CN1543564A - 具有可调文丘里喷嘴的多相质量流量计 - Google Patents

Abstract

一种用于缩小用于多相流量计的文丘里的喉部的插入装置，它插在喉部内。该插入装置包括用于在喉部周围产生辐射束的一个进口窗和一个出口窗。插入装置可使压力输出口以方便的方式构成。插入装置的几个例子包括棒状、管状和音叉式插入装置。

Description

具有可调文丘里喷嘴的多相质量流量计

技术领域

本发明总体上涉及一种用于确定由多相流体组成的油井流出液的至少一种特性的测量方式，该多相流体通常包括三相：两个液相—原油和水—及一个气相。特别是，本发明涉及一种使用与文丘里流量计连接或不连接的组分计量器进行的测量方法。

背景技术

石油工业对储油层的最优化生产能力依赖于根据量(流量)和组分(各相的比例)对以一定间隔流出的油井流出液进行评估。这样就可决定需要采取哪种正确的行动。然而，测量石油流出液的流量所存在的问题是复杂的，这是由于这种流出液通常由三相组成，并且由于它们经历的流动状态发生改变(流量、流体磨擦力、压力、上游管的几何形状)。这些因素造成可观察到的各种不同的流动状况，包括某些极不均匀和不稳定特性的状况，并且在流动的方向上(即随时间进程)和垂直于流动的方向上，流体混合物中各相比例可能会有相当大的变化，这种变化是流动断面上的相层形式的变化。

人们已基于文丘里流量计提出了许多建议，以评估油井的流出液。在这些建议中，国际专利申请WO99/10712提供了一种文丘里管和设置在文丘里管喉部的伽玛射线密度计。流出液流经文丘里管并在文丘里管中产生压降。利用压力传感器确定一段时间的压降的平均值，并利用伽玛射线密度计确定流体混合物的密度的平均值。利用这些平均值可推算出总质量流量值。最后再进行测量和计算，以得出油、水和气体的流量。

虽然建议的文丘里流量计在大多数所遇的环境中提供了可靠的性能，但在流量相对较小时就很难获得准确的结果。的确，在低流量时，文丘里管的入口和喉部之间测量的压降太小，以致不能提供预期的精确流量。当油井的生产量比预期的小时可能会产生较低的流量。这种情况可能正好发生在测量开始时或在油井的使用期限过程中。

压降减小问题的一个解决方案是用另一个具有小喉部直径的文丘里流量计取代原文丘里流量计。这样压降就会提高，并且测量会更精确。然而，替换文丘里管需要拆开文丘里管的各部件，包括伽玛射线源、用于测量在文丘里管的入口和出口处的伽玛射线和压力线(pressure lines))的光电倍增器。这使得替换较危险和昂贵，并且耗费操作时间。

发明内容

在本发明的第一方面中，提供一种用于缩小基于文丘里管的多相流量计的喉部的插入装置。该插入装置成形为可插入喉部中。该插入装置包括用于在喉部周围产生辐射束的进口窗和出口窗部件。

优选地，插入装置是棒状的，并且其尺寸适合于放入喉部，以收缩通过喉部并沿插入装置流动的流体。

优选地，插入装置是管状的，其外径与喉部的直径基本相同，从而可通过滑动使插入部件定位在喉部内。插入装置在要引入喉部中的末端处包括开口，流体可通过该开口进入管状插入装置的空腔内。

优选地，进口窗和出口窗是中空的或用可透射辐射束的材料制成。

优选地，插入装置具有音叉形结构，该结构包括U形末端和保持器。该U形末端包括定位成与文丘里管的喉部紧密接触的两个横向壁。横向壁限定了一个使流体通过文丘里管的开口。

优选地，进口窗和出口窗限定为朝喉部周围定向的横向壁之间的开口的横向侧。

优选地，保持器包括一个用于接收通过横向壁之间的流体的空腔。

在本发明的另一个方面中，提供一种包括一个插入装置的基于文丘里管的多相流量计。

在本发明再一个方面中，提供一种使用一个插入装置的基于文丘里管的多相流量计，在其一个末端上包括一个连接件，该连接件与管连接而构成一个组件。该组件包括一个开口，插入装置可通过该开口引入并定位在流量计的喉部内。

在本发明另一个方面中，提供一种用于测量多相流体的方法，包括使流体通过一个基于文丘里管的多相流量计，并将一个插入装置插入文丘里管的喉部，用于缩小该喉部并提高文丘里管进口和喉部之间的压降。

附图说明

现在参照附图更详细地描述本发明，其中：

图1是现有技术中公知的流量测量设备的示意图；

图2是本发明的一个插入装置的示意图；

图3是本发明的一个插入装置的示意图；

图4是本发明的一个插入装置的示意图；

图5是本发明一个三维的插入装置的示意图。

具体实施方式

石油流出液一般由液态油、气体(碳氢化合物)和水的多相混合物组成。下文中使用如下符号：符号Q和 q分别代表质量流量和体积流量；符号ρ代表密度；符号α和γ代表不同相的静态和动态比例；标记 o， w， g和 l分别指油、水、气和液相(这里液相是混在一起的油和水)，而标记 m代表流体混合物。

现在参照图1，在该图中示出现有技术已知的基于文丘里管的流量计，该装置包括一个管段10，该管段具有收缩的文丘里段110，它的最窄部分称为喉部。在所示的实例中，管100部分是垂直设置的，流出液向上流动，并用箭头F表示。

在文丘里管中的流动段的收缩导致在位置130(位于从文丘里管的入口到测量段的上游)和喉部120之间的压降Δp。这个压降利用如下等式与总质量流量Q和密度ρ_m相关：

$\mathrm{\Δp}=\frac{K\·Q^2}{{\mathrm{\ρ}}_m}+{\mathrm{\ρ}}_m\·g\·h_v---\left(1\right)$

这里，g是重力加速度，h_v是上游位置130与喉部120之间的距离，K是主要与文丘里管的几何形状有关的常数，它由下述公式给出：

$K=\frac{1-{\mathrm{\β}}^4}{{2C}^2\·A^2}$

这里，β是文丘里管的收缩比，即在文丘里管的喉部直径和上游直径之间的比率，C是排放系数，A是喉部的断面。项ρ_m·g·h_v一般较小或可忽略不计。利用Δp^*＝Δp-ρ_m·g·h_v，使公式(1)变为：

Q＝k(Δp^*·ρm₎                   (2)

这里，k＝K^-1/2。

在一个优选实施例中，比率β为0.5。管的直径为10cm，喉部的直径为5cm。排放系统C约为1。该系数在较小程度上并以可预见的方式取决于流体的特性。通常，可考虑用雷诺数进行修正。

利用连接在两个压力输出口(pressure takeoffs)160和170的压差传感器150测量压降Δp，这两个输出口分别通入位于文丘里管的上游位置130和喉部120处的测量段。按照另一种方式，也可利用两个分别连接在输出口160和170上的绝对压力传感器进行测量。

流体混合物的密度ρ_m可使用位于文丘里管喉部120相对侧的源100和检测器101，并通过测量伽玛射线衰减的传感器来确定。喉部设有用如下材料制成的“窗”，这种材料在一些能级上具有较低的光子吸收能力，下面将这些能级称为“高能”级和“低能”级。按常规的方式，包括一个闪烁晶体，如NaI，以及一个光电倍增器的检测器101产生两个系列的信号W_hi和W_lo，它们被称为计算速率，分别表示在包括与上述能级的能量范围内，每取样周期检测到的光子数量。

在这些能级是使得高能计算速率W_hi主要敏感于流体混合物的密度ρ_m，而低能计算速率W_lo主要敏感于它们的组分，这样就可确定液相中水的含量。

图1还示出了一个与通入文丘里管的喉部内的压力输出口103相连的压力传感器102，该传感器产生代表文丘里管的喉部内的压力p_v的信号，而温度传感器104产生表示流体混合物的温度的信号T。数据p_v和T尤其用于根据流量条件下的流量值，在流量条件下确定气体密度ρ_g，在正常的压力和温度下确定气体流量q_g，并采用下述的确定方式。在这一方面，优选地，测量文丘里管喉部处的压力。相反，在何处测量温度没太大的关系。

将来自上述传感器的信息传送给一个由计算机构成的数据处理装置109，计算机运行用于传送通过进行各种处理而寻求到的结果的程序。

数据处理装置109进行的处理所依据的原理在文献WO99/10712中做了详细的解释，这里就不再进行说明。

简单的说，从可对压差进行计算的公式(1)中可明显看出，当质量流量Q除以因数10时，压差除以100。因此，测量的压差精度变得较低，结果，例如不能再利用公式(2)精确地确定质量流量。

通过简单地重新调节压差传感器150不可能提高精度。

文丘里插入装置

下面将描述本发明的插入装置的几个例子。这些例子包括棒状、管状和音叉插入装置。

为了在这里提出的不同的选择之间进行比较，原喉部直径假设为52mm，与任何插入装置相当的直径为30mm。如各图所示，假设流动是垂直向上的，并用箭头F表示。

棒状插入装置

参照图2，图中示出收缩的文丘里管210，它的最窄的部分220称为喉部。两个压力输出口260和270通入测量段并可收集压力数据，以确定文丘里管的入口和喉部之间的压降Δp。伽玛射线源200在喉部220中发射光子，发射的光子可由设置在喉部220相对侧、面对源200处的检测器201进行测量。

棒状插入装置250插在喉部220内。文丘里管的放大部分251显示出定位于喉部220中心位置的插入棒250。如上所述，作为一个例子，喉部的直径选择为52mm，以便在这里提到的所有装置之间进行比较。为了与30mm直径喉部的文丘里管具有相当的流动断面，棒状插入装置250的外径为42.48mm，如图2中所示。

在一个优选实施例中，棒状插入装置250是中空的。进口窗252和出口窗253使源200发射的光子穿过插入装置的直径运动，以便利用检测器210进行测量。窗252和253可以由对于源200发射的光子来说具有可接受的透明度的材料来实现。这些窗可以是插入装置的壁与源200和检测器210对应位置上的限定部分，也可以是具有棒状插入装置的环形断面的形状。

棒状插入装置的末端为圆锥体形254。这种形状可改善文丘里管收缩段的几何尺寸，因而可使通过喉部的流动最优化。

从图2中可明显看出，当棒状插入装置存在时，压力输出口260和270可继续使用。

管状插入装置

图3表示与图2所示的文丘里管相等价的收缩的文丘里管210。在整个说明书中使用的相同的附图标记在不同的附图中代表相同的部件。

管状插入装置350插在喉部220中。管状插入装置350大体上为管的形状，其外径为52mm，即直径等于原喉部的直径。这样，管状插入装置350可通过滑动定位于喉部。流体F经管状插入装置350的末端处的开口351进入管状插入装置350的空腔352。流体最后经在管状插入装置的壁上加工(operated)的横向孔353流出空腔352，然后继续流到文丘里管的出口354。

文丘里管喉部220的放大视图355显示出管状插入装置350的外径和经测量为30mm的内径。进口窗和出口窗356和357分别位于伽玛射线源200和检测器201的前部。窗356和357可以由对所用辐射透明的材料制成，或是中空的，即为管状插入装置350的壁上的孔。

在管状插入装置350的壁上必须设置开口，以便使例如压力输出口358与管状插入装置的空腔352相连。

音叉式插入装置

图4表示收缩的文丘里管，在该文丘里管内设置了一个音叉式插入装置450。

之所以称为音叉式插入装置450，是因为当从沿垂直于附图的平面上的轴线A方向剖开的文丘里管210的纵向断面放大视图451中看时，其外形令人想起音乐上用的音叉的形状。放大视图451示出具有U形横向壁452和453的音叉式插入装置450的U形末端。

音叉式插入装置450的横向壁452和453包括与喉部220的壁紧密接触的外表面。

由通过视图451的轴线B并垂直于附图的平面限定的剖视图455示出了喉部220的壁和音叉式插入装置450的横向壁452和453。横向壁452和453尺寸确定为形成一个向流体F提供开口的矩形开口，该矩形开口相当于直径为30mm的圆形开口，即尺寸为13.6×52mm²的矩形。音叉式插入装置450的喉部段以如下方式设计：使流动稳定并将在音叉式插入装置的横向壁452和453之间以压降梯度最小。

由位于伽玛射线源200与检测器201之间的横向壁452和453形成的开口可用作伽玛射线源200与检测器201之间的中空窗。相同的中空窗使位于喉部段上的压力输出口，例如压力输出口358直接与流体接触。

位于流体入口处的横向壁452和453的末端可具有不同的形状，以便针对所遇到的各种不同流体：粘性流体、低流量流体、气体体积部分较高的流体、湿气体……优化收缩段。

音叉式插入装置450的分叉段，即流体从横向壁452和453之间流出的那个管段可以成形为一个陡峭边缘。在另一个实施例中，分叉段可具有平滑的轮廓，以使流动最优化(图4中未示出)。

再参照视图451，图中示出了音叉式插入装置450的保持器454。保持器454用于使音叉式插入装置450在喉部220内定位。音叉式插入装置450的横向壁452和453可安装在保持器450上或与保持器成为一个整体部件。保持器454的尺寸，特别是其外径被示为52mm，这只是一个例子。保持器的直径可小于喉部的直径。

这样，流体F通过横向壁452和453之间的矩形开口进入音叉式插入装置450，并流到保持器454的空腔456内，然后经保持器454的壁上加工的横向孔457流出空腔456，随后继续流到文丘里管210的出口345。

图5表示音叉式插入装置的3维视图，其中横向壁的内表面分别终止于半个凹圆锥体形。图5还示出了4个横向孔，流体可通过这四个横向孔流出保持器的空腔。

在音叉式插入装置的外径与喉部直径之间的可能存在的间隙需要精确地加工，以便避免任何显著的泄漏和任何对压力测量的干扰，这会影响流量计算的精确性。在一个优选实施例中，可采用确实的密封件(positiveseals)(图中未示出)，以防止泄漏。

棒状、管状和音叉式插入装置的共性

已描述的所有作为例子的插入装置都可安装在文丘里流量计内的适当位置处。插入装置可在压力状态下适当地安装。插入装置通过一个位于文丘里管出口的肘状部的开口600(参见图2-4)插入文丘里管的喉部。

很容易理解到，文丘里流量计也可以是圆筒状管，其中通过插入一个插入装置可获得喉部。插入装置的插入产生一个喉部，即一个流动的收缩部分。

Claims (14)

1.一种插入装置，它用于缩小基于文丘里管的多相流量计的喉部(220)，该插入装置(250；350；450)成形为可插入喉部，该插入装置包括用于在喉部周围产生的辐射束(200)的进口窗和出口窗部件。

2.如权利要求1所述的插入装置，其中插入装置(250)是棒状的，并且尺寸确定为可引入喉部，以收缩通过喉部并沿插入装置流动的流体。

3.如权利要求2所述的插入装置，其中插入装置(250)是中空的并包括对辐射束透明的窗(252，253)或环形部分。

4.如权利要求1至3中任一项所述的插入装置，其中待引入喉部内的插入装置的末端具有圆锥体形(254)，以改善流体经过喉部时的流动。

5.如权利要求1所述的插入装置，其中插入装置(350)是管状的，其外径与喉部的直径基本相同，从而插入装置可通过滑动定位在喉部内，插入装置在要引入喉部中的末端处包括一个开口(351)，流体可通过该开口进入管状插入装置的空腔(352)内。

6.如权利要求5所述的插入装置，其中进口窗和出口窗(356，357)是中空的或用对辐射束透明的材料制成。

7.如权利要求1所述的插入装置，其中插入装置(450)具有音叉形结构，该结构包括U形末端(452，453)和保持器(454)，该U形末端包括两个横向壁(452，453)，它们与文丘里管的喉部紧密接触地定位，该横向壁限定了一个使流体通过文丘里管的开口。

8.如权利要求7所述的插入装置，其中进口窗和出口窗限定为朝喉部周围定向的横向壁之间的开口的横向侧。

9.如权利要求7或8所述的插入装置，其中每个横向壁具有一个位于流体入口处的末端，该末端的形状适合于使进入插入装置的流体最优化。

10.如权利要求7至9中任一项所述的插入装置，其中保持器(454)包括一个用于接收在横向壁之间流过的流体的空腔(456)。

11.如权利要求10所述的插入装置，其中保持器(454)包括一个空腔(456)，以使流过流出该空腔。

12.一种包括前述任一项权利要求所述的插入装置的基于文丘里管的多相流量计。

13.一种使用如权利要求1至11中任一项所述的插入装置的基于文丘里管的多相流量计，在其一个末端上包括一个连接件，该连接件与管连接而构成一个组件，该连接件-管组件包括一个开口(600)，插入装置可通过该开口引入并定位在流量计的喉部内。

14.一种用于测量多相流体的方法，包括

—使流体通过一个基于文丘里管的多相流量计，

—将一个如权利要求1-11中任一项所述的插入装置插入文丘里管的喉部，用于缩小该喉部并提高文丘里管进口和喉部之间的压降。

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