СПОСОБЫ ИЗМЕРЕНИЯ СВОЙСТВ МНОГОФАЗНЫХ СМЕСЕЙ НЕФТЬ-ВОДА-ГАЗ
METHODS FOR MEASURING PROPERTIES OF MULTIPHASE OIL-WATER-GAS MIXTURES

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
[0001] Настоящая заявка испрашивает приоритет предварительной патентной заявки США номер 61/808,620 "Устройство и способ для измерения состава многофазной смеси нефти и газа", поданной 04 апреля 2013, полное содержание которой, в частности, включено посредством ссылки в настоящее описание для всего, что она раскрывает и чему учит.
ЗАЯВЛЕНИЕ ОТНОСИТЕЛЬНО ФЕДЕРАЛЬНЫХ ПРАВ
[0002] Это изобретение было сделано при поддержке Правительства в соответствии с контрактом № DE-AC52-06NA25396, предоставленным Департаментом энергетики США. Правительство обладает определенными правами на изобретение.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
[0003] Настоящее изобретение относится, в общем, к измерению состава отдельных фаз смесей нефти, воды и газа и, в частности, к обеспечению непрерывных, в реальном времени данных для состава отдельных фаз смесей нефти, воды и газа во время процесса добычи нефти, не требуя испытательных сепараторов, испытательных линий с соответствующей клапанной системой и инструментарием.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0004] Измерение состава отдельных фаз смесей нефти, воды и газа, произведенное во время процессов добычи нефти, используется при опробовании скважины, управлении скважиной и распределении продукции. Традиционные измерительные приборы для двух- и трехфазных измерительных систем требуют дорогих и громоздких испытательных сепараторов, испытательных линий, соответствующих элементов управления клапанными системами и инструментарием, системы обеспечения безопасности и измерения, особенно для морских/подводных скважин и других установок, которые требуют высоких эксплуатационных расходов и вмешательства эксплуатационного персонала. Из-за испытательных сепараторов также могут возникать экологические проблемы. Существующие подходы к многофазному измерению являются дорогими и, следовательно, измерители редко используются на одной скважине, более часто они используются на группе скважин, которые направляют их продукцию к измерительным станциям с большими трубопроводами для обслуживания множества скважин. Каждая скважина тестируется последовательно в течение короткого промежутка времени. На некоторых месторождениях нефти полученную многофазную текучую среду сначала пропускают через сепаратор газ-жидкость циклонного типа, прежде чем направить жидкость к измерительной системе нефть-вода. Существует много инструментов, доступных для того, чтобы сделать двухфазные (нефть-вода) измерения состава, которые включают в себя емкостные, микроволновые, кориолисовы и ультразвуковые измерения. В настоящее время не существует коммерчески доступного, недорогого и надежного инструмента, подходящего для тестирования одиночной скважины.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0005] Варианты воплощения настоящего изобретения преодолевают недостатки и ограничения предшествующего уровня техники путем обеспечения способа для генерации в режиме реального времени данных скважины для состава отдельных фаз смесей нефти, воды и газа во время процесса добычи нефти.
[0006] Другая задача вариантов воплощения изобретения состоит в обеспечении способа для генерации непрерывных данных для состава отдельных фаз смесей нефти, воды и газа во время процесса добычи нефти.
[0007] Еще одна задача вариантов воплощения изобретения состоит в обеспечении способа для генерации непрерывных данных скважины в режиме реального времени для состава отдельных фаз смесей нефти, воды и газа во время процесса добычи нефти, не требующего испытательных сепараторов, испытательных линий и соответствующей клапанной системы и инструментария.
[0008] Дополнительные задачи, преимущества и новые признаки изобретения будут частично изложены в описании, которое следует ниже, и частично станут очевидны для специалистов в области техники после изучения нижеследующего или могут быть поняты в ходе практического применения изобретения. Задачи и преимущества изобретения могут быть поняты и решены с помощью средств и комбинаций, конкретно указанных в прилагаемой формуле изобретения.
[0009] Для решения указанных выше и других задач и в соответствии с целями настоящего изобретения, как воплощено и подробно описано в настоящем документе, способ определения объемной доли газа в смеси газовых пузырьков, имеющих диапазон размеров, и текучей среды в трубе или другой емкости, имеющей стенку с внутренней поверхностью, образующей полость, включает в себя этапы, на которых: прикладывают импульсную колебательную акустическую энергию к стенке трубы или емкости так, что акустический импульс проходит через смесь, и при этом длина волны колебательной акустической энергии в смеси больше или равна приблизительно 5-кратному размеру пузырька; принимают импульсную акустическую энергию, достигающую стенки трубы или емкости; и измеряют время прохождения импульсной акустической энергии через смесь, по которому определяется скорость звука импульсной акустической энергии; посредством чего вычисляется объемная доля газа в смеси.
[0010] В другом аспекте изобретения и в соответствии с его задачами и целями способ для определения состава смеси нефть-вода в смеси газ-вода-нефть в трубе или другой емкости, имеющей стенку с внутренней поверхностью, образующей полость, включает в себя этапы, на которых: прикладывают импульсную колебательную акустическую энергию к стенке трубы или емкости так, что акустический импульс проходит через смесь, и при этом самая низкая частота колебательной акустической энергии в смеси газ-вода-нефть больше чем 500 кГц; принимают импульсную акустическую энергию, достигающую стенки трубы или емкости; и измеряют время прохождения импульсной акустической энергии через смесь, по которому определяется скорость звука импульсной акустической энергии; посредством чего вычисляется объемная доля газа в смеси.
[0011] В еще одном аспекте изобретения и в соответствии с его задачами и целями способ измерения распределения размеров пузырьков в смеси газовых пузырьков, имеющих распределение размеров, и текучей среды в трубе или другой емкости, имеющей стенку с внутренней поверхностью, образующей полость, включает в себя этапы, на которых: прикладывают широкополосную импульсную колебательную акустическую энергию к стенке трубы или емкости так, что импульсная акустическая энергия передается в смесь, и при этом диапазон частот широкополосной колебательной акустической энергии находится в пределах диапазона резонансных частот пузырьков; принимают импульсную акустическую энергию, рассеянную пузырьками; извлекают доплеровские сигналы из рассеянной акустической энергии; и измеряют интенсивность доплеровских сигналов, по которой определяется распределение размеров пузырьков.
[0012] В еще одном аспекте изобретения и в соответствии с его задачами и целями способ измерения распределения скоростей потока пузырьков в смеси газовых пузырьков, имеющих распределение размеров, и текучей среды в трубе или другой емкости, имеющей стенку с внутренней поверхностью, образующей полость, включает в себя этапы, на которых: прикладывают широкополосную импульсную колебательную акустическую энергию к стенке трубы или емкости так, что импульсная акустическая энергия передается в смесь, и при этом диапазон частот широкополосной колебательной акустической энергии находится в пределах диапазона резонансных частот пузырьков; принимают импульсную акустическую энергию, рассеянную пузырьками; и определяют доплеровские сдвиги частоты из рассеянной акустической энергии; по которым определяется распределение скоростей потока пузырьков.
[0013] Выгоды и преимущества вариантов воплощения настоящего изобретения включают в себя, но не ограничиваются только этим, обеспечение устройства и способа для генерации непрерывных данных в режиме реального времени для состава отдельных фаз смесей нефти, воды и газа во время процесса добычи нефти без необходимости отделять газ от текущего потока, таким образом улучшая управление разработкой месторождения и понижая затраты на эксплуатацию любого месторождения нефти.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0014] Прилагаемые чертежи, которые включены и являются частью патентного описания, иллюстрируют варианты воплощения настоящего изобретения и, вместе с описанием, служат для объяснения принципов изобретения. На чертежах:
[0015] Фиг. 1 является графиком скорости звука как функции частоты для жидкости, содержащей 1%-ю объемную долю монодисперсных 20 мкм пузырьков, изображающим низкие частоты, резонансные частоты газовых пузырьков и высокие частоты, в то время как фиг. 1, b является графиком затухания звука в содержащей пузырьки жидкости, описанной на фиг. 1, a, как функции частоты.
[0016] Фиг. 2 является графиком в дважды логарифмическом масштабе расчетной скорости звука в текучей среде с пузырьками как функции частоты звука для трех различных размеров пузырьков (50 мкм (кривая (a)), 100 мкм (кривая (b)) и 200 мкм (кривая (c)) пузырьков), соответственно.
[0017] Фиг. 3 является графиком в дважды логарифмическом масштабе расчетного затухания звука в текучей среде с пузырьками как функции частоты звука для трех различных размеров пузырьков (50 мкм (кривая (a)), 100 мкм (кривая (b)) и 200 мкм (кривая (c)) пузырьков), соответственно.
[0018] Фиг. 4 является графиком в дважды логарифмическом масштабе поперечного сечения экстинкции как функции размера пузырьков на фиксированной частоте 217 кГц, которая является резонансной частотой 15 мкм пузырьков.
[0019] Фиг. 5 является графиком в дважды логарифмическом масштабе поперечного сечения рассеяния одного пузырька, имеющего радиус 15 мкм, как функции частоты звука.
[0020] Фиг. 6 является графиком амплитуды сигнала с линейной частотной модуляцией как функции частоты, изменяющейся между 1 и 200 кГц, используемой для возбуждения пьезоэлектрического преобразователя, который в свою очередь возбуждает текучей среде с пузырьками.
[0021] Фиг. 7 является графиком амплитуды рассеянного сигнала от текучей среды с пузырьками, имеющей пузырьки различных размеров, центрированных вокруг среднего значения, как это обнаружено широкополосным преобразователем приемника в ответ на сигнал с линейной частотной модуляцией изображенного на фиг. 6 типа.
[0022] Фиг. 8 является схематическим представлением варианта воплощения устройства настоящего изобретения, изображающим широкополосный пьезоэлектрический преобразователь, используемый в качестве передатчика, и два идентичных преобразователя, используемых в качестве приемников, один приемник детектирует переданный сигнал, а другой, расположенный под углом к передающему преобразователю, обнаруживает рассеянный сигнал.
[0023] Фиг. 9 является графиком амплитуд для различных резонансов пьезоэлектрического кристалла диаметром 50-мм как функции частоты, резонанс моды по толщине этого кристалла находится приблизительно на 1.1 МГц, тогда как радиальные моды простираются на низкие частоты, самый низкие радиальные моды этого кристалла находятся приблизительно на 50 кГц для этой геометрии.
[0024] Фиг. 10 показывает конструкции для кристаллов для генерации резонансов радиальных мод, при этом частота, умноженная на толщину диска, строится как функция отношения диаметра диска к толщине диска, пронумерованные кривые представляют собой различные радиальные моды, при этом более высокие моды имеют более высокие частоты.
[0025] Фиг. 11 показывает амплитудный профиль поверхностных вибраций пьезоэлектрического диска, вибрирующего в радиальной моде (52 кГц), кольцеобразные шаблоны (амплитуда и промежутки) имеют вид функций Бесселя для того, каким образом интенсивность вибраций изменяется от центра диска к внешним краям, при этом более высокие моды имеют большее число колец.
[0026] Фиг. 12 показывает профиль луча преобразователя в радиальной моде, описанного на фиг. 11, измеренный в емкости для воды путем сканирования с помощью гидрофона.
1
2
[0027] Фиг. 13 изображает смешивание двух частот, f и f, в нелинейной среде, такой как пузырьки в многофазной текучей среде, для генерации гармоник, а также для смешивания частот, где две более высоких частоты смешиваются в среде для получения суммарной и разностной частот.
c
m
c
m
[0028] Фиг. 14 является схематическим представлением способа модуляции для смешивания частот в нелинейной среде с пузырьками, где f является высокочастотной несущей, f является модулирующим сигналом, а результатом смешивания является разностная частота f-f.
[0029] Фиг. 15 является схематическим представлением варианта воплощения устройства настоящего изобретения для смешивания двух частот, созданных одним и тем же генератором мод в нелинейной среде с пузырьками в вертикально ориентированной трубе, в которой течет текучая среда с пузырьками, для генерации из них разностной частоты.
[0030] Фиг. 16A является схематическим представлением неинвазивного прикрепления преобразователей к трубе, в то время как фиг. 16B является схематическим представлением преобразователей, находящихся в прямой связи с текучей средой в трубе.
[0031] Фиг. 17 является графиком, изображающим теоретические предсказания скорости звука в текучей среде с пузырьками ниже резонансных частот пузырьков как функцию объемной доли для нескольких размеров пузырьков.
[0032] Фиг. 18 является графиком, изображающим теоретические предсказания затухания звука в текучей среде с пузырьками как функцию объемной доли для нескольких размеров пузырьков.
[0033] Фиг. 19A является схематическим представлением устройства, использующего давление звукового излучения, генерируемого от цилиндрической пьезоэлектрической трубки на частоте "дышащей" моды трубки для перемещения пузырьков, захваченных в смеси воды/нефти так, что кавитационный резонанс сдвигается, в то время как фиг. 19B является графиком, изображающим величину сдвига частоты для пузырьков как функцию времени после приложения возбуждения к пьезоэлектрической трубке.
[0034] Фиг. 20 является схематическим представлением способа, в котором эллиптичность трубы нарушает симметрию и влияет на стоячие волны и результирующую концентрацию пузырьков в определенных областях, оставляя канал для измерений прохождения звука через жидкость, не содержащую пузырьков.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0035] Многофазный измеритель (MPM) является устройством, используемым в нефтегазовой промышленности для измерения состава отдельных фаз смесей нефти, воды и газа, получаемых в процессе добычи нефти. В основном эти измерители используется при опробовании скважины, управлении скважиной и распределении продукции. Эти измерители устраняют необходимость в испытательных сепараторах, испытательных линиях, соответствующих элементах управления клапанными системами и инструментарием, системах обеспечения безопасности и измерения, особенно для морских/подводных трубопрободов и других установок. MPМ генерируют непрерывные данные о скважине в режиме реального времени, которые могут предоставить подробную информацию о скважине - такую как прорыв воды в добывающую скважину и т.д., для оптимизации производительности скважины. В настоящее время не существует коммерчески доступных MPM, которые в достаточной мере точны и недороги, так что они могут использоваться на одиночных скважинах для непрерывного тестирования.
[0036] Трудностью в проведении таких измерений является присутствие газа в смеси во время измерения состава. Также желательно определить объем газа; поэтому отделение газа от потока не является рентабельным. Коммерчески доступные измерители, используемые для двухфазных измерений, не допускают наличия любого газа или приводят к ошибочным результатам, если объемная доля газа превышает несколько процентов. Настоящее устройство и способ позволяют измерять количества газа в текущем многофазном жидком объеме без необходимости отделять многофазную жидкость или газ от потока.
[0037] Варианты воплощения настоящего изобретения направляют ультразвуковую передачу через текущую многофазную текучую среду в трех диапазонах частот: низких частотах, резонансных частотах газовых пузырьков и высоких частотах, при этом выполняются некоторые измерения распространения звука, в том числе скорости звука, затухания звука и рассеяния звука в одной или нескольких из трех отдельных областей частот, по которым определяют многофазный состав. Большинство ультразвуковых инструментов работают на фиксированной частоте, что ограничивает их работу ограниченным объемом газа или распределением пузырьков, присутствующим в текучей среде. Кроме того, как было сказано выше, большинство инструментов не может работать с высоким затуханием звука, как следствием наличия пузырьков газа.
[0038] Низкочастотная область использует частоты меньше или равные приблизительно 25 кГц, которые находятся ниже резонансов пузырьков для текучих сред с пузырьками в нефтегазовой отрасли. При таких низких частотах длины волн звука намного больше, чем размер самых больших пузырьков, и для этих больших длин волн смесь ведет себя как среда с эффективной скоростью звука, которая является комбинацией скоростей звука для текучей среды и газа. Мелкие детали, такие как размер пузырьков, не детектируются. Низкочастотные измерения могут быть проведены с использованием синусоидальных импульсов, импульсов с линейной частотной модуляцией или импульсами белого шума в правильном диапазоне частот. Средние величины скорости звука и плотности для текучей среды - это все, что необходимо, и для измерения не требуется никакой калибровки текучей среды. Калибровка необходима, только если количество газа очень низкое. Для объемных долей газа (GVF) более 10% ошибка не превышает 5%. Однако калибровка может использоваться для улучшения точности.
[0039] Второй диапазон является областью резонансных частот пузырьков. Пузырьки различных размеров имеют различные резонансные частоты. Это может быть измерено с использованием методики импульсов с линейной частотной модуляцией, так что все распределение пузырьков (по размеру и количеству) может быть обнаружено в одном измерении. Измеряются и прошедший сигнал, и рассеянный сигнал. Рассеянный сигнал включает в себя пики, соответствующие резонансам пузырьков, в то время как прошедший сигнал включает в себя соответствующие падения амплитуды (для увеличений в рассеянном сигнале). Если имеется слишком много пузырьков или газа, затухание может быть настолько высоким, что звук вообще не проходит; в этой ситуации измерение обеспечивает рассеянный сигнал. И тогда комбинация этих двух наборов данных обеспечивает более точное измерение. Эти измерения могут быть выполнены с частотой до 100 раз в секунду, при этом каждое измерение обеспечивает моментальный снимок объема пузырьков в любой данный момент времени. Если измерения интегрируются по времени, может быть получена объемная доля газа в столбе текучей среды с пузырьками.
[0040] Путем комбинирования низкочастотного измерения и измерения на резонансной частоте пузырьков можно получить надежное измерение GVF. Например, в ситуациях с глобулярным течением, когда большое количество газа протекает внезапно импульсами, измерения резонанса пузырьков могут не обеспечить точных измерений, и тогда используются низкочастотные измерения.
[0041] Третий диапазон частот является высокочастотным диапазоном, где может быть определен состав жидкость-жидкость (нефть-вода). Этот состав также необходим для низкочастотного измерения для преобразования скорости звука в данные об объемной доле. В отдельном участке трубы, сделанной слегка овальной формы (сплющенной с 1-3%-м эксцентриситетом), преобразователи используются для получения достаточной силы звукового излучения в трубе или другой емкости, чтобы сместить пузырьки для обеспечения пути без пузырьков между преобразователем передатчика и преобразователем приемника через трубу. Различные величины концентрации силы получаются с использованием различной величины эксцентриситета. Как показано, выбрано значение, которое обеспечивает чистый путь через жидкость. Для получения точного состава нефть-вода необходима калибровка.
[0042] GVF также необходима для корректировки на скольжение в измерении. Например, газовые пузырьки будут течь независимо от того, течет ли жидкость или нет; то есть газ может скользить через жидкость. Многим устройствам измерения расхода жидкости необходим темп скольжения для корректировки на фактическое течение жидкости. Темп или скорость скольжения меняется в зависимости от GVF. Выше приблизительно 50%-ой GVF темп скольжения может стать очень большим, поскольку доминантной средой является газ. Существуют теоретические модели, которые связывают GVF и скорость скольжения в системе.
[0043] Фиг. 1, a является графиком скорости звука как функции частоты для жидкости, содержащей 1%-ю объемную долю монодисперсных 20 мкм пузырьков, изображающим эти три диапазона частот, упомянутых выше, в то время как фиг. 1, b является графиком затухания звука в содержащей пузырьки жидкости, описанной на фиг. 1a, как функции частоты. Можно заметить, что в области резонанса пузырьков и скорость звука, и затухание звука увеличиваются на несколько порядков. Поведение в высокочастотной области является практически горизонтальным в зависимости от частоты. При низких частотах, где длина волны звука значительно больше, чем размер любых газовых пузырьков (больше или равна приблизительно 5-кратному размеру пузырьков) в жидкости, среда может считаться однородной с некоторыми эффективными свойствами (например, плотностью, упругостью и т.д.), потому что более мелкие детали неоднородности текучей среды вследствие наличия пузырьков теряются (смазываются). Здесь упругость подразумевает сжимаемость среды с пузырьками. Везде в этой заявке размер пузырька означает самый большой линейный размер или ширину пузырька.
w
w
a
a
[0044] Скорость звука смеси жидкость-воздух (например, вода-газ) может быть вычислена путем использования средней упругости и плотности. Пусть ρE и ρE представляют собой плотность и упругость компонентов смеси воды и воздуха, соответственно, обозначенных нижними индексами w и a. Пусть ϕ будет долей первого компонента по объему и (1- ϕ) будет долей второго компонента по объему. Тогда средняя плотность равна
w
a
ρ= ϕ ρ+(1- ϕ)ρ, (1)
Средняя упругость аналогично дается выражением
, (2)
и средняя скорость звука равна
.(3)
Как видно из уравнения 3, [см., например, Престон С. Вислон, "Низкочастотная дисперсия в жидкостях с пузырьками" (Preston S. Wislon, "Low-frequency dispersion in bubbly liquids"), Acoustics Research Letters Online, [DOI: 10.1 121/1.1903024], июнь 2005], скорость звука определяется объемной долей, плотностью и эластичными свойствами газа и жидкости и не зависит от размера пузырьков. Это значение скорости звука на нулевой частоте, если кривую на фиг. 1a продлить до нулевой частоты. Однако на практике было замечено, что это уравнение верно для любой частоты, которая ниже области резонансных частот пузырьков. Уравнения 1-3 также известны как уравнения Вуда. Эти уравнения справедливы для большинства двухфазных компонентов в пределе, что длина волны звука намного больше, чем размер любых капелек (или включений) одной среды во вмещающей среде. Из-за высокой сжимаемости и низкой плотности газа скорость звука может быть очень низкой для объемных долей, сильно отличающихся от двух предельных значений (0 и 1). Областью резонансных частот пузырьков считается область, разделяющая низкочастотную и высокочастотную области.
[0045] Измерение скорости звука в низкочастотной области может, таким образом, обеспечить прямое измерение объемной доли газа, если известна плотность и упругость (или сжимаемость) каждого из компонентов. Это может быть получено или из значений в литературе, или из калибровочных измерений с использованием чистых компонентов. Эта калибровка должна быть сделана как функция температуры в диапазоне рабочих температур, поскольку и скорость звука, и плотность меняются в зависимости от температуры. Если плотность и скорость звука измерены для каждого компонента, упругость (сжимаемость) может быть легко определена по двум измеренным параметрам. Следует отметить, что если жидкость также является смесью, такой как водонефтяная эмульсия, то уравнения 1-3 выше могут использоваться для определения эффективных свойств смеси, потому что размеры капелек нефти в воде или воды в нефти намного меньше, чем длина волны, используемая для выполнения измерений скорости звука. Ниже будут описаны различные измерения скорости звука в низкочастотной области для многофазной системы.
[0046] Собственная частота пузырька, который является большим и в тепловом, и в Лапласовом масштабах, получена в работе "О музыкальных воздушных пузырьках и звуках текущей воды", М. Миннарт ("On musical air-bubbles and the sounds of running water," by M. Minnaert), Philos. Mag. 16, стр. 235-248 (1933)]. Эта собственная частота, обозначенная как , где
(4)
0
называется "частотой Миннарта". В уравнении 4 ϒ является газовой постоянной, а R является радиусом пузырька. Резонирующие пузырьки сильно рассеивают звук и превносят большое затухание звука в частотной области, где пузырьки колеблются в жидкости с пузырьками. Это затрудняет традиционные измерения прохождения звука, так как звук почти не проходит через такую текучую среду с пузырьками, если выбрана частота затухания. Как можно видеть из уравнения 4, резонансная частота зависит от размера пузырьков, и если имеется распределение размеров пузырьков в текучей среде, то через эту текучую среду не будет проходить диапазон частот, при этом максимальное затухание будет иметь место на максимальной концентрации пузырьков. Поэтому, акустические измерения на одной частоте в некоторых диапазонах частот часто сталкиваются с проблемами.
l
l
∞
m
[0047] Для определения распространения звука в такой жидкости с пузырьками в широком диапазоне частот, который охватывает различные диапазоны частот, обсуждавшиеся выше, необходим более сложный анализ. См., например, работу "Линейные волны давления в жидкостях с пузырьками: сравнение теории с экспериментами", К.В. Коммандер и др. ("Linear pressure waves in bubbly liquids: Comparison between theory and experiments," by K.W. Commander et al.), J. Acoust. Soc. Am. 85, 732-746 (1989), в которой представлена модель для распространения звука в жидкости с пузырьками, которая подробным способом учитывает различные факторы, в том числе рассеивание теплоты. В этой модели вмещающая жидкость имеет скорость звука c, плотность ρ, вязкость μ, поверхностное натяжение σ и равновесное давление P. Пузырьки состоят из газа с коэффициентом температуропроводности Dg и отношением удельных теплоемкостей ϒ. Для популяции монодисперсных пузырьков с n пузырьками на единицу объема, каждый из которых имеет равновесный радиус a, приводит к коэффициенту пустот смеси, равному . Скорость c звука сложной смеси дается выражением
, (5)
где ω является круговой частотой, а b является демпфирующим членом, который включает в себя вязкое, тепловое и акустическое рассеяние. И скорость звука, и затухания звука, распространяющегося через текучую среду с пузырьками, могут быть получены из этого анализа (см. фиг. 1, a и 1, b для примера скорости и затухания звука). Как было указано выше, рассеяние звука пузырьками связано с затуханием звука.
[0048] Фиг. 2 и 3 показывают расчетную скорость звука и затухание звука в текучей среде с пузырьками для трех различных размеров пузырьков (50 мкм (кривая (a)), 100 мкм (кривая (b)) и 200 мкм (кривая (c) пузырьков), соответственно. На этих фиг. обе оси показаны в логарифмическом масштабе. Это является типичным диапазоном пузырьков, с которыми имеют дело в области нефтедобычи. Следует упомянуть, что для пузырьков меньших размеров кривые смещаются к более высоким частотам. В типичной смеси ожидается узкое распределение размеров пузырьков, имеющее главное среднее значение с меньшим числом пузырьков с обеих сторон от среднего (~30% по размеру). Фиг. 2 и 3 показывают поведение только для монодисперсного распределения пузырьков и фиксированной объемной доли. Чем больше размер пузырьков, тем меньше число пузырьков. Большее число пузырьков имеет тенденцию сдвигать кривые к более высоким частотам, делая их более широкими в диапазоне частот. Глядя на фиг. 2 и 3 можно заметить, что традиционные одночастотные измерения являются ограничивающими и предпочтительными являются широкополосные измерения. Широкополосные измерения могут быть выполнены, например, с использованием возбуждения с линейной частотной модуляцией и измерением и прохождения звука, и рассеяния звука. Данные и о прохождении, и о рассеянии будут иметь характеристики, аналогичные таковым для прохождения звука, показанного на фиг. 3, и распределение размера пузырьков может быть получено с помощью модифицированной теории, которая учитывает это распределение. Такие методики инверсии были предложены различными исследователями. [См., например, "Инверсия измерения акустического затухания для получения популяций пузырьков," Х. Цзерски ("An Inversion of Acoustical Attenuation Measurements to Deduce Bubble Populations," by H. Czerski), American Meteorological Society, DOI: 10.1175/JTECH-D-11-00170.1 (2012)].
[0049] Фиг. 4 показывает поперечное сечение экстинкции для пузырьков различного размера на фиксированной частоте 217 кГц, которая является резонансной частотой 15 мкм пузырьков, в то время как фиг. 5 показывает сечение рассеяния одного пузырька 15 мкм радиуса как функцию частоты. Для текучей среды с пузырьками, в которой имеются пузырьки нескольких размеров, пик рассеянного сигнала уширяется. Опять же, это показывает, как наличие резонансных газовых пузырьков может влиять на акустические измерения в текучей среде с пузырьками.
[0050] Фиг. 6 показывает сигнал с линейной частотной модуляцией (с частотой, изменяющейся между 1 и 200 кГц), используемый для возбуждения пьезоэлектрического преобразователя, который в свою очередь возбуждает текучую среду с пузырьками. Поведение рассеянного сигнала, обнаруженного широкополосным преобразователем приемника, показано на фиг. 7. В этом случае текучая среда с пузырьками имеет пузырьки различных размеров с центром около среднего значения. Огибающая этого рассеянного сигнала может использоваться в вычислении для определения распределения размера пузырьков и популяции пузырьков в объеме текучей среды, которая возбуждена сигналом с линейной частотной модуляцией. Это показывает преимущество использования подхода широкополосных измерений и проведения измерений под углом, как будет описано ниже.
Теперь будет сделана подробная ссылка на настоящие варианты воплощения изобретения, примеры которых изображены на прилагаемых чертежах. На чертежах аналогичные структуры будут обозначаться с использованием одинаковых номеров позиции. Следует иметь в виду, что фигуры предназначены для описания конкретных вариантов воплощения изобретения и не предназначены для ограничения изобретения. Обращаясь теперь к фиг. 8, показано схематическое представление варианта воплощения устройства 10 настоящего изобретения, изображающее широкополосный пьезоэлектрический преобразователь 12, используемый в качестве передатчика, и два других идентичных преобразователя 14 и 16, используемых в качестве приемников. Приемник 16 расположен прямо напротив передатчика 12 для измерения прямо прошедшего звука, в то время как приемник 14 размещен под углом к примененному ультразвуку. Преобразователи могут быть изогнутыми пьезоэлектрическими кристаллами (PZT-5), которые соответствуют кривизне трубы 18, несущей смесь 20 текучей среды. Также можно использовать преобразователи с плоскими торцами, и использовать клин для соединения плоской поверхности преобразователя с кривизной трубы 18. Если неинвазивное измерение не требуется, преобразователи могут быть вставлены через стенку трубы через отверстие так, что передняя сторона каждого преобразователя заподлицо с внутренней поверхностью трубы (не показано на фиг. 8). Угол 22 может изменяться от 0° до 90° для определения наилучшего местоположения для измерений. Угол 0° позволяет измерять сигнал обратного рассеяния. На практике в этом случае приемник помещается почти рядом с передатчиком. Могут также использоваться несколько приемников, помещенных под несколькими углами. Температура трубы также измеряется с использованием, например, термометра (не показан на фиг. 8).
A. ИЗМЕРЕНИЯ В ДИАПАЗОНЕ РЕЗОНАНСНЫХ ЧАСТОТ ПУЗЫРЬКОВ:
[0051] Цифровой, двухканальный генератор 24 сигналов произвольной формы (см. фиг. 15) генерирует сигнал 26 с линейной частотной модуляцией в широком диапазоне частот, который направляется к преобразователю 12 передатчика (источника) через усилитель 28 мощности. Этот сигнал с линейной частотной модуляцией имеет продолжительность, которая может регулироваться приблизительно от 100 пс до приблизительно 0 пс в зависимости от диаметра трубы. Сигнал с линейной частотной модуляцией может повторяться с частотой до 1000 раз в секунду. Выход от второго канала в генераторе 24 сигналов, имеющий другую частоту, может направляться тому же самому преобразователю для смешивания частот, как будет описано ниже. Диапазон частот выбирается на основании природы текучей среды с пузырьками и распределения размеров пузырьков. Генератор 24 сигналов может производить сигналы с линейной частотной модуляцией в выбранных полосах между 1 кГц и 50 МГц. Диапазон частот между 1 кГц и 1 МГц может использоваться для измерений резонанса пузырьков, тогда как более высокие частоты могут использоваться для измерений в области высоких частот. Если выбран широкополосный преобразователь с высокой центральной частотой (например, 10 МГц), один преобразователь может обеспечить требуемую ширину полосы частот для обоих этих измерений. Хотя чувствительность преобразователей медленно уменьшается с обеих сторон от центральной частоты, принятые сигналы могут быть скорректированы с учетом этого уменьшения, если сначала определены характеристики преобразователя. Для увеличения ширины полосы частот могут использоваться другие подходы к генерации, такие как преобразователь, который сделан из двух отдельных кристаллов, механически сложенных вместе. Соединяя последовательно или параллельно два идентичных кристаллических электрода, центральная частота может быть изменена в 2 раза. В этой ситуации толщина кристалла удваивается.
[0052] Выход от преобразователей 14 и 16 приемника сначала усиливается с помощью усилителей 30 и 32 сигнала, соответственно, прежде чем быть оцифрованным высокоскоростным (с частотой дискретизации 50 МГц, 12-разрядным аналого-цифровым (A/D) преобразователем) многоканальным аналого-цифровым преобразователем 34. Хотя показаны только два канала, обслуживаться могут до 8 входных сигналов. Выход от цифрователя 34 направляется цифровому сигнальному процессору (DSP) 36 перед поступлением в персональный компьютер (PC) 38 для дальнейшего анализа. DSP 36 позволяет осуществить быструю обработку сигнала, такую как быстрое преобразование Фурье (FFT), взаимную корреляцию, преобразования Гильберта для детектирования огибающей и т.д. То же самое устройство может использоваться в других вариантах воплощения настоящего изобретения с незначительными изменениями. PC 38 управляет генератором 24 сигналов и другими элементами устройства 10 и отображает окончательный результат на экране компьютера.
[0053] Измерение рассеянного сигнала может также анализироваться DSP 36 для извлечения доплеровских сигналов от движения пузырьков в поле рассеяния звука. Как правило, каждый преобразователь имеет некоторую расходимость луча, и эта расходимость луча позволяет осуществлять доплеровское измерение даже в ситуации, когда движение пузырька перпендикулярно направлению центральной части звукового луча от преобразователя 12 источника. Может быть удобно разместить преобразователь 14 приемника в месте, которое вертикально смещено от преобразователя 12 источника так, чтобы профили лучей обоих преобразователей перекрывались. Это обеспечивает дополнительный угол для более точного доплеровского измерения. Точная величина вертикального смещения зависит от диаметра трубы и диаметра преобразователя. Доплеровское измерение может обеспечить дополнительную информацию о текущей текучей среде с пузырьками, так как величина доплеровского сигнала связана с величиной рассеянного сигнала, который, в свою очередь, связан с размером пузырьков. Таким образом, может быть обеспечен замер распределения по размерам пузырьков, в то время как доплеровский сдвиг частоты обеспечивает замер движения пузырьков (скорость течения) с потоком. Эта скорость потока пузырьков важна для коррекции объемного расхода смеси нефть-вода. Величина радиальной вариации скорости потока пузырьков в трубе может также быть определена по этому сдвигу частоты из ширины сигнала допплеровского сдвига. Распределение сдвигов частоты может также быть определено и связано с течением пузырьков. Кроме того, различные размеры пузырьков создают слегка отличающееся вязкое волочение, и, соответственно, их скорость варьируется. Эти эффекты несколько смазывают доплеровский сдвиг частоты, но сдвиг, тем не менее, содержит информацию о распределении по размерам, которая может быть извлечена из соответствующей методики инверсии. Объем газа может быть определен из распределения по размерам (число пузырьков), протекающих через выбранный объем трубы, из доплеровского измерения расхода, если скорость течения известна. Один и тот же преобразователь, расположенный по углом 22, может использоваться и для измерения рассеянного сигнала, и для доплеровского измерения при обработке сигнала по-разному в DSP. После того, как сигнал оцифрован, все необходимые вычисления для извлечения информации о доплеровском сдвиге частоты могут быть выполнены в цифровой форме или в DSP 36, или в PC 38. Доплеровский сдвиг частоты определяется с использованием традиционного способа смешивания частот (переданных с принятыми сигналами) и извлечения разности частот. К принятому сигналу с линейной частотной модуляцией также может быть применен цифровой полосовой фильтр для извлечения значений от любого узкого диапазона частот.
B. НИЗКОЧАСТОТНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ:
[0054] Теперь будут описаны низкочастотные измерения скорости звука в области, где применимы уравнения Вуда. Традиционные пьезоэлектрические преобразователи работают в резонансе моды по толщине, при этом резонансная частота обратно пропорциональна толщине, делая низкочастотный преобразователь, работающий приблизительно на 25 кГц или менее, довольно громоздким и непрактичным. Поэтому исследовались другие подходы для генерации таких низких частот с использованием пьезоэлектрических материалов. Используются пьезоэлектрические материалы, потому что эти материалы способны выдерживать высокие температуры, имеющие место на месторождениях нефти; например, преобразователь, сделанный из кристалла ниобата лития, может работать вплоть до температуры приблизительно 500°C. Низкие частоты могут генерироваться пьезоэлектрическим диском путем возбуждения радиальных мод диска, вместо эксплуатации преобразователя в традиционном резонансе моды по толщине. Традиционные пьезоэлектрические преобразователи так не работают и не используются так на практике. На основании отношения толщины к радиусу могут быть определены частоты радиальных мод пьезоэлектрического диска. Можно легко добиться низкочастотных радиальных мод менее приблизительно 25 кГц. Фиг. 9 показывает различные резонансы пьезоэлектрического кристалла диаметром 50 мм как функцию частоты. Резонанс моды по толщине этого кристалла находится приблизительно на 1,1 МГц, но радиальные моды простираются до низких частот, самая низкая радиальная мода имеет частоту приблизительно 50 кГц для конкретного выбранного пьезоэлектрического диска. Конструкции кристаллов для создания резонансов радиальной моды показаны на фиг. 10, на которой частота, умноженная на толщину T диска откладывается по оси y, в то время как отношение диаметра D диска к толщине диска откладывается по оси x. Пронумерованные кривые обозначают различные радиальные моды, при этом более высокие моды имеют более высокие частоты. Можно выбрать отношение D/T и провести вертикальную линию на графике. Точки пересечения с различными кривыми обеспечивают радиальные моды этого конкретного диска (см., например, Кокбэч, Дж. 2000, Моделирование методом конечных элементов ультразвуковых пьезоэлектрических преобразователей - влияние параметров геометрии и материалов на вибрации, функции отклика и излучаемое поле (Kocbach, J. 2000, Finite Element Modeling of Ultrasonic Piezoelectric Transducers - Influence of geometry and material parameters on vibration, response functions and radiated field), кандидатской диссертации, университет Бергена, физический факультет)
[0055] Фиг. 11 показывает амплитудный профиль поверхностных вибраций пьезоэлектрического диска, вибрирующего в такой радиальной моде (52 кГц), измеренный с использованием сканирующего лазерного доплеровского виброметра. Кольцевые шаблоны (и амплитуда, и радиальное распределение) имеют вид функций Бесселя для того, каким образом интенсивность вибрации изменяется от центра диска к внешним краям. Более высокие бесселевы моды имеют больше колец. Такой преобразователь генерирует бесселев луч, который имеет ограниченную дифракцию (не расходится при распространении) и самовосстановление. Под самовосстановлением имеется в виду тот факт, что если центральная часть луча заблокирована (например, пузырьками в этой ситуации), луч воссоздает себя через короткое расстояние.
[0056] Фиг. 12 показывает профиль луча такого преобразователя с радиальными модами, измеренный в емкости с водой путем сканирования с помощью гидрофона. Это бесселев луч, сгенерированный с использованием преобразователя, описанного на фиг. 11. Как было указано выше, пьезоэлектрические материалы используются для преобразователей, чтобы устройства могли работать при высоких температурах, с которыми имеют дело на месторождениях нефти, и где трудно использовать более простые альтернативы. Например, магнитострикционные, электромагнитные или PVDF пленки также могут использоваться в качестве акустических преобразователей, но эти материалы трудно использовать при температурах выше 71°С.
1
2
[0057] Другой способ для создания низких частот использует нелинейные акустические характеристики самих пузырьков. Пузырьки обладают самой высокой акустической нелинейностью из всех материалов. Нелинейная среда позволяет осуществлять генерацию гармоник, а также смешивание частот, когда две высоких частоты могут смешиваться в среде для получения суммарной и разностной частот. Механизм этого процесса иллюстрируется на фиг. 13. Две высоких частоты f и f, называемых основными частотами, генерируемых двухканальным генератором 24 произвольных сигналов, подаются на один и тот же преобразователь 12 источника (фиг. 8 и 16). Высокочастотные лучи излучаются от преобразователя коллинеарно, что улучшает эффективность процесса смешивания. По мере распространения лучей через текучую среду с пузырьками они смешиваются, и каждая точка текучей среды действует как новый виртуальный источник разностной частоты. По мере дальнейшего распространения луча интенсивность уменьшается из-за рассеяния, и интенсивность виртуальных источников также уменьшается. Виртуальные источники изображены на фиг. 13 с использованием символа громкоговорителя. Источники излучают и интерферируют, создавая продольный излучатель, аналогичный телевизионной антенне продольного излучения. Эта виртуальная антенна излучает луч разностной частоты. Направленность этого луча зависит от длины виртуального массива. Чем больше длина, тем более коллимированным становится результирующий луч разностной частоты, но при превышении некоторой длины (рэлеевской длины) дополнительного улучшения не происходит. Если текучая среда является сильно абсорбирующей, то тогда длина поглощения будет определять длину смешивания. Теория формирования луча разностной частоты может быть найдена в работе "Параметрический акустический массив", Питер Дж. Вестервелт ("Parametric Acoustic Array," by Peter J. Westervelt), J. Acoust. Soc. America, 35, 535 (1963). В настоящей ситуации текучей среды с пузырьками, которая является динамическим состоянием, длина смешивания является небольшой, и луч разностной частоты расходится во всех направлениях с предпочтением в направлении потока. Если одна из основных частот попадает в область частот пузырьков, эффективность смешивания частот значительно увеличивается. Даже далеко от резонансных частот пузырьков среда с пузырьками является акустически сильно нелинейной.
c
m
[0058] Следует упомянуть, что не всегда необходимо смешивать две отдельных частоты, а можно просто возбудить преобразователь источника с помощью амплитудно-модулированного сигнала. Генератор 24 сигналов может обеспечить такой сигнал, и, в той ситуации, для возбуждения преобразователя 12 источника используется только один выход. Акустически нелинейная текучая среда с пузырьками демодулирует амплитудно-модулированный (AM) сигнал для получения низкочастотной огибающей, что является видом смешивания частот, так как амплитудно-модулированный сигнал является несущей частотой с двумя боковыми полосами частот, которые представляют собой низкую частоту. Эти боковые полосы частот и несущая частота смешиваются и создают разностную частоту. Могут использоваться различные способы для амплитудной модуляции, такие как модуляция с одной боковой полосой частот (SSB), или с подавленной несущей, с двумя боковыми полосами и т.д., которые одинаково хорошо подойдут для настоящих требований. Способ модуляции схематично показан на фиг. 14, где f является высокочастотной несущей, а f является модулирующим сигналом, и результатом смешивания является разностная частота. Как было указано выше, несущая частота может быть выбрана в пределах резонансной частоты пузырьков для более высокой эффективности.
[0059] Как было описано выше, вариант воплощения смешивания частот использует два частотных сигнала 26a и 26b, генерируемых генератором 24 мод, работающим в импульсном режиме, и одновременно подаваемых на преобразователь 12 источника после усиления с использованием усилителя 28 мощности, как показано на фиг. 15. Преобразователи могут также быть в конфигурации, показанной на фиг. 16b ниже. Так как используются высокие (больше или равные приблизительно 300 кГц) основные частоты, звук эффективно проходит через стенку трубы для введения сигнала. Предпочтительно добиться совпадения основных частот (по меньшей мере одной из основных частот) с резонансной частотой по толщине стенки для максимизации прохождения звука через стенку. Кроме того, как описано выше, также может использоваться схема модуляции амплитуды. Сигнал, принятый преобразователем 14, преобразуется в электрический сигнал 40 в преобразователе 14, который затем усиливается усилителем 30 сигнала и оцифровывается аналого-цифровым (A/D) преобразователем 34 перед направлением в электрические цепи 36 DSP. DSP выполняет низкочастотную фильтрацию сигнала для удаления любых высокочастотных компонентов и выполняет взаимную корреляцию переданного сигнала и принятого сигнала для обеспечения точного измерения времени, затраченного низкой разностной частотой, генерируемой в облаке пузырьков около преобразователя источника, на путь до преобразователя приемника. Так как пузырьки находятся в динамическом состоянии, в принятом сигнале имеются значительные флуктуации амплитуды. Взаимная корреляция сигнала, примененного к передатчику (разностная частота, полученная из двух основных примененных частот), и усиленного принятого сигнала обеспечивает высокое отношение сигнал-шум в присутствии значительных шумов и извлекает временную задержку (время распространения), даже когда сигнал полностью теряется на фоне шумов. Так как вертикальное расстояние между передатчиком и приемником известно, по временной задержке и расстоянию определяется скорость звука. Следует отметить, что частота, смешивающаяся в нелинейной среде, может генерировать широкий диапазон частот в низкочастотном диапазоне. Например, генерация частот в пределах от приблизительно 100 Гц до приблизительно 35 кГц возможна с помощью одного и того же высокочастотного преобразователя передатчика. Преобразователь приемника может быть любым низкочастотным датчиком с чувствительностью на желаемых низких частотах, в том числе микрофонами. Для этого измерения могут использоваться и линейная частотная модуляция, и фиксированная частота (разностная частота), и частота может легко регулироваться путем регулировки частоты, применяемой к передатчику через двухканальный генератор мод.
[0060] Измерения предпочтительно делаются в вертикальном направлении вдоль оси трубы, несущей текучую среду с пузырьками, так что возбуждение осуществляется в одном горизонтальном местоположении, и приемник расположен в вертикальном местоположении, смещенном выше источника возбуждения. Таким образом звук распространяется через текучую среду с пузырьками и взаимодействует с большим объемом (всем внутренним объемом секции трубопровода) для большей точности. Фиг. 16 показывает два расположения преобразователей на трубе: фиг. 16A является неивазивным, а фиг. 16B является схематическим представлением преобразователей, находящихся в прямом контакте с текучей средой в трубе. Преобразователи источника и приемника показаны вертикально разнесенными. Реализация, показанная на фиг. 16b, предпочтительна, так как она позволяет осуществлять введение низкочастотного сигнала прямо в жидкость без возбуждения трубы.
[0061] Фиг. 17 показывает предсказания теоретического моделирования скорости звука в текучей среде с пузырьками как функцию объемной доли для различных размеров пузырьков ниже резонансной частоты пузырьков. Как можно видеть на фиг. 17, фактические частоты имеют небольшой эффект и все данные перекрываются. Это поведение ожидается приблизительно между 100 Гц и приблизительно 25 кГц для размеров пузырьков, варьирующихся между 10 и 100 мкм по радиусу. Небольшое изменение кривых с размером пузырьков является фактически очень небольшим, и инструментальная точность настоящего устройства равна приблизительно 5%, в то время как промышленным требованием является приблизительно 10%-ая точность. Хотя скорость звука практически не зависит от размера пузырьков при низких частотах, как предсказывает простая модель Вуда, более сложные теоретические модели показывают небольшие вариации. На затухание звука, в отличие от этого, размер пузырьков влияет, как показано на фиг. 18. Поэтому с помощью системы, показанной на фиг. 16, также измеряется затухание звука. Если уровень возбуждения источника удерживается фиксированным, то амплитуда принятого сигнала обеспечивает измерение затухания звука из-за распространения через текучую среду в трубе. Опять же, это измерение является довольно шумным, и необходимо усреднение и сглаживание сигнала для получения измерений высокого качества. Такая обработка сигналов выполняется в DSP. Так как затухание сигнала легко измерить, комбинация скорости звука и затухания может обеспечить точное определение объемной доли газа. Следует упомянуть, что измерение объемной доли газа должно быть независимым от режима течения (например, пузырькового, глобулярного и т.д.) и должно обеспечивать объемную долю газа с более чем 5%-ой точностью.
[0062] Другой способ для генерации низкочастотного возбуждения состоит в возбуждении трубы на одной из ее структурных резонансных частот, как показано в работе Синха (Sinha) в патенте США №8,166,801 для измерения плотности жидкости. Существующие катушки (используемые секции трубы) тяжелы и имеют толстые стены, так что резонансы структуры демонстрируют эффект усреднения и сдвига, но не расщепляются. Наличие пузырьков изменяет эффективную плотность текучей среды с пузырьками в трубе, и поэтому этот способ обеспечивает непосредственное измерение веса текучей среды и, соответственно, объемной доли газа (GVF). Калибровка является простой и требует двух измерений: один набор спектра структурных резонансов (меньше или равного приблизительно 30 кГц), когда труба пуста, по сравнению с тем, когда она полностью заполнена жидкостью. Все между (наличие любого количества газа) может быть оценено посредством линейной интерполяции по этим двум конечным точкам. Этот подход может использоваться для глобулярного течения и других ситуаций с течением, когда нет никаких четко определенных пузырьков, а скорее большое количества газа. Время отклика измерения зависит от конкретной выбранной структурной резонансной частоты. Например, резонансная частота в 5 кГц обеспечит время отклика приблизительно 200 пс, что очень быстро. Чувствительность измерения также зависит от выбранных резонансных частот. Более низкие частоты обеспечивают более низкую чувствительность, чем более высокие.
C. ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ:
[0063] Для трехфазного измерения важен состав смеси нефть-вода. Для объемных долей газа (меньше или равных приблизительно 60%) высокие частоты, которые находятся выше области резонансных частот пузырьков, хорошо проходят через текучую среду с пузырьками для большого диапазона скоростей потока, и измерения были проведены для потоков до 8000 баррелей текучей среды в день. Измерения могут быть сделаны в горизонтальном направлении через трубу, как показано на фиг. 8. Так как текущая текучая среда содержит пузырьки, быстро текущие через трубу, если измерения делаются достаточно быстро (меньше или равно приблизительно 100 пс), и длина пути не очень большая (например, труба диаметром 7,62 см), жидкость переместится менее чем на 2 мм за время измерения, и вероятность, что все пузырьки выстроятся в прямую линию, тем самым подавляя прохождение звука, является небольшой. Кроме того, из-за конечного размера преобразователя размеры звукового луча намного больше, чем размер типичного пузырька (например, диаметр 2 см по сравнению с <0,1 мм для пузырьков). Пузырьки в этой области диаметра трубы представляют интерес, так как звуковой луч является обычно узким и идет вдоль диаметра трубы. Поэтому, если измерение прохождения звука делается быстро и быстро повторяется для получения средней величины, то для объемных долей газа меньше или равных приблизительно 60% (определено экспериментально для смеси сырой нефти-воды и газа) может быть определена скорость звука вмещающей смеси текучей среды. В тех случаях, когда прохождение звука падает ниже средней величины, заданной как порог, этими измерениями можно пренебречь. На практике это работает хорошо и надежно. Когда объемная доля газа увеличивается до приблизительно 60%, вышеупомянутый способ не работает. Однако для многих скважин этот способ обеспечивает хорошие измерения для состава жидкости (двухфазной). Возбуждение с линейной частотной модуляцией, имеющее частоту повторения до 1000 проб в секунду, и измерения приблизительно между 500 кГц и приблизительно 5 МГц, что намного больше диапазона частот пузырьков, в комбинации с методиками взаимно-корреляционного анализа и анализа с линейной частотной демодуляцией обеспечивает точное определение скорости звука. После того, как скорость звука для смеси определена, фактический состав нефть-вода может быть определен очень точно из калибровки системы, которая включает в себя измерения скорости звука и плотности отдельных компонентов (нефти и воды) в соответствующем диапазоне температур. Эта калибровка делается отдельно в коммерческих инструментах. Как правило, получают пробу жидкости из нефтяной скважины, которую затем центрифугируют для отделения нефти от технологической воды. Эти разделенные компоненты затем калибруются по скорости звука и плотности. С помощью измененной формы уравнения 3 состав может быть оценен с точностью более 1%.
[0064] Процедура, которая может использоваться для более высоких объемных долей газа, состоит в манипулировании пузырьками и отодвигании их из области измерений с использованием давления звукового излучения из центральной области трубы, так что звуковой луч не имеет пузырьков на его пути. Фиг. 19a иллюстрирует этот способ. Кольцеобразные стоячие волны устанавливаются в полости трубы (показанной здесь как полый пьезоэлектрический резонатор), и акустическая сила, генерируемая в этой волне, заставляет пузырьки переместиться в пучности волны давления. Для этого процесса эффективны низкие частоты (меньше или равные приблизительно 25 кГц), которые ниже, чем резонансная частота пузырьков. Пузырьки переместятся от центральной области трубы ближе к стенке, если выбрана соответствующая частота, которая зависит от геометрии цилиндра (трубы) и скорости звука в жидкости. Так как скорость звука может варьироваться, стоячие волны (кавитационный резонанс) могут изменяться, и предпочтительной является цепь обратной связи для того, чтобы автоматически изменять частоту для удержания полости в резонансе. Хотя пузырьки были перемещены в меньшую область около стенки, звуковой луч должен пройти через этот слой пузырьков, если не будет изменена симметрия трубы, как будет описано ниже.
[0065] Фиг. 19A является схематическим представлением способа, использующего давление звукового излучения, генерируемого от цилиндрической пьезоэлектрической трубки на частоте "дышащей" моды трубки для перемещения пузырьков, захваченных в смеси вода/нефть так, что кавитационный резонанс сдвигается. Показан цилиндрический пьезоэлектрический преобразователь 42, через который течет газ-жидкость 20 и к которому приложен колебательный электрический сигнал. Пузырьки перемещаются к стене цилиндра в ответ на него, разделяясь на жидкость, не содержащую пузырьков, и жидкость, содержащую более высокую концентрацию пузырьков.
[0066] Как было указано выше, движение пузырьков из их нормального распределенного положения в более концентрированную область из-за звукового давления смещает частоту кавитационного резонанса пропорционально объему пузырьков. Этот эффект для концентрации частиц твердого тела обсуждается в работе "Сдвиг частоты резонатора из-за индуцированной ультразвуком миграции микрочастиц в водной суспензии: Наблюдения и модель для максимального сдвига частоты", Кристофер С. Квиатковски и др. ("Resonator frequency shift due to ultrasonically induced microparticle migration in an aqueous suspension: Observations and model for the maximum frequency shift," by Christopher S. Kwiatkowski et al.), J. Acoust. Soc. Am. 103 (6), 3290 (1998). Для случая пузырьков направление сдвига частоты (положительное по сравнению с отрицательным), как было найдено, имеет место, как показано на фиг. 19B. Этот эффект временной зависимости сдвига частоты обеспечивает диагностику для достижения надлежащего движения пузырьков к требуемому местоположению, когда движение не может наблюдаться через металлическую трубу с помощью других средств. Электроэнергия, которая используется для перемещения пузырьков, может обеспечить измерение полного объема перемещенного газа, и, таким образом, измерение GVF. Помимо направления сдвига частоты та же самая методология применима для определения объема пузырьков, как предложено Квиатковски и др. выше. Измерение объема требует периодически выключения питания, когда облако пузырьков рассеивается и сдвиг частоты затухает. Это постоянная времени затухания необходима для определения объема пузырьков, поскольку она связана с вязким волочением пузырьков через вмещающую текучую среду, которое зависит от размера пузырьков. Поэтому, эта методика обеспечивает другое измерение объемной доли газа. Генератор мод может использоваться для возбуждения усилителя мощности для возбуждения кавитационного резонанса с использованием преобразователя, прикрепленного к секции трубопровода. Этот выход генератора мод периодически включается и выключается (каждые несколько секунд), чтобы выполнить измерение затухания сдвига частоты, после того, как данные оцифрованы с помощью электрической схемы, показанной ранее. Электрический импеданс преобразователя может контролироваться для определения состояния резонанса, импеданс становится минимальным при резонансе и служит сигналом обратной связи для автоматического поддержания состояния резонанса. Выход сигнала обратной связи также является сигналом со сдвигом частоты, упомянутым выше.
[0067] Кадучак и Синха (Kaduchak и Sinha) в патенте США №6,644,118 показывают, что путем нарушения симметрии круглой полости (например, круглой трубы) можно изменить шаблон стоячей волны в полости. По существу, это предполагает создание трубы, немного эллиптической (овальной) по форме. Фиг. 20 показывает, как эллиптичность влияет на стоячие волны и результирующую концентрацию пузырьков. Показан низкочастотный преобразователь 44, к которому приложено колебательное напряжение, имеющее соответствующую частоту, прикрепленный к трубе 18, через которую течет текучая среда 20 с пузырьками. Эффективная частота может быть получена или посредством конечно-элементного моделирования или посредством эксперимента. Когда труба 18 является цилиндрической, вид (a), генерируемая область 46 концентрированных пузырьков является цилиндрической. По мере того, как труба 18 делается более эллиптической, вид с (b) по (d), концентрации 46 пузырьков разделяются. На видах (c) и (d) можно видеть, что искажение геометрии трубы обеспечивает ситуацию, когда есть отверстие посередине, через которое звуковой луч, генерируемый и принятый высокочастотными преобразователями 12 и 14, соответственно, может проходить через текучую среду без прерывания пузырьками. Нет необходимости искажать всю трубу для достижения эффекта, а только небольшую область. Фиг. 20 также показывает поперечное сечение, где преобразователи 12 и 14 расположены в противоположных по диагонали местах. Влияние на движение пузырьков по сути непрерывно, как наблюдалось в минеральном масле. Для понижения потребления энергии время пребывания может быть увеличено путем удлинения области трубы, которая сделана немного овальной (меньше или равной приблизительно 5%-ому эксцентриситету для большинства приложений). Это измерение может быть сделано в сочетании с предыдущим измерением для газового объема или в немного другом месте.
[0068] Предшествующее описание изобретения было представлено для целей иллюстрации и описания и не является исчерпывающим или ограничивающим изобретение в точности раскрытой формой, и, очевидно, возможно множество модификаций и вариаций в свете приведенной выше идеи. Варианты воплощения были выбраны и описаны для лучшего объяснения принципов изобретения и его практического применения, чтобы, таким образом, позволить другим специалистам в области техники лучше использовать изобретение в различных вариантах воплощения и с различными модификациями подходящим для конкретного предполагаемого использования образом. Предполагается, что объем изобретения определяется прилагаемой формулой изобретения.