專利名稱：對(duì)二態(tài)和三態(tài)流量測(cè)量設(shè)備所做的改進(jìn)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是第07/502，691號(hào)美國(guó)專利申請(qǐng)的部分繼續(xù)申請(qǐng)案。本發(fā)明涉及一種不要求把氣流和液流物理地分離開的二態(tài)或三態(tài)在線流量計(jì)。
由于常規(guī)的流量計(jì)不能同時(shí)既處理氣體又處理流體，對(duì)二態(tài)流體(氣體和液體一起流動(dòng))的測(cè)量非常困難。常規(guī)的流量計(jì)可以分成三類差壓式、體積式和質(zhì)量流量式。第一類包括孔板、文杜里管(細(xì)腰管)和空速管等等，第二類包括渦輪、正排量裝置和磁性流量計(jì)等等，而在第三類中，人們可以發(fā)現(xiàn)振動(dòng)型(corollis)、熱傳遞型、及動(dòng)量型等等。
第一類根據(jù)下面的百努利方程產(chǎn)生一個(gè)與下游的壓力分接點(diǎn)處的流動(dòng)速度有關(guān)的差壓輸出△P＝ρv2/2g這里，△P＝裝置上的差壓，ρ＝上游壓力分接點(diǎn)處的流體密度，V＝下游壓力分接點(diǎn)處的流體速度，g＝重力常數(shù)。
這樣，氣體/液體之比的變化會(huì)影響密度ρ，會(huì)造成速度的變化。由于必須要知道有多少氣體和多少液體流過這類裝置，因此，這類流量計(jì)不能工作。
第二類裝置不能區(qū)分氣體和液體，對(duì)它們給出幾乎相等的流率。因此，如果流體是二態(tài)流體，這類裝置還是不能測(cè)定流過的有多少氣體，有多少液體。
第三類裝置也有同樣的缺點(diǎn)。此外，當(dāng)流體中的氣體體積含量超過20%時(shí)，振動(dòng)型質(zhì)量流量計(jì)還不能正常振動(dòng)。
由于上面描述的那些先有技術(shù)中沒有任何一個(gè)能分析流體的成分，以前通常需要把它們物理地分離開，然后再分別測(cè)量每個(gè)成分。目前已知的有兩種分離器一種較早的二態(tài)分離器和一種較新的動(dòng)態(tài)分離器。第一種分離器使送入的流體減慢，使氣體膨脹，然后測(cè)量從頂部排出的氣體和從底部排出的液體。如果流體是由三種成分(如油、水和氣)組成的，對(duì)排出的液體再進(jìn)行一次分析。在第二種情況下，使用于二根傾斜的管道。氣體將收集在上管中，而液體則收集在下管中。在流體是三態(tài)流體的情況下，還需對(duì)油/水成分再作一次分析。
這些方法的較大缺點(diǎn)在于它們的尺寸和它們?cè)跍y(cè)量中引起的延遲。為了使小氣泡能上升到液體表面，必須要有足夠的時(shí)間。氣泡的上升速率由下面的斯多克(stoke)定律決定V＝K(ρL-ρg)d/μ (2)其中，V＝氣泡的極限速度，K＝尺寸常數(shù)，ρL＝液體的密度，ρg＝氣體的密度，μ＝液體的速度，d＝氣泡的直徑。
這樣，如果是高粘度的液體，那么極限速度相當(dāng)慢，需要很長(zhǎng)的分離時(shí)間，也使容器的尺寸必須增加，造價(jià)也上升。
大多數(shù)油井同時(shí)產(chǎn)生氣體、油和液體。由于分解和處理等原由，需要對(duì)這種三態(tài)流體中的每種成分進(jìn)行測(cè)量。為了對(duì)每口油井進(jìn)行測(cè)量而建造多個(gè)分離容器很不經(jīng)濟(jì)的。因此，人們出于經(jīng)濟(jì)上的考慮，希望能在油井低成本地進(jìn)行這些測(cè)量。在低于海平面的油井和海上平臺(tái)的情況下，尺寸是很受重視的。因此，迫切需要在不使三種成分物理上分開的情況下對(duì)它們進(jìn)行測(cè)量。
因此，本發(fā)明的目的就是提供一種不需物理地把氣體與液體分離開來即可隊(duì)多態(tài)流體流進(jìn)行測(cè)量的一種新穎的裝置。
本發(fā)明采用了一種多態(tài)流體流測(cè)量裝置來解決上述問題，該裝置包括串聯(lián)聯(lián)接的用以測(cè)量第一和第二流體流并提供表示上述的第一和第二流體流的第一和第二信號(hào)的第一、第二流量表，位于上述的第一和第二流量表之間、用于限制上述的第一、第二流量計(jì)之間的流體流動(dòng)限制器，以及有效地和每個(gè)流量表相連、用于提供表示每個(gè)流量計(jì)中的壓力的第一、第二信號(hào)的第一、第二壓力測(cè)量設(shè)備。
結(jié)合附圖閱讀下面對(duì)本發(fā)明的詳細(xì)描述，可以更好地理解本發(fā)明，對(duì)本發(fā)明及其優(yōu)點(diǎn)有個(gè)更完整的認(rèn)識(shí)。附圖中，

圖1.是一個(gè)在二態(tài)流量計(jì)，圖1(a).用來測(cè)量圖1所示的流量計(jì)的輸出的一臺(tái)計(jì)算機(jī)，圖2.示出了一臺(tái)帶有電子油/水流量計(jì)的三態(tài)流量計(jì)，圖3.示出了一臺(tái)帶有密度油/水監(jiān)視器的三態(tài)流量計(jì)，
圖3(a).示出了一臺(tái)用于測(cè)量圖3所示的流量計(jì)的輸出的一臺(tái)計(jì)算機(jī)。
圖1中示出了一臺(tái)無需物理上把油、氣分離開的二態(tài)輸出流體的在線測(cè)量裝置。流體(液體和氣體)從端口(1)進(jìn)入流量表，其總流量由流量表(2)通過體積方式測(cè)得，流量表(2)的輸出V1被連至計(jì)算機(jī)(10)[見圖1(a)]。溫度表T1和壓力傳感器(4)測(cè)量溫度T1和壓力P1。接著，流體流過限制器(5)，該限制器(5)使流體的壓力降至P2。這將使流體中的氣體膨脹，流量計(jì)(6)因而指示出一個(gè)較大的體積流量V2。溫度T2和壓力P2分別由(7)和(8)測(cè)量，流體在端口(9)離開流量計(jì)。
體積流量可由下式表示V1＝G1+L;V2＝G2+L其中，V1＝1秒內(nèi)流過第一流量計(jì)的流體的總體積，G1＝1秒內(nèi)流過第一流量計(jì)的氣體的總體積，G2＝1秒內(nèi)流過第二流量計(jì)的氣體的總體積，L＝1秒內(nèi)流過第二流量計(jì)的液體的總體積。
如果沒有氣體存在，則V1＝V2，因?yàn)橐后w是不可壓縮的，有多少體積的流體進(jìn)入端口(1)，就肯定會(huì)有多少體積離開端口(9)。相反，如果有氣體存在，氣體的體積將根據(jù)Charles和Boyle定律膨脹，因此，流量計(jì)(6)中的流率將大于流量計(jì)(2)中的流率。換句話說V1＜V2 ……(3)
這兩個(gè)流量計(jì)之間的差值將只與氣體有關(guān)，理由是如果限制器(5)并沒有把壓力降到一個(gè)不可接受的量值上，因蒸發(fā)而引起的液體重量損失是非常微小的。
在(2)和(6)處的氣體之間的關(guān)系由Charles和Boyle定律定律給出P1G1/T1＝P2G2/T2＝(P2+△p)G1/T1＝P2(G1+△v)/T2……(4)其中，△p＝P1-P2，△V＝G2-G1，整理等式(4)，得到((P2+△P)T2)/(P2T1) - (G1+△V)/(G1) =(1+ (△P)/(P2) ) (T2)/(T1) =1+ (△V)/(G1) (5)通過這二個(gè)流量計(jì)套上保溫套并且把它們靠近安裝在一起，很容易使T2≌T1，因此，我們得到△P/P2＝△V/G1，或者△V＝G1△P/P2……(6)如果流體中只是氣體，則V1＝G1，V2＝G2……(7)。
這將使體積得到最大的增長(zhǎng)△V＝△Vmax，即當(dāng)V1＝G1時(shí)△Vmax＝△V＝V2-V1……(8)換句話說，△Vmax＝V1△P/P2……(9)如果流體中包含一半氣體一半液體，則△V＝1/2△Vmax。
因此，△V是從全部為液體的零到全部為氣體時(shí)的△Vmax之間變動(dòng)的。因此，比率△V/Vmax給出工作條件為P2和T2時(shí)的氣/液比值。
現(xiàn)在，G1+△V＝G1·P1/P2;G1[(P1/P2)-1]＝V2-V1＝G1·△P/P2或者，G1= (P2)/(△P) (V2-V1)……(10)其中G1＝第一個(gè)流量計(jì)中的流體中的氣體體積。
V中的氣體部分L＝V1-G1L＝V1-(V2-V1)P2/△P ……(11)第二個(gè)流量計(jì)中的氣體體積為G2＝G1+(V2-V1)＝(V2-V1)(1+P2/△P) ……(12)氣/液比率由下式給出G/L＝[(V2-V1)P2/△P]/[V1(V2-V1)P2/△P)](13)所有測(cè)量裝置的輸出都送入計(jì)算機(jī)(10)中，由該計(jì)算機(jī)(10)執(zhí)行上述計(jì)算。從P2和T2及P3、T3還可以推出從而也就預(yù)測(cè)出處于標(biāo)準(zhǔn)壓力和溫度(如1巴，15.5℃)下的敞開式容器中的油的最終體積。
圖2中所示的裝置適用于液體是由不可互溶的液體(如由和水)組成時(shí)的情況。圖1中的裝置只可以測(cè)定有多少氣體和多少液體在一根管道中流動(dòng)，還需要加上一個(gè)電子油/水監(jiān)視器(11)如美國(guó)專利4，503，383中所描述的那種未對(duì)水與總液體的比值進(jìn)行分析。由于氣體和油對(duì)上述裝置來說是一樣的，因此如果我們知道氣體在液體中的百分比，我們就可以確定流體中有多少是油。舉個(gè)例子來說，如果根據(jù)等式(13)我們已經(jīng)確定氣液率為40%，油/水監(jiān)視器(11)上的讀數(shù)大約為42%水，則我們知道，剩下的40%中只有60%是液體，亦即其組成如下42%水，40%氣，18%油 ……(14)這樣，圖2中所示的裝置還可以對(duì)第三種成分進(jìn)行分析，產(chǎn)生如[圖2(a)]計(jì)算機(jī)(10)的顯示屏上所示的輸出%水以及總共的氣、油和水。
在圖3中，用一個(gè)垂直容器(13)和一個(gè)壓差傳感器(12)代替了油/水監(jiān)視器。上述容器的截面積大于與之相接的管道的截面積，從而使因流體阻尼造成了壓力損耗為最小。如等式(15)所示，差壓△P＝ρh;ρ＝△P/h ……(15)h為容積(13)的高度。
流體的密度于是可根據(jù)等式(11)給出ρL＝ρV1/L ……(16)液體的實(shí)際密度通過溫度計(jì)(3)被校到標(biāo)準(zhǔn)溫度。
SL＝ρL/[1-α(TL-TS)]ρW……(17)這里，SL＝液體的相比密度(S.G.)＝考慮了油水百分比的計(jì)算密度(等式16)α＝液體的熱膨脹系數(shù)，TL＝液體溫度，
Ts＝標(biāo)準(zhǔn)溫度。
混合物中抒的百分比于是可以根據(jù)下式算出100(SL-SO)/SW-SO)＝%W ……(18)這里，SW是處理水的相對(duì)密度，SO是處理油的相對(duì)密度，SL是無氣體的混合物的相對(duì)密度，S是無氣體的混合物的相對(duì)密度。
實(shí)例如果水的相對(duì)密度(S.G.)為1.1，純油的相對(duì)密度為0.9，以及沒S＝0.8，L/V＝0.75(即液體中有25%的氣體)，我們得到100(0.8/0.75-0.9)(1.1-0.9)-(9.17)(10.2)＝83%水。
在本例中，油井在工作條件下產(chǎn)生62%水+13%油+25%自由氣體。在更低的壓力下，氣體將膨脹到一個(gè)可以用(圖3(a)計(jì)算機(jī)推算出的一個(gè)值(G3)G3= (P1)/(P3) · (T3)/(T1) ·G1……(19)如果知道與流體的密度，還可以使用需要密度校正的其它類型的流量表，如孔板，質(zhì)量流量計(jì)等等。
很顯然，根據(jù)上面的示數(shù)可以對(duì)本發(fā)明作多數(shù)改進(jìn)和變型。因此，應(yīng)該注意的是本發(fā)明并不具體限定了后附的權(quán)利要求所建立的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種測(cè)量二態(tài)流體流的裝置，包括·串聯(lián)聯(lián)結(jié)的第一和第二儀表，用于測(cè)量第一、第二流體流，提供表示上述的第一和第二流體流的第一和第二信號(hào)；·位于上述的第一、第二流量表。用于在第一、第二流量表之間限制流動(dòng)的一個(gè)流動(dòng)限制器；·與每個(gè)上述的流量收有效連接的第一和第二壓力測(cè)量裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中上述的二態(tài)流體流動(dòng)包括一個(gè)氣體流動(dòng)和一個(gè)液體流動(dòng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中還包括與每個(gè)上述的流量計(jì)有效地相連的第一、第二溫度測(cè)量裝置，用于提供表示每個(gè)上述流量計(jì)中的溫度的第一和第二信號(hào)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的裝置，還包括用于從上述的第一和第二流量計(jì)、上述的第一和第二壓力測(cè)量裝置、第一和第二溫度測(cè)量裝置接收上述信號(hào)、并且確定上述的二態(tài)流動(dòng)流中流體比值的關(guān)系。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的裝置，還包括一個(gè)在測(cè)定三態(tài)流體流動(dòng)時(shí)用于確定上述的流體流中水與液體的比值的電子油/水監(jiān)視裝置。
6.根據(jù)權(quán)利要求4的裝置，還包括用于在上述流體流中分析一種液體以及測(cè)量三態(tài)流體流的分析裝置。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的裝置，其中上述的分析裝置是一個(gè)密度計(jì)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的裝置，其中上述的密度表包括一個(gè)垂直容器和一個(gè)差壓發(fā)送器。
全文摘要
本發(fā)明為測(cè)量多態(tài)流量流動(dòng)的裝置，包括測(cè)量第一、第二流體流并且提供表示該第一和第二流體流的第一和第二信號(hào)的串聯(lián)聯(lián)結(jié)的第一、第二流量計(jì)。本裝置還包括第一和第二流量計(jì)之間亦即與上述流量表相連的第一和第二壓力測(cè)量裝置之間的流動(dòng)限制器。本裝置不需要物理地使不同的流體流分離，就能對(duì)多態(tài)流動(dòng)進(jìn)行測(cè)量。
文檔編號(hào)G01F1/74GK1055423SQ9110202
公開日1991年10月16日 申請(qǐng)日期1991年4月2日 優(yōu)先權(quán)日1990年4月2日
發(fā)明者喬拉姆·艾加 申請(qǐng)人:Agar有限公司