CN102879410A

CN102879410A - 一种在线测量油水气多相流含率的方法及装置

Info

Publication number: CN102879410A
Application number: CN2012103019763A
Authority: CN
Inventors: 贺江林; 曹建
Original assignee: BEIJING GANDAYUAN TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: BEIJING GANDAYUAN TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2012-08-22
Filing date: 2012-08-22
Publication date: 2013-01-16
Anticipated expiration: 2032-08-22
Also published as: CN102879410B

Abstract

本发明涉及一种在线测量油水气多相流含率的方法及装置，所述方法利用90keV以上的X射线测量气相和液相的比例，气液分离后再利用65keV以下的X射线测量油与水的比例，最终计算出油、水、气的比率。所述装置包括主控计算机、气液含率测试系统和水油含率测试系统、气液分离装置。本发明的既解决了待测样品对测量设备腐蚀严重的问题，又便于辐射防护。在高含气、高凝点原油、高流速情况下依旧能够保持高准确性，提高了测试结果的可靠性。所述装置紧紧依附于管道上，占据空间小；能够实现自动测量，无需工作人员值守。

Description

一种在线测量油水气多相流含率的方法及装置

技术领域

本发明属于多相流计量、测量领域，具体涉及一种用于在线测量油水气多相流中油、水、气各相含率的方法和装置。

背景技术

近年来，随着客户需求及石油工业生产与输运条件的提升，油水气多相流量计的产学研水平都在不断提高。用户对油气水含率的稳定精确定量监测有了更高要求。从油井开采出的原油，是油、水、天然气等多相介质组成的混合物，处理这种混合物首先要进行气液分离，剩下的油水混合液体经脱水处理后得到含水率很低的成品油进行外输或销售。在原油气液分离、脱水处理等一系列生产活动中，需要及时准确地掌握原油中各相物质的含率情况及流量，以便控制生产过程，保证生产出合格的成品原油。因此，原油各相含率指标是石化行业石油采集、提炼及运输过程中一个重要参数，对原油进行油、气、水三相的准确在线测量在原油生产、贸易中有着重要作用。

目前成熟的油水两相计量技术中，测量原油含水率的方法主要有以下几种：人工蒸馏化验法、微波法(或射频法)（如：CN1112677）、电容法（如：CN1186236）、导热法（如：CN1259671）、振动密度计法（如：CN1789969,CN2359692）和射线法（如：CN86105543A，CN2359692Y，CN1086602A，CN2383068Y）。除射线法以外的其它各种测量方法，都属接触式测量，由于原油腐蚀性较强，结垢、结蜡严重，对常用材料有明显腐蚀，另外管道内部温度较高，压力很大，这些均对接触器件的耐腐性、耐温耐压性等提出了较高的要求，接触式仪表长期运行可靠性差，另外接触式仪表都无法消除含气对含水率测量带来的影响，从而导致比较大的测量误差。

传统三相计量方法，不论是在线测量，还是先进行气液两相分离的部分分离式测量（如CN200720032795，CN200920032689），针对各相含率测量，均是采用容积法、密度法、射线法、差压法测量出气相含率，结合电容、密度、微波法、差压法或射线法进一步计算出油和水的比例。以上含率测试除射线法，均属于接触测量，而传统射线法利用²⁴¹Am、¹³³Ba、¹³⁷Cs等放射源发出的γ射线，能量单一，辐射危害持续存在，且存在贮源、倒源时的操作风险。

发明内容

针对以上问题，本发明提供了一种采用X射线能谱作为探测信号，利用油、水、气不同介质对能量信号的吸收和散射系数不同的原理来测量多相流中的油、水、气各相含量的方法及装置。

本发明是通过以下技术手段来实现上述技术目的的。

一种在线测量油水气多相流含率的方法，包括以下步骤：

（1）利用能量为90keV以上的X射线照射油水气多相流，根据探测器接收到的射线信号计算出所述多相流中气相和液相的比例，所述液相包括油和水；

（2）气液分离：将经过步骤（1）油水气多相流中的气相分离出来，得到由油和水组成的液相；

（3）利用能量为65keV以下的X射线照射步骤（2）得到的液相，根据探测器接收到的射线信号计算出液相中油与水的比例；

（4）根据步骤（1）所得到的气相和液相的比例，以及步骤（3）中得到的油与水的比例，计算出多相流中油、水、气的比率。

优选地，所述步骤（1）中所述X射线的为能量100keV以上的X射线。

优选地，所述步骤（2）中所采用的气液分离方法为旋转分离、自然沉降中的一种。

优选地，所述步骤（2）、步骤（3）的测量方式为单点、连续、间歇测试中的一种。

优选地，所述的油为原油、汽油、柴油、变压器油中的一种。

一种在线测量油水气多相流含率的装置，包括主控计算机、气液含率测试系统和水油含率测试系统，所述气液含率测试系统包括第一发生控制器、第一X射线产生装置、第一探测器，所述第一发生控制器由主控计算机远程控制、并与第一X射线产生装置电连接，所述第一探测器与主控计算机相连，所述第一X射线产生装置与第一探测器分别置于第一管道的两侧；所述水油含率测试系统，包括第二发生控制器、第二X射线产生装置、第二探测器，所述第二发生控制器由主控计算机远程控制、并与第二X射线产生装置电连接，所述第二探测器与主控计算机相连，所述第二X射线产生装置与第二探测器分别置于第二管道的两侧；所述第一管道与第二管道相连通、且所述第一管道与第二管道相之间设置有气液分离装置。

优选地，所述第一X射线产生装置、第一探测器与第一管道之间、所述第二X射线产生装置、第二探测器与第二管道之间均设置有准直器。

优选地，所述第一X射线产生装置、第二X射线产生装置为X光机。

优选地，所述探测器为半导体探测器、闪烁体探测器中的一种。

本发明提供的在线测量油水气多相流含率的方法，采用X射线能谱作为探测信号，利用油、水、气不同介质对能量信号的吸收和散射系数不同的原理来测量油水气中的油、水、气各相含量。即利用能量为90keV以上的X射线测量出气、液（包括油、水）比例，利用能量为65keV以下的X射线测量出液相中油与水的比例。在测量过程中测量设备与待测样品无接触，对管道内流体状态不产生影响，解决了待测样品对测量设备腐蚀严重的问题。并且在高含气、高凝点原油、高流速情况下依旧能够保持高准确性。

本发明提供的在线测量油水气多相流含率的装置，采用X射线产生装置作为信号发射装置，发出连续能量的X射线与物质存在多种作用效应。当X射线产生装置断电以后，将不再产生X射线，即不再具有危害性。所述在线测量油水气多相流含率的装置的气液含率测试系统和水油含率测试系统均紧紧依附于管道上，占据空间小。在测量过程中，工作人员能够自主设置控制和数据处理软件，方便采用单点、连续、间歇等多种方式进行测量。并且将设定的测试程序保存后，即能够实现自动测量，无需工作人员值守。所述多相流含率测量装置中设置准直器，X射线信号发射与接收装置均采用准直技术，既保证了数据的代表性、实时性，又便于辐射防护。另外，在所述在线测量多相流含率的装置的装配过程排除电磁干扰，能提高系统稳定性，测试结果的可靠性得到进一步提高。

附图说明

图1为本发明在线测量油水气多相流含率的方法的原理示意图。

图2为本发明在线测量油水气多相流含率的装置的结构示意图。

图3为水、油、甲烷等物质的质量衰减系数随射线能量变化的趋势图。

图4为盲样测试结果与盲样的实际配比的标定曲线。

图5为对一系列不同质量高度下的不同油水比例的液相测量的结果。

图中：1-第一X射线产生装置，2-第一探测器，3-第二X射线产生装置，4-第二探测器，5-气液分离装置。

具体实施方式

为了更清楚的说明本发明的技术方案，下面结合具体实施例及附图对本发明做进一步详细的介绍。

本发明在线测量油水气多相流含率的方法，是基于光在物质中传播所遵循的朗伯定律：

I = I_{0} e^{- μ \cdot l} = I_{0} e^{- μ_{m} \cdot ρ \cdot l}

其中，I是出射光强度，I₀是入射光强度，μ是光在物质中的衰减系数，包含了散射衰减和吸收衰减，l是光在物质中传播路径长度，μ_m是光在物质中的质量衰减系数，ρ是物质密度，μ_m=μ/ρ。

光也是一种电磁波，不同物质对于不同能量电磁波的衰减系数不同，当电磁波经过油、水、气混合物时，透过的电磁波信号强度会随着油、水、气三相比例的变化而变化，从而根据对接收信号的分析计算能够获得各相物质的质量/体积百分含率。由于波长较短的电磁波穿透能力较强，所以通常采用X射线、γ射线作为探测信号。

图3示出了水、油、甲烷等物质的质量衰减系数μ_m随射线（例如X射线、γ射线）能量变化的趋势图。如图3所示，对于水、原油和甲烷等物质，当射线能量小于30keV时，质量衰减系数μ_m相差较大，而当射线能量介于50keV到90keV之间时，质量衰减系数μ_m的差别减小，射线能量大于90keV时，质量衰减系数μ_m基本相同。

利用以上特性，本发明分别采用高能量X射线、低能量X射线对多相流进行测量，其原理如图1所示。所述在线测量油水气多相流含率的方法，包括以下步骤：

（1）利用能量为90keV以上的X射线照射油水气多相流，根据探测器接收到的射线信号计算出所述多相流中气相和液相的比例，所述液相包括油和水。

具体地，在X射线的能量为90keV以上的高能区，原油和水的质量衰减系数μ_m相当，即等质量的原油和水对90keV以上的高能X射线信号的衰减一样，此时出射X射线的强度与三相流中液体体积/质量百分含量直接相关，所以通过90keV以上的X射线信号的衰减与气液含率变化曲线的对比能够标定出气相、包含油和水的液相的比例。较佳地，利用能量为100keV以上的X射线标定气相与液相的含率。

（2）气液分离：将经过步骤（1）油水气多相流中的气相分离出来，得到由油和水组成的液相。具体地，气液分离的方法采用为旋转分离方法或自然沉降分离方法。

（3）利用能量为65keV以下的X射线照射步骤（2）得到的液相，根据探测器接收到的射线信号计算出液相中油与水的比例。

具体地，在能量为65keV以下的X射线低能信号区，油和水的质量衰减系数μ_m明显不同，能量为65keV以下的X射线透射油和水的混合物后，出射X射线信号强度与所述混合物中油和水的比例相关，所以通过能量为65keV以下的X射线的衰减与油水含率变化曲线的对比标定出液相中油和水的比例。

由于原油、汽油、柴油、变压器油等均属于碳氢化合物，与水对比，对不同能量的X射线质量衰减特性都存在以上差别和规律，故本发明所述的方法适用于原油、汽油、柴油、变压器油。同时，在具体的测试过程中，在测量过程中，工作人员能够自主设置控制和数据处理软件，对所述步骤（1）、步骤（3）的测量方便的采用单点、连续、间歇等多种方式进行测量。

如图1、图2所示，本发明提供的在线测量油水气多相流含率的装置，包括主控计算机、气液含率测试系统和水油含率测试系统。所述气液含率测试系统包括第一发生控制器、第一X射线产生装置1、第一探测器2，所述第一发生控制器由主控计算机远程控制、并与第一X射线产生装置1电连接，所述第一探测器2与主控计算机相连，所述第一X射线产生装置1与第一探测器2分别置于第一管道的两侧。所述水油含率测试系统，包括第二发生控制器、第二X射线产生装置3、第二探测器4，所述第二发生控制器由主控计算机远程控制、并与第二X射线产生装置3电连接，所述第二探测器4与主控计算机相连，所述第二X射线产生装置3与第二探测器4分别置于第二管道的两侧。所述气液含率测试系统用于测量气相与液相的比例，所述水油含率测试系统用于测量油与水的比例。气液含率测试系统与水油含率测试系统之间安装有气液分离装置5，用于为水油测试系统提供测试样本。具体的，气液分离装置5设置在所述第一管道与第二管道相连通、且所述第一管道与第二管道之间。

本发明所述的在线测量油水气多相流含率的装置中，所述第一X射线产生装置1、第二X射线产生装置3采用高压射线发生器，例如X光机等Ⅲ类辐射装置。所述探测器为半导体探测器或闪烁体GOS线阵探测器。

进一步地，为了保证所测得的数据的代表性、实时性，以及提高对X射线的辐射防护，X射线信号发射与接收装置均采用准直技术，在所述第一X射线产生装置1、第一探测器2与第一管道之间、所述第二X射线产生装置3、第二探测器4与第二管道之间均设置有准直器。设置铅皮箱体作为屏蔽箱体包裹X射线通道，即所述气液含率测试系统与水油含率测试系统。

利用本发明所述在线测量油水气多相流含率的装置进行多相流含率测量时，主控计算机远程控制第一发生控制器与第二发生控制器，使第一X射线产生装置1与第二X射线产生装置3分别发射出100keV以上的X射线和65keV以下的X射线，主控计算机根据第一探测器2与第二探测器4接收到的出射X射线数据得出气相与液相的比例、油和水的比例，并计算得到各相含率。

以下列举利用本发明所述装置进行多相流含率测量的过程和结果。

（1）利用水油含率测试系统对油与水两相含率测量

管道内传输压力0.1MPa，温度40℃；管道内部无气体，全部为油和水构成的液相。设置X光机的管电压为60KV，管电流为0.5mA，闪烁体GOS线阵探测器的积分时间3ms，管道内径80mm，气液含率测试系统的X光机与探测器处于关闭状态。

对从纯水到纯油的11个标准样品进行了油与水两相含率测量，测量结果见表1。对测量结果进行统计拟合，做出了线性至5次曲线的拟合，综合评定精度和简易性，3次曲线较为合适，所得多项式为：

y＝241.53454 9.28003x 0.09976x² 0.000291071x³

其中，y为含油率，x为所测出射X射线的信号值。

表1 两相标定与盲样测试结果

标定完毕，将已知配比的样品作为盲样进行测试，一共测试了纯水至纯油区间8个盲样，每个样品的测量结果以1分钟内所测结果的平均值为准。统计测量值如表1所示，对盲样进行测试的结果与盲样的实际配比的标定曲线如图4所示。

从验证结果看出，在低含油区，测量值略低于实际值（即实际配比），在中高含油区，测量值稍高于实际值，根据标定曲线的测量结果绝对误差不超过1%。本产品动态测量分辨率可达到5‰。

（2）油、水、气三相含率测量

管道传输压力0.1MPa，内部温度40℃，进样主管道与气液分离装置5底部管道内径80mm。

设置气液含率测试系统的参数：X光机的管电压为120KV，管电流为0.5mA；第一探测器2的积分时间为3ms。

设置水油含率测试系统的参数：X光机的管电压60KV，管电流0.5mA；第二探测器4积分时间3ms。

表2 第一探测器测得的出射X射线的信号值

质量高度（cm）	6	7	8	9	10
						信号值	207.25	192.75	162.25	138.5	115.25

气液含率测试系统测量了6、7、8、9、10cm五个质量高度的样品，第一探测器2测得的出射X射线的信号值如表2所示。

根据数据线性拟合的结果为：

y=14.85-x/23.825

其中，y为质量高度，x为第一探测器2所测得到出射X射线的信号值。

利用水油含率测试系统对同一质量高度，不同油水比例的样品进行测试，测量了6、7、8、9、10cm五个质量高度，第二探测器4获得处理数据的规律结果如图5所示。

标定完毕，使用未知质量、未知油水比例的盲样来检验算法的正确性。实验共采集了八组数据，读入八组数据处理后得到表3所示结果。

表3 三相盲样测试结果

编号	1	2	3	4	5	6	7	8
									探测器4信号	0.4434	0.4693	0.5359	0.4569	0.5458	0.5343	0.5157	0.6447
探测器2信号	117.25	119.75	125.25	167	171.25	204.25	234	234.5
									测量厚度（cm）	9.9287	9.8238	9.5929	7.8406	7.6622	6.2771	5.0284	5.0074
实际厚度（cm）	10	10	10	8	8	7	6	6
									测量含油率	35%	45.0%	81.6%	7%	63%	25%	4%	65%
实际含油率	30%	50%	80%	10%	60%	30%	0%	70%

从验证结果分析，对于三相含率测量，含气率的相对误差最高约16.5%，含油/含水绝对误差最高5%，精度优于业内7%的误差水平。

以上所述仅为本发明的较佳的实施方式，并非用来限定本发明的实施范围；在不背离本发明精神及其技术方案的情况下，本领域的技术人员凡是依本发明内容所做出各种相应的改进、替换或变型，都属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种在线测量油水气多相流含率的方法，其特征在于，包括以下步骤：

（2）气液分离：将经过步骤（1）多相流中的气相分离出来，得到由油和水组成的液相；

2.根据权利要求1所述的在线测量油水气多相流含率的方法，其特征在于，所述步骤（1）中所述X射线的为能量100keV以上的X射线。

3.根据权利要求1所述的在线测量油水气多相流含率的方法，其特征在于，所述步骤（2）中所采用的气液分离方法为旋转分离、自然沉降中的一种。

4.根据权利要求1所述的在线测量油水气多相流含率的方法，其特征在于，所述步骤（2）、步骤（3）的测量方式为单点、连续、间歇测试中的一种。

5.根据权利要求14任一项所述的在线测量油水气多相流含率的方法，其特征在于，所述的油为原油、汽油、柴油、变压器油中的一种。

6.一种在线测量油水气多相流含率的装置，其特征在于，包括主控计算机、气液含率测试系统和水油含率测试系统，所述气液含率测试系统包括第一发生控制器、第一X射线产生装置（1）、第一探测器（2），所述第一发生控制器由主控计算机远程控制、并与第一X射线产生装置（1）电连接，所述第一探测器（2）与主控计算机相连，所述第一X射线产生装置（1）与第一探测器（2）分别置于第一管道的两侧；所述水油含率测试系统，包括第二发生控制器、第二X射线产生装置（3）、第二探测器（4），所述第二发生控制器由主控计算机远程控制、并与第二X射线产生装置（3）电连接，所述第二探测器（4）与主控计算机相连，所述第二X射线产生装置（3）与第二探测器（4）分别置于第二管道的两侧；所述第一管道与第二管道相连通、且所述第一管道与第二管道相之间设置有气液分离装置（5）。

7.根据权利要求6所述的在线测量油水气多相流含率的装置，其特征在于，所述第一X射线产生装置（1）、第一探测器（2）与第一管道之间、所述第二X射线产生装置（3）、第二探测器（4）与第二管道之间均设置有准直器。

8.根据权利要求6所述的在线测量油水气多相流含率的装置，其特征在于，所述第一X射线产生装置（1）、第二X射线产生装置（3）为X光机。

9.根据权利要求6所述的在线测量油水气多相流含率的装置，其特征在于，所述探测器为半导体探测器、闪烁体探测器中的一种。