CN101086457B - 确定流体流参数的方法和器件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及确定液体介质参数的方法和器件，其中，在流体流中安装一个沿流体流方向取向的扩展的加热器；测量流体流的温度，对所述加热器进行加热并测量“加热器前表面-流区”界面和“加热器后表面-流区”界面处的温度；对这两个界面，所测量的值被用来计算所述加热器和所述流之间的温度差，同时使用数学关系或图解关系通过计算来确定水油关系。用来确定流体流参数的器件包括一个加热器，其特征在于，所述加热器具有扩展的形状并沿着流体流方向取向，在所述加热器的相对端固定有两个热传感器，该传感器能够遥控发射测量数据。

Description

确定流体流参数的方法和器件

技术领域

本发明涉及到确定液体介质参数的方法和器件，它们可以用于确定油-水混合流的参数，特别是在确定流速、温度和流中的油水比的时候。

背景技术

已知有一种确定液体或气体流的速度的方法(SU，作者证书1645902)。按照这种方法，热损失风速计(heat loss anemometer)的过热传感器(overheated sensor)在最大和最小流速处被预先校准，然后记录下热损失风速计的输出信号，用来确定目标流速；为了增加测量的精确性，在不同的流温下在最大和最小流速时对热损失风速计传感器进行初步校准。

应用领域的狭窄(只能确定流速)相信是这种方法的主要不利之处。

也已知有另一种确定载有多相流体的一个单相的井筒、流线和管道中压强分布的方法(RU，专利2263210)。在这种情形中，通过使用快动门将流体流(fluid flow)临时(部分或完全地)堵住，连续记录在逆流方向离所述门很近的位置处的压强；然后应用从Darcy-Weisbakh摩擦损失方程所得的关系来确定所希望的流参数。

应用领域的狭窄(只能确定流的压强分布)相信是这种方法的主要不利之处。

也已知有一种在油井环(well annulus)中测量流体流速的方法(SU，作者证书1138487)。这种方法要求井筒部分用加热器加热，并确定套管流体(in-casing liquid)和环介质(annulus medium)之间的热交换强度；这样做的时候，对套管中的固定体积的液体进行加热，同时在加热液体和环介质之间维持恒定的温度差；用加热器的功耗值来确定流速。

已知有一种器件，用来测量流过压力管道的流体的成分(RU，专利2122724)。该器件包括一个管道，该管道能够安装到压力管道上，以使流体流经该管道，包括一个辐射源，该辐射源的位置要使得辐射能够穿过管道壁和流体流，包括一个辐射探测器，用来探测穿过管道壁和流体流的辐射，以及包括一个信号产生单元，该单元产生的信号对应着探测器要探测的辐射。所述探测器是一种固体探测器结构，它配备有至少两个辐射探测面以及一个滤片，该滤片位于辐射源和第一探测面之间；所述滤片捕获低能辐射而通过高能辐射；所述管道壁由有纤维铠装的树脂构成。

已知有一种用来确定含有饱和的气和水的油的液相密度的方法和器件(SU，作者证书1188583)，这可以被认为是最接近这里所要求的技术决策的方法和器件。在所述方法中，液相的气水饱和油流经一个具有准封闭(pseudo-closed)体积的穿过型测量腔室(flow-through measurementchamber)；对测量腔室中的液相的温度、压强和密度值进行测量；然后，所述测量腔室的体积以恒定的频率和幅度进行等容变化，以防止气体溶解在液相中；然后，对测量腔室的体积和液相压强搏动的幅度进行测量，之后对目标参数进行计算。用来实现所述方法的器件包括穿过型准封闭测量腔室、在测量腔室中激发压强搏动的机构、以及连接到计算单元上的液相平均密度传感器(transducer)、压强传感器和温度传感器。

发明内容

通过实现所要求的技术决策而获得的技术结果是，流体泵浦设备布局的优化和流体流参数(油水比和流速)确定过程的简化。

为了实现所述技术结果，建议使用一种用于确定流体流参数的方法和器件。

按照所建议的方法，在流体流中安装一个取向为沿流体流方向的扩展的加热器；测量流体流的温度，对所述加热器进行加热，测量“加热器前表面-流区”界面和“加热器后表面-流区”界面处的温度；对于这两个界面，所测量的值被用来计算所述加热器和所述流之间的温度差，同时通过计算(使用数学关系或图解关系)来确定水油关系。

为了实现所述方法，建议使用一种用于确定流体流参数的器件，该器件包括一个扩展形状的加热器，在该加热器的相对的两端上装有两个热传感器，这些传感器能够遥控发射测量数据。可以另外安装第三个热传感器，用来测量加热器的操作区之外的流体流的温度。因为在初始流温度测量过程期间加热器是断开的，不可能使用安装在加热器上的热传感器来进行初始流温度测量，如果在这种情况下要求连续地监视流体流参数，那么可以使用所述第三个热传感器。

在所建议器件的一个实施例中，所述加热器具有一个由绝热材料制成的扩展的外壳(casing)，其中在绝热材料的表面盘绕导体，所述导体的引线使其能与电源相接，所述导体层覆盖有传热绝缘涂层，在所述外壳的相对端安装有热传感器。最好是，所述导体被固定在所述外壳表面上刻出来的螺旋凹槽中。在所建议器件的第二个实施例中，加热器具有一个由铁磁材料制成的扩展的外壳，其中在该外壳中装有层压的铁磁芯，导电体盘绕于其上，所述导电体的引线使其能与电源相接；外壳的边缘上盖有铁磁盖子，并且在盖子的外表面固定有热传感器，在所述铁磁盖子和所述层压铁磁芯之间装有铁磁连接元件。在所建议器件的第三个实施例中，加热器具有一个由铁磁材料制成的扩展的管状外壳，其中铁磁芯位于外壳内，导电体盘绕于其上，所述导电体的引线使其能与电源相接；外壳的边缘上盖有铁磁盖子，并且在盖子的外表面固定有热传感器，在所述铁磁盖子和所述层压铁磁芯之间装有铁磁连接元件。这样做的话，最好是用一组铁磁环来制成所述外壳，在这些铁磁环之间装有绝热环，绝热环的宽度低于铁磁环的宽度。在所建议器件的下一个实施例中，加热器具有一个扩展的外壳，其内部空间用一个绝热隔板分割开，在由该隔板所形成的每个隔间内放置一个导热芯，在该导热芯的表面上盘绕导电体，在其上固定有热传感器的导热盖子被安装在外壳端面上。

具体实施方式

本发明是基于实验上发现的一个现象，即基于从放置在流体流中的加热器的表面所出来的热流对流体成分和流体流速(流速度)以及流的完好度的依赖关系。放置在液体介质(流体)中的加热器的表面的传热系数反比于热边界层的厚度。在围绕柱体(加热器外壳的优选形状)流动时，已知前端(局部雷诺数高的区域)的边界层的厚度远小于柱体后端(停滞区，其特征在于低的局部雷诺数(Re))的边界层的厚度。因此，前端的排热最强(所以，温度下降最大)。这就导致对来自热传感器的数据进行记录的器件的读数有显著差异。通过解一个反问题，由加热器前表面和后表面之间的排热差异，可以确定表征流体流速的雷诺数和表征流体成分的Prandtl数(Pr)。

传热系数定义为α≡q/ΔT，其中，q为热流，ΔT≡T_加热器-T_入射流为温度差。

假设δ_T为热边界层的厚度，则热流可以按照下面的公式来估计：

q～kΔT/δ_T，其中，k为导热系数。

因此，传热系数可以用下面的公式来估计：

α～k/δ_T

流体流两点之间温度条件的差异可以估计如下：

α_A/α_B～δ_T|_B/δ_T|_A

实践中，为了简化计算，绘制Q＝f(ΔT)，β＝g(ΔT)曲线，用来确定流速(Q)和油含量β。最好是，当绘制上述曲线时，考虑包含在流体流组分中的油的特性。

用来实现所述方法的器件具有下面的特点。

对于所述器件的这样一个实施例，即加热器具有一个由绝热材料制成的扩展的外壳，导体被盘绕在绝热材料的表面上，优选被置于螺旋凹槽中，其引线使其能与电源相接，所述导体层覆盖有传热绝缘涂层，在所述外壳的相对端安装有热传感器，所述外壳可以由高热阻材料(塑料或陶瓷)构成。所述设计保证了所述加热器的整个表面上热流均匀，全部热流向外流出，这就允许相当精确地确定所关注的流体参数。然而，所述器件在井中操作期间，会出现表面层塑料变形和腐蚀的危险

对于所述器件的这样一个实施例，即加热器具有一个由铁磁材料制成的扩展的管状外壳，在外壳中装有层压的铁磁芯，在该铁磁芯上盘绕着导电体，所述导电体的引线使其能与电源相接；外壳的端上盖有铁磁盖子，并且在盖子的外表面固定有热传感器，在所述铁磁盖子和所述层压铁磁芯之间装有铁磁连接元件，热效应由外层中的涡流引起。内部盘绕的导体用来通交流电，交流电在中央的层压铁磁芯中产生磁通量。所述芯(实践中为变压器制造的层压芯)的设计保证感生涡流是弱的，因此在芯中产生很少的热。该磁路包括层压的中央芯、在端点处的两个半球和中空的外管。所有这些组件由具有高磁导率的铁磁材料制成，这保证了强的磁通量的产生。在这种设计中，电流在柱状外壳中形成回路，可以均匀地加热该柱体。

当使用所述器件的第三个实施例时，能产生大量热的强感生电流在管中流动。为了避免磁饱和，外壳金属的横截面应该与内芯的横截面相当。为了减少轴向热流，建议将外面柱面状的外壳做成一组金属和绝热环。

当使用所述器件的第四个实施例时，加热只在两个端点处发生。可以用任何方法来加热芯(通过感生效应或电阻加热)；这样，从所述器件的一部分到另一部分的传热就被最小化了。

对于所有的实施例，具体说，当确定井中流体流的参数时，操作顺序如下：

1.所述器件装在管道中心。

2.测量流体温度T_well(这是加热器断开时在所述器件的任何点处的温度)。

3.加热器以指定的功率打开一段指定的时间τ_heat。这段时间由实验来确定，并被定义为所述器件中静止温度分布形成的最大时间。

4.测量加热器的前表面和后表面处的温度(分别为T_f和T_b)。

5.计算所述器件温度和井中液体温度之间的差：

ΔT_f＝T_f-T_well，ΔT_b＝T_b-T_well

6.如果ΔT_f小于预设值(测量误差)，则重复步骤3-6，并增加功率直到ΔT_f超过最小允许值。

7.使用清水和清油的参考流-温度差(ΔT_f，ΔT_b)曲线，计算下面的值：

Q_w(f)-对应于温度差ΔT_f的清水流速，

Q_w(b)-对应于温度差ΔT_b的清水流速，

Q_o(f)-对应于温度差ΔT_f的清油流速，

Q_o(b)-对应于温度差ΔT_b的清油流速。

8.如果Q_w(f)＝Q_w(b)，那么井中流体为清水，

如果Q_o(f)＝Q_o(b)，那么井中流体为清油，

如果Q_o(f)≠Q_o(b)，Q_w(f)≠Q_w(b)，则井中流体为水油混合物。

9.如果井中流体为混合物，那么使用图解方法(对应于混合物的实验曲线族)或数学关系来确定流速和油水比；例如，可以使用下面的简化公式：

$\mathrm{\β}=\left|\frac{Q_{w\left(b\right)}-Q_{w\left(f\right)}}{(Q_{o\left(f\right)}-Q_{w\left(f\right)})-(Q_{o\left(b\right)}-Q_{w\left(b\right)})}\right|$ $Q=\left|\frac{Q_{o\left(f\right)}{Q}_{w\left(b\right)}-Q_{o\left(b\right)}{Q}_{w\left(f\right)}}{(Q_{o\left(f\right)}-Q_{w\left(f\right)})-(Q_{o\left(b\right)}-Q_{w\left(b\right)})}\right|$

使用所建议的技术决策可以保证流体流参数的即时监控，这就允许我们对井下设备布局以及流体流穿过管线的条件进行优化。

Claims (11)

1.一种确定流体流参数的方法，包括：

在流体流中并沿其取向地安装一个具有相对的两端的扩展的加热器，用于在所述加热器的相对的两端形成不同厚度的两个边界层，其中，该加热器具有位于该加热器的所述相对的两端上的两个热传感器；

测量流体流的温度T；

对所述加热器进行加热以提高该加热器的相对的两端的温度；

测量该加热器的相对的两端的每一端处的温度T_f和T_b；

遥控发射所测量的温度T，T_f和T_b；以及

所测量的温度被用来计算所述加热器的相对的两端的每一端的温度差ΔT_f＝T_f-T和ΔT_b＝T_b-T。

2.根据权利要求1所述的方法，包括：

至少部分基于所述加热器的相对的两端的每一端处的温度差，通过计算来确定水油关系。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述流体包括油和水的混合物，并且所述方法至少部分基于依赖于所述加热器的相对的两端的每一端处的温度差的油和水流速Q_o(f)、Q_o(b)、Q_w(f)和Q_w(b)，通过使用关于油含量β和流速Q的数学关系，确定油水比。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述流体包括油和水的混合物，并且所述方法至少部分基于所述加热器的相对的两端的每一端处的温度差，经由与所述油和水的混合物相对应的实验曲线族使用图解关系，确定油水比。

5.用于确定流体流参数的器件，该器件包括：加热器，所述加热器具有用于沿着流体流方向的取向的扩展的形状，用于在所述加热器的相对的两端形成不同厚度的两个边界层，两个热传感器位于所述加热器的相对的两端，该两个传感器能够遥控发射测量的温度数据，以计算所述加热器的相对的两端的每一端与所述流体流的温度的温度差。

6.根据权利要求5所述的器件，其中，该器件另外包含一个第三热传感器，该第三传感器使得能够确定所述加热器的操作区之外的流体流温度。

7.根据权利要求5所述的器件，其中，所述加热器具有由绝热材料制成的扩展的外壳，导体被盘绕在所述绝热材料的表面上，所述导体的引线使其能与电源相接，所述导体层覆盖有传热绝缘涂层，在所述外壳的相对端安装有热传感器。

8.根据权利要求7所述的器件，其中：所述导体被固定在所述外壳表面上所形成的螺旋凹槽中。

9.根据权利要求5所述的器件，其中，

所述加热器包括涡流加热器，其具有由铁磁材料制成的扩展的管状外壳，层压铁磁芯位于所述外壳内，在所述芯上盘绕着导电体，所述导电体的引线使其能与电源相接；

所述外壳的端上盖有铁磁盖子；以及

所述两个热传感器中的每一个被固定到所述铁磁盖子的相应的一个，在铁磁盖子和所述层压铁磁芯之间装有铁磁连接元件。

10.根据权利要求9所述的器件，其中，所述外壳由一组铁磁环制成，在所述铁磁环之间插有绝热环，所述绝热环的宽度小于所述铁磁环的宽度。

11.根据权利要求5所述的器件，其中，所述加热器具有扩展的外壳，其内部空间用一个绝热隔板分割开，在由该隔板所形成的每个隔间内放置一个导热芯，在该导热芯的表面上盘绕导电体，在其上固定有所述两个热传感器的导热盖子被安装在外壳端面上。