專利名稱：用于測(cè)量管內(nèi)流動(dòng)的特性的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本文的主題主要涉及井下流量計(jì)量計(jì)，并且更具體地涉及一種也稱為多相流量計(jì)量計(jì)的改進(jìn)式井下流量計(jì)量計(jì)，其能夠測(cè)量包括多于一個(gè)物質(zhì)相(例如，液體和氣體)的流動(dòng)的物理特性。
背景技術(shù)：
流量計(jì)量計(jì)提供關(guān)于管內(nèi)流動(dòng)的特性的重要測(cè)量，例如，流經(jīng)管的材料的速率和體積，以及壓力和溫度的測(cè)量。這在井下應(yīng)用中尤其如此，例如在其中流量計(jì)量計(jì)用于測(cè)量井口下方的油井中的材料流的那些應(yīng)用。產(chǎn)生的數(shù)據(jù)不但用于監(jiān)測(cè)和量化井的輸出，而且還評(píng)估總體井狀態(tài)和操作性能。因此，井下計(jì)量計(jì)必須在性質(zhì)上穩(wěn)健，以便在井下應(yīng)用中所經(jīng)歷的惡劣環(huán)境下起作用，例如，在寬泛變化的溫度極限內(nèi)、高流速和高壓下，同時(shí)產(chǎn)生高度準(zhǔn)確的測(cè)量，以便適合地量化井的生產(chǎn)水平和估計(jì)操作特性。當(dāng)前，若干裝置用于在井下應(yīng)用中執(zhí)行流動(dòng)測(cè)量。例如，渦輪流量計(jì)量計(jì)使用自旋葉片，該自旋葉片放置在定位于井口下方的管內(nèi)的流動(dòng)中。當(dāng)來(lái)自于井內(nèi)的材料流過(guò)葉片時(shí)，葉片轉(zhuǎn)動(dòng)。葉片的旋轉(zhuǎn)速度與流速之間存在線性關(guān)系，使得流速可通過(guò)旋轉(zhuǎn)速度確定。 此外，葉片的各次旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致給定體積的流體通過(guò)葉片，從而還使得能夠?qū)α鲃?dòng)進(jìn)行體積測(cè)量。然而，由于葉片必須自由旋轉(zhuǎn)，故其不可完全占據(jù)其所處的管的全部?jī)?nèi)徑，從而導(dǎo)致一些材料通過(guò)計(jì)量計(jì)而未測(cè)量到，這也稱為滑移(slip)。材料體積對(duì)葉片旋轉(zhuǎn)中所產(chǎn)生的非線性導(dǎo)致測(cè)量不準(zhǔn)確。此外，由于渦輪流量計(jì)量計(jì)使用運(yùn)動(dòng)葉片，故其可能易于受到破壞和維護(hù)問(wèn)題，其中松脫或破裂的零件對(duì)于給定井系統(tǒng)中的下游構(gòu)件尤其成問(wèn)題。另外，井內(nèi)的典型流動(dòng)包含渦輪流量計(jì)量計(jì)不能區(qū)分的液體和氣體組分的混合物，如原油、水和天然氣。 因此，渦輪流量計(jì)量計(jì)的準(zhǔn)確度不是對(duì)所有應(yīng)用都充分，例如在需要單獨(dú)地量化井內(nèi)所產(chǎn)生的原油和天然氣的體積量的情況下。用于測(cè)量井下流動(dòng)的其它技術(shù)包括使用壓力傳感器，該壓力傳感器沿定位在井口下方的管中心中的塞子放置。塞子占據(jù)流動(dòng)傳遞所穿過(guò)的管直徑的一部分，從而在流體和氣體移動(dòng)穿過(guò)時(shí)導(dǎo)致流動(dòng)中的擾動(dòng)。通過(guò)測(cè)量管中的壓力和塞子周圍的壓差，便可確定流速。對(duì)于該技術(shù)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于，其消除了對(duì)系統(tǒng)內(nèi)運(yùn)動(dòng)零件的需要。然而，獲得的結(jié)果相比于使用渦輪流量計(jì)量計(jì)所獲得的結(jié)果具有較低的準(zhǔn)確度。此外，測(cè)量準(zhǔn)確度取決于將塞子定位在管中心，這在井下環(huán)境中隨著時(shí)間的推移可能難以正確地建立和維持。將會(huì)有利的是提供一種井下流量計(jì)量計(jì)，其不但在機(jī)械上穩(wěn)健和能夠在井下應(yīng)用中所經(jīng)歷的惡劣環(huán)境下操作，而且還提供高度準(zhǔn)確的流動(dòng)特性測(cè)量，以及能夠區(qū)分存在于流動(dòng)中的不同物質(zhì)相。

發(fā)明內(nèi)容
公開了一種用于測(cè)量管內(nèi)流動(dòng)的特性的裝置，在一個(gè)實(shí)施例中，包括具有前端和后端的塞子；兩個(gè)或多個(gè)支柱組件，各支柱組件均包括具有第一端和第二端的前支柱，具有第一端和第二端的后支柱，以及具有內(nèi)表面的滑塊，其中，前支柱的第一端鄰近前端固定地附接到塞子上，后支柱的第一端鄰近后端固定地附接到塞子上，以及滑塊固定地附接到前支柱的第二端和后支柱的第二端上使得內(nèi)表面面對(duì)塞子；以及定位在內(nèi)表面上用于測(cè)量流動(dòng)特性的傳感器。


為了能理解本發(fā)明特征的方式，本發(fā)明的詳細(xì)描述可參照一些實(shí)施例，其中的一部分在附圖中示出。然而，應(yīng)注意的是，附圖僅示出了本發(fā)明的一些實(shí)施例且因此不應(yīng)認(rèn)作是限制其范圍，因?yàn)楸景l(fā)明的范圍包含其它同樣有效的實(shí)施例。附圖不必按比例，重點(diǎn)通常在于示出本發(fā)明一些實(shí)施例的特征。因此，為了進(jìn)一步理解本發(fā)明，可參照結(jié)合附圖閱讀的以下詳細(xì)說(shuō)明，在附圖中圖1為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中在管內(nèi)的具有電阻抗譜(EIQ傳感器的多相井下計(jì)量計(jì)的示例性截面?zhèn)纫晥D。圖2為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中在其已從一個(gè)直徑的管移動(dòng)至直徑較窄的管之后的多相井下計(jì)量計(jì)的示例性截面?zhèn)纫晥D。圖3為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中在管內(nèi)的多相井下計(jì)量計(jì)的流動(dòng)面對(duì)端的示例性截面視圖。圖4為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中在管中的具有EIS傳感器、超聲波傳感器和壓力傳感器的多相井下計(jì)量計(jì)的示例性截面?zhèn)纫晥D。圖5為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中在管中的具有多相傳感器的多相井下計(jì)量計(jì)的流動(dòng)面對(duì)端的示例性截面視圖。零件清單
100多相流量計(jì)量計(jì)
105前端
110后端
120支柱組件
130前支柱
135后支柱
140滑塊
142前滑塊端
145后滑塊端
147內(nèi)表面
150塞子
152鼻部
155本體
158尾部
160EIS傳感器
170超聲波發(fā)射器
180超聲波接收器
190壓力傳感器200 管
具體實(shí)施例方式圖1示出了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中的在管200內(nèi)的具有EIS傳感器160的多相流量計(jì)量計(jì)100的示例性截面?zhèn)纫晥D。例如，管200可為任何類型的中空導(dǎo)管。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，多相流量計(jì)量計(jì)100可包括居中定位的塞子150，塞子150可包括鼻部152、本體155和尾部158。鼻部152定向?yàn)槊鎸?duì)到來(lái)的流動(dòng)且可為圓錐形，使得鼻部152的最窄部分從多相流量計(jì)量計(jì)100向外延伸至前端105，同時(shí)鼻部152的最寬部分連接到本體155 上。本體155可為圓柱形，且可從鼻部152延伸至尾部158。尾部158也可為圓柱形狀，且可沿流動(dòng)方向延伸至后端110。鼻部152、本體155和尾部158的形狀可選擇為在管200內(nèi)形成所期望的流動(dòng)特性。此外，鼻部152、本體155和尾部158全都可一體地連接。例如，塞子150可由不銹鋼、鉻鎳鐵合金、其它異金屬、陶瓷或塑料制成。使用的材料可基于各種考慮因素選擇，包括其抗腐蝕能力及其電絕緣性質(zhì)。兩個(gè)或多個(gè)前支柱130可定位成鄰近塞子150的前端105。前支柱130可為支承結(jié)構(gòu)，例如圓柱桿，其可固定地附接到塞子150的外表面上。前支柱130可相對(duì)于塞子150 的外表面沿徑向延伸由多相流量計(jì)量計(jì)100預(yù)計(jì)在其內(nèi)操作的管的直徑所要求的距離。在一個(gè)實(shí)施例中，如圖1中所示，前支柱130可相對(duì)于塞子150的外表面成銳角α朝后端110 延伸。前支柱130的與附接到塞子150上的一端相反的一端可固定地附接到滑塊140的前滑塊端142上?；瑝K140可由例如不銹鋼、鉻鎳鐵合金、其它異金屬、陶瓷或塑料制成，且定形為配合在多相流量計(jì)量計(jì)100預(yù)計(jì)在其內(nèi)操作的管的內(nèi)徑內(nèi)。使用的材料可基于各種考慮因素選擇，包括其抗腐蝕能力及其電絕緣性質(zhì)?；瑝K140可為與前支柱130相同的直徑和厚度，或其可取決于給定應(yīng)用而較大或較小。滑塊140的前滑塊端142與后滑塊端145 相反，以便滑塊140將前支柱130連接到對(duì)應(yīng)的后支柱135上。后滑塊端145固定地附接到后支柱135上，該后支柱135朝塞子150延伸且鄰近后端110固定地附接到塞子150的外表面上。在一個(gè)實(shí)施例中，如圖1中所示，后支柱135可從塞子150的表面朝前端105相對(duì)于塞子150的外表面成銳角β延伸。后支柱135可為與前支柱130相同的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)， 使得前支柱130和后支柱135作用為從塞子150以一定距離支承滑塊140，該距離由其所處的管200的直徑確定。前支柱130和后支柱135可由例如不銹鋼、鉻鎳鐵合金、其它異金屬、陶瓷或塑料制成。使用的材料可基于各種考慮因素選擇，包括其抗腐蝕能力及其電絕緣性質(zhì)。前支柱130、滑塊140和后支柱135 —起構(gòu)成支柱組件120。兩個(gè)或多個(gè)支柱組件 120可附接到塞子150的表面上，使得支柱組件120工作以使塞子150在管200內(nèi)居中。前支柱130和后支柱135兩者可制造成撓性的，使得容許支柱組件120在由前支柱130和后支柱135的完全延伸長(zhǎng)度所限定的離塞子150表面的最大徑向距離與由前支柱130和后支柱135的撓曲所可能產(chǎn)生的更接近塞子150表面的徑向距離之間撓曲。支柱組件120的最大徑向距離由多相流量計(jì)量計(jì)100設(shè)計(jì)成在其內(nèi)操作的最大直徑尺寸的管確定。支柱組件 120的撓性容許多相流量計(jì)量計(jì)100經(jīng)由一個(gè)直徑的管移動(dòng)到具有較小直徑的管，如通常是井下應(yīng)用中所需的那樣。
圖2為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中的在其已從一個(gè)直徑的管移動(dòng)至直徑較窄的管之后的多相井下計(jì)量計(jì)的示例性截面?zhèn)纫晥D。如在許多井下應(yīng)用中所需那樣，當(dāng)管200直徑減小時(shí)，支柱組件120朝管表面向內(nèi)撓曲以適應(yīng)較窄的直徑。再次參看圖1，滑塊140的內(nèi)表面147定位在面對(duì)塞子150的滑塊140表面上。在內(nèi)表面147上可具有一個(gè)或多個(gè)電阻抗譜(EIQ傳感器160，其可容許多相流量計(jì)量計(jì)執(zhí)行多相流動(dòng)測(cè)量，該測(cè)量不但確定流速，而且確定構(gòu)成該流動(dòng)的物質(zhì)狀態(tài)。EIS傳感器160可安放在多個(gè)支柱組件120的內(nèi)表面147上，使得EIS傳感器160圍繞管200的圓周具有大致等距的間隔。在另一實(shí)施例中，EIS傳感器可僅在內(nèi)管200圓周的一部分中間隔開。在又一些實(shí)施例中，EIS傳感器可安放在塞子150、前支柱130或后支柱135或它們的組合上。圖3為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中的在管200中的多相流量計(jì)量計(jì)100的流動(dòng)面對(duì)端的示例性截面視圖。參看圖1和圖3，兩個(gè)或多個(gè)支柱組件120可以任何選定的徑向圖案而附接到塞子150的外表面上，使得支柱組件120的滑塊140壓靠管200的內(nèi)壁來(lái)將塞子150 定位在管200的中心。支柱組件120的撓性還容許塞子150隨管直徑變化而保持在給定管直徑中的中心位置。圖4為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中的在管200中的具有EIS傳感器160、超聲波發(fā)射器 170、超聲波接收器180和壓力傳感器190的多相流量計(jì)量計(jì)100的示例性截面?zhèn)纫晥D。附加的傳感設(shè)備可選為安裝在多相流量計(jì)量計(jì)100上，以便對(duì)井下環(huán)境中的附加環(huán)境參數(shù)提供測(cè)量和分析。例如，超聲波發(fā)射器、接收器和/或變換器可安裝在多相流量計(jì)量計(jì)100上， 以便使用超聲波傳播時(shí)間或多普勒頻移技術(shù)來(lái)確定流速。如圖4中所示，超聲波發(fā)射器170 可定位在塞子150上，結(jié)合對(duì)應(yīng)的超聲波接收器180 —起以便獲得超聲波傳播時(shí)間測(cè)量，通過(guò)該超聲波傳播時(shí)間測(cè)量可確定流速。在其它實(shí)施例中，超聲波變換器可定位在塞子150 上而代替單獨(dú)的發(fā)射器或接收器。在又一些實(shí)施例中，超聲波設(shè)備可定位在前支柱130、后支柱135或滑塊140中的任一個(gè)上。如圖4中所示，一個(gè)或多個(gè)壓力傳感器190可沿塞子150定位，以便使用差壓技術(shù)來(lái)確定流速。在其它實(shí)施例中，壓力傳感器190可定位在前支柱130、后支柱135或滑塊 140中的任一個(gè)上?？啥ㄎ辉谇爸е?30、后支柱135或滑塊140中的任一個(gè)上的其它設(shè)備可包括熱傳感器和扭轉(zhuǎn)密度計(jì)。圖5示出了本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中的在管200中的具有多個(gè)傳感器的多相流量計(jì)量計(jì)100的流動(dòng)面對(duì)端的示例性截面視圖。如圖4和圖5中所示，塞子150的形狀可選擇為適應(yīng)各種設(shè)計(jì)需要。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，塞子150的形狀可形成文氏管，使得鼻部152 的前端105可在直徑上沿后端110方向逐漸增大、達(dá)到最大直徑，且然后在直徑上逐漸減小，直到其固定地附接到本體155的最接近前端105的一端上。塞子150的本體155可朝后端110延伸，且具有小于鼻部152平均直徑的恒定直徑。面對(duì)后端110的本體155的一端可固定地附接到面對(duì)尾部158端的前端105上。尾部158可在直徑上沿后端110方向逐漸增大，達(dá)到最大直徑，且然后在直徑上逐漸地減小，直到其到達(dá)后端110。鼻部152、本體 155和尾部158的直徑和幾何形狀可選擇為適應(yīng)特定的設(shè)計(jì)需要，且在流動(dòng)中產(chǎn)生選定的特性。塞子150的鼻部152、本體155和尾部158可由單個(gè)連續(xù)的材料件構(gòu)成，且它們?cè)谝黄鹂尚纬晌氖瞎?，使得塞?50形成管200的兩個(gè)截面表面面積的窄部，這兩個(gè)窄部由具有較大截面表面面積的擴(kuò)張區(qū)域隔開。附加的窄部和擴(kuò)張部可加至塞子150以產(chǎn)生附加的流動(dòng)特性，例如，通過(guò)使用雙文氏管形狀。鼻部152和尾部158逐漸變窄和擴(kuò)張的直徑在塞子150上形成斜面。例如EIS傳感器、超聲波發(fā)射裝置、發(fā)射器和/或變換器、壓力傳感器和熱傳感器的儀器可定位在塞子 150的斜面上，使得儀器可相對(duì)于流動(dòng)方向成角而不產(chǎn)生大的流動(dòng)擾動(dòng)。此外，設(shè)備可以最大限度地減小來(lái)自于流動(dòng)的顆粒沖擊和累積的方式成角，從而提高設(shè)備的壽命和準(zhǔn)確度。本書面說(shuō)明使用了包括最佳模式的實(shí)例來(lái)公開本發(fā)明，且還使本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能夠?qū)嵤┍景l(fā)明，包括制作和使用任何裝置或系統(tǒng)以及執(zhí)行任何所結(jié)合的方法。本發(fā)明可取得專利的范圍由權(quán)利要求限定，并且可包括本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員所構(gòu)思出的其它實(shí)例。如果這些其它實(shí)例具有與權(quán)利要求的字面語(yǔ)言并無(wú)不同的結(jié)構(gòu)元件，或者如果這些其它實(shí)例包括與權(quán)利要求的字面語(yǔ)言無(wú)實(shí)質(zhì)差異的同等結(jié)構(gòu)元件，則認(rèn)為這些實(shí)例處在權(quán)利要求的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于測(cè)量管內(nèi)的流動(dòng)的特性的裝置，包括具有前端(105)和后端(110)的塞子(150)；兩個(gè)或多個(gè)支柱組件(120)，各支柱組件(120)均包括具有第一端和第二端的前支柱(130)，所述前支柱(130)的所述第一端鄰近所述前端 (105)固定地附接到所述塞子(150)上；具有第一端和第二端的后支柱(135)，所述后支柱(13 的所述第一端鄰近所述后端 (110)固定地附接到所述塞子(150)上；具有內(nèi)表面(147)的滑塊(140)，所述滑塊(140)固定地附接到所述前支柱(130)的所述第二端和所述后支柱(135)的所述第二端上，使得所述內(nèi)表面(147)面對(duì)所述塞子 (150)；以及定位在所述內(nèi)表面(147)上用于測(cè)量所述流動(dòng)的所述特性的傳感器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述傳感器為電阻抗譜傳感器(160)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述傳感器為超聲波傳感器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述傳感器為壓力傳感器(190)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述傳感器為熱傳感器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述傳感器為扭轉(zhuǎn)密度計(jì)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述前支柱(130)和所述后支柱(135)為撓性的。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述塞子(150)具有直徑恒定的至少一部分，所述至少一部分小于所述塞子(150)的相鄰的面對(duì)前端的部分(10 和面對(duì)后端的部分(110)，從而形成至少一個(gè)文氏管。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述裝置還包括定位在所述塞子(150)上用于測(cè)量所述流動(dòng)的所述特性的傳感器。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，所述傳感器為電阻抗譜傳感器(160)。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，所述傳感器為超聲波傳感器。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，所述傳感器為壓力傳感器(190)。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，所述傳感器為熱傳感器。
14.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，所述傳感器為扭轉(zhuǎn)密度計(jì)。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述裝置還包括定位在所述兩個(gè)或多個(gè)支柱組件(120)中的至少一個(gè)上用于測(cè)量所述流動(dòng)的所述特性的傳感器。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于測(cè)量管內(nèi)流動(dòng)的特性的裝置。具體而言，公開了一種用于測(cè)量管(200)內(nèi)流動(dòng)的物理特性的裝置。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，該裝置包括附接到兩個(gè)或多個(gè)支柱組件(120)上的塞子(150)，各支柱組件(120)均包括前支柱(130)、后支柱(135)和具有面對(duì)塞子(150)的內(nèi)表面(147)的滑塊(140)；以及定位在滑塊(140)的內(nèi)表面(147)上的一個(gè)或多個(gè)傳感器。
文檔編號(hào)G01P5/14GK102445240SQ201110309920
公開日2012年5月9日 申請(qǐng)日期2011年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月7日
發(fā)明者E·R·弗隆 申請(qǐng)人:通用電氣公司