CN101952713A - 使用具有不同灵敏度深度的两个开端式同轴探头测量多相混合物中的液体的特性的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种使用具有不同灵敏度深度的探头测量在管中流动的多相混合物的特性的系统和方法。通过在管中生成多相混合物的环形流，探头可以与在管的内部上流动的混合物的液相，并且可以由探头测量环形流的视介电常数。可以对这些测量的介电常数进行处理，以确定环形流的液体分数和环形流的液相的水液比。

Description

使用具有不同灵敏度深度的两个开端式同轴探头测量多相混合物中的液体的特性的系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请主张2008年2月11日提出申请的美国专利申请No.61/027,601的权益，并且是所述专利申请的正式申请，所述专利通过引用在此全文并入。

技术领域

本公开总体涉及测量在管道在流动的多相混合物的特性，并且更具体地但不是限制性地，本公开涉及使用具有不同灵敏度深度的探头测量多相混合物的液相的液体分数和水液比。

背景技术

在油气工业中，油气生产井的地面监测往往趋向于计量具有大范围气体体积流动分数(GVF)的多相流。这种示例是所谓的湿气井，在所述湿气井中，GVF通常大于95％，而液体流量通常不超过每天几百桶。对于这种生产井，通常需要测量气体流量和液体流量，以及液相的成分，例如，水/液态烃比。对于具有GVF＜95％的井来说，内嵌式(in-line)多相流量计可以用于测量流动特性。然而，在GVF大于95％时，内嵌式计量可能是有问题的，并且用于计量高GVF流的两种现有方法是分离和混合。分离方法用于使将要被测量/表征的流动分成几乎液体流和几乎气体流，然后使用单相流量计分别计量分离流。混合方法试图最小化不同相之间的滑脱，使得可以获得速度和滞留量测量值。

现有方法能够为计量具有高GVF的气体流提供良好的精度，然而，液体流动特性的测量可能不准确。现有方法的缺点还包括增加与分离装置和混合装置相关联的成本和管道中的压降和/或在管道中由于将分离装置和/或混合装置引入到输送油气混合物的管道内而使管道内的流动中断。另外，在高GVF下，因为在这种条件下持液率非常低，因此混合方法可能不能用于精确地测量滞留量和水液比(“WLR”)。

发明内容

在本发明的一个实施例中，提供了一种用于测量流动通过管道的多相混合物的特性的系统，所述系统包括：旋动元件，所述旋动元件被构造成生成多相混合物的环形流；第一探头，所述第一探头在第一位置处联接到管道的内壁，且第一探头被构造成接触沿管道的内壁流动的多相混合物的液相；和第二探头，所述第二探头在第二位置处联接到管道的内壁，且第二探头被构造成接触沿所述管道的内壁流动的多相混合物的液相；其中，第一探头和第二探头包括射频频率范围的电磁感测探头、微波频率范围的电磁感测探头和毫米波频率范围的电磁感测探头中的一个；第一探头和第二探头被构造成具有不同的灵敏度深度；以及第二探头具有第二灵敏度深度，其中第二灵敏度深度被构造成大于在管道的内壁上流动的液相的深度/厚度。

在根据本发明的另一个实施例中，提供了一种用于测量在管中流动的多相混合物的特性的方法，所述方法包括以下步骤：使多相混合物旋动以在管中产生环形流，其中，环形流包括多相混合物的在管的内壁上的液相流；使用具有第一灵敏度深度的第一探头测量在管的内壁上流动的液相的环形流的第一视复介电常数；使用具有第二灵敏度深度的第二探头测量在管的内壁上流动的液相的环形流的第二视复介电常数，其中，第二灵敏度深度大于在管的内壁上流动的液相的环形流的深度；以及使用处理器液相的特性进行处理。

在本发明的多个方面中，探头可以包括开端式同轴探头。探头可以包括射频频率范围的电磁感测探头、微波频率范围的电磁感测探头和/或毫米波频率范围的电磁感测探头。根据本发明，可以通过使用探头测量多相混合物正在流动通过的管中的两个位置处的多相混合物的环形流的视介电常数，以测量在管的内壁上流动的环形流的多相混合物的液相的深度/厚度、多相混合物的液体分数、液相的水液比和/或类似物。

附图说明

以下结合附图说明本公开，其中：

图1是根据本发明的实施例的安装在管壁中的同轴探头的图；

图2是根据本发明的实施例的双探头流动测量系统的方框图；以及

图3是用于处理由具有不同灵敏度深度的两个探头测量的管道中的多相混合物的环形流的视介电常数以确定环形流的液相流动特性的过程的实施例的流程图。

在附图中，类似的部件和/或特征可以具有相同的附图标记。此外，不同类型的各种部件可以通过在附图标记之后具有虚线和在类似部件中进行区别的第二标记来区别。只要在说明书中使用第一附图标记，则不管第二附图标记，说明适用于具有相同的第一附图标记的类似部件中的任一个。

具体实施方式

随后的说明仅提供了示例性实施例，并且目的不是限制本公开的保护范围、适用性或结构。相反，示例性实施例的随后说明将为本领域的技术人员提供用于能够实施一个或多个示例性实施例的说明。要理解的是在不背离如所附权利要求所述的本发明的精神和保护范围的情况下可以对元件的功能和布置做各种改变。

以下说明中给出了具体细节以提供对实施例的彻底理解。然而，本领域的技术人员要理解的是在没有这些具体细节的情况下可以实施所述实施例。例如，系统、结构、及其它部件可以被显示为在方框图中的部件，从而以不必要的细节的方式使实施例清楚。在其它情况下，可以显示公知的过程、技术、及其它方法，而无需不必要的详细以免使所述实施例不清楚。

此外，要注意的是个别实施例可以作为被描述为流程图、程序框图、结构图、或方框图的过程而进行说明。虽然流程图可以说明作为顺序进程的操作，但是许多操作可以并行或同时执行。此外，可以重新组合操作的顺序。此外，在一些实施例中可以不发生任意一个或多个操作。当过程的操作完成时，所述过程结束，但是可以具有没有包括在附图中的另外的步骤。过程可以与方法、程序等相对应。

图1示出了根据本发明的一个实施例的安装在管壁中的同轴探头。如图所示，单个微波开端式同轴探头116嵌装在管壁118处，并且与(水-油)液层114接触，所述液层在此示例中被示出为夹带有气体。探头116的内导体具有外半径a，探头116的外导体具有内半径b；探头绝缘体(所述探头绝缘体热稳定并且电稳定，优选地为陶瓷或玻璃)的介电常数为e_L。在所述结构中，a、b和e_L的适当选择确定探头116的特性阻抗Z_o。探头116通过微波同轴电缆112连接到微波反射计110，所述微波同轴电缆优选地具有Z_o的特性阻抗。微波反射计110可以用于产生与探头孔径处的复反射系数G有关的复反射系数r的测量值。

图2示出了根据本发明的实施例的双探头流动测量系统。在本发明的实施例中，深探头210中的至少一个和浅探头220中的至少一个可以用于感测在管道240中流动的多相混合物230的液相的特性。仅以示例的方式，在油气工业中，多相混合物可以包括气态烃类，而多相混合物的液相可以包括水和/或油。

在本发明的实施例中，确定多相混合物230的液相的特性。在本发明的一些方面，双探头流动测量系统可以用于在多相混合物230包括湿-气流的情况下确定液相的特性，并且更具体地，可以在GVF大于95％的情况下使用。在本发明的一个实施例中，多相混合物230的液相可以在管道240的内壁上的环状层233中流动。在多相混合物230是湿气且湿气的流动包括液相沿管道壁的流动和作为气芯的气相沿管道的流动的情况下，这会自然发生。在这些情况下，对气芯/液体环状流的认知和/或对气芯/液体环状流的感测可以用于定位根据本发明的系统和/或用于确定适合使用这种系统来确定液相的流动特性的时间。

在一些实施例中，漩流诱导元件245可以用于使多相混合物230旋动，使得当所述多相混合物沿管道240移动时使所述多相混合物旋动。在这种漩流下，液相通常沿管道240的内壁作为环状层233流动，且气芯236流动通过管道240的横截面的其余部分。漩流诱导元件245可以包括叶轮、弯曲元件、进入管道240内的倾斜/切向流入装置和/或用于在多相混合物230中生成漩涡型流的类似物。在共同待审的美国出版物No.2008/0223146中更加全面地说明了漩涡流和这种流动的生成，该出版物通过引用在此全文并入。

在本发明的实施例中，相同、不同和/或可控制/期望灵敏度深度的、多个安装在管壁的射频(RF)、和/或微波、和/或毫米波频率范围的电磁感测探头可以用于提供多相混合物的液相的特性的测量值(例如，在管壁上流动的液层的厚度和WLR)。在本发明的多个方面中，具有不同灵敏度深度的多个安装在管壁的开端式同轴探头(以下简称同轴探头或微波探头)可以用于提供多相混合物的液相的特性的测量值。在一个实施例中，图1中所示的同轴探头可以用作感测探头。

在本发明的一个实施例中，深探头210和浅探头220与管壁联接以与环状层233接触。对于同轴探头，如上所述，这种探头可以被表征为具有带有外半径a的内导体、具有内半径b的外导体和探头内导体/外导体绝缘体，所述绝缘体的介电常数为ε_p，并且是热稳定和电稳定的，并可以包括陶瓷或玻璃。探头的a、b和ε_p值的改变确定探头的特征阻抗Z_o(其中，Z₀≈(60/ε_P ^1/2)ln(b/a))。

开端式同轴探头的灵敏度深度大约等于探头的外导体的内半径b。这种灵敏度表示探头对在其灵敏度深度范围内的材料的整体电特性(介电常数和/或电导率，或复介电常数)是敏感的。因此，探头可以用于感测在其灵敏度深度范围内的材料的视介电常数ε_A。对于其中例如发生在漩涡流和/或环形流中的液层由气层支撑(backed)的情况来说，当覆盖探头孔径的液层的厚度(d)增加超过探头的灵敏度深度时，由探头测量的视介电常数ε_A等于液层的介电常数ε_L。因此，使用具有(同轴探头外导体的)多个内半径b的多个探头将使多个灵敏度深度涵盖到液层内，从而能够测量包括复介电常数、厚度、WLR等的液层特性。

在图2中，环状层233具有深度d250。管道240具有半径R235，而浅探头220与深探头210间隔开距离L253。使用这种结构和不同敏感度的深探头210和浅探头220，可以从由气芯236支撑的环状层233的由深探头210和/或浅探头220感测的视介电常数确定环状层233的特性。

在本发明的一些方面中，基于不同感测原理(例如，反射、透射、共振和/或类似原理)的探头可以连接到适当的测量电子线路以确定环状层233的介电常数和/或电导率。仅以示例的方式，诸如图1中所示的基于反射感测的同轴探头可以通过使用优选地具有与探头本身相同的特征阻抗Z_o的一段微波同轴电缆将两个设备连接在一起而与诸如图1中所示的微波反射计结合使用。对于多个探头来说，可以通过多路传输或切换到单个反射计连续执行来自探头的测量，和/或通过使用多个RF/微波反射计并行执行所述测量，或与两种测量方案结合来执行所述测量。在频率范围取决于同轴探头孔径的直径的情况下，反射计可以在单个和/或多个频率下工作。仅以示例的方式，具有7mm孔径的同轴探头可以从200MHz到6GHz工作。更小的探头可以在更高的频率下工作，且测量值的不确定性通常随频率的增加而增加。

微波反射计电子设备提供与探头视平面处的实际复反射系数T有关的视复反射系数ρ。先前例如已经在题目为“Methods and Apparatus forEstimating On-Line Water Conductivity of Multiphase Mixtures”的美国专利No.6,831,470和题目为“Probe for Measuring the Electromagnetic Propertiesof a Down-Hole Material”的美国专利No.7,327,146中详细说明了用于测量探头孔径处的油田流体混合物的复介电常数(ε^*)的微波开端式同轴探头和反射计的使用，所述专利通过引用在此全文并入。

在本发明的一些方面中，用于测量在管道中流动的多相混合物的环形流的电磁特性的方法可以包括以下步骤：

·联接感测探头与管壁以与流动接触；

·将RF/微波频率输入信号发射到与流动接触的探头；

·测量被探头反射的RF/微波频率输出信号；

·测量基于RF/微波频率输出信号的反射系数；

·根据反射系数计算与流动有关的复介电常数值；以及

·在不同的RF/微波频率下和/或对于不同的探头重复以上步骤。

所述方法还可以包括使用联接到探头的反射计电子线路的校准步骤，且在确定的时间间隔下执行所述校准。校准步骤可以包括：将电子线路连续连接到至少三个不同的阻抗，并且测量反射的RF/微波频率输出信号。

在本发明的实施例中，为了避免在现场操作中的实验室型校准，并且为了在宽范围操作温度内对电子设备线路和开端式同轴探头的温度漂移进行自动校正，反射计电子设备可以设计有用于执行周期电子校准的内部自动校准装置。自动校准装置可以用于在确定的时间间隔下对电子线路和开端式同轴探头本身进行校准。自动校准装置可以包括第二同轴结构、用于连接到至少三个校准端子(例如，短路、开路、和50Ohm端子)的第二开关；三个端子的组合可以不同，从而涵盖流体测量同轴探头的不同阻抗范围(例如，可以使用公知的RC端子)。在本发明的方面中，第二接通电路(on-circuit)同轴结构优选地与流体测量同轴探头相同，以补偿测量探头长度和损耗的变化。先前已经例如在题目为“Methods and Apparatus forEstimating on-Line Water Conductivity of Multiphase Mixtures”的美国专利No.6,831,470和题目为“Probe for Measuring the Electromagnetic Propertiesofa Down-Hole Material”的美国专利No.7,327,146中详细说明了用于与微波开端式同轴探头和反射计电子设备一起使用的自动校准线路装置，所述专利通过引用在此全文并入。

以下提供根据本发明的实施例的关于复介电常数(或混合物电导率和混合物介电常数)确定的示例和说明。由反射计记录的测量的入射和反射(振幅和/或相位)信号可以用于推导在测量探头孔径处的复反射系数Γ＝(Z_c-Z_o)/(Z_c+Z_o)，所述复反射系数是在探头的特征电阻抗Z_o与所述探头的孔径流体阻抗Z_c之间的不匹配的测量值，其中Z_c＝[jωC(ε^*)]^-1，而ω＝2πf是角频率。

作为示例性示例，探头的边缘带电容可以被描述为线性模型C(ε^*)＝ε^*C_o+C_f，其中ε^*＝ε’-fε”是靠近探头孔径的液层的相对复介电常数，而C_f和C_o是表征探头内边缘电容和外边缘电容的电容参数。

给出为在探头视平面处测量的反射信号/入射信号比的实际复反射系数Γ，由于例如一段微波电缆将测量探头连接到反射计，因此RF/微波反射计通常测量与Γ不同的复反射系数ρ，探头电容C(ε^*)以及流体复介电常数ε^*可以被推导为：

C(ε^*)＝(1-Γ)/(1+Γ)/(jωZo)

ε^*＝(C(ε^*)-C_f)/C_o＝(1-Γ)/(1+Γ)/(jωZ_oC_o)-C_f/C_o

在美国专利No.6,831,470中已经说明了一种流体校准双线性模型，所述流体校准双线性模型在不需要测量探头模型电容C_o和C_f的情况下，通过使用具有已知不同复介电常数的三种校准流体使期望的复介电常数ε^*与实际测量的(视)反射系数ρ相关。流体校准程序考虑了探头与所述探头的连接器之间的电长度，和所有不合逻辑的效应(内部反射、不准确的机械尺寸等)。选择的三种校准流体如是空气/水/盐。推导出的复介电常数ε^*＝ε’-jε”与靠近探头孔径的流体混合物的有效电导率和介电特性以如下公式相关ε^*＝ε_m-jσ_m/(ωε_o)：这里ε_m和σ_m是视混合物(相对)介电常数和电导率；ε_o≈8.854pF/m是自由空间的(绝对)介电常数。

开端式同轴探头的灵敏度深度大约等于探头外导体的内半径b，这在很大程度上与探头工作频率无关。湿气流中的液体可以被离心/旋动到管壁上作为移动液层。在图2中，预期的深度d 250小于深探头210的灵敏度深度，使得可以通过深探头210和浅探头220测量不同的视复介电常数

在本发明的实施例中，使用作为液层厚度(d)和层介电常数

的函数的环形流视介电常数

的模型能够计算深度d 250和环形液层233的复介电常数。在一些方面中，可以由深度/厚度d250确定整个持液率α_L。

如图3中所示，根据本发明的实施例，可以处理管道中的多相混合物的由气芯支撑的液相的环形流的、由具有不同敏感度的两个探头测量的视介电常数以确定多相混合物的液相的特性，例如，环形流的流动特性(所述环形流包括混合物的液相，所述混合物的液相还可以包括一些被夹带的气体)。在步骤260中，由两个探头测量视介电常数，并且将所述视介电常数输入到处理器中，且视介电常数等于与环形流的液层的介电常数和深度相关的函数，在步骤270中，求解两个相关的函数以确定包括环形流的液层的介电常数和液层的深度。在步骤280中，处理环形流液层的深度以确定液体分数。并且在步骤290中，包括环形流的液层的介电常数可用于使用液体/液体混合物的适当的介电常数混合模型确定WLR。液体/液体混合物可以被很好地混合(一个相的液滴分散在另一个连续液相中)，或者可以分离或分层(例如，较重的水环状层在较轻的油环状层的外侧)。

在本发明的实施例中，由液层厚度确定的整体持液率由于双探头布置而可能对电导率变化几乎不敏感。当油是连续相时，液层WLR确定也几乎与水电导率率无关。对于水连续、或间断水连续的液层来说，由通过任一个/两个同轴探头快速测量的复介电常数对在线水电导率的估计的能力将允许在改变水的矿化度的情况下进行在线WLR估计，如在题目为“Methodsand apparatus For estimating on-line water conductivity ofmultiphasemixtures”的美国专利No.6,831,470中所述，所述专利通过引用在此全文并入。

在一些方面中，双探针测量值的互相关可以用于生成液层的速度，从而得到液体流量测量值。来自具有相同灵敏度深度的两个轴向间隔开的探头的信号的互相关是优选的。因此，在一些实施例中，具有等于两个探头中的一个的灵敏度深度的灵敏度深度的一个或多个另外的探头可以用于互相关法。在其它方面中，嵌装在管壁处的微波多普勒探头或类似物可以用于确定液层流动速度。在本发明的其它方面中，在给出估算的液体流量和WLR的情况下，可以通过使用其它装置(例如，使用文丘里流量计)可得到气体流量测量值。

可以使用用于确定流体介电常数的不同探头响应模型。例如，当液层的厚度已知时，可以使用双线性模型估计液层的介电常数，所述双线性模型，结合探头的响应模型，使用具有已知介电常数的三种样品的复反射系数的校准测量值以由相关的复反射系数测量值确定未知样品的复介电常数。

在测量角频率(ω)下，由探头测量的视介电常数

随液层厚度d及其介电常数

变化；支撑(backing)气芯介电常数在很大程度上被认为是已知的，即：

${\mathrm{\ϵ}}_A^{*}=F_{\mathrm{\ω}}({\mathrm{\ϵ}}_L^{*},d,{\mathrm{\ϵ}}_G^{*})---\left(1\right)$

在本发明的双探头实施例中，当气体是/形成例如在圆形管道中产生的气-液环形流中的低介电常数背景材料

时，多个探头的响应模型(一个或多个)(例如，方程1中所提供的响应模型)可以用于确定气-液环形流的液层的介电常数

和厚度(d)，其中如本发明的多个方面所提供的，(i)使用不同灵敏度深度的两个探头；(ii)液层的厚度小于深感测探头的灵敏度深度。在本发明的这种双探头实施例中，探头的响应关系可以由以下方程提供：

${\mathrm{\ϵ}}_{A1}^{*}=F_{1,\mathrm{\ω}}({\mathrm{\ϵ}}_L^{*},d,{\mathrm{\ϵ}}_G^{*})---\left(2a\right)$

${\mathrm{\ϵ}}_{A2}^{*}=F_{2,\mathrm{\ω}}({\mathrm{\ϵ}}_L^{*},d,{\mathrm{\ϵ}}_G^{*})---\left(2b\right)$

其中

和是分别由具有浅灵敏度深度的探头1和具有深灵敏度深度的探头2测量的视介电常数。探头的灵敏度深度可以设计有期望的特征，并且可以通过电磁模拟计算和/或通过实验测量值来确定。

在如图1中所示的本发明的实施例中，双探头系统可以用于在给出两个视复介电常数测量值

和

的情况下根据方程2a和2b的探头响应模型确定液层厚度(d)和液层复介电常数

有用的是通过使方程2a和2b的探头响应函数的逆形式相等而将这些方程重新排列如下，即：

$F_{1,\mathrm{\ω}}^{-1}({\mathrm{\ϵ}}_{A1}^{*},d,{\mathrm{\ϵ}}_G^{*})=F_{2,\mathrm{\ω}}^{-1}({\mathrm{\ϵ}}_{A2}^{*},d,{\mathrm{\ϵ}}_G^{*})={\mathrm{\ϵ}}_L^{*}---\left(3\right)$

在本发明的实施例中，处理器或类似物可以用于(例如，通过迭代))直接或间接求解复杂变量方程(方程3的左侧)以获得液层厚度(d)。在给出d的情况下，半径为R的圆形管道的液层分数可以被提供如下：

α_L＝1-(1-d/R)²(4)

然后可以由推导的d-例如由方程3右边的两个方程的解确定液层复介电常数

作为示例，在电磁感应趋肤深度δ≈(πfμ_oσ)^-1/2＞d(当f＝1GHz，σ＝10S/m时，δ≈5mm；这里μ_o＝4π×10^-7H/m)，由微波同轴探头测量的视介电常数

随液层厚度d和基本上与测量频率和液层介电常数

无关的预先确定的探头模型常数(D)以指数形式变化，

${\mathrm{\ϵ}}_A^{*}=({\mathrm{\ϵ}}_G^{*}-{\mathrm{\ϵ}}_L^{*})e^{-d/D_1}+{\mathrm{\ϵ}}_L^{*}---\left(5\right)$

在本发明的双同轴探头实施例中，当气-液形成在圆形管道中的气-液环形流时(参见图2)，多个探头的经验模型(例如，方程5中所提供的经验模型)可以用于确定气-液环形流的液层的介电常数

和厚度(d)，其中，如本发明的多个方面所提供的，(i)使用不同灵敏度深度的两个探头(探头常数D)；以及(ii)液层的厚度小于深感测探头的灵敏度深度。在本发明的这种双探头实施例中，两种关系可以由以下方程提供：

${\mathrm{\ϵ}}_{A1}^{*}=({\mathrm{\ϵ}}_G^{*}-{\mathrm{\ϵ}}_L^{*})e^{-d/D_1}+{\mathrm{\ϵ}}_L^{*}---\left(6a\right)$

${\mathrm{\ϵ}}_{A2}^{*}=({\mathrm{\ϵ}}_G^{*}-{\mathrm{\ϵ}}_L^{*})e^{-d/D_2}+{\mathrm{\ϵ}}_L^{*}---\left(6b\right)$

其中

和是分别由具有探头常数D₁和D₂的同轴探头1和探头2测量的视介电常数。探头常数D可以通过电磁模拟计算和/或由实验测量值确定。

方程6a和6b可以重新排列以产生：

$\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{A1}^{*}-{\mathrm{\ϵ}}_G^{*}{e}^{-d/D_1}}{1-e^{-d/D_1}}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{A2}^{*}-{\mathrm{\ϵ}}_G^{*}{e}^{-d/D_2}}{1-e^{-d/D_2}}={\mathrm{\ϵ}}_L^{*}---\left(7\right)$

在本发明的实施例中，处理器或类似物可以用于以迭代的方式求解复杂变量方程(方程7的左侧的方程)以获得第一液层厚度(d)。在给定d的情况下，半径为R的圆形管道中的液层分数α_L可以由方程4提供。然后可以由推导出的d(例如，由方程7右侧的两个方程)确定液层复介电常数

为了在液层厚度的宽范围内进行测量，可以使用涵盖更宽灵敏度深度范围的超过两个的探头。例如，可以使用具有更浅灵敏度深度(例如，对于同轴探头来说，b＝0.5mm，而不是b＝2mm)的“更小”的探头，或者可以使用具有更深灵敏度深度(例如，b＝10mm，而不是b＝5mm)的“更大”的探头。这将有助于检测更薄或更厚液层的实际复介电常数。可以由多个(超过两个)探头实施例实现多个双探头测量组合/实施例以能够具有更宽的液层厚度的测量覆盖率，由此涵盖更宽气体体积分数范围的气液流。

在本发明的实施例中，可以由所计算的液层复介电常数

(油连续流往往具有较低的

值，且

的虚部接近零)的大小来检测液层连续态(油或水连续)。在本发明的一些方面中，通过使用通常如下表示的适当的介电常数混合模型(对于很好混合、或分层的或其它油/水基液体混合物)：

$\mathrm{WLR}=f_{\mathrm{water}-\mathrm{continous}}({\mathrm{\ϵ}}_L^{*},{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{water}}^{*},{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{oil}}^{*})---\left(8a\right)$

$\mathrm{WLR}=g_{\mathrm{oil}-\mathrm{continuous}}({\mathrm{\ϵ}}_L^{*},{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{water}}^{*},{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{oil}}^{*})---\left(8b\right)$

在给定油介电常数ε_oil、水介电常数(ε_w或ε_water)、和/或电导率(σ_w或σ_water)

的情况下，则可以由推导出的液层介电常数

估算液层的WLR。这里ε_L和σ_L分别是液层有效介电常数和电导率；f是通常为1GHz或2GHz的测量频率；ε_o＝8.854pF/m。

对于很好混合的混合油/水液体混合物来说，由表1中所列一些示例性介电常数和电导率混合模型(见E A Hammer“Flow permittivity models andtheir applications in multiphase meters”，Proceedings of multiphase Metering，IBC Technical Services，Aberdeen，1997年3月12日-13日)，在本发明的一些方面中，当油连续时在给出油的介电常数ε_oil的情况下，或当水连续时在给出水的介电常数(ε_w)和/或水电导率(σ_w)的情况下，则可以由液层介电常数ε_L和/或电导率σ_L估算液层的WLR(被表示为γ_w)。

表1：油/水混合物介电常数/电导率混合模型的示例

如在通过引用在此全文并入的题目为“Methods and apparatus forestimating on-line water conductivity of multiphase mixtures”的美国专利No.6,831,470已经先前所述的，多相流的水电导率(σ_w)的变化可以通过解释探头复介电常数测量值来进行跟踪。估计的水电导率可以用作介电常数和/或电导率混合模型的输入，从而能够在改变水的矿化度的情况下进行液层的WLR确定。

在本发明的多个方面中，通过保持由类似的两个同轴探头测量的视复介电常数的相对误差，由液层厚度估计值对持液率的确定可以基本上不受测量的视介电常数的影响。对于两个探头来说，在测量的视介电常数的相对误差为±5％的情况下，油层(WLRR＝0)的持液率的最大绝对误差大约为±0.4％，并且持液率误差随着液层的WLR的增加而降低。还发现持液率确定(由层厚，方程4)几乎与水电导率变化无关，因为这种变化将对由两个探头测量的复介电常数

和

产生类似的影响，并且液层厚度d的解通常由具有作为近似比值-米制的(例如，由方程7)的和

输入的方程来获得。

在本发明的实施例中，存在由液层介电常数和由表1中提供的适当的混合模型推导出的WLR对于同轴探头的测量误差的显著的灵敏度。对于从0到100％液层WLR来说，在由两个同轴探头测量的视介电常数的相对误差为±5％的情况下，产生的WLR绝对误差范围从±15％到35％。

在本发明的一些方面中，确定通过使双探头数据互相关来确定液层流动速度测量值。来自具有相同灵敏度深度的两个轴向间隔开的探头的信号的互相关是优选的。在其它方面中，如例如已经在通过引用在此全文并入的题目为“Microwave Doppler Flowmeter”的英国专利No 2359435中所述的，嵌装在管壁处的微波多普勒探头或类似物可以用于确定液层流动速度。在其它方面中，文丘里流量计或类似物可以用于由液体流量和WLR确定气体流量。

在本发明的实施例中，对于双探头实施例的一种或多种组合来说，因为对于两个探头来说，测量的视复介电常数的相反的相对误差(例如，δε_A1＝-δε_A2＝±5％)可能使持液率估计值(由层厚度d)和产生的WLR确定值(由层复介电常数)产生较大的误差，因此用于与两个或更多个微波同轴探头一起使用的微波反射计电子设备可以被构造成具有可忽略或类似的相对测量误差(包括极性(polarity))。在本发明的一些方面中，这可以通过使用用于使两个测量探头与一个反射计电子设备的多路组合(一个或多个)的周密设计的多路转换器来实现。

可以将两个或更多个单独的(浅和深)同轴探头集成到具有多个同轴导体的单个同轴探头结构中，并且可以使用单组微波电子设备以通过多路转换以每次一个的方式选择同轴双探头(浅和深)组合，用于获得复反射系数测量值。多个双探头、和/或集成的多个探头结构可以绕/沿管道的不同圆周或轴向位置实施，用于例如评价绕管道圆周的液层厚度的变化，和/或在不同(径向)深度处的液层速度的变化。

为了清楚和理解起见，已经详细说明了本发明。然而，将要认识的是在所附权利要求的保护范围内可以进行一些变化和修改。此外，在上述说明中，为了进行说明，以具体的顺序说明了不同的方法和/或程序。应该认识的是在可选的实施例中，可以以不同于所述顺序的顺序执行所述方法和/或程序。

Claims (21)

1.一种用于测量流动通过管道的多相混合物的特性的系统，包括：

旋动元件，所述旋动元件被构造成生成所述多相混合物的环形流；

第一探头，所述第一探头在第一位置处联接到所述管道的内壁，所述第一探头被构造成接触沿所述管道的内壁流动的所述多相混合物的液相；和

第二探头，所述第二探头在第二位置处联接到所述管道的内壁，所述第二探头被构造成接触沿所述管道的内壁流动的所述多相混合物的液相；其中：

所述第一探头和所述第二探头被构造成具有不同的灵敏度深度；以及

所述第二探头具有第二灵敏度深度，其中所述第二灵敏度深度被构造成大于在所述管道的内壁上流动的液相的深度。

2.根据权利要求1所述的用于测量流动通过管道的多相混合物的特性的系统，其中，所述第一探头和所述第二探头每一个都包括开端式同轴探头。

3.根据权利要求1所述的用于测量流动通过管道的多相混合物的特性的系统，其中，所述第一探头和所述第二探头每一个都包括射频频率范围的电磁感测探头、微波频率范围的电磁感测探头和毫米波频率范围的电磁感测探头中的一个。

4.根据权利要求1所述的用于测量流动通过管道的多相混合物的特性的系统，还包括：

处理器，所述处理器与所述第一探头和所述第二探头通信。

5.根据权利要求4所述的用于测量流动通过管道的多相混合物的特性的系统，其中，所述处理器对由所述第一探头测量的环形流的第一视介电常数和由所述第二探头测量的环形流的第二视介电常数进行处理，以确定所述液相的环形流的深度。

6.根据权利要求5所述的用于测量流动通过管道的多相混合物的特性的系统，其中，所述处理器对所述环形流的深度进行处理，以确定所述多 相混合物的液体分数。

7.根据权利要求4所述的用于测量流动通过管道的多相混合物的特性的系统，其中，所述处理器对由所述第一探头测量的环形流的第一视介电常数和由所述第二探头测量的环形流的第二视介电常数进行处理，以确定所述环形流的液相的水液比。

8.根据权利要求4所述的用于测量流动通过管道的多相混合物的特性的系统，其中，所述多相混合物包括一种或多种烃。

9.根据权利要求1所述的用于测量流动通过管道的多相混合物的特性的系统，还包括：

第一微波反射计，所述第一微波反射计通过第一微波同轴电缆与所述第一探头联接。

10.根据权利要求9所述的用于测量流动通过管道的多相混合物的特性的系统，还包括：

第二微波反射计，所述第二微波反射计通过第二微波同轴电缆与所述第二探头联接。

11.一种用于测量在管中流动的多相混合物的特性的方法，包括以下步骤：

使所述多相混合物旋动以在所述管中产生环形流，其中，所述环形流包括所述多相混合物的在所述管的内壁上的液相流；

使用具有第一灵敏度深度的第一探头测量所述环形流的第一视复介电常数；

使用具有第二灵敏度深度的第二探头测量所述环形流的第二视复介电常数，其中，所述第二灵敏度深度大于所述环形流的深度；以及

使用处理器由测量的所述第一视复介电常数和所述第二视复介电常数对流动的所述多相混合物的特性进行处理。

12.根据权利要求11所述的用于测量在管中流动的多相混合物的特性的方法，其中，使用处理器由测量的所述第一视复介电常数和所述第二视复介电常数对流动的所述多相混合物的特性进行处理的步骤包括：

使用作为液层厚度和液层复介电常数的函数的环形流视复介电常数的模型和测量的所述第一视复介电常数和所述第二视复介电常数对所述 液相的厚度或所述液相的复介电常数进行处理。

13.根据权利要求12所述的用于测量在管中流动的多相混合物的特性的方法，还包括以下步骤：

使用处理的所述液相的厚度确定在所述管的横截面上的所述多相混合物的液体分数。

14.根据权利要求12所述的用于测量在管中流动的多相混合物的特性的方法，还包括以下步骤：

使用液体/液体混合物的介电常数或电导率混合定律和所述液相的复介电常数确定所述液相的水液比。

15.根据权利要求11所述的用于测量在管中流动的多相混合物的特性的方法，还包括以下步骤：

使来自所述第一探头的测量值与来自所述第二探头的测量值互相关，以确定液层流动速度。

16.根据权利要求11所述的用于测量在管中流动的多相混合物的特性的方法，还包括以下步骤：

使来自所述第一探头的测量值与来自具有相同灵敏度深度的另一个探头的测量值互相关，以确定液层流动速度。

17.根据权利要求11所述的用于测量在管中流动的多相混合物的特性的方法，还包括以下步骤：

使用所述液层流动速度确定所述液相的液体流量。

18.根据权利要求11所述的用于测量在管中流动的多相混合物的特性的方法，还包括以下步骤：

由所述液相的流量、所述水液比和所述多相混合物的流量测量所述多相混合物的气相的流量。

19.根据权利要求17所述的用于测量在管中流动的多相混合物的特性的方法，其中，当所述多相混合物流动通过文丘里流量计时，所述多相混合物的流量由所述多相混合物的差压的测量值来确定。

20.根据权利要求11所述的用于测量在管中流动的多相混合物的特性的方法，其中，所述第一探头和所述第二探头每一个都包括开端式同轴探头。 

21.根据权利要求11所述的用于测量在管中流动的多相混合物的特性的方法，其中，所述第一探头和所述第二探头每一个都包括射频频率范围的电磁感测探头、微波频率范围的电磁感测探头和毫米波频率范围的电磁感测探头中的一个。 

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