CN108351299A - 用于对管道的监控传输进行测量的光学计算装置 - Google Patents

用于对管道的监控传输进行测量的光学计算装置 Download PDF

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Abstract

本文提供了一种包括集成计算元件(ICE)的装置，所述集成计算元件被定位来与来自流体的电磁辐射光学地相互作用，并且因此生成对应于所述流体特征的光学地相互作用的辐射；以及一种用于使用所述系统的方法。所述装置包括检测器，所述检测器被定位来接收所述光学地相互作用的辐射，并且生成与所述光学地相互作用的辐射的强度成正比的输出信号。而且，所述装置进一步包括处理器，所述处理器被定位来接收所述输出信号，并且确定所述流体特征。所述装置耦接至控制器，所述控制器被配置来提供指令给传输系统以用于存储和读出。

Description

用于对管道的监控传输进行测量的光学计算装置
背景技术
用于对在管道中流动的石油或天然气产品的品质进行确定的当前方法涉及对液体或气体进行直接取样，以执行诸如气相色谱法、液相色谱法等详细的化学分析。这些点测量从逻辑上来说较为困难且昂贵，并且在两个连续测量点之间引入固有的延时。另外，一些当前的测试技术涉及使用危险化学品。另外，化学测量的复杂性使得实时地将流体在某一点的测量特征与流体在该点的特征的实际值相关联变得十分困难，甚至是不可能的。
为了确定诸如原油管道中的水含量等某些有害特征，一些方法包括电容电测量或微波吸收测量。对于气体，当前行业技术包括密度计。然而，这些测量往往缓慢且不精确，以至于引起旨在改善石油或天然气产品品质的高回收率，并且因此降低系统的吞吐量。
附图说明
以下附图被包括来说明本文所描述的示例性实施方案的某些方面，并且不应被视作排他性实施方案。如本领域技术人员和受益于本公开的人员将想到，所公开的主题在形式和功能上将具有相当多的修改、更改、组合和等效形式。
图1示出包括井区自动监控传输(LACT)系统的石油和天然气生产配置。
图2示出在光学计算装置中使用的示例性集成计算元件(ICE)。
图3是以非机械性方式说明光学计算装置是如何将与相关特征有关的电磁辐射与其它电磁辐射区分开来的框图。
图4A示出用于监测反射配置中的LACT点处或附近的管道中的流体流的示例性光学计算装置。
图4B示出用于监测透射配置中的LACT点处或附近的管道中的流体流的示例性光学计算装置。
图4C示出用于监测多个反射配置中的LACT点处或附近的管道中的流体流的示例性光学计算装置。
图5示出可以用于光学计算装置的示例性外壳。
图6示出包括用于在LACT期间监测流体的方法的步骤的流程图。
在附图中，具有相同或相似附图标记的元件共享相同或相似的功能和描述，除非另有说明。
具体实施方式
本文所描述的示例性实施方案涉及用于监测流体流的光学计算装置和方法，确切地说，涉及用于确定石油和天然气行业中的液体和气体的流特征和条件的系统和方法。符合本公开的方法和系统能够通过在液体或气体流经管道时实时地“观察”所述液体或气体而对流进行表征。能够实时地监测液体或气体支持对诸如流率、水含量、气态含量或污染物含量等流体性质的智能调整。如将了解，这可以增加通过管道运输的碳氢化合物产品的价值，并且降低成本、危害和与运输相关联的维护。
本文所公开的实施方案包括用于在从生产公司(例如，“生产商”)到承包管道公司的合法监控传输期间测量原油/天然气的装置和方法。石油和天然气生产公司可以采购或暂时租用本公开中所公开的装置，例如，以便执行延期钻杆测试(DST)。例如，测量管道中的流体流在DST期间可以有助于天然气生产公司，同时将流体传输到管道中以减少和控制管道中在测量点下游的火炬排放事件。
符合本公开的实施方案包括传感器，以测量井区自动监控传输(LACT)点处的流体特征。LACT点当生产流体(例如，原油或天然气)被从生产商传输给管道承包商或炼油厂所拥有的管道时出现。所测量的流体特征选自以下特征：可能会降低包括在流体中的碳氢化合物产品的价值的那些特征，或者使得将沿管道泵送流体的成本过高的那些特征。碳氢化合物产品可以是液体(例如，原油)或气体(例如，天然气)。生产商和管道承包商就碳氢化合物产品符合要求的一套规范或品质参数达成一致。生产商希望流体流不低于建立的规范，并且因此将确保流体符合规范的成本降至最低。从生产商处购买碳氢化合物产品的管道承包商希望通过证明碳氢化合物产品优于或等同于规范并且确保运输成本主要花费在高价值碳氢化合物产品上而将收益最大化。因此，在LACT点处，生产商和管道承包商可以决定所测量的碳氢化合物产品的价值。生产商和管道承包商还可以决定对管道流进行进一步处理以提高碳氢化合物产品的品质参数是否合乎需要。另外，生产商和管道承包商可以基于安全、成本或其它考虑因素而决定不再继续进行交易。
本文所公开的光学计算装置对液体或气体的至少一个特征(例如，水含量、气油比-GOR-、CO2含量、H2S含量等)提供快速分析，需要很少或不需要取样准备。另外，因为分析是快速的，所以可以获得多个测量结果来降低误差。在一些实施方案中，光学计算装置可以被配置来具体地检测和/或测量包括呈不同相位(即，固体、液体或气体)的许多不同组分的混合物的液体或气体的特定特征。液体或气体的特征可以是各组分的混合物中存在和聚集的某一分析物。
如本文所使用，术语“特征”表示相关材料(例如，液体、气体或其分析物)的化学、机械或物理性质(定量或定性)。如本文所使用，术语“分析物”表示化学组分。术语“分析物”涵盖属于以下中的至少一者的化学组分：存在于相关材料中，可以添加至相关材料，参与在相关材料内发生的化学反应(例如，试剂和产品)，并且不参与在相关材料内发生的化学反应。相关材料的可以使用本文所公开的光学计算装置来监测的说明性特征可以包括例如化学成分(例如，总密度和浓度或个别分析物的密度和浓度)、污染物含量、pH、粘度、密度、离子强度、盐含量、孔隙率、不透明性、细菌含量、粒子大小分布、颜色、温度、水合程度、氧化状态等。此外，短语“相关特征”在本文中可以用于表示相关材料的特征。
如本文中所使用，术语“电磁辐射”表示无线电波、微波辐射、红外和近红外辐射、可见光、紫外光、X射线辐射和伽马射线辐射。
如本文所使用，术语“光学计算装置”表示从物质或流体接收电磁辐射的输入的光学装置，并且产生与样本的相关性质成正比的输出信号。光学计算装置包括布置在光学计算装置内的处理元件和光学检测器。处理元件可以是例如在光学计算装置中使用的集成计算元件(ICE)。如下面详细讨论的那样，ICE与来自物质或流体的电磁辐射光学地相互作用并改变电磁辐射，并且将修改的电磁辐射输出给光学检测器。光学计算装置被设计，以使得检测器的输出可以与被测量或监测的物质的至少一个特征相关联。输入到处理元件的电磁辐射可以是反向散射的电磁辐射、反射的电磁辐射、漫反射的电磁辐射、透射的电磁辐射和/或分散的电磁辐射。光学计算装置是否分析反射或透射的电磁辐射可以取决于光学计算装置的结构参数以及本领域技术人员已知的其它考虑因素。另外，可以通过光学计算装置来监测物质的发射和/或散射，例如经由荧光、发光、拉曼散射和瑞利散射。
如本文所使用的，术语“光学地相互作用”或其变化形式是指位于、经由或来自一个或多个处理元件(即，集成计算元件)上的反射、透射、散射、衍射或电磁辐射吸收。因此，光学地相互作用的光表示例如已经使用集成计算元件而被反射、透射、散射、反向散射、漫反射、衍射或吸收但是也可以适用于与管道流中的液体或气体的相互作用的电磁辐射。
本文所描述的光学计算装置组合了与实验室光谱仪相关联的功率、精确度和准确性的优点，同时非常坚固并适合于现场使用。另外，符合本公开的光学计算装置可以执行实时或近实时计算，无需进行耗时的流体取样。就这一点而言，在一些实施方案中，光学计算装置检测并分析特定的相关特征。因此，通过光学计算装置的适当配置而将干扰或不合乎需要的信号与相关的信号区别开。因此，本文所公开的光学计算装置基于检测器输出而就相关特征提供快速响应。在一些实施方案中，检测器输出是指示相关特征的幅值的电压。前述优点和其它优点使得光学计算装置特别适合于现场使用。
在一些实施方案中，光学计算装置不仅检测相关材料中的分析物的成分和浓度，而且还基于从所述物质接收的相互作用的电磁辐射而确定相关材料的物理性质和其它特征。例如，光学计算装置可以确定分析物的浓度，并且通过使用合适的处理方法将所述确定的浓度与相关材料的特征相关联。如将了解，如本文所公开的光学计算装置可以根据给定的相关材料的需要检测尽可能多的特征。有关每一相关特征的合适的处理和检测ICE可以并入光学计算装置中，以监测多个相关特征(例如，分析物的浓度、压力或温度)。
在一些实施方案中，相关材料的性质可以使用相关特征(例如，线性、非线性、对数和/或指数组合)的组合来确定。因此，使用光学计算装置检测和分析的特征越多，将确定的相关材料的性质越准确。例如，可以使用本文所描述的光学计算装置确定的液体或气体的性质可以包括但不限于：分析物的绝对浓度、两个或更多个分析物的相对比、分析物的存在或不存在等以及它们的任何组合。相关材料的特征可以是流体性质，诸如蒸汽压力、露点、起泡点、密度、速度或液体或气体流的任何其它热力学性质。
与常见电子处理器的硬接线电路不同的是，本文所描述的光学计算装置利用电磁辐射来执行计算。当电磁辐射与相关材料相互作用时，关于相关材料的独特物理和化学信息可以编码在从相关材料反向散射、反射或辐射或透射穿过相关材料的电磁辐射中。该信息是相关材料的光谱“指纹”。本文所描述的光学计算装置能够提取相关材料(例如，液体或气体流以及其分析物)的多个特征的光谱指纹的信息，并且将该信息转换成关于所监测的相关材料的总体性质的可检测输出。也就是说，通过光学计算装置的合适配置，可以将和相关特征相关联的电磁辐射与和相关材料的其它组分相关联的电磁辐射分开，以便实时或近实时估计所监测的物质(例如，液体或气体流或它们的分析物)的性质(例如，反应性)。
本文所公开的实施方案在LACT点处的井区自动监控传输期间使用ICE技术。LACT点处的碳氢化合物产品的准确测量很重要，因为生产商的收入基于该测量。视碳氢化合物产品是否含有诸如水、H2S或CO2等其它成分而定，其价值可以有很大变化。另一方面，管道承包商可能会担心污染化合物，是因为安全性问题和它们对管道基础设施的潜在破坏。而且，管道承包商意识到污染物对转售给炼油厂、发电厂运营商等的碳氢化合物产品的价值的有害影响。
生产商有兴趣确保在监控传输期间对产量进行准确测量，因为测量的量直接影响到生产流体收到的收入。管道承包商有兴趣确保在LACT点处对产量进行准确测量，因为测量的量直接影响全球原油价格，并且降低管道中碳氢化合物产品的运输成本。因此，希望运输成本在有价值的产品上发生，而不是在对流动增加阻力的重的、危险的或难以运输的污染物上发生。另外，生产商和管道承包商各自从准确记录污染物中获益，所述污染物的存在或不存在直接影响碳氢化合物产品的价值，并且可能对管道系统和人员构成重大安全风险。光学计算装置中的ICE单元可以被设计来以相对较高的灵敏度以低误差带来检测经济利益相关的参数。
表1示出使用机械系统进行测量的1％原油流量计量误差对石油和天然气生产配置带来的收入损失。表1中的数据包括原油的50美元/桶和102美元/桶的价格点，且这并不指示由于原油中所含有的污染物和其它化合物的存在或数量而导致的收入损失。如表1中所示的数据指示用于建立光学计算装置和方法的公开的实施方案对潜在客户可能具有的价值的依据，所述潜在客户可能是生产商、管道承包商、碳氢化合物产品的消费者或上述全部。
在第一实施方案中，装置包括集成计算元件(ICE)，所述集成计算元件被定位来与来自流体的电磁辐射光学地相互作用，并且因此生成对应于流体特征的光学地相互作用的辐射。所述装置包括检测器，所述检测器被定位来接收所述光学地相互作用的辐射，并且生成与所述光学地相互作用的辐射的强度成正比的输出信号。而且，所述装置可以进一步包括处理器，所述处理器被定位来接收输出信号，并且确定流体特征。在一些实施方案中，装置耦接至控制器，所述控制器被配置来提供指令给传输系统以用于存储和读出。因此，传输系统可以是LACT系统，所述LACT系统被配置来当流体特征低于品质参数时修改流体的流动和成分。
在第二实施方案中，方法包括使生产管道中的流体流与ICE光学地相互作用，以生成光学地相互作用的辐射。所述方法包括产生与光学地相互作用的辐射的强度成正比的输出信号，以及将所述输出的信号与流体特征相关联。在一些实施方案中，所述方法包括修改流体以根据流体特征维护品质参数，以及根据所述品质参数将来自生产管道的流体传输给承包商管道。
在第三实施方案中，非暂时性、计算机可读介质存储命令，当所述命令被包括光学计算装置的测量系统中的处理器执行时，致使所述测量系统来执行方法。所述方法包括使生产管道中的流体与ICE光学地相互作用，以生成光学地相互作用的辐射。所述方法还包括产生与光学地相互作用的辐射的强度成正比的输出信号，将所述输出信号与流体特征相关联，以及修改流体以根据流体特征维护品质参数，以及根据所述流体特征来降低维护成本。在一些实施方案中，所述方法进一步包括根据品质参数将来自产管道的流体传输给承包商管道。
图1示出包括井区自动监控传输(LACT)系统108的石油和天然气生产配置10。配置10还包括生产钻机101，所述生产钻机101经由井筒118延伸到贮存器150中以将碳氢化合物生产到生产管道103中。碳氢化合物可以呈多个流体相位：液体(例如，原油)、气体(例如，包括甲烷、丁烷、丙烷的天然气、C3-C5碳氢化合物和其它碳氢化合物)或液相和气相的混合物(例如，具有天然气气泡的石油，夹带有液体的天然气-雾)。在生产之后，材料通过体相分离器121并且进入存放罐123中。体相分离器121将液相碳氢化合物和气相碳氢化合物与生产管道103中的流体流分开。在一些实施方案中，体相分离器121被配置来具有沿生产管道103流动的气态碳氢化合物产品。在一些实施方案中，体相分离器121被配置来具有沿生产管道103流动的液体碳氢化合物产品(例如，原油)。存放罐123将流体泵送至LACT系统108，流体相应地在所述LACT系统108处分配。在一些实施方案中，使用天然气的生产管道103可以在分离器121之后以500-800磅/平方英寸(psi)的流压力来操作。天然气在进入到LACT系统108中的压缩机129中并且进入承包商管道105中之前，可以直接进入到LACT系统108中或进入较小的压力分离器128中。
光学计算装置106安置在LACT系统108处或附近，所述LACT系统108将生产管道103耦接至承包商管道105。LACT系统108被视为是定位在LACT点处，所述LACT点由测量点组成，在所述测量点处生产管道103内的碳氢化合物产品的量、品质和价值被传输给承包商管道105。因此，承包商管道105中的碳氢化合物产品被视为是由承包商合法管理。此后，碳氢化合物产品可以被传输给多个终点130，包括但不限于诸如油罐船133、油罐卡车135等运输运载工具或者诸如炼油厂137或发电厂139中的储罐等设施。在发电厂139的情况下，碳氢化合物产品的密度测量结果与产品的能含量直接相关，并且因此与发电厂139的运营效率直接相关。
在一些实施方案中，LACT系统108可以包括计量系统(例如，流量计、压力计、温度计等)、回收阀和截流阀。另外，LACT系统108可以被配置来当碳氢化合物产品具有数值低于预定规范或优选规范的品质参数时将截流阀致动到闭合位置。在所述配置中，进入承包商管道105中的流可以被完全停止，并且LACT系统108中的回收阀可以被打开，以将流体流引导到与LACT系统108相关联的去污单元中。
在一些实施方案中，光学计算装置106被配置来测量所需的流体特征，诸如流的化学成分或物理条件。在一些实施方案中，光学计算装置106被配置来测量液体中的气泡含量、气体中的雾含量或流体的密度、温度、压力、粘度或速度。光学计算装置106可以包括用于测量所需的流体特征的集成计算元件(ICE)100。ICE 100的使用在合法监控传输期间为原油/天然气混合物中所含有的量、成分和化合物的测量提供提高的准确性。由于ICE 100的精确性，光学计算装置106可以被设计来以相对较小的值范围内的小误差带检测流体的对经济效益具有直接影响的特征。另外，ICE 100支持对流动经过生产管道103的流体的实时测量，所述实时测量可以由控制器110进行电子处理，以获得对流体流和产品品质的综合分析。就这一点而言，光学计算装置106可以包括多个ICE，每一ICE被设计来针对特定流体特征。
控制器110可以包括处理器111和存储器112。处理器111执行存储在存储器112中的命令，并且致使控制器110来执行本文所描述的方法中的步骤。在一些实施方案中，控制器110可通信地耦接至光学计算装置106，并且被配置来从光学计算装置106接收数据和提供命令给光学计算装置106。控制器110还可以可通信地耦接至LACT系统108，并且可以被配置来从LACT系统108接收数据和提供命令给LACT系统108。控制器110与光学计算装置106以及与LACT系统108的耦接可以是经由电缆、光纤或经由无线数据传输通信协议。就这一点而言，控制器110可以远离光学计算装置106和LACT系统108(即，LACT点)的特定位置。此外，在一些实施方案中，控制器110可以耦接至放置在相互远离的多个位置处的多个光学计算装置106和LACT系统108。控制器110可以提供是否修改流体条件、是否回收流体流或是否允许流体流传输至承包商管道105的命令。
在一些实施方案中，第三方根据所测量的品质参数的值确定碳氢化合物产品的等级。在任何情况下，品质参数可以由光学计算装置106来进行实时客观评估。在一些实施方案中，生产商和管道承包商可以同意根据光学计算系统106的测量结果来修改碳氢化合物的品质参数。控制器110可以指示LACT系统108来调整流配置，并且将碳氢化合物产品的品质参数的值维持在预定范围内。
在一些实施方案中，ICE 100检测可能会不利地影响从贮存器150提取的碳氢化合物产品的价值的至少一个或多个分析物。因为将确定这些化合物的可允许的最大量，所以控制器110可以经由生产管道103排出生产流体。在一些实施方案中，控制器110可以根据存在的分析物以及存在的分析物的量是否超过可允许的最大极限来调整碳氢化合物产品的价值评估。例如，一些分析物可能引发关于石油和天然气生产配置10中的设施和人员的安全顾虑，并且因此生产钻机101的操作可能会被完全停止。光学计算装置106所针对的潜在分析物可以尤其包括水、H2S、CO2和氮气。除了降低所运输的产品的价值和增加运输成本以外，这些物质中的至少一些可能会腐蚀，并且致使管道103和105中的维护和安全问题。通过选择合适地设计的ICE 100，光学计算装置106可以增加需要测量的流体特征的列表，诸如用于在LACT点之前或在LACT点处进行筛选的额外的不可接受组件。
在一些实施方案中，原油中存在的水蒸汽的总量可以是相关品质参数。原油中的水蒸汽具有在溶液中形成气态水合物的倾向。气态水合物可能会因为将阀堵塞和对维护人员形成有害的烟而变成重大安全问题。在一些实施方案中，在允许碳氢化合物产品流到承包商管道105中之前，光学计算装置106测量原油中所存在的水蒸汽的总量。
在生产钻机101中的碳氢化合物提取期间，以及在生产管道103中的传输期间，被添加来维护和改进流体和钻井系统的操作的化学品可能会污染碳氢化合物产品。视生产管道103中所存在的添加剂的量而定，这些添加剂对于管道系统且甚至对于原油本身可能是有害的。这些添加剂可以包括防沫剂、氯化剂、乙二醇和表面活性剂。另外，在原油生产的情况下，一些添加剂可以包括用于对液体油进行脱水的化学成分，诸如乙二醇、胺类和其它化学品。光学计算装置106可以被配置来生成输出信号，所述输出信号被配置来向控制器110提醒流动经过生产管道103的碳氢化合物产品中的添加剂的存在和量。在一些实施方案中，控制器110可以被配置来确定生产流体是否可以“按货样”进入承包商管道105中，或者在其重新进入管道105之前是否应该将生产流体改道至回收单元或LACT系统108中的程序。
在生产管道103和承包商管道105含有原油流的实施方案中，可能需要获得对原油中的蒸汽压力的测量。为了测量蒸汽压力，光学计算装置106可以被配置来测量属于蒸汽压力的主要原因的甲烷、乙烷、丙烷和C3-C5碳氢化合物的浓度。因此，在一些实施方案中，控制器110将由光学计算装置106测量的石油中的气体的量与由LACT系统108确定的已知温度和流体压力相关联，以确定蒸汽压力。相对于流体压力的蒸汽压力确定流体的起泡点，所述起泡点指的是液体中开始形成气泡的温度。一般而言，对于给定流体压力而言，蒸汽压力越高，液体的起泡点越低，并且蒸汽压力越低，液体的起泡点越高。因此，基于使用光学计算装置106而获得蒸汽压力估计值，LACT系统108可以设置用于避免气泡形成的流条件，诸如降低温度或增加流的压力。
在一些实施方案中，温度和压力条件可以由LACT系统108来修改：使用加热器升高温度，使用冷却器来降低温度，使用压缩机来升高流体压力，以及使用泵来降低流体压力。与原油流中的蒸汽压力有关的品质参数可以根据管道103和105的地理和季节条件而改变。例如，在气候温和地区(例如，地中海气候)的夏季，原油的品质参数可以包括约6psi或更低的蒸汽压力值。另一方面，在加州北部冬天，原油的品质参数可以包括约12psi或更低的蒸汽压力。如果不采取补救措施，那么具有比品质参数所指示的蒸汽压力高的蒸汽压力的原油流可能会导致管道爆炸。更一般而言，为碳氢化合物产品选择品质参数可以包括管道的环境特征。实际上，不论管道是否暴露于高温或低温，还是穿过昼夜或一年中不同季节的温度强烈变化的地区，都可以确定LACT系统108用于建立品质参数的值。在符合本公开的实施方案中，如本文所确定的品质参数还可以被视为处于静态流体条件，诸如碳氢化合物产品的贮存器、储罐或容器(例如，存放罐123、油罐船133、油罐卡车135、炼油厂137中的存储罐等)中的条件。
在一些实施方案中，品质参数是GOR。在现场流管线中，可能合乎需要的是GOR具有为1(在标准压力和温度条件下相同体积的石油和天然气)或更小的值，以便将原油传输到承包商管道105中。在石油管道应用中，合乎需要的是使GOR大致小于1。在运输天然气的实施方案中，为200或更大的GOR可以是所需的品质参数，以便传输至承包商管道105。例如，在一些天然气管道运营中，合乎需要的是使GOR大致上高于20,000(两万)。
虽然图1示出生产钻机101流体地耦接至生产管道103并且耦接至承包商管道105，但是在一些实施方案中，可以放置光学计算装置106、LACT系统108(即，LACT点)，其中单个生产商将离散数量的碳氢化合物产品传输给潜在买家或合同下的买家。在一些实施方案中，LACT点可以是将碳氢化合物产品传输给终点130中的任何一个的点，所述终点130诸如油罐船133、油罐卡车135、炼油厂137或发电厂139。
一些实施方案包括被配置用于天然气分析的光学计算装置106，如下所述。天然气中的相关品质参数可以是氮含量、硫醇(甲硫醇)含量和诸如H2S、水或任何其它液体(包括油雾)、乙二醇、胺类和用于对碳氢化合物产品脱水的其它化学品等不可燃分析物的含量。在一些实施方案中，对于传输给承包商管道105的天然气产品而言，可能期望的是每个体积的氮含量小于20％至25％。
关于天然气的比重或密度的信息还指示燃料值。在一些实施方案中，品质参数可以是所提供的天然气的量，所述量用标准立方英尺(SCF)表示。在其它实施方案中，有关天然气的品质参数可以是产品的“能含量”。也就是说，因给定量的产品的燃烧而生成的热量。有关能含量的度量标准可以用英制热单位(BTU)表示，其中1BTU是将1磅的水加热达1华氏度所需要的能量。因此，天然气流中的易燃分析物的含量支持确定天然气的BTU品质参数。天然气中的可燃分析物可以包括甲烷、乙烷、丙烷、C3-C5碳氢化合物和其它易燃分析物中的任何一个。
在一些实施方案中，天然气中的重分析物的含量是另一品质参数。天然气中的分析物的分子量对于生产商和管道承包商二者来说是重要的。例如，具有比甲烷和诸如丁烷等乙烷、丙烷或其它组分重的分子量的气体在冬季几个月里可以随着管道冷却而被从气体中冷凝出来。冷凝物可能会在气体管道中产生安全问题。因此，管道承包商可以确定更耐受较重的分子量的用于在夏季几个月里流动天然气的品质参数，并且可以确定冬季几个月里的对具有较高分子量的分析物更严格的品质参数。
更一般而言，在一些实施方案中，品质参数可以根据天然气的露点来确定。光学计算装置106可以被配置来提供对气流中的不同分析物的浓度的测量，以使得确定有关气体的最小露点。气体的露点指的是在给定气体压力下，从气体冷凝出液滴的温度。在一些配置中，在气流温度下，液滴当气体压力高于分析物的液相的蒸汽压力时而形成在气流中。因此，如果气体压力、温度和分析物浓度是已知的，那么可以确定露点。为了避免冷凝，控制器110可以致使LACT系统108来执行预防步骤，诸如：降低气体压力、增加气体温度、增加流率、降低分析物浓度或它们的任何组合。根据它们的相对浓度和分子量，气流中不同的分析物可以具有不同的露点。例如，在相同的气流压力下，较重的分子(例如，C3-C5碳氢化合物)可以具有比较轻的分子(例如，甲烷或乙烷)高的露点。如果所存在的不同分析物中的最小露点高于根据季节或管道所遍历的地理中的环境条件确定的合乎需要的品质因素，那么控制器110可以确定气体被重新循环至LACT系统108，以使得从气体中移除丙烷或冷凝组分。一个方案可以是在气体中引入添加剂，以便降低露点。
图2示出适合于在本文所描述的系统和方法中使用的光学计算装置中使用的示例性ICE 100。如图所示，ICE 100可以包括多个交替层202和204，诸如分别是硅(Si)和SiO2(石英)。一般而言，这些层202、204分别由折射指数较高和较低的材料组成。其它实例可以包括氧化铌和铌、锗和氧化锗、MgF、SiOx和本领域已知的其它高低指数材料。根据一些实施方案，光学基底206为层202、204提供支撑。在一些实施方案中，光学基底206是BK-7光学玻璃。在其它实施方案中，光学基底206可以是另一类型的光学基底，诸如石英、蓝宝石、硅、锗、硒化锌、硫化锌或诸如聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚氯乙烯(PVC)等各种塑料、金刚石、陶瓷、它们的组合等。
在相对端(例如，图2中的相对光学基底206)处，ICE 100可以包括大体上暴露于装置或装备的环境的层208。层202、204的数量和每一层202、204的厚度是根据从样本或流体的相关特征的光谱分析获得的光谱属性使用常见光谱仪器而确定的。给定的相关特征的相关光谱通常包括任何数量的不同波长。图2中的示例性ICE 100实际上并不表示任何特定相关特征，而是仅出于说明的目的提供的。因此，如图2中所示，层202、204的数量和它们的相对厚度与任何特定相关特征没有关联。层202、204的数量和它们的相对厚度也不一定按比例绘制，且因此不应被视为是对本公开的限制。此外，本领域技术人员将容易地认识到，构成每一层202、204(即，Si和SiO2)的材料可以根据应用、材料成本和/或材料对所监测的物质的适用性而改变。
在一些实施方案中，每一层202、204的材料可以被掺杂，或者两个或更多个材料可以组合，以实现所需的光学特征。除了固体以外，ICE 100还可以含有液体和/或气体，任选地与固体组合，以便产生所需的光学特征。在气体和液体的情况下，ICE 100可以含有容置气体或液体的对应器皿(未图示)。ICE 100的示例性变化形式还可以包括例如可以产生相关透射、反射和/或吸收性质的全息光学元件、光栅、压电光导管、数字光导管(DLP)、可变光衰减器和/或声光元件。
层202、204展示不同的折射率。通过适当地选择层202、204的材料、它们的相对厚度和间隔，ICE 100可以被配置来以不同的波长选择性地传递/反射/折射电磁辐射的预定部分。每一波长具有预定的权重或加载因素。层202、204的厚度和间隔可以使用多种近似方法从相关特征的光谱照片确定。这些方法可以包括光学透射光谱的傅里叶逆变换(IFT)，并且将ICE 100构建成IFT的物理表示。所述近似法基于已知材料使用恒定折射率将IFT转换成一种结构。
ICE 100的层202、204应用于每一波长的权重被设置成相关于已知等式或数据或光谱标记描述的回归权重。简单地说，ICE 100可以被配置来执行输入光束到ICE 100中的点积和针对每一波长的由每一层202、204表示的所需的加载回归矢量，所述回归矢量与相关特征相关联。因此，ICE 100的输出光线强度与相关特征相关联。在其它实施方案中。对ICE 100中的权重层202和204进行选择，以使得与流体和与ICE 100光学地相互作用的光线与相关特征没有关联。例如，在一些实施方案中，可以对权重层202和204的厚度和数量进行选择，以使得ICE 100执行输入光束到ICE 100中的点积和与流体的第二特征而不是所述相关特征相关联的加载回归矢量。此外，在一些实施方案中，可以确定层202和204的厚度和数量，以使得与流体和与ICE100光学地相互作用的光线的强度与所述相关特征正关联或负关联。因此，在所述实施方案中，与流体和与ICE 100光学地相互作用的光线的强度可以与流体的所需的特征成正比(正关联)，或者与流体的所需特征成反比(负关联)。另外，一些实施方案可以包括与所述相关特征相关联的至少一个ICE和与所述相关特征没有关联的至少一个ICE。
图3是以非机械性方式说明光学计算装置300是如何能够将与相关特征有关的电磁辐射与其它电磁辐射区分开来的框图。如图3中所示，由入射的电磁辐射产生的照明导致从液体或气体302输出电磁辐射(例如，光学地相互作用的电磁辐射)，所述电磁辐射中的一些是对应于所述相关特征的电磁辐射304，且所述电磁辐射中的一些是对应于液体或气体302的其它特征的背景电磁辐射306。在一些实施方案中，液体或气体302可以包括一个或多个相关特征，所述一个或多个相关特征可以对应于液体或气体302中的一个或多个分析物。光学计算装置300可以与光学计算装置106(对照图1)一样。因此，液体或气体302可以包括碳氢化合物产品，所述碳氢化合物产品从贮存器150提取，并且由LACT系统108(对照图1)从生产管道103传输给承包商管道105。
虽然没有具体示出，但是可以在光学计算装置300中采用一个或多个处理元件以限制系统的光学波长和/或带宽，因此消除不重要的波长区域中的不期望的电磁辐射。此类处理元件可以位于沿光学系统的任何地方，诸如正好在提供初始电磁辐射的光源之后。
电磁辐射304和306的光束冲击包括ICE 100的光学计算装置300。在说明的实施方案中，ICE 100可以产生光学地相互作用的光线，例如透射的光学地相互作用的光线310和反射的光学地相互作用的光线314。在操作中，ICE 100可以被配置来将电磁辐射304与背景电磁辐射306区分开来。
可能与液体或气体302的相关特征有关的透射的光学地相互作用的光线310可以被输送给检测器312进行分析和量化。在一些实施方案中，检测器312产生呈电压形式的输出信号，所述输出信号对应于液体或气体302的特定特征。在至少一个实施方案中，由检测器312产生的信号和液体或气体302(例如，分析物的浓度或流速)的特征可以成正比。在其它实施方案中，所述关系可以是多项式函数、指数函数和/或对数函数。反射的光学地相互作用的光线314可以与流体或气体302的其它特征有关，并且可以将其从检测器312引导离开。在替换配置中，ICE 100使得反射的光学地相互作用的光线314与相关特征有关，并且透射的光学地相互作用的光线310与液体或气体302中的其它特征有关。
在一些实施方案中，第二检测器316可以存在，并且被布置来检测反射的光学地相互作用的光线314。在其它实施方案中，第二检测器316可以被布置来检测来源于液体或气体302的电磁辐射304和306，或被引导朝向液体或气体302或在液体或气体302之前引导的电磁辐射。在不限制的情况下，第二检测器316可以被用于检测来自于将电磁辐射(即，光线)提供给装置300的电磁辐射源(未图示)的辐射偏差。例如，辐射偏差可以包括以下事物但不限于：电磁辐射中的强度波动、干扰波动(例如，在电磁辐射源前方经过的灰尘或其它干扰)、光学计算装置300所具有的窗口上的涂层、它们的组合等。在一些实施方案中，光学计算装置300可以具有用于分离电磁辐射304和306的光束分离器的配置，并且然后可以将透射的或反射的电磁辐射引导至两个或更多个ICE 100。也就是说，在所述实施方案中，透射的或反射的电磁辐射传递经过ICE 100，所述ICE 100在其行进至检测器312之前执行所述计算。
一些实施方案使用计算机算法来评估组分或污染物的影响，或者液体或气体302中的某一流特征对最终管道流成分的影响。所述算法可以是人工神经网络的一部分，所述人工神经网络被配置来使用每一相关特征的浓度以便评估液体或气体成分的总体特征，并且预测流体添加剂的成分和/或浓度以在得到的管道流中提供所需的性质。可以使用具有预定相关特征的流体来训练人工神经网络，并且因此生成虚拟库。因为可用于人工神经网络的虚拟库变得较大，所以神经网络可以变得更加能够准确地预测对应于液体或气体或其分析物的相关特征。另外，在具有充分训练的情况下，人工神经网络即使在存在未知分析物的情况下也可以更加准确地预测液体或气体流的特征。
在一些实施方案中，使用光学计算装置300收集的数据可以和与在LACT系统(例如，对照图1的LACT系统108)处或附近记录的品质参数相关联的数据一起存档。如果需要，对流体传输性能的评估可以改善未来的操作和补救措施的规划。另外，数据和信息可以通过通信系统(例如，卫星通信或广域网通信)传达(有线或无线)给远程位置，以进行进一步分析。远距离通信系统所具有的自动化控制可以进一步促进远程作业操作的性能。确切地说，人工神经网络促进远程作业操作的性能(例如，经由对照图1的控制器110)。然而，在其它实施方案中，远程作业操作可以在操作人员直接控制下发生，其中操作人员不在作业现场(例如，经由无线技术)。
图4A示出用于监测反射配置中的LACT点(例如，对照图1的LACT系统108)处或附近的管道404中的流体402的示例性光学计算装置406a。流体402可以包括管道404内所含有的液体或气体。当流体402是诸如原油等不透明液体时，诸如光学计算装置406a中所显示的反射配置等反射配置可以是合乎需要的。在至少一个实施方案中，管道404可以是生产管道或承包商管道(例如，对照图1的生产管道103或承包商管道105)。在至少一个实施方案中，管道404可以是运输单元的储罐或容器，诸如卡车或轮船(例如，卡车135、轮船137)。在其它实施方案中，管道404可以是如本文一般地描述或另外限定的任何其它类型的管道。例如，管道404可以是炼油厂或发电厂(例如，对照图1的炼油厂137、发电厂139)的一部分。
光学计算装置406a在一些方面可以与图3的光学计算装置300或图1的光学计算装置106类似。虽然未图示，但是装置406a可以容置在壳体或外壳内，所述壳体或外壳被配置来大致上保护装置406a的内部组分不被外部环境损坏或污染。所述外壳可以使用机械紧固件、螺纹、钎焊或焊接技术、粘合剂、磁体、它们的组合等将装置406a机械地耦接至管道404。
光学计算装置406a对于确定管道404内的流体402的特定特征可以是有用的，诸如确定流体402内所存在的分析物的浓度。相关分析物可以是可以影响流体402的品质参数的污染物或物质。流体402的特征中的至少一些的知识可以有助于确定其总体成分。传输给承包商管道的得到的流体流可以具有较高的品质，因为添加剂的类型和浓度被修改成LACT系统处所需的值。
在一些实施方案中，装置406a可以包括被配置来发射或另外生成电磁辐射410的电磁辐射源408。如本文所限定，电磁辐射源408可以是能够发射或生成电磁辐射410的任何装置。例如，电磁辐射源408可以是电灯泡、发光二极管(LED)、激光、黑体发射器、光子晶体、X射线源、它们的组合等。在一些实施方案中，透镜收集或另外接收电磁辐射410，并且将电磁辐射410的光束414引导朝向流体402。
在一个或多个实施方案中，装置406a还可以包括被布置成邻近或另外与流体402接触以用于检测目的的取样窗口416。在一些实施方案中，取样窗口416包括允许光束414透过的多种透明、刚性或半刚性材料中的任何一个。例如，取样窗口416可以包括各种材料，诸如但不限于玻璃、塑料、半导体、晶体材料、蓝宝石、多晶材料、热压或冷压粉末、它们的组合等。
在传递经过取样窗口416之后，光束414冲击流体402并且与流体402光学地相互作用，包括流体402内所存在的任何分析物。因此，流体402将光学地相互作用的辐射418反射或散射回去。
一个或多个ICE 420a、420b和420c(下文中统称为ICE 420)可以包括在装置406a中。ICE装置420可以包括大致上与上面参考图1和图2所描述的ICE 100类似的光谱组分。在操作中，ICE 420a接收光学地相互作用的辐射418，并且产生对应于流体402的特定相关特征的修改的电磁辐射422。修改的电磁辐射422已经与包括对应于流体402的相关特征的回归矢量的近似模拟的ICE 420a光学地相互作用。本领域技术人员将认识到，任何光学元件可以被用来将光束414引导到流体402中，以从流体402收集相互作用的辐射418，并且经由ICE 420将相互作用的辐射418引导到检测器424中。另外，本领域技术人员认识到，光学计算装置406a中的光学元件中的任何一个可以是自由空间光学元件，诸如透镜、镜子、棱镜、偏光器或它们的任何组合，或者是光纤部件，诸如光束分离器、循环器、波分复用器、瞄准仪或它们的任何组合。
在一些实施方案中，ICE 420b(如虚线所示)可以可选地在取样窗口416之前被布置在光学系统内，并且同样地获得与ICE 420a大致上相同的结果。在其它实施方案中，取样窗口416可以用于双重目的，作为ICE 420(即，光谱组分)中的一个的透射窗口和基底。在其它实施方案中，ICE部件420可以经由反射而不是透射来生成修改的电磁辐射422。
符合本公开的实施方案可以包括装置406a中的至少两个ICE420，所述至少两个ICE 420被配置来协作地确定流体402中的相关特征。例如，在装置406a内串联或并联布置的两个或更多个ICE 420接收光学地相互作用的辐射418，因此增强装置406a的灵敏度和检测极限。在一些实施方案中，两个或更多个ICE 420可以布置在诸如旋转盘或振荡线性阵列等可移动组合件上，所述可移动组合件移动以使得个别ICE 420在不同的短暂时间段内暴露于电磁辐射410或与电磁辐射410光学地相互作用。这些实施方案中的任何一个中的两个或更多个ICE 420中的每一个可以与流体402中的相关特征相关联或没有关联。在其它实施方案中，两个或更多个ICE 420中的每一个与相关特征具有正关联或负关联。另外，根据一些实施方案，两个或更多个ICE 420可以与相关特征具有逆关联。在所述实施方案中，虽然检测器424中的信号随着有关第一ICE 420的相关特征增强而增强，但是在第二ICE 420的情况下，检测器424中的信号也会减弱。
在一些实施方案中，可能合乎需要的是使用装置406a一次监测不止一个相关特征。在所述实施方案中，可以使用有关多个ICE的各种配置，其中每一ICE 420被配置来检测对应于例如流体402或流体402中的分析物的特定和/或不同的相关特征。一些实施方案使用多个ICE顺序地分析相关特征，所述多个ICE与从流体402反射或反向散射的光学地相互作用的辐射418的单个光束相互作用。例如，一些实施方案包括布置在旋转盘上的多个ICE。在所述实施方案中，光学地相互作用的辐射418的光束在缩短的时间内与个别ICE 420相互作用。该方法的优点可以包括：使用装置406a来分析流体402内的多个相关特征的能力，以及简单地通过对应于额外特征将额外的ICE添加至旋转圆盘来化验额外的特征的机会。
由ICE 420a生成的修改的电磁辐射422被输送给检测器424，以便对信号进行量化。检测器424可以是能够检测电磁辐射的任何装置，诸如光学传感器。在一些实施方案中，检测器424是热检测器，诸如热电堆或光声检测器、半导体检测器、压电检测器、电荷耦合装置(CCD)检测器、视频或阵列检测器、剖分检测器、光子检测器(诸如光电倍增管)、光电二极管、它们的组合等，或者本领域技术人员已知的其它检测器。
在一些实施方案中，检测器424可以被配置来实时或近实时地产生呈电压(或电流)形式的输出信号426，所述输出信号对应于流体402中的特定相关特征。输出信号426可以与具有和所述相关特征相关联的回归矢量的光学地相互作用的辐射418的点积成正比。为此，由检测器424产生的输出信号426可以与相关特征的彼此相关的幅值或浓度有关。例如，输出信号426可以与相关特征成正比。然而，在其它实施方案中，所述关系可以对应于多项式函数、指数函数、对数函数和/或它们的组合。在一些实施方案中，与ICE 420a相关联的输出信号426可以与相关特征负关联。因此，输出信号426当相关特征增强时减弱。
在一些实施方案中，装置406a可以包括第二检测器428，所述第二检测器428与第一检测器424的类似之处可以在于，它可以是能够检测电磁辐射的任何装置。与图3的第二检测器316类似，图4A的第二检测器428检测来自于电磁辐射源408的辐射偏差。因此，光束分离器411(虚线)可以将修改的电磁辐射422的一部分引导至检测器428，所述检测器428可以被配置来监测电磁辐射源408中的辐射偏差。在一些实施方案中，在检测器428之前的ICE420c(用虚线示出)修改冲击检测器428的电磁辐射。不期望的辐射偏差可能由于各种各样的原因而发生在电磁辐射410的强度中，潜在地对装置406a的输出致使各种不利影响。这些不利影响可能对在延长的时间段上收集的测量结果有害。在一些实施方案中，辐射偏差可能由于残留材料层在取样窗口416的内侧或外侧上的堆积而发生。这减少了最终到达第一检测器424的光线的量和品质。如果没有适当的补偿，这种辐射偏差可能导致错误的读数，并且输出信号426可能不准确地将相关特征关联起来。在一些实施方案中，ICE 420c被用于提供关于样本的相关特征的补充信息。例如，ICE 420c相对于ICE 420a可以与相关特征具有逆关联。另外，在一些实施方案中，ICE 420c可以与相关特征没有关联。在其它实施方案中，ICE 420c可以与样本的第二相关特征相关联。
为了补偿这些不期望的效果，第二检测器428生成补偿信号430，所述补偿信号430大体上指示电磁辐射源408的辐射偏差，因此使由第一检测器424生成的输出信号426标准化。在一些实施方案中，在不脱离本公开的范围的情况下，第二检测器428从装置406a中的光学系统的任何部分接收电磁辐射，以检测辐射偏差。
在一些应用中，输出信号426和补偿信号430可以被传送到可通信地耦接至两个检测器424、428的信号处理器434，或者由所述信号处理器434另外接收所述输出信号426和补偿信号430。信号处理器434可以是包括非暂时性机器可读介质的计算机的一部分，所述计算机被配置来鉴于由第二检测器428检测的任何辐射偏差而使用补偿信号430使输出信号426标准化。因此，信号处理器434可以是控制器110的一部分，诸如处理器111(对照图1)。在一些实施方案中，信号处理器434计算两个信号426、430的比率或差异。例如，使用光学计算装置406a确定的每一相关特征的浓度或幅值可以被馈送到由信号处理器434运行的算法中。所述算法可以被配置来就流体402任选地以不同的浓度与流体添加剂组合将在管道流中如何运转进行预测。
本领域技术人员将容易认识到，在一个或多个实施方案中，电磁辐射410来自于流体402本身。例如，各种物质天然地辐射能够与至少一个ICE 420相互作用的电磁辐射。在一些实施方案中，例如，流体402或者流体402内的物质可以是被配置来辐射热量的黑体辐射物质，所述黑体辐射物质可以与ICE部件420中的至少一个光学地相互作用。在其它实施方案中，流体402或者流体402内的物质可以是放射性的或者化学发光的，并且发射能够与ICE420相互作用的电磁辐射。在其它实施方案中，机械、磁性、电气致动导致来自流体402或来自流体402内的物质的电磁辐射。举例来说，在至少一个实施方案中，跨流体402或流体402内的物质的电压导致电磁辐射。因此，在本文所设想的实施方案中，可以从特定光学计算装置中省略电磁辐射源408。
图4B示出用于监测透射配置中的LACT点(例如，对照图1的LACT系统108)处或附近的管道404中的流体402的示例性光学计算装置406b。当流体402是诸如天然气或石油等透明或半透明液体或气体时，诸如光学计算装置406b中所显示的透射配置等透射配置可以是合乎需要的。光束414遍历管道404的区段，形成到达检测器424的透射辐射418b。在不限制的情况下，在一些实施方案中，ICE420a可以安置在出射窗口416与检测器424之间的光学系统中。因此，透射辐射418b提供跨管道404的一部分的流体402的所需的特征的聚集或平均值。图4B中的其它元件如上面参考图4A所描述，诸如电磁辐射源408、电磁辐射410、取样窗口416、光束分离器411、ICE 420c、修改的电磁辐射422、检测器428、信号426和430以及信号处理器434。
图4C示出用于监测透射配置中的LACT点(例如，对照图1的LACT系统108)处或附近的管道404中的流体402的示例性光学计算装置406c。当流体402是不透明液体、稠密液体(例如，原油)或稠密气体时，诸如光学计算装置406c中所显示的反射配置等多个反射配置可以是合乎需要的。光束414以某一角度冲击窗口416，以使得多个内部反射路径448跨窗口416的一部分而形成。在其内部侧上多次反射的光束418c离开窗口416并且到达检测器424。在不限制的情况下，在一些实施方案中，ICE 420a安置在窗口416与检测器424之间的光学系统中。多次反射的光束448携带关于沿窗口416的内侧上的多个反射点458聚集的流体402的信息。图4C中的其它元件如上面参考图4A至图4B所描述，诸如电磁辐射源408、电磁辐射410、取样窗口416、光束分离器411、ICE 420c、修改的电磁辐射422、检测器428、信号426和430以及信号处理器434。
图5示出可以用于容置光学计算装置506的示例性外壳500。在一些实施方案中，外壳500可以使用例如机械紧固件、钎焊或焊接技术、粘合剂、磁体、它们的组合等机械地耦接至管道(例如，对照图1和图4A至图4C的生产管道103或管道404)。外壳500大致上保护装置506的内部组分不被外部环境损坏或污染。然而，本领域技术人员将容易认识到，用于容置光学计算装置的几个替换的外壳设计和配置适合于本文所公开的系统和方法。实际上，本文所描述和公开的外壳实施方案仅作为实例，且不应使范围限于本文所公开的示例性系统和方法。
如图所示，外壳500可以呈封装光学计算装置506的各种部件的螺栓550的一般形式。光学计算装置506可以与图1的光学计算装置106或图4A至图4C的光学计算装置406a至406c中的任何一个一样。在一个实施方案中，所容置的装置506的部件一般可以容置在螺栓550的杆552内，并且螺栓550可以具有用于使用例如扳手或其它合适的生成扭矩的手动工具来手动操纵外壳500的六角头554。
在至少一个实施方案中，外壳500限定与对应匹配管道螺纹相兼容的外部螺纹556，所述匹配管道螺纹提供在例如限定在管道中被配置来接收外壳500的开口中。螺纹556与匹配管道螺纹之间的螺纹密封剂可以防止湿气泄露或任何不期望的物质通过外壳500与管道之间的接口。
图6示出包括用于在LACT期间监测流体的方法600的步骤的流程图。方法600中的流体可以是如在此之前所详细公开的液体、气体或它们的任何组合。方法600中的步骤可以至少部分由具有处理器和存储器(例如，对照图1的控制器110、处理器111和存储器112)的控制器来执行。在石油和天然气生产配置(例如，对照图1、图4A至图4C和图5的光学计算装置106、406和506、LACT系统108、生产管道103、承包商管道105和石油和天然气生产配置10)中，控制器与光学计算装置通信地耦接，并且LACT系统将生产管道与承包商管道分开。因此，处理器可以被配置来执行存储在存储器中的命令，从而致使控制器来执行方法600中的步骤中的至少一些。石油和天然气配置可以包括：体相分离器，所述体相分离器将液体与流体中的气体分开；以及存放罐，所述存放罐用于将连续流喷射到生产管道(例如，对照图1的体相分离器121、存放罐123)中。另外，符合方法600的方法中的LACT系统可以包括以下中的任何一个：泵；压缩机；加热器；冷却器；气体冷凝器；截流阀，所述截流阀用于停止从生产管道至承包商管道的流体流；以及回收阀，所述回收阀用于将流体流引导至回收路径。另外，LACT系统可以包括作为流体回收站的一部分的去水站或去泡沫站。如本文所公开的光学计算装置可以包括与所需的流体特征相关联的至少一个ICE和与所需的流体特征没有关联的一个ICE(例如，对照图1和图4A至图4C的ICE 100、ICE 420)。
在一些实施方案中，用于监测流体流的方法可以包括以不同顺序执行的方法600中的步骤中的一些而不是全部。另外，符合本公开的方法可以包括时间上重叠或几乎同时执行的方法600中的步骤中的至少一些。
步骤610包括任选地使生产管道中的流体与光学计算装置中的ICE光学地相互作用，以生成光学地相互作用的辐射。在一些实施方案中，步骤610包括使用电磁辐射源提供电磁辐射。在一些实施方案中，步骤610可以包括使用在流体内生成的或由天然源(例如，日光)在外部生成的电磁辐射。步骤610可以包括使用与流体相邻的取样窗口使电磁辐射以以下中的一个与流体相互作用：透射相互作用、反射相互作用或多个内部反射相互作用。
步骤620包括产生与光学地相互作用的辐射的强度成正比的输出信号。输出信号可以是由接收光学计算装置中的光学地相互作用的辐射的检测器产生的电压信号。
步骤630包括将输出信号与流体特征相关联。在一些实施方案中，步骤630可以包括使用耦接至光学计算装置并且被配置来从检测器接收输出信号的信号处理器。另外，在步骤630中，处理器可以被配置来执行线性回归算法或非线性算法，诸如神经网络算法。用于在步骤630中执行关联的命令可以存储在耦接至光学计算装置的控制器的存储器中，符合本文所公开的实施方案。
步骤640包括修改所述流体以根据流体特征维护品质参数。在一些实施方案中，步骤640进一步包括根据生产管道或承包商管道的环境特征(诸如季节温度条件)选择品质参数。在一些实施方案中，步骤640进一步包括根据管道中的流体的终点选择品质参数。例如，当流体是天然气且终点是发电厂时，步骤640可以包括根据发电厂运营商的规范选择天然气的BTU含量。同样地，当流体是液体原油且终点是炼油厂时，步骤640可以包括根据炼油厂运营商的规范选择原油中的GOR。
在一些实施方案中，步骤640进一步包括天然气，且所述方法进一步包括根据天然气的燃烧所释放的所需的热量选择品质参数。在一些实施方案中，修改所述流体以维护品质参数包括将流体重新引导至冷却站，以从流体中的天然气移除液体。例如，在一些实施方案中，步骤640中的修改所述流体包括当流体是气流时从具有高露点温度的流体移除组分。在一些实施方案中，气体可以是天然气。同样地，在一些实施方案中，步骤640中的修改所述流体包括当流体是液体时从具有低起泡温度的流体移除组分。在一些实施方案中，所述液体是原油。
在一些实施方案中，修改所述流体以维护品质参数包括将流体重新引导至LACT系统中的去水站。在一些实施方案中，修改所述流体以维护品质参数包括将流体重新引导至LACT系统中的去泡沫站。更一般而言，步骤640可以包括当品质参数不符合指定的值时关闭承包商管道中的阀，并且将流体传输至LACT系统中的回收站。
步骤650包括修改所述流体，以根据流体特征降低维护成本。例如，在一些实施方案中，流体是液体原油，且步骤650可以包括确定原油的蒸汽压力高于为了实现承包商管道的安全和清洁运营而指定的压力。同样地，在一些实施方案中，流体可以是天然气流，且步骤650可以包括确定天然气中的组分的露点高于为了实现承包商管道的安全和清洁运营而指定的压力。
步骤660包括根据品质参数将流体从生产管道传输至承包商管道。在一些实施方案中，步骤660可以包括将流体传输至诸如运输运载工具(油罐船或油罐卡车)、炼油厂或发电站等终点。
本文所公开的实施方案包括：
A.一种包括集成计算元件(ICE)的装置，所述集成计算元件被定位来与来自流体的电磁辐射光学地相互作用。所述装置被配置来生成对应于流体特征的光学地相互作用的辐射。所述装置可以包括：检测器，所述检测器被定位来接收光学地相互作用的辐射，并且生成与所述光学地相互作用的辐射的强度成正比的输出信号；以及处理器，所述处理器被定位来接收所述输出信号，并且确定流体特征。所述装置可以耦接至控制器，所述控制器被配置来提供指令给传输系统以用于存储和读出。
B.一种使生产管道中的流体与集成计算元件(ICE)光学地相互作用以生成光学地相互作用的辐射的方法。所述方法还包括产生与光学地相互作用的辐射的强度成正比的输出信号，将所述输出的信号与流体特征相关联，修改流体以根据流体特征维护品质参数，以及根据所述品质参数将流体从生产管道传输至承包商管道。
C.一种存储命令的非暂时性、计算机可读介质，当所述命令被包括光学计算装置的测量系统中的处理器执行时，致使所述测量系统来执行方法，所述方法包括：使生产管道中的流体与集成计算元件(ICE)光学地相互作用以生成光学地相互作用的辐射；以及产生与光学地相互作用的辐射的强度成正比的输出信号。所述方法还包括：将输出信号与流体特征相关联，修改所述流体以根据流体特征维护品质参数，并且根据所述流体特征降低维护成本；以及根据所述品质参数将流体从生产管道传输至承包商管道。
实施方案A、B和C中的每一个可以具有呈任何组合的以下额外要素中的一个或多个。
要素1，其中所述传输系统是定位在石油和天然气生产配置中的承包商管道上游的井区自动监控传输(LACT)系统，并且所述LACT系统被配置来当流体特征低于品质参数时修改流体的流和成分。要素2，其中所述流体包括液体原油，并且ICE被配置来检测液体原油中的污染物，所述污染物包括用于石油生产的残留添加剂、水或天然气。要素3，其中所述流体包括天然气，并且所述ICE被配置来检测甲烷、丙烷、水或夹带液体。要素4，其中所述品质参数是根据管道的环境特征而选择的。要素5，其中所述品质参数是根据管道中的流体的终点而选择的。要素6，其中所述流体包括天然气，并且所述品质参数是根据由天然气的燃烧释放的热量值而选择的。要素7，其进一步包括：第一光学元件，所述第一光学元件用于将入射光线引导通过管道中的取样窗口；以及第二光学元件，所述第二光学元件用于收集从管道中的流体反射的光学地相互作用的辐射。要素8，其进一步包括：第一光学元件，所述第一光学元件用于将入射电磁辐射引导通过管道中的取样窗口；以及第二光学元件，所述第二光学元件用于收集经由管道中的流体透射的光学地相互作用的辐射。要素9，其进一步包括第一光学元件，所述第一光学元件用于将入射电磁辐射引导通过管道中的取样窗口；以及第二光学元件，所述第二光学元件用于收集在与管道中的流体接触的取样窗口的侧面上多次反射的光学地相互作用的辐射。
要素10，其中修改所述流体包括修改所述流体以根据流体特征降低维护成本。要素11，其进一步包括根据生产管道或承包商管道中的一个的环境特征选择品质参数。要素12，其进一步包括根据生产管道或承包商管道中的一个中的流体的终点选择品质参数。要素13，其中所述流体包括天然气，并且所述方法进一步包括根据由天然气的燃烧释放的所需的热量选择品质参数。要素14，其中修改所述流体以维护品质参数包括将流体重新引导至回收站，以从流体中的天然气移除液体。要素15，其中修改所述流体以维护品质参数包括将流体重新引导至去水站。要素16，其中修改所述流体以维护品质参数包括将流体重新引导至去泡沫站。
要素17，其中所述流体包括天然气，并且所述方法进一步包括根据由天然气的燃烧释放的所需的热量选择品质参数。
举非限制性实例来说，适用于A、B和C的示例性组合包括要素1和要素2、要素11和要素12以及要素13和要素17。
已经认识到的是，本文的涉及计算机控制和人工神经网络(包括各种框、模块、要素、部件、方法和算法)的各种实施方案可以使用计算机硬件、软件、它们的组合等来实现。为了说明硬件和软件的该可互换性，已经就其功能性一般地描述了各种说明性框、模块、要素、部件、方法和算法。至于这种功能是实现为硬件还是软件将取决于具体应用和任何强加的设计约束。至少由于这个原因，应该认识到，本领域技术人员可以针对特定应用以多种方式实现所描述的功能。另外，在不脱离实施方案的明确描述的范围的情况下，各种部件和框可以例如以不同的顺序排列或以不同的方式分割。
用于实现本文所描述的各种说明性框、模块、要素、部件、方法和算法的计算机硬件可以包括处理器，所述处理器被配置来执行存储在非暂时性、计算机可读介质上的指令、编程位置或代码的一个或多个序列。处理器可以是例如通用微处理器、微控制器、数字信号处理器、专用集成电路、现场可编程门阵列、可编程逻辑装置、控制器、状态机、门控逻辑、离散硬件部件、人工神经网络、或可以执行计算或其它数据操纵的任何类似的合适实体。在一些实施方案中，计算机硬件可以进一步包括以下要素，诸如像存储器(例如，随机存取存储器(RAM)、快闪式存储器、只读存储器(ROM)、可编程只读存储器(PROM)、可擦除只读存储器(EPROM))、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、DVD或任何其它类似的合适的存储装置或媒体。
本文所描述的可执行序列可以用存储器中含有的一个或多个代码序列来实现。在一些实施方案中，所述代码可以从另一机器可读介质读入到存储器中。存储器中所含有的指令序列的执行可以致使处理器来执行本文所描述的过程步骤。呈多个处理布置的一个或多个处理器也可以被采用来执行存储器中的指令序列。另外，硬接线电路可以代替软件指令使用或者与软件指令结合使用来实现本文所描述的各种实施方案。因此，本实施方案并不限于硬件和/或软件的任何特定组合。
如本文所使用，机器可读介质将表示直接或间接提供指令给处理器以便执行的任何媒体。机器可读介质可以呈许多形式，包括例如非易失性媒体、易失性媒体和传输媒体。非易失性媒体可以包括例如光盘和磁盘。易失性媒体可以包括例如动态存储器。传输媒体可以包括例如同轴电缆、电线、光纤以及形成总线的电线。机器可读介质的常见形式可以包括例如，软盘、柔性磁盘、硬盘、磁带、其它类似磁性媒体；CD-ROM、DVD、其它类似光光学媒体；穿孔卡、纸带和具有图案化孔洞的类似物理媒体；RAM、ROM、PROM、EPROM和快闪EPROM。
本文所描述的示例性实施方案被很好地适应来实现所提及的目标和优点以及其固有的目标和优点。上文所公开的特定实施方案仅是说明性的，因为可以以对于受益于本文的教示的本领域技术人员显而易见的不同但等效的方式来修改和实践本文所描述的示例性实施方案。另外，并不意在限于本文所示出的构造或设计的细节，而是限于所附权利要求中所描述的内容。因此，很明显，以上所公开的特定说明性实施方案可以被改变、组合或修改，并且所有这些变化都被视为在本公开的范围和精神内。本文说明性地公开的公开内容可以适当地在没有本文未具体公开的任何要素和/或本文所公开的任何任选要素的情况下实践。虽然就“包含”、“含有”或“包括”各种部件和步骤描述了成分和方法，但是所述成分和方法也可以“基本上由各种部件和步骤组成”或“由各种部件和步骤组成”。以上所公开的所有数值和范围可以以一定的量变化。每当公开具有下限和上限的数值范围时，则具体公开了落入该范围内的任何数值和任何包括的范围。具体地说，本文所公开的值的每个范围(形式为“从约a至约b”，或等效地“从大致a至b”，或等效地“从大致a-b”)应理解为阐述涵盖在值的较宽范围内的每个数值和范围。而且，除非专利权人明确和清楚地限定，否则权利要求中的术语具有其平常、普通含义。此外，如权利要求书中所使用的不定冠词“一个”或“一种”在本文中限定为表示其引入的要素中的一个或不止一个。如果本说明书中的单词或术语的用法和一个或多个专利或可以以引用的方式并入本文中的其它文献存在任何冲突，则应当采用与本说明书一致的定义。
如本文所使用，在一系列项目之前并且用术语“和”或“或”将项目中的任何一个分隔开的短语“...中的至少一个”修饰的是整体列表，而不是列表中的每一成员(即，每一项目)。短语“...中的至少一个”不需要选择至少一个项目；相反，该短语允许以下含义：包括项目中的任何一个中的至少一个，和/或项目的任何组合中的至少一个，和/或项目中的每一个中的至少一个。举例来说，短语“X、Y和Z中的至少一个”或“X、Y或Z中的至少一个”各自表示仅X、仅Y或仅Z；X、Y和Z的任何组合；和/或X、Y和Z中的每一个中的至少一个。

Claims (20)

1.一种装置，所述装置包括：
集成计算元件(ICE)，所述集成计算元件被定位来与来自流体的电磁辐射光学地相互作用，并且因此生成对应于所述流体特征的光学地相互作用的辐射；
检测器，所述检测器被定位来接收所述光学地相互作用的辐射，并且生成与所述光学地相互作用的辐射的强度成正比的输出信号；以及
处理器，所述处理器被定位来接收所述输出信号，并且确定所述流体特征，其中
所述装置耦接至控制器，所述控制器被配置来提供指令给传输系统以用于存储和读出。
2.如权利要求1所述的装置，其中所述传输系统是定位在石油和天然气生产配置中的承包商管道上游的井区自动监控传输(LACT)系统，并且所述LACT系统被配置来当所述流体特征低于品质参数时修改所述流体的流和成分。
3.如权利要求1所述的装置，其中所述流体包括液体原油，并且所述ICE被配置来检测所述液体原油中的污染物，所述污染物包括用于石油生产的残留添加剂、水或天然气。
4.如权利要求1所述的装置，其中所述流体包括天然气，并且所述ICE被配置来检测甲烷、丙烷、水或夹带液体。
5.如权利要求1所述的装置，其中所述品质参数是根据所述管道的环境特征而选择的。
6.如权利要求1所述的装置，其中所述品质参数是根据所述管道中的所述流体的终点而选择的。
7.如权利要求1所述的装置，其中所述流体包括天然气，并且所述品质参数是根据由所述天然气的燃烧释放的热量值而选择的。
8.如权利要求1所述的装置，所述装置进一步包括：第一光学元件，所述第一光学元件用于将入射光线引导通过所述管道中的取样窗口；以及第二光学元件，所述第二光学元件用于收集从所述管道中的所述流体反射的所述光学地相互作用的辐射。
9.如权利要求1所述的装置，所述装置进一步包括：第一光学元件，所述第一光学元件用于将入射电磁辐射引导通过所述管道中的取样窗口；以及第二光学元件，所述第二光学元件用于收集经由所述管道中的所述流体透射的所述光学地相互作用的辐射。
10.如权利要求1所述的装置，所述装置进一步包括第一光学元件，所述第一光学元件用于将入射电磁辐射引导通过所述管道中的取样窗口；以及第二光学元件，所述第二光学元件用于收集在与所述管道中的所述流体接触的所述取样窗口的侧面上多次反射的所述光学地相互作用的辐射。
11.一种方法，所述方法包括：
使生产管道中的流体与集成计算元件(ICE)光学地相互作用以生成光学地相互作用的辐射；
产生与所述光学地相互作用的辐射的强度成正比的输出信号；
将所述输出信号与所述流体特征相关联；
修改所述流体以根据所述流体特征维护品质参数；以及
根据所述品质参数将所述流体从生产管道传输至承包商管道。
12.如权利要求11所述的方法，其中修改所述流体包括修改所述流体以根据所述流体特征降低维护成本。
13.如权利要求11所述的方法，所述方法进一步包括根据所述生产管道或所述承包商管道中的一个的环境特征选择所述品质参数。
14.如权利要求11所述的方法，所述方法进一步包括根据所述生产管道或所述承包商管道中的一个中的所述流体的终点选择所述品质参数。
15.如权利要求11所述的方法，其中所述流体包括天然气，并且所述方法进一步包括根据由所述天然气的燃烧释放的所需的热量选择所述品质参数。
16.如权利要求11所述的方法，其中修改所述流体以维护品质参数包括将所述流体重新引导至回收站，以从所述流体中的天然气移除液体。
17.如权利要求11所述的方法，其中修改所述流体以维护品质参数包括将所述流体重新引导至去水站。
18.如权利要求11所述的方法，其中修改所述流体以维护品质参数包括将所述流体重新引导至去泡沫站。
19.一种存储命令的非暂时性、计算机可读介质，当所述命令被包括光学计算装置的测量系统中的处理器执行时，致使所述测量系统来执行方法，所述方法包括：
使生产管道中的流体与集成计算元件(ICE)光学地相互作用以生成光学地相互作用的辐射；
产生与所述光学地相互作用的辐射的强度成正比的输出信号；
将所述输出信号与所述流体特征相关联；
修改所述流体以根据所述流体特征维护品质参数，以及根据所述流体特征来降低维护成本；以及
根据所述品质参数将所述流体从生产管道传输至承包商管道。
20.如权利要求19所述的非暂时性、计算机可读介质，其中所述流体包括天然气，并且所述方法进一步包括根据由所述天然气的燃烧释放的所需的热量选择所述品质参数。
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