[发明专利]测量多相流量的方法和装置

说明书

本发明涉及一种多相流量计，比如应用在石油工业中估计流经管道的油、水和气(即气态的碳氢化合物，而不是“汽油”)的相分数和流率的多相流量计。虽然本发明参照其在油/气/水的测量中的优选的应用来描述，但这并不意味着将本发明限制在这些应用中；很明显本发明的许多方面可以广泛地应用在各种工业和化学处理中。

在化学和石油工业中人们一直需要测量在管道中的多相流体的流率--在测量的过程中不需要中断流体流动或进行分相。这种“多相流量计”广泛地使用，尤其是在石油领域中。因为几乎所有的油井生产的都是油、水和气的混合物，所以流体混合物的每种组分的流量测量基本是在油层的有效生产中进行。如今，这些测量都是在地面上通过分离器进行，这种分离器昂贵且庞大，特别是在近海岸的应用中。因此在油田的整体生产运转中一直存在一项重要的需求是需要一种可靠的、廉价的、紧凑且精确的多相流量计。

已经有许多人试图研制多相流量计。一般地这些已有的设备试图利用多相混合物中的油、水和气对X-射线或伽码射线的吸收系数的差异。在本领域的熟练人员很熟知这种已有技术的设备的精度有限，尤其是应用在气相分数高于90％的情况(即现实应用中的普通情况)下。

在美国专利US4,788,852和5,025,160以及PCT出版物WO93/24811和WO94/25859中都公开了应用伽玛射线源的已有技术的流量计的实例，在此将所有这些文献都以引用的方式结合在本申请中。类似地，基于X-射线的设备出现在美国专利US4,490,609和5,689,540中。这两篇专利文献也以引用的方式结合在本申请中。

在前面所述的已有技术中的设备中的一个公共的特征是对所检测的伽玛射线和X-射线进行光谱分析。具体地说，在这些系统的每一种系统中，都存在测量所接收的每个光子的能量由此产生一种说明所接收的所有的光子的能量分布的光谱图(或频谱曲线)的检测器。一般地，通过设定“高能”窗口(在其中主要为康普顿效应(ComptonEffect))和“低能”窗口(在其中主要为光电效应)实现独立的测量。参见’852专利的权利要求1(一种测量在流经管道的原油混合物中的各种组分的比例的方法，包括如下步骤：…检测穿过已知体积的混合物的至少三种不同的能量级的Gamma射线或X-射线以产生三种信号…)；’160专利的第2栏第58-65行(测量包含至少两种液相的多相流体的液体流速的方法…(ⅱ)测量在第一位置上的两种不同的Gamma-射线能量的Gamma-射线的强度)；’24811 PCT第9页(响应所检测的gamma射线检测器14所产生的信号输送到处理计算机单元16，该处理计算机单元16测定两种能量的gamma射线的强度)；’25859PCT第4页第5-7行(然后，通过在两种gamma射线能量级上测量充有油、水和气的管道的辐射吸收量)；’609专利的第2栏第37-41行(通过对所得的通量进行光谱分析，得到分别与较低和较高能量范围相关的两测量值，从该测量值……)以及’540专利的第2栏第53-55行(检测器电子器件(未示)将所检测的能量作为能量函数汇集到频率分布器中)。为了从辐射检测器中产生能量谱，必需单独地分析所接收的每个X-射线或伽玛射线光子。

在此本发明人认识到需要处理在多相流量计的检测器中的单个光子的相互作用从根本上限制了流量计可用的性能。现实的应用中涉及10m/s或更高的多相流流速。此外，流动极不均匀，特别是在高气体浓度的情况下。因此，为了精确地提取这种快速且不均匀的流体的特征，理想的是“捕获”在较小时间间隔上的流体(即，在一个时间间隔上流体的运动可以忽略)。对于10m/s的流速，在10微秒内流体运动0.01厘米。因此对于0.01厘米的空间分辨率，流量计必需每间隔10微秒测量一次。

通常可用的最快的X-射线或伽玛-射线处理系统可以以高达106光子/秒的吞吐量运行。因此，在10微秒内，快速运动的流体基本为恒定的，在检测器中仅处理10光子反应。然而，10个光子远不足以确保测量的精确。(正如在核领域中熟练人员所公知：实现10％的相对精度要求100个光子；而实现1％的相对精确要求10,000个光子)。因此，在此本发明人认为常规的方法根本不能在现实的测量中提供精确的结果-即使应用可用的最快的最昂贵的电子器件。