CN104641214B - 具有可压缩和不可压缩成分的多成分流体的流体特性确定 - Google Patents
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Abstract
提供了一种用于确定多成分流体的流体特性的方法。该方法包括测量第一密度状态下的多成分流体的第一密度ρ1的步骤，该多成分流体包括一种或更多种不可压缩成分和一种或更多种可压缩成分。该方法还包括将多成分流体从第一密度状态调节至第二密度状态的步骤。然后在第二密度状态下测量多成分流体的第二密度ρ2，并且确定可压缩成分或不可压缩成分中的至少一个的一种或更多种流体特性。
Description
技术领域
下列描述的实施例涉及多成分流体，并且更具体地，涉及用于确定具有一种或更多种可压缩成分和一种或更多种不可压缩成分的多成分流体的各种流体特性的方法。
背景技术
振动流体传感器(例如科氏质量流量计(Coriolis mass flow meter)和振动密度计)典型地通过探测包含流动材料的振动导管的运动来操作。与导管中的流体相关的特性(例如质量流量、密度等)可通过处理从与导管相关的运动转换器(motion transducer)接收的测量信号来确定。填充振动材料的系统的振动模式通常受包含的导管和包含在其中的材料的结合的质量、硬度和阻尼特性影响。
在系统中，典型的振动流体计包括一个或更多个导管，导管在管线或其他运输系统中串联地连接并且运送材料，例如流体、泥浆等。各导管可视为具有一组自然振动模式，包括例如简单的弯曲、扭转、径向和耦合模式。在典型的科氏质量流量测量应用中，当材料流动穿过导管时，以一个或更多个振动模式激励导管，并且在沿着导管分开的点处测量导管的运动。激励典型地由促动器(例如机电装置)提供，例如以周期方式干扰导管的音圈型驱动器。质量流速可通过测量转换器位置处的运动之间的延时或相位差来确定。典型地利用两个这种转换器(或拾取(pickoff)传感器)，以便测量流导管或多个流导管的振动响应，并且两个这种转换器典型地定位在促动器的上游和下游的位置处。该两个拾取传感器通过布线(例如通过两个独立的电线对)连接至电子仪器。该仪器接收来自两个拾取传感器的信号并且处理信号，以便导出质量流速测量结果。
振动流体计为单成分流提供高精度。但是，当振动流体计用于测量包括附带气体的流体、包括附带液滴的气体、或含有可压缩和不可压缩成分两者的其他类型的流体时，测量计的精度可显著地降低。附带气体在流动材料中通常作为气泡存在。由气泡引起的一个问题是分离(decoupling)。当流量计振动时，小气泡通常与液体流动材料一起移动。但是，在流动管的振动期间，较大的泡沫不与液体一起移动。相反，气泡可与液体分离并且可与液体无关地移动。因此，液体可在气泡周围流动。这不利地影响流体计的振动响应。
附带气泡的尺寸可取决于流体速度、粘性、表面张力和其他参数而改变。性能的降低程度不仅涉及存在多少总体气体，而且还涉及流中的单独气泡的尺寸。气泡的尺寸影响测量的精度。较大的气泡占有更多的体积并且更大程度地分离，从而导致流动材料的测量中的更大误差。由于气体的可压缩性，故气泡可在气体量方面改变，而可以不一定在尺寸方面改变。相反地，如果压力改变，那么气泡尺寸可对应地改变，当压力下降时膨胀或在压力增大时收缩。这还可导致流量计的固有或共振频率方面的变化。
振动流体计用于执行用于多种流体流的质量流速和密度测量。其中可使用科氏流量计的一个领域是在油气井的计量中。这种井的产物可包括多成分流体，其含有油或气体，但还包括其他成分，例如水和空气。非常合乎需要的是，所得的计量尽可能精确，即使对于这种多成分流。而且，在这种情况下，使用者通常希望不仅知道流体的总体流速和密度，且知道其他流体特性，例如液相的密度和多成分流的单独成分的流速。通常，科氏流量计将仅测量流体的总体流速和密度。在具有已知密度的两个流体成分的情况下，能够在现有技术流量计中确定单独成分分率和流速。目前市场上的流量计电子器件设想流体流仅包含油和水，并且使用方程(1)和(2)来确定各成分的量。该算法在油气产业中作为纯油计算机(NetOil Computer)众所周知。
其中：
φo是油的体积分率；
φw是水的体积分率；
ρmeasured是由振动流体计测得的流体密度；
ρo是油密度；且
ρw是水密度。
使用方程(1)和(2)，如果水和油的密度是已知或假设的，那么可确定油和水的体积分率。借助确定的体积分率，可确定单独成分的流速。重要的是注意到，方程(2)中的测得密度实际上由于两种不同成分之间的分离而是稍微不精确的。但是，由于水和油的密度相似，故分离十分少并且测量结果基本足够精确。
但是，当系统仅使用方程(1)和(2)时，且如果存在附带气体，那么所得的较低的总体流体密度会被不正确地理解为是由较高的油体积分率引起的，并且因此，测量计电子器件输出蒸汽中的较高的油流速和油的总量。在许多实际应用中，流体可包含一些气体，这可大幅降低纯油计算机的测量精度。因而，流体可能不包含与由流体计输出的一样多的油。这可能使人困惑，因为使用者可能认为油井仍在产生令人满意的量的油，而井实际上仅在产生水和气体。系统内的气体的产生导致方程(1)和(2)转换成方程(3)和(4)。
其中：
φg是气体的体积分率；且
ρg是气体的密度。
如可看到的，方程(3)和(4)导致两个方程，但有三个未知数(三个体积分率)，它们不具有唯一的解。
使用振动流体计的另一领域是在食品和饮料产业中。例如，在奶制品产业中，出于各种处理和质量原因，使用者可希望知道交付的牛奶的密度。但是，通常，流动的牛奶含有附带的空气气泡。因而，对于由振动流体计提供的给定密度，由于测得密度受空气的较低密度影响，故使用者不能确定牛奶的密度。此外，牛奶和空气的体积分率是未知的。
尽管在上面指出的问题已主要涉及具有附带气体的液体，但应当认识到的是，包含与一种或更多种不可压缩液体混合的一种或更多种可压缩液体的多成分流体存在相似问题。“可压缩”指的是成分的密度在所关心的系统内经受的操作条件内改变阈值量。这些多成分流体可包括具有附带气体的液体、两种或更多种液体(其中，至少一种包括可压缩液体)、或具有附带液滴的气体。
在本领域中仍需要如下振动流体计，该振动流体计可精确地测量具有一种或更多种不可压缩流体和一种或更多种可压缩流体的多成分流体的流动特性。
发明内容
根据实施例提供一种方法。该方法包括测量第一密度状态下的多成分流体的第一密度ρ1的步骤，该多成分流体包括一种或更多种不可压缩成分和一种或更多种可压缩成分。根据实施例，该方法还包括将该多成分流体从第一密度状态调节至第二密度状态的步骤。根据实施例，该方法还包括测量第二密度状态下的多成分流体的第二密度ρ2和确定可压缩成分或不可压缩成分中的至少一个的一种或更多种流体特性的步骤。
根据实施例提供一种流体测量系统。该流体测量系统包括管线，该管线构造为接收多成分流体，该多成分流体包括一种或更多种不可压缩成分和一种或更多种可压缩成分。根据实施例，流体测量系统还包括：第一流体计，其包括与管线流体连通的第一传感器组件；和测量计电子器件，其构造为至少测量多成分流体的第一密度ρ1。根据实施例，流体测量系统还包括：密度调节器，其与管线和第一传感器组件流体连通，构造为通过调节多成分流体的压力和/或温度来将多成分流体的密度从第一密度状态调节至至少第二密度状态。提供一种处理系统，其构造为基于第一密度状态下的多成分流体的第一密度ρ1和第二密度状态下的多成分流体的第二密度ρ2来生成不可压缩成分或可压缩成分中的至少一个的一种或更多种流体特性。
方面
根据一方面，方法包括如下步骤：
测量第一密度状态下的多成分流体的第一密度ρ1，该多成分流体包括一种或更多种不可压缩成分和一种或更多种可压缩成分；
将该多成分流体从第一密度状态调节至第二密度状态；
测量第二密度状态下的多成分流体的第二密度ρ2；和
确定可压缩成分或不可压缩成分中的至少一个的一种或更多种流体特性。
优选地，确定步骤包括确定一种或更多种不可压缩成分的结合的密度。
优选地，测量第一密度ρ1的步骤包括使用第一科氏流量计。
优选地，测量第二密度ρ2的步骤包括使用第二科氏流量计。
优选地，该方法还包括在测量第二密度ρ2之前，在测量第一密度ρ1之后等待阈值时间的步骤。
优选地，第一密度状态包括第一压力P1和第一温度T1，并且其中，第二密度状态包括第二压力P2和/或第二温度T2。
优选地，该方法还包括下列步骤：
测量多成分流体的流速；
确定多成分流体的成分中的一种或更多种的体积分率；和
基于测得的流速和体积分率来确定成分中的一种或更多种的流速。
根据另一方面，流体测量系统包括：
管线，其构造为接收多成分流体，该多成分流体包括一种或更多种不可压缩成分和一种或更多种可压缩成分；
第一流体计，其包括：
第一传感器组件，其与管线流体连通；
测量计电子器件，其构造为至少测量多成分流体的第一密度ρ1；和
密度调节器，其与管线和第一传感器组件流体连通，构造为通过调节多成分流体的压力和/或温度来将多成分流体的密度从第一密度状态调节至至少第二密度状态；和
处理系统，其构造为基于第一密度状态下的多成分流体的第一密度ρ1和第二密度状态下的多成分流体的第二密度ρ2来生成不可压缩成分或可压缩成分中的至少一个的一种或更多种流体特性。
优选地，流体测量系统还包括第二流体计，该第二流体计包括：
第二传感器组件，其与管线和密度调节器流体连通，其中，密度调节器定位在第一传感器组件与第二传感器组件之间。
优选地，流体测量系统还包括第二测量计电子器件，第二测量计电子器件构造为至少测量第二密度状态下的多成分流体的第二密度ρ2。
优选地，流体测量系统还包括紧接第一传感器组件的一个或更多个压力传感器，和紧接第二传感器组件的一个或更多个压力传感器。
优选地，第一压力传感器定位在第一传感器组件的上游，并且第二压力传感器定位在第一传感器组件的下游，并且其中，第三压力传感器定位在密度调节器的下游和第二传感器组件的上游，并且第四压力传感器定位在第二传感器组件的下游。
优选地，流体测量系统还包括一个或更多个温度传感器，温度传感器构造为测量第一和第二密度状态下的多成分流体的温度。
优选地，处理系统包括第一测量计电子器件的一部分。
优选地，第一流体计包括科氏流量计。
附图说明
图1示出了根据实施例的流体测量系统。
图2示出了来自在由独立的气体和液体测量计确定时的混合物密度的密度误差对根据实施例的流体的可压缩体积分率的图。
图3示出了根据实施例的处理例程。
具体实施方式
图1-3和下列说明描述了具体实例，来教导本领域技术人员如何制作和使用流体测量系统的实施例的最佳模式。出于教导发明性原理的目的，已简化或省略了一些常规方面。本领域技术人员将理解落入本说明的范围内的来自这些实例的变型。本领域技术人员将理解，以下描述的特征可以各种方式结合，以形成流体测量系统的多个变型。作为结果，以下描述的实施例不限于以下描述的具体实例，而是仅由权利要求和它们的等同物限定。
图1显示了根据实施例的流体测量系统100。根据实施例，流体测量系统100包括第一流体计5和第二流体计6。在其他实施例中，可提供单个流体计5，而不提供第二流体计6。这种实施例最适于如将在下面更详细地描述的流体不流动的情况。根据实施例，第一流体计5包括传感器组件101和测量计电子器件22。传感器组件101和测量计电子器件22可经由一个或更多个导线21电连通。根据实施例，第二流体计6包括传感器组件102和测量计电子器件24。传感器组件102和测量计电子器件24可经由一个或更多个导线电连通。根据示出的实施例，第一和第二流体计5、6包括科氏流量计；但是，可使用缺乏科氏流量计的测量能力的其他类型的流体计，例如振动密度计等。使用的特定类型的流体计决不应限制本实施例的范围。但是，流体计5、6可优选地至少测量流体密度。
根据实施例，两个测量计电子器件22、24可彼此电连通。根据另一实施例，两个测量计电子器件22、24可分别经由导线27、28与共同的处理系统25电连通。共同的处理系统25可处理从两个测量计电子器件22、24接收的信号，并且经由导线26对使用者输出需要的信息。例如，处理系统25可接收来自测量计电子器件22、24中的各个的各种测量结果，并且基于接收的测量结果来确定多成分流体的一种或更多种流体特性。尽管处理系统25示为分离的构件，但在其他实施例中，处理系统25可包括测量计电子器件22、24中的一个的一部分。
根据又一实施例，传感器组件101、102两者可与单个测量计电子器件(例如测量计电子器件22)电连通，并且，测量计电子器件22的处理系统25可执行所有必要的信号处理并且经由导线30对使用者输出需要的信息。导线29和30示为虚线，以例示备选实施例。
根据实施例，第一和第二传感器组件101、102可定位为与流体管线103流体连通。流体管线103可接收包括一种或更多种可压缩成分和一种或更多种不可压缩成分的多成分流体。一旦多成分流体被接收在流体管线103中，则至少第一流体计5可测量多成分流体密度。在测量期间，流体可为流动的或静止的。
根据实施例，第一和第二传感器组件101、102在流体管线103内由密度调节器104分离。密度调节器104可包括阀、泵、一节管、包括减小或扩大的横截面积的一节管、加热器、冷却器等。本领域技术人员将容易理解，密度调节器104可包括任何类型的如下装置，该装置能够改变多成分流体的密度状态，使得在管线103内流动的流体的可压缩成分的密度改变。例如，通过使用上面的油、水、气体组合，密度调节器104将能够改变气体的密度，同时油和水的密度保持不变。因此提供密度调节器104，使得流体的可压缩成分的密度且因此体积分率在第一密度状态下的第一传感器组件101与第二密度状态下的第二传感器组件102之间不同。本领域技术人员将容易理解，可通过调节压力和/或温度来在这两个密度状态之间改变可压缩流体的密度。例如，如果流体流动穿过管线，并且提供第一和第二流体传感器5、6两者，那么密度调节器104可包括泵，该泵增大第一和第二传感器组件101、102之间的多成分流体的压力。备选地，在其他实施例中，密度调节器104可包括控制阀或任何如下构件，通过该构件，多成分流体中的能量损失，从而导致压力损失。多成分流体可进入第一传感器组件101并且包括具有第一温度和压力的第一密度状态。多成分流体可然后行进穿过控制阀或另一构件，该构件导致压力增加或损失，从而为多成分流体提供第二传感器组件102中的第二压力和/或温度下的第二密度状态。在另一实施例中，仅可提供第一传感器组件101，且其填充有具有第一温度和压力的第一密度状态下的多成分流体。阀可短暂地打开来允许流体中的一些溢出，并且然后再次关闭来为多成分流体提供第二压力和/或温度下的第二密度状态。如可理解的，密度调节器104不改变流体的任何不可压缩成分的密度。
在图1中还示出与第一传感器组件101相关的上游105a和下游105b压力传感器，以及与第二传感器组件101相关的上游106a和下游106b压力传感器。尽管在图1中示出四个压力传感器105a、105b、106a、106b，但应当理解的是，可提供少于四个压力传感器。例如,在一些实施例中，可要求仅两个压力传感器，其中，一个压力传感器在密度调节器104的上游，并且另一个压力传感器在密度调节器104的下游。在一些实施例中，提供仅两个压力传感器(其中一个在上游且一个在下游)可提供传感器组件101、102内的压力的足够接近的推测。例如，如果流体测量系统100仅包括压力传感器105a和压力传感器106a，那么这两个压力可用于随后的计算，并且在一些实施例中将提供在可接受容差内的传感器组件101、102内的实际压力的足够接近的推测。在其他实施例中，可要求仅一个压力传感器。这在如下情况下可能是可靠的：其中仅存在单个流体计，或如果两个流体计之间的压降是已知的或基于穿过系统100的流速来假设的。
但是，提供上游压力传感器105a和下游压力传感器105b允许计算第一传感器组件101中流体的平均压力。同样地，上游压力传感器106a和下游压力传感器106b允许计算第二传感器组件102中流体的平均压力。
根据实施例，流体测量系统100还可包括第一和第二温度传感器107、108。根据实施例，第一温度传感器107可确定第一传感器组件101中流体的温度，而第二温度传感器108可确定第二传感器组件102中流体的温度。通常不必在各流体计的上游和下游具有温度传感器，因为在行进穿过测量计期间，温度不大可能显著地改变。但是，这种额外的温度测量可用于改善各个流体计中的平均温度确定的精度。第一和第二温度传感器107、108可包括RTD传感器，如对于流体计(例如科氏流量计)而言公知的那样。应当理解的是，第一和第二温度传感器107、108可不直接地确定流体温度，而是可间接地确定流体温度。例如，在本领域中已知利用可联接至传感器组件的流管和其他位置的一个或更多个温度传感器，并且流体温度可基于一个或更多个测得温度而确定。因而，第一和第二温度传感器107、108可包括在流体测量产业中任何公知的构造。
如上面所讨论的，现有技术系统的问题为，如果流动穿过测量系统的流体包括一种或更多种可压缩成分和一种或更多种不可压缩成分，那么单独成分的流动特性的确定是不可能的。例如，在上面讨论的油、水和气体的例示的情况下，现有技术不提供用于精确地确定液相(不可压缩成分)的流体特性的系统。相反，现有技术的科氏流量计仅能够确定总混合物密度，并且不能区分液体密度和气体密度。上面的方程(2)不能解出，因为测得的密度是包括气体的总密度，而方程(2)仅要求液体密度。通过使用流体测量系统100，有可能计算不可压缩成分的密度以及多成分流体的其他流体特性。如果存在两种不可压缩成分，并且它们的单独密度是已知的，那么有可能提供改善的纯油计算机，其在参数(例如含水率(水体积分率与总体积的比率)和单独的液体成分流速(例如油流速))的计算中实质上忽略气相。
尽管在油、水和气体的实例中，不可压缩流体的密度实质上包括结合的液体密度；但在其他情况下，可压缩成分可为可压缩液体而不是气体。因此，本实施例不限于仅计算液体/气体混合物的液体密度。
根据实施例，在流体测量系统100的情况下，由于将多成分流体从第一密度状态调节至第二密度状态的密度调节器104，故可使用如下的状态方程(5-11)确定各种流体特性。
其中，可使用流体测量系统100测量的输入如下：
P1是第一密度状态下的流体压力；
P2是第二密度状态下的流体压力；
T1是第一密度状态下的温度；
T2是第二密度状态下的温度；
ρ1是在第一密度状态下测得的密度；且
ρ2是在第二密度状态下测得的密度。
在上述测得的输入的情况下，下列变量根据方程(5-11)是未知的:
φI1是第一密度状态下的不可压缩成分的体积分率；
φI2是第二密度状态下的不可压缩成分的体积分率；
φC1是第一密度状态下的可压缩成分的体积分率；
φC2是第二密度状态下的可压缩成分的体积分率；
ρINCOMP是一种或更多种不可压缩成分的结合的密度(假设其在第一和第二密度状态之间为恒定的)；
ρC1是第一密度状态下的可压缩成分的密度；且
ρC2是第二密度状态下的可压缩成分的密度。
如本领域技术人员将容易理解的，这导致具有七个未知数的七个方程。只要密度调节器104改变可压缩成分的密度，以至于两种不同的可压缩密度和空隙分率存在于第一和第二密度状态下，则该七个方程可解。根据示为具有第一和第二传感器组件101、102的实施例，第一密度状态测量结果可由第一流体计5取得，并且第二密度状态测量结果可由第二流体计6取得。根据一个实施例，由第二流体计6进行的测量可从由第一流体计5进行的测量开始延迟阈值时间。该阈值时间可基于由流体计中的一个来确定的流速。信号的延迟处理可允许第二流体计6测量与由第一流体计5测量的相同的多成分流体的密度。如果使用者或操作者担心流体流中的一种或更多种可压缩成分和一种或更多种不可压缩成分的比例迅速地变化，那么这可改善测量。但是，如果相对比例保持基本恒定或在一段时间中十分缓慢地变化，那么第一和第二流体计5、6可在基本相同的时间测量密度。
但是，如果存在流体计中的仅一个，那么这两个密度状态测量结果将由单个流体计在不同时间(在密度调节器104通过调节压力和/或温度来调节多成分流体的密度状态之前和之后)取得。
再次使用油、水和气体的实例，典型地感兴趣的是油和水的量，如上所述，其要求液体(不可压缩成分)的已知的结合密度。因而，根据一个实施例，方程(5-11)可缩减至可解出ρINCOMP的单个方程(12)。
本领域技术人员将容易认识到，方程(12)是需要解算器的隐式方程。方程(12)还可重写成使用如下的一些代换的显式解。
使用方程(13-16)，方程(17)提供不可压缩成分的密度的显式解。
方程17中的符号“＋”在第一密度状态下的可压缩成分密度小于第二密度状态下的可压缩成分密度时使用。方程17中的符号“﹣”在第一密度状态下的可压缩成分密度大于第二密度状态下的可压缩成分密度时使用。
在计算出流体的不可压缩成分的密度的情况下，可从方程(1)和(2)确定水和油的体积分率。此外，可确定在上面列出的任何未知流体特性，例如可压缩成分的体积分率。在确定这些未知数之后，然后可计算某些额外参数，例如各单独成分的含水率和流速。例如，如果流体计5、6中的至少一个包括流量计，例如科氏质量流量计或容积流量计，那么可测量多成分流的流速。多成分流速可包括质量流速或体积流速。可然后将多成分流速乘以单独成分的体积分率，来给出单独成分的流速。
使用两个不同密度状态下的两个仪表，应当理解的是，在上面列出的方程可解出总的可压缩和不可压缩成分的密度和体积分率。如果不可压缩成分密度是已知的，通常像纯油计算机的情况那样，那么上面的算法还可为组成不可压缩成分的液体确定多达两个的单独体积分率。但是，如果在结合的流中存在多于三个的不同成分，那么可能要求更多的信息来为各成分计算单独的流体特性。
而且，本领域技术人员将容易认识到，解决上述方程需要维持某些流体条件。例如，为了使方程(9)和(10)精确，可压缩成分应当遵循理想气体定律。如果可压缩流体不遵循理想气体定律，那么方程应考虑成分的可压缩性因数Z。如果可压缩成分是液体，那么方程(9)和(10)应当由用于该流体的适当的状态方程替换。这些状态方程可通过分析确定，或可查找参照通过实验确定的数据的表。而且，方程假设不可压缩成分在两个传感器组件101、102之间保持相同密度，即密度调节器104不影响不可压缩成分。这是不可压缩流体的密度不含在方程(9)和(10)中的原因。在解方程时作出的另一个假设是，当通过密度调节器104调节时，在第一和第二密度状态之间，没有可压缩成分被不可压缩成分吸收或从不可压缩成分释放。如果第一和第二传感器组件101、102之间的距离保持低于例如可通过实验确定的一些阈值距离，那么该假设通常是可能的。而且，使用引起压力上升而不是压力下降的密度调节器(例如泵)可有助于遵守该要求。而且，吸收和闪蒸在液体中附带的气体中比对于可压缩和不可压缩液体混合物更成问题。
本领域技术人员理解，通常当流体包括不可压缩和可压缩成分(例如带有附带的气体的液体)时，可压缩成分导致流体计(例如科氏流量计)的密度读取中的误差。引起的该误差通常是由于可压缩成分的密度和可压缩流体与不可压缩流体的分离。如将在下面显示的，由可压缩成分引起的误差在解用于不可压缩成分的密度的方程(5-11)时可忽略。
根据实施例，为了证明该误差可忽略，方程(12)可重写成含有该误差。这在方程(18)中示出。
其中：
e1是测量ρ1时的误差；且
e2是测量ρ2时的误差。
本领域技术人员将容易理解，如果误差均等于零，那么在解方程(5-11)时可忽略误差e1和e2。但是，很少是这种情况。然而，如果设方程(12)和(18)彼此相等，那么可确定为了忽略该误差，需要哪些其他情况。为了最简单地证明该点，设可压缩流体密度等于零，这对于具有典型压力下的附带气体的液体的情况是合理的假设。可在不将可压缩流体密度设为零的情况下进行该证明，但是该数学更复杂；因而，为了证明该原理，将可压缩流体密度设为零。在可压缩流体密度设为零的情况下，方程(6)和(8)可重写为方程(19)和(20)。
在为了说明书的简短而省略，但本领域技术人员可容易地进行的一些代换之后，可设简化形式的方程(12)和(18)如方程式(21)中所示地彼此相等，来确定为了使误差e1和e2对于不可压缩成分的密度计算不显著所要求的情况。
通过进一步简化方程式(21)，可示出为了使方程(12)和(18)相等，那么方程式(22)必须是正确的。
因而，方程(22)示出，为了使分离和可压缩性误差不显著，e1和e2必须与压力和温度比率线性地相关。根据上述方程(11)，方程(22)可根据体积分率重写为：
因而，如果可压缩性和分离误差与不可压缩成分的体积分率一起线性地增加，那么用于不可压缩成分的密度的上面的方程(5-11)的解对可压缩性和分离误差的存在不敏感。实验已显示，至少对于依靠振动管技术的科氏测量计或密度计，在误差与可压缩成分的体积分率之间存在线性关系。这在图2中例示出。
图2示出了来自混合物密度的总密度误差的图表。这通过混合物的密度测量结果和在两部分变成混合物之前来自单独的气体和液体测量计的测量结果而确定。各种线性趋势线是在不同流速下取得的。但是，对于各流速，可看出，在可压缩成分的体积分率增加时，密度误差线性地增加。因而，只要第一和第二传感器组件101、102之间的流速保持基本相同，那么如图2所示，误差将停留在单个趋势线上，且在解方程(5-11)时，可忽略密度误差。保持穿过传感器组件101、102两者的相同的流速典型地是由于两个传感器组件101、102放置在相同管线103中而得以实现的。因而，流体测量系统100不仅提供新的信息和之前在多成分流体中不可测量的单独成分的流体特性，其还解决了由振动管流量计和密度计中的分离和可压缩性误差引起的不精确测量的问题。尽管两个仪表均经历误差，但误差在使用上述算法来计算不可压缩成分的密度时相互抵消。
在使用中，流体测量系统100可用于确定管线103中流体的各种流体特性，该流体包括一种或更多种可压缩成分和一种或更多种不可压缩成分。例程300概述用于确定可压缩或不可压缩成分中的至少一者的各种流体特性的一个可能的实施例。
图3示出了根据实施例的处理例程300。根据实施例，可与处理系统25一起使用第一和第二测量计电子器件22、24来执行处理例程300。根据另一实施例，可使用第一或第二测量计电子器件22、24中的一个来执行处理例程300。根据另一实施例，可使用第一和第二测量计电子器件22、24来执行处理例程300，其中处理系统25包括测量计电子器件22、24中的一者的一部分。
根据实施例，处理例程300开始于步骤301，其中在第一密度状态下测量多成分流体的第一密度ρ1。多成分流体包括一种或更多种可压缩成分和一种或更多种不可压缩成分。第一密度状态包括如上所述的第一压力P1和第一温度T1。根据实施例，第一密度ρ1包括例如第一传感器组件101内的密度。在一些实施例中，可确定关于多成分流体的额外信息，例如流体流速，若第一流体计5包括例如科氏流量计则可确定该流体流速。根据实施例，第一密度ρ1可在例如第一测量计电子器件22中确定。
在步骤302中，在第二密度状态下测量多成分流体的第二密度ρ2。根据实施例，第二密度状态不同于第一密度状态。第二密度状态可由于密度调节器104而不同，密度调节器104可将流体的压力和/或温度改变成第二压力P2和第二温度T2。根据实施例，第二密度ρ2可在例如第二测量计电子器件22中确定。
根据实施例，第一和第二密度状态可由例如一个或更多个压力传感器105a、105b、106a、106b和一个或更多个温度传感器107、108确定。
在步骤303中，可确定可压缩成分和不可压缩成分中的至少一个的一种或更多种流体特性。根据实施例，可基于第一和第二密度ρ1、ρ2和第一和第二密度状态确定该一种或更多种流体特性。根据实施例，如上所述，处理系统25可接收第一和第二密度ρ1、ρ2，并且确定一种或更多种流体特性，例如一种或更多种不可压缩成分的结合密度ρINCOMP。如果多成分流体含有两种或更多种不可压缩成分，那么结合的不可压缩成分密度ρINCOMP可包括混合物密度。备选地，如果仅一种不可压缩成分在多成分流体中，那么密度ρINCOMP将仅包括该单个不可压缩成分的密度。如上面所讨论的，还可确定其他流体特性，例如一种或更多种可压缩和一种或更多种不可压缩成分的单独体积分率、流体的不可压缩和可压缩成分的单独成分的流速。例如，如果流体包括油、水和气体的混合物，那么可确定油、水和气体的单独的流速和体积分率。
上述实施例允许流体测量系统100获得多成分流体的不可压缩成分或可压缩成分中的至少一个的流体特性。通过改变流体的密度状态和测量不同密度状态下的结合的流体密度，可确定成分的体积分率且因此确定其流体特性。流体测量系统100因而不必依靠复杂且昂贵的分离设备来像现有技术中那样从不可压缩成分分离可压缩成分。因而，当流体流动穿过测量系统100时，可基本实时地获得多成分流体的所需信息。
上述实施例的详细说明不是在本说明的范围内的由发明人想到的所有实施例的无遗漏说明。实际上，本领域技术人员将理解，上述实施例的某些元件可多样地结合或消除来产生进一步的实施例，并且这种进一步的实施例落入本说明的范围和教导内。上述实施例可整体地或部分地结合来产生在本说明的范围和教导内的额外实施例这点对本领域技术人员而言也是显而易见的。
因而，相关领域技术人员将理解，尽管在本文中描述了特定实施例以用于例示目的，但是在本说明的范围内可进行各种等同修改。在本文中提供的教导可应用于其他流体测量系统，并且不仅仅应用于以上描述和在附图中示出的实施例。因而，上述实施例的范围应当根据下列权利要求来确定。
Claims (15)
1.一种流体测量方法，包括下列步骤：
测量第一密度状态下的多成分流体的第一密度ρ1，所述多成分流体包括一种或更多种不可压缩成分和一种或更多种可压缩成分；
将所述多成分流体从所述第一密度状态调节至第二密度状态；
测量所述第二密度状态下的所述多成分流体的第二密度ρ2；并且
确定所述可压缩成分或所述不可压缩成分中的至少一个的一种或更多种流体特性；
其特征在于：
所述多成分流体中的所述一种或更多种可压缩成分和所述一种或更多种不可压缩成分的比例在所述第一密度状态和所述第二密度状态保持基本恒定。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定步骤包括确定所述一种或更多种不可压缩成分的结合的密度。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，测量所述第一密度ρ1的步骤包括使用第一科氏流量计。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，测量所述第二密度ρ2的步骤包括使用第二科氏流量计。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括在测量所述第二密度ρ2之前，在测量所述第一密度ρ1之后等待阈值时间的步骤。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一密度状态包括第一压力P1和第一温度T1，并且其中，所述第二密度状态包括第二压力P2和/或第二温度T2。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括下列步骤：
测量所述多成分流体的流速；
确定所述多成分流体的成分中的一种或更多种的体积分率；并且
基于测得的流速和所述体积分率来确定所述成分中的一种或更多种的流速。
8.一种流体测量系统(100)，包括：
管线(103)，其构造为接收多成分流体，所述多成分流体包括一种或更多种不可压缩成分和一种或更多种可压缩成分；
第一流体计(5)，其包括：
第一传感器组件(101)，其与所述管线(103)流体连通；
第一测量计电子器件(22)，其构造为至少测量所述多成分流体的第一密度ρ1；和
密度调节器(104)，其与所述管线(103)和所述第一传感器组件(101)流体连通，构造为通过调节所述多成分流体的压力和/或温度来将所述多成分流体的密度从第一密度状态调节至第二密度状态；和
处理系统(25)，其构造为基于所述第一密度状态下的所述多成分流体的第一密度ρ1和所述第二密度状态下的所述多成分流体的第二密度ρ2来生成所述不可压缩成分或所述可压缩成分中的至少一个的一种或更多种流体特性；
其特征在于：
其中所述多成分流体中的所述一种或更多种可压缩成分和所述一种或更多种不可压缩成分的比例在所述第一密度状态和所述第二密度状态保持基本恒定。
9.根据权利要求8所述的流体测量系统(100)，其特征在于，还包括第二流体计(6)，所述第二流体计(6)包括：
第二传感器组件(102)，其与所述管线(103)和所述密度调节器(104)流体连通，其中，所述密度调节器(104)定位在所述第一传感器组件(101)与所述第二传感器组件(102)之间。
10.根据权利要求9所述的流体测量系统(100)，其特征在于，还包括第二测量计电子器件(24)，所述第二测量计电子器件(24)构造为至少测量所述第二密度状态下的所述多成分流体的第二密度ρ2。
11.根据权利要求9所述的流体测量系统(100)，其特征在于，还包括紧接所述第一传感器组件(101)的一个或更多个压力传感器(105a、105b)，和紧接所述第二传感器组件(102)的一个或更多个压力传感器(106a、106b)。
12.根据权利要求11所述的流体测量系统(100)，其特征在于，第一压力传感器(105a)定位在所述第一传感器组件(101)的上游，并且第二压力传感器(105b)定位在所述第一传感器组件(101)的下游，并且其中，第三压力传感器(106b)定位在所述密度调节器(104)的下游和所述第二传感器组件(102)的上游，并且第四压力传感器(106b)定位在所述第二传感器组件(102)的下游。
13.根据权利要求8所述的流体测量系统(100)，其特征在于，还包括一个或更多个温度传感器，所述温度传感器构造为测量所述第一和第二密度状态下的所述多成分流体的温度。
14.根据权利要求8所述的流体测量系统(100)，其特征在于，所述处理系统(25)包括所述第一测量计电子器件(22)的一部分。
15.根据权利要求8所述的流体测量系统(100)，其特征在于，所述第一流体计(5)包括科氏流量计。
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