高空隙比多相流体流量计

本发明涉及多相流体流量计，特别是涉及的多相流体流量计能 够在很宽的流体浓度范围内精确地测量流体流量中的气体和液体 成分流量，该浓度范围从具有高的液体空隙率，即其中待测的流体 基本上是液体中的空隙气体，到基本为液体成分的流体。

在石油工业中，经常需要测量在各种不同条件下的油井输出。 特别是油井通常的流体输出包括气体和液体成分，而液体成分通常 包括水和油。为了可靠地测量油井输出中的每种成分的数量，美国 专利5099697号公开了一种用于测量多相流体流量，特别是包括气 体、水和油的三相的流体流量的多相流量计(MPFM)。然而，对于就 体积计产生气体超过97％的油井更精确地测量每种流体的成分的流 量则是非常困难的，因而MPFM必须使其尺寸适应气体的体流量，而 液体流量可能仅是百分之几。在需要宽的动态工作范围的情况下， 使在包括测量高空隙率的流体即高气体浓度的流体的整个工作范 围内的精度受到损害。

因此，本发明的目的是提供一种新颖的多相流体流量计，其工 作时在包括流体具有很高的气体空隙率的很宽的流体浓度范围内 都具有高精度。

本发明的这一目的和其它目的实现是通过提供一种新的改进 的高空隙比多相流体流量计，其包括：一个第一流体流动通道，在其 中配置一多相流量测量器件，用于测量气体和液体流量，以及一个 节流器。其与多相流量测量器串联连接，用于当包括液体的流体通 过测量器件时降低流体的流速；一个第二流体通道，其与第一流体 流动通道相并联，在其中配置一个气体流量测量器件，用于测量气 体流量；用于在所述流量计检测液体流量的装置、一个装置，其用 于当在该流量计中未检测到液体流量时，将气流转引入第二流体流 动通道；以及输出装置，用于输出通过多相流量测量器件的液化流 量和通过多相流量测量器件和气体流量测量器件的总的综合气体 流量的指示值。

在本发明的流量计的一个实施例中，该转引装置包括一个与气 体流量测量器件相串联的阀门。对在节流器两侧的压降进行检测 并与一个预定的阈值相比较，假如该阈值被超过，这种情况出现在 液体流量通过节流器时，该阀门动作，断开通过第二流体流动通道 的气流。

在另一实施例中，检测在通向第一流动通道的入口处的液体流 动是否存在，并且在检测到存在液体流动时，用以动作该阀门切断 通过第二流体流动通道的气体流动。在这一实施例中，液体出现的 检测通常是通过使被测流体通过一流动节流喷嘴，例如喷射泵的喷 嘴，以便在有液体流动的情况下产生压降，利用该被检测的压降动 作该阀门，以便切断通过第二流体流动通道。另一方式是在通向第 一流体流动通道的入口处设一文丘里装置。在文丘里装置缩颈的 两端的压降用于检测液体流动是否存在。并且根据检测到存在液 体流动，动作该阀门切断通过第二流体流动通道的气流。另一方式 是利用比重计测量液体流动是否存在，该比重计测量在通向第一流 体流动通道的入口处的流体比重，并且当测量的比重表明存在在液 体流动时，动作在第二流体流动通道中的阀门切断通过第二流体流 动通道的气流。另一方面，在上述两个实施例中的任一个，当没有 检测到液体流动时，操作该阀门转引气流通过第二流体流动通道， 使得可以利用气体流量测量器件和多相流量测量器件测量气体流 量。

在本发明的另一实施例中，该转引装置包括减压装置，例如在 通向第二流体流动通道的入口的上游侧一点处的喷射泵的流动节 流喷嘴。在存在液体流动时，在第二流体流动通道两端产生负的差 压，因此防止流体流动通过第二流体流动通道。这一负的差压可以 产生从多相流量测量器件向第二流体流动通道的反循环流动。因 此，为了防止反循环流动，将一止回阀装入第二流体流动通道。最 好在第二流体流动通道的入口处包含一个膨胀室和除雾器，以便除 去由气体所携带的雾滴。

最好，配置在第一流体流动通道中的多相流量测量器件能够测 量被测流体中的气体、水和油的浓度的三相流量计。在这种情况下， 本发明的流量计输出由三相流量计测量的总的水流量和总的油流 量以及由三相流量计和气体流量测量器件两者测量的总的综合的 气体流量的指示值。然而，本发明还适用于利用二相流量计在第一 流体流动通道中测量气体和液体(油和水)的流量，以及在这种情况 下，本发明输出通过该二相流量计的液体流量和通过二相流量计和 气体流量测量器件的总的综合气体流量的指示值。

本发明还包括一种新的改进的测量多相流体流量的方法，其包 括配置一种具有彼此并联的第一和第二流体流动通道的流量计，第 一流体流动通道包括一用于测量气体流量和液体流量的多相流量器 件以及一与多相流量测量器件串联连接的液体流动节流器，以便降 低通过多相流量测量器件的液体流量；以及第二流体流动通道包括： 一气体流量测量器件，用于测量气体流量；检测在流量计中的液体 流量；当检测步骤未检测到在流量计中的液流时，通过使流体流量 转向通过第二流体流动通道控制通过第一和第二流体流动通道的 流体流量，并且当检测步骤检测到在流量计中的液流时切断通过第 二流体流动通道的流体流动；以及输出通过多相流量测量器件的液 体流量和通过多相和气体流量测量器件的总的综合气体流量的指 示值。

该方法发明的第一实施例包括检测与多相流量测量器件串联 安装的流量节流器两端的压降，当检测的压降超过预定的阈值时， 动作一个阀门以切断通过第二流体流动通道的气流。

在本发明方法的第二实施例中，检测在通向第一流体流动通道 的入口处的液体的流动是否存在，例如通过使被测液体或者通过流 量节流喷嘴或具有缩颈的文丘里装置，检测在该入口处存在液体流 动时产生的压降，以及检测存在液流时在流量节流喷嘴或文丘里装 置两端形成的压降。另外，该方法包括测定在入口处流动流体的一 或多项预定特性，例如流体的比重、导热率、导电率、蔽光性或者对核 子、电磁波或声波的吸收或者如在美国专利4774680号中介绍的其 它特性，例如电流、电压频率、能量吸收、介电常数、电容、导纳 和阻抗；以及当被测的特性表明存在液体流动时动作阀门切断气体 流量器件的气流。    

在本发明方法的另一实施例中，当利用喷射泵提供液体时产生 负的差压。利用装在第二流体流动通道中的止回阀防止液体的循 环流动。在旁通的第二流体流动通道中的膨胀室和除雾器有助于 聚集所夹带的液滴。可以在本发明的每一个实施例中附加该膨胀 室和除雾器。

在本发明的方法的最佳实施例中，在第一流体流动通道中采用 一种用于测量气体、水和油的流量的三相流量计作为该多相流量 测量器件。在该优选实施例中，输出代表通过三相流量计的水流量 和油流量的指示值，以及通过三相流量计和气体流量测量器件的总 的综合的气体流量指示值。另外，当在第一流体流动通道中采用二 相流量测量器件时，本发明的方法包括输出通过二相流量计的液体 流量的指示值和通过二相流量计和气体流量测量器件的总的综合 气体流量的指示值。

当结合附图讨论时，通过参照如下详细介绍，随着更深入地理 解，将会很容易得出本发明的更完整的评价及其很多附加优点，其 中：

图1是本发明的高空隙率多相流体流量计的第一实施例的示意 方块图；

图2是本发明的流量计的第二实施例的示意方块图；

图3是本发明的流量计的第三实施例的示意方块图；

图4是本发明的流量计的第四实施例的示意方块图；

图5a和5b是表示通过本发明的流量计的第一流动通道中的多 相流体流量测量器件的流体流速的时间示意图，分别表示在第一流 体流动通道中不存在和存在节流量的情况；以及

图6是本发明的流量计的第五实施例的示意方块图。

参照各附图，遍及几个附图，其中同样的参考数字代表相同或 相应的元件，更确切地说，其图1即本发明的流量计的第一实施例包 括第一流体流动通道10和与通道10并联的第二流体流动通道，两个 通道在它们输入端与输入连接管14相连通。第一流体流动通道10 包括一多相流体流量计18，最好按照共同拥有的美国专利5099697 号介绍的方式实施，其与节流器20相串联，节流器20的输出端与该 输出连接管16相连通。第二流体流动通道12包括一与阀门24相串 联的气体流量计22，该阀门接着连接到第一流体流动通道的输出端 和输出连接管16。

如图1所示，将压力传感器26和28设在节流器20的输入端和输 出端。传感器26和28的各自输出提供到计算机30，计算机30确定由 压力传感器26和28检测的压力间的差，将该差值与一阀值相比较， 并且当该压力差超过预定值，表明液体流动通过节流器20时，动作 阀门24。另外，当检测的节流器20两端的压降小于一预定阈值，而 该阈值表明相当多的气体流径节流器20时，计算机30维持阀门24的 打开状态，使气流通过第二流体流动通道。

本发明具有的优点是在大多数情况下能辨别如在图5a中所示 的在没有节流器20的情况下，由于混有气体的主要液体的短暂的冲 击，在流动流体中趋于凝结(如在色层分析仪中发现的)和出现在流 量计18中的液滴。然而，在如图5a所示的高速短暂冲击中要精确测 量液体流量是困难的。由于流量计18的限定的响应时间和可能损 害流量计18的原因，这种情况实际存在。根据本发明，通过减慢流 体冲击来形成液浆即通过在流动通道10中充积更多的液体克服了 这一困难。因此，根据本发明，设置节流器以消除急剧的冲击，使得 在流量计18中出现的流体流动好像一个被降低速度和大小并增加 了通过时间过程的粘滞物。由于输入连接管14没有被不可压缩的 液体所充积即由气体/液体混合物所充积，由于在流量计18的上游 侧充积更多的液体，节流器20延长了通过流量计18的液体″粘滞物″ 的通过持续时间。因此，节流器20降低了通过流量计18的液体-气 体混合物的流量，使其它积在流量计18的前方，如图5b中示意表示 的液体粘滞物。

通常，要确定节流器20的尺寸以便将通过流量计18最大液体流 量限制到流量计18的体流量测量部分的全刻度的量程的150％。例 如，假如流体计18根据美国专利5099097来实施，它得包括由节流器 分开的两个体流量测量部分。这一实例中，确定节流器20的尺寸以 便将最大液体流量限制为两个体流量测量部分之中较小的一个的 满刻度量程的150％。另一方面，假如使用正在待审查的美国专利申 请SN08/852544所介绍的多相流量计，其包括与动量式流量测量部 分串联的体流量测量部分，结合本文可供参考，确定节流器12的尺 寸以便将液体流量限制到体流量测量部分的满刻度量程的150％。 因此，在本发明中，根据最大液体流量确定流量计18的尺寸，根据最 大气体流量确定流量计22的尺寸。在高空隙率例如95％的空隙率， 面气体流量必须远大于面液体流量即接近20：1以上，并相应确定流 量计22和18的尺寸。

进一步介绍节流器20的功用，因为在节流器两端的差压P与流 体流速的平方(V2)乘以密度(D)的积成比例，即P＝DV2，由于气体的 密度与液体的密度相比很小，经过节流器20的气体流量很难起作用， 此外，由于液体的密度远大于气体的密度，通过节流器20时，对于同 样的速度，对于液体的压力损失远大于对于气体的压力损失。因此， 如前所指出的，节流器20使液体减慢而没有使气体减慢，使得在存 在液体时可以测量压降。由于如图5b中所示的液体流量的峰值被″ 消除″，流量计18因此可以做得远小于按用其它方式为了适应峰值 面气体流量所需的尺寸，因为节流器20确定了最大流量。

根据如上所述的本发明，压力传感器26和28以及计算机30用于 检测存在通过节流器20的液流并动作阀门24切断通过气体流量计 22的气流，使得在存在液体流动的情况下来自输入连接管14的所有 液体都通过多相流量计18。在存在大量气体流动和很小的液体流 动即高空隙率的液流的情况下，在节流器20两端检测到很小的压降， 导致气体流动通过第一和第二流体流动通道，并利用多相流量计18 和气体流量计22测量气体流量。在如上所述的工况中，节流器减慢 了液体，但是没有减慢气体。因此，可以设计流量计18来测量最大 液体流量，该最大液体流量远低于采用另外的方式假如还得测量最 大气体流量所需的流量范围。节流器20决定了最大液体流量，因此 流量计18只承受了很少的流量。这点在单相流体流动测量中是不 能做到的，因为其中管线14将没有多余的空间将更多的液体充积在 其间，但是对于包括气流的多相流体测量能作到。

当在节流器20两端上的差压超过预定值时，即当液体和气体的 混合物经过时，图1中所示阀门24关闭。流动通道12大于流动通道 10，因为液体基本上是不可压缩的，节流器20的位置在流量计18的 上游侧还是下游侧这点并不重要。将其装入下游侧的优点在于流 量计18中的绝对压力维持较高，因此它承受实际较小的气体流量。 缺点在于，在阀门24将要关闭之前，有较多的液体将进入旁通流动 通道12。旁通通道12的竖直管需要比节流器20两端的差压更大的 差压。为防止液体流经通道12，在该立管充满之前要较长时间之后 阀门24才关闭。

与压力传感器26和28的输出一道，通过流量计18的气体，水和 油的流量数据提供到计算机30。计算机30控制阀门24的动作，以便 使高速气体流经作为用于旁通高速气体的第二流体流动通道。通 过第二流体流动通道12的气流利用气体流量计22来测量，其输出也 提供到计算机30。在高气体流量的情况下，其中流量计18工作在其 正常气体流量的150％之下，节流器18两端的差压相对较小，这样计 算机30使阀门24维持打开状态，使过量的气体由气体流量计22进行 测量。然后计算机30输出由流量计18测量的液体流量即水流量和 油流量的指示值，以及由流量计18和22测量总的综合气体流量的指 示值。在二相流量计用作流量计18的情况下，那么计算机30输出通 过流量计18的液流量的指示值以及通过流计18和22的总的综合气 体流量的指示值。

图2表示本发明的第二实施例，它以类似方式根据检测到在流 量计中存在液体流动，切断通过气体流量计22的气流。在图2所示 实施例中，根据当液体流经喷射泵34的喷嘴32时产生的压降控制阀 门24的操作，该喷射泵34安装在流量计18的上游侧。在图2中，当液 体通过喷嘴泵34时利用由喷射泵34产生的抽空作用控制阀门24。 当液体流经喷射器34的喷嘴时，在室36中形成较低的压力。在图1 示意表示的阀门24可以是气动或液压膜阀或者是线圈操作的阀门。 阀门24通常是打开的，但是当检测液流时则关闭切断。采用正常打 开阀门的方式的优点在于，假如电源故障，管线不会由于流量计使 气流阻断。由于液体流动产生的压力下降被用来防止反向动作阀 门24，使阀门24切断经过第二流体流动通道的气流。当气体通过喷 嘴32时，在室36中的压力基本上与供给喷嘴泵34的主管线38中压力 相同，在反作用弹簧(未表示)的作用下阀门24打开。因此，液体-气 体混合粘滞物由多相流量计18测量，而高流量气体利用流量计18和 22两者来测量。如在第一实施例中一样，当采用三相流量计18时， 计算机30输出经过多相流量计18的水流量和油流量的指示值和经 过流量计18和22的总的综合的气体流量的指示值，以及按另外方式 当采用二相流量计18时则输出经过流量计18的液体流量的指示值 和经过流量计18和22的总的综合的气体流量的指示值。

在图3所示的另一实施例中，利用具有缩颈42的文丘里装置替 代喷射泵34。在图3的实施例中，在文丘里装置的缩颈42处产生的 低压以与图2的喷射泵的操作相类似的方式操作反向动作的阀门24。 这一实施例的优点在于，在文丘里装置40两端的压力损失很小以及 在缩颈44处的压降的大部分被在缩颈42的下游侧的文丘里装置的 膨胀部分被补偿。

在图4中，利用空隙单计44替代文丘里装置，其以对图1中的实 施例介绍的相似方式操作阀门24。空隙率计44可以是测量流体密 度的(核子的，差压的等)器件或者是其它已知的空隙率计器件。有 很多类型的空隙率计：例如介电的、电气的或导热的、光学方式的 等等。它们都能测量流体的密度是多少。比重计的采用专用于以 重量/体积单位测量流体的密度。

图6表示本发明的另一实施例，在这一实施例中，室36中的喷射 泵34的喷嘴32用于防止液流通过流动通道12。在管线12中的压力 基本上与在MPFM18的入口处的压力相同。喷射泵产生抽吸作用( 较低压力，假若不加防止，其将会从MPFM18的出口入向抽吸液体。 当液体-气体混合粘滞物通过喷嘴34时，其产生的压降大于在多相 流量计18两端的压降。在这一实施例中，在旁通的流体流动通道12 中采用止回阀24。止回阀24关闭以防止从流量计18的输出端产生 回流，否则由于通过喷嘴32的液流引起的压降可能引起这样的情况。 因此，利用止回阀防止了由流量计18的输出端通过流动通道12产生 回流。流体混合物通过多相流体流量计18和通到输出连接管16。 在出现气体通过喷嘴32时，与在旁通通道12中的差压相比在室46中 的差压是十分小的，并且大部分流量通过旁通通道，在其中利用气 体流量计22进行检测。

装在流量计22上游侧的膨胀室46减慢了向流量计22的流体的 流动，使得液滴转为下降反回到室36中。附加的除雾器48增强了这 种效果。带或不带除雾器48的膨胀室46可以用于改进本发明的任 何实施例。

很明显，根据上面的技术可以对本发明进行很多的改进和变化。 因此应当理解，在所提出的权利要求的保护范围内，可以按本文详 细介绍的不同的方式实施。