通过分析电特性测量管道中多相流组成的系统

技术领域

本发明涉及一种流测量系统，该系统通过分析电特性，用于测量管道中多相流体流的组成，特别涉及测量在碳氢化合物生产装置中的气体，水和油的流体混合物的组成和流量。

背景技术

众所周知，在烃生产中，需要监测所生产的流体组成。这通常是通过使用电极测量流的介电常数来完成的，可能还与使用伽马辐射的密度测量和压差测量相结合。在一定的气体含量下，当液态段塞在流中移动时，流中的液相可能会出现。如NO307393中所示，这可用于测量液体部分的含量，例如液体的水液比(WLR)。在 NO307393中，这是通过检测流的介电常数高的时间段，并在段塞通过电极的那些时间段中测量介电常数来实现的。

如NO307393中所述，假定这些高介电常数的时间段主要是液体，但是，仍可能包含少量气体。进一步说明，可以通过使用主要对沿管道外围的流动敏感的电极来优化发现几乎没有气体的液体样品的过程，并且可以通过剩余气体的校准因子来进一步优化该过程。

NO307393中描述的解决方案的一个局限性如下：感测体积内的电场分布是所谓的软场，这意味着电场分布还将取决于感测体积外部流的介电常数。由NO307393 中提出的局部场电极进行的测量，用于沿着管道的外围进行测量，因此，可能会因为管道中心的流而测量不准确。另外，测量将受到轴向流分布的影响。因此，理想地，含水率的确定应该仅基于在整个横截面上存在均匀分布以及电极前后达到一定距离(例如几个管子直径)时，进行测量。

此外，NO307393中的解决方案以及W02007/009097中讨论的相关解决方案，测量超过一定阈值的任何变化，都很难区分均匀流动条件和非均匀流动条件。

N0340852展示了如何使用附加的轴向间隔电极平面扩展N0307393中描述的方法和系统，从而实现速度测量的互相关，以及如何将其组合起来以用于测量段塞流中的多相流速。N0340852讨论了N0307393的上述限制，但未提出替代解决方案。

发明内容

本发明的一个目的是改善在段塞期间的测量。如所附权利要求中所呈现的方法获得。

因此，本发明在沿管道长度的不同位置或沿管道中一个位置的圆周使用两组传感器装置，例如电阻抗传感器。为了实现本发明的目的，使用哪种电阻抗传感器并不重要，例如，它们可以是电容或电导传感器，或者微波传感器，或者上述传感器的组合。但是，有一个标准，即当流均匀时，两个传感器彼此相似，而当流不均匀分布时，两个传感器彼此不同。

下面将基于与NO 307393和NO 340852中所描述的传感器类似的阻抗传感器来解释本发明，即，测量在管道的外围预设的一组平板电极之间的低频电阻抗。传感器因此配置为在流体流主要为非导电时(通常为油连续液相)，测量电容，并在流体流为导电时(通常为水连续液相)，测量电导。通过已知的方法将测得的电容或电导率分别转换为介电常数或电导率。优选地，对两个传感器进行校准，以测量针对均匀分布的流的介电常数(或电导率)，然而，选择两个传感器的配置，使得其具有不同的灵敏度场，从而对其各自的感测区域内的不均匀分布做出不同的响应。然后，比较两个位置的测量值，并使用测量值之间的关系来提供某些条件下流体流的测量值。

附图说明

下面将参考附图更详细地讨论本发明，附图以示例的方式说明了本发明。

图1a，1b示出了根据本发明使用的传感器；

图2a，2b示出了传感器中电极之间的电场；

图3a，3b示出了由一个传感器进行的测量。

具体实施方式

下面针对如图1a所示的管道1中的油连续流F来描述本发明，使用传感器装置 2,6和相关的电子设备(未显示)测量电容，然后在一个计算单位中转换为介电常数。然而，通过电导的相应测量并转换为电导率，同样可以很好地解释本发明在水连续流中的应用。

在第一实施例中，本发明可以通过两个不同配置的传感器装置2，6来描述，传感器装置2，6沿管道轴向预定距离间隔设置，通常在0.01到0.5米的范围内，优选中心到中心的距离在0.05到0.2米的范围内。因此，在两个位置发生相似测量之间的延迟取决于流量和距离。在图1a和1b的示例中，第一传感器装置2的上游电极面板由两个径向定向的电极2-1、2-2组成，每个电极优选地跨过管道1的外围大约 90度。在该示例中，第二传感器装置6的下游电极面板由六个电极6-1……6-6组成，该六个电极6-1……6-6均匀分布在管道1的周围。该电极配置可从Roxar的市售仪器中获知(MPFM 2600)例如R Thorn等人发表“石油工业中的三相流量测量”，测量科学与技术，2012年10月，测量科技第24卷1号，其不是本发明的一部分。本发明涉及这样的配置并且适于使用这种配置来确定段塞流中的WLR，如下所述。

在所示示例中，通过将两个电极面板2表示为通道2来说明本发明。对于六个电极面板6，两个相邻的电极6-1,6-2作为激励电极，两个沿直径方向放置的电极6-4、 6-5作为平行耦合的测量电极，这可以表示为通道1。剩余的两个电极6-3、6-6可以是浮置的，或者优选地保持在已知的电位，与测量电极相同。假设管道中有均匀的流体时，在这种情况下，在图2a中显示通道2的电场线，在图2b中显示通道1的电场线。

当然除了二加六电极配置以外，可以根据可用技术和所需的测量来构建组合，包括2加2、2加4、6加6等。奇数(例如2加3和3加5)也是可以的，取决于可用的开关和测量技术。电极的非对称分布将使得电场具有不同径向灵敏度的分布，这在某些情况下也可以考虑。

由于对流体流的不同位置敏感，这两个测量通道对非均匀分布会做出不同响应，因为在任何时间段内，流体流在不同位置均不会具有相似的特性，但是理想情况下，当两个测量通道各自感应区域中的流体是均匀的，并且流体同时具有相同的分数组成时，它们将测量相同的介电常数。通过计算在两个测量通道中的测量值之间的比率来利用此方法，这样，可以考虑以下因素：

·均相流，但分数不相等，将导致比率不等于1，这通常用于一个段塞的头或尾。

·非均相流，即使在两个面板上的分数相等(由于径向灵敏度的不同)，非对称径向分布也会导致比率不等于1，这是典型的搅动型流。

·因此，接近1的值表示流的一部分不仅在径向上均匀，而且在轴向上也有一定长度。这对于液体密集的气泡流和雾流都是典型的。

·环流也可导致比率接近1，对于横截面中非常高的气体分数(通常远高于95％)，可以预计为环流。

·通过它们的绝对介电常数差异，可以很容易地将液体稠密的气泡状样品与环状和雾状样品区分开。

·同时在两个不同配置的测量通道之间具有接近1的比率，这样的高介电常数的样品意味着流体的液密部分不仅沿径向方向均匀，沿轴向方向也具有一定长度。这对于段塞流液体的中间部分是典型的。

现在可以在自动测量过程中实施以下测量和评估步骤：

1.从两个轴向分布的传感器(通道1和2)测量连续的介电常数(或电导率)。

2.连续地或在给定的时间段内，计算每步的两个测量之间的比率。

3.在已限定的时间窗口(从几秒到几分钟，甚至几小时)内选择所有测量值比率接近1的样品进入“均匀样品”寄存器。

4.从该寄存器中选择最高介电常数(或电导率)为x％(通常为0.1％)的测量值，代表虚拟液体样品。

5.计算虚拟液体样品的平均介电常数(或电导率)。

6.假设此虚拟液体样品中的气体为零(或固定的低值)，计算虚拟液体样品的水液比(WLR)。

图3a是根据上述过程的步骤3收集的按时间顺序排列的“均匀”样品的曲线图，其中包括一个相当稳定的时间段7，这可能表示使用高电导率液体的一个段塞或连续时间段。根据本发明，通过每个通道测量至少一个这样的稳定时间段，以确认它是流中的稳定特征。如果两个通道在沿流的不同位置，两个通道的出现时间可能会根据流速发生变化；或者通道是在在同一面板上测量的，则同时发生。

在图3b中，根据样品的介电常数值，对样品进行分类，并且只有最右边的样品 8可以视为代表“虚拟液体样品”，请参阅该过程的步骤4。x％可以是预设的，基于已知的流特性或基于在时间窗口内测得的变化在预定范围内进行估算，例如，如上面指出的0.1％。时间窗口的持续时间可能取决于流的条件，但应足以避免发生非常短暂变化的事件，例如，由于测量误差或短暂变化而导致的时间不足以区分均相流条件和非均相流条件。

如图1和图2所示，在使用两个电极面板的实施例中，时间窗口7的持续时间可以小于流通过两个电极平面所需的时间，只要具备这样的特征，则在两种情况下被认为是相同的。

所描述的方法的质量在很大程度上取决于上述步骤6中接近零气体的假设。因此，该方法最适合于段塞流，并且该方法的使用应与确定段塞流的标准和/或其他合适的措施，例如原位验证相结合，以确定该方法的有效性。例如NO307393和 NO340852中所述，有几种公式可以将测得的介电常数转换为WLR。

如上所述，可以理解，这里描述的方法还可以使用除图1所示的电极配置以外的其他电极配置，只要两个传感器满足以下标准：当流体流均匀时，两个传感器响应相似，当流体流不均匀时，两个传感器响应不同。即使图1中的配置也可以不同地使用，例如通过仅在六电极面板中的两个相邻电极之间进行测量，或通过测量电子设备，使电极之间进行任何其他的配置。

不同通道中的电极可以使用已知流体流进行校准，以确保当相同含量的均匀流通过通道电极时，测量值之间的比率为1﹕1。当在两个通道中使用两种不同的配置时(如参考图1和2的上述示例中所示)，这可能尤其必要，还有在传感器上的污染物或类似物可能影响测量的情况下也需要使用。传感器之间单独校准的变化以及计算方法的变化也可能导致比率不是首选的1﹕1。作为获得1﹕1比率的校准的替代，预定比率可以改变为代表相同的流体特性的通道之间的任何比率，但电极设置不同。

对于均相流具有相似的敏感性，而对非均相流具有不同的敏感性，以及达到寻找均匀样品的相同目的的任何此类测量也可以使用其他计算方法。例如，通过计算通道(通道1-通道2)之间的增量(或差异)，而不是比率，均匀周期将接近零，因此达到与使用比率相同的效果。第三种方法是随时间监测两个样品之间的线性增益值(即：来自通道1采样的当前时间和来自通道2采样的100毫秒延迟)。当一段时间内增益值很低(即：接近零)时，样品中的测量值是相似的，这意味着两个传感器在该时间段内都测到均相流，因此达到与使用1﹕1相同的比率。

在本发明的简化版本中，以上的6个步骤的过程也可以用在单面板传感器上，例如在六电极面板6-1，……，6-6，但在步骤1中使用与通道1和2同一面板的两个不同电极配置。此方法的改进用法将找到径向均匀的样品，但是由于不会滤除流动方向的轴向变化，因此WLR测定中的不确定性会增加，可以应用附加的过滤，例如，在步骤3的寄存器允许时间窗口有可接受比率的足够长时间。

在该实施例中，电极对或电极组可以按测量管道横截面的不同子集的顺序动态地改变。例如，一个足够大的液态段塞可以控制两组电极对，这足以在一个时间窗口内提供该段塞的特性度量。

总结本发明涉及一种用于测量管道中多相流组成的系统，尤其是用于测量气体，水和油等流体混合物中的组成和流量，管道中多相流的液体比率，其中多相流包含气体和液体(例如，气体，油或水)的混合物。该系统包括第一传感器装置和第二传感器装置，其中每个传感器装置适于以预定速率测量流的电特性，其中两个传感器配置为对不均匀的流组成响应不同，但是对均匀的流组成响应相似。该系统还包括分析单元，该分析单元适于监测从所述第一传感器装置和第二传感器装置测量的电特性，并且检测在时间段内所述传感器装置中的所测量的特性之间的预定关系，以及在这些周期期间假设为均匀相，例如由管中的液态段塞或气泡组成，并根据电特性计算组成(例如水液比)。

除了使用所测得的特性之间的关系之外，分析单元还适于选择具有特定阻抗，电导率或电容值(例如最高阻抗)的样品的时间段，以及按监测顺序计算流组成时传感器装置之间的预定关系。

该预定关系可以被限定为所测量的特性之间基本上为1﹕1的比率或零差，以及两个样品之间在时间上的线性增益值，但是也可以考虑其他比率或差，这取决于传感器装置和校准系数之间的结构差异。

传感器装置可以用几种不同的方式进行配置，例如，四个电极可以在相同轴向位置处围绕管道间隔开，以被配置为所述第一传感器装置和第二传感器装置，或者第一传感器装置和第二传感器装置可以沿着管道位于不同位置，并且在第一传感器装置和第二传感器装置之间具有预定的距离，分析单元可以考虑与流速相关的两次测量之间的时间延迟。

第一传感器装置和第二传感器装置可以由在整个流动横截面或横截面的一部分上测量特性的电极组成。

如果第一传感器装置和第二传感器装置沿管道设置在不同的位置，则距离和流速可用于补偿流特征的不同到达时间。速度测量装置可以由本领域公知的相关测量，压差或其他流速测量构成。然后可以向分析单元提供流速，并补偿沿管道的不同位置处样品之间的时间差，如果预定关系内的时间段较短，这可能很重要。