CN101539016B - 一种利用热扩散测量气液多相流流量的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用热扩散测量气液多相流流量的方法及装置，涉及气液多相流流量测量，其特征在于，该方法使用一测试直管，测试管采用铜或不锈钢等热良导体制成，并在管上设置热源，沿测试管外壁周向和径向方向布置多个温度传感器。当混合流体以不同的速度从管内通过时，会引起管壁温度的动态变化，温度传感器产生的电信号经信号放大器放大，送至A/D转换电路，经A/D转换后的数据，进入数据处理系统，最终将多相流流量或流动过程显示在LCD屏上。本发明结构简单、使用方便、兼具电磁流量计的优点，并可用于油井油、气、水的流量在线测量。

Description

一种利用热扩散测量气液多相流流量的方法及装置

技术领域

本发明涉及一种气液多相流流量测量方法及其装置，尤其涉及一种适合于井下油、气、水流量自动测量的方法及其装置。

背景技术

油井下油、气、水三相产物中各相流量是油田采油工作中的基础数据，是检测控制油井和油藏动态特性的主要依据，对生产方案的制定具有重要的指导意义。

目前，原油中油、气、水的计量大多采用三相分离器进行分离，分离出来的乳化油、游离水和天然气进各自的管路系统，由计量监测仪表计量后，再汇集在一起，同其它未经计量油井三相混合物一起进入外输管线。该方法自动化程度低，而且计量周期长、投资大、系统维护复杂。

另一种分离测量方法是，仅把气体和液体分离，而油水不分离，通常用取样化验、平均密度法、密度计和流量计来测量混合液中的油水比率，得到各项流量。由于分离器排液不彻底，不同配比的油水混合液相互掺杂，导致油水混合液密度测量不准。

近年来，也出现了一些不分离测量方法。这些方法不使用分离器，直接通过电容法(CN101162163A，CN1140772C)、压差法(CN2602346)或放射性法(CN1087715)测量三相的流量。不分离计量技术在占地面积等方面有很大的优越性，但是现有的这些技术均存在一定缺陷。电容法只适用于油气水混合液中油为连续相的情况，当含水率较高的油气水混合液中水为连续相时，就不再适用，而目前，中国的油田开发已经进入高含水期，这一方法的应用存在很大局限性。而利用差压传感器测量管道的差压，由于油水密度差别不大，因此造成测量精度较低。利用放射线衰减仪测量气液比和油水比，仪表带有放射性，体积大，价格昂贵。

随着技术的进步，油田越来越需要功能强、自动化程度高的油井计量设备以提高劳动生产率和油田的管理水平。

发明内容

本发明的目的在于提供一种气液多相流流量的不分离测量方法及其装置，当混合流体从管内通过时，气液产生分离形成气泡，利用温度传感器检测到周期性的电压。所测得的电压信号经计算机处理，可间接测量管内多相流的流动速度、气液比以及液相组份体积分数。本发明能够同时在线对井下气、水、油流量进行自动测量，以解决上述目前油井中高含水、测量精度低等存在的技术难题。

本发明所提出的技术方案是：采用一直管作为测试管，在该测试管上设置有一热源，并在热源附近管壁轴向上布置2个以上的温度传感器，通过轴向温度传感器所采集的信号位移差，测量多相流流速；在热源附近管壁周向上布置6个以上的温度传感器，通过周向温度传感器所采集的信号趋势判定流体物性，得到管内气相尺寸和形状，测量多相流气相体积分数；通过计算管壁的平均温度，得到多相流中液液组份体积分数。

(1)多相流流速测量

管壁轴向上的任意两检测点所检测到的信号曲线相位差即为同一个气泡流经两个检测点的时间差Δt，而两个监测点的实际距离为Δs，因此多相流的流动速度为

v＝Δs/Δt            (1)

(2)多相流气相体积分数测量

温度传感器所采集的信号趋势能判定管内流体的物性：温度曲线T-t，dT/dt＞0，表示检测点所对应的管内流体为气相，反之则为液相，如图3。沿管壁周向布置的温度传感器可监测管内气相的大致形状，积分求出气相体积V_g。在一段时间(t₂-t₁)内，统计气相体积，即可得到气相的体积分数C_g，

$C_g=\frac{\underset{t_2-t_1}{\mathrm{\Σ}}{V}_g}{\mathrm{Av}(t_2-t_1)}---\left(2\right)$

其中，A为测试管的截面积，当测试管为半径为R的圆形管时，A＝πR²。

(3)多相流中液液组份测量

在一段时间(t₂-t₁)内，测量点的平均温度为

$\stackrel{\‾}{T}=\frac{1}{t_2-t_1}\underset{t_2-t_1}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{dT}---\left(3\right)$

平均温度是一个统计值，其大小只与混合流体中各相组份有关

$\stackrel{\‾}{T}=f(v,C_o,C_g,C_w)---\left(4\right)$

其中，C_o和C_w表示液相中油和水的体积分数；其函数关系f与流量计的结构有关，并通过实验数据进行标定。同时，根据质量守恒

C_o+C_g+C_w＝1       (5)

结合式(1)-(5)，可求出求出C_o和C_w。

测试管上安装的多个温度传感器通过采集电路与计算机相连接，将温度信号采集到计算机，根据方程(1)-(5)求解，即可分别得到油、气、水三相的体积流量，或再现多相流流动过程。

参阅图1所示，是本发明的多相流流量测量装置实施的结构示意图。将该流量装置用于测量油井油、气、水三相流量。该装置包括一段无阻流检测件的光滑直管2、热源1、温度传感器3、信号放大电路4、A/D转换电路5、计算机数据处理系统6和LCD显示屏7、隔热材料8。

光滑直管2采用热良导体材料制成，热源1为一电阻丝加热器，缠绕在直管2管壁上，并采用绝缘材料将电阻丝和金属管壁隔开，电阻丝产生的恒定热流，通过绝缘材料传到管壁上。温度传感器3安装在热源附近的直管2外壁上，在轴向方向上布置2个或2个以上，在周向上布置6个以上，温度传感器通过采集电路与计算机相连接，将温度信号采集到计算机，如图2所示。

为提高温度传感器的信号波动灵敏性，在实施过程中，可在管壁上先打上小孔，将温度传感器3嵌入测试直管2的管壁中；同时在测量点外壁包裹上隔热材料8，以减小外界空气流动对测量结果的影响，如图2所示。

根据实际需要，可对管壁冷却，即用冷源代替热源。直管2采用紫铜或不锈钢或其它热良导体材料。

与现有的油井多项流测量技术相比，本发明主要特点是：

1、气、液采用不分离计量方法，流量计体积小，测量管为与油管等径的光滑直壁，不易堵塞，不影响管内油、气、水流动，可用于油井油、气、水的流量在线测量。

2、测量管采用铜或不锈钢制成，适用于不同温度和压力的流体测量，即使在高压下也无泄露发生。

3、结构简单、使用方便、兼具电磁流量计的优点，流量值可以直接通过流量计面板读取，也可由计算机自动测量、读取和存储，同时，还可输出电流信号供调节和控制使用。

4、测量管道内无阻流件，不产生因检测流量所形成的压力损失，仪表的阻力仅是同一长度管道的沿程阻力，节能效果显著，适合于要求低阻力的大管径管道。

5、价格便宜，使用寿命长。

附图说明

图1是本发明热扩散式三相流量测量装置的结构示意图。

图2是热源以及温度传感器布置方式的结构示意图。

图3是温度传感器信号曲线示意图。

具体实施方式

采用一段标准油管DN50×5mm×400mm作为测试管，在该测试管距末端100mm处设置有一热源，并在热源附近轴向布置2个温度传感器，距离Δs＝20mm，轴向上均匀布置16个温度传感器，热源为一电阻丝加热器，加热功率400W，缠绕在管壁上，并采用云母片将电阻丝和金属管壁隔开，电阻丝产生的恒定热流，通过云母片传到管壁上。在管壁上打上深4mm的小孔，将温度传感器伸入孔内测量管壁温度，并在管壁外面包裹石棉减小散热量。通过轴向温度传感器和周向温度传感器所采集的信号测量管内油、气、水多相流体积分数。

测量过程如下：

将测量装置通过法兰安装在水平管道上。为提高测量结果的精确性，在实施过程中，尽可能将流量计水平放置，以保证管内油、气、水多相流具有相同的流速。流量计垂直或倾斜会得到不准确结果。同时，测量装置进口前应有一定长度的水平油管段，保证气液分离充分并在管内形成独立、稳定的大气泡。气泡过细会引起测量精度的降低。

在使用之前，需要将已知组份的油、气、水多相流以一定流速通入测试管内，对流量计进行标定，确定式(4)的具体关系式。标定的多相流的混合比例越多、覆盖范围越宽，得到的式(4)的关系式也越准确。将式(4)中的标定结果嵌入到数据处理系统6后，则可以开始进行测量。

当未知组份的油、气、水多相流从管内通过时，混合流体中油水均匀混合，而气相分离形成气泡，这会引起管壁温度传感器信号的动态变化：当气泡靠近测量点时，由于气体的热导率很小，因此测点温度升高；而气泡离开后，由油和水组成的液相的热导率远大于气相，因此测点温度迅速降低。这种波动使得温度传感器所检测的信号曲线成锯齿状，如图3所示。曲线存在一系列极值，为气液相的交界面，其中，极大值表示气泡的前点(管内由液相变为气相)，而极小值表示气泡的后点(管内由气相变为液相)。热电偶传感器产生的电信号在信号放大器4进行放大，送至A/D转换电路5，经A/D转换后的数据，进入数据处理系统6。

数据处理系统6根据式(1)-(5)计算得到混合流体的流速以及油、气、水各相组份分数，最终将这些计算值显示在LCD屏7上，由温度传感器电路3采集的电信号也可以直接输出，用于油井的调节和控制使用。

为保证设备安全，加热器功率不能过大，而且需要对管壁做过热保护，控制加热器与管壁接触处的温度低于油的燃点温度。

Claims (7)

1.一种利用热扩散测量气液多相流流量的方法，其特征在于，采用一直管作为测试管，在该测试管上设置有一热源，并在热源附近管壁轴向上布置2个以上的温度传感器，通过轴向温度传感器所采集的信号位移差，测量多相流流速；在热源附近管壁周向上布置6个以上的温度传感器，通过周向温度传感器所采集的信号趋势判定流体物性，得到管内气相尺寸和形状，测量多相流气相体积分数；通过计算管壁的平均温度，得到多相流中液液组份体积分数。 

2.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于， 

(1)多相流流速测量 

在管壁轴向上的任意两检测点所检测到的信号曲线相位差即为同一个气泡流经两个检测点的时间差Δt，而两个监测点的实际距离为Δs，得到多相流的流动速度为 

v＝Δs/Δt    (1) 

(2)多相流气相体积分数测量 

管壁周向温度传感器采集的信号做出温度曲线T-t，dT/dt＞0，表示检测点所对应的管内流体为气相，反之则为液相，或积分求出气相体积V_g，在一段时间(t₂-t₁)内，统计气相体积，即可得到气相的体积分数C_g， 

其中，A为测试管的截面积，当测试管为半径为R的圆形管时，A＝πR²，

(3)多相流中液液组份测量 

在一段时间(t₂-t₁)内，测量点的平均温度为 

平均温度是一个统计值，其大小只与混合流体中各相组份有关 

其中，C_o和C_w表示液相中油和水的体积分数；其函数关系f与流量计的结构有关，并通过实验数据进行标定，根据质量守恒 

C_o+C_g+C_w＝1    (5) 

结合式(1)-(5)，求出C_o和C_w。 

3.一种利用热扩散测量气液多相流流量的装置，其特征在于，包括一段无阻流检测件的光滑直管(2)、热源(1)、温度传感器(3)、信号放大电路(4)、A/D转换电路(5)、计算机数据处理系统(6)和LCD显示屏(7)、隔热材料(8)，热源(1)为一电阻丝加热器，缠绕在直管(2)的管壁上，采用绝缘材料将电阻丝和管壁隔开，温度传感器(3)安装在热源附近的直管(2)外壁上，在轴向方向上布置2个以上，在周向上布置6个以上，温度传感器通过采集电路与计算机相连接。 

4.如权利要求3所述的测量装置，其特征在于，在直管(2)管壁上打上小孔，将温度传感器(3)嵌入直管(2)的管壁中。 

5.如权利要求3所述的测量装置，其特征在于，在测量点外壁包裹上隔热材料(8)。 

6.如权利要求3所述的测量装置，其特征在于，用冷源替代热源(1)。 

7.如权利要求3所述的测量装置，其特征在于，直管(2)采用紫铜或不锈钢或其它热良导体材料。