用于測(cè)量多相油-水-氣混合物的屬性的方法
【專利說(shuō)明】
[0001] 相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002] 本申請(qǐng)要求享有于2013年4月4日提交的題為"ApparatusAndMethodFor MeasurementOfMultiphaseOilAndGasComposition"的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)?zhí)?61/808, 620的權(quán)益，該申請(qǐng)公開(kāi)和教導(dǎo)的全部?jī)?nèi)容在此通過(guò)參考特別地并入本文。
[0003] 關(guān)于聯(lián)邦權(quán)利的聲明
[0004]本發(fā)明按照美國(guó)能源部授予的合同No.DE-AC52-06NA25396在政府的支持下完 成。政府具有本發(fā)明的某些權(quán)利。
技術(shù)領(lǐng)域
[0005] 本發(fā)明總體上涉及對(duì)石油、水和氣的混合物的各個(gè)相的組分的測(cè)量，具體而言，涉 及在不需要測(cè)試分離器、測(cè)試線路、以及相關(guān)閥門(mén)和儀器的情況下在石油生產(chǎn)過(guò)程期間提 供石油、水和氣的混合物的各個(gè)相的組分的實(shí)時(shí)、連續(xù)的數(shù)據(jù)。
【背景技術(shù)】
[0006] 在石油生產(chǎn)過(guò)程期間產(chǎn)生的石油、水和氣的混合物的單相組分的測(cè)量用于井測(cè) 試、井管理和生產(chǎn)分配中。用于兩相和三相計(jì)量系統(tǒng)的傳統(tǒng)測(cè)量設(shè)備需要昂貴且笨重的測(cè) 試分離器、測(cè)試線路、相關(guān)閥門(mén)安裝和儀器使用控制、安全系統(tǒng)和計(jì)量，尤其是對(duì)于離岸/ 海底的井以及其它設(shè)施，其需要高維護(hù)和現(xiàn)場(chǎng)人員干預(yù)。測(cè)試分離器還會(huì)引入環(huán)境問(wèn)題。對(duì) 于多相計(jì)量的當(dāng)前方案是昂貴的，因此在單個(gè)井上很少使用計(jì)量器，而是用于一組井上，它 們借助容納多個(gè)井的大型歧管將其產(chǎn)物傳送到觀測(cè)站。在短暫的時(shí)間期間中按順序測(cè)試每 一個(gè)井。在一些油田中，在將液體引向油-水測(cè)量系統(tǒng)之前，首先將產(chǎn)生的多相流體傳送通 過(guò)旋風(fēng)式氣-液分離器?？梢允褂迷S多儀器來(lái)進(jìn)行兩相（油-水）組分測(cè)量，包括電容式、 微波、科里奧利法和超聲測(cè)量。當(dāng)前沒(méi)有適合于單個(gè)井測(cè)試的商業(yè)上可用的、廉價(jià)且可靠的 儀器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的實(shí)施例通過(guò)提供一種用于在石油生產(chǎn)過(guò)程期間生成石油、水和氣的混合 物的各個(gè)相的組分的實(shí)時(shí)井?dāng)?shù)據(jù)的方法而克服了現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)和局限。
[0008] 本發(fā)明的實(shí)施例的另一個(gè)目的是提供一種用于在石油生產(chǎn)過(guò)程期間生成石油、水 和氣的混合物的各個(gè)相的組分的連續(xù)數(shù)據(jù)的方法。
[0009] 本發(fā)明的實(shí)施例的再另一個(gè)目的是提供一種用于在不需要測(cè)試分離器、測(cè)試線 路、以及相關(guān)閥門(mén)安裝和儀器使用的情況下在石油生產(chǎn)過(guò)程期間生成石油、水和氣的混合 物的各個(gè)相的組分的實(shí)時(shí)、連續(xù)的井?dāng)?shù)據(jù)的方法。
[0010] 在隨后的說(shuō)明中會(huì)部分地闡述本發(fā)明的其它目的、優(yōu)點(diǎn)和創(chuàng)新特點(diǎn)，部分對(duì)于研 究了以下內(nèi)容的本領(lǐng)域技術(shù)人員是顯而易見(jiàn)的或者可以通過(guò)實(shí)踐本發(fā)明來(lái)獲知。本發(fā)明的 目的和優(yōu)點(diǎn)可以借助在所附權(quán)利要求書(shū)中特別指出的手段和組合來(lái)實(shí)現(xiàn)并達(dá)到。
[0011] 為了實(shí)現(xiàn)前述以及其它目的，且根據(jù)本文包含且寬泛描述的本發(fā)明的意圖，用于 在具有含界定了腔的內(nèi)表面的壁的管道和其它容器中確定具有一系列大小的氣泡和流體 的混合物的氣體體積分?jǐn)?shù)的方法于此包括：將脈沖振蕩聲能施加到管道或容器的壁，以使 得將聲脈沖傳送通過(guò)混合物，并且其中，振蕩聲能在混合物中的波長(zhǎng)大于或等于的泡狀物 的大小約5倍；接收到達(dá)管道或容器的壁的脈沖聲能；以及測(cè)量脈沖聲能通過(guò)混合物的渡 越時(shí)間，根據(jù)所述渡越時(shí)間確定脈沖聲能的聲速；由此計(jì)算混合物的氣體體積分?jǐn)?shù)。
[0012] 在本發(fā)明的另一個(gè)方面中并根據(jù)其目的和意圖，用于在具有含界定了腔的內(nèi)表面 的壁的管道和其它容器中確定氣-水-油混合物中油-水混合物的組分的方法于此包括： 將脈沖振蕩聲能施加到管道或容器的壁，以使得將聲脈沖傳送通過(guò)混合物，并且其中，振蕩 聲能在氣-水-油混合物中的最低頻率大于500kHz;接收到達(dá)管道或容器的壁的脈沖聲 能；以及測(cè)量脈沖聲能通過(guò)混合物的渡越時(shí)間，根據(jù)所述渡越時(shí)間確定脈沖聲能的聲速； 由此計(jì)算混合物的氣體體積分?jǐn)?shù)。
[0013] 在本發(fā)明的再另一個(gè)方面中并根據(jù)其目的和意圖，用于在具有含界定了腔的內(nèi)表 面的壁的管道和其它容器中測(cè)量具有大小的分布的氣泡和流體的混合物中泡狀物大小的 分布的方法于此包括：將寬帶脈沖振蕩聲能施加到管道或容器的壁，以使得將脈沖聲能傳 送到混合物中，并且其中，寬帶振蕩聲能的頻率范圍在泡狀物諧振頻率的范圍內(nèi)；接收由 泡狀物散射的脈沖聲能；從所散射的聲能提取多普勒信號(hào)；以及測(cè)量所述多普勒信號(hào)的強(qiáng) 度，根據(jù)所述強(qiáng)度確定泡狀物大小的分布。
[0014] 在本發(fā)明的再另一個(gè)方面中并根據(jù)其目的和意圖，用于在具有含界定了腔的內(nèi)表 面的壁的管道和其它容器中測(cè)量具有大小的分布的氣泡和流體的混合物中泡狀物流速的 分布的方法于此包括：將寬帶脈沖振蕩聲能施加到管道或容器的壁，以使得將脈沖聲能傳 送到混合物中，并且其中，寬帶振蕩聲能的頻率范圍在泡狀物諧振頻率的范圍內(nèi)；接收由泡 狀物散射的脈沖聲能；以及根據(jù)所散射的聲能確定多普勒頻移；根據(jù)所述多普勒頻移確定 泡狀物流速的分布。
[0015]本發(fā)明的實(shí)施例的益處與優(yōu)點(diǎn)包括但不限于，提供用于在石油生產(chǎn)過(guò)程期間生成 石油、水和氣的混合物的各個(gè)相的組分的實(shí)時(shí)、連續(xù)數(shù)據(jù)的裝置和方法，而不必將氣體從流 動(dòng)流分離，由此改進(jìn)了油藏管理并降低了任何油田的工作的成本。
【附圖說(shuō)明】
[0016] 附圖包含在說(shuō)明書(shū)中并構(gòu)成其一部分，附圖示出了本發(fā)明的實(shí)施例，并與說(shuō)明一 起用于解釋本發(fā)明的原理。在附圖中：
[0017] 圖1是作為用于包含單分散性的20μm泡狀物的1 %體積分?jǐn)?shù)的液體的頻率的函 數(shù)的聲速的曲線圖，示出了低頻，氣泡諧振頻率和高頻，而圖lb是于此作為頻率的函數(shù)的 針對(duì)圖la描述的含泡狀物液體的聲衰減的曲線圖。
[0018] 圖2是作為分別用于三個(gè)不同泡狀物大小（50μπι(曲線（a))、100ym(曲線（b)) 和100μπι(曲線（c))泡狀物）的聲頻率的函數(shù)的泡狀物流體中計(jì)算的聲速的雙對(duì)數(shù)繪圖。
[0019] 圖3是作為分別用于三個(gè)不同泡狀物大?。?0μm(曲線（a))、100μπι(曲線（b)) 和100μπι(曲線（c))泡狀物）的聲頻率的函數(shù)的泡狀物流體中計(jì)算的聲衰減的雙對(duì)數(shù)繪 圖。
[0020] 圖4是作為在217kHz固定頻率下的泡狀物大小的函數(shù)的消光截面的雙對(duì)數(shù)繪圖， 217kHz是15μm泡狀物的諧振頻率。
[0021] 圖5是作為聲頻率的函數(shù)的具有15μm半徑的單個(gè)泡狀物的散射截面的雙對(duì)數(shù)繪 圖。
[0022] 圖6是作為在1到200kHz之間變化的頻率的函數(shù)的啁嗽信號(hào)的振幅的曲線圖，啁 嗽信號(hào)用于激發(fā)壓電換能器，其繼而激發(fā)泡狀物流體。
[0023] 圖7是于此響應(yīng)于圖6中所示類型的啁嗽信號(hào)，如由寬帶接收器換能器檢測(cè)的來(lái) 自具有含以一平均值為中心的不同大小的泡狀物的泡狀物流體的散射信號(hào)的振幅的曲線 圖。
[0024]圖8是本發(fā)明的裝置的實(shí)施例的示意圖，示出了用作發(fā)射器的寬帶壓電換能器和 用作接收器的兩個(gè)相同換能器，一個(gè)接收器檢測(cè)發(fā)射的信號(hào)，而另一個(gè)接收器與發(fā)射換能 器成角度設(shè)置，其檢測(cè)散射信號(hào)。
[0025] 圖9是作為頻率的函數(shù)的50mm直徑壓電晶體的多個(gè)諧振的振幅的曲線圖，對(duì)于這 個(gè)幾何形狀，這個(gè)晶體的厚度模式諧振約為1. 1MHz，而徑向模式延伸到低頻，這個(gè)晶體的最 低徑向模式約為50kHz。
[0026] 圖10示出了用于生成徑向模式諧振的晶體的設(shè)計(jì)，其中，示出了相對(duì)于盤(pán)直徑與 盤(pán)厚度的比的頻率乘以盤(pán)厚度，編號(hào)的曲線表示不同徑向模式，較高模式具有較高頻率。
[0027] 圖11示出了以徑向模式（52kHz)振動(dòng)的壓電圓盤(pán)的表面振動(dòng)振幅分布，環(huán)形圖案 (振幅和間距）具有貝塞耳函數(shù)的形式，其方式為振動(dòng)的強(qiáng)度從圓盤(pán)中心到外邊緣改變，較 高模式具有較大數(shù)量的圓環(huán)。
[0028] 圖12示出了于此通過(guò)以水聽(tīng)器掃描在水箱內(nèi)部測(cè)量的在圖11中描述的徑向模式 換能器的束分布。
[0029] 圖13示出了在非線性介質(zhì)中兩個(gè)頻率匕和f2的混頻，例如用以產(chǎn)生諧波以及混 頻的在多相流體中的泡狀物，其中，在介質(zhì)中混頻兩個(gè)較高頻率以產(chǎn)生和頻與差頻。
[0030]圖14是用于在非線性泡狀物介質(zhì)中混頻的調(diào)制方法的示意圖，其中，f。是高頻載 波，以及圪是調(diào)制信號(hào)，以及混頻的結(jié)果是差頻f。_圪。
[0031]圖15是本發(fā)明的裝置的實(shí)施例的示意圖，該裝置用于在垂直定向的管道中的非 線性泡狀物介質(zhì)中混頻由相同函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的兩個(gè)頻率，其中，泡狀物流體流動(dòng)以由此 生成差頻。
[0032]圖16a是換能器到管道的非侵入式附接的示意圖，而圖16b是與管道中流體直接 連通的換能器的示意圖。
[0033] 圖17是示出作為幾個(gè)泡狀物大小的體積分?jǐn)?shù)的函數(shù)的泡狀物諧振頻率以下的泡 狀物流體中聲速的理論預(yù)測(cè)的曲線圖。
[0034] 圖18是示出作為幾個(gè)泡狀物大小的體積分?jǐn)?shù)的函數(shù)的泡狀物流體中聲衰減的理 論預(yù)測(cè)的曲線圖。
[0035] 圖19a是裝置的示意圖，該裝置使用由圓柱形壓電管以管的呼吸模式頻率產(chǎn)生的 聲輻射壓力，該聲輻射壓力用于移動(dòng)水/石油混合物中攜帶的泡狀物，以使得腔諧振移動(dòng)， 而圖19b是示出在施加對(duì)壓電管的激發(fā)后作為時(shí)間的函數(shù)的泡狀物的頻移量的曲線圖。
[0036]圖20是管道的橢圓形破壞其對(duì)稱性并影響某些區(qū)域中的駐波