[发明专利]用于测量含水多相混合物的水电导率和水体积分数的方法和装置

说明书

本发明涉及测量管中的多相混合物的水电导率(water conductivity)和水体积分数(volume fraction)的方法和装置。本发明以多相混合物的复介电常数的测量为基础。此复介电常数是通过测量在管内壁附近传播的平面电磁波的波相常数β来确定的。β的测量以位于离第三发射天线不同距离处的管内部的两个接收天线之间的相位差的测量为基础。此相位测量在10Mhz和10Ghz之间的至少两个频率下进行。

此方法和装置特别适合于高精确地测量分散在连续水相中的流动的烃流体的水电导率和水体积分数，如本发明可以用于测量管中流动的两相油水混合物的体积分数和水电导率，其中油分散在连续的水相中。另一个实施例是确定含有油、气和水的多相混合物中的水相的水电导率，其中油和气分散在连续的水相中。

油水和气的流动的混合物或冷凝物、水和气的流动的混合物在石油工业中是普遍出现的，为未加工的井流的产物。这样的井流通常称为多相混合物，其中油、水和气称为单相或组分。水相的电导率(通常称为水的盐度)可以影响用于测量混合物特征的测量系统的测量结果精确性，如用于测量油、水和气的体积和/或质量流量的多相流量计。因此对这样的仪器来说，采用水相的电导率或盐度作为校准/配置参数是普遍的做法。在许多情形中，水电导率并不是已知的。如流送管(flow line)中的水可能是以具有不同水盐度的多口井或具有多个产物区且其中每个区具有不同水盐度的一口井的混合产物为基础的。在其他情形中，海水、淡水或蒸汽可以注入存储库(reservoir)中以便提高井的产量，这也具有随时间改变存储库和井内的水的盐含量的作用。在这种情形下，通常难以或几乎不可能获得一段时间内的可靠的水电导率值。对海底(海床)的设施来说，获得来自相关位置的样品以便分析水相的电导率是有困难的且代价高昂。

利用了本发明的多相流量计能够测量水组分的电导率和盐度，并由此提供甚至是多口井或水盐度随时间变化的混合流送管的油、水和气的流量的可靠测量结果。

本发明还可以用于确定其中水是连续相的二相油水混合物的水体积分数和水电导率。这是烃加工厂和石油输送管线中普遍存在的流动条件。用于测量油/水混合物的水体积分数的装置通常称为水分析仪或持水率计(watercut meter)。许多这样的仪器都依赖于作为校准常数的水电导率。在多种应用中，水电导率并不是已知的，因为流送管中的水可能是以具有不同水盐度的多口井的混合产物为基础的。因此，水体积分数的测量结果可能并不精确。基于本发明的水分析仪将提供水体积分数的可靠的测量结果，而与水电导率的任何变化无关。

微波广泛用于多相混合物的组分和水盐度的测量。美国专利US4,458,524(1984)公开了一种测量介电常数(电容率)、密度、温度和压力的多相流量计。这种设备使用两个接收天线间的相移来确定介电常数。另外已知其他技术是基于共振频率测量。这样的技术的例子公开在W03/034051和美国专利US6,466,035中。美国专利US5,103,181描述了一种基于管中的相长干涉图和相消干涉图的测量的方法。

然而，上述方法中没有一种方法能够测量复介电常数以便能够确定多相混合物的水盐度。

众所周知，通过测量电磁波经过介质的相移和衰减，可确定所述介质的复介电常数。美国专利US4,902,961描述了一种基于相移和功率衰减的测量结果来测量复介电常数的方法。该测量在两个不同(固定)的频率下进行，一个在X带，另一个在S带。NO 200 10 616中存在其他的实施例，该专利公开了一种基于微波频率下的功率和相位测量结果来测量多相混合物中的连续相的水电导率的方法。美国专利US5,314,100描述了一种用于根据电磁波的相移和衰减(功率)的测量结果来测量流体电导率和烃体积的方法和装置，以及美国专利US5,107,219描述了一种用于根据微波能量(功率/损耗)和相移的测量结果来测量流体的电导系数的方法和装置。

上述方法和装置的主要缺陷限制了感测小幅变化的精确性和能力，因为它们依赖精确的功率或损耗测量结果。在微波频率下难以精确地测量功率和损耗，部分原因是阻抗失配，部分原因是电子器件本身的限制，阻抗失配对基于微波的测量介电常数用的工业设备来说是常见的现象。因此，由于阻抗失配而引起的测量电子器件和驻波的限制性使得难以获得为精确测量分数和/或水盐度/电导率所要求的精确性、再现性和灵敏性。

NO 20043470描述了一种用于只根据相位测量结果来确定水盐度的方法和装置。然而，这种方法并不能用于分散在连续相盐水中的流动的烃流体。