CN1217161C - 多相流量和浓度的同时确定 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于测量在沿着一个管线的多相混合物中的液体组分和气体的体积流量以及确定它们的体积浓度的方法和设备。利用一种超声波系统进行测量，所述超声波系统包括一组设置在所述管线内部的局部声换能器。换能器的每一对发射器和接收器形成了在控制下的一种介质的取样体积。利用超声波脉冲通过所述介质的取样体积的通过时间来确定混合物组分的体积浓度。利用测量在两个管线区中的相的速度和体积浓度来计算混合物组分的体积流量，所述两个管线区具有不同的横截面积并且以相互之间保持一定距离的方式沿着流动方向串行地设置。

Description

多相流量和浓度的同时确定
本发明的技术领域
本发明涉及一种用于确定在多相液体/气体混合物(诸如，包括油、水和气体的油井流体)中的液相组分和气体的体积流量和体积浓度的方法和装置。
相关技术的描述
自油井沿着管线流动的流出物是一种包括油、水和气体的多相混合物。精确和同时测量混合物组分的流量和体积浓度对于油井操作的控制是重要的。
目前所采用的用于测量这些流动特性的方法和装置要求在专用的分离器中进行气体的初步分离，所述专用的分离器安装在油田区域上的测量装置中。由于进行这样的测量可能会大大地增加资本费用。
在不进行气相的预先分离的情况下测量所述多相流动特性的技术也已为人们所知。这些方法和装置基于各种物理原理：各组分的密度和电磁特性的差异、与γ射线和超声波的相互作用以及其他原理。
RU-C-2138023披露了一种分别由技术方案1和15的前序部分所涉及的这样一种方法和设备。对于现有技术所涉及的这种方法，在沿着一种多相混合物以恒定的流速通过的管线的一个位置处，利用下列方式来测量混合物的声导率，即，利用发射器发射声脉冲并使之通过混合物的一个可控制的体积，如果利用接收器接收的话，那么对这些脉冲进行计数，并且利用发射的脉冲与被接收的脉冲之间的比率表示混合物的一个相的量。另外，在两个位置中的每一个处，测量一个脉冲通过一个被控制的体积所用的时间，所述时间与从另一个位置所获得的时间是相互关联的，接着与在所述位置之间的距离数值结合使用来计算该速度。在使用清洁油和清洁水的设备校准的过程中，测量脉冲通过一个被控制的体积的时间并且与一个实际(就地)测量的传输时间、所述相量比、所述速度以及所述管线的横截面的数值结合使用来计算气体、油和水的实际流量。
EP-A-0684458披露一种多相流测量计，其中一个管线包括两个节流口，每一个节流口提供相对于分别在每一个节流口中和仅在其之前的位置处的流速的流速变化。对于每一个节流口，测量在所述位置之间的压力差。必须预先确定在节流口之间的体积的数值V。利用压力差信号和体积值V，可确定总体积流量q。通过测量一个静压力差，可确定混合物的密度ρ的第一近似值。使用另一个装置提供关于多相混合物组分的一种或者多种的表示。给定多相混合物的组分的密度ρo、ρw、ρg，可确定各相的流量。对于现有技术所涉及的这种测量计，在混合物的速度发生变化的位置处，即，在每一个节流口处，不能测量其自身的速度。也不能测量与所述节流口保持一定距离处的速度。而是，必须在每一个节流口处测量压力差以根据其确定混合物从一个节流口达到另一个节流口所用的时间。根据所述时间和在所述节流口之间的已知距离可计算速度。
美国专利US 5,287,752披露了一种利用设置在两个平行板上的一组电容器确定多相流体的流量的装置，所述两个平行板设置在平行于流动方向的水平或者倾斜的管线中。为了确定在由液相所占的管线横截面的部分的水/油体积比例，测量此刻位于所有基本电容器的测量单元中的介质的阻抗。通过测量和在位于由液相所占的横截面部分中的一个矩阵行中的基本电容器的交互相关的阻抗来确定液相的速度。通过测量在管线的上部中的多相流的结构变形的通过时间来确定气体的速度。考虑由多相流的液相和气相所占的管线横截面的部分来确定这些相的体积流量。
所提出的这种方法已经限制了应用范围，这是由于仅可利用一种间歇式流动方式才能使该方法被有效地使用。此外，在该方法中不考虑乳状液和组分弥散类型。
美国专利US 5,367,911披露了一种在可用作流量计的导管中检测流体性能的设备。该测量装置包括至少两个设置在一个管线内的传感器，一个在另一个的下游。所述传感器可包括声换能器或者导电率(或电阻率)传感器。每一个传感器提供一种输出数据信号，表示在各个取样体积中流动的介质的所测得的物理性能。输出信号在一个电路中被处理并且被交互关联。由于传感器之间的距离是已知的，因此能够进行流速的计算。
但是该专利的作者没有考虑，在多相流中，气相相对于液相移动。
欧洲专利EP A 0684458涉及一种用于测量多相流体的流量的方法和设备。该设备包括沿着一个管道设置的两段并且这两段之间保持一定的距离。所述段采用文丘里管的形式。每一段包括一个具有不同横截面积的通道，所述通道设有用于在其中相应地产生速度变化并且产生动压力变化的装置。此外，该设备包括适合的用于测量所得到的压力差的装置。在所述各段中获得的两个压力差信号适于交互相关以产生一个表示总体积流量的第三信号。为了确定多个相的流量，在一个文丘里管类型的流动段中测量另一个压力差并且获得一种作为总质量流量Q和混合物密度ρ的函数的信号。在一种“压差密度计”类型的段中测量另一个压力差。该段被设置在一个垂直管道中的具有恒定横截面积的部分中。后一个压力差通常表示一种大致与混合物密度ρ成比例的静压力差。另外，该设备包括一个位于管道中的模块，所述模块提供一种或者多种关于多相流体构成的指示，换言之，确定构成所述流体的各组分的体积或者质量浓度。一个处理器根据气体含量通过并行的路径计算质量流量Q。当气体含量适度(＜65％)时，根据与表达式Q2/ρ成比例的信号和表示混合物密度ρ的信号使用第一种处理方式。当气体含量高(＞65％)时，使用基于表示总体积流量的信号和表示混合物密度ρ的信号的第二种处理方式。
必须注意的是，带文丘里管类型的段的设备具有小的动态范围，因此可用于流量测量的有限范围中。此外，这样的设备的流量因子主要取决于会影响测量精度的气体含量。在所述设备中，气体含量是计算出来的而不是测得的，因此会降低测量精度。使用这样的设备测量包含原油的油井流出物的流量可能会因压力卸除而导致其堵塞。
本发明的概述
本发明提供一种能够在不预先分离气体的情况下确定沿着管线的一部分的多相混合物组分的体积流量的方法和装置。
本发明提供一种能够测量沿着管线的一部分的多相混合物组分的体积浓度的方法和装置。
本发明还提供一种用于测量一种具有不同类型的多相流的多相介质的上述特性的方法和装置。
本发明能够确保获得测量具有不同尺寸的气体包裹体的流出物的特性的可靠数据。
此外，本发明保证该装置的致密性和其简单的可携带性。
上述特征可通过如技术方案1所述的方法来实现。在沿一管线流动的多相混合物中的液体组分和气体的体积流量由一安装到管线中的测流室确定，该测流室包括沿着流动方向串行设置的两个管线段，所述“段”在本申请文本中也称为“区”，所述两个管线区具有不同的流动截面积：F2＝k F1(直径D2＝D1√k)k≠1。
当k≈0.5时，流动截面积的改变会使测量管线区中的液相速度和气相实际速度( wg，1＜ wg，2)产生很大的变化，而气体内含物的相对速度和混合物中的气体实际体积浓度 的变化却不大。对混合物流动模型进行计算分析，得出一个用于确定通过被校准的管线区的多相流的液相体积流量的公式：
Ql＝k/(1-k)F1[ wg，2(1- 2)- wg，1(1- 1)].
利用下列公式确定气体体积流量：
Qg＝F1 wg，1· 1＝F2 wg，2· 2.
利用带有沿着一个流动截面的半径设置在测量管线区内的一组换能器的多相流的超声波检测取样体积确定在校准的管线区中的气相的实际速度wg、气体的体积浓度 、诸如水W和油(1-W)液相的体积浓度。这些换能器用作取样体积中的声信号的发射器和接收器。
接着在测量的管线区的横截面积上对所获得的多相流的局部性能的数值取平均值。
利用传感器信号的交互相关或者利用多普勒(Doppler)方法进行气体实际速度的测量，优选利用电容换能器或光学传感器进行测量。
通过介质的取样体积的声导率的指示进行气体的体积浓度的测量。
液相组分的体积浓度的超声波测量基于声脉冲通过取样体积的时间的确定，这是由于已经发现，在诸如水/油混合物的液体中，信号通过的时间实际上线性地取决于这些组分的体积浓度的比例而与乳液类型无关。
也可利用一种如技术方案15所述的设备来提供上述特征。在沿一管线流动的液-气多相混合物中的液体组分和气体的体积流量和体积浓度由一安装到管线中的测流室确定。所述测流室包括沿着流动方向串行地设置的两个管线区，所述两个管线区具有不同的流动截面积：F2＝k F1(直径D2＝D1√k)k≠1。
流动截面积的改变(当k≈0.5时)会使测量管线区中的液相速度和气相实际速度( wg，1＜ wg，2)产生很大的变化，而气体内含物的相对速度和混合物中的气体实际体积浓度 的变化却不大。利用在第一和第二测量管线区中的液相(1- )所占的一部分管线截面的一部分与气相实际速度wg乘积之差来确定一个液相的体积流量：
Ql＝k/(1-k)F1[ wg，2(1- 2)- wg，1(1- 1)].
利用下列公式确定气体体积流量：
Qg＝F1  wg，1· 1＝F2  wg，2· 2.
利用带有沿着一个流动截面的半径设置在测量管线区内的一组换能器的多相流的超声波检测局部体积确定在校准的管线区中的气相实际速度 wg、气体体积浓度 、诸如水W和油(1-W)液相的体积浓度。
一个局部气体速度计的操作原理基于一个声导率换能器的信号幅值的互相关函数的确定。两个换能器沿着流动方向以一个在另一个上游的方式被设置并且两者之间保持一个固定距离。声换能器包括由用于提供取样体积的声照射的超声波脉冲的发射器和接收器。换能器可用作以“发射-接收”模式工作的反射信号的发射器和接收器。
该速度计的电-声通道是以下列方式操作的：来自于脉冲发生器的电压脉冲到达发射器，电压脉冲在发射器中被转换成超声波脉冲。在通过取样体积后，它们被接收器接收，被转换成电压脉冲，被放大并且被送至一个由选通脉冲控制的峰值检测器输入。选通脉冲确定期望信号接收的时间间隔。在峰值检测器输入处的电压与被接收的信号的幅值成比例并且是由在传感器取样体积中的声能损耗确定的。峰值检测器的输出信号到达一个计算器，计算器确定一个互相关函数或者自相关函数(在一个换能器的情况下)并且计算气相或者不包括气体的液相的实际局部速度。
除了已经提及的原理之外，利用朝向多相流上游的超声波脉冲对一种介质的感测来测量气相局部速度的Doppler方法也可被使用。在这种变型中，发射器和接收器也被设置在测量管线区内。
气体体积浓度测量计的操作原理基于一个取样体积的声导率的指示。来自于电压脉冲发生器的信号被送至包括发射机和波导的发射器上。在转换的声脉冲通过波导达到取样体积后，通过该体积并且通过一个接收波导到达所述发射机，它们在所述发射机中被转换成电压信号，电压信号在经过放大后到达一个峰值检测器。选通脉冲形成装置在期望信号到来的时间内断开峰值检测器。与被接收的信号的幅值成比例的峰值检测器的输出信号到达一个比较器，比较器将峰值检测器的输出信号与由鉴别电平的形成装置设定的鉴别电平进行比较。比较器的输出信号到达一个计算器，计算器根据气相在取样体积中存在的时间与全部测量时间的比率确定在一个介质中的气相体积含量。
液体组分体积浓度的超声波测量计的操作原理基于超声波脉冲通过多相流的取样体积的时间的确定，这是由于已经发现，在诸如水/油的混合物中，超声波信号通过的时间实际上线性地取决于液体组分的体积浓度的关系而与乳液类型无关。选择发射器和接收器之间的距离以防止尺寸大于1毫米的大的气体包裹体通过。来自于发生器的电压脉冲被送至能够形成声脉冲的超声波发射器。声脉冲通过一个取样体积，被接收器接收并且被转换成电压信号，电压信号被放大接着被送至一个被选通的比较器。利用能够保证线路的高抗干扰性的选通脉冲形成装置在期望信号接收的时间内断开比较器。在形成发射脉冲的同时，启动一个形成脉冲持续时间的线路。利用来自于比较器输出的信号中止该线路。这样，输出信号的持续时间等于超声波信号从发射器到达接收器的时间。接着，将该脉冲转换成一个幅值信号并且到达一个计算器中，计算器确定液相组分的体积浓度。
根据设定程序的处理单元功能控制局部流动参数wg，1、wg，2、1、2、W的测量计的操作，在测量管线区的横截面上对这些参数取平均值并且计算液相组分和气体的体积流量。
附图的简要说明
图1a、1b示出了在本发明的框架内提出的多相流量装置的构造。
图2是表示换能器的顺序位置的变型的气相局部速度计的框图。
图3是图2中所示框图中处理的信号的电压图。
图4示出了峰值检测器的输出信号的互相关函数的典型形式。
图5是表示串行设置的换能器的变型(以“发射-接收”模式)的气相局部速度计的框图。
图6是图5中所示框图中处理的信号的电压图。
图7是在一对换能器以形成自相关函数的模式工作时的气相局部速度计的框图。
图8示出了峰值检测器的输出信号的自相关函数的典型形式。
图9是在一个换能器以“发射-接收”模式工作时的气相局部速度计的框图。
图10是图9中所示框图中处理的信号的电压图。
图11示出了在使用一个换能器的变型中的峰值检测器的输出信号的自相关函数形式。
图12是气相局部速度的超声波Doppler测量计的框图。
图13示出了图12中所示的超声波Doppler速度计的框图中的信号的典型形式。
图14是用于测量气相局部速度的超声波Doppler测量计的框图的第二种变型。
图15是图14中所示框图中处理的信号的电压图。
图16是存在与一种多相混合物中的气体含量测量计的框图。
图17是气体含量测量计的框图中处理的信号的示意图。
图18是峰值检测器的输出信号的示意图。
图19是液相组分体积浓度的超声波测量计的框图。
图20是在用于测量液相组分体积浓度的框图中处理的信号的电压图。
图21是液相组分体积浓度的超声波测量计的框图的第二变型。
图22是液相组分体积浓度测量计的框图的第二变型中的信号的电压图。
本发明具体实施例
图1a和1b示出了用于确定在一种多相混合物中的液体组分和气体的体积流量的设备的测流室的构造。
该测流室通过法兰连接被安装在一个管线中。该流室包括两个沿着流动方向串行设置的测量管线区1和2，所述两个管线区具有不同的流动截面积：F2＝k F1(直径D2＝D1√k)。对于图1，使k＜1。
流动截面积的改变会使具有横截面积F1和F2的测量管线区中的液相速度和气相实际速度产生很大的变化。为了保证流动的最小流体动力学干扰，利用过渡管线区3和4实现从第一区到第二区的过渡以及回到管线的初始横截面积F1。一个实际速度计和气体含量测量计的每一个传感器5和6包括一组沿着截面的半径设置在测量管线区内的换能器。液体组分的体积浓度测量计的传感器7包括一组设置在第一管线区的腔中的换能器。为了加速在换能器体积内的粘滞介质变化的处理以及去除石蜡沉积物，这些传感器装有机械清洁装置或者电子加热器。这些传感器以这样一种方式被安装，即，使它们可从测量管线区中被取出，例如以便于技术维护或者更换。
让我们单独考虑作为该装置的一部分的多相流参数的测量计以及用于确定混合物组分的体积流量的多相混合物流的计算模型。
利用一种其中以各种尺寸的气体包裹体表示气相的液/气混合物的计算模型确定各相的流量。取平均的实际数值用于公式中。
在第i流动横截面积中的气相实际体积浓度为：
i＝Fg，i/Fi，                                           (1)
其中
Fi＝π/4Di2是第i个管线区的横截面积；
Fg，i＝i·Fi是气体所占的横截面积。
由于Fi＝Fg，i+Fl，i，其中Fl，i是液体所占的横截面积，我们可将公式(1)改为：
Figure C0180924900141
其中
wr g，i＝Qg，i/Fi是在第i个管线区中的气相的减小的速度，
    其中，Qg,i是在第i个管线区中的气相的体积流量；
wr l，i＝Ql，i/Fi是在第i个管线区中的液相的减小的速度，
    其中，Ql，i是在第i个管线区中的液相的体积流量；
wg，i＝Qg，i/Fg，i是在第i个管线区中的气相的实际速度，
    其中，Qg，i是在第i个管线区中的气相的体积流量；
wl，i＝Ql，i/Fl，i是在第i个管线区中的液相的实际速度，
    其中，Ql，i是在第i个管线区中的液相的体积流量；
    以及Fl，i＝(1-i)Fi是液体所占的第i个管线区的截面积。
由于，除了wl，i＝wr l，i(1-i)，以及wg，i＝wl，i+wg，i rel，其中wg，i rel是在第i个管线区中的气相的相对速度，因此我们得到：
根据试验数据，气泡wg，i rel的相对流速(上浮的群速度)与实际体积浓度i存在下列关系：
wg，i rel＝wg，∞/(1-i)，                             (4)
其中wg，∞是在无限液体介质中的单个上浮气泡的平均速度。
在测量管线区中的实际速度wg，1和wg，2与相对速度存在下列关系：
wg，1＝wl，1+wg，1 rel以及wg，2＝wl，2+wg，2 rel.        (5)
用第二等式(5)减去第一等式(5)，我们得到下列等式：
wg，2-wg，1＝Δwg＝(wl，2-wl，1)+(wg，2 rel-wg，1 rel)， (6)
该等式也可被写成下列形式：
Δwg＝wr l，2/(1-2)-wr l，1/(1-1)+wg，∞[1/(1-2)-1/(1-1)]                                                              (7)
假设，存在下列关系F2＝k F1，其中k≠1，并且考虑到，wr l，i＝Ql，i/Fi，我们得到：
因为Ql，i＝Q1。
利用关系式(3)和(4)可以得到：
i＝wr g，i/(wr g，i+wr l，i+wg，∞).                             (9)
在进行适合的换算并且考虑到Qg，i＝Qg，我们得到：
1/i＝1+Ql/Qg+Fiwg，∞/Qg.                                     (10)
代入数值Qg，i＝Fiiwg，i，其中wg，i和i是被测量的数值，我们得到：
Figure C0180924900162
其中根据
Figure C0180924900163
因此
Ql＝Fi[wg，i(1-i)-wg，∞].             (13)
应该注意的是，在固定液体(Q1＝0)的情况下，根据公式(13)能够得到下列关系：wg，i＝wr g，∞(1-i)，这与在wg，i＝wg，i rel的情况下得到的相对速度(4)的确定是相符的。
根据公式(13)得到：
Ql＝F1[wg，1(1-1)-wg，∞]                       (14)
以及
Ql＝F2[wg，2(1-2)-wg，∞].                      (15)
根据等式(14)和(15)，并且考虑到F2＝k F1，其中k≠1，我们得到：
Ql＝F1[wg，2(1-2)-wg，1(1-1)]k/(1-k).         (16)
这样，根据关系式(16)从在第一和第二测量管线区中所测得的气相的实际速度和体积浓度确定在校准的管线区中的液相的体积流量。如果F2＝0.5F1，表达式(16)变为：
Ql＝F1[wg，2(1-2)-wg，1(1-1)].                (17)
此外，应该注意的是，如果1＝2＝0，那么速度计应该固定液相的声不均匀性以及相应的速度wl，1和wl，2。这样，关系式(16)转变成公式：Ql＝F1·wl，1，并且如果1＝2＝1，那么该关系式的形式为Ql＝0。
利用下列公式确定液相组分的体积流量：
Qoil＝Ql(1-W)和Qw＝Ql·W，                       (18)
其中W是在乳液中的水的体积浓度。利用下列关系式确定气相的体积流量：
Qg＝wg，1·F1·1＝wg，2·F2·2.              (19)
图2示出了多相混合物的气体局部速度wg的超声波测量计的框图。该测量计的电路包括：电压脉冲发生器8；与发生器8串联的第一换能器9，第一换能器9包括发射器10和接收器11(在它们之间的一个间隙形成了第一取样体积12)；第一放大器13和被选通的第一峰值检测器14。下列元件与发生器8串联：第二换能器15，第二换能器15包括发射器16和接收器17(在它们之间的一个间隙形成了第二取样体积18)，第二放大器19和被选通的第二峰值检测器20。此外，延迟的选通脉冲的形成装置21以及第一峰值检测器14和第二峰值检测器20与发生器8相连。后面提及的峰值检测器分别通过第一模拟-数字转换器(ADC)22和23与计算器24和显示器25相连。
传感器9和15以这样一种形式被设置在管线内，即，使多相流首先通过一个取样体积(例如取样体积18)再通过另一个取样体积(例如取样体积12)。以这样一种方式选择换能器的尺寸，即，能够产生最小的流动干扰(换能器的直径≤3毫米)。发射器和接收器之间的距离δ为2毫米，并且下面成对的换能器和上面成对的换能器之间的距离1等于3÷5毫米。第一对换能器和第二对换能器的波导在传感器的平面图中是相互垂直以提高多相流的流体动力性能。
一种超声波局部速度计以下列方式操作。来自于发生器8的电压脉冲被传输到发射器3和9，被转换成超声波脉冲并且通过取样体积12和18，接着它们被接收器11和17接收，被转换成电压信号，经放大器13和19的放大并且被传输到被选通的峰值检测器14和20。在以固定的脉冲频率传输超声波脉冲的同时，选通脉冲到达峰值检测器14和20的选通输入，超声波脉冲通过的时间是由发射器和接收器之间的距离确定的。选通脉冲将峰值检测器切换到一个启动状态。因此，与所接收的声信号的幅值成比例的电压电平形成在峰值检测器的输出(见图3中所示的电压图)。在ADC22和ADC23中经过模拟-数字转换后，电压信号被传输到计算器24，计算器24计算关于所接收的声信号的互相关函数(CCF)并且将其示出在显示器25上。
由于离散结构，多相混合物是一种声不均匀的介质。因此，所接收的信号的幅值将出现波动。首先当声扩散体(大部分是气体包裹体，主要用于超声波脉冲的扩散)通过第二取样体积时产生波动。因此，在第二峰值检测器20处的输出信号的幅值改变并且接着带有一些延迟，所述延迟等于声扩散体从第二取样体积到第一取样体积的时间τ，在第一峰值检测器14处的输出信号的幅值也改变。峰值检测器的输出信号的统计数据累积提供一个CCF的最大值的形成，其沿着时间轴线的坐标等于τ。因此，利用下列表达式确定局部气体速度：
wg＝1/τ，
其中1是第一取样体积和其二取样体积之间的距离。
图4中示出了该互相关函数的典型形式。
通过测量局部气体速度的声检测多相混合物的另一种变型也是可以的。在这种情况下，使用两个串行设置的声换能器，所述声换能器以“发射-接收”模式工作。图5中示出了这样一种情形。
在该变型中，速度计包括两个相同的电声通道，每一个包括下列串联的元件：一个声传感器26、一个放大器13、一个被选通的峰值检测器14、一个模拟-数字转换器(ADC)22以及一个电脉冲发生器8，电脉冲发生器8通过一个取样体积电阻器27和一个延迟选通脉冲的形成装置21与传感器26相连。形成装置21与峰值检测器14的选通输入相连。所述通道的输出与一个计算器24以及接着一个显示器25相连。声传感器位于一个管线内以使多相流28顺序地首先通过第一通道的一个取样体积，接着通过第二通道的一个取样体积。
该测量计以下列方式操作。来自于发生器28的电脉冲被传输到声传感器26，它们在声传感器26中被转换成超声波信号并且被发射到多相流28中。接着，一部分声能从介质扩散体发射并且回到传感器26，被放大器13放大并且被传输到被选通的峰值检测器14。同时来自于形成装置21的延迟选通脉冲被传输到峰值检测器14的选通输入(见图6中的电压图)。电阻器27执行发生器8的输出与放大器13的输入的去耦。在峰值检测器14的输出处，形成与所接收的声信号的幅值成比例的电压电平。考虑超声波信号从传感器到取样体积以及返回的通过时间，设定选通脉冲相对于发生器8的脉冲的延迟时间t0(见图6)。
在峰值检测器的输出处的信号幅值根据在一个取样体积中的声扩散体的出现而产生波动。由于扩散体首先通过第一传感器的取样体积接着通过第二传感器的取样体积，因此形成了它们的CCF上的最大值。该最大值的沿着时间轴线的坐标τ是由扩散体从第一传感器到第二传感器的通过时间确定的。包含在一种介质中的扩散体的速度是由下列公式确定的：
wg＝1/τ，
其中1是第一传感器和其二传感器之间的距离。
为了计算，来自于第一通道和第二通道的峰值检测器的输出的CCF信号通过ADC到达计算器24。计算结果显示在显示器25上。
除了上述变型以外，可利用一个换能器来实现气体局部速度计，所述换能器具有一对声信号发射器和接收器并且也位于所述管线内。以彼此相对的方式设置发射器和接收器并且形成一个取样体积。选择它们之间的距离以使一种混合物能够自由流过所述取样体积。利用通过一个间隙的声扩散体使超声波信号在所述扩散体通过取样体积的时间内衰减。根据这些情况，形成一个输出信号的自相关函数并且确定扩散体通过取样体积的时间。图7中示出了气体局部速度计的这种变型。在这种情况下，该电路包括下列串联的元件：电脉冲发生器8、与接收器11声连接的发射器10、放大器13、被选通的峰值检测器14、模拟-数字转换器(ADC)22、计算器24和显示器25。发生器8还通过一个延迟选通脉冲的形成装置21与峰值检测器的选通输入相连。发射器10和接收器11之间的间隔表示一个取样体积12。
该速度计以下列方式操作。来自于发生器8的电脉冲到达发射器10，被转换成超声波信号并且通过取样体积12到达接收器11，接着到达放大器13和峰值检测器14。同时，在信号从发射器到接收器的传播时间内延迟的来自于形成装置21的选通脉冲被送至峰值检测器的选通输入。来自于峰值检测器14的输入的并且与所接收的信号幅值成比例的电压被传输给ADC22，接着被传输给计算器24和显示器25。当颗粒尺寸小于取样体积的声信号扩散体存在于多相流中时，进入到取样体积中的每一个扩散体将导致所接收的信号的幅值波动。幅值波动的时间基本上等于扩散体通过取样体积的时间。自相关函数为数据统计取样确定了平均时间。图8中示出了自相关函数的一种典型形式。因此，可利用下列公式计算气体局部速度：
wg＝d/τ1，
其中d是压电发射板在流动方向上的一个线性尺寸，
τ1是该自相关函数的一个波瓣宽度(图8)。
气体局部速度计的另一个变型也是可以的。图9中示出了其技术实现过程。在该变型中，该速度计的电路包括下列串联的元件：一个声换能器26、一个放大器13、一个被选通的峰值检测器14、一个模拟-数字转换器22、一个计算器24、一个显示器25以及发生器8，所述发生器8通过电阻器27与换能器26相连并且通过一个延迟选通脉冲的形成装置21与峰值检测器14的选通输入相连。换能器26位于一个管线内以使多相流28以与流动方向垂直的方向穿过换能器26的声场。
该速度计以下列方式操作。来自于发生器8的电压脉冲通过电阻器27被传输到换能器26，它们在换能器26中被转换成声信号并且以与流动方向垂直的方向被发射到多相流28中。一部分声能从多相介质的声扩散体(大部分是气体包裹体)反射并且返回换能器26，在换能器26中被转换成电信号，所述电信号通过放大器13到达峰值检测器14。同时，来自于形成装置21的延迟选通脉冲被传输到峰值检测器14的选通输入(见图10中所示的电压图)。
一个电阻器使发生器8的输出和放大器13的输入去耦。在峰值检测器14的输出处的电压幅值与所接收的信号的幅值成比例。
根据超声波信号从换能器26到取样体积以及返回的通过时间，设定选通脉冲相对于发生器8的脉冲的延迟时间t0(见图10)。
在峰值检测器的输出处的信号幅值根据在一个取样体积中的声扩散体的出现而产生波动。幅值波动的时间基本上等于扩散体通过取样体积的时间。在扩散体的尺寸远小于取样体积的尺寸的情况下，可按照下列公式根据自相关函数确定气体局部速度：
wg＝d/τ1，
其中d是压电发射板在流动方向上的一个线性尺寸，
τ1是该自相关函数的一个波瓣宽度(图11)。
除了上述变型以外，利用速度确定的Doppler方法的超声波局部气体速度计的另一个实施例也是可以的。在这种情况下，线性尺寸高达3毫米的发射器和接收器以相互之间保持一个固定角度的方式被设置在校准的管线区。图12中示出了该速度计的电路。该速度计包含一个与发射器10相连的电脉冲发生器8。接收器11通过一个放大器13与一个相位检测器-倍增器29相连。下列元件与检测器29的输出串联：一个低通滤波器30、第二放大器31、一个信号频谱计算器32和一个显示器25。以下列方式在该测量电路中处理信号。在多相流的声扩散体对发射出来的超声波振动反射后，声信号到达接收器11，被转换成电压信号，通过放大器13被传输到相位检测器29的第一输入。来自于发生器8的电压信号被送至相位检测器29的第二输入。来自于检测器29的输出的低频信号通过滤波器30和放大器31被送至计算器32，在计算器32中，与声扩散体到达换能器的速度成比例的Doppler频率被确定并且接着计算气体局部速度。处理的结果被送至显示器9。图13中示出了该电路中的信号处理。
图14中示出了超声波Doppler气体局部速度计的实施例的另一个变型。线性尺寸高达3毫米的发射器和接收器也以相互之间保持一个固定角度的方式被设置在校准的管线区。该速度计的测量电路包括与发射器10相连的电压脉冲发生器8。接收器11通过一个放大器13与一个相位检测器-倍增器29相连，相位检测器-倍增器29的输出与一个“取样-存储”块30相连。相位检测器29的第二输入与发生器8相连。“取样-存储”块30的输入通过延迟选通脉冲的形成装置21与发生器8相连。块30的输出与计算器32相连，并且接着与显示器25相连。
该速度计以下列方式操作。电压脉冲从发生器8被传输到发射器10并且产生沿着与流动方向相反的方向传播的声脉冲。从主要由气泡构成的声扩散体反射的脉冲到达接收器11并且通过放大器13被传输到相位检测器-倍增器29的第一输入。一个高频信号从发生器8被送至检测器29的第二输入。一个低频信号从检测器29被送至“取样-存储”块30，“取样-存储”块30在由形成装置21的延迟选通脉冲的时间位置确定的时刻在其输入中记录信号。在计算器32中执行对来自于“取样-存储”块30的信号进行频谱处理，在计算器32中，与声扩散体到达发射机的速度成比例的Doppler频率被隔离并且接着计算气体局部速度。处理结果显示在显示器25上。图15中示出了在该电路中的信号处理。
超声波气体含量测量计(见图16)包含一个与发射器10串联的电压脉冲发生器8，发射器10与接收器11、放大器33和被选通的峰值检测器34声连接。发生器8还通过延迟选通脉冲的形成装置35与峰值检测器34的选通输入相连。峰值检测器的输出与第一比较器36的直接输入、与第二比较器37的反相输入以及一个计算器24相连。比较器36和37的输出也与计算器24相连以及接着与显示器25相连。第一峰值检测器的反相输入和第二峰值检测器的直接输入分别与第一电压设定装置38和第二电压设定装置39相连。发射器10和接收器11以一个与另一个相对的方式被固定以形成一个取样体积40。
该测量计是以下列方式操作的。由发生器8产生的矩形电压脉冲被发射器10转换成超声波脉冲，超声波脉冲被发射到取样体积40中，到达接收器11，被转换成电压脉冲并且通过放大器33被传输到峰值检测器34。图17中示出了一个测量计测量电路的各元件中信号处理的示意图。在峰值检测器34的输出处形成与在延迟选通脉冲到达时所接收的信号幅值成比例的电平。
被接收的信号幅值是由取样体积40中的气体体积浓度确定的。当取样体积被液体充满并且没有气体包裹体时，被接收的信号幅值处于最大值，并且在峰值检测器34的输入处的电压电平高于设定装置38的电压(U1)。这导致比较器36的启动并且在其输出处形成一个单独的逻辑信号。该逻辑信号被送至计算器24并且在气体体积浓度＝0时被计算器24考虑(见图18)。在一个实际的多相流中的气体包裹体的尺寸是不同的并且可小于和大于取样体积40的尺寸。当气泡或者气柱的尺寸超过取样体积的尺寸时，超声波脉冲的传播被完全阻挡，被接收的信号幅值减小到由噪声级所确定的最小值，并且在峰值检测器34的输出处的电压电平也达到最小，并且低于设定装置39的电压(U2)。在这种情况下，比较器37启动并且产生一个在气体体积浓度＝1时被计算器24考虑的单独的逻辑信号。
当气泡的尺寸小于取样体积40的尺寸时，峰值检测器34的输出信号幅值在从U1到U2的范围内(见图18)并且由下列关系式确定：
U＝Umax exp(-k·nb·db 2)，                   (20)
其中
Umax是当液相充填被控制的体积时的信号幅值，
K是由传感器的几何尺寸、超声波频率等确定的比例因子，
nb是气泡的浓度，
db是气泡的直径。
考虑到，由于混合物流动而使取样体积中气泡的浓度发生连续变化，信号幅值也出现波动。取样体积中的气泡数量是由Puasson法则确定的。因此，通过测量被接收的信号及其弥散值的平均值，利用计算器24根据一种已知的数学模型计算nb和db的数值。按照下列公式确定气体体积浓度：
其中，V是取样体积，
N＝nb·V是取样体积中的气泡数量。
在气体包裹体在多相流中的组分可变的情况下，利用下列关系式确定气相浓度：
Figure C0180924900242
T＝t1+t2+t3是时间的平均值，其中
t1是当气体包裹体不存在于取样体积中时的时间段，
t2是当表现为大直径气泡和气柱的气体包裹体存在于取样体积中时的时间段，
t3是当小直径气泡存在于取样体积中时的时间段。
根据技术实施的条件或者传感器的应用来选择取样体积的尺寸，该尺寸通常小于1立方毫米。
图19中示出了液体组分的体积浓度的超声波测量计的框图。该测量计的测量电路包括一个电压脉冲发生器8以及下列与其串联的元件：一个与接收器11声连接的发射器10、放大器41、第一比较器42、第一元件2& 43、第一RS触发器44、第二元件2& 45、第二RS触发器46以及一个“持续时间-幅值”转换器47。发生器8还与延迟选通脉冲的形成装置48以及RS触发器44和46的第二输入相连。第一比较器42的第二输入与一个电压设定装置49相连。放大器41的输出与一个第二比较器50相连，其输出与第二元件2& 45的第二输入相连。延迟选通脉冲的形成装置48的输出与第一元件2& 43的第二输入相连。
发射器和接收器以一个与另一个相对的形式被安装在一个工具主体51上，从而形成一个取样体积52。
工具主体51装有加热器53和用于对所述取样体积52进行清洁的元件54。
体积浓度的超声波测量计以下列方式操作。
由发生器8产生的矩形电压脉冲通过发射器10被转换成超声波脉冲。在通过取样体积52后，它们到达接收器11并且被转换成电脉冲。接着，所述信号通过放大器41被传输到第一比较器42的直接输入。
在发送电压脉冲的同时，第一RS触发器44被切换到一个“0”状态并且第二RS触发器46被切换到一个“1”状态。
由于比较器42的反相输入与电压设定装置49相连，因此当被接收的信号幅值超过一个设定电压时启动比较器42。来自于比较器42的输出的脉冲通过被从延迟选通脉冲的形成装置48输出的脉冲选通的第一元件2&43被传输到第一RS触发器44的S输入并且将其切换成“一”状态(见图20中的电压图)。利用超声波脉冲从发射器10到接收器11的传播时间确定一个时间滞后。利用一个延迟元件排除由电子和声噪声所规定的测量计的错误启动。
由于第二比较器50的其中一个输入与地线相连，因此当被接收的信号幅值与一个“零”标记交叉以平整固定一个很弱的信号时，它每次产生电压脉冲(见图20)。该比较器的输出信号不取决于被接收的信号幅值。
来自于第一RS触发器44的一个输出并且被传输到第二元件2& 45的其中一个输入的信号能够使来自于第二比较器50的信号通过，表示被接收的信号与一个“零”标记交叉。第一“零”标记交叉使第二RS触发器46启动，这样将其切换到“零”状态。这样形成的电压脉冲具有与超声波脉冲从发射器10到接收器11的通过时间成比例的持续时间并且不取决于超声波脉冲幅值。接着，这些脉冲在转换器47中被转换成与其被传输到计算器和监视器的持续时间成比例的幅值信号。
在液体组分体积浓度的超声波测量计的第二个变型(见图21)中，一个电压设定装置用作一个被选通的峰值检测器55(见图21)。其输入与放大器41的输出相连，一个选通输入与延迟选通脉冲的形成装置48的输出相连，以及峰值检测器55的输出通过分压器56与第一比较器42的第二输入相连。
该电压设定装置以下列方式操作。来自于放大器41的电压信号被传输到峰值检测器55。在利用超声波脉冲从发射器10到接收器11的通过时间确定一个时间滞后的同时，来自于延迟选通脉冲的形成装置48的信号到达其选通输入(见图22)。因此，等于信号幅值的最大值的电压电平形成在峰值检测器55的输出处。通过分压器56的电压信号衰减以便在由于被控制的介质性能和温度出现变化以及由于测量电路元件的老化等而使其产生变化时能够以所选择的信号半波确保第一比较器42的安全启动。
使用这样的电压设定装置，通过在规定的介质中信号衰减的显著变化(10倍)，例如，通过在取样体积内出现气泡、组分离散以及通过其他原因，能够自动地支持比较器启动的电平。
利用测量计的处理单元根据一组程序可以控制测量计的局部数值wg，1、wg，2、1、2、W的操作。也可利用处理单元进行上述指示的数值的校准的管线区的时间平均和横截面平均。另外，可利用处理单元根据公式(16、18、19)确定诸如液体、油、水和气体的多相流组分的体积流量Ql、Qoil、Qw、Qg。
尽管上述本发明特别适用于油、水和气体的混合物，但是必须理解的是，如所附的技术方案所限定的本发明的原理也适用于其他混合物。
另外，尽管图1中的示例示出的管线区顺序是从流动方向看过去横截面积逐渐减小，但是也可使用相反的管线区顺序，即从流动方向看过去横截面积逐渐增大的管线区顺序。

Claims (21)

1.用于确定沿着一管线的多相混合物流的气相和液相的流量的方法，其包括下列步骤：
a.测量在管线的一个管线区(1)中的混合物的气相实际速度w；
b.测量在管线区(1)中的混合物的声导率；
c.根据所测定的在管线区(1)中的混合物的声导率确定在管线区(1)中的混合物的一个气相的体积浓度()；
d.利用所述气相实际速度w和所述气相体积浓度的数值确定混合物的气相的体积流量Qg、混合物的液相体积流量Ql的第一液相组分的体积流量Q1和第二液相组分的体积流量Q2，
其特征在于，
所述管线区是第一管线区(1)；
e.提供与所述第一管线区(1)串行设置的第二管线区(2)，所述第一管线区(1)和第二管线区(2)具有不同的横截面，以使混合物流速在两个管线区(1、2)的接合处发生变化；
f.测量在第二管线区(2)中气相实际速度；
g.测量在第二管线区(2)中的混合物的声导率；
h.根据所测定的在第二管线区(2)中的混合物的声导率确定在第二管线区(2)中的混合物的气相的体积浓度；
i.根据在至少一个管线区中所测定的混合物的声导率确定混合物的不同液相的体积浓度W；
j.结合使用在第一管线区(1)和第二管线区(2)中所得到的所述气相实际速度w和气相体积浓度的数值确定体积流量Qg、Ql、Q1、Q2。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，第一管线区(1)的横截面积F1不同于第二管线区(2)的横截面积F2，并且F2＝kF1，其中k≠1。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，利用下列公式确定液相体积流量：
Ql＝k/(k-1)F1[w2(1-2)-w1(1-1)]，
其中
w1、w2是分别在第一管线区(1)和第二管线区(2)中的气相的平均实际速度，
1、2是分别在第一管线区(1)和第二管线区(2)中的混合物中气体的平均实际体积浓度；
利用下列公式确定气相体积流量：
Qg＝F1w11或者Qg＝F2w22，
利用下列公式确定液相的第一组分的体积流量：
Q1＝WQl，
利用下列公式确定液相的第二组分的体积流量：
Q2＝(1-W)Ql。
4.如上述任何一项权利要求所述的方法，其特征在于，在所述第一管线区(1)和第二管线区(2)的每一个所述横截面中的不同径向位置处测量气相的速度w，并且对于每一个横截面的所测定的局部速度值取平均值以提供一个用作在计算中的速度值的数值。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述第一管线区(1)和第二管线区(2)的每一个所述横截面中的不同径向位置处测量气相的浓度，并且对于每一个横截面的所测定的体积浓度值取平均值以提供一个用作在计算中的浓度值的数值。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，利用超声波换能器进行所述测量。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，利用在第一管线区(1)和第二管线区(2)的至少一个中的至少一个横截面中的超声波换能器以及通过测量超声波脉冲从换能器通过混合物的通过时间来确定混合物的液相组分的体积浓度W。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，利用在第一管线区(1)和第二管线区(2)中的至少一个横截面中的超声波换能器以及通过测量超声波脉冲从换能器通过混合物的幅值来确定混合物的气相组分的体积浓度。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，利用在第一管线区(1)和第二管线区(2)中的至少一个横截面中的超声波换能器以及通过互相关或者自相关方法来确定混合物的各相的速度w。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，利用在第一管线区(1)和第二管线区(2)中的至少一个横截面中的超声波换能器以及通过测量来自于换能器的超声波脉冲的多普勒频率来确定混合物的各相的速度w。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，利用电导率换能器进行所述气相实际速度的测量。
12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，利用电容换能器进行所述气相实际速度的测量。
13.如权利要求1所述的方法，其特征在于，利用光学传感器进行所述气相实际速度的测量。
14.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述混合物的液相组分是水和油。
15.用于确定沿着一个管线的多相混合物流的气相和液相的流量的设备，其包括：
a.速度传感器(5)，速度传感器(5)设置在管线的一个管线区(1)中并且与用于测量在管线区(1)中的混合物的气相的实际速度w的电路相连；
b.声导率传感器(6)，声导率传感器(6)设置在管线区(1)中并且与用于测量在管线区(1)中的混合物的声导率以及根据所测定的在管线区(1)中的混合物的声导率确定在管线区(1)中的混合物的气相的体积浓度的电路相连；
c.处理单元，该处理单元包括利用所述气相实际速度w和所述气相体积浓度的数值确定混合物的气相的体积流量Qg、混合物的液相体积流量Ql的第一液相组分的体积流量Q1和第二液相组分的体积流量Q2的电路；
其特征在于，
所述管线区是第一管线区(1)；
d.与所述第一管线区(1)串行设置的第二管线区(2)，所述第一管线区(1)和第二管线区(2)具有不同的横截面，以使混合物流速在两个管线区(1、2)的接合处发生变化；
e.另一个速度传感器(5)，该速度传感器(5)设置在第二管线区(2)中并且与用于测量在第二管线区(2)中的混合物的至少一个相的实际速度w的电路相连；
f.另一个声导率传感器(6)，该声导率传感器(6)设置在第二管线区(2)中并且与用于测量在第二管线区(2)中的混合物的声导率以及根据所测定的在第二管线区(2)中的混合物的声导率确定在第二管线区(2)中的混合物的气相的体积浓度的电路相连；
g.液体浓度传感器(7)，液体浓度传感器(7)设置在所述管线区(1、2)中的一个管线区(1)中并且与另一个根据在所述一个管线区(1)中所测定的混合物的声导率确定混合物的不同液相组分的体积浓度W的电路相连；以及
其中，所述处理单元结合使用在第一管线区(1)和第二管线区(2)中所得到的气相实际速度wg、所述气相体积浓度以及第一液相组分和第二液相组分的体积浓度的数值确定体积流量Qg、Ql、Q1、Q2。
16.如权利要求15所述的设备，其特征在于，对于每一个管线区(1、2)，使用下列用于测量所述混合物的气相和液相的局部流动特性的装置：
用于根据相关性或者多普勒方法测量混合物的气体实际速度w的超声波气体速度计；
超声波气体体积浓度测量计；
液体组分体积浓度的超声波测量计。
17.如权利要求15所述的设备，其特征在于，使用相对于每一个管线区(1、2)垂直设置的并且利用测量静压力差来确定气体体积浓度的设备。
18.如权利要求15所述的设备，其特征在于，所述气体速度计在所述第一管线区(1)和第二管线区(2)的每一个所述横截面中的不同径向位置处测量气相的速度w，并且对于每一个横截面的所测定的局部速度值取平均值以提供一个用作在计算中的速度值的数值。
19.如权利要求15所述的设备，其特征在于，所述气体体积浓度测量计在所述第一管线区(1)和第二管线区(2)的每一个所述横截面中的不同径向位置处测量气相的浓度，并且对于每一个横截面的所测定的体积浓度值取平均值以提供一个用作在计算中的浓度值的数值。
20.如权利要求15所述的设备，其特征在于，第一管线区(1)的横截面积F1不同于第二管线区(2)的横截面积F2，并且F2＝kF1，其中k≠1，并且能够利用下列公式计算液相体积流量：
Ql＝k/(k-1)F1[w2(1-2)-w1(1-1)]，
其中
w1、w2是分别在第一管线区(1)和第二管线区(2)中的气相的平均实际速度，
1、2是分别在第一管线区(1)和第二管线区(2)中的混合物中气体的平均实际体积浓度；
利用下列公式确定气相体积流量：
Qg＝F1w11或者Qg＝F2w22，
利用下列公式确定液相的第一组分的体积流量：
Q1＝WQl，
利用下列公式确定液相的第二组分的体积流量：
Q2＝(1-W)Ql。
21.如权利要求15所述的设备，其特征在于，所检测的多相流的液相组分是水和油。
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