专利名称：具有分批分离的多相流量计的制作方法
技术领域：
背景技术：
当油井产油时，它有时将产生不需要的成分，诸如水。对于正在大量产油的油井， 在用于持续测量油、气、水、和/或其它物质的相对比例的昂贵而复杂的设备上的投资当然是合理的。一种这样的设备使用核密度测定法来提供多相流量计，其可以持续地监视油、 水、气、和/或其它物质的相对量。但是，基于核密度测定法的多相流量计的成本可能是每个装置$100，000那么多。尽管该成本高昂，但是对于具有显著生产量的油井这显然是合理的。油井在接近其可用寿命的结束时，开始产生相当量的油/水/气三相混合物。此外，由于这些井具有减少的生产能力，用于管理油井的大量资本支出并不总是合算的。例如，采用核密度测定法的多相流量计的持续使用常常是不合理的。然而，由于较高的运营费用而简单地放弃晚期油井也是不可取的，因为这将遗留剩余部分的油在井中。如果针对不生产足够量的油的油井，可以提供新的多相流量计的解决方案以替代基于核密度测定法的多相流量计，这在油回收的技术领域中将是有益的。提供这样的多相流量计可以延长油井的可用寿命，同时不需要与高产量井相关联的高运营成本。
发明内容
本发明提供一种过程流体流量系统，具有输入、输出、以及布置在所述输入和所述输出之间的多个流体线路。布置至少一个阀，以可选择地使得过程流体流经多个线路中的第一线路或者多个线路中的第二线路。在正常生产期间，过程流体流经所述第一线路，以及在过程流体隔离(sequestration)期间，过程流体流经所述第二线路。过程流体流量测量设备可操作地插入在所述输入和所述输出之间，并且被配置为测量通过系统的总的流量。在所述第二线路中布置分离器，且所述分离器被布置为允许所述过程流体随时间按比重分离为所述过程流体的不能混合的成分，所述分离器具有已知的内部容积。优选地布置导波雷达液面测量设备，以测量所述分离器内的分界面的高度。将控制器耦合到至少一个阀、所述过程流体流量测量系统、以及所述导波雷达液面测量设备。所述控制器被配置为将来自所述过程流体流量测量设备的总的过程流体流量的信息与来自所述导波液面测量设备的所测量的高度信息相结合，以提供所述过程流体的至少一个不能混合的成分的分流量 (fractional flow rate)0
图1是根据本发明的实施例的使用分批分离的多相流量计的示意图。图2是根据本发明的实施例的柱的示意图，在该柱的顶端安装了导波雷达液面变送器。图3是示出根据本发明的实施例的耦合到控制器的流量测量系统的示意图。
图4是根据本发明的另一个实施例的使用分批分离的多相流量计的示意图。图5是示出根据本发明的实施例的对于估计分离高度有用的一阶指数函数的图。图6是示出针对图5中示出的相同数据集的瞬时斜率对流逝时间的图。图7示出了根据本发明的实施例的用于确定一阶时间常量的针对半对数线性回归的直线关系。
具体实施例方式本发明的实施例一般源自以下理念将实际油井流的一小部分与生产流相隔离， 并且允许隔离的样本量沉淀到某种程度，使得可以提供关于油、气、和/或水的相对比例的测量和/或推断。尽管这样的技术没有提供高达使用核密度测定法的多相流量计的秒级实时输出，但是它们确实提供了一种具有显著少的费用的可行解决方案。在一个实施例中， 提供了一种设备，其能够以小于+/-10%的总误差，精确地确定气、油以及水的量，并且能够在含水量超过80%的条件下工作。而且，该多相流量计能够在温度约200° F、压力高达 15, OOOpsi的区域工作。此外，该设计只要求最小的人员联系和制造成本，并且能够以使用传统核密度测定法技术的多相流量计的成本的大约1/5来提供该设计。在一个具体实施例中，设备从总体流中捕获混合物的样本，并且允许样本自然沉淀。尽管该技术不是最快捷的解决方案，但是它是精确且可靠的。对于该具体问题，精度和可靠性比测量频率更加重要。图1是根据本发明的实施例的使用分批分离的多相流量计的示意图。系统100 包括入口 102，在该入口 102处多相流体流入文氏管(venturi)104。一对导压管或压力分接头将在文氏管上的两个位置处的压力传递给由引用标号106所示的差压变送器，诸如 Chanhassen,Minnesota 的 Emerson Process Management 出yS的胃. ! 口名禾尔 305ISMV 的差压变送器。差压变送器106计算差压的值，并且该值与基于文氏管的几何形状的流体流量有关。该流量值经由过程环路连接108传递给外部设备。差压变送器106还经由端口 110耦合到温度传感器，该端口 110电耦合到部署用于测量位置114处的过程流体温度的温度传感器112。对流体流量和过程流体的温度的了解允许差压变送器106提供总体过程流体的质量流速。系统100包括一对球阀120、122，其协同操作以选择性地将过程流体传递通过两个可能路径之一传输。优选地，球阀120是市场上可买到的三通球阀，其可选择性地将过程流体从入口 IM传输到出口 1 或出口 128。优选地，球阀122是双通球阀，其简单地对在入口 130和出口 132之间的流进行中断或允许。在正常操作期间，球阀120被命令为将过程流体从入口 1 传输到出口 126，因此过程流体流经管路134、136以及出口 138。当有合适的致动时，阀120以及122协同操作以使流转向通过样本柱140，而不是通过包括管路 134以及136的线路。一旦已经出现足够的流通过柱140，则阀120以及122被再次命令以使流恢复通过正常的流路径。此时，流经柱140的特定量的过程流体被简单地保存在其中。 优选地，阀120、122的操作基于由合适的电子器件(比如可编程逻辑控制器)控制的定时器。然而，可以请求针对输入信号的任何合适事件来操作阀120、122，以在任何合适的时间或者响应于任何合适的过程信息来获取样本。在没有流的情况下，重力的影响将逐渐地致使不同的过程流体元素根据它们的特定的重力而分离。例如，当气、油和水在流体流中都存在时，气将自然地浮在顶上，油将处在中间，而水将沉在底部。这种各种流体的沉淀行为的优点在于，在柱140内自顶部到底部， 流体适宜地按照每个相的介电常数的值从最小到最大的顺序出现。这提供了针对导波雷达液面设备的适宜应用，所述设备是例如Emerson Process Management销售的具有商品名称 Model 5300 Series Guided Wave Radar level transmitter 的设备。优选地，导波雷达液面变送器部署在柱140的上方，并且被配置为将导波定向到柱140中。此外，基于雷达液面变送器144的规范来选择柱140的尺寸。在引用标号144示出的雷达液面变送器可以是任何合适的导波雷达液面设备，包括上面列出的设备。可以使用其它液面测量设备，如果它们能够检测各种流体的分界面。变送器144具有过程通信环路输出146，其耦合到合适的设备，诸如可编程的逻辑控制器，或者计算设备，以提供关于柱140内的过程流体分界面 (两个分离的流体，诸如油和水，之间的边界)的高度的信息。使用与柱140的内部容积有关的先验信息，可以测量和/或外推过程流体分界面的相对高度信息，以计算过程流体的各个成分的相对体积比例。导波雷达液面变送器使用低功率纳秒微波脉冲，该脉冲被向下引导到淹没在过程介质中的探头(未示出)。当微波脉冲到达具有不同介电常数的介质时， 一部分能量被反射回变送器。变送器使用第一反射的残留波来测量分界面液面。没有被上层产品表面(upper product surface)反射的那部分波继续前进，直到其在下层产品表面 (lower product surface)被反射。该波的速度完全取决于上层产品的介电常数。将发射脉冲和反射脉冲之间的时间差转换为距离，然后计算总液面或者分界面液面。反射强度取决于产品的介电常数；介电常数值越高，反射越强。导波雷达液面技术提供了高度精确和可靠的直接液面测量，同时没有改变过程条件(诸如密度、传导率、粘性、PH、温度、压力、流体颜色、混合物中的杂质等等)所需的补偿。 与诸如核密度测定法的传统技术相比，使用导波雷达液面技术的另一优点在于这样的技术不依赖于任何放射性物质或要求使用任何感应分离技术，所述感应分离技术使得设备容易受到作为仅部分相位分离的结果而产生的较大误差的影响。如图1中所示，优选地，系统100还使用第二差压变送器150来检测端口 152、巧4 之间的差压。检测到的差压提供了对柱140内的液压的指示以及因此提供了对柱140内的过程流体的液面的指示。该差压测量提供了柱140内收集的流体的总的体积密度(bulk density)测量。实质上，通过测量已知容积的柱140内的已知长度的流体上的静压落差，提供了与体积流体密度有关的指示。图2是柱140的示意视图，柱140具有安装在其顶端的导波雷达液面变送器144。 优选地，柱140耦合到T形配件160，T形配件160耦合到具有足够距离的过渡区162，以允许导波雷达液面变送器在接收其能够登记的信号之前，有足够的时间发出最小的信号来校准其自身。根据本发明的一个实施例，过渡区是聚四氟乙烯构造的10英寸长的过渡区。图 2中还示出，从底部164到T 160的顶部166的容积是大约400立方英寸。一旦将过程流体样本传输到柱140中，它将自然地随时间沉淀，并且导波雷达液面变送器144将确定用于确定样品的成分所需的分界面的位置。因为圆柱的内径是已知的，测量分离的材料的各自高度，并且样本腔的总高度是已知的，所以可以相对容易地提供体积浓度的计算。图3是示出根据本发明的实施例的耦合到控制器200的系统100的示意图。优选地，控制器200是可编程逻辑控制器，诸如EmersonProcess Management销售的具有商业名称 ControlWave MICRO Programmable Logic Controller (PLC)的可编程逻辑控制器。雷达液面变送器144、差压变送器106和150耦合到控制器200。此外每个阀120、122分别耦合到各自的单级双掷(single pole double throw) 120VAC继电器202、204。每个继电器 202、204进而耦合到来自控制器200的控制输出。因此，控制器200能够选择性地引导流通过管路134、136，或者通过柱140。控制器200因此负责经由其内部时钟或者某种其他合适的事件来控制阀，并且还负责记录来自导波雷达液面变送器144和差压多变量变送器106、 150的测量。此外，通过其与差压变送器106、150和雷达液面变送器144的通信，控制器200 可以确定在柱140内保存的成分的体积比例，并且可以结合变送器106提供的流速的知识来提供对流经系统的各个成分的体积流速的估计。图3还示出了附加特征在文氏管104的上游和下游都提供的调节运行管 (conditioning runs) 210,212.优选地，每个调节运行管的长度至少约是其直径的20倍。图4是根据本发明的另一实施例的使用分批分离的多相流量计的示意图。特别地，图4中示出的实施例与图1-3中示出的实施例的区别在于不将过程流体的全部流都引导通过分离路径，相反，从主流中分出必要的一定体积的流并进行隔离，使得随后允许其沉淀。该实施例将要求诸如泵或者活塞之类的辅助设备，需要这样的辅助设备来从样本腔中移除样本。剩余的设计相当类似。与传统的多相流体流量测量解决方案相比，图1-3中示出的实施例提供了众多优点。具体地，整个流被捕获在样本腔中(柱140)，其确保了不存在与捕获了非代表性样本相关的问题。而且，最终读数是对管道中传输的东西的精确表示。只要从上到下，各层的介电特性是从低到高排列，则导波雷达液面变送器能够区分不同的相，而不受温度、粘性、流体颜色、杂质等等的影响。图1-4示出的实施例的特征不是取连续的成分数据，而是通过精确测量多个样本的成分来创建油井的成分的动态平均。对于条件快速改变的油田，该分批测量策略将使得本发明的实施例没有连续测量成分的现有技术方案那么精确。然而，因为油井中的含水量在短时间内不会剧变，本发明的实施例引起的误差应该很好地小于10%。 而且，其他类型的多相质量流量计对于不同成分(诸如高的含水量或者高的含气量的混合物)有时存在问题。本发明的实施例对任何类型的混合物不存在这种问题，并且总是精确地测量任何类型的气/油/水的成分。最后，本发明的实施例提供了非常简单且可负担的系统。存在许多用于连续成分测量的技术解决方案，但是为了使它们的误差越来越接近百分之一，它们常常极其复杂和/或昂贵。然而，对于晚期油井的管理，这样低的误差是没有担保的。认识到本发明的一个可能限制在于缺乏对多相容积流量的实时指示，所以本发明的实施例还包括通过一阶动力学重量表达的外推来估计平衡的相间液面位置的技术。通过这些技术，有可能加速根据本发明的实施例的多相流量计的响应时间。此外，有可能在各层具有完全的相分离之前，估计出导波雷达腔中的最终的平衡的相间液面位置。下面列出的技术将记载这样的计算过程，其中，当各层仍然在相分离时，将原始的分界面液面位置数据回归到一阶指数函数。一旦指数函数的参数已经确定，则可以计算原始混合物中的油、水和气的体积比例，不需要等待出现完全的相分离。这些计算技术基于以下理论其中油/水和气/油分离的物理特性导致非稳态连接(unsteady state connect)将服从一阶指数的预测。公式1提供了所提议的指数函数。
Lt = L0- Δ L* (l_exp [_t/k])(公式 1)其中t =从混合物开始相分离起流逝的时间；k = 一阶指数的时间常量；Lt =在流逝时间t处的分界面液面；L0 =在流逝时间t = 0处的分界面液面；L00 =在流逝时间t =⑴处的最终的平衡的分界面液面；AL =在流逝时间t =①处的分界面液面的总改变，t =①一AL = L00-Lc^为了计算混合物中的油、水和气的体积比例，需要油/水分界面和气/油分界面的液面的最终位置。随着混合物相(mixture phase)分离，导波雷达液面变送器144持续地测量两个分界面的位置。优选地可编程逻辑控制器200记录分界面液面数据以及时间戳， 因此流逝时间是已知的。然而，在实践中，时间常量和最终的分界面液面都不是已知的。图 5示出了针对具有下述参数的阀，公式(1)的将是什么样子的示例k = 1. 25 小时;L0 = 0. 75 英寸；以及L00= 2. 75 英寸。图5示出了在已经流逝一个时间常量之后，分界面液面已经改变总改变的 63. 2%，如果允许流逝无穷的时间量，则该总改变将发生。类似地，在已经流逝两个时间常量之后，分界面液面已经改变总改变的86. 5%。当时间趋向于无穷时，分界面液面逐渐接近它的最终值。以流逝时间常量来表示，分界面液面如表1所示接近它的最终值。表 1一阶指数动力学
权利要求
1.一种过程流体流量系统，包括输入、输出、以及布置在所述输入和所述输出之间的多个流体线路； 至少一个阀，部署用于可选择地使得过程流体流经多个线路中的第一线路或者所述多个线路中的第二线路，其中在正常生产期间，过程流体流经所述第一线路，以及在过程流体隔离期间，所述过程流体流经所述第二线路；过程流体流量测量设备，可操作地插入在所述输入和所述输出之间，并且被配置为测量通过系统的总的流量；分离器，部署在所述第二线路中，所述分离器被布置为允许所述过程流体随时间按比重分离为所述过程流体的不能混合的成分，所述分离器具有已知的内部容积； 液面测量设备，部署用于测量所述分离器内的分界面的高度；以及控制器，耦合到所述至少一个阀、所述过程流体流量测量系统、以及所述液面测量设备，所述控制器被配置为对来自过程流体流量测量设备的总的过程流体流的信息与来自液面测量设备的所测量的高度信息，以提供过程流体的至少一个不能混合的成分的分流量。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个阀包括多个阀，协同操作以选择性地通过所述第一流体线路或者第二流体线路提供整个过程流体流。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器控制所述至少一个阀的操作，以周期性地使得过程流体流经所述第一流体线路或者所述第二流体线路。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述过程流体流量设备包括差压变送器，所述差压变送器可操作地耦合到过程流体所流经的文氏管。
5.根据权利要求4所述的系统，还包括过程流体温度传感器，部署用于测量过程流体的温度，以及向所述差压变送器提供对所述温度的指示。
6.根据权利要求1所述的系统，还包括差压变送器，所述差压变送器耦合到所述分离器上的一对压力分接头。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个阀是球阀。
8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器被配置为在所述过程流体的不能混合的成分最终分离之前，基于分界面高度测量来估计最终的分离高度。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述估计基于一阶指数函数。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述指数函数的至少一个参数是通过经验确定的。
11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述指数函数的至少一个参数包括一阶指数时间常量。
12.根据权利要求11所述的系统，其中，提供所述一阶指数时间常量的改变，作为对所述过程流体流的诊断。
13.根据权利要求1所述的系统，其中，所述液面测量设备是导波雷达液面测量变送ο
14.一种测量过程流体流量的方法，所述方法包括 从正常流中隔离一部分过程流体；允许隔离出的部分按比重分离到至少某种程度；测量所分离的隔离部分中的过程流体的不能混合的成分的相对比例；以及测量总的过程流体流量，并且将总的流量信息与测量的相对比例信息相结合，以提供针对所述过程流的至少一种不能混合的成分的分流量信息。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所隔离的部分是从主过程流体流中分出的。
16.根据权利要求14所述的方法，其中，基于在实际完全分离之前对最终分离的估计， 来提供所述分流量信息。
全文摘要
本发明提供一种过程流体流量系统(100)，具有输入(102)、输出(138)、以及布置在输入(102)和输出(138)之间的多个流体线路。布置至少一个阀(120、122)以可选择地使得过程流体流经该多个线路中的第一线路或者该多个线路中的第二线路。在正常生产期间，过程流体流经第一线路，以及在过程流体隔离期间，过程流体流经第二线路。过程流体流量测量设备(106)可操作地插入在输入(102)和输出(138)之间，并且被配置为测量通过系统(100)的总的流量。在第二线路中部署分离器(140)，该分离器被布置为允许过程流体随时间按比重分离为过程流体的不能混合的成分，该分离器(140)具有已知的内部容积。优选地布置导波雷达液面测量设备(146)，以测量分离器(140)内的分界面的高度。将控制器(120)耦合到至少一个阀(120、122)、过程流体流量测量系统(106)、以及导波雷达液面测量设备(146)。控制器(200)被配置为将来自过程流体流量测量设备(106)的总的过程流体流量的信息与来自导波液面测量设备(146)的所测量的高度信息相结合，以提供过程流体的至少一种不能混合的成分的分流量。
文档编号G01F15/08GK102405398SQ201180001534
公开日2012年4月4日 申请日期2011年5月9日 优先权日2010年5月12日
发明者凯莉·K·莱斯, 布赖恩·J·塞姆斯, 摩根·B·因波拉, 罗格·K·皮赫拉亚 申请人:罗斯蒙德公司
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