CN102749104B - 一种精确测量气液两相混合流体中气相流量和液相流量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于环状气液两相流的流量计量方法。此方法首先使使气液两相混合流体流过竖直设置的圆管，以形成环状气液两相流。然后测量该气液两相混合流体的总流量或液相平均速度或气相平均速度，并测量温度、压力、气相分率等物理量，最后基于气液滑差因子的解析解来精确计算出液体积流量和气体积流量。

Description

一种精确测量气液两相混合流体中气相流量和液相流量的方法

技术领域

本发明涉及流体流量测量领域，更具体地，涉及一种测量气液两相混合流体中的气相流量和液相流量的方法。

背景技术

采油工业中，经常从油井中采出包含液相和气相的气液混合流体，业内常称之为“湿气”。其中所述气相包括例如空气、油田气或任何在常温下不凝的气体，其中该油田气一般为较轻的烷烃甲烷、乙烷、丙烷、丁烷等。所述液相可包括原油本身以及采用过程中注入油井中的水以及其它液体添加剂。实时准确地测量从油井中采出的气液混合流体中气体的体积流量和液体的体积流量，是生产管理和生产优化所必需的基础数据。

当前，已经有一些方法来实现这种气液两相混合流体中气体体积流量和液体体积流量的在线测量。

传统方法是通过分离器将气液两相混合流体分离成气相和水相，然后分别计量它们的体积流量。但由于分离器以及相关附属设施重达数十吨，占地上百平方米，且控制环节多，使得分离器的维护和管理十分复杂，不利于生产过程管理的自动化，尤其不利于在沙漠和海上油田中使用。

另一类方法是不对气液两相进行分离，通过测量气液两相混合流体的总体积流量Q和气相分率GVF来测量气相体积流量和液相体积流量。其中气相分率GVF是指气相流量占气液两相混合流体总流量的百分比，亦可表示为某一横截面处，气相所占据的面积与整个截面面积之比。理想情况下的处理方法是气相体积流Q_g＝Q×GVF，液相体积流量Q_l＝Q×（1-GVF）。但这种测量方法要基于一个前提：气液两相在该截面上具有相同的速度。

但是，实际上，由于气液之间在密度、粘度等性质方面差别巨大，在实际管路中，上述前提并不成立。在实际管路中，由于气体密度较小，气相速度常常大于液相速度，这使得上述理想情况下测量的气相体积流量和液相体积流量出现了一定误差，故需要一种改进的方法来对上述理想情况进行校正。本领域中将气液两相混合流体在同一管路中的气相速度与液相速度之差称为滑差，而将气液两相混合流体在同一管路中的气相速度与液相速度之比称为气液滑差因子，下文中将对气液滑差以及气液滑差因子进行详细介绍。

目前气液两相混合流体的计量技术中对于由于气液滑差引起的计量误差的校正主要有两种方法：

一种方法是基于气液两相的Lockhart-Martinelli参数进行迭代计算，主要用于极高含气的湿气计量中的气量虚高修正，主要代表有ISO湿气模型,例如参见出版物ISO/TR11583:2012，其英文题目是“Measurement of wet gas flow by means of pressure differentialdevices inserted incircular cross-section conduits”。这种方法都是使用单相仪表将湿气当做单相进行计量，不会使用多相仪表，所以液量需要通过别的途径预先知道，或知道个概值，所以修正都是针对气量的修正。这种方法有三个主要缺点：一是没有明确的动力学机制;二是只修正了气量，没有对液量计量进行修正；第三，该方法的适用范围仅限于极高含气的很窄含气率量程。

另一种方法基于经验模型，比如实验数据拟合模型、或者信号处理模型的两相流流量气液滑差修正。这种方法有两个缺点：经验模型对实验数据和测量条件的依赖性很强，无法做到通用性和精度兼顾。另外因为多相流的流态复杂性，使得经验模型通过对建模参量选择和数学关系作出更合理的假定非常困难。信号处理完全把多相流当作黑箱处理，计量精度和范围都有很大的人为特征和不确定性。

因此，本领域需要一种能够简单地且精确地测量气液两相混合流体中气相体积流量和液相体积流量的方法，且还要能够对气液滑差引起的测量误差进行校正。

发明概述

本发明的第一方面涉及一种精确测量气液两相混合流体中气相体积流量和液相体积流量的方法，包括以下步骤：

a.使气液两相混合流体流过竖直设置的圆管，以形成环状气液两相流；所述环状气液两相流是指这样的一种流型：气体以圆柱状围绕圆管轴线，而液体以环状分布在气体与管壁之间；

b.测量该气液两相混合流体的总体积流量Q、温度T、压力P和气相分率GVF；

c.基于以下公式计算气液滑差因子S和气体体积流量Q_g和液体体积流量Q_l：

S＝2-GVF/(μ_k×（GVF－1）)

Q_g＝Q×GVF×S/(1-GVF+S*GVF)

Q_l＝Q×(1-GVF)/(1-GVF+S*GVF)

其中，

Q为总体积流量，单位为m³/s；

S为以m/s计的气相速度与以m/s计的液相速度之比，无量纲；

GVF为气相分率，无量纲；

μ_k为在气液两相混合流的测量温度T和测量压力P下以任何粘度单位例如Pa·s计的气体粘度μ_g与以任何粘度单位例如Pa·s计的液体粘度μ_l之比，无量纲。

本发明的第二方面涉及一种精确测量气液两相混合流体中气相体积流量和液相体积流量的方法，包括以下步骤：

a.使气液两相混合流体流过竖直设置的圆管，以形成环状气液两相流；所述环状气液两相流是指这样的一种流型：气体以圆柱状围绕圆管轴线，而液体以环状分布在气体与管壁之间；

b.测量该气液两相混合流体中的液相平均速度V1、温度T、压力P和气相分率GVF；

c.基于以下公式计算气液滑差因子S和气体体积流量Q_g和液体体积流量Q₁：

S＝2-GVF/(μ_k×（GVF-1）)

Q_g＝V1×A×GVF×S

Q₁＝V1×A×(1-GVF)

其中，

V1为液相平均速度，单位为m/s；

S为以m/s计的气相速度与以m/s计的液相速度之比，无量纲；

GVF为气相分率，无量纲；

μ_k为在气液两相混合流的测量温度T和测量压力P下以任何粘度单位例如Pa·s计的气体粘度μ_g与以任何粘度单位例如Pa·s计的液体粘度μl之比，无量纲；

A为圆管的横截面积，单位为m²。

本发明的第三方面涉及一种精确测量气液两相混合流体中气相体积流量和液相体积流量的方法，包括以下步骤：

a.使气液两相混合流体流过竖直设置的圆管，以形成环状气液两相流；所述环状气液两相流是指这样的一种流型：气体以圆柱状围绕圆管轴线，而液体以环状分布在气体与管壁之间；

b.测量该气液两相混合流体中的气相平均速度Vg、温度T、压力P和气相分率GVF；

c.基于以下公式计算气液滑差因子S和气体体积流量Q_g和液体体积流量Q_l：

S＝2-GVF/(μ_k×（GVF－1）)

Q_g＝Vg×A×GVF

Q_l＝Vg×A×(1-GVF)/S

其中，

Vg为气相平均速度，单位为m/s

S为以m/s计的气相速度与以m/s计的液相速度之比，无量纲；

GVF为气相分率，无量纲；

μ_k为在气液两相混合流的测量温度T和测量压力P下以任何粘度单位例如Pa·s计的气体粘度μ_g与以任何粘度单位例如Pa·s计的液体粘度μl之比，无量纲；

A为圆管的横截面积，单位为m²。

附图简述

图1是气液两相混合流体在竖直管路内形成环状流后的截面示意图。其中，中心白色部分为气相，环状阴影部分为液相。

图2是气液两相混合流体在竖直管路内形成环状流后，在某一截面处，气体速度和液体速度沿径向分布的示意图。

图3是气液两相混合流体在竖直管路内形成环雾状流后的截面示意图。其中，中心白色部分为雾，由气相和散布其中的液滴组成，环状阴影部分为液相。

图4为本发明的实施例中使用的测量方法的流程示意图。

图5是采用本发明环状流模型修正后的气相流量与真值相比的相对误差以及未进行修正的气相流量与真值相比的相对误差图。

图6是采用本发明环状流模型修正后的液相流量与真值相比的绝对误差以及未进行修正的液相流量与真值相比的绝对误差图。

以上附图仅仅是为了举例说明而提供，不打算以任何意图来限制本发明。本发明的保护范围仅由权利要求确定。

发明详述

本发明中使用的术语的定义如下：

“气液两相混合流体”是指运动中的气液混合物，其中气相与液相可以以任何方式混合。例如，气液两相可以具有连续的边界，形成所谓的“分层流”；或者液相悬浮于气体中，形成所谓的“液滴流”；或者气相悬浮于液相中，形成所谓的“气泡流”；或者管路内某一段是气体，另某一段为液体，形成所谓的“栓塞流”，等等。

“流量”是指单位时间内流过某截面的流体的体积。流量有多种计算方式，按时间分，有瞬间流量和积分流量之分，瞬间流量是指在某一时刻即时间点时的流量，积分流量是指在某一时间段内的流量，可以认为是瞬间流量在该时间段内的积分值，故此得名。生产上关心的是积分流量。故本发明中，除非另有专门说明，所提及的“流量”均是指积分流量。

“速度”，也称作“流速”，是指流体单位时间内流过的路程。“速度”这一术语在物理学和流体力学中本来是矢量，但在本发明中，将其作为标量来处理，认为管路中所有的流体的速度都是平行于管路轴线方向并指向流体前进方向的，故仅考虑其大小即可，而忽略其方向。这也是符合采油工业的实际需要的，因为人们通常只关心速度的大小，不关心其方向如何。“速度”又可细分为在截面上某一点处的速度和在整个截面上的平均速度，前者称为点速度，后者一般简称为截面平均速度。从概念上讲，截面平均速度是点速度在截面上的面积分值。本发明在使用速度的概念时，除非专门说明是点速度，否则都是指截面平均速度。在多相流中，某一相的速度，通常应该是指该相在其自己截面上的平均速度，本专利中的速度比也是各相的“平均速度”之比。

“气液滑差”是指气液两相混合流体在同一管路中的气相速度与液相速度之差。“气液滑差因子”是指气液两相混合流体在同一管路中的气相速度与液相速度之比，无量纲。

“相分率”，是指在多相流的某一流通横截面（在管道中流动时，即为管道横截面）上，某一相所占据的面积与该流通横截面面积的比例。根据所指称的相的不同，该术语又可分为“气相分率”（简称为GVF，又称截面含气率）和“液相分率”（又称截面含液率），分别指气相和液相在某一流通横截面上的所占据的面积与该流通横截面面积的比例。相分率可以用相分率计来测量。

“稳态流”是指流体的流型在宏观上不随时间变化，即达到所谓的“稳态”。

在本发明的第一方面的步骤a中，使气液两相混合流体流过竖直设置的圆管，以形成环状气液两相流；所述环状气液两相流是指这样的一种流型：气体以圆柱状围绕圆管轴线，而液体以环状分布在气体与管壁之间。一般认为，当气液两相混合流体在水平或倾斜管道中流动时，由于液相的密度要大于气相的密度，故液相会更多地分布在管道的中下部位置，这给气液两相各自的体积流量的计量以及校正气液滑差代来的误差造成了困难。为避免这种情况，本发明使使气液两相混合流体流过竖直设置的圆管，以形成气体在管中心流动而且液体在管壁和气体之间流动的流型，本发明中将其称作环状气液两相流。这样的环状气液两相流在测量上的优势是在稳态下气液速度场是围绕圆形管道的轴线对称分布的，这给气液滑差的校正带来了便利。本发明人通过大量的实验发现，通过控制以下条件：表观气速≥15m/s，可以在竖直圆管内稳定且可重现地实现这种环状气液两相流，其中表观气速的测量可通过其它传统的测量方式加以粗略地测定，例如通过将气相和液相进行分离后测量气相的体积流量，再除以管路横截面积得到表观气速。

在本发明的第一方面的步骤b中，测量该气液两相混合流体的总体积流量Q、温度T、压力P和气相分率GVF。其中，通过使用相分率计来在线测量所述气相分率GVF，所述相分率计选自单能伽马射线相分率计或双能伽马射线相分率计。这些相分率计都是可商购得到的成熟产品，本领域技术人员知晓去何处购买以及如何使用，故在此不再赘述。通常认为，所测得的气相分率GVF就是某一截面处气体所占据的面积与截面总面积之比。在本发明的环状流的情况下，气相分率GVF＝r₀ ²/R²,其中r⁰是如图1所示的圆柱状气体的半径，R是指圆形管的内径。温度T可以通过任何常规测温手段获得，例如通过热电偶或温度计来测量。压力P可以使用任何常规测压设备例如压力传感器或压力表来测得。总体积流量Q可以通过使用任何常规体积流量测量方法来测量，例如使用文丘里流量计、孔板流量计、转子流量计来测量，这些设备和方法都是已知的，且所使用的设备均可商购得到。具体来说，在本方面的一种实施方法中，使用文丘里流量计来计量总体积流量。该文丘里流量计可安装在管路任何位置，但优选安装在该竖直圆管中的某一段上，最优选安装在该竖直圆管中部，并距离该竖直圆管的入口和出口都有一定距离，例如大于该圆管直径的6倍以上的距离，以使得测得的流量比较准确。一般地，文丘里流量计都配有差压变送器，用于测量该流量计入口处与其喉部的压差，该压差可用于计算总体积流量Q，具体计算公式可从任何一本流体力学教科书或从流量计的使用说明书中查找。使用直接测量体积流量的流量计也是可以的。

在本发明的第一方面的步骤c中，基于以下公式计算气液滑差S和气体体积流量Q_g和液体体积流量Q_l：

S＝2-GVF/(μ_k×（GVF－1）)

Q_g＝Q×GVF×S/(1-GVF+S*GVF)

Q_l＝Q×(1-GVF)/(1-GVF+S*GVF)

其中，

Q为总体积流量，单位为m³/s；已经由步骤b测得。

S为以m/s计的气相速度与以m/s计的液相速度之比，无量纲；

GVF为气相分率，无量纲；已经由步骤b测得。

μ_k为在气液两相混合流的温度T下气体粘度μ_g与液体粘度μl之比，无量纲。认为气体粘度μ_g与液体粘度μ_l在本发明中是容易获得的物理量，且可以以任何粘度单位例如Pa·s计来表示。例如，测定温度T后，通过常规的气液组成通过查表或数值计算获得气体粘度μ_g和液体粘度μ_l，或者，通过任何常规方法将液体和气体分开后，分别用相应的仪器例如粘度计来进行测定。

值得一提的是，本发明中对气液滑差因子S的计算采用了现有技术中从未采用的方法。其具体计算过程如下：

本发明充分利用了步骤a中在圆形管道中得到的气液两相环状流的对称性和稳态性，并结合牛顿流体等特征（采油工业中所遇到的流体均为牛顿流体，关于牛顿流体的概念，可参见任何一本流体力学教科书），简化描气液述两相流体的普适公式Navier-Stokes动量方程，求出管道截面中的气液两相的速度分布的解析解，然后对气液各自的截面域积分后求出气液两相的流量，再利用气液两相体积流量和气液两相面积计算出气液两相各自在某一截面上的真实平均速度，二者的比值即为气液滑差因子的精确解析解表达式S。具体推导过程如下：

I.求解环状流中气液两相在柱坐标系下轴向速度沿径向分布的速度流场解析解形式，如图1所示：

首先，可以列出沿直的圆形管流动的环状流的Navier-Stokes方程在柱坐标系下的表示形式如下(这里只列出动量守恒方程，对所有流体状态及物性量通过下标g或l以区分气相或液相，其余各符号的含义见说明书末页的符号含义说明)：

（1）

（2）

（3）

根据气液两相的动量方程、对称性、牛顿流体假设、稳态、绝热、相间界面的连续性、管壁处的无滑移，并且忽略重力，对N-S方程进行简化，上述的方程退化为如下的常微分方程组，边界值问题也转化成了初值问题，初始条件、求解域由嵌套圆环退化为线性1维区间套，如图1所示：

$\frac{d^2{u}_{\mathrm{lz}}}{{\mathrm{dr}}^2}+\frac{1}{r}\left(\frac{d{u}_{\mathrm{lz}}}{\mathrm{dr}}\right)=\frac{1}{{\mathrm{\μ}}_l}\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dz}}---\left(4\right)$

r∈[r₀,R]

$\frac{d^2{u}_{\mathrm{gz}}}{{\mathrm{dr}}^2}+\frac{1}{r}\left(\frac{{\mathrm{du}}_{\mathrm{gz}}}{\mathrm{dr}}\right)=\frac{1}{{\mathrm{\μ}}_g}\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dz}}---\left(5\right)$

r∈[0，r₀]

u_lz(r)=0|_r＝R                           (6)

$\frac{{\mathrm{du}}_{\mathrm{gz}}}{\mathrm{dr}}=\frac{{\mathrm{du}}_{\mathrm{lz}}}{\mathrm{dr}}=0{|}_{r=0}---\left(7\right)$

$u_{\mathrm{lz}}\left(r\right)=u_{\mathrm{gz}}\left(r\right)=0{|}_{{r=r}_0}---\left(8\right)$

对上述方程组进行积分求解，可得到环状流中气液两相在柱坐标系下轴向速度沿径向分布的速度流场解析解形式如下：

$u_{\mathrm{lz}}\left(r\right)=\frac{r^2-R^2}{{4\mathrm{\μ}}_l}\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dz}}---\left(9\right)$

$u_{\mathrm{gz}}\left(r\right)=\frac{1}{4}(\frac{r_0^2-R^2}{{\mathrm{\μ}}_l}+\frac{r^2-r_0^2}{{\mathrm{\μ}}_g})\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dz}}---\left(10\right)$

II.通过对上述步骤得到的气液两相速度流场积分求出气液体积流量，即对u_lz，u_gz分别在对应的截面域求积分计算气体积流量Q_g和液体积流量Q₁如下：

$Q_g=\underset{0}{\overset{r_0}{\∫}}{u}_{\mathrm{gz}}\left(r\right)2\mathrm{\πrdr}=\underset{0}{\overset{r_0}{\∫}}\frac{1}{4}(\frac{r_0^2-R^2}{{\mathrm{\μ}}_l}+\frac{r^2-r_0^2}{{\mathrm{\μ}}_g})\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dz}}\left(2\mathrm{\πr}\right)\mathrm{dr}$

(11)

$=\frac{2\mathrm{\π}}{16}[\frac{2(r_0^4-R^2{r}_0^2)}{{\mathrm{\μ}}_l}+\frac{r_0^4}{{\mathrm{\μ}}_g}]\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dz}}$

$Q_l=\underset{r_0}{\overset{R}{\∫}}{u}_{\mathrm{lz}}\left(r\right)2\mathrm{\πrdr}=\underset{r_0}{\overset{R}{\∫}}\frac{r^2-R^2}{4{\mathrm{\μ}}_l}\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dz}}\left(2\mathrm{\πr}\right)\mathrm{dr}$

(12)

$=\frac{2\mathrm{\π}}{16}\left[\frac{-R^4-r_0^4+{2R}^2{r}_0^2}{{\mathrm{\μ}}_l}\right]\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dz}}$

III.通过上述步骤得到的气液体积流量计算出气液速度比的解析表达式，此表达式即为气液滑差精确解析解。在此，对环状流引入两个无量纲量：气柱与管径的半径平方比k＝r₀ ²/R²，前已论述，该气柱与管径的半径平方比等于气相分率GVF；在测量温度和测量压力下的气液粘度比μ_k=μ_g/μ_l。并对气量与液量做各自对应截面的平均速度比，则压力梯度和部分几何因子等同类项可以约掉，得到如下的气液速度比，即气液滑差精确解析解：

在更一般的情况下，在所述环状气液两相流中，气芯部分会或多或少地携带有一些液滴，形成所谓的雾状流，而液体仍以环状分布在气体与管壁之间，这种流型流态被称之为“环雾状气液两相流”，为了描述这种环雾状两相流的气液滑差规律，引入变量ε，相应地，滑差因子S的解析解为：

$S=\frac{(1-k)(\frac{1}{{\mathrm{\μ}}_{\text{k}}^{\′}}\frac{k}{\mathrm{\ϵ}}-2(\frac{k}{\mathrm{\ϵ}}-1))}{{(1-\frac{k}{\mathrm{\ϵ}})}^2+(1-\mathrm{\ϵ})(\frac{1}{{\mathrm{\μ}}_k^{\′}}{\left(\frac{k}{\mathrm{\ϵ}}\right)}^2-2({\left(\frac{k}{\mathrm{\ϵ}}\right)}^2-\frac{k}{\mathrm{\ϵ}}))}$

其中ε∈[k,1]，在环雾状流的情况下，k仍代表截面含气率GVF，但此时的截面含气率GVF应表述为：GVF=ε*(r₀ ²/R²)，μ′_k=εμ_k-ε+1。此公式中，当ε趋近k时，表明流型流态为没有液膜的纯雾状流，气液不存在滑差，S=1，当ε趋近1时，该公式退化为前述的理想气液环状流模型。

IV.将上述气液滑差精确解析解代入以下公式：

Q_g=Q*GVF

Q_l=Q*（1-GVF）

并做必要的简化和代数运算后，得到最终计算公式

S＝2-GVF/(μ_k×（GVF－1）)

Q_g＝Q×GVF×S/(1-GVF+S*GVF)

Q_l＝Q×(1-GVF)/(1-GVF+S*GVF)

由此，通过本发明的第一方面的方法，仅通过测量气液两相混合流体的总体积流量Q、温度T以及相分率GVF，即可精准地测量气液两相各自的体积流量，且对气液滑差的影响进行了校正。

在本发明的第二方面中，步骤a与本发明第一方面的步骤a相同。

在本发明的第二方面的步骤b中，测量该气液两相混合流体中的液相平均速度V_l、温度T、压力P和气相分率GVF。其中温度T、压力P和气相分率GVF的测量如同本发明第一方面的步骤b所述，在此不再赘述。而液相平均速度的测量，可以采用本领域常规测量方法，例如采用本领域常用的“互相关法”来测量。其基本原理是沿着液体流动方向在距离已知的两点处设置两个传感器，该传感器可以是基于微波、射线、差压或电阻抗的传感器，可用于检测流体的密度、电导率或电感。工作时，两个传感器检测同一信号经过此已知距离所需要的时间，然后计算出流体的平均速度。该“互相关法”的原理及其所使用的计算公式是现有技术已知的，例如参见挪威油气计量协会出版的《HANDBOOK OF MULTIPHASE FLOW METERING》,2005年3月，第二版。

在本发明的第二方面的步骤c中，基于以下公式计算气液滑差因子S和气体体积流量Q_g和液体体积流量Q_l：

S＝2-GVF/(μ_k×（GVF－1）)

Q_g＝V_l×A×GVF×S

Q_l＝V_l×A×(1-GVF)

其中，

V_l为液相平均速度，单位为m/s；

S为以m/s计的气相速度与以m/s计的液相速度之比，无量纲；

GVF为气相分率，无量纲；

μ_k为在气液两相混合流的测量温度T和测量压力P下以任何粘度单位例如Pa·s计的气体粘度μ_g与以任何粘度单位例如Pa·s计的液体粘度μl之比，无量纲；

A为圆管的横截面积，单位为m²。

在本发明的第三方面中，步骤a与本发明第一方面的步骤a相同。

在本发明的第三方面的步骤b中，测量该气液两相混合流体中的气相平均速度V_g、温度T、压力P和气相分率GVF。其中温度T、压力P和气相分率GVF的测量如同本发明第一方面的步骤b所述，在此不再赘述。而气相平均速度的测量，可以采用本领域常规测量方法，例如采用本领域常用的“互相关法”来测量。其基本原理是沿着气体流动方向在距离已知的两点处设置两个传感器，该传感器可以是基于微波、射线、差压或电阻抗的传感器，可用于检测流体的密度、电导率或电感。工作时，两个传感器检测同一信号经过此已知距离所需要的时间，然后用特定的公式计算出流体的平均速度。该“互相关法”的原理及其所使用的计算公式是现有技术已知的，例如参见挪威油气计量协会出版的《HANDBOOK OF MULTIPHASE FLOW METERING》,2005年3月，第二版。

在本发明的第三方面的步骤c中，基于以下公式计算气液滑差因子S和气体体积流量Q_g和液体体积流量Q_l：

S＝2-GVF/(μ_k×（GVF－1）)

Q_g＝V_g×A×GVF

Q_l＝V_g×A×(1-GVF)/S

其中，

V_g为气相平均速度，单位为m/s

S为以m/s计的气相速度与以m/s计的液相速度之比，无量纲；

GVF为气相分率，无量纲；

μ_k为在气液两相混合流的测量温度T和测量压力P下以任何粘度单位例如Pa·s计的气体粘度μ_g与以任何粘度单位例如Pa·s计的液体粘度μl之比，无量纲；

A为圆管的横截面积，单位为m²。

可以理解的是，本文提到的公式中各个变量的物理量尽量采用国际单位制即SI单位制，以确保没有单位换算的麻烦，还确保有些作为其它物理量的比值的物理量不会因为单位制的选取而造成数值的不同。但是，如果希望的话，也可以使用任何其它单位制，例如英制单位等，但要注意对所有单位进行自洽性统一。

实施例

提供以下实施例以更好地说明本发明及其优势。实施例是说明性的，而非限制性的。

参照附图4，来说明本申请的实施例。在常温下，使用液泵1将某一液体（例如原油、水或油水混合物，等等）经过标准液相流量计量系统2（例如用于测量液体流量的容积式流量计）送入气液混合器6中，其中由该标准液相流量计量系统2测得液相的体积流量Q_液。与此同时，使用气泵3将经过净化的某一气相（例如空气、氮气、天然气或油田伴生气，等等）经过稳压器4稳压后，再经过标准气相流量计量系统5(例如用于测量气体流量的速度式流量计)送入气液混合器6中，其中由该标准气体流量计量系统5测得气体的体积流量Q_气。液体与气体在气液混合器6中充分混合，形成气液两相流混合物，然后经过阀门7调节流速后流入竖直管路8中，其中根据已经测量的气体体积流量Q_气和管道横截面积A并结合阀门开度百分比来进行控制竖直管路8中的表观气速V_表气>15m/s，以在竖直圆管8中建立稳态的气液两相环状流。

用设置在竖直圆管8上的文丘里流量计9测量气液两相混合流的总体积流量Q。用与竖直管路8的轴线正交设置的相分率计10测量气相分率GVF。用温度表11和压力表12分别测量混合流体的温度T和压力P。实验中，系统的工作压力小于2.5MPa，液相和气相的最高温度不超过80℃。实验中测量液相和气相的标准流量计量系统的精确度如下表1所示：

表1

	精确度	类型
			标准液相流量计量系统	±0.2%	容积式流量计
标准气相流量计量系统	±1.0%	速度式流量计

也可以根据初步测得的Q、GVF以及管路横截面积用以下公式来初步计算表观气速V_表气：V_表气＝Q×GVF/A，并根据此初步计算结果是否大于15m/s来判断管路中是否已经建立起稳态的气液两相环状流。可调节阀门开度来调节表观气速，使之达到上述建立稳态气液两相环状流的临界状态。

在达到稳态的气液两相环状流后，以10分钟为时间间隔，分别在在不同的时间点处对上述物理量独立进行多次测量，以考察本发明的方法的可重复实施性。测量结果见表2。

在测得温度T后，气相粘度μ_g和液体粘度μ_l分别通过相关技术手册查表获得，或者根据物性数据由热力学计算获得，这些都是常规方法，不再赘述。

真值的确定

认为上述经标准流量计量系统测得的Q_液和Q_气为液体体积流量和气体流量的真值。将各种测量方法得到的测量值Q_l和Q_g与该真值进行比较。按照本领域的习惯性做法，气相流量的误差以相对误差表示：Eg＝（Q_g－Q_气）/Q_气×100%；而液相流量的误差则以绝对误差表示。El＝Q_l－Q_液。

对比例

各物理量的测量过程如上所述，但计算时不考虑气液滑差因子的影响，直接使用下列公式计算每次测量时气相体积流量Q_g和液相体积流量Q_l:

Q_g＝Q×GVF，

Q_l＝Q×（1-GVF）

并分别计算E1和Eg，分别列于表3中，并根据表2绘图，示于图5和图6中。

实施例1

各物理量的测量过程如上所述，计算时考虑气液滑差因子的影响，采用以下公式计算每次测量时气相体积流量Q_g和液相体积流量Q_l:

S＝2-GVF/(μ_k×（GVF－1）)

Q_g＝Q×GVF×S/(1-GVF+S*GVF)

Q_l＝Q×(1-GVF)/(1-GVF+S*GVF)

其中，

Q为总体积流量，单位为m³/s；

S为以m/s计的气相速度与以m/s计的液相速度之比，无量纲；

GVF为气相分率，无量纲；

μ_k为在气液两相混合流的测量温度T和测量压力P下以任何粘度单位例如Pa·s计的气体粘度μ_g与以任何粘度单位例如Pa·s计的液体粘度μl之比，无量纲

并分别计算El和Eg，也列于表2中。并根据表2绘图，示于图5和图6中。

从上述实施例以及附图5和6可见，本发明相对于传统技术，对于气液两相混合流中的气相流量和液相流量的测量结果，能够获得更小的测量误差。

值得指出的是，以上实施例中标准液相流量计量系统和标准气相流量计量系统并不是实施本发明的方法所必须的，实施例中使用它们仅仅是为了获取液相流量和气相流量的真值，以便验证根据本发明的方法测得的液相流量和气相流量的测量精确度。相应地，将气液混合物分离成单独的液相和气相也不是实施本发明所必须的。本发明的方法可以直接对油井中采出的已经是气液混合物的气液两相流进行测量。并且在环状流流型的判定上，可以根据首次测量结果，先初步计算V_表气，看其是否大于15m/s，然后结合阀门开度的调节，采用试差法或迭代法，逐步以每次测量的V_表气作为判据，来判断竖直圆管内是否已经形成环状流。

本发明的第二方面与第三方面的实施例与第一方面的实施例之间的区别仅仅在于测量总体积流量Q的方法有所不同，但采用的对滑差进行修正的方法是完全相同的。故不再举例说明。

本发明的创新性在于，通过使气液两相流在竖直圆管内形成气液环状流，简化了流型的计算，并基于该环状流流型，首次给出了气液滑差因子的解析解，使得气相流量和液相流量的计算更加精准，测量过程也更加便捷迅速。且本发明的方法适用条件宽，摆脱了传统的基于经验模型计算流量时对既往实验数据和测量条件的强烈依赖性。在更一般的情况下，本发明还可以在环雾状流流型的情况下进行测量，这进一步扩大了本发明的适用范围。

符号含义说明

z    柱坐标中的柱中心轴方向坐标

r    柱坐标中的径向坐标

φ   柱坐标中的纬方向角坐标

ρ   流体密度

g    重力加速度

φ   柱坐标中的纬方向角坐标

u_lz  液相速度沿z轴方向分量，也是沿管线轴向分量

u_gz  气相速度沿z轴方向分量，也是沿管线轴向分量

μ_g  气相粘度

μ_l  液相粘度

μ_k  μ_g/μ_l

C₁,C₂待定积分常数

k    r₀/R

Q_g   气相流量

Q_l   液相流量

z    柱坐标中的柱中心轴方向坐标

Claims (10)

1.一种精确测量气液两相混合流体中气相体积流量和液相体积流量的方法，包括以下步骤：

a.使气液两相混合流体流过竖直设置的圆管，以形成环状气液两相流；所述环状气液两相流是指这样的一种流型：气体以圆柱状围绕圆管轴线，而液体以环状分布在气体与管壁之间；

b.测量该气液两相混合流体的总体积流量Q、温度T、压力P和气相分率GVF；

c.基于以下公式计算气液滑差因子S和气体体积流量Q_g和液体体积流量Q_l：

S＝2-GVF/(μ_k×(GVF－1))

Q_g＝Q×GVF×S/(1-GVF+S*GVF)

Q_l＝Q×(1-GVF)/(1-GVF+S*GVF)

其中，

Q为总体积流量，单位为m³/s；

S为以m/s计的气相速度与以m/s计的液相速度之比，无量纲；

GVF为气相分率，无量纲；

μ_k为在气液两相混合流的测量温度T和测量压力P下以任何粘度单位计的气体粘度μ_g与以任何粘度单位计的液体粘度μl之比，无量纲。

2.一种精确测量气液两相混合流体中气相体积流量和液相体积流量的方法，包括以下步骤：

a.使气液两相混合流体流过竖直设置的圆管，以形成环状气液两相流；所述环状气液两相流是指这样的一种流型：气体以圆柱状围绕圆管轴线，而液体以环状分布在气体与管壁之间；

b.测量该气液两相混合流体中的液相平均速度V_l、温度T、压力P和气相分率GVF；

c.基于以下公式计算气液滑差因子S和气体体积流量Q_g和液体体积流量Q_l：

S＝2-GVF/(μ_k×(GVF－1))

Q_g＝V_l×A×GVF×S

Q_l＝V_l×A×(1-GVF)

其中，

V_l为液相平均速度，单位为m/s；

S为以m/s计的气相速度与以m/s计的液相速度之比，无量纲；

GVF为气相分率，无量纲；

μ_k为在气液两相混合流的测量温度T和测量压力P下以任何粘度单位计的气体粘度μ_g与以任何粘度单位计的液体粘度μl之比，无量纲；

A为圆管的横截面积，单位为m²。

3.一种精确测量气液两相混合流体中气相体积流量和液相体积流量的方法，包括以下步骤：

a.使气液两相混合流体流过竖直设置的圆管，以形成环状气液两相流；所述环状气液两相流是指这样的一种流型：气体以圆柱状围绕圆管轴线，而液体以环状分布在气体与管壁之间；

b.测量该气液两相混合流体中的气相平均速度V_g、温度T、压力P和气相分率GVF；

c.基于以下公式计算气液滑差因子S和气体体积流量Q_g和液体体积流量Q_l：

S＝2-GVF/(μ_k×(GVF－1))

Q_g＝V_g×A×GVF

Q_l＝V_g×A×(1-GVF)/S

其中，

V_g为气相平均速度，单位为m/s

S为以m/s计的气相速度与以m/s计的液相速度之比，无量纲；

GVF为气相分率，无量纲；

μ_k为在气液两相混合流的测量温度T和测量压力P下以任何粘度单位计的气体粘度μ_g与以任何粘度单位计的液体粘度μl之比，无量纲；

A为圆管的横截面积，单位为m²。

4.权利要求1－3中任一项的方法，其中使用相分率计来在线测量所述的气相分率GVF，所述相分率计选自单能伽马射线相分率计或双能伽马射线相分率计。

5.权利要求1的方法，其中使用文丘里流量计、孔板流量计、转子流量计来测量所述总体积流量Q。

6.权利要求2的方法，其中使用互相关法来测量液相平均速度V_l。

7.权利要求3的方法，其中使用互相关法来测量气相平均速度V_g。

8.权利要求1－3中任一项的方法，其中所述气液两相混合流体以大于15m/s的表观气速流过所述竖直设置的圆管。

9.一种精确测量气液两相混合流体中气相体积流量和液相体积流量的方法，包括以下步骤：

a.使气液两相混合流体流过竖直设置的圆管，以形成环雾状气液两相流；所述环雾状气液两相流是指这样的一种流型：其中悬浮有液滴的气体以圆柱状围绕圆管轴线，而液体以环状分布在气体与管壁之间；

b.测量该气液两相混合流体的总体积流量Q、温度T、压力P和气相分率GVF；

c.基于以下公式计算气液滑差因子S和气体体积流量Q_g和液体体积流量Q_l：

$S=\frac{(1-k)(\frac{1}{{\mathrm{\μ}}_k^{\′}}\frac{k}{\mathrm{\ϵ}}-2(\frac{k}{\mathrm{\ϵ}}-1))}{{(1-\frac{k}{\mathrm{\ϵ}})}^2+(1-\mathrm{\ϵ})(\frac{1}{{\mathrm{\μ}}_k^{\′}}{\left(\frac{k}{\mathrm{\ϵ}}\right)}^2-2({\left(\frac{k}{\mathrm{\ϵ}}\right)}^2-\frac{k}{\mathrm{\ϵ}}))}$

其中ε∈[k，1]，在环雾状流的情况下，k仍代表截面含气率GVF，但此时的截面含气率GVF应表述为：GVF＝ε*(r₀ ²/R²)，r₀ ²/R²表示气柱与管径的半径平方比，μ′_k＝εμ_k-ε+1；

Q_g＝Q×GVF×S/(1-GVF+S*GVF)

Q_l＝Q×(1-GVF)/(1-GVF+S*GVF)

其中，

Q为总体积流量，单位为m³/s；

S为以m/s计的气相速度与以m/s计的液相速度之比，无量纲；

GVF为气相分率，无量纲；

μ_k为在气液两相混合流的测量温度T和测量压力P下以任何粘度单位计的气体粘度μ_g与以任何粘度单位计的液体粘度μl之比，无量纲。

10.权利要求1-3、9任一项所述的方法，其中所述的气体粘度单位为Pa·s，所述的液体粘度单位为Pa·s。