CN101509795B - 油气水三相流量的在线即时计量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于计量技术类。为克服已有测量装置机构庞大结构复杂及难以实现在线即时测量的问题特提出本方案。该油气水混合流体的测量装置是由垂直管段、文丘里管及含水率测量装置所构成，在垂直管段上接有压差传感器ΔP2和压力传感器P，压差传感器ΔP1，在含水率测量装置处设有旋流器、取样装置，使用微波式或压差式含水率测量仪，旋流器将流体抛向管壁，能顺利地经取样环缝分流出部分液体，因引流管的压差作用能使测量完含水率的液体顺利地回归到主管，形成稳定的液流就实现了即时的在线测量。测得的数据按公式进一步计算得出油气水各相的流量。本装置及其测量方法具有精度高、工作范围广、运行成本低、性能稳定的特点，能可靠地实现即时在线测量。

Description

油气水三相流量的在线即时计量方法及装置

技术领域：本发明属于计量技术类，它具体涉及一种用于原油-天然气-水三相混合物或天然气-凝析液-水三相混合物各相流量的计量方法及其装置。 

背景技术：在原油的生产过程中，原油通常是与伴生天然气和地层水或注水一起开采出来，在井口和输运管道中形成油气水三相流动。同样，在天然气的生产过程中，从天然气井中流出来的天然气也经常含有凝析液和冷凝水或地层水。油气水各相流量的计量是对各油气井及区块进行产量核算、优化油气藏管理、及提高采收率的重要生产环节。现在常用的计量方法是先用气液分离器将天然气和液体(油和水混合物)分离开来，然后用单相流量计分别测出气相和液相的流量，再用含水率仪测出油水比率，从而得到油气水混合物各相的流量。这种计量方法的设备庞大笨重、需要复杂的液位控制系统、投资费用高、常常不能精确测出即时流量、并且无法用于对海底油气井口及管道内多相流的计量。近年来，国内外已研发出几种油气水三相流量计，但它们绝大多数都采用γ射线来测量相比率或混合物密度，而γ射线有对人体造成危害的风险和隐忧，甚至在有的国家和地区受到禁用。 

发明内容：为克服上述的测量方法对人体有害及不能实现在线即时测量的问题特提出本方案——油气水三相流量的在线 即时计量方法及装置。本发明提供了一种可对陆地、海洋平台、及水下油气井或区块生产出的油气水三相混合物各相流量进行自动在线计量的方法，用这种方法制成的油气水三相流量的测量装置具有无放射性、工作范围宽、测量精度高、制造成本低、性能稳定等特点。 

按照如上构思，本方案提出的油气水三相流量的在线即计量装置，其特征是它由测量油气水三相混合物平均密度的垂直管段(1)、测量油气水三相混合物总流量的文丘里管(2)及油水混合物含水率在线测量系统构成，它的含水率测量系统包括在线油水混合物取样装置(4)、液相含水率测量管(5)、以及安装其上的微波式含水率仪(7)，其中在线油水混合物取样装置(4)是由焊接在与出口法兰(13)连接的管段的管壁外侧的取样环室(18)、取样环缝(15)、安装在管内部与取样环缝上沿平齐的导流环(19)、取样孔(16)、排气孔(17)、以及螺旋叶片式的旋流器(3)构成，其取样环缝是在管壁上与管内主流方向成45°夹角的多个长孔形成，取样环室内的排气孔是沿管壁周向均匀分布的与管内主流方向成135°夹角的多个孔形成，取样环室底部的取样孔经含水率测量管与文丘里管喉口下游的回流引射孔(6)连接，回流引射孔与管内主流方向成45°夹角，在垂直管段上接有压力传感器P(10)，并联着ΔP2压差传感器(9)，在垂直管段(1)上端与文丘里管的喉口部分并联着ΔP1压差传感器(8)，在液相含水率测量部分的管内接有温度传感 器T(11)。 

在本方案中，在含水率测量管内装有压差式含水率仪ΔP3。在入口法兰(12)与垂直管段(1)进口之间安装静态混合器(14)。在取样环室内的排气孔的数量为4～6个，取样环缝为4～6个长孔。 

一种使用权利要求1所述油气水三相流量的在线即时测量装置的油气水三相流量在线即时测量方法，其特征是在用ΔP2压差传感器(9)和ΔP1压差传感器(8)分别测量的油气水三相混合物流经具有给定几何尺寸的垂直管段(1)和文丘里管(2)时产生的压差ΔP₂和ΔP₁后，由基于均相流模型的下式直接得出油气水三相混合物的平均密度ρ_M： 

$\mathrm{\Δ}{P}_2={\mathrm{\ρ}}_M\mathrm{gh}+\mathrm{\λ}\frac{h}{D}{\mathrm{\α}}^2{\mathrm{\β}}^4\mathrm{\Δ}{P}_1;$

然后用以下两式分别计算出油气水三相混合物的总流量Q_M和体积含气率χ： 

$Q_M=\mathrm{\α}{\mathrm{\β}}^{2}A\sqrt{2\mathrm{\Δ}{P}_1/{\mathrm{\ρ}}_M},$

$\mathrm{\χ}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_L-{\mathrm{\ρ}}_M}{{\mathrm{\ρ}}_L-{\mathrm{\ρ}}_G};$

用油水混合物含水率在线测量系统测得含水率φ后，方可计算出油气水三相流体的气相流量Q_G、油相流量Q_O、及水相流量Q_W： 

Q_G＝χQ_M；Q_O＝(1-φ)(1-χ)Q_M； 

Q_W＝φ(1-χ)Q_M。 

式中ρ_L是油水混合物的平均密度，ρ_G是气相的密度，h是垂直管段上两个取压点之间的距离，D是垂直管段的内径，A是垂直管 道的截面积，α是文丘里管的流量系数，β是文丘里管的喉部内经与管道内经之比，λ是垂直管段内壁的摩阻系数。 

附图说明：图1是本发明计量装置的结构原理图，它采用了微波式含水率测量仪。 

图2是本发明的另一实施例的结构原理图，它采用了压差式含水率测量仪。 

图3为液体采样装置的结构原理图。 

图4为液体回流引射孔的结构原理图。 

具体实施方式：下面结合附图对本发明的结构原理及工作原理作进一步的说明。 

如图1和图2所示，本发明由测量油气水三相混合物平均密度的垂直管段1、测量油气水三相混合物总流量的文丘里管2、和一个液相(油水混合物)含水率在线测量系统所构成。该液相含水率测量系统是由一个液体取样装置4和一个液相含水率测量管5以及安装其上的微波式含水率仪或压差式含水率仪7构成。被测油气水三相混合物首先垂直向上流经与进口法兰12相连接的垂直管段，由压差传感器9测得油气水三相流体流经垂直管段时的压降ΔP₂；被测油气水三相流体然后通过文丘里管，由压差传感器8测得油气水三相流体通过文丘里管时的压降ΔP₁；当被测油气水三相流体最后流经与出口法兰13连接的液体(油水混合物)取样装置4时，少量液体被取出，在流经含水率测量管5并由液相含水率仪7测得含水率后，再通过位于文丘里管喉口下游的回流引射孔6返回管道内的主流。油气水三相混合物的压力和温度分别用压力传感器10和温度传感器11测量。 

如图3所示，液体(油水混合物)在线取样装置是由焊接在与出口法兰(13)连接的管段的管壁外侧的取样环室18、管壁上与管内主流方向成45°夹角的取样环缝15、安装在管内与取样环缝15上沿平齐的导流环19、位于取样环室底部的取样孔16、沿管壁周向均匀分布的与管内主流方向成135°夹角的排气孔17、以及安装在取样环缝上游的旋流器3构成。如图4所示，文丘里管喉口下游的回流引射孔6与管内主流方向成45°夹角。如图1(或图2)，3和4所示，当油气水混合物流经在线取样装置时，旋流器将管内大部分液体抛向管壁，这些液体的一部分经过取样环缝进入取样环室。取出的液体在环室内作短暂的停留，以便脱去可能夹带的气相。脱出的气体通过排气孔返回管内主流，而脱气的液体(油水混合物)通过位于取样环室底部的取样孔流入含水率测量管5，然后经过文丘里管喉口下游的回流引射孔返回管内主流。由于流过含水率测量管的是油水混合物，而主管内是油气水三相混合物，含水率测量管内的重位压头通常比主流管内的重位压头大得多，再加上文丘里管的引射作用，这样就会在含水率测量管与主流管道之间形成了开式自然循环，为含水率仪7提供连续不断的油水混合物，从而实现对管内含水率变化的在线实时测量。 

下面以均相流摸型为例，进一步说明本发明的工作原理。 

根据文丘里管的流量公式，油气水三相混合物的总流量Q_M和平均流速u_M可表示为， 

$Q_M=\mathrm{\α}{\mathrm{\β}}^{2}A\sqrt{2\mathrm{\Δ}{P}_1/{\mathrm{\ρ}}_M}---\left(1\right)$

$u_M=\mathrm{\α}{\mathrm{\β}}^{2}A\sqrt{2\mathrm{\Δ}{P}_1/{\mathrm{\ρ}}_M}---\left(2\right)$

其中A是垂直管道的截面积，β是文丘里管的喉部内经与管道内经之比，α是文丘里管的流量系数，ρ_M是油气水三相混合物的平均密度，ΔP₁是文丘里管的动压差。由于文丘里管两个取压点之间的距离很短，其摩擦压差比文丘里管的动压差小得多，可忽略不计。 

油气水三相混合物流经垂直向上管段上的总压差ΔP₂是重位压差与摩擦压差之和，可表示为， 

$\mathrm{\Δ}{P}_2={\mathrm{\ρ}}_M\mathrm{gh}+\mathrm{\λ}\frac{h}{D}\frac{{\mathrm{\ρ}}_M{u}_M^2}{2}---\left(3\right)$

其中g是重力加速度，h是垂直管段上两个取压点之间的距离，λ是垂直管段内壁的摩阻系数，D是垂直管段的内径。将式(2)代入式(3)得， 

$\mathrm{\Δ}{P}_2={\mathrm{\ρ}}_M\mathrm{gh}+\mathrm{\λ}\frac{h}{D}{\mathrm{\α}}^2{\mathrm{\β}}^4\mathrm{\Δ}{P}_1---\left(4\right)$

油气水三相混合物的体积含气率χ可表达为， 

$\mathrm{\χ}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_L-{\mathrm{\ρ}}_M}{{\mathrm{\ρ}}_L-{\mathrm{\ρ}}_G}---\left(5\right)$

其中ρ_G是气相的密度，ρ_L是油水混合物的平均密度。当含水率φ 已知或已测得时，油水混合物的平均密度ρ_L可用式(6)计算， 

ρ_L＝(1-φ)ρ_O+φρ_W       (6) 

这里，ρ_O和ρ_W分别是油相和水相的密度。 

根据有关定义，油气水三相混合物的气相、油相和水相的流量可分别用式(7)、式(8)和式(9)表示， 

Q_G＝хQ_M                   (7) 

Q_O＝(1-φ)(1-χ)Q_M         (8) 

Q_W＝φ(1-χ)Q_M             (9) 

根据以上工作原理，本发明对油气水三相混合物各相流量的测量分为如下五个步骤： 

1.用压力传感器10和温度传感器11测量油气水三相混和物的压力和温度，根据现场生产的物性参数或组份以及测得的压力和温度，计算气相、油相和水相的密度ρ_G、ρ_O和ρ_W； 

2.用压差传感器9和8分别测量油气水三相混合物流经垂直管段1和文丘里管2时产生的压差ΔP₂和ΔP₁，由式(4)计算油气水三相混合物的平均密度ρ_M； 

3.再用压差传感器8测得的油气水三相混合物流经文丘里管2时产生的压差ΔP₁和由步骤2算出的油气水三相混合物的平均密度ρ_M，由式(1)计算出油气水三相混合物的总流量Q_M； 

4.用安装在含水率测量管5上的微波式或压差式含水率仪7测量油气水三相流体中油水混合物的含水率φ； 

5.由式(6)和式(5)算得油气水三相混合物的体积含气率 χ后，再由式(7)、式(8)、和式(9)分别算出油气水三相流体的气相流量Q_G、油相流量Q_O、和水相流量Q_W。 

如图2所示，均相流可用安装在垂直管段1上游的静态混合器14来实现。如果垂直管段1上游有足够长的流型稳定管段，式(1)、式(2)、式(3)、及式(4)应用更精确的多相流体动力学模型来代替。 

根据上述原理制成的油气水三相流量计具有无放射性、工作范围宽、测量精度高、制造和运行成本低、性能稳定等特点，可对陆地、海洋平台、及水下油气井口和积输管道内油气水三相混合物的各相流量进行自动在线计量。 

Claims (5)

1.一种油气水三相流量的在线即时计量装置，其特征是它由测量油气水三相混合物平均密度的垂直管段(1)、测量油气水三相混合物总流量的文丘里管(2)及油水混合物含水率在线测量系统构成，它的含水率测量系统包括在线油水混合物取样装置(4)、液相含水率测量管(5)、以及安装其上的微波式含水率仪(7)，其中在线油水混合物取样装置(4)是由焊接在与出口法兰(13)连接的管段的管壁外侧的取样环室(18)、取样环缝(15)、安装在管内部与取样环缝上沿平齐的导流环(19)、取样孔(16)、排气孔(17)、以及螺旋叶片式的旋流器(3)构成，其取样环缝是在管壁上与管内主流方向成45°夹角的多个长孔形成，取样环室内的排气孔是沿管壁周向均匀分布的与管内主流方向成135°夹角的多个孔形成，取样环室底部的取样孔经含水率测量管与文丘里管喉口下游的回流引射孔(6)连接，回流引射孔与管内主流方向成45°夹角，在垂直管段上接有压力传感器P(10)，并联着ΔP2压差传感器(9)，在垂直管段(1)上端与文丘里管的喉口部分并联着ΔP1压差传感器(8)，在液相含水率测量部分的管内接有温度传感器T(11)。

2.根据权利要求1所述的油气水三相流量的在线即时计量装置，其特征是在含水率测量管内装有压差式含水率仪ΔP3。

3.根据权利要求1所述的油气水三相流量的在线即时计量装置，其特征是在入口法兰(12)与垂直管段(1)进口之间安装静态混合器(14)。

4.根据权利要求1所述的油气水三相流量的在线即时计量装置，其特征是在取样环室内的排气孔的数量为4～6个，取样环缝为4～6个长孔。

5.一种使用权利要求1所述油气水三相流量的在线即时计量装置的油气水三相流量在线即时计量方法，其特征是在用ΔP2压差传感器(9)和ΔP1压差传感器(8)分别计量的油气水三相混合物流经具有给定几何尺寸的垂直管段(1)和文丘里管(2)时产生的压差ΔP₂和ΔP₁后，由基于均相流模型的下式直接得出油气水三相混合物的平均密度ρ_M：

然后用以下两式分别计算出油气水三相混合物的总流量Q_M和体积含气率χ：

用油水混合物含水率在线测量系统测得含水率φ后，方可计算出油气水三相流体的气相流量Q_G、油相流量Q_O、及水相流量Q_W：

Q_G＝χQ_M；Q_O＝(1-φ)(-χ)Q_M；

Q_W＝φ(1-χ)Q_M。

式中ρ_L是油水混合物的平均密度，ρ_G是气相的密度，h是垂直管段上两个取压点之间的距离，D是垂直管段的内径，A是垂直管道的截面积，α是文丘里管的流量系数，β是文丘里管的喉部内经与管道内径之比，λ是垂直管段内壁的摩阻系数。 

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