[发明专利]多相流体流束的流量测量装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及通过相对于总流量的有效部分（5-20%）的等动力取样来测量多相流的流量的装置和方法。本发明尤其适用于，但不仅仅适用于在石油工业中测量多相流。

背景技术

在石油和天然气开采过程中，为了确定多相流束和单相的流动，在运输烃的管内进行测量，多相流由油-水-气的两相或三相结合物组成。对输油管/输烃管内不同相的流动体的测量通常对控制和调节烃的开采很有用，并且对多相流内部水和气的含量评估也很有用。

为了准确地测量多相油-水-气流束的不同相的流动，有必要使用能够在不同流动状态中操作的多相测量器（MPFM）。

已经开发的一定数量的不同多相流测量器主要应用在石油工业中，一部分基于电离辐射的使用，其余的基于微波的使用。这些仪器的特征在于很强的测量不确定性。当这些测量仪器用于对特征为高气体份额（fraction）（GVF>98%）的多相流束进行流量测量时，误差变得显著。

使用γ-射线源来确定混合物的密度的测量设备，例如在专利US4,289,02、US.5,101,163、US 5,259,239及WO 2007/034132中指出的那些测量设备，其准确度低，具有高成本的局限性，这样的测量设备难以在生产场所内安装，并且可能危及健康、安全和环境。此外，如果汽相占优势，则借助于γ-射线密度计测量混合物的密度相对不准确。

在高GVF情况下多相流测量器应用中所遇到的问题已经导致基于等动力取样原理的多相测量器的开发，其在国际专利申请WO2000/49370中被公开。这种测量器能够通过适当调整被排除的流量来排除多相流的份额代表（fractions representative）（总容量的5%÷20%），并且准确地测量入口处多相流束的气体和液体流量。然而，此测量设备受到的困扰是与操作的自校准（self-calibration）方法相关联的失效可能性。

其它设备，例如国际专利申请WO 2005/031311和WO 2007/060386中公开的那些设备，其使用等动力取样结合与等动力取样无关的多相流束的总流量测量器，使得多相混合物的液体和气体流量能够被特征化。

基于等动力排除和取样的所有上述设备都存在着与取样探头相关的局限性。当含有分散的小液滴的连续气相存在时，单栅（single-gate）与多栅（multiple-gate）取样探头两者都能正确发挥作用，但在高液体份额的情况下有效性较差。

发明内容

在所附的权利要求书中被更清楚地描述的本发明的目的是提供一种测量多相流的装置和简单的方法，其能够以高容积液体份额（LVF）>10%进行操作，无论流动状态是怎样的（例如层流、气泡、团状流）。

根据本发明的测量装置具有取样段，其几何形状例如能保证将总气体和液体流量等分布到一定数量n的通道内部，其中的m个通道是取样通道，其余的通道是非取样通道。

根据本发明的一个重要方面，取样段包括等动力取样设备，用于多相流束的部分的取样，以便将多相流束分离成取样部分和非取样部分，等动力取样设备由管状体和位于管状体内部的分布体（distributingbody）组成，用于形成多相流束流动进入n个通道的均匀径向分布，其中的m个通道是环状布置在分布体上的取样通道，分布体保证取样流束的所存在的各相（phases present）的容积的份额和比率与非取样流束的所存在的各相的容积的份额和比率几乎相同。

根据本发明的另一个重要方面，管状体包括两个截头圆锥段，一个扩散段和一个收敛段，通过圆柱形段沿轴向相互连接，并且分布体包括固定在管状体的圆柱形段内部的环状支承部和在环状支承部内部同轴线地定位的旋转固体，该旋转固体包括在环状支承部的上方和下方呈轴向对称延伸的两个大致锥形尖顶部，它们分别在管状体的圆柱形段上半部和扩散段的内部及圆柱形段下半部和收敛段的内部。通过围绕切割线半椭圆旋转大致获得所述旋转固体。

根据本发明的另一个方面，位于沿着环状支承部的各通道是等角度距离地布置并且均匀地分布的，并且具有相等的截面。此外，每个通道都包括第一段和第二段，第一段与环状体的轴线平行并且与流动方向一致，就非取样通道而言，第二段是朝管状体的内部倾斜的，以便将多相流束的非取样份额传送到管状体中，而就取样通道而言，第二段是朝外部倾斜的，以便将取样份额朝气体-液体分离单元传送。