CN102625905B - 多相流体测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种流量计，该流量计包括：振动元件，该振动元件被配置成插入到受测流体中；驱动电路，该驱动电路使振动元件以振动元件的固有振荡频率振动；一个或更多个另外技术的流量计，该流量计被配置成对流体的另外的性质进行测量；数据采集电路，该数据采集电路被配置成对受多相流体的流动影响的信号进行测量；以及计算机，该计算机适于求解非线性联立方程。流体可以包括气体、油和/或水。流体还可以包括固体。

Description

多相流体测量装置和方法

技术领域

本公开总体涉及对井筒流体的多相流测量。

背景技术

井筒流体通常是包括油、气体和水的多相流体。每个组分(油、水和气体)的成分、流量(flow rate)以及粘度随各个井而各不相同。通常，气体的流量是最快的，而油的流量是最慢的，除非流体被充分地混合且气体在液体内被夹带走。液体和气体可分布的多种流型以及每个组分的物理性质的变化使得对每个组分的流量预测是困难的。

在低流体速度的情况下，井筒液体趋于聚积在水平管中的低带(lowpocket)处，而气体聚结成大气泡和小气泡，这些气泡在垂直管道或上升管中比液体传播得更快。这两方面都会使得气体比液体流动得更快，或者换句话说，这两方面都增加了气体和液体之间的滑动。流体密度是用于确定多相流体的流动的参数。一些方法利用了点密度，该点密度是沿着导管的(与水力直径相比)非常窄的长度的、在流导管的特定横截面处的密度。由于多相流体中气体和液体之间的滑动，所以点密度会不同于均匀混合物的密度。对流体的点密度进行测量的常用方法利用了放射源，并对由流体介质对伽马射线的吸收进行测量。该方法对矿物比对碳氢化合物更敏感，并且密度通常是跨越运载流体的管的小部分被测量的。因为此，失去了点密度测量值、与滑动有关的信息以及由此经校正后的容积密度。容积密度是(与水力直径相比)相当长的流导管中的流体混合物的密度，其更能代表平均密度。容积密度需要更少的滑动校正但是仍取决于滑动。

数学模型已用于计算多相流体流动。然而，这样的方法需要多个参数的边界条件的严密知识，这些参数诸如表面张力、粘度、流体混合等。因为这样的参数不是在线(在原位)测量的，所以滑动值是假定的或者是从某些经验实验获得的。这使得数学模型的有效性受限于所做出的特定假设或者所进行的实验的结果。从井筒产生的多相流体的滑动值有时不同于这种用实验所确定的滑动值，由此会导致大的误差。本文通过示例对上述陈述进行说明。图1a和图1b分别示出了水平管流和垂直管流中的两种典型的流态。如果水平管的斜度稍微地向上变为+15°或者向下变为-15°，那么流型会与所示出的完全不同。类似地，斜度为5°的流型会不同于斜度为15°、11°等的流型，因此所得到的滑动值会完全不同。因为有种类繁多的管配置和流体参数值，因此使用以经验为主所确定的滑动值会导致大的误差。

多相井筒流体的流可以表示为一组非线性偏微分方程，如下所示：

质量守恒：

$\frac{\∂}{\∂t}\left({\mathrm{\ρ}}_N{\mathrm{\α}}_N\right)+\frac{\∂\left({\mathrm{\ρ}}_N{j}_{\mathrm{Ni}}\right)}{\∂x_i}=I_N$ 方程1

动量守恒：

$\frac{\∂}{\∂t}\left({\mathrm{\ρ}}_N{\mathrm{\α}}_N{u}_{\mathrm{Nk}}\right)+\frac{\∂}{\∂x_i}\left({\mathrm{\ρ}}_N{\mathrm{\α}}_N{u}_{\mathrm{Ni}}{u}_{\mathrm{Nk}}\right)={\mathrm{\α}}_N{\mathrm{\ρ}}_N{g}_k+F_{\mathrm{Nk}}-{\mathrm{\δ}}_N\{\frac{\∂p}{\∂x_k}-\frac{\∂{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{Cki}}^D}{\∂x_i}\}$ 方程2

能量守恒：

$\frac{\∂}{\∂t}\left({\mathrm{\ρ}}_N{\mathrm{\α}}_N{e}_N^{*}\right)+\frac{\∂}{\∂x_i}\left({\mathrm{\ρ}}_N{\mathrm{\α}}_N{e}_N^{*}{u}_{\mathrm{Ni}}\right)=Q_N+W_N+E_N+{\mathrm{\δ}}_N\frac{\∂}{\∂x_k}\left(u_{\mathrm{Ci}}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{Cij}}\right)$ 方程3

在上述方程中，下标N表示特定的相或组分，在井筒流体的情况下其可以是油(O)，水(W)和气体(G)。小写字母下标(i、ik等)指的是向量或张量分量。遵循的是张量标记法，其中重复的小写字母下标意味着其所有可能的值之和，例如：

u_iu_i＝u₁u₁+u₂u₂+u₃u₃    方程4

ρ_N是组分N的密度，α_N是组分N的体积分数，而j_Ni是组分N的体积通量(每单位面积的体积流量)，其中，对于一维流、二维流或三维流，i分别是1、2或3。I_N得自不同组分在多相流中的相互作用。I_N是每单位体积内从其他相到相N的质量转移速率。u_Nk是组分N沿着方向k的速度。组分N的体积通量及其速度以以下关系关联：

j_Nk＝α_Nu_Nk方程5

g_k是重力沿着方向k的方向，p是压力，

是作用在连续相上的应力张量σ_Cki的偏分量，F_Nk是每单位体积由控制体积内的其他组分施加在组分N上的力。

是组分N的每单位质量的总内能。

因此，

$e_N^{*}=e_N+\frac{1}{2}{u}_{\mathrm{Ni}}{u}_{\mathrm{Ni}}+\mathrm{gz}$ 方程6

其中，e_N是组分N的内能。Q_N是从控制体积的外侧对组分N的加热速率，W_N由外部环境对N所做的功的速率，而E_N是能量相互作用项，即由控制体积内的其他组分对N所做的功和热传递速率之和。

上述方程遵从以下约束条件：

$\underset{N}{\mathrm{\Σ}}{I}_N=0$ 方程7

$\underset{N}{\mathrm{\Σ}}{F}_{\mathrm{Nk}}=0$ 方程8

$\underset{N}{\mathrm{\Σ}}{E}_N=0$ 方程9

上述方程是非线性偏微分方程组，当该方程组针对一组有限制的初始条件和边界条件存在解时，该解产生了并不总是收敛的级数。此外，因为对于不同的流态，初始条件和边界条件(诸如导管中的初始气泡尺寸以及气泡分布)既不是测量出的又不是先验已知的，所以这些条件经常是根据先前的历史知识来估计的。因为上述方法做出了某些假设，因此这些方法会导致不精确的结果。

本公开在这里提供了一种用于多相流体测量的改进的装置和方法。

发明内容

本公开提供了一种流量计，该流量计包括：振动元件，该振动元件被配置成插入到受测流体中；驱动电路，该驱动电路使振动元件以其固有振荡频率振动；一个或更多个另外技术的流量计，该流量计被配置成对流体的另外的性质进行测量；数据采集电路，该数据采集电路被配置成对受多相流体的流动影响的信号进行测量；以及计算机，该计算机适于求解非线性联立方程。一方面，多相流体是气体且第二相是液体。另一方面，多相流体包括是气态的第一相、是油的第二相以及包括水的第三相。另一方面，多相流体包括气体相、油相、水相和固体。数据采集电路可以被配置成从各种与过程相关的传感器收集数据以及将所收集到的数据输入到计算机中。计算机可以被配置成使用多个信号来求解非线性联立方程。一方面，计算机被配置成基于来自数据采集电路的输入来输出经滑动校正后的总的质量流量(mass flow rate)。再一方面，计算机还被配置成基于来自数据采集电路的输入来输出经粘度校正后的总的质量流量。计算机可以输出i)气体和液体的ii)气体、油和水的以及iii)气体、油、水和固体的经校正后的质量流量。所测量的信号是与功率、频率、压力和温度有关的信号。

对在这里所公开的装置和方法的一定特征的示例进行非常宽泛地概述，从而使接下来对它们的详细描述可以被更好地理解。以下所公开的将形成所附权利要求的主题的装置和方法当然有另外的特征。

附图说明

为了详细地理解本公开，应该结合附图参照以下的详细描述，在附图中一般用相似的附图标记表示相似的元件，在附图中：

图1a示出了水平管中的波状环形流；

图1b示出了垂直管中的团状流；

图1c是根据本公开的一个实施例的多相流量计装置的示意图；

图2是确定多相流的方法的流程图；

图3是用于在确定多相流体的流动的方法中使用的、用于通过密度计来确定密度的装置的示意图，所述密度计诸如振动叉、管道和汽缸、浮子(float)等；

图4是示出了替选的流量计的示意图，该替选的流量计诸如孔板、倒锥、涡轮流量计、超声流量计、正位移计等，而不是图1中所示的文丘里流量计(venturi meter)；

图5是例如在湿气测量中用于测量流量的装置的替选实施例的示意图；

图6是被配置用于与图1的系统一起使用的示例计算机系统的功能图；

图7a示出了如方程19所描述的密度偏差与气体体积分数的关系的图；以及

图7b示出了在使用方程10和方程12针对滑动影响进行校正之后混合物的容积密度的图，该图示出工作的气体体积分数范围是从零到百分之百。

具体实施方式

一方面，这里所描述的系统对多相流动流的容积密度和流动进行实时测量，并且利用联立方程来针对滑动进行校正，该滑动在密度测量和流体流动测量二者中是普遍的。另一方面，系统可以利用另一个独立的流量计来增加方程的数目，从而允许使用更广范围的流动条件。另一方面，可以对功率、粘度等进行另外的测量以增加联立方程的数目，并由此提高多相流计算的精确度。

图1c是根据本公开的一个实施例的多相流测量系统100的示意图。系统100被示出为包括有科里奥利(Coriolis)流量计110，以通过对流量计110内部的管道的固有振荡频率进行测量来原位地测量流过流量计110的流体102的密度。一方面，对科里奥利驱动电路的功率和频率进行测量以获得两个方程。另一方面，系统100测量管道112的科里奥利扭曲，这种科里奥利扭曲与通过管道的质量流量成比例。

以下给出了可以被利用的、对管道112的运动和科里奥利扭曲进行描述的方程。科里奥利扭曲和固有频率二者都受滑动的影响。另外未知量是液体流量和气体流量。

ω＝f₁(ρ，Q_G，Q_O，Q_W，S，μ，P，T)方程10

扭曲＝f₂(ρ，Q_G，Q_O，Q_W，S，μ，P，T)方程11

功率＝f₃(ρ，Q_G，Q_O，Q_W，S，μ，P，T)方程12

在以上的方程中，ρ是混合物的密度，Q_G是气体的体积流量，Q_O是油的体积流量，Q_W是水的体积流量，S是滑动比率，并且μ是液体的流动平均粘度，P是管线压力，且T是管线温度。

用三(3)个方程来求解六(6)个未知量是不可行的。因此，需要三(3)个另外的方程。为了获得针对另外未知量的另一个方程，系统100利用了另一个流量计，诸如图1c中示出的文丘里流量计120。从文丘里管的入口到喉部(throat)的压降也取决于滑动，如在以下的第四个方程中所给出的那样：

ΔP_inlet-throat＝f₄(ρ，Q_G，Q_O，Q_W，S，μ，P，T)方程13

可以从含水率计(water-cut meter)140获得第五个方程，该含水率计140可以与科里奥利流量计和文丘里流量计串联连接以测量含水率，并且由此计算油流量、水流量和气体流量。可以使用任何合适的含水率计，包括由Agar公司出售的含水率计。Agar含水率计对流体的复合电介质进行测量，并使用Bruggeman方程来确定液体中的油和水的浓度。

ε＝f₅(ρ，Q_G，Q_O，Q_W，S，μ，P，T)方程14

如早前所述的，在其它变量当中，粘度(μ)的变化对滑动(S)有影响并且会显著地导致流动测量中的误差。因此，如果粘度显著地变化，那么期望具有第六个方程。采用另一个方程意味着需要进行一次额外的测量。一方面，系统可以通过测量管的短直部分130两端的压降来测量粘度，并且使用该测量值来补偿由于变化的粘度而引入的误差。

ΔP_{straight pipe}＝f₆(ρ，Q_G，Q_O，Q_W，S，μ，P，T)方程15

将在管线条件下所测量的流量转化为标准条件下的流量的管线压力P测量值和管线温度T测量值可以从流线管线170中的压力传感器150和温度传感器160获得。上述非线性联立方程组可以以矩阵的形式写出，如下所示：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\ω}\\ \mathrm{Twist}\\ \mathrm{Power}\\ \mathrm{\Δ}{P}_{\mathrm{inlet}-\mathrm{throat}}\\ \mathrm{\ϵ}\\ \mathrm{\Δ}{P}_{\mathrm{straight\; pipe}}\end{array}\right\}=\left[\begin{array}{cccccc}{A}_{11}& A_{12}& A_{13}& A_{14}& A_{15}& A_{16}\\ A_{21}& A_{22}& A_{23}& A_{24}& A_{25}& A_{26}\\ A_{31}& A_{32}& A_{33}& A_{34}& A_{35}& A_{36}\\ A_{41}& A_{42}& A_{43}& A_{44}& A_{45}& A_{46}\\ A_{51}& A_{52}& A_{53}& A_{54}& A_{55}& A_{56}\\ A_{61}& A_{62}& A_{63}& A_{64}& A_{65}& A_{66}\end{array}\right]\·\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\ρ}\\ Q_G\\ Q_O\\ Q_W\\ S\\ \mathrm{\μ}\end{array}\right\}$ 方程16

因为方程是非线性的，因此，矩阵A的元素不是恒定的。例如，在仅有水(即，没有水且没有气体)的单相流的情况下，针对ΔP_{inlet_throat}的方程是：

$\mathrm{\Δ}{P}_{\mathrm{inlet}-\mathrm{throat}}=\frac{1}{2}\frac{{\mathrm{\ρ}}_W{Q}_W^2}{A_{\mathrm{inlet}}^2{C}_d^2}(\frac{1}{{\mathrm{\β}}^4}-1)$ 方程17

在以上的方程中，ρ_W是水的密度，Q_W是水的体积流量，A_inlet是文丘里流量计的入口的面积，β是文丘里管的喉部直径与入口直径的比率，并且C_d是排放系数。

因此，元素A₄₄是

$A_{44}=\frac{1}{2}\frac{{\mathrm{\ρ}}_W{Q}_W}{A_{\mathrm{inlet}}^2{C}_d^2}(\frac{1}{{\mathrm{\β}}^4}-1)$ 方程18

由此，可以看到A₄₄是取决于作为未知量之一的变量Q_W的。然后，系统可以利用迭代法来求解这样的方程组。

图1c描述了实施例的系统形式，该图指出了单独部件和子部分。随着流动的未知量(例如滑动、粘度等)的数目的增加，独立方程的数目也增加，从而独立测量值的数目增加。通过调整和设置多个仪器，可以根据本公开的一个方面建立精确的方程(与经验模型相对的数学模型)。如上所述，通过调整测量设备的增益和零点以产生同一共有的结果，可以获得更加精确的结果。可以将可以用于对这里所描述的装置和方法进行描述的简化关系表示为：

流装置→振动密度计+流量计₁+流量计₂+水浓度计

图2是示出了以上所示出的用于确定多相流体的流量的方案的流程图，即振动密度计204、第一流量计206、第二流量计208以及水浓度计210。

参照图1c所给出的示例与下述实施例对应：该实施例利用来自科里奥利流量计的频率作为密度测量值、利用科里奥利扭曲用于第一流动测量值、并且利用从文丘里管的入口到喉部的压降用于第二流动测量值。

图3是用于通过密度计(诸如振动叉、管道和汽缸、浮子等)确定密度的装置300的示意图。密度计310可以耦接到系统中的文丘里流量计120，用于确定多相流体流的流动。

图4是装置400的示意图，该图示出了替选的流量计410，该替选的流量计410诸如孔板、倒锥、涡轮流量计、超声流量计、正位移计等，而不是图1中所示的文丘里流量计120。

在一些情况下，将大型密度计与流量计串联起来使用会是不实际的。图5是用于测量流量的装置500的替选实施例的示意图。图5示出了连接在滑流中的科里奥利流量计，该科里奥利流量计用于对质量流的一部分进行测量，该质量流的一部分仍具有与主管线中的流体相同的流体成分。流体在旁路中所占的分数是预定的，但不是关键的，这是因为其仅展示了总流动的、由流量计510所测量的一小部分。

图6示出了包括计算机或处理器610的计算机系统600。来自图1c的系统(以及图2至图5中所示的替选实施例)中的各种传感器的输出620被馈送到图6的系统中的数据采集电路630，该电路被配置成将传感器信息输出到计算机610。计算机使用存储在其存储器中的程序和算法以及其他信息640(全体用640表示)来处理这种信息，并在线(在原位)提供与这里所描述的各种参数有关的计算结果以及多相流体102的流体流结果。这里所描述的方程以及由计算机610所使用的数据可以存储在计算机中的存储器中或者存储在计算机可访问的另一个存储设备中。结果可以显示在显示设备650(诸如监视器)上和/或结果可以以其它表达媒介来提供，诸如硬拷贝、磁带等。

由此，一方面，用于对多相流体的流动进行测量的装置被描述成在实施时可以包括：振动元件，插入在受测流体中，与一种或两种不同类型的流量计结合；计算机，适于求解非线性联立方程；驱动电路，使振动元件以其固有振荡频率振动；数据收集电路，用于对受多相流体的流动影响的功率、频率、压力、温度和其他过程相关信号进行测量。流体可以包括气体、油和/或水。流体还可以包括固体。

参照图7a对使用上述方法所获得的结果进行描述。密度偏差增加，以下将密度偏差定义为气体量或者气体体积分数(Gas Volume Fraction，GVF)。

图7b示出了在使用方程10和方程12对滑动影响进行校正后的混合物容积密度。可以通过使用方程10至方程15中的所有方程实现对密度校正的进一步改进。可以看出，本方法在全气体体积分数范围即0≤GVF≤100％中都可以非常精确地测量容积密度。现有技术的方法通常在0≤GVF≤55％的大致范围中精确地测量密度。

数据采集电路可以从各种传感器收集数据作为输入，诸如振荡频率、扭曲角度、驱动功率消耗、压力、温度、差压、复合电介质、声路(soundway)、扭矩等。计算机可以被配置成使用根据各种传感器算出的参数值求解非线性联立方程。一方面，计算机可以被配置成基于来自数据采集电路的输入来输出经滑动校正后的总的质量流量。另一方面，计算机可以被配置成基于来自数据采集电路的输入来输出经滑动和粘度校正后的总的质量流量。计算机可以被配置成输出流动的气体和液体的经校正后的质量流或体积流。又一方面，计算机可以被配置成输出流动的气体、油和水的经校正后的质量流或体积流。计算机可操作用以输出流动的气体、油、水和固体的经校正后的质量流或体积流。另一方面，可以利用直管两端的压降或者文丘里管的法兰到法兰之间的压降来计算粘滞损失。

虽然前述公开涉及某些实施例，但是对本领域的技术人员来说对这些实施例的各种改变和修改是显然的。意在此处的公开将包括在所附权利要求的范围和精神之内的所有改变和修改。

Claims (13)

1.一种流量计，包括：

振动元件,所述振动元件被配置成插入在受测流体中；

驱动电路，所述驱动电路使所述振动元件以所述振动元件的固有振荡频率振动；

一个或更多个另外技术的流量计，所述流量计被配置成对所述流体的另外的性质进行测量；数据采集电路，所述数据采集电路被配置成对受多相流体的流动影响的信号进行测量；以及计算机，所述计算机适于求解非线性联立方程；其中所述多相流体包括气体和液体。

2.根据权利要求1所述的流量计，其中，所述多相流体的第一相是气体，所述多相流体的第二相是油，而所述多相流体的第三相是水。

3.根据权利要求1所述的流量计，其中，所述多相流体还包括固体。

4.根据权利要求3所述的流量计，其中，所述多相流体的第一相是气体，所述多相流体的第二相是油，所述多相流体的第三相是水，而所述多相流体的第四相是固体。

5.根据权利要求1所述的流量计，其中，所述数据采集电路被配置成从各种与过程相关的传感器收集数据以及将所收集到的数据输入到所述计算机中。

6.根据权利要求1所述的流量计，其中，所述计算机被配置成使用多个所述信号来求解非线性联立方程。

7.根据权利要求5所述的流量计，其中，所述计算机被配置成基于来自所述数据采集电路的输入来输出经滑动校正后的总的质量流量。

8.根据权利要求7所述的流量计，还包括差压变送器，所述差压变送器提供从文丘里流量计的输入处到中间椎体位置的第一差压测量值以及从所述中间椎体位置到所述文丘里流量计的喉部的第二差压，所述计算机还被配置成根据所述第一差压和所述第二差压的比率获得滑动。

9.根据权利要求5所述的流量计，其中，所述计算机还被配置成基于来自所述数据采集电路的输入来输出经粘度校正后的总的质量流量。

10.根据权利要求7所述的流量计，其中，所述计算机被配置成输出气体和液体的经校正后的质量流量。

11.根据权利要求7所述的流量计，其中，所述计算机被配置成输出气体、油和水的校正后的质量流量。

12.根据权利要求7所述的流量计，其中，所述计算机被配置成输出气体、油、水和固体的经校正后的质量流量。

13.根据权利要求1所述的流量计，其中，所测量的信号是与功率、频率、压力和温度有关的信号。

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