CN100406856C - 油井三相流自动计量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种油井产出油水气三相流流量自动计量装置。本装置通过法兰与管线将分离控制罐、液体流量计、油水气组分仪、气体计量仪、气液缓冲罐连接组成油水气分相计量管网。分离控制罐上部与气体排出管、气液进口管相连，内有浮球调节阀，下部与液体出口管相连；其中气体出口管与排液管汇流与气液出口管相接；在该排气管上设有气体计量仪；在该排液管上设有液体流量计和油水气组分仪。本发明的计量精确度高，设计液量计量精度可达±1%以上，实际计量精度可达±2%以内，且重复性、可靠性好；其次测量量程宽，最大可达1∶30以上，且线性好，尤其适用于低产、间歇出油、气量变化比较大的油井测量。本发明自动化程度高、结构简单、体积小、重量轻、拆装便捷省时、维修简便，非常适用于撬装测量和海洋平台的多相流测量以及沙漠、高寒油田无人值守环境中安装使用。

Description

油井三相流自动计量装置

技术领域

本发明涉及一种油井产出液三相流计量装置，尤其是油水气三相流流量自动计量装置。

背景技术

油井产量的计量是油田生产管理中的一项重要工作，准确、及时的计量油井产量，对掌握油藏状况，制定生产方案，具有十分重要的指导意义。

目前，国内各油田采用的油井产量计量方法主要有玻璃管量油、翻斗量油、软件量油、两相分离密度法和三相分离计量方法等。玻璃管量油是国内各油田普遍采用的传统方法，约占油井总数的80％以上，采用间歇、人工计量的方式来折算产量，计量系统误差较大。软件仪量油是针对油井低产少气的特点或者环状流程的油井，应用了液面恢复法、功图法等原理的量油方式，通常采用便携式量油仪在井口测取油井的产液量，这种量油方式可大幅度降低投资，简化管理，但也存在其局限性，对于环状流程、螺杆泵采油的油井不能使用，以及对间歇出油、气量较大的油井使用效果不理想。因此油井计量将随着技术的进步及油田开发形式的变化，越来越需要功能强、计量精度、自动化程度高的计量设备，以降低工人劳动强度、提高劳动生产率和油田的管理水平。在现有的油井计量技术中，中国专利公开了一种“油气自动计量装置”(ZL 200420041937.5)，给出了一种油气自动计量装置，并且已经在陆上油田的生产中得到成功应用，但是，上述装置对于油井计量而言，尤其是应用于撬装测量和海洋平台，其结构仍显得复杂，存在体积偏大的缺陷。

发明内容

为了克服现有技术的不足之处，本发明的目的是为提供一种油井三相流自动计量装置；该计量装置结构简单、体积小；无需电控辅助系统、压力损失小；适用于单井、气液混输等多种流型的油、水、气自动分相在线计量、尤其是撬装式测量和海洋平台的多相流量测量，且分相液量测量精确度可达到±1～2％。

本发明的目的可通过如下措施来实现：

一种油井三相流自动计量装置是通过法兰与管线分离控制罐、液体流量计、油水气组分仪、气体计量仪、气液缓冲罐连接组成油水气分相计量管网。分离控制罐上部与气体出口管、气液进口管相连，其下部与液体出口管连通，气液进口管与分离控制罐相连处设有气液旋流离心分离器，分离控制罐内装有浮球调节阀，气体出口管线上装有气体出口阀和气体计量仪，气体计量仪出口端与气液汇管之间装有气液缓冲罐；液体出口管线上装有液体出口阀、液体流量计和油水气组分仪；气液汇管处开有气液出口管，压力变送器和温度变送器均设于分离控制罐上。

上述的气液旋流离心分离器为圆筒形结构，竖直置于分离控制罐内的中上部，且中心对称；其离心分离器入口一端与气液进口管相连，另一端与螺旋离心管切线连接；螺旋离心管为方形或矩形，自上而下螺旋置于导向分离套管内，螺旋至少为二圈，螺旋离心管的流通面积小于或等于气液进口管的流通面积；导向分离套管呈中空套管状，与分离控制罐同心，下段套管面上有网孔。

上述的浮球调节阀的阀座连接管与阀座、气体出口管光滑过渡连接，阀座连接管与气体出口管连通，并固定在分离控制罐顶部端盖中心的下部，阀座中心有一阀孔，阀孔直径小于气体出口管管径；阀芯的底面与阀体光滑过渡连接；浮球连杆的一端与阀体中心对称光滑过渡连接，另一端中心对称穿透浮球，并光滑过渡连接；阀芯为圆锥体；阀体为光滑球面形或圆台形，其外径大于阀孔孔径；浮球为空心球体或空心圆柱体，置于分离控制罐内的浮球导向器上，浮球连杆为直径小于阀体直径的圆管。

上述的浮球导向器的导杆一端垂直固定在底盘的中心，另一端竖直向上；底盘水平固定于分离控制罐内中下部并与气液分离控制罐同中心，底盘上开有成网形的液流孔。上述的螺旋离心管的流通面积小于或等于气液进口管的流通面积。

导向分离套管的内径大于浮球的外径，导向分离套管外径小于或等于分离控制罐内径。

阀体与阀孔的接触面为光滑球面形或圆台形。

阀芯锥度大小和锥体长度取决于测量气液量程范围大小，其最大底面直径小于阀孔；

导杆的直径小于浮球连杆的内径，长度大于阀芯的长度；液流孔开孔的总流通面积大于气液进口管的流通面积。

气液汇管的气液出口高度高于置于分离控制罐内的浮球起浮时的液位高；低于阀体顶到阀座在分离控制罐内的液位高度。

气液缓冲罐的容积大于气体出口管到气液缓冲罐上端之间管道内的容积。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、本发明结构简单、体积小、重量轻、拆装便捷省时，自动化程度高，非常适用于撬装测量和海洋平台的多相流测量及陆地、沙漠、高寒油田无人值守环境中安装使用。

2、本发明计量精度高，且不受气液流型和流体状态影响，设计液量计量误差可达±1.0％以上，实际计量误差可达±2％以内，且重复性、可靠性好。

3、本发明的测量量程宽，最大可达1∶30以上，且线性好，尤其适用于低产、间歇出油、气量变化比较大的油井测量。

4、本发明气液分相测量平稳，整个装置无辅助电控系统，最大压力损失小于0.025MPa；

附图说明

图1是本发明的结构示意图

图2a、是图1的气液旋流离心分离器的结构示意图

图2b是图1的导向分离套管网孔示意图

图3a是图1阀座连结管与阀座结构示意图

图3b是图1浮球调节阀结构示意图

图4是图1的浮球导向器结构示意图

附图标记说明如下：

1-气液进口管            2-分离控制罐        3-分离控制罐顶部端盖

4-气液旋流离心分离器    41-离心分离器入口   42-螺旋离心管

43-导向分离套管         44-网孔

5-浮球调节阀            50-阀座连接管       51-阀座     511-阀孔    52-阀芯

53-阀体                 54-浮球连杆         55-浮球

6-气体出口管            7-浮球导向器        71-导杆     72-底盘     73-液流孔

8-液体出口管      9-液体出口阀     10-液体流量计    11-油水气组分仪

12-气体出口阀     13-气体计量仪    14-气液缓冲罐    15-气液汇管

16-气液出口管     17-压力变送器    18-温度变送器    19-控制罐底座

20-排污阀         21-计量装置底座

具体实施方式

下面结合附图对本发明再作进一步的描述：

如图1所示，气液进口管1与设置于分离控制罐2内中上部的气液旋流离心分离器4的离心分离器入口41相连通，分离控制罐2上部与气体出口管6连通，气液混合液由气液进口管1(切向)进入气液旋流离心分离器4，气液通过螺旋离心管42实现气液初步分离，经过螺旋离心管42分离的含气液体在惯性——重力和离心力的作用下在导向分离套管43内继续离心分离，后顺着分离控制罐2的内壁流下，由此经气液旋流离心分离器4的离心分离，由气液进口管1来的气液混合液中的游离气可达到完全分离以及大部分孵化气离心分离。

气液旋流离心分离器4为圆筒形结构，竖直置于分离控制罐2内的中上部，且中心对称(参照图2a、图2b)，离心分离器入口41一端与气液进口管1相连，另一端与螺旋离心管42(切向)连通；螺旋离心管42为方形，自上而下螺旋置于导向分离套管43内，螺旋为二圈，螺旋离心管42的流通面积小于或等于气液进口管1的流通面积；导向分离套管43呈中空套管状，与分离控制罐2同心，下段套管面上有网孔44，以便增加液气分离表面，确保被分离析出的气体上流；气液旋流离心分离器4的外径小于分离控制罐2的内径，具目的是为了从螺旋离心管42旋流落下来的液体顺分离控制罐2内壁流下，使液体内少量余留气体进一步析出，同时避免脉动进液和进液时对浮球55的扰动。

分离控制罐2主要是由罐主体、分离控制罐顶部端盖3、气液旋流离心分离器4、浮球调节阀5、气体出口管6、液体出口管8、排污阀20和浮球导向器7组成：分离控制罐顶部端盖3用螺栓固定在罐主体的顶部，阀座连接管50与阀座51连接固定在分离控制罐顶部端盖3上；浮球调节阀5的出口阀座连接管50与气体出口管6和气体出口阀12相连通，再后与气体计量仪13、气液缓冲罐14、气液汇管15与气液出口管16相连；分离控制罐2中下部设有液体出口管8，液体出口管线上装有液体出口阀9、液体流量计10和油水气组分仪11；底部设有排污口20。分离控制罐2底部设有分离控制罐底座19，整个装置座落在计量装置底座21上。

如图3a、3b所示，浮球调节阀5设于分离控制罐2的内部，是由阀座连接管50、阀座51、阀芯52、阀体53、浮球连杆54、浮球55组成。阀座连接管50固定在分离控制罐顶部端盖3中心的下部，阀座连接管50与阀座51、气体出口管6光滑过渡连接，阀座51中心有一阀孔511，阀孔511孔径小于气体出口管6管径；阀芯52为圆锥体，锥度大小和锥体长度取决于测量气液量程范围大小，其最大底面直径小于阀孔511孔径；阀体53与阀座51的接触面是光滑球面形，阀体53其最大外径大于阀孔511孔径；阀芯52的底面(最大端面)与阀体53光滑过渡连接；浮球连杆54为直径小于阀体53的圆管，浮球55为空心圆柱体；浮球连杆54的一端与阀体53中心对称光滑过渡连接，另一端中心对称穿透浮球55并光滑过渡连接；浮球55置于分离控制罐2内的浮球导向器7上，且在浮力的作用下随罐内液面波动而在浮球导向器7上上下浮动：分离控制罐2的液位波动由浮球55通过浮球连杆54作用阀芯52在阀座51的阀孔511内上下动作，以调节气体出口的有效截面，以此达到自动调节稳定分离控制罐2内与气液出口管16之间的压差及控制罐体上部的气体流量和下部的液体流量。

参照图4，浮球导向器7置于分离控制罐2内中下部并同心，浮球导向器7由导杆71、底盘72和液流孔73组成。导杆71一端垂直固定在底盘72的中心，另一端竖直向上。导杆71的直径小于浮球连杆54的内径、长度大于阀芯52的长度；底盘72水平固定置于气液分离控制罐2内中下部并与罐体同中心，底盘72上开有呈网形的液流孔73，所开孔的总流通面积大于进口管1的流通面积，以确保浮球导向器7上下液体无压损流动。设置浮球导向器7的目的是用于控制浮球55在液面上升或下降时左右摆动而影响液面的稳定。

液体出口管8、液体出口阀9和液体流量计10在同一管线上相连，油水气组分仪11竖直连接于液体流量计10的出口端和气液汇管15间，气液汇管15的水平出口高度需高于置于分离控制罐2内的浮球55起浮时的液位高度，低于阀体53顶到阀座51在分离控制罐2内的液位高度；气液缓冲罐14下端竖直与气液汇管15连接，上端与气体计量仪13出口连接，气液缓冲罐14的容积需大于气体出口管6到气液缓冲罐14上端之间管道内的容积，其目的是为了阻止气液汇管15处液体的返流而影响气体计量仪13的测量精度。

本发明采用离心旋流分离和浮球液位调节控制，有效组合满足了管道气液混合液中游离气的完全分离和大部分孵化气的自动分离。浮球调节阀5利用液位高低直接控制了气体出口的流量、借助出口气液汇管15的高度和液路流阻形成的差压间接控制液体出口的流量，实现了对气液流量的自动平稳控制；其工作原理是：油水气混合液通过螺旋离心管42实现游离气离心旋流的初步分离，经过螺旋离心管42分离的含气液体在惯性(重力和离心力)的作用下沿导向分离套管43内继续离心分离，后顺着分离控制罐2的内壁流下，由此经气液旋流离心分离器4的离心分离，管线来的气液混合液中的游离气可达到完全分离以及大部分孵化气离心分离。

在分离控制罐2正常液位尚未建立起来之前，浮球调节阀5在重力的作用小处于最底位，即完全打开的状态。经分离的气体通过打开的阀孔511和阀芯52之间无阻排出，此时由于罐内液位低于出口气液汇管15的出口高度，无液量排出；当分离控制罐2的液位逐渐上升到控制范围下限并继续上升，浮球55在浮力的作用下顺浮球导向器7向上浮升，阀芯52随浮球55而上升，阀孔511和阀芯52之间的流通面积减小，气体排出量减少，罐内液位进一步上升，分离控制罐2与气液汇管15处的差压逐渐上升，当罐内液位上升到高于气液汇管15出口的高度、罐内压力与出口汇管15的差压达到排液所需的压差(流阻差压)时，液体开始排出分离控制罐2，此时气液进口管1来液大，罐内液位继续上升，则气体排出流量减少、差压增大，排液流量随之增大；随后罐内液位开始下降、浮球阀流通面积变大、出口气量增大，差压随之减小，出口液量也随之减小，重复上述过程，最后达到一种气液进出平稳状态；如来气流量大，差压增大，罐内液位开始下降，当下降到低于气液汇管15出口的高度和排液所需差压时，排液流量随之变小，同时分离控制罐2的液位又开始逐渐上升，重复上述液位上升下降过程，达到分离控制罐2内液位在一定高度范围内变化。此后，若管线来的气液混合液的气液比和外排管线压力变化，造成分离控制罐2内液位的上升或下降，浮球调节阀5都会自动把压差控制在排液所需的数值上，把液位控制在设定的范围内。对于小流量，借助气液汇管15出口的高度和液路流阻所需的差压，形成间隙排液计量(气压排液)；对于小气量也同样是间隙排气计量。

分离控制罐2下部安装温度变送器18、压力变送器17，气体出口管6后分别安装气体出口阀12、气体计量仪13、气液缓冲罐14、液体流量计10和油水气组分仪11，并与计算机系统配套使用，组成一套完整的气液混输流体的在线计量装置。其中安装气液缓冲罐14目的是为了回避气液出口管23的压力波动引起液体反灌到气体流量计影响气量计量精度，油水气组分仪11用于在线监测液路流体的含水率、含气率。

Claims (10)

1.一种油井三相流自动计量装置是通过法兰与管线将分离控制罐(2)、液体流量计(10)、油水气组分仪(11)、气体计量仪(13)、气液缓冲罐(14)连接组成油水气分相计量管网，其特征是分离控制罐(2)上部与气体出口管(6)、气液进口管(1)相连，其下部与液体出口管(8)连通，气液进口管(1)与分离控制罐(2)相连处设有气液旋流离心分离器(4)，分离控制罐(2)内装有浮球调节阀(5)，气体出口管(6)的管线上装有气体出口阀(12)和气体计量仪(13)，气体计量仪(13)出口端与气液汇管(15)之间装有气液缓冲罐(14)；液体出口管(8)的管线上装有液体出口阀(9)、液体流量计(10)和油水气组分仪(11)；气液汇管(15)处开有气液出口管(16)，压力变送器(17)和温度变送器(18)均设于分离控制罐(2)上。

2.根据权利要求1所述的一种油井三相流自动计量装置，其特征是气液旋流离心分离器(4)为圆筒套管形结构，竖直置于分离控制罐(2)内的中上部，且中心对称，其离心分离器入口(41)一端与气液进口管(1)相连，另一端与螺旋离心管(42切线连接；螺旋离心管(42)为方形或矩形，自上而下螺旋置于导向分离套管(43)内，螺旋至少为二圈，螺旋离心管(42)的流通面积小于或等于气液进口管(1)的流通面积；导向分离套管(43)呈中空套管状，与分离控制罐(2)同心，下段套管面上有网孔(44)。

3.根据权利要求1所述的一种油井三相流自动计量装置，其特征在于浮球调节阀(5)的阀座连接管(50)与阀座(51)、气体出口管(6)光滑过渡连接，阀座连接管(50)与气体出口管(6)连通，并固定在分离控制罐顶部端盖(3)中心的下部，阀座(51)中心有一阀孔(511)，阀孔(511)直径小于气体出口管(6)管径；阀芯(52)的底面与阀体(53)光滑过渡连接；浮球连杆(54)的一端与阀体(53)中心对称光滑过渡连接，另一端中心对称穿透浮球(55)，并光滑过渡连接；阀芯(52)为圆锥体；阀体(53)为光滑球面形或圆台形，其最大外径大于阀孔(511)孔径；浮球(55)为空心球体或空心圆柱体，置于分离控制罐(2)内的浮球导向器(7)上，浮球连杆(54)为直径小于阀体(53)直径的圆管。

4.根据权利要求3所述的一种油井三相流自动计量装置，其特征是浮球导向器(7)的导杆(71)一端垂直固定在底盘(72)的中心，另一端竖直向上；底盘(72)水平固定于分离控制罐(2)内中下部并与气液分离控制罐(2)同中心，底盘(72)上开有成网形的液流孔(73)。

5.根据权利要求2或3所述的一种油井三相流自动计量装置，其特征是导向分离套管(43)的内径大于浮球(55)的外径，导向分离套管(43)外径小于或等于分离控制罐(2)内径。

6.根据权利要求3所述的一种油井三相流自动计量装置，其特征是阀体(53)与阀孔(511)的接触面为光滑球面形或圆台形。

7.根据权利要求3所述的一种油井三相流自动计量装置，其特征是阀芯(52)锥度大小和锥体长度取决于测量气液量程范围大小，阀芯(52)最大底面直径小于阀孔(511)孔径。

8.根据权利要求3或4所述的一种油井三相流自动计量装置，其特征是导杆(71)的直径小于浮球连杆(54)的内径、长度大于阀芯(52)的长度；液流孔(73)开孔的总流通面积大于气液进口管(1)的流通面积。

9.根据权利要求1或3所述的一种油井三相流自动计量装置，其特征是气液汇管(15)的水平出口高度高于置于分离控制罐(2)内的浮球(55)起浮时的液位高度，低于阀体(53)顶到阀座(51)在分离控制罐(2)内的液位高度。

10.根据权利要求1所述的一种油井三相流自动计量装置，其特征是气液缓冲罐(14)的容积大于气体出口管(6)到气液缓冲罐(14)上端之间管道内的容积。

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