CN113767265A - 管道中提供测量值的系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种在管道中测量环境的系统和方法，包括以下步骤：测量流中选定的电特性；在体积流量基本相同的情况下，测量密度；计算表示密度和电特性关系的曲线；还包括至少一个下述步骤：计算所述曲线的导数，确定所述体积流量下的水液比，和/或将曲线推至表示没有液体的密度值处，所述电特性的值表示所述管道的内表面上的可能的沉积层的特性。

Description

管道中提供测量值的系统及方法
技术领域
本发明涉及一种用于检测和表征传导多相流体流的管道壁上的沉积物形成和/或测量流的水液比的系统和方法。
本发明涉及一种测量传导多相流体流的管道中条件的系统和方法，多相流通常是油、气和水的组合，但也可以是气-液两相流，例如：气和油，或气和水。下面将描述的本发明涉及至少使用密度和电阻抗作为主要测量值的多相流量计。
背景技术
通过电极测量流阻抗，估计多相流的含量，即通过找到流的介电常数和电导率。已知几种此类解决方案，，如WO2007/018434、WO2008/085065、WO2005/057142和US 6182504中讨论的。在所有这些出版物中，电极通过与流体流接触进行测量，并且测量值的质量可能会因电极上或电极之间的结垢或沉积而降低。WO01/65212A1讨论了材料沉积和其他条件对测量性能的影响问题，并提出使用校准液来补偿误差。GB2246866A列举了阻抗测量值的使用，然而，仅提及取决于流表现为水连续还是油连续，阻抗测量值主要由实部或虚部控制，另一个可以忽略不计。WO94/03802描述了一种用于测量流体流中的电特性和密度的系统，并提供显示测量值之间关系的曲线。
WO2015/055767讨论了一种在基于电极的多相流量计上检测沉积物早期生成的方法，但没有建议处理更显著的沉积物的方法。在WO2015/055767的目标是当流为非导电流时，测量导电层，例如油连续，或者，当流为导电流时，测量绝缘层，这是通过测量或监测复阻抗来执行的。此外，测量是在激励脉冲内的短时间步长内执行的，能够捕捉瞬时变化。
发明内容
本发明的目的是：当流是导电的(或电容等效)时，测量导电层，这将在执行测量时提供偏差。
本发明的目的是提供一种可实时检测和表征计量器主体上的沉积物的方法，以便可以在进行清洁之前如果需要，可在测量过程中进行清洁和校准或调整。
本发明的另一个目的是提供一种用于基于所测量的电特性和流密度来检测流体的水液分数的方法，并且该方法能够接受密度偏移。
在诸如水流、油流和/或气流的多相流中进行测量时，众所周知的问题是在与流体接触的测量装置上可能形成沉积物，并因此影响测量质量。沉积物可以通过不同方式去除或被流体冲走。清洗之间的必要性和时间可能因流体的条件和成分而不同。本发明使检测层是否已经出现成为可能，并且提供在层堆积时，层的电特性的测量。因此，本发明还将提供一种用于校正受沉积层影响的测量值的方法。然而，在油和气生成的恶劣条件下，测量值对流体中的许多变化很敏感，例如，密度、导电率、含水率、水液比、流态等比例，以及管道内壁和与流接触的传感器上的腊和水垢沉积物。
很自然地，多相流量计的测量性能会受到其主要测量中出现的任何系统偏移的影响，例如，在电阻抗测量或密度测量中。
在多相流量计(MPFM)的正常运行期间，流量计的内壁，包括用于执行阻抗测量的电极，可能会被流体中的物质污染。这将作为阻抗测量值中的偏移，并导致流体分数的错误测量，例如，含水量，除非进行纠正。这个问题可能发生在导电和电容性测量模式中，并且有时会频繁出现，以至于导致清洁流量计成为问题。
另一个问题是，当在密度测量中有一个系统的偏移时，会导致错误测量。例如，密度测量中的偏移可能是由基于伽马的密度测量系统中的探测器或者源的轻微移动引起的。
本发明的目的是使用所附权利要求中所述的系统和方法来解决上述问题。
因此，基于代表随时间变化的密度和电测量值的最佳拟合曲线，本发明一方面可以消除由流体的短期变化引起的误差。本发明与在长时间跨度上发生的变化有关，还与在同期测得的密度有关。这可能会持续几个小时，包括更短的段塞时间和气体分数的变化，而不会影响缓慢变化的沉积层的测量。
附图说明
下面将参考附图描述本发明，通过实施例说明本发明。
图1(a)和图1(b)为带有电极和沉积层的阻抗传感器的示意图；
图2为本发明的一组采样的电导率和密度的数据；
图3为在传感器没有污染的情况下，与图2中的数据相对应的数据；
图4为本发明的一组采样的水分数和密度数据；
图5为在传感器没有污染的情况下，与图3的数据相对应的数据。
具体实施方式
如图1(a)所述，本发明包括在绝缘的管道2的内表面上的两个电极1。管道2通常可以包含在金属外壳(未示出)中。管道包含多相流体流4，图示为包括具有气泡的液体。在管道2的内壁上，示出了覆盖了内壁和电极1的沉积层3。电极上的导体6与测量仪器(未示出)相连，测量仪器能够测量选定的流的电特性，并且还包括密度测量仪器(未示出)，用于测量位于相同位置或靠近电极的上游或下游的流体4的密度，以便测量与电极基本相同体积的流体。因此，距离取决于流体的变化速度和流速。
通常使用伽马射线测量密度，从而测量一个或多个伽马射线通过的体积中的密度，但也可以使用其他密度测量方法，只要它提供通过电极的体积中的可靠测量。
该图示显示了使用两个电极，但是其他配置，例如包括六个电极，也是可能的，例如，提供用于检测仅在部分内壁上的沉积物的方法。
图1(b)还展示了电特性，例如由流体产生的阻抗5，这是我们想要测量的阻抗，以及与沉积层相关的阻抗7。在非导电层/流的情况下，阻抗将作为电容，否则作为电导。
正如下面将要讨论的，基于流条件和沉积物的类型，测量的电特性可以是电阻、电导或电容，并且这些测量的阻抗值可以转换为用于计算的电特性值，例如电导率或介电常数。
对于非导电流中的薄电容层和导电流中的薄导电层，层串联阻抗的影响可以忽略不计。然而，在两种情况下，并联阻抗都会导致流阻抗测量的显著偏移。
本发明的一个方面将在下文解释，导电流的情况下，包括确定导电层对如上所述的传感器中的流体的电导率测量的影响。
图2和图3说明了作为密度函数的流体中的电导率测量，其中，假设密度和电导率之间存在线性关系。通过测量值计算的线8展示了零密度的电导率7在图2中是非零的；这可以解释为沉积层的电导率，如该线性函数8的偏移量7，。如图2所示，偏移量7约为2.7S/m。图3中没有沉积层，零密度情况下的电导率为零。这将在下文详细讨论。
在测量多相流时，电导率测量和密度测量之间存在联系，因为两者都受气体分数的影响很大。因此，假设流体的性质和含水率相当稳定，气体含量的波动是迄今为止改变两种测量变化的最大因素。当考虑到例如几个小时的评估期时，特别是在段塞流状态的条件下，这些假设并非不切实际，而且实际上相当普遍。液体(油+水)将具有恒定的电导率和恒定的密度。
由于油和气都可以认为是不导电的，因此可通过使用其他已知的双组分混合公式，根据测得的流体电导率计算出流体中的水分数；例如：如上述WO2015/055767中所述：
Fw＝水分数
σ＝电导率(S/m)
Figure BDA0003297982680000041
所以，给出的固定的WLR水分数与液体分数成正比，因为：
Fo＝油分数
Fl＝液体分数＝Fo+Fw＝1-Fg
Figure BDA0003297982680000042
Figure BDA0003297982680000043
密度测量可以表示为：
Fg＝气分数
ρ＝密度(Kg/m3)
ρ测量值＝ρ水×Fw+ρ油×Fo+ρ气×Fg
利用
ρ液体＝ρ水×WLR+ρ油×(1-WLR)＝ρ油+(ρ水-ρ油)×WLR
化简之后，我们得到：
ρ测量值-ρ气＝(ρ液体-ρ气)×Fl
这表明，如果我们消除气体密度，剩余的测量的密度也与液体分数(Fl)呈线性关系。
我们在下面称这种修正密度为ρ线性分式。
然后，这两个值都与液体分数成正比，我们可以利用它来检测和校正电导率测量值。在假设密度测量值中没有系统偏移的情况下，完成了电导率测量值中偏移的测定，但相反的做法是很简单的。
为了估计导电层和某种程度的绝缘层的影响，我们在ρ线性分式和Fw之间进行普通的线性最小二乘法法拟合(βx+α)，并确定x轴(密度)上的零交叉点α。
拟合的R2的值(测定系数)将为我们提供一个很好的表明拟合程度的指标(电导率和密度之间的线性关系)。
如图4和图5所示，水分数Fw和密度之间的关系还提供了线性函数10，其偏移量9取决于管壁上的层。在图示的情况下，由层引起的水分数的偏移是0.34。
使用Fw将提供最准确的结果，因为它与液体分数直接线性相关，但是直接对电导率进行估计也能产生合理的结果，因为对于相关的区域，2/3次方是足够线性的。还应注意，对于检测电导率偏移，水电导率也不是严格需要的。
该方法已经利用具有已知污染问题的装置现场数据进行了测试，并且测量值已显示出显着的改进。
当流体的液体部分是油连续时，该方法也可以应用于非导电层，例如：蜡层，因此，基于多相流量计的阻抗在电容模式下运行，并测量流体的介电常数。在这种情况下，电极之间的电容受电极本身上薄层的影响非常小，但受电极之间表面上的层的并联电容影响更大。然后，该层将作为测量的介电常数的系统偏移。方法同上，只是用介电常数代替电导率。
当在密度测量中而不是在阻抗测量中发现系统偏移时，也可以使用该方法。该方法与描述的电导率偏移相同，但用密度代替电导率。
如上所述，本发明的另一个目的是提供一种新的能接受密度偏移的含水率算法。
现有仪器中使用的已知含水率算法，电导率测量对密度测量系统的偏移误差高度敏感，。任何系统性的密度偏移都会直接影响测量的含水率。因此，本发明的一个目的是提供一种改进这些测量的方法和/或解决方案。
对于含水量在测量期间内基本上是静态的多相流，密度和电导率的波动主要由气分数的变化决定。
密度由下式给出：
ρ＝ρ液体×Fl+ρ气×(1-Fl)＝ρ气+(ρ液体-ρ气)×Fl
和
ρ液体＝ρ水×WLR+ρ油×(1-WLR)＝ρ油+(ρ水-ρ油)×WLR
这意味着假设相关期间的WLR稳定，密度和液体分数之间存在线性相关性；
液体分数和水分数之间也存在线性相关性，因为：Fw＝WLR×Fl；
水分数(与含水率相反)可以直接通过测得的流体电导率进行计算，因此与密度无关，因此我们能够通过测得的电导率，对逐个样本分别计算水分数。
通过收集大量匹配的密度和水分数样本，我们能够进行最小二乘法线性拟合，并从中找到水分数随密度变化的变化率。即定义水分数和密度之间关系的曲线的导数斜率，例如：如图2和图3中线性曲线的斜率所示。这将在下面更详细地解释。
通过扩展上述关系，将水分数作为密度函数的求解，形成水分数的密度一阶导数，最后求解含水率，我们得到以下方程。
Figure BDA0003297982680000061
其中，β是公式βx+α上的线性拟合的增益因子。
由于这仅取决于密度的相对变化与电导率的相对变化，因此，该算法不受密度测量的恒定偏移量的影响，可用于检测误差，甚至在需要时，可用于修正仪表的行为。
要注意的是，如果在测量期间密度发生显著变化，则此处描述的方法最有效，因为如果密度是静态的，它不可能将密度与水分数相关联。因此，该方法最适合具有间歇或段塞流井。
但是，通过查看R平方相关因子可以很容易的检查测量的密度和电导率的相关性，并且有力地表明通过该算法所做的估计的质量。
计算：
Fw＝水分数(无量纲的)
Fo＝油分数(无量纲的)
Fg＝气分数(无量纲的)
σ＝电导率(S/m)
ρ＝密度(Kg/m3)
基本密度方程：
ρ＝ρ水×Fw+ρ油×Fo+ρ气×Fg
表示为液体-气混合物：
ρ＝ρ液体+(ρ液体-ρ气)×Fg (1)
根据定义，
Fw+Fo+Fg＝1，分数相加得1；
Figure BDA0003297982680000062
水分数和液体分数的比；
我们发现：
Figure BDA0003297982680000063
将公式(2)带入(1)之后简化，得到：
Figure BDA0003297982680000064
假设WLR是不变的，
ρ液体＝ρ油+(ρ水-ρ油)×WLR (4)
将公式(3)带入公式(4)，并计算Fw：
Figure BDA0003297982680000071
针对密度进行微分：
Figure BDA0003297982680000072
一阶导数(变化率)对应于线性拟合的增益系数β；
Figure BDA0003297982680000073
Figure BDA0003297982680000074
对WLR进行求解：
Figure BDA0003297982680000075
根据本发明的一个实施例，从上述的讨论中可以看出，特别是在图2和图3中所示，通过测量流体中的电极之间的电导率和密度的关系，使用相同的系统可以得到两个测量值。通过采样数据计算的线性曲线斜率提供了流体流中与水含量相关的测量值，并且该线向零密度值的延伸提供了偏移值，用于提供管道内表面上的沉积层的测量值。
尽管，假设了密度和电导率之间的关系是线性的，但这可能取决于测量的情况和方法，在计算曲线或曲线的导数/斜率时，这可能会引入需要考虑到非线性因素。
总而言之，本发明涉及一种测量系统，包括：管道内壁上的至少两个电极，用于传导多相流体流，其中，管道可以具有覆盖所述内壁的沉积层。在持续时间内具有基本恒定的水液比(WLR)的流量。电极以选定的分布设置在管道的内表面上，并连接到测量仪器，以测量电极之间的电特性。
所述系统还包括流量密度传感器，流量密度传感器测量的体积与电极体积基本相同，从而提供密度和电特性的可比测量。
所述系统还包括在所述测量仪器中的与密度测量仪器和电极相连接的分析单元，从而以预定速率对所述密度和电测量值进行采样，计算最佳拟合曲线，用于将采样数据表示为相应密度和电测量值数据之间的函数，并基于最佳拟合曲线确定所述沉积层的影响，基于曲线确定所述沉积层对电特性的影响。根据预期的流体条件的短期变化和预期的沉积层的变化率选择预定速率，两者均基于与流体条件相关的现有技术。
在具有导电层并且流动的情况下，通过测量所述两个电极之间的电导或电阻，来发现沉积层的影响，或者在非导电的层并且流动的情况下，通过测量电容，来发现沉积层的影响。例如，沉积层的影响可以是测量的所述两个电极之间的电导率的偏移。
由所述最佳拟合曲线确定的与所述沉积层有关的电特性，对应于零密度的电特性值。作为优选，曲线被定义为密度和电特性之间的线性关系。最佳拟合曲线通过最小二乘法线性拟合计算。
基于所述流中的WLR先前测量值、基于监测流体的WLR测量装置或者气体分数波动的先前测量值，用于执行测量的时间跨度可以凭经验选择。基于所需的数据精度和所述时间跨度计算采样率，以避免流体的短期波动，但可以提供沉积物变化的精确测量值。
根据本发明的一个方面，该曲线定义为密度和通过电特性计算的水分数之间的线性关系。
作为沉积层测量的补充或替代，系统的分析单元可以计算最佳拟合线性曲线，用于将采样数据表示为相应密度和电测量值数据之间的函数，并且基于曲线斜率，确定流体中的水液比。
如上所述，线性曲线可以通过最小二乘法线性拟合计算；基于所述流中WLR的先前测量值，时间跨度是凭经验选择的，或者时间跨度是通过监测流的WLR测量装置确定的。基于所需的数据精度和所述时间跨度，计算采样率。
本发明还涉及一种用于测量管道中条件的方法，包括以下步骤：
在流体中测量选定的电特性，
在基本相同的体积流量下，测量密度，
计算代表密度和电气特性之间关系的曲线，作为优选，电导率/电导系数或者介电常数/电容代表测量的阻抗，
还包括以下至少一个步骤：
计算所述曲线的导数，以表示所述流体的水液比，其中曲线可以是线性的，因此导数是曲线的斜率，
和/或
将该曲线推至代表零密度的值上，所述电特性的值代表在所述管的内表面上的可能的沉积层的特性。

Claims (19)

1.一种测量系统，包括：管道内壁上的至少两个电极，用于传导多相流体流；所述管道具有覆盖所述内壁的沉积层，在时间跨度内，所述流体具有基本恒定的水液比(WLR)，所述电极设置在管道内表面上，并连接到测量仪器，以测量电极之间的电特性，
所述测量系统还包括流量密度传感器，所述流量密度传感器测量的体积与电极体积基本相同，
所述测量系统包括在所述测量仪器中的分析单元，所述分析单元以预定速率对所述密度和电测量进行采样，并计算最佳拟合曲线，用于将采样数据表示为相应密度和电测量数据之间的函数，并基于所述曲线确定所述沉积层的影响。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述沉积层的影响是测量的所述两个电极之间的电导或电阻的变化。
3.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述沉积层的影响由所述最佳拟合曲线确定，所述最佳拟合曲线为对应于无液体密度的电特性值。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述沉积层的影响由所述沉积层代表的所述两个电极之间的并联耦合电容引起。
5.根据权利要求1的系统，其特征在于，所述曲线定义为密度和电特性之间的线性关系。
6.根据权利要求1的系统，其特征在于，所述最佳拟合曲线通过最小二乘法线性拟合计算。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述时间跨度是基于所述流中WLR的先前测量经验选择的。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述时间跨度由监测流体的WLR测量装置定义。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，基于所需的数据精度和所述时间跨度，计算采样率，例如：选择消除流体环境的短期变化。
10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述曲线定义为密度和通过电特性计算的水分数之间的线性关系。
11.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述时间跨度是基于先前对气体分数波动的测量经验选择的。
12.一种测量系统，包括：管道内壁上的至少两个电极，位于用于传导多相流体流，在时间跨度内，所述流体具有基本恒定的水液比(WLR)，电极设置在管道的内表面上，并连接到测量仪器，以测量电极之间的电特性，
所述测量系统还包括流量密度传感器，所述流量密度传感器测量的体积与电极体积基本相同，
所述测量系统包括在测量仪器内的分析单元，所述分析单元以预定的速率对所述密度和电测量进行采样，并计算最佳拟合线性曲线，用于将采样数据表示为相应密度和电测量数据之间的函数；并基于所述曲线的斜率确定流中的水液比。
13.根据权利要求12的测量系统，其特征在于，所述线性曲线通过最小二乘法线性拟合计算。
14.根据权利要求12所述的测量系统，其特征在于，所述时间跨度是基于所述流中WLR的先前测量经验选择的。
15.根据权利要求12所述的测量系统，其特征在于，所述时间跨度由监测流体的WLR测量装置定义。
16.根据权利要求12所述的测量系统，其特征在于，基于所需的数据精度和所述时间跨度，计算采样率。
17.测量包含流体流的管道中的条件的方法，包括以下步骤：
在一定体积的所述流体流中，测量选定的电特性，
在基本相同的体积流量下，测量密度，
还包括以下至少一个步骤：
计算所述曲线的导数，以表示所述流体的水液比，
和/或
将该曲线推至表示没有液体时密度的值处，所述电特性的值表示在所述管道的内表面上的可能的沉积层的特性。
18.根据权利要求17所述的测量方法，其特征在于，所述电特性是所述流体流的电导率变化或电阻率变化。
19.根据权利要求17所述的测量方法，其特征在于，假设所述曲线是线性的，所述曲线的斜率表示流体的水液比。
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