專利名稱：用于測量油水混合物中水的質(zhì)量分數(shù)的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及測量通過管道的流動的油水混合物中水和油的質(zhì)量分數(shù)。(本文提到的“本發(fā)明，，或“發(fā)明，，涉及示范性實施例，但不一定涉及所附權(quán)利要求書包含的所有實施例。)具體而言，本發(fā)明涉及測量流動的混合物中水和油的質(zhì)量分數(shù)，其中溫度變換器在第一時間與第二時間之間將流動的油水混合物的溫度更改可測量的量，這樣即可通過已知的溫度變化所引起的混合物的聲速變化來確定所述質(zhì)量分數(shù)。
背景技術(shù)：
此部分旨在向讀者介紹可能涉及到本發(fā)明的多個方面的技術(shù)的多個方面。以下討論旨在提供幫助讀者更好地了解本發(fā)明的信息。相應地，應了解，此下討論中的聲明應就此而論，并不是對現(xiàn)有技術(shù)的承認。近年來，對精確測量含水量(原油中的含水量占混合物總量的分數(shù))的需求正在不斷增加。此類需求不斷增加的原因在于衰竭油田中提取原油所需的水和蒸汽的量不斷增加，且使用油輪將原油運抵遠離油田的精煉廠所需的路程不斷增加(運輸油輪通常通過將海水引入儲油罐中來維持標稱固定壓載狀態(tài))。經(jīng)實踐證明，精確測量含水量十分困難1.市場上存在致力于將油水混合物的電容與含水量相互關(guān)聯(lián)的多種系統(tǒng)。但是， 這些系統(tǒng)中存在多個技術(shù)難題(a)如果含水量較高，那么混合物的電導率就較高，此時電容就不再是測量含水量的好方法；以及(b)極間電容(或電阻)的關(guān)系可能無法反映流動的流體中真正的水質(zhì)量分數(shù)或體積分數(shù)，因為相分布并不與靜電場強度相互關(guān)聯(lián)。2.如各項實驗所示，在某些情況下，油水混合物的聲速大小可用于表示混合物中水和油的質(zhì)量分數(shù)。然而，此方法存在多個缺點(a)必須精確測量聲速以及兩個相的每一個相的比重，以及(b)當一個相的聲速和比重與另一個相接近時，該方法的精確程度也會隨之降低(該情況可在重質(zhì)原油中出現(xiàn))。3.許多人依賴對工序流體進行分批取樣來測量含水量，其中對相的分離和稱重在線下執(zhí)行。該方法具有幾個明顯的缺點(a)勞動密集型；(b)樣本對總體的代表性具有不確定性，這種不確定性很難限定，以及(c)無法實時獲取樣本數(shù)據(jù)，從而根據(jù)含水量的突然變化而采取相應的措施。本發(fā)明的含水量測量方法借鑒了上述技術(shù)2的技術(shù)，但通過其獨特且迄今為止未經(jīng)利用的方法克服了該技術(shù)以及其他技術(shù)的難點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及測量油水混合物中水的質(zhì)量分數(shù)。所述測量是使用超聲波轉(zhuǎn)換器執(zhí)行。所述測量基于以下事實所述質(zhì)量分數(shù)與已知的溫度變化所引起的混合物的聲速變化相關(guān)。


附圖描繪了本發(fā)明的優(yōu)選實施例以及實施本發(fā)明的優(yōu)選方法，其中圖1描繪聲速(V0S，60華氏度下)和含水量(wc(% ))變化的比較。圖2描繪lOOOpsia下純水中的聲速和溫度的比較。圖3描繪純水的單位流體溫度變化所引起的聲速變化。圖4描繪多種原油的聲速和溫度的比較。圖5描繪55種原油的聲速對溫度的靈敏度的分布。圖6描繪重質(zhì)原油每華氏度對應的油水混合物的聲速變化。圖7描繪中檔原油每華氏度對應的油水混合物的聲速變化。圖8描繪輕質(zhì)原油每華氏度對應的油水混合物的聲速變化。圖9為測量本發(fā)明的油水混合物的水的質(zhì)量分數(shù)的流程圖。圖10描繪本發(fā)明的溫度和聲速傳感器組件。圖11為測定水質(zhì)量分數(shù)的方框圖。圖12描繪含水量與每華氏度的混合物聲速變化dC/dT (混合物溫度為100F)的比較。圖13描繪差分溫度測量的RTD橋。圖14描繪對線性的含水量測定與聲速變化/單位溫度變化的關(guān)系的校正。
具體實施例方式現(xiàn)在參照附圖，其中相同的參考數(shù)字指代所有附圖中類似或相同的部件，具體而言，對于本文的圖9和圖10，其顯示了用于測量通過管道12的流動的油水混合物中水和油的質(zhì)量分數(shù)的設(shè)備10。設(shè)備10包含用于在第一時間和第二時間處測量流動的油水混合物的聲速和溫度的傳感器部分14。設(shè)備10包含與流動的流體熱連通的溫度變換器16，所述變換器在第一時間與第二時間之間將流動的油水混合物的溫度更改可測量的量。傳感器部分14可包括位于溫度變換器16上游的用于測量流動的油水混合物的聲速和溫度的第一傳感器部分18，以及位于溫度變換器16下游的用于測量流動的混合物的聲速和溫度的第二傳感器部分20。溫度變換器16可為向流動的混合物中增加熱能的熱交換器，也可為從流動的混合物中移除熱能的冷卻器。設(shè)備10可包括通過存儲在計算機可讀取媒介上的算法確定水和油的質(zhì)量分數(shù)的控制器22以及處理器M，所述算法由控制器22和處理器M執(zhí)行，其將所述質(zhì)量分數(shù)與已知的溫度變化所引起的混合物聲速變化關(guān)聯(lián)起來。油水混合物可經(jīng)乳化，以使得作為油或水的分散相的液滴分布于作為水或油的連續(xù)相中。所述分散可通過流動的混合物以足以實現(xiàn)乳化而基本上沒有滑移的速度進行移動來實現(xiàn)。設(shè)備10可包括與混合物流體連通的泵 26以確保讓樣本混合物的速度達到或超過乳化速度要求，其中流動的油水混合物的一部分連續(xù)被取樣并傳遞通過第一和第二傳感器部分18和20以及溫度變換器16，以便確定測定的溫度變化所引起的混合物聲速變化。在另一項實施例中，設(shè)備10可包括與混合物流體連通的泵沈以確保讓樣本混合物的速度達到或超過乳化速度要求，其中流動的油水混合物的若干部分連續(xù)或相繼被取樣。單獨或組合態(tài)的樣本可通過第一和第二傳感器部分18和20以及溫度變換器16，以便確定每個樣本處測定的溫度變化所引起的混合物聲速變化。設(shè)備10可包括用于對與第一傳感器部分18連通的流體進行取樣的取樣裝置觀。 所述取樣裝置觀可包括對混合物進行取樣的安置于管道12中的不同半徑處的多個旋塞 30。取樣裝置觀可包括用于每個旋塞的閥門32，所述閥門在足夠長的一段時間內(nèi)保持開啟，以確保相關(guān)旋塞處的聲速和溫度測量具有代表性。第一傳感器部分18可包括聲速轉(zhuǎn)換器34和反射插件36。混合物的聲速C可通過該轉(zhuǎn)換器的超聲波脈沖到達傳感器的反射插件36并返回轉(zhuǎn)換器的傳播時間t確定。本發(fā)明涉及測量通過管道12的流動的油水混合物中水的質(zhì)量分數(shù)的方法。所述方法包括使用傳感器部分14在第一時間處測量流動的油水混合物的聲速和溫度的步驟。 其中包括通過與流動的流體熱連通的溫度變換器16將流動的油水混合物的溫度更改可測量的量的步驟。其中包括使用傳感器部分14在第二時間處測量流動的油水混合物的聲速和溫度的步驟。第一時間處的測量步驟可包括使用傳感器部分14的在溫度變換器16上游的第一傳感器部分18測量流動的油水混合物的聲速和溫度的步驟，且第二時間處的測量步驟包括使用傳感器部分14的在溫度變換器16下游的第二傳感器部分20測量流動的油水混合物的聲速和溫度的步驟。溫度變換器16可為向流動的混合物中增加熱能的熱交換器，也可為從流動的混合物中移除熱能的冷卻器。可包括通過存儲在計算機可讀取媒介上的算法確定水質(zhì)量分數(shù)的步驟，所述算法由控制器22和處理器M執(zhí)行，其將所述質(zhì)量分數(shù)與已知的溫度變化所引起的混合物聲速變化關(guān)聯(lián)起來。可包括乳化油水混合物，以使得作為油或水的分散相的液滴分布于作為水或油的連續(xù)相中的步驟，所述分散是通過流動的混合物以足以達到乳化作用而基本上沒有滑移的速度進行移動來實現(xiàn)?？砂ㄊ褂门c混合物流體連通的泵沈抽吸混合物以確保讓樣本混合物的速度達到或超過乳化速度要求的步驟，其中流動的油水混合物的一部分連續(xù)被取樣并傳遞通過第一和第二傳感器部分18和20以及溫度變換器16，以便確定測定的溫度變化所引起的混合物聲速變化。在替代實施例中，可包括使用與混合物流體連通的泵沈抽吸混合物以確保讓樣本混合物的速度達到或超過乳化速度要求的步驟，其中流動的油水混合物的若干部分連續(xù)或相繼被取樣，所述單獨或組合態(tài)的樣本通過第一和第二傳感器部分18和20以及溫度變換器16，以便確定每個樣本處測定的溫度變化所引起的混合物聲速變化?？砂ㄊ褂门c第一傳感器部分18連通的取樣裝置觀對流體取樣的步驟。所述取樣步驟可包括使用安置于取樣裝置觀的管道12中的不同半徑處的多個旋塞30對混合物取樣的步驟?？砂ㄗ屓友b置觀的每個旋塞的閥門32在足夠長的一段時間保持開啟，以確保相關(guān)旋塞處的聲速和溫度測量具有代表性的步驟。可包括通過轉(zhuǎn)換器的超聲波脈沖到達第一傳感器部分18的反射插件36并返回轉(zhuǎn)換器的傳播時間t來確定混合物的聲速C的步
馬聚ο在本發(fā)明的實施中，聲速(壓力波在物理媒介中的傳播速度)為媒介的硬度與密
6度比率的函數(shù)。為了讓聲速測量值能夠反映油水混合物的組成，相必須為分散相，以便讓混合物每一成分的硬度和密度均參與到壓力波的傳播中。另外，壓力波的長度必須比分散相的尺寸要長，以防波程中的多相界面過多地分散聲能。當油水混合物以超過每秒4至10英尺的速度流動時，混合物會開始乳化(兩個相中的一個開始分散)。乳化通常在速度為每秒10英尺時完成，但某些情況下可能需要更快的速度。如果油的分數(shù)較高，則水將分散于油中；如果水的分數(shù)較高，則油將分散于水中。 但在上述兩種情況中，分散相液滴均較小，且頻率高達IMHz或以上的超聲波脈沖可經(jīng)由足夠長的距離發(fā)射和接收，以便讓多種超聲波測量方式可行。下面為油水混合物的聲速的等式(1)，所述聲速為混合物中水的質(zhì)量Ml與混合物中油的質(zhì)量M2的比例K的函數(shù)1) 1/C2 = {(K+1) / (K/SGi+l/SG^2} [K/ (SG1C1) 2+1/(SG2C2)2]此處的C為混合物的聲速(或超聲速一其頻率不會影響速度)。如上所述，K定義為水的質(zhì)量Ml與油的質(zhì)量M2的比例。[K更精確地定義為水的 “質(zhì)量流率”W1與油的“質(zhì)量流率”W2的比例。]根據(jù)此定義，水相對于總質(zhì)量的質(zhì)量分數(shù)為 K/(K+1)。SG1為測量條件下，混合物中水的比重。SG2為測量條件下，混合物中油的比重。C1為在測量條件下(即，溫度，以及較低程度的混合物的壓力和水的鹽度)，混合物中水的聲速。C2為在測量條件下，混合物中油的聲速。對于原油，此變量取決于原油的分子比、 溫度，還有壓力(較低程度)。圖1繪出在限定的水質(zhì)量分數(shù)范圍內(nèi)(0至10% )，油水混合物的測定聲速與混合物中水的質(zhì)量分數(shù)的曲線，其中油和水的屬性已知。應注意，本文所用的術(shù)語“含水量”為上面定義的水的“質(zhì)量”分數(shù)K/(K+1)的同義詞。嚴格說來，含水量是水的“體積”分數(shù)。如果各成分的比重已知，則這兩個術(shù)語之間的關(guān)系就很明確?；旌衔镏兴捏w積分數(shù)V1/(VJV2) 由MlVl/(MlVl+M2V2)決定，其中V1和V2分別為水和油的比容。該表達式可轉(zhuǎn)換為以下形式 V1Z(V^V2) = KVl/(KVl+V2)。圖1還繪出了使用等式(1)計算出的混合物聲速與水質(zhì)量分數(shù)的曲線。計算出的混合物聲速(圖中的“質(zhì)量加權(quán)”速度)比測定的速度約低0.1%。[另一方面，計算出的體積加權(quán)速度比測定的聲速約高0.07%。體積加權(quán)數(shù)據(jù)的物理意義具有不確定性。]等式(1)所預測的聲速與測定的聲速之間存在差異的原因可能在于實驗的配置(如參考中所述)，但也可能在于存在滑移，即分散相(這種情況下為水)的速度并不一定與連續(xù)相的速度相同。等式(1)不考慮任何滑移。此外，滑移可能會因測量具體的測量方式而異。人們相信在參考(1)的實驗中存在滑移，因為流動的流體的速度相對于實現(xiàn)完全乳化而言是邊緣性的。要實現(xiàn)完全乳化，流體的速度必須達到每秒10英尺或以上；在此速度下，液滴十分小。在每秒10英尺以上的速度下，液滴上以接近連續(xù)相的速度將其沿移動方向拉動的拖曳力遠遠超出液滴上的重力，從而導致滑移很小或是沒有滑移。該速度介于每秒3至4英尺之間。在此速度下，分散相的較大液滴上的拖拽力并沒有遠遠超出重力，且水滴會傾向于以低于連續(xù)油相的速度移動。
重申一下，如果在流向為水平時測量混合物的聲速，且流體速度超過每秒10英尺，則可以避免出現(xiàn)滑移并確保實現(xiàn)乳化。使用聲速作為含水量的決定性因素的任何測量方式都必須符合該要求。對等式(1)的重新審視顯示，單獨使用混合物聲速來測量含水量存在多個缺點。 具體而言，在所述測量條件下，各成分相的聲速必須準確已知，尤其是這兩個相的溫度和水相的鹽度。這從圖1的坐標上來看更加明顯3 油溫變化可引起每秒250英寸的混合物聲速變化，其對應于10%的含水量變化。因此，若要確定(例如)士以內(nèi)的含水量，則必須絕對地測量比士0. 3 °F更小的溫度。如上面的背景部分所述，如果混合物各成分的聲速和密度相等或幾乎相等，那么直接使用混合物聲速來測量含水量還會產(chǎn)生其他問題。這很容易從等式(1)中看出；如果兩個相的比重和聲速相同，則K的變化將不會引起任何的混合物聲速變化。本發(fā)明提出的測量含水量的方法利用了油水混合物的各成分對溫度“變化”的反應。水的聲速對溫度升高的反應與油的聲速對所述溫度升高的反應極為不同。這種差異可從圖2、圖3、圖4和圖5的數(shù)據(jù)中明顯看出。所述附圖的數(shù)據(jù)描述在多數(shù)含水量數(shù)據(jù)所處的溫度范圍(40°F至140°F)內(nèi)，聲速對溫度的反應。圖2繪出水的聲速與溫度的曲線；圖 3繪出每華氏度水的聲速的增量改變的曲線。圖4繪出擁有某一范圍比重的4種典型原油的聲速與溫度的曲線。圖5為顯示在所關(guān)注的溫度范圍內(nèi)，55種不同原油每華氏度的聲速增量改變的條形圖。通過比較圖3和圖5，可明顯看出混合物各成分的聲速對溫度變化的反應存在差異。對于水而言，溫度升高可引起從+7fps/°F (低溫下)至接近0(達到所關(guān)注溫度范圍上限時)的聲速變化。對于多數(shù)原油而言，溫度升高可引起約_6.7fpS/°F 士0.3fps/°F (全溫度范圍內(nèi))的聲速變化。所有原油的增量改變?yōu)樨?，而水的增量可為正也可?，具體取決于其溫度。本發(fā)明提出的測量含水量的方法原理在圖6、圖7和圖8中說明，所述附圖顯示對于從0至100%的水質(zhì)量分數(shù)，每華氏度混合物溫度升高所引起的聲速變化。圖6表示典型重質(zhì)原油的反應，圖7表示中檔原油的反應，而圖8則表示輕質(zhì)原油的反應。每幅圖都顯示了三個不同混合物溫度的聲速反應40 0FUOO 140 0F (覆蓋所有潛在應用的范圍)。 對這些附圖的比較顯示了使用所述方法針對僅1 混合物溫度變化的測量強度 這三個曲線的左截距(對于0%含水量)相同，均為_6.7fps/°F。圖5顯示該曲線代表許多原油，無論其比重多少。圖5還顯示，與水不同(圖3)，所有原油聲速與溫度曲線的斜度均為負。原油的屬性較為明確。混合物聲速/溫度變化與含水量曲線的左截距可對任意原油明確且精確固定。 同樣地，右截距(對于100%含水量)可使用精度適中的溫度測量方式迅速且精確地確定。純水的聲速與溫度曲線(圖幻已在科學文獻中擁有大量文檔證明；同樣地，鹽度影響也擁有大量文檔證明，且相對于曲線斜度來說影響極小。相應地，如圖3所示，(例如)士 2 °F以內(nèi)的混合物溫度測量可精確確定右截距。 所述測量并不在很大程度上取決于對各成分的聲速和比重的了解。這正如圖6、 圖7和圖8中的曲線形狀所示。在兩個截距之間，所述曲線與線性關(guān)系相差不大(40下下重質(zhì)原油的曲線幾乎為線性曲線)。如附錄A所述，范圍計算顯示，本發(fā)明提出的方法可以超出士0.7%的精度在整個含水量范圍(0%至100%)內(nèi)測量含水量。該結(jié)論受以下條件的制約 °成分的聲速和比重由士2 °卩的溫度測量確定；
°可進行幾千ppm內(nèi)的鹽度估計；°原油的來源已知且其屬性是使用現(xiàn)有的原油屬性數(shù)據(jù)庫確定；以及°讓油水混合物的溫度升高(或降低)2下，以確定隨著溫度變化的混合物聲速變化。實施方案圖9和圖10描繪本含水量測量技術(shù)的一項實施方案。圖9顯示在管道12中流動的油水混合物。管道12的直徑經(jīng)選擇以將混合物的速度維持在每秒10英尺以上，從而確保實現(xiàn)乳化和最低限度的滑移。樣本布置G個旋塞30位于管道12內(nèi)的不同半徑處)提高了所述測量的精確程度。根據(jù)數(shù)值積分法(例如高斯求積法)的規(guī)則定位旋塞30，并根據(jù)積分法的規(guī)定對每處的質(zhì)量分數(shù)進行加權(quán)處理，可降低整體平均含水量計算的不確定性。樣本旋塞布置可通過運行電磁閥Sl至S4實現(xiàn)每個旋塞處的輪流取樣。每個閥門在足夠長的一段時間內(nèi)保持開啟，以確保相關(guān)旋塞處的聲速和溫度測量具有代表性。計量泵26確保將取樣管道內(nèi)的混合物的速度維持在最小化滑移并維持乳化所必需的速度之上。圖10顯示用于測量聲速和溫度的傳感器的一個布置。傳感器管道的直徑經(jīng)選擇以確保在取樣泵沈的流速已知的情況下，混合物能夠一直處于乳化狀態(tài)。具有必要精度的傳感器(RTD或熱電偶)測量引入的樣本混合物的溫度。傳感器位于90°的入口彎曲處，以確保對樣本流體的測量具有代表性。所述樣本隨后經(jīng)引導通過第二個90°彎曲處，所述彎曲處定位有壓電陶瓷聲速轉(zhuǎn)換器34。所述轉(zhuǎn)換器以脈沖回波模式運行。經(jīng)過適當?shù)男盘柼幚?，可通過超聲波脈沖到達傳感器的反射插件36并返回轉(zhuǎn)換器的傳播時間t確定混合物的聲速C 2) C = 2L/t其中L為轉(zhuǎn)換器表面至反射插件的距離，以及t為在流體中的往返傳播時間。超聲波轉(zhuǎn)換器的直徑和頻率，以及傳感器管路的配置經(jīng)選擇以確保在已知處于傳播時間測量的路徑中的傳感器組合件的直徑的情況下，預期傳感器組合件的壁不會干擾所述脈沖的傳播。此外，傳感器組合件的此部分為水平的，以避免樣本混合物中出現(xiàn)由重力引起的滑移。流體速度對聲速測量的影響本質(zhì)上將由所述脈沖回波布置抵消。應注意，脈沖傳播時間測量將包括脈沖通過非流體介質(zhì)的行程時間(電纜、電子元件和轉(zhuǎn)換器組合件的聲“窗”的延遲)。這些延遲可進行計算(或線下測定)。無論何時， 高精度地確定非流體介質(zhì)中的所述延遲并不必要，因為所述方法完全依靠混合物在兩個不同溫度下的聲速的“差異”。用于以符合測量精度目標的方式處理兩次測量的延遲的差異的方法將在附錄A中進一步說明。圖9中入口傳感器組合件下游的電加熱器將混合物的溫度升高預設(shè)的量。如附錄 A所示，基于數(shù)字的傳播時間測量可確定100，000分之幾以內(nèi)的聲速差異(熱與冷)，小到 2T的溫度升高足以實現(xiàn)對混合物聲速改變的精確測量。請注意，如果樣本溫度冷卻2 T，則所述方法依然可以有效運作。對加熱器-冷卻器的選擇可根據(jù)引入的油水混合物的溫度以及影響加熱與冷卻所需的電量來決定。在加熱器(或冷卻器)的下游，樣本混合物經(jīng)引導通過第二聲速和溫度傳感器組合件。通過所述傳感器組合件后，混合物返回至從中提取混合物的管道12。應指出的是，所述系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理應考慮通過在上游和下游處測量聲速和溫度的傳感器之間的管道和加熱器(或冷卻器)的輸送延遲。所述數(shù)據(jù)處理必須考慮在熱(或冷) 傳感器處的測量與在入口傳感器處以等于輸送延遲的時間量較早進行的測量之間的差異。 該措施是必要的，因為含水量會因時間不同而異；沒有考慮到輸送延遲將引起“噪聲”，并導致含水量的測量可能出現(xiàn)偏差。要獲得含水量，來自每個樣本的數(shù)據(jù)都按照圖11的流程圖進行處理。反復過程如圖所示。由于含水量與聲速的關(guān)系幾乎為線性關(guān)系，因此預期2次或3次反復將導致含水量結(jié)果在0. 至0.2%以內(nèi)。加熱器功率和流速影響如圖9所示的樣本系統(tǒng)的性能。顯然地，系統(tǒng)成本在功率和流速要求較低時得以最小化。另一方面，加大溫度升高(或降低)的量可提高精度。較大的超聲波轉(zhuǎn)換器可適應于較大的傳感器管道12的直徑，所述管道需要較高的流量。較大的轉(zhuǎn)換器最大化接收到的超聲波信號的強度，同時仍避免聲波與管道12的管壁的相互作用。 下表說明了各種設(shè)計折衷方案。表 1樣本系統(tǒng)設(shè)計折衷方案最小流速IOfps,比重 1. 0，比熱 1. 0btu/#/ °F
系統(tǒng)1系統(tǒng)2系統(tǒng)3溫度升高(或降低)1 0F1 0F2 0F加熱器功率增加2kW5kW5kW流速14gpm34gpm17gpm傳感器管道直徑0. 75英寸1.2英寸0. 83英寸附錄A定義了算法并分析了上述表格中測量系統(tǒng)3中的不確定性。其結(jié)論為，使用所述系統(tǒng)測量含水量的不確定性約為士 1/2%含水量(含水量接近0%和100%的情況下)。對于中等范圍的含水量(20%至70%)，所述不確定性增至約士2/3%含水量。增強加熱(或冷卻)以使系統(tǒng)3中的溫度增加(或降低)翻倍可能會使所述不確定性減半?？赡艽嬖诔龍D9和圖10所示的實施方法以外的實施方法。例如，在某些管道中， 加熱器在其首端使用以提高油溫，從而降低抽吸功率要求。加熱器上游和下游的常規(guī)溫度儀器，以及常規(guī)超聲波轉(zhuǎn)換器(可安裝于管道上游和下游的外部)將向使用與圖11所示算法類似的算法確定含水量的系統(tǒng)提供輸入。同樣，此類設(shè)置的數(shù)據(jù)處理必須考慮到冷和熱傳感器之間的輸送延遲。盡管已出于說明目的而在上述實施例中詳細描述了本發(fā)明，但應了解，此類詳情僅作解釋之用，所屬領(lǐng)域的一般技術(shù)人員可做出相應修改，但不得偏離本發(fā)明的精神和范圍，除非所附權(quán)利要求書中另有說明。附錄A-含水量計算的算法和不確定性彳既要本分析確定，在經(jīng)乳化的油水混合物的溫度升高或降低2 °F的情況下，本文所述類型的系統(tǒng)可在全部含水量范圍內(nèi)以超過士0.67%含水量的精度測量含水量。對于接近 0%和100%的含水量，精度接近士0.5%含水量。這些精度是針對本文的系統(tǒng)3計算。如果增強加熱(或冷卻)以使溫度變化翻倍，則精度可降低至約為原來的一半。分析本文的表格中列出了用于測量流動的油水混合物樣本的含水量的各系統(tǒng)的設(shè)計折衷方案。圖9和圖10描繪樣本測量系統(tǒng)的布置。在本文的系統(tǒng)3中，5kW的加熱器為流速為17gpm的樣本提供2 T的溫度增量。該流速在直徑為0. 83英寸的管道12中產(chǎn)生每秒 10英尺的流體速度，假定這一速度足以確保實現(xiàn)樣本的乳化以及極其微小的滑移。該系統(tǒng)將用作確定聲速變化和溫度變化的測量精度以及用于在全部含水量范圍內(nèi)計算含水量確定精度的其他流體屬性的精度的參考。含水量測量的精度目標(約為士含水量)表明對混合物聲速變化AC和由參考系統(tǒng)的加熱器產(chǎn)生的混合物溫度變化ΔΤ的測量精度的要求。針對所述分析選擇在 100 °F范圍內(nèi)的輸入混合物溫度。對于該混合物溫度，單位溫度變化所引起的混合物聲速變化dC/dT從0%含水量時的每華氏度-81英寸/秒到100%含水量時的每華氏度+36英寸 /秒之間不等。根據(jù)支持本發(fā)明的分析繪制的圖12顯示，對于重質(zhì)原油，含水量的中間值與dC/dT相關(guān)，根據(jù)這種關(guān)系，連接這些終點的線幾乎為直線。本例中的中檔和輕質(zhì)原油曲線具有相同的終點，但微偏離線性，原因在于各成分的屬性的差異，尤其是聲速和密度(與聲速緊密相關(guān))的差異。為支持本發(fā)明所做的靈敏度分析表明，如果大致了解成分屬性，則可對線性關(guān)系進行校正，以獲得良好的含水量精度(對此校正的定量分析將在本分析的下文中給出)。但對于所有原油而言，含水量確定的總體精度取決于dC/dT測量的精度本例中為1. 17英寸/秒/華氏度含水量。對于參考系統(tǒng)的樣本的2 °F的溫度變化，這相當于含水量變化對應2. 34英寸/秒的聲速變化。因此，問題如下(1)每秒2. 34英寸的混合物聲速變化是否能夠以足夠的精度來測量，以支持士含水量測定？以及0)2下的混合物溫度變化是否能夠以足夠的精度來測量，以支持士含水量測定？解決這些問題之前，應注意，在假定產(chǎn)品溫度低于100 °F時，斜度變得較高；因此在聲速變化和溫度變化的測量精度方面的負擔也得以減輕。另一方面，當產(chǎn)品溫度較高時 (例如140下)，斜度較低。但在這種情況下，設(shè)計人員可以使用環(huán)境作為散熱器來將樣本冷卻(例如)5或10下。對于這些情況，冷卻過程需要消耗的電力極少，因此降低的斜度的測量所引起的負擔可由增加許多的溫度變化所抵消。用于確定Δ C (混合物聲速變化)的算法原油和水的混合物的聲速約為55，000英寸/秒，這樣檢測并測量2. 34英寸/秒的變化的要求即等于約1/24，000的精度要求。圖10的傳感器組合件所測定的聲速C為A-DC = 2L/t其中，L為在流體中從轉(zhuǎn)換器窗的表面至反射插件的距離，以及
t為在流體中的傳播時間。如上所述，所測定的時間不僅包括在流體中的傳播時間，而且也包括從發(fā)射器通過電纜、轉(zhuǎn)換器、聲窗和信號檢測電子元件傳輸能量的延遲時間。假定目前每個傳感器的非流體延遲τ和路徑長度相等，則加熱器元件的上游的傳感器(C)和下游的傳感器(H)測定的聲速分別為Α-2Α) Cc = 2L/ (tc_ τ )A-2B) Ch = 2L/ (tH_ τ ) = 2L/ (tc+ Δ t_ τ )其中Δ t為在加熱器中加熱流體而產(chǎn)生的傳播時間差。聲速差AC為A-3) AC = Ch-Cc = 2L[l/(tc+At- τ )_l/(tc_ τ )]將括號中的兩個項均乘以乘積(tc+At_ τ ) (tc- τ )即可得到以下Δ C的表達式A-4) AC = 2L[(tc- τ ) - (tc+ Δ t- τ )]/[(tc+At- τ ) (tc_ τ )]在等式(Α-4)中進行代數(shù)運算A-4A) AC = —2L Δ t/[ (tc+Δ t_ τ ) (tc_ τ )] ^ -2L Δ t/(tc_ τ )2等式(Α-4Α)的近似值的證明如下對于參考系統(tǒng)的傳感器，選擇5英寸的路徑長度L。通過該路徑長度，直徑為1/2英寸的3MHz轉(zhuǎn)換器即可產(chǎn)生不會與直徑為0. 83英寸的傳感器管狀壁相互作用的集中波束。具有這些參數(shù)的3MHz聲能包在流體中的凈傳播時間(tc_ τ )標稱為167微秒(入口溫度為100 T )。對于的含水量變化，加熱2下所引起的聲速變化可產(chǎn)生6. 5納秒的傳播時間變化At。因此相對于te，Δ t可在分母乘積中忽略。確定混合物聲速變化的不確定性聲速變化的不確定性3AC可通過對等式A-4A進行差分獲得。該過程的結(jié)果如下A-5 ) dAC = 2L/(tc-x)2[-5At + 2 At/(tc-x)5(tc -τ)-Δ 5L/L]路徑長度的不確定性5L和凈傳播時間的不確定性3(tc - τ)由不隨操作條件而變化的偏差支配。它們的凈影響可通過在加熱器或冷卻器關(guān)閉的情況下(即兩個傳感器之間不存在溫度變化)測量At來確定。在這種情況下…AC = AC =0。測定的殘差At (SAt0) 即表示傳播時間和路徑長度的凈殘差偏差，包括因上游傳感器與下游傳感器的長度和非流體延遲之間的差異而產(chǎn)生的偏差。A-6 ) SAt0 = [2At/( tc -τ) d (tc -τ)- At 5L/L]0相應地，在加熱樣本時將與測定的At以代數(shù)方法相組合可最小化因路徑長度和非流體延遲的不確定性而產(chǎn)生的AC的不確定性。但應注意，校正經(jīng)受與At的測量相同的單次測量不確定性，所述不確定性將在下面的段落中說明。存在AC的殘差不確定性的原因在于，在操作條件下，由熱和冷聲速傳感器測定的傳播時間之間的時間差At存在不確定性。At的不確定性的要素如下表A-I所示。表Α-1.時間差測量的不確定性要素
時間差不確定性要素值根據(jù)時鐘dt6.5 χ IO"4 ns熱測量和冷測量將使用相同的時鐘。長期偏移趨向于在
1權(quán)利要求
1.一種用于測量通過管道的流動的油水混合物中水和油的質(zhì)量分數(shù)的設(shè)備，所述設(shè)備包含傳感器部分，用于在第一時間和第二時間處測量所述流動的油水混合物的溫度和聲速；以及與所述流動的流體熱連通的溫度變換器，所述溫度變換器在所述第一時間與所述第二時間之間將所述流動的油水混合物的溫度更改可測量的量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述傳感器部分包括位于所述溫度變換器上游的用于測量所述流動的油水混合物的溫度和聲速的第一傳感器部分，以及位于所述溫度變換器下游的用于測量所述流動的混合物的聲速和溫度的第二傳感器部分。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其中所述溫度變換器是向所述流動的混合物中增加熱能的熱交換器，或者是從所述流動的混合物中移除熱能的冷卻器。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其包括通過存儲在計算機可讀取媒介上的算法來確定所述水和油的所述質(zhì)量分數(shù)的控制器和處理器，所述算法由所述控制器和處理器執(zhí)行，其把所述質(zhì)量分數(shù)與已知的溫度變化下的所述混合物中的聲速變化關(guān)聯(lián)起來。
5.根據(jù)權(quán)利要求4或3所述的設(shè)備，其中所述油水混合物經(jīng)乳化以使得作為油或水的分散相的液滴分布于作為水或油的連續(xù)相中，所述分散是通過所述流動的混合物以足以實現(xiàn)乳化而基本上沒有滑移的速度進行移動來實現(xiàn)。
6.根據(jù)權(quán)利要求3、4或5所述的設(shè)備，其包括與所述混合物流體連通的泵以確保讓樣本混合物的速度達到或超過乳化速度要求，且其中所述流動的油水混合物的一部分被連續(xù)取樣并通過所述第一和第二傳感器部分以及所述溫度變換器，以便確定測得的溫度變化下的混合物聲速變化。
7.根據(jù)權(quán)利要求3、4或5所述的設(shè)備，其包括與所述混合物流體連通的泵以確保讓樣本混合物的速度達到或超過乳化速度要求，且其中所述流動的油水混合物的若干部分連續(xù)或相繼被取樣，單獨或組合態(tài)的所述樣本通過所述第一和第二傳感器部分以及所述溫度變換器，以便確定每個樣本處測得的溫度變化所下的混合物聲速變化。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其包括用于對與所述第一傳感器部分連通的所述流體進行取樣的取樣裝置。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的設(shè)備，其中所述取樣裝置包括安置于所述管道中的不同半徑處的用于對所述混合物進行取樣的多個旋塞。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的設(shè)備，其中所述取樣裝置包括用于每個旋塞的閥門，所述閥門在足夠長的一段時間內(nèi)保持開啟，以確保相關(guān)旋塞處的聲速和溫度測量具有代表性。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其中所述第一傳感器部分包括聲速轉(zhuǎn)換器和反射插件，所述混合物的聲速C是根據(jù)所述轉(zhuǎn)換器的超聲波脈沖到達所述傳感器的所述反射插件并返回所述轉(zhuǎn)換器的傳播時間t來確定。
12.一種用于測量通過管道的流動的油水混合物中水的質(zhì)量分數(shù)的方法，所述方法包含以下步驟使用傳感器部分在第一時間處測量所述流動的油水混合物的聲速和溫度；使用與所述流動的流體熱連通的溫度變換器將所述流動的油水混合物的所述溫度更改可測量的量；以及使用所述傳感器部分在第二時間處測量所述流動的油水混合物的聲速和溫度。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中第一時間處的測量步驟包括使用在所述溫度變換器上游的所述傳感器部分的的第一傳感器部分測量所述流動的油水混合物的聲速和溫度的步驟，且第二時間處的所述測量步驟包括使用在所述溫度變換器下游的所述傳感器部分的第二傳感器部分測量所述流動的油水混合物的聲速和溫度的步驟。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中所述溫度變換器為向所述流動的混合物中增加熱能的熱交換器，或者為從所述流動的混合物中移除熱能的冷卻器。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其包括通過存儲在計算機可讀取媒介上的算法確定所述水的質(zhì)量分數(shù)的步驟，所述算法由控制器和處理器執(zhí)行，其將所述質(zhì)量分數(shù)與已知的溫度變化下的所述混合物中的聲速變化關(guān)聯(lián)起來。
16.根據(jù)權(quán)利要求14或15所述的方法，其包括將所述油水混合物乳化以使得作為油或水的分散相的液滴分布于作為水或油的連續(xù)相中的步驟，所述分散是通過所述流動的混合物以足以實現(xiàn)乳化而基本上沒有滑移的速度進行移動來實現(xiàn)。
17.根據(jù)權(quán)利要求14、15或16所述的方法，其包括使用與所述混合物流體連通的泵抽吸所述混合物以確保讓樣本混合物的速度達到或超過乳化速度要求的步驟，且其中所述流動的油水混合物的一部分被連續(xù)取樣并通過所述第一和第二傳感器部分以及所述溫度變換器，以便確定測得的溫度變化下的混合物聲速變化。
18.根據(jù)權(quán)利要求14、15或16所述的方法，其包括使用與所述混合物流體連通的泵抽吸所述混合物以確保讓樣本混合物的速度達到或超過乳化速度要求的步驟，且其中所述流動的油水混合物的若干部分連續(xù)或相繼被取樣，單獨或組合態(tài)的所述樣本通過所述第一和第二傳感器部分以及所述溫度變換器，以便確定每個樣本處測得的溫度變化下的混合物聲速變化。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其包括使用與所述第一傳感器部分相連通的取樣裝置對所述流體進行取樣的步驟。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中所述取樣步驟包括使用安置于所述取樣裝置的所述管道中的不同半徑處的多個旋塞對所述混合物進行取樣的步驟。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其包括讓所述樣本布置的每個旋塞的閥門在足夠長的一段時間保持開啟，以確保相關(guān)旋塞處的聲速和溫度測量具有代表性。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其包括通過轉(zhuǎn)換器的超聲波脈沖到達所述第一傳感器部分的反射插件并返回所述轉(zhuǎn)換器的傳播時間t來確定所述混合物的聲速C的步驟。
全文摘要
一種用于測量通過管道的流動的油水混合物中水和油的質(zhì)量分數(shù)的設(shè)備包括傳感器部分，所述傳感器部分在第一時間和第二時間處測量所述流動的混合物的聲速和溫度。所述設(shè)備包括與所述流動的流體熱連通的溫度變換器，所述溫度變換器在所述第一時間與所述第二時間之間將所述混合物的溫度更改可測量的量。一種用于測量通過管道的流動的油水混合物中水的質(zhì)量分數(shù)的方法包括使用傳感器部分在第一時間和第二時間處測量所述混合物的聲速和溫度的步驟。其中包括使用與所述流動的流體熱連通的溫度變換器將所述混合物的溫度更改可測量的量的步驟。
文檔編號G01N33/20GK102341702SQ201080010667
公開日2012年2月1日 申請日期2010年3月4日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月24日
發(fā)明者卡爾文·R·黑斯廷斯, 赫伯特·埃斯特拉達 申請人:卡梅倫國際有限公司