CN115698644A - 用于测量油连续流中流速的流量计 - Google Patents

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Abstract

用于测量油连续多相流的流速的流量计和方法，所述流动包括水滴，该流量计包括至少一个磁场发生器，该磁场发生器配置为向所述流量提供具有已知强度的磁场，该流量计还包括至少一个传感器，用于测量传感器处相对于地面的电荷，该传感器位于在与磁场轴和流量轴中心的一定距离处，与磁场轴的轴向位置基本相同，其中，所述流量计还包括用于根据所测电荷计算流速的测量计算手段。

Description

用于测量油连续流中流速的流量计
技术领域
本发明涉及一种测量具有水含量的油连续(oil continuous)多相流的流速的流量计和方法。
背景技术
多相流体流动速度等参数的测量在油气(hydrocarbon)工业以及其他流量含量复杂的领域具有重要意义。已经提出并使用了许多解决方案，如文丘里流量计或***式流量计中的压差、超声多普勒测量和电磁测量。流量测量常常使用一些不同的传感器、电极和设备，使测量装置变得复杂且昂贵。因此，需要减少部件的数量，特别是那些直接与流体接触的部件，并在可能的情况下使用相同的传感器来测量不同的流动参数。
在WO2020084132/NO20181382中，使用电极和电场进行流量测量，其中使用不同类型的电极配置来测量流量的组成，但所测得的变化也可用于测量流速。然而，后者确实需要在流量组成上有一定程度的变化。
US9163967和WO2007/009097中讨论了另一种测量流速的方法。这种解决方案在水连续的情况下是有用的，水流过磁场，通过使用沿管道的圆周布置的电极，这就在垂直于磁场和流动方向的方向上提供了电压差。然而，该解决方案不适合非导电流，因此在油气相关测量中使用有限。在WO2007/009097中，如果流体中的水含量太低，这个问题通过在流动方向上使用电极测量速度来解决。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种替代方法，用于测量非导电流体流的流速，其中该流具有稳定的流态和成分，最好使用现有的电极配置。该目标在附带的权利要求书中获得。
因此，本发明是基于这样的事实：即使在非导电流中，任何导电或偶极分子都会受到磁场的影响，在除与磁场平行之外的任何方向上都会产生电荷差，而在垂直于磁场时将达到最大。这可以用放置在距离磁场轴线一定距离处的电极进行测量，使用低阻抗电路测量相对于地面水平的电荷。
附图说明
下面将参照通过示例说明本发明的附图来描述本发明。
图1a和图1b说明了根据现有技术进行的测量，如US9163967所示。
图2a和图2b示出了根据本发明的测量方法。
图3a-e说明了根据本发明，磁场对流中的水滴的影响。
图4说明了本发明的实际实施。
图5说明了根据本发明测量的水速、WVF和电压之间的关系。
具体实施方式
图1a所示为已知技术的基本关系，其示出了管道1的横截面以及用于测量速度的至少一个电极2。两个线圈B1、B2用来产生基本均匀的磁场B，该磁场B延伸穿过管道1，管道材料选择成不会干扰磁场B。测量原理是基于这样一个事实：当水连续流体4a(可能包括油滴4b)流经磁场B时，法拉第电磁感应定律指出，当水连续流等运动导体通过磁场时，会产生感应电压。这在图1a中表示为管道壁1处的正负变化+/-。由此感应产生的电压可以在距离磁场轴线和流动轴线一定距离的电极2处测到，因此该电压对应的是
ΔE＝kBvD
ΔE是两个相对电极之间的电势，k是校准常数，B是磁场强度，v是水流速度，D是两个测量电极之间的距离。水流速度v能够简单地计算得到。正如US9163967所述，已经证明了使用磁场和电压来测量多相流中的水速可以取得良好的性能。所测量的差电压是局部水流速和局部水体积分数(water volume fraction，WFV)的函数。因此测量的电位差表示为
ΔE＝f(vij,wvfij)
从下部的图1b可以看出，电极2处的电势可以用众所周知的电路2b来测量。
在图1a中，速度电极2由若干电极e1-e6中的一个构成，例如是用于介电常数测量的电极；该速度电极2也可用于在相对于磁场轴线的其他位置处进行速度测量，并由此也能提供关于管道横截面上速度分布的信息。
本发明如图2a和2b所示，其中磁场B通过线圈B1、B2施加，以提供具有穿过管道1的限定方向的均匀磁场B，管道1中具有含水滴3a的油连续多相流3b。所需水量将取决于流动条件和测量的准确性，但在含水量稳定的情况下，测量的相对差异将提供流体流动速度的指示。
除了法拉第定律外，油连续流3b中的水滴3a还将应用洛伦兹力，结合作用在油气流3b中水滴3a中的电荷上的电和磁力。电磁场和感应电压给出一个电动势，该电动势由导体中的电荷在非导电流中的水滴所限定的闭环中的循环运动所决定。在图2a中，这是用水滴中的正负电荷来表示的，但实际上，水滴中存在着电荷的循环。这方面的原理将在下文中详细介绍。
当水滴3a通过磁场B时，磁场在每个水滴3a内部产生感应电势，如图2a所示。这些单独的电势将产生一个与电极成电容耦合的电场，电荷由电荷测量电子设备(电荷放大器)A拾取。所测量的电荷差(differential charge)是局部水流速和局部水体积分数(WVF)的函数。然而，测量的电荷差与水速呈线性关系，但与WVF呈非线性关系。
ΔQ＝f(vij,wvfij)
其中，△Q是相对于地面的感应电荷。
通过这种方法，测量到的电荷变化将表明相应的流速变化。该测量可以是相对的，取决于相对于已知条件下测量结果的变化，或者也可以是基于一预定模型，该预定模型考虑了预定的WVF测量结果或与速度测量相关的实时测量的WVF。
同样，在图2b中显示了用于测量每个电极处电荷的电路2a。流速可以用一个电极2来测量，优选放置在与磁场方向和流动方向垂直的位置，以优化信噪比，但也可以使用一些电极e1-e6来提供流动剖面的指示。
磁场可以是恒定的或以已知频率变化的。后者意味着测量的电荷将与变化的磁场同步变化，这可以用来消除测量结果中的误差和干扰。
测量结果可根据已知的水体积分数、盐度等进行校准或调整，以减少速度测量的不确定性；这可以是基于对流量含量的定期采样，或在该测量附近进行的测量，以准确了解流动条件。
图3a-3e说明了本发明背后的原理。图3a说明了管道1中的典型磁场B的分布。依赖于线圈和材料的实际方案与此会有所偏离，可能的代价是测量精度的降低。
图3b显示了在强加的磁场B下以一定速度移动的水滴3a内的感应电流密度3c。水滴3a浸在非导电相(气或油)多相流3b中。注意，更密的线表示更大的电流密度。
图3c说明了由图3b中的电流密度产生的感应电压。
图3d说明了由图3c中的电势在非导电流体相3b中产生的电场分布。同样，更密的线表示更大的电场强度。
图3e说明了在非导电相3b中以一定速度移动的多个水滴3a形成的电场分布E。来自这些水滴的电荷被电极2捕获，并转移到低阻抗电路(电荷放大器)2a。如上所述，本实施例中的电极2沿垂直于磁场和流的方向放置，以优化测量，所测得的电容将提供流速的测量。
图4说明了一种实际的方案，其中线圈B1和B2位于管道1的相对两侧。这可以与其他测量装置结合起来，如上文所述的那些，或如US 7,276,916 B2中所披露的那样，使用额外的线圈B3和B4来测量水体积分数。它也可以与WO2020084132/NO20181382中讨论的方案相结合，使用相同的电极，但可能有额外的测量电路连接到它们。
在图5中示出了图2b所示电荷测量电子设备2a在不同的WVF下的输出电压。WVF1为40％，WVF2为20％，WVF3为10％，WVF4为5％。该图显示了电荷与水流速和WVF的关系，可以看出，测量的准确性随着WVF的增加而增加，但是，取决于传感器电路，至少在低至5％ WVF或更低的情况下，测量结果是可靠的。
综上所述，本发明涉及一种流量计和相应的方法，用于测量油连续多相流的流速，其中该流包括水滴，最好是具有已知的WVF。该流量计包括至少一个磁场发生器，其配置为向所述流提供具有已知强度的磁场，还包括至少一个传感器，用于测量传感器处相对于地面水平或参考水平的电荷，该传感器可以是电容传感器或高阻抗传感器。该传感器定位成远离(at a distance from)磁场轴线和流动轴线的中心，其轴向位置基本上与磁场轴线相同。该流量计包括计算单元，用于根据所测量的电荷计算对流速的度量(measure)。
优选的是，该至少一个传感器在垂直方向上该轴以及该磁场的轴线保持一定距离，以便将测量的灵敏度最大化。为了进一步提高灵敏度，至少两个传感器可以安装在管道和磁场的相对两侧。另一个实施例可包括沿内管道表面分布的多个传感器，这些传感器连接至测量仪器，通过分析电荷分布来确定流动横截面上的速度分布。
磁场强度可以是随时间变化的磁场强度，然后流量计可以配置为测量所述至少一个传感器对变化磁场的响应。
该至少一个传感器放置在管道壁中，根据可用的传感器和应用场景，它可以与该流成电绝缘，也可以与该流成电接触。
流量计还可以包括水容积分数测量仪，测量该流的含水量，计算单元也适合于根据确定的含水量计算速度，或者包括关于流体流的含水量的预定信息的存储装置，计算单元也适合于根据确定的含水量计算速度。计算单元根据已知的流动条件进行校准，根据测得的与已知流动条件的偏差来测量流速。

Claims (15)

1.用于测量油连续多相流的流速的流量计，所述流包括水滴，所述流量计包括至少一个磁场发生器，所述磁场发生器配置为向所述流提供具有已知强度的磁场，所述流量计还包括至少一个传感器，用于测量传感器处相对于地面水平的电荷，所述传感器定位成远离所述磁场的轴线和所述流的轴线的中心，并处于与所述磁场的轴线基本相同的轴向位置，其中所述流量计还包括一计算单元，用于根据所测电荷计算对流速的度量。
2.根据权利要求1所述的流量计，其特征在于，所述至少一个传感器定位成在垂直于所述流和所述磁场的轴线的方向上远离。
3.根据权利要求1所述的流量计，包括放置在管道和磁场相对两侧的至少两个传感器。
4.根据权利要求1所述的流量计，其特征在于，所述磁场具有随时间变化的磁场强度，所述流量计配置为测量所述至少一个传感器上对变化磁场的响应。
5.根据权利要求1所述的流量计，其特征在于，所述至少一个传感器位于管道壁中，并与所述流电绝缘。
6.根据权利要求1所述的流量计，其特征在于，所述至少一个传感器位于管道壁中，并与所述流电接触。
7.根据权利要求1所述的流量计，其特征在于，所述至少一个传感器是电容传感器。
8.根据权利要求1所述的流量计，其特征在于，所述至少一个传感器是高阻抗传感器。
9.根据权利要求1所述的流量计，包括沿内管道表面分布的多个传感器，这些传感器与一测量仪器相连，用于确定在流动横截面上的速度分布。
10.根据权利要求1所述的流量计，包括水体积分数测量仪，测量所述流的含水量，所述计算单元也适用于根据所确定的含水量计算速度。
11.根据权利要求1所述的流量计，包括存储装置，该存储装置包括关于流体流的含水量的预定信息，所述计算单元也适于根据确定的含水量计算速度。
12.根据权利要求1所述的流量计，其特征在于，所述计算单元根据已知的流动条件进行校准，根据测得的与已知流动条件的偏差来测量所述流的速度。
13.测量管道中油气连续流体流的流速的方法，该流体具有水体积分数，该方法包括以下步骤：
施加横穿所述流体流的磁场；
使用传感器测量传感器处的电荷，所述传感器位于磁场轴线外侧的管道壁处；
根据在所述传感器处测量的电荷量计算流速。
14.根据权利要求13的方法，其特征在于，流速是基于所测的变化和所述流的水体积分数WVF计算的。
15.根据权利要求14的方法，还包括在计算之前测量所述流的WVF的步骤。
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