞子150可包括鼻部152、本体155和尾部158。鼻部152定向为面对到来的流动且可为圆锥形，使得鼻部152的最窄部分从多相流量计量计100向外延伸至前端105，同时鼻部152的最宽部分连接到本体155上。本体155可为圆柱形，且可从鼻部152延伸至尾部158。尾部158也可为圆柱形状，且可沿流动方向延伸至后端110。鼻部152、本体155和尾部158的形状可选择为在管200内形成所期望的流动特性。此外，鼻部152、本体155和尾部158全都可一体地连接。例如，塞子150可由不锈钢、铬镍铁合金、其它异金属、陶瓷或塑料制成。使用的材料可基于各种考虑因素选择，包括其抗腐蚀能力及其电绝缘性质。
两个或多个前支柱130可定位成邻近塞子150的前端105。前支柱130可为支承结构，例如圆柱杆，其可固定地附接到塞子150的外表面上。前支柱130可相对于塞子150的外表面沿径向延伸由多相流量计量计100预计在其内操作的管的直径所要求的距离。在一个实施例中，如图1中所示，前支柱130可相对于塞子150的外表面成锐角α朝后端110延伸。前支柱130的与附接到塞子150上的一端相反的一端可固定地附接到滑块140的前滑块端142上。滑块140可由例如不锈钢、铬镍铁合金、其它异金属、陶瓷或塑料制成，且定形为配合在多相流量计量计100预计在其内操作的管的内径内。使用的材料可基于各种考虑因素选择，包括其抗腐蚀能力及其电绝缘性质。滑块140可为与前支柱130相同的直径和厚度，或其可取决于给定应用而较大或较小。滑块140的前滑块端142与后滑块端145相反，以便滑块140将前支柱130连接到对应的后支柱135上。后滑块端145固定地附接到后支柱135上，该后支柱135朝塞子150延伸且邻近后端110固定地附接到塞子150的外表面上。在一个实施例中，如图1中所示，后支柱135可从塞子150的表面朝前端105相对于塞子150的外表面成锐角β延伸。后支柱135可为与前支柱130相同的设计和结构，使得前支柱130和后支柱135作用为从塞子150以一定距离支承滑块140，该距离由其所处的管200的直径确定。前支柱130和后支柱135可由例如不锈钢、铬镍铁合金、其它异金属、陶瓷或塑料制成。使用的材料可基于各种考虑因素选择，包括其抗腐蚀能力及其电绝缘性质。
前支柱130、滑块140和后支柱135一起构成支柱组件120。两个或多个支柱组件120可附接到塞子150的表面上，使得支柱组件120工作以使塞子150在管200内居中。前支柱130和后支柱135两者可制造成挠性的，使得容许支柱组件120在由前支柱130和后支柱135的完全延伸长度所限定的离塞子150表面的最大径向距离与由前支柱130和后支柱135的挠曲所可能产生的更接近塞子150表面的径向距离之间挠曲。支柱组件120的最大径向距离由多相流量计量计100设计成在其内操作的最大直径尺寸的管确定。支柱组件120的挠性容许多相流量计量计100经由一个直径的管移动到具有较小直径的管，如通常是井下应用中所需的那样。
图2为本发明一个实施例中的在其已从一个直径的管移动至直径较窄的管之后的多相井下计量计的示例性截面侧视图。如在许多井下应用中所需那样，当管200直径减小时，支柱组件120朝管表面向内挠曲以适应较窄的直径。
再次参看图1，滑块140的内表面147定位在面对塞子150的滑块140表面上。在内表面147上可具有一个或多个电阻抗谱(EIS)传感器160，其可容许多相流量计量计执行多相流动测量，该测量不但确定流速，而且确定构成该流动的物质状态。EIS传感器160可安放在多个支柱组件120的内表面147上，使得EIS传感器160围绕管200的圆周具有大致等距的间隔。在另一实施例中，EIS传感器可仅在内管200圆周的一部分中间隔开。在又一些实施例中，EIS传感器可安放在塞子150、前支柱130或后支柱135或它们的组合上。
图3为本发明一个实施例中的在管200中的多相流量计量计100的流动面对端的示例性截面视图。参看图1和图3，两个或多个支柱组件120可以任何选定的径向图案而附接到塞子150的外表面上，使得支柱组件120的滑块140压靠管200的内壁来将塞子150定位在管200的中心。支柱组件120的挠性还容许塞子150随管直径变化而保持在给定管直径中的中心位置。
图4为本发明一个实施例中的在管200中的具有EIS传感器160、超声波发射器170、超声波接收器180和压力传感器190的多相流量计量计100的示例性截面侧视图。附加的传感设备可选为安装在多相流量计量计100上，以便对井下环境中的附加环境参数提供测量和分析。例如，超声波发射器、接收器和/或变换器可安装在多相流量计量计100上，以便使用超声波传播时间或多普勒频移技术来确定流速。如图4中所示，超声波发射器170可定位在塞子150上，结合对应的超声波接收器180一起以便获得超声波传播时间测量，通过该超声波传播时间测量可确定流速。在其它实施例中，超声波变换器可定位在塞子150上而代替单独的发射器或接收器。在又一些实施例中，超声波设备可定位在前支柱130、后支柱135或滑块140中的任一个上。
如图4中所示，一个或多个压力传感器190可沿塞子150定位，以便使用差压技术来确定流速。在其它实施例中，压力传感器190可定位在前支柱130、后支柱135或滑块140中的任一个上。可定位在前支柱130、后支柱135或滑块140中的任一个上的其它设备可包括热传感器和扭转密度计。
图5示出了本发明一个实施例中的在管200中的具有多个传感器的多相流量计量计100的流动面对端的示例性截面视图。如图4和图5中所示，塞子150的形状可选择为适应各种设计需要。在一个示例性实施例中，塞子150的形状可形成文氏管，使得鼻部152的前端105可在直径上沿后端110方向逐渐增大、达到最大直径，且然后在直径上逐渐减小，直到其固定地附接到本体155的最接近前端105的一端上。塞子150的本体155可朝后端110延伸，且具有小于鼻部152平均直径的恒定直径。面对后端110的本体155的一端可固定地附接到面对尾部158端的前端105上。尾部158可在直径上沿后端110方向逐渐增大，达到最大直径，且然后在直径上逐渐地减小，直到其到达后端110。鼻部152、本体155和尾部158的直径和几何形状可选择为适应特定的设计需要，且在流动中产生选定的特性。塞子150的鼻部152、本体155和尾部158可由单个连续的材料件构成，且它们在一起可形成文氏管，使得塞子150形成管200的两个截面表面面积的窄部，这两个窄部由具有较大截面表面面积的扩张区域隔开。附加的窄部和扩张部可加至塞子150以产生附加的流动特性，例如，通过使用双文氏管形状。
鼻部152和尾部158逐渐变窄和扩张的直径在塞子150上形成斜面。例如EIS传感器、超声波发射装置、发射器和/或变换器、压力传感器和热传感器的仪器可定位在塞子150的斜面上，使得仪器可相对于流动方向成角而不产生大的流动扰动。此外，设备可以最大限度地减小来自于流动的颗粒冲击和累积的方式成角，从而提高设备的寿命和准确度。
本书面说明使用了包括最佳模式的实例来公开本发明，且还使本领域的普通技术人员能够实施本发明，包括制作和使用任何装置或系统以及执行任何所结合的方法。本发明可取得专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域的普通技术人员所构思出的其它实例。如果这些其它实例具有与权利要求的字面语言并无不同的结构元件，或者如果这些其它实例包括与权利要求的字面语言无实质差异的同等结构元件，则认为这些实例处在权利要求的范围之内。

Claims (14)

1.一种用于测量管内的流动的特性的装置，所述流动具有流动方向，所述装置包括：
塞子(150)，所述塞子具有位于塞子前端(105)的鼻部、附接到所述鼻部的本体以及在所述塞子后端(110)附接到所述本体的尾部，所述鼻部相对于流动方向倾斜且具有最宽部，所述尾部相对于流动方向倾斜且具有最宽部，且所述本体具有小于所述鼻部的所述最宽部以及小于所述尾部的所述最宽部直径的直径，从而使所述塞子形成至少一个文氏管；
两个或多个支柱组件(120)，各支柱组件(120)均包括：
具有第一端和第二端的前支柱(130)，所述前支柱(130)的所述第一端邻近所述前端(105)固定地附接到所述塞子(150)上；
具有第一端和第二端的后支柱(135)，所述后支柱与所述前支柱间隔开，所述后支柱(135)的所述第一端邻近所述后端(110)固定地附接到所述塞子(150)上；
具有内表面(147)的滑块(140)，所述滑块(140)固定地附接到所述前支柱(130)的所述第二端和所述后支柱(135)的所述第二端上，使得所述内表面(147)面对所述塞子(150)；以及
定位在所述内表面(147)上用于测量所述流动的所述特性的第一传感器。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一传感器为电阻抗谱传感器(160)。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一传感器为超声波传感器。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一传感器为压力传感器(190)。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一传感器为热传感器。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一传感器为扭转密度计。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述前支柱(130)和所述后支柱(135)为挠性的。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括定位在所述塞子(150)上用于测量所述流动的所述特性的第二传感器。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述第二传感器为电阻抗谱传感器(160)。
10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述第二传感器为超声波传感器。
11.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述第二传感器为压力传感器(190)。
12.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述第二传感器为热传感器。
13.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述第二传感器为扭转密度计。
14.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括定位在所述两个或多个支柱组件(120)中的至少一个上用于测量所述流动的所述特性的第三传感器。
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