双束多相流体分析系统和方法

技术领域

本公开涉及气井或油井测试或生产监测，更具体地，涉及用于分析从气井或油井生产的多相流体的方法和装置。

背景技术

烃流体例如油和天然气通过钻探穿透含烃地层的井从地下地质地层(称为储层)获得。一旦钻出井眼，就可以对井进行测试，以确定储层产能和地下地层的其他特性，以帮助制定油田开发的决策。可以安装各种部件和设备，以便在从储层生产各种流体的同时监测和进行流动测试。

进行井测试以提供储层特征、井可交付性的估计、完井和射孔策略的评估，以及评估在井上执行的操作的效率，例如钻井、完井、射孔、增产等。在井测试期间，获得的一个参数是在地面测量的流量。可以对流动测试的结果进行各种类型的分析以确定地层、流体和流动特性，例如对使用流量计测量的数据进行各种类型的分析。井通常会产生水、油和气的组合，这使得流量测量相当复杂。

测量流量的一种传统方式是通过分离多相流中的流体相，然后用单相流量计测量各个相。单相流的分离和测量通常被认为是准确的。虽然单相流量测量通常是值得信赖的，但当流体分离不完全时就会出现困难，从而提供要由单相流量计测量的流体相混合物(例如，油中的气泡)并且结果不准确。另一个潜在的缺点是可能会遗漏有关生产井中流体流动动态行为的一些信息，因为流体流量是在分离后测量的。因此，人们希望在不使用多相流量计分离的情况下在线实时测量多相流量。

发明内容

下文阐述了本文公开的一些实施例的某些方面。应当理解，呈现这些方面仅仅是为了向读者提供本发明可能采取的某些形式的简要概述，并且这些方面并不旨在限制本发明的范围。实际上，本发明可以包括下面可能没有阐述的各种方面。

在本公开的一个实施例中，一种方法包括在管道的孔内接收多相流体，并使具有多个能级的电磁辐射穿过孔内的多相流体。使电磁辐射穿过管道的孔内的多相流体包括沿着穿过孔的第一束路径传输第一束的电磁辐射穿过多相流体，以及沿着孔内的第二束路径传输第二束的电磁辐射穿过多相流体。第二束路径不同于第一束路径，并且第一束在孔内沿着第一束路径的长度大于第二束在孔内沿着第二束路径的长度。该方法还包括在第一检测器处检测穿过多相流体的第一束的电磁辐射，并在第二检测器处检测穿过多相流体的第二束的电磁辐射。此外，该方法包括确定孔内多相流体的气体分数和液体中水比。基于检测到的第一束的电磁辐射来确定气体分数，并且基于检测到的第二束的电磁辐射来确定多相流体的液体中水比。

在本公开的另一个实施例中，一种方法包括在管道的孔内接收多相流体，该多相流体以环形或环状雾流状态流过孔，其中多相流体的较重流体沿着限定孔的管道的内壁形成液膜。该方法还包括使具有多个能级的电磁辐射穿过孔内的多相流体，这包括沿着穿过孔的第一束路径传输第一束的电磁辐射穿过多相流体，以及沿着孔内的第二束路径传输第二束的电磁辐射穿过多相流体。第二束路径不同于第一束路径，并且第一束在孔内沿着第一束路径的长度大于第二束在孔内沿着第二束路径的长度。该方法还包括在第一检测器处检测传输穿过多相流体的第一束的电磁辐射，在第二检测器处检测传输穿过多相流体的第二束的电磁辐射，以及确定多相流体的气核(core)的半径。

在另一个实施例中，一种装置包括流体管道，该流体管道具有孔和测量系统，该测量系统定位成发射具有多能级的多束电磁辐射穿过接收在孔中的多相流体。该测量系统包括至少一个辐射源、定位成接收沿着从至少一个辐射源到第一辐射检测器的第一束路径穿过多相流体发射的第一束的第一辐射检测器、以及定位成接收沿着从至少一个辐射源到第二辐射检测器的第二束路径穿过多相流体发射的第二束的第二辐射检测器。测量系统被布置成使得第一束在孔内沿着第一束路径的长度大于第二束在孔内沿着第二束路径的长度。该测量系统还包括计算机，用于基于由第一辐射检测器接收的第一束计算多相流体的气体分数，并基于由第二辐射检测器接收的第二束计算多相流体的液体中水比。

关于本实施例的各个方面，可以存在上述特征的各种改进。进一步的特征也可以包含在这些不同的方面中。这些改进和附加特征可以单独存在或以任何组合存在。例如，下面关于所示实施例讨论的各种特征可以单独或以任何组合结合到本公开的任何上述方面中。再次，以上给出的简要概述仅旨在使读者熟悉一些实施例的某些方面和上下文，而不限于所要求保护的主题。

附图说明

以下将参照附图描述本公开的某些实施例，其中相同的附图标记表示相同的元件。然而，应当理解，附图仅示出了这里描述的各种实施方式，并不意味着限制这里描述的各种技术的范围。附图示出并描述了本公开的各种实施例。进一步来说：

图1大体描绘了根据本公开的一个实施例的用于分析流体的流量计；

图2是根据一个实施例的图1的流量计的计算机的组件的框图；

图3是根据一个实施例的使用两个辐束来分析管道的孔内的多相流体的流量计的管道的横截面；

图4是根据一个实施例的用于用两个辐束分析多相流体以确定多相流体的各种特性的流程图；

图5-7描绘了根据一些实施例的使用两个辐束来分析管道的孔内的多相流体的流量计的附加示例；

图8是根据一个实施例的使用两个辐束来分析具有围绕气核的液膜的多相流体的流量计的管道的横截面；和

图9是根据一个实施例的用于确定图8的气核的半径的流程图。

具体实施方式

在以下描述中，阐述了许多细节以提供对本公开的理解。然而，本领域技术人员将理解，可以在没有这些细节的情况下实践本公开的实施例，并且从所描述的实施例的多种变化或修改是可能的。

在说明书和所附权利要求中：术语“将...连接”、“连接”、“被连接”、“与……连接”和“连接...”用于表示“与……直接连接”或“经由一个或多个元件与...连接”，而术语“集合”用于表示“一个元件”或“不止一个元件”。此外，术语“将...联接”、“联接...”、“被联接”、“联接在一起”和“与...联接”用于表示“直接联接在一起”或“经由一个或多个元件联接在一起”。如本文所用的，术语“向上”和“向下”；“上”和“下”；“向上地”和“向下地”；“上游”和“下游”；“上方”和“下方”；本说明书中使用了指示给定点或元件上方或下方的相对位置的其他类似术语，以更清楚地描述本公开的一些实施例。当介绍各种实施例的元件时，冠词“一”、“一个”、“该”和“所述”旨在表示存在一个或多个元件。术语“包括”、“包含”和“具有”旨在是包括性的，并且意味着除了所列元件之外可能还有其他元件。

本公开的某些实施例通常涉及流体分析，例如在井生产测试或永久生产监测期间产出流体的流体分析。更具体地，一些实施例包括多相流量计，该多相流量计被设计成发射具有多个能量的x射线和/或伽马射线电磁辐射的两个束，所述多个能量具有通过流体的不同路径长度。在一些示例中，第一辐束沿着穿过多相流量计的管段的直径路径发射，并且第二辐束沿着穿过管段的非直径路径发射。第一辐束和第二辐束可以从相同的放射性多能量源或从具有多种能量的不同放射源发射。

在至少一个实施例中，可以在束的最高能级(例如对于

现在转到附图，根据一个实施例，用于分析流体的装置10通常在图1中示出。虽然在该图中描绘了装置10的某些元件，并且在下面进行了一般性讨论，但是应当理解，除了当前示出和讨论的那些元件之外，装置10还可以包括其他组件，或者代替这些组件。此外，虽然装置10可以以流量计(例如，多相流量计)的形式提供，如这里所示和下面结合某些实施例所述的，但是装置10也可以以其他形式提供。此外，在至少一些情况下，装置10用于分析从地下地层抽取的流体。这种分析可以由装置10在水下或地面对流体进行。

如所描述的，该设备包括用于接收待分析流体的流体管道12和联接到流体管道12上用于测量管道12中流体特性的各种传感器。在当前描述的实施例中，传感器包括辐射检测器16(其从发射器14接收辐射)、压力变送器18和差压变送器20。用于压力、温度和压差的多变量变送器(MVT)可用于降低流量计成本。发射器14可以将电磁辐射发射到流体中，其中至少一些被辐射检测器16接收。在至少一个实施例中，发射器14包括通过流体向辐射检测器16发射核辐射的核源(例如，

为了便于某些测量，例如流量，流体管道12可以设置为具有锥形孔和文丘里喉管的垂直文丘里管部分，以限制流体流动，如图1所示。这种收缩产生了压降，可以用压差变送器20测量该压降。此外，在至少一个实施例中，发射器14和检测器16围绕流体管道12中的文丘里喉管定位(例如，在相同的横截面内)，使得检测器16接收已经通过文丘里喉管内的流体传输的辐射。

在一些实施例中，装置10是多相流量计，其使用两种或更多种不同能级或波长的辐射。作为一个示例，装置10可以使用两种或更多种不同能级的伽马射线或x射线辐射(例如，穿过文丘里喉管发射)。可以测量不同能量的x射线和/或伽马射线辐射的衰减，并用于确定流经流量计的多相流体中的油、气和水的各个相分数。单个相分数和文丘里压差可用于确定其他流体特性，如混合物密度、WLR和质量流量。

文丘里喉管的直径可以在不同的实施例之间变化。例如，对于相同的0.5的文丘里喉管/入口直径比，较小直径的喉管可用于一些较低流量和流体，而较大直径的喉管对于较高流量的某些流体(例如，用于非常高速率的油/气井)是所希望的。在至少一些实施例中，流体管道12的文丘里喉管具有60-150毫米(例如，65毫米或88毫米)的内径。然而，增加喉管直径也可以增加传输衰减(导致光子计数率降低，特别是在较低的伽马射线或x射线能量下)，例如当流体的盐水盐度高时(例如，在装置10的满水校准期间)或当水分数间歇地高时(例如，在具有高WLR液体段塞的流动期间)。

装置10还包括用于确定流体管道12内的流体特性的计算机22(其也可称为控制器或控制单元)。在至少一些实施例中，计算机22是以流量计算机的形式提供的，该流量计算机与单个单元中的其他所示组件联接，以便于在更大的系统(例如，油田设备)中安装流量计。更具体地，计算机22可操作来根据由其他组件收集的测量值，例如来自一个或多个检测器16的光子计数率，来确定流体管道12内的流体的特性。例如，计算机22可以根据文丘里差压和混合物密度来确定流体的总流量。此外，多相流量计的计算机22可以通过将从发射器14发射的各种能级的辐射量与检测器16实际接收的这种辐射部分进行比较来确定流体在各种能级辐射下的衰减。计算机22还可以使用该信息来计算流体管道12内的多相流体的相分数(例如，油、气和水的比例)和混合物密度。可以通过将相分数测量值与总流量测量值相结合来确定单个相的流量。在一些实施例中，计算机22基于第一束x射线和/或伽马射线电磁辐射计算多相流体的气体分数，并且基于第二束x射线和/或伽马射线电磁辐射计算多相流体的WLR，第二束x射线和/或伽马射线电磁辐射具有比第一束更短的穿过流体的路径，如下面进一步讨论的。计算机22还可以或替代地计算环形多相流体内的气核的半径、气核的液体分数、围绕气核的环形液体膜的厚度、或多相流体的气体分数，如下所述。

计算机22可以是基于处理器的系统，其示例在图2中提供。在该描绘的实施例中，计算机22包括至少一个处理器30，其通过总线32连接到易失性存储器34(例如，随机存取存储器)和非易失性存储器36(例如，闪存和只读存储器(ROM))。编码的应用指令38和数据40存储在非易失性存储器36中。例如，应用指令38可以存储在ROM中并且数据40可以存储在闪存中。指令38和数据40也可以根据需要加载到易失性存储器34(或处理器的本地存储器42中)，例如以减少延迟并提高计算机22的操作效率。编码的应用指令38可以作为可以由处理器30执行以启用本文描述的各种功能的软件来提供。这些功能的非限制性示例包括确定：检测器上的入射光子计数率、辐射衰减率、多相流体的相分数和混合物密度(油、水和气分数)、流量、气体体积分数(GVF)、WLR、气核的半径、气核的液体分数和液膜厚度。在至少一些实施例中，应用指令38被编码在非暂时性计算机可读存储介质中，例如易失性存储器34、非易失性存储器36、本地存储器42或便携式存储设备(例如，闪存驱动器或光盘)。

计算机22的接口44使得处理器30与各种输入设备46和输出设备48之间能够通信。接口44可以包括能够实现这种通信的任何合适的设备，例如调制解调器或串行端口。在一些实施例中，输入设备46包括装置10的一个或多个感测组件(例如，检测器16、压力变送器18和差压变送器20，或压力/温度/差压多变量变送器(MVT))，输出设备48包括显示器、打印机和存储设备，其允许输出由计算机22接收或生成的数据。输入设备46和输出设备48可以作为计算机22的一部分提供，或者可以单独提供。

此外，虽然计算机22可以与流体管道12和装置10的感测组件一起定位为整体系统(例如，流量计)，但计算机22也可以远离其他组件定位。此外，计算机22可以被提供为分布式系统，其中计算机22的一部分与流体管道12处的感测组件一起定位，而计算机22的其余部分远离流体管道12定位。(例如，接口44的)一个或多个通信设备可以促进多相流量计测量数据(例如流量、WLR、GVF或传感器的预测、诊断或质量控制信息)到用户的过程管理系统的有线或无线通信，例如监控和数据采集(SCADA)系统。多相流量计可以通过这样的通信设备从用户接收命令以更新多相流量计配置或校准设置。多个具有连通性的多相流量计可以构成工业物联网的一部分，通过大数据分析和云计算实现更高效的油气储层管理。

如上所述，在至少一些实施例中，可以通过流量计10的流体管道12发射具有多个能级的两个辐束以促进多相流体的分析。在图3中提供了这样的一个示例，其示出了辐束52和54沿着管道12的横截面通过通常由管道12的管壁58限定的孔56从发射器14传输到检测器16。图3的发射器14包括单个多能放射源62，例如

在这个描绘的实施例中，束52沿着穿过孔56的直径路径发射，并且在穿过窗口68、孔56、窗口70和准直器72之后在第一检测器66的晶体64处被接收。相反，束54沿着穿过孔56的非直径路径发射，并且在穿过窗口68、孔56、窗口80和准直器82之后在第二检测器76的晶体74处被接收。检测器晶体64和74可以是钇铝钙钛矿(YAP)晶体或一些其他合适的材料。至少在某些情况下，窗口68、70和80被设置为压力保持、辐射能量透明的单片窗口。尽管检测器16可以被提供为闪烁检测器，但是其他类型的检测器16(例如，固态检测器)也可以或者替代地用于其他实施例中。

由于它们不同的束路径，第二束54在孔56内的长度比第一束52的短。也就是说，第一束52穿过孔56内的多相流体(即窗口68和70之间)行进的距离大于第二束54穿过多相流体(即窗口68和80之间)进行的距离。在一些情况下，第二束54在孔56内的路径长度可以比第一束52在孔56内的路径长度少百分之七十五或更少(或百分之五十或更少)，并且可以取决于孔56的内径。尽管束52可以是直径束，如图3所示，但是束52也可以是非直径束。

在至少一些实施例中，由检测器66(DET-1)沿着第一束52进行单个高能测量(例如对于

现在转向图4，用于分析多相流体的过程的示例通常由流程图94表示。在该实施例中，多相流体被接收在管道中(框96)，例如在管道12的孔56中。然后，用电磁辐射(例如，x射线和/或γ射线辐射)的第一束(例如，束52)沿着第一束路径(框98)和电磁辐射(例如，x射线和/或γ射线辐射)的第二束(例如，束54)沿着第二束路径(框100)照射接收的多相流体(例如，在多个能级下)。如上所述，第一束路径在多相流体中可以具有比第二束路径更大的长度。另外，在至少一些实施例中，第一束路径是穿过孔56的直径束路径，而第二束路径是穿过孔56的非直径束路径。

接收第一束的第一检测器(例如检测器66)测量第一束的一个或多个能级(例如最高能级之一)的光子计数率(框102)。类似地，接收第二束的第二检测器(例如，检测器76)测量第二束的一个或多个能级(例如，两个或更多个低能级)的光子计数率(框104)。多相流体的气体分数90基于检测到的第一束(框106)，例如根据第一检测器针对检测到的第一束的计数率来确定，多相流体的WLR92基于检测到的第二束(框108)，例如根据第二检测器针对检测到的第二束的计数率来确定。

混合物密度或气体分数90可以从沿着第一束52测量的束52中最高能量(例如对于

可以沿着第二束54进行WLR(因此液体密度)确定，该第二束54在两种或更多种较低能量下(例如对于

尽管在图3中描述了用于分析多相流体的具有发射器14和两个检测器16的装置的一个示例，并且如上所述，但是该装置可以采取其他形式。例如，在图5所示的一个实施例中，该装置包括多路复用器(MUX)112，该多路复用器112有助于用一个MCA86和一个CPU88分析多相流体，而不是如图3所示的各两个。如上所述的，检测器66(DET-1)可以沿着束52进行一次或多次单次高能测量，以确定混合物密度、气体滞留量等。而检测器76(DET-2)可以沿着束54进行两次或更多次低能测量，以确定WLR。MUX112可用于一次选择检测器66或76(DET-1和DET-2)中的一个，其中可以沿着富气束52进行更长持续时间(例如十分钟)或更频繁(例如以十分钟或十五分钟的间隔)的测量，用于检测器66(DET-1)以确定快速变化的气体滞留量(即气体分数)或混合物密度，以及更短持续时间(例如五分钟)或不太频繁(例如在一个小时的间隔)的测量可以沿着富含液体的束54进行，用于检测器76(DET-2)以确定通常缓慢变化的WLR(在低GVF壁附近区域)。这两个检测器的测量可以交替和重复进行，测量顺序和持续时间在CPU88或其他逻辑控制设备的控制下可编程。可以以45Hz计数率采样率或任何其他合适的采样率进行测量。

图6所示的另一个实施例与图5所示的实施例的不同之处在于，省略了核窗70，束52传输通过管壁58(例如金属管壁)的一部分114。部分114处的壁厚可被设计成足以承受设计压力，具有足够的高能计数率，并阻挡或过滤束52中不用于基于束52的气体分数或混合物密度确定的低能光子。

虽然束52和54可以从共享的多能量放射性或x射线发生器源62发射，但是在其他实施例中，这些束可以从单独的源发射。如图7所示，例如，如上所述，第一束52从单能量或多能量放射性或x射线发生器源62发射，但是第二束54替代地从第二发射器14的多能量放射性或x射线发生器源116发射。该第二束54通过窗口118、孔56和窗口80传输到检测器76。在一些情况下，发射器14和检测器16可以被布置成使得束52和54的路径在管道12的横截面内平行。在一些情况下，图7的发射器窗口68和检测器窗口72中的一个或两个可以省略，以允许通过金属管壁沿着直径束52进行高能测量。

此外，虽然可以确定多相流体的气体分数和WLR(例如，图4的框106和108)，但是也可以或替代地确定多相流体的其他特性。例如，对于湿气应用，非直径束和直径束测量可以结合以确定额外的流体特性或提高流动特性测量精度。在一些实施例中，例如上所述的直径束52和非直径束54可以通过具有三相流的多相流体发射，该三相流具有同心的气核和液环结构，例如环形、环形雾或雾流，以确定各种流体特性。这些确定的流体性质可以包括气核的半径(图4的框142)、气核中的液体分数(框146)、液膜厚度(框148)、总气体分数(框150)、WLR以及水和油分数。两个束52和54可以从一个多能量源(例如，通过两个准直孔从源62)或从两个不同的源发射。

应当理解，管道内多相流中每一相(即，气体、水和油)的分数可以通过单束双能伽马射线来测量。然而，这将在大部分准直束所覆盖的区域中提供分数，该分数可能不等于管道横截面上的期望分数。对于核和环空形状的流动结构来说尤其如此，其中气体倾向于集中在核中，液体集中在环空中；穿过直径单束测量往往会高估气体分数。

然而，本技术的某些实施例使用两个辐束52和54，这可以提高核-环形流结构的相分数精度，例如环形流、环形雾流和湿气流中普遍存在的雾流。在至少一些实施例中，束52穿过管道12的圆孔56的直径，而另一个束54偏离该直径以通过更靠近管道12的壁58。利用这种测量配置，可以导出两组环形流的相分数等式，用于计算上述特性。此外，液体(环空)膜厚度和气核液体分数可用于多相流体建模，例如用于文丘里排放系数计算、混合物密度计算和速度剖面预测。虽然这种信息不能从单束流分数测量中提取，但是目前描述的具有束52和54的测量技术可以用于提供气核的半径(在框142处)、气核液体分数(在框146处)、液膜厚度(在框148处)和芯环形状流中的总气体分数(在框150处)。

通过管道12的孔56的多相流体的这种芯-环流动的一个示例在图8中通常被描绘为具有围绕气核122的液膜120。尽管液膜120主要是液体，而气核122主要是气体，但是液膜120可以包括一些气体(例如，夹带的气泡)，气核122可以包括液体(例如，夹带的液滴)。在至少一个实施例中，假设液膜120不含气体，并且气核122可以是在芯的横截面积中具有不同分数的气体和液体的混合物。两个辐束52和54从多能量辐射源62穿过多相流体，例如以上所述。束52可以是穿过孔56中心的直径束(例如，穿过管道12的文丘里喉管)，束54可以是非直径束。

在孔56内，束52穿过液膜120的区域124和气核122的区域126，而束54穿过液膜120的区域134和气核122的区域136。如图8所示，束54穿过液膜120的路径的比例大于束52穿过液膜120的路径的比例。在至少一些实施例中，气核122的束穿过区域126和136以及由束52穿过的孔56内的总面积(即，区域124和126的总和)和由束54穿过的孔56内的总面积(即，区域134和136的总和)可用于计算分析的多相流体的各种特性，例如气核122的半径r、气核122中的液体分数，液膜120的厚度、WLR和孔56内的相分数(孔半径为R，且r≤R)。

例如，直径束在中心芯中的束穿过区域126可以计算为：

并且偏离直径的束在芯中的束穿过区域136是:

其中h

可以假设气体和液滴在中心核122中均匀混合，核液体分数相对于核横截面积为

其中a是直径束52的束穿过区域(区域124和126)，a′是偏离直径束54的束穿过区域(区域134和136)。注意a和a′是常数，其取决于束的几何形状。将等式1代入等式2并重组2a和2b以消除

等式3具有唯一的未知变量r并且可以使用迭代方法(例如牛顿法)或任何其他合适的技术来求解。在求解气核的半径r的等式3后，薄膜厚度可以计算为：

t＝R-r (4a)

核中的液体分数可以计算为：

管道横截面的气体分数可以计算为：

可以通过使用双能伽马射线测量来确定WLR，所述双能伽马射线测量使用直径束(例如，束52)和/或使用穿过局部富液体区域的偏离直径(近壁)束(例如，束54)(这可以促进湿气WLR测量的更高精度)进行。例如，由偏离直径束确定的WLR为:

管道横截面的水和油分数可计算为:

α

α

假设等式3的左侧是函数f(r)，图9的流程图152大体示出了使用牛顿算法迭代求解等式3，其中n是迭代数，f′(r)是函数f(r)的一阶导数,∈是收敛标准,α是定义为α∈(0,1]的松弛因子。问题初始化后(框154),f(r)和f′(r)被计算(框156)，计算随后的近似值(框158)，并且比较当前近似值和前一近似值(框160)。如果当前近似值和前一近似之差的绝对值低于收敛标准(框162)，则该方法结束(框164)。否则，迭代次数增加，并且可以重复框156、158、160和162，直到满足期望的收敛标准。应当理解，其他迭代算法也可以或替代地用于求解等式3。

前述概述了若干实施例的特征，以便本领域技术人员可以更好地理解本公开的方面。本领域技术人员应当理解，他们可以容易地使用本公开作为设计或修改其他工艺和结构的基础，以实现相同的目的或实现与本文介绍的实施例相同的优点。本领域技术人员也应该认识到，这样的等效结构并不脱离本发明的精神和范围，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以在本文中进行各种变化、替换和变更。