CN102564497B - 倾斜式螺旋可收缩流量计和测量流体流量的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及倾斜式螺旋可收缩流量计和测量流体流量的方法，具体而言，提供了流量计和测量流体流量或制造流量计的方法。流量计具有工具本体和一个或更多旋转臂，旋转臂构造成当展开以测量流体流量时以第一端远离工具本体并且第二端与工具本体相接合的方式延伸。每个旋转臂都包括螺旋叶片，该螺旋叶片构造成由于流体大致平行于工具本体的纵向轴线流动而在第一端与第二端之间围绕旋转轴线旋转。

Description

倾斜式螺旋可收缩流量计和测量流体流量的方法
技术领域
本文公开的主题的实施例总体涉及包括构造成与流体流动方向成预定角度展开的旋转臂并具有螺旋叶片的倾斜式螺旋流量计(cantedhelixflowmeter)。
背景技术
由于油和气仍然是世界经济中不能以明显足够比例替代的能源，所以尽管就开采的可达性和安全性而言条件苛刻，但开发新油田(productionfield)的兴趣持续增加。因此，常希望在海下开发油井并且在井内进行流量测量。
流量测量量化移动流体的量。在油气井中，流体流量的局部或系统性变化使得流量测量更具挑战性。例如，当在倾斜管道(即使对于小的倾斜度)中测量多相流体流量时，可能在较轻相迁移到井的上侧(在垂直于流动方向的平面中)而较重相迁移到井的下侧时发生相分离。流体可能局部或与在流体中混合的不同相有关地在不同方向上具有不同的速度或甚至不同的流量。
用于在井眼中测量流体流量的常规工具是图1中示出的旋转工具阵列1。旋转工具阵列1包括附接在从工具本体30突出的弓形弹簧臂20上的六个流量传感器10。弓形弹簧臂20在通过限制部(restriction)输送到井眼内部的测量位置的过程中回缩到工具本体30内部。传感器10在远离工具本体的中心位置的不同位置展开成平行于流体流动方向40，直到井眼的边缘。
图2示出了旋转工具阵列1的流量传感器10。流量传感器10包括直径约9mm且长度约25mm的叶轮60。叶轮60由于流体流动而类似于微型涡轮旋转。为了能够旋转，叶轮60经由轴承80和80’安装在保持结构70上。叶轮60的旋转速度取决于流体的速度。基于叶轮60的旋转速度来计算流体流量。例如，可通过测量由嵌埋在叶轮60中的小型磁体产生的电磁信号来测量该旋转速度。所产生的信号可由位于保持结构70内部的合适装置拾取。
在油气井内部使用旋转工具阵列1的过程中观察到的一个问题是轴承80和80’被污物或其它颗粒阻塞。当轴承80和80’被阻塞时，轴承中的摩擦增加，并且叶轮60的旋转速度下降(有时下降到零)。因此，旋转工具阵列1由于流量传感器对环境的脆弱性而未在油气井中提供可靠的流量测量。
另外，其中一个轴承(例如图2中的80)和保持结构70的一部分在流体流动通路中设置在叶轮60前面(另一轴承位于叶轮60后面)，从而部分阻止流体流朝叶轮60移动。此布置影响使用旋转工具阵列1进行流量测量的精度。
因此，希望提供避免前述的问题和缺陷的系统和方法。
发明内容
根据一个示例性实施例，一种流量计包括工具本体、一个或更多个旋转臂和安装在各旋转臂上的螺旋叶片。一个或更多旋转臂构造成当展开以测量流体流量时第一端远离工具本体并且第二端与工具本体相接合而延伸。螺旋叶片构造成由于流体大致平行于工具本体的纵向轴线流动而在第一端与第二端之间围绕沿着旋转臂的旋转轴线旋转，螺旋叶片安装在旋转臂上。
根据另一示例性实施例，一种测量流体流量的方法包括与流动方向成预定角度展开包括螺旋叶片的一个或更多旋转臂并测量螺旋叶片的旋转速度，各螺旋叶片均构造成以各自的预定角度围绕旋转轴线旋转。
根据另一示例性实施例，一种制造流量计的方法包括将螺旋叶片安装在一个或更多旋转臂中的每一个上，螺旋叶片由于流体与沿着旋转臂延伸的旋转轴线成一个或更多预定角度流动而能够旋转。该制造方法还包括将一个或更多旋转臂的第一端与工具本体相接合，该一个或更多旋转臂构造成(i)以第二端远离工具本体的方式延伸，并且(ii)在第二端靠近工具本体的情况下收缩。
附图说明
结合在本说明书中并构成本说明书一部分的附图示出了一个或更多个实施例，并连同描述一起来解释这些实施例。在附图中：
图1是旋转工具阵列的示意图；
图2是旋转工具阵列的流量传感器的示意图；
图3是根据示例性实施例的倾斜式螺旋可收缩流量计的示意图；
图4是根据示例性实施例的螺旋叶片的示意图；
图5是根据另一示例性实施例的螺旋叶片的示意性表示；
图6是根据示例性实施例的测量流体流量的方法的流程图；以及
图7是根据示例性实施例的制造流量计的方法的流程图。
具体实施方式
以下对示例性实施例的说明参照附图。不同附图中相同的参考标号表示相同或相似的元件。以下详细描述不限制本发明。相反，本发明的范围通过所附权利要求来限定。为了简单，关于用于油气井中的术语和结构来讨论以下实施例。然而，下述实施例并不局限于这些系统，而是可适用于可用于测量流体流量的其它系统。
本说明书全文对“一个实施例”或“实施例”的谈及意味着结合实施例所述的特定特征、结构或特性被包括在所公开主题的至少一个实施例中。因此，短语“在一个实施例中”或“在实施例中”在本说明书全文各处的出现不一定指的是同一实施例。此外，特定特征、结构或特性可以以任何适当的方式结合在一个或更多实施例中。
根据示例性实施例，图3是在井眼套管105内部展开的倾斜式螺旋可收缩流量计100的示意图。流量计100具有带纵向轴线115的工具本体110以及两个旋转臂120和120’。其它实施例可具有一个或多于两个旋转臂。
旋转臂120和120’构造成在工具本体110周围或内部折叠(未示出)，而流量计100经限制通路被输送到测量位置。在测量位置，旋转臂120和120’相对于工具本体110大致对称地展开(如图3中所示)，以延伸成一端122或122’远离工具本体110而另一端124或124’连接至工具本体110。在图3中，旋转臂120和120’的每一个均与工具本体110的纵向轴线115成约45°角展开。然而，旋转臂可成其它角度展开。通过箭头127和127’表示的流体在套管中的流动方向与工具本体110的纵向轴线115大致平行。展开旋转臂120和120’的此方式具有流体流在螺旋叶片130和130’上施加比对于沿着流体流展开的图1中的旋转工具阵列1的传感器10更大的扭矩的效果。
各旋转臂120和120’均分别包括螺旋叶片130和130’。螺旋叶片130和130’可定位成到旋转臂120或120’的一端122或122’比到另一端124或124’更近。
螺旋叶片130和130’构造成由于流体大致平行于工具本体110的纵向轴线115流动而旋转。螺旋叶片130或130’的旋转轴线135或135’是在一端122或122’与另一端124或124’之间沿着旋转臂120或120’的轴线。
传感器140和140’构造成分别测量螺旋叶片130和130’的旋转速度，并且在相应螺旋叶片130或130’的区域外部位于各旋转臂120和120’上。与其中轴承80和保持结构70的相关部分由于它们沿流动方向位于叶轮60前面而部分地阻塞流动的旋转工具阵列1相比，流量计100沿流动方向127或127’在螺旋叶片130和130’前面不包括将成为障碍物的构件。
传感器140和140’可无线或有线地将测量的旋转速度传送到基于所传送的信息来估算流体流量的数据处理单元。该数据处理单元可位于工具本体110内部或远处，独立于倾斜式螺旋可收缩流量计100的位置。
螺旋叶片130和130’可具有一个或更多螺旋。优选实施例具有两个螺旋(即，该螺旋叶片为双螺旋)。螺旋叶片130和130’可具有约10mm的直径和约50mm的长度。螺旋叶片可扭转而具有例如约45°的螺旋角。
当在旋转轴线135的层次沿流动方向(例如成45°角)观察时，螺旋叶片130在旋转轴线135的一侧上的区域150显著大于螺旋叶片130在旋转轴线135的另一侧上的区域160，如图4中所示。
在图5中所示的一个实施例中，螺旋叶片130可在旋转轴线135周围具有中空中心，以由于流体流动而提高旋转效率。由于流体流动而旋转的螺旋叶片的旋转效率取决于旋转轴线135的一侧上暴露于进入流体流的螺旋叶片的区域150与旋转轴线135的另一侧上暴露于进入流体流的螺旋叶片的区域160之间的比值。该比值对图5中所示的中空螺旋叶片而言大于图4中所示的非中空螺旋叶片。螺旋叶片由轻而薄但刚性的材料制成。尽管图4和5涉及螺旋叶片130，但相同的设计可用于螺旋叶片130’。
螺旋叶片的旋转速度是流体以可在沿着螺旋叶片的多个位置变化的速度移动的结果。当旋转臂(例如图3中的120或120’)展开时，螺旋叶片(例如130或130’)在多个位置上延展预定长度，流体可在该多个位置上以不同速度流动。因此，螺旋叶片的测量旋转速度代表局部流体速度值的平均作用。因此，根据一些实施例测量流量具有如下优点：基于螺旋叶片旋转速度估算出的流体流量考虑了局部变化，但通过考虑多个位置而平均了它们对总流量值的影响。相反，旋转工具阵列1的六个流体传感器10中每一个均反映沿着流体流测量的局部流体速度，因此流体速度在流体传感器位置的局部变化可对流体流量的总体估算值有不成比例的影响。
图6示出了根据示例性实施例的测量流体流量的方法200。方法200包括在步骤S210与流动方向成预定角度展开一个或更多包括螺旋叶片(例如图3中的130、130’)的旋转臂(例如图3中的120、120’)，螺旋叶片中的每一个都构造成以相应的预定角度围绕旋转轴线(例如图3中的135、135’)旋转。此外，该方法包括在步骤S220测量螺旋叶片的旋转速度。
方法200可使用图3中的装置100来执行，该装置具有与在图4或图5中示出的旋转叶片相似的旋转叶片。
方法200还可包括在展开之前使一个或更多旋转臂围绕芯部收缩，并使收缩的旋转臂朝流量测量位置通过套管(即限制部)。该方法200还可包括基于测量的旋转速度来估算流体流量。
图7示出了根据示例性实施例的制造流量计的方法300。在步骤S310，方法300包括将螺旋叶片(例如图3中的130、130’)安装在一个或更多旋转臂(例如图3中的120、120’)中的每一个上，该螺旋叶片(例如图3中的130、130’)由于流体与沿着相应的旋转臂(例如图3中的120、120’)延伸的旋转轴线(例如图3中的135、135’)成一个或更多预定角度流动(例如图3中的127、127’)而能够旋转。
在步骤S320，方法300还包括将一个或更多旋转臂(例如图3中的120、120’)的第一端(例如图3中的124、124’)与工具本体(例如图3中的110)连接，该一个或更多旋转臂(例如图3中的120、120’)能够(i)以第二端(例如图3中的122、122’)远离工具本体的方式延伸，并且(ii)在第二端(例如图3中的124、124’)靠近工具本体(例如图3中的110)的情况下收缩。可执行螺旋叶片(例如图3中的130、130’)的安装，以将螺旋叶片定位成到相应旋转臂(例如图3中的120、120’)的第二端(例如图3中的122、122’)比到其第一端(例如图3中的124、124’)更近。
方法300还可包括安装传感器(例如图3中的140、140’)，该传感器配置成在一个或更多旋转臂(例如图3中的120、120’)中的每一个上测量螺旋叶片(例如图3中的130、130’)的旋转速度。可执行螺旋叶片(例如图3中的130、130’)的安装，以将螺旋叶片定位成到相应旋转臂(例如图3中的120或120’)的第二端(例如图3中的122、122’)比到其第一端(例如图3中的124、124’)更近。可执行传感器的安装，以使传感器(例如图3中的140、140’)位于螺旋叶片(例如图3中的130、130’)的区域外。
所公开的示例性实施例提供用于测量流体流量的工具和方法。应当理解的是，此描述并非旨在限制本发明。相反，示例性实施例旨在涵盖包括在如所附权利要求所限定的本发明的精神和范围内的替代、改型和等同装置。此外，在示例性实施例的详细描述中，阐明了许多特定细节以提供要求保护的发明的综合理解。然而，本领域的技术人员应该理解的是，可在不具备这些特定细节的情况下实施各种实施例。
尽管在实施例特别是组合中描述了本文的示例性实施例的特征和元件，但可在不使用实施例的其它特征和元件的情况下单独使用或与本文公开的其它特征和元件进行结合或不进行结合而使用每个特征或元件。
此书面描述使用所公开的主题的实例以使本领域的任何技术人员能够实施所公开的主题，包括制造和使用任何装置或系统并执行任何结合的方法。本发明可取得专利权的范围通过权利要求来限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它实例。此类其它实例旨在处于权利要求的保护范围内。

Claims (20)

1.一种流量计，包括：
工具本体；
一个或更多旋转臂，其构造成当展开以测量流体流量时以第一端远离所述工具本体并且使第二端与所述工具本体相连接的方式延伸；以及
安装在各所述旋转臂上的螺旋叶片，所述螺旋叶片构造成由于流体大致平行于所述工具本体的纵向轴线流动而在所述第一端与所述第二端之间围绕沿着所述旋转臂延伸的旋转轴线旋转，所述螺旋叶片安装在所述旋转臂上。
2.根据权利要求1所述的流量计，其特征在于，所述螺旋叶片是双螺旋叶片。
3.根据权利要求1所述的流量计，其特征在于，所述螺旋叶片在所述旋转轴线周围具有中空中心。
4.根据权利要求1所述的流量计，其特征在于，所述螺旋叶片定位成到所述旋转臂的所述第一端比到其第二端更近。
5.根据权利要求1所述的流量计，其特征在于，所述一个或更多旋转臂构造成与所述工具本体的纵向轴线成约45°角展开。
6.根据权利要求1所述的流量计，其特征在于，所述螺旋叶片构造成在垂直于所述流动方向的平面中在所述旋转轴线的一侧上具有大于在所述旋转轴线的另一侧上的区域的区域。
7.根据权利要求1所述的流量计，其特征在于，所述螺旋叶片具有约45°的螺旋角。
8.根据权利要求1所述的流量计，其特征在于，所述螺旋叶片具有约10mm的直径。
9.根据权利要求1所述的流量计，其特征在于，所述螺旋叶片具有约50mm的长度。
10.根据权利要求1所述的流量计，其特征在于，所述流量计还包括：
在所述螺旋叶片的区域外位于所述一个或更多旋转臂中的每一个上的至少一个传感器，所述至少一个传感器配置成检测所述螺旋叶片的旋转速度。
11.根据权利要求1所述的流量计，其特征在于，所述一个或更多旋转臂构造成在所述工具本体附近收缩同时朝测量位置被输送。
12.一种测量流体流量的方法，包括：
与流动方向成预定角度展开包括螺旋叶片的一个或更多旋转臂，各所述螺旋叶片均构造成以各自的所述预定角度围绕旋转轴线旋转；以及
测量所述螺旋叶片的旋转速度。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在所述展开之前使所述一个或更多旋转臂靠近流量计的中心轴线收缩；以及
使收缩的所述旋转臂朝流量测量位置通过限制部。
14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，使用靠近所述螺旋叶片的一端定位的传感器来执行所述测量，并且所述方法还包括：
向数据处理单元无线地传送测量的旋转速度。
15.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，使用靠近所述螺旋叶片的一端定位的传感器来执行所述测量，并且所述方法还包括：
经由线缆向数据处理单元传送测量的旋转速度。
16.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
基于测量的旋转速度来估算流体流量。
17.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述预定角度为约45°。
18.一种制造流量计的方法，包括：
将螺旋叶片安装在一个或更多旋转臂中的每一个上，所述螺旋叶片由于流体与沿着所述旋转臂延伸的旋转轴线成预定角度流动而能够旋转；以及
将所述一个或更多旋转臂的第一端连接到工具本体上，所述一个或更多旋转臂构造成(i)以第二端远离所述工具本体的方式延伸，并且(ii)在所述第二端靠近所述工具本体的情况下收缩。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
将配置成测量所述螺旋叶片的旋转速度的传感器安装在所述一个或更多旋转臂中的每一个上。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，执行所述螺旋叶片的安装，以将所述螺旋叶片定位成到相应旋转臂的所述第二端比到相应旋转臂的第一端更近，并且执行所述传感器的安装，以使所述传感器位于所述螺旋叶片的区域外。
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