CN103090913A - 天然气和凝析油/水的气液两相流量测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种天然气和凝析油/水的气液两相流量测量方法及装置：设置U型管、针阀、温度传感器和压力传感器；在U形管之后设置倒U型管，在倒U型管上安装第一流动整流器和第一文丘里管；第一文丘里管上安装第一差压传感器；在倒U型管后方安装第二流动整流器和第二文丘里管；温度传感器、压力传感器、第一差压传感器和第二压差传感器分别连接单片机，单片机收集各部件传送的信息，再计算天然气流量和凝析油/水的流量，最后通过无线数据传输模块与远端数据平台通信。本发明有效解决了混合有凝析油的天然气的流量测量的难题，测量方法合理科学，测量装置可靠，测量精度高。

Description

天然气和凝析油/水的气液两相流量测量方法及装置

技术领域

本发明属于石油生产的测量技术领域，具体涉及一种天然气和凝析油/水的气液两相流量测量方法及装置。

背景技术

在天然气开采过程中，同时开采出的还有水和凝析油，为了确定天然气的产量，了解地层油气含量及地层结构的变化，需要对产出的天然气进行连续计量，由于天然气采出过程中，也同时开采出凝析油和水，使得单一的天然气流量计测量误差增大，当凝析油和水产出较多时，单一天然气流量计就无法使用。因此，对天然气进行计量时，必须考虑凝析油和水的产出，也就是要进行气液两相的流量计量。

气体流量计有很多种，如容积式、压差式、质量式、动量式、超声波等。但是，对于天然气生产中的流量测量仍然是个难题。测量的困难在于天然气中带有不等量的水和凝析油，从而影响天然气的测量，大多数天然气流量计的测量误差比较大。从体积上来说，即使天然气中含水的比率很小，可是从质量上来说比率就很大，液体的存在使得绝大多数流量计的测量误差增大。例如，每日生产5万方天然气含有水大约为0.5方，在1.0mpa压力下，天然气体积为5000方，和水的体积比是10000:1，而重量比为10:1，这就会影响很多种类流量计的准确计量。有些水是以水滴形态存在，当水滴冲击流量计时，会使流量计产生大的测量误差。大多数流量计的测量原理中都需要知道天然气密度，而水和凝析油的存在使天然气的真实密度产生很大的变化，从而使流量测量产生很大误差。另外，水滴附着在测量段，改变了测量的流通截面，直接影响流量的精确测量。天然气中的液体测量也是个难题，凝析油和游离水是伴随天然气从地层产出，以及随生产过程中温度和压力降低而变化。在管线中，液体可以贴近壁面作液膜流动，也可以作块状流动，这样的流动形态使流量测量更加困难。

综上，研究开发测量精度高、稳定可靠的天然气和液体多相流量计对天然气生产具有非常重要的意义，可极大地促进天然气计量技术的提高，提高天然气生产开发管理技术水平。

发明内容

针对上述现有技术中存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种天然气和凝析油/水的气液两相流量测量方法及装置，其通过在测量管道设置U型管、倒U型管、流动整流器、文丘里管，同时设置了压力、温度、差压传感器以及针阀，采集进口处以及中段的气液两相混合物的参数，最终计算得到气液两相混合物中天然气和凝析油各自的流量参数。

为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：

一种天然气和凝析油/水的气液两相流量测量方法，具体包括如下步骤：

步骤一，在测量管道的进口处设置与测量管道相连通的U型管；在U型管底部安装针阀；在U型管所在的测量管道处安装温度传感器和压力传感器；

步骤二，按照天然气和凝析油/水的混合物流动的方向，在U形管之后设置与测量管道相连通的倒U型管，在该倒U型管的上升段按上升方向依次安装第一流动整流器和第一文丘里管,且第一文丘里管竖直放置；在第一文丘里管上安装第一差压传感器，且第一文丘里管和第一差压传感器相连通；

步骤三，按照天然气和凝析油/水的混合物流动的方向，在倒U型管后方的水平段依次安装第二流动整流器和第二文丘里管，且第二文丘里管水平放置，在第二文丘里管外部安装第二差压传感器；

步骤四，将所述温度传感器、压力传感器、第一差压传感器和第二压差传感器分别连接单片机，单片机收集各部件传送的信息，再计算天然气流量和凝析油/水的流量；单片机的具体计算过程如下：

天然气流量和凝析油/水的气液两相混合物的总流量Q（单位，立方米/秒）：

$Q=A\×c\×\mathrm{\ϵ}\sqrt{{2\mathrm{dp}}_2/\mathrm{\ρ}}$           (公式1)

式中，A为第一文丘里管的截面积，单位：平方米；c为流量系数，可由试验确定，对于标准文丘里管，c=1；ε为可压缩系数，当管线内流速远小于音速时，ε=1；dp₂为第二文丘里管的压力降，单位：Mpa，由第二差压传感器测得；ρ为气液混合物的密度，单位：公斤/立方米，通过公式2计算得到：

dp₁＝dp₂+ρgH          (公式2)

式中，H为第一文丘里管的高度，ρ是气液两相混合物的密度；dp₁为第一文丘里管的压力降，单位：Mpa，由第一压差传感器测得；dp₂为第二文丘里管的动压力降，单位：Mpa，由第二差压传感器测得；ρgH为重位压力降，g为重力加速度，取9.8米/秒²。

ρ＝ρ_g×α+ρ_W×(1-α)          (公式3)

式中，α为含气率，ρ_W为水密度，取1000kg/m³；ρ_g为工况下天然气密度，单位：公斤/立方米，根据公式4计算得到：

ρ_g＝ρ_g0×p/p₀×T₀/T          (公式4)

式中，ρ_g0为标准状态下天然气密度，取0.717公斤/立方米；p为工作压力，单位：Mpa，由压力传感器测得；p₀为大气压力，取0.1Mpa；T₀为标准状态下温度,T₀=293K；T为工况下天然气温度，T=（273+T₁）K，T₁由温度传感器测得。

将上述方程联立求解，得到气液两相总流量Q、含气率α，进而通过公式5、6分别计算天然气流量Q_g（单位：立方米/秒）和液体流量Q_W（单位：立方米/秒）：

Q_g＝Q×α          (公式5)

Q_W＝Q×(1-α)          (公式6)

步骤五，单片机通过配置的无线数据传输模块，利用无线网络与远端数据平台通信，将计算得到的天然气流量Q_g和液体流量Q_W发送出去。

本发明的方法还包括如下其他技术特征:

所述U型管的管径与测量管道的管径相同，其高度为自身管径的3～5倍。

所述第一流动整流器为一圆管，其外壁与倒U型管内壁焊接为一体，其内部空腔由两端向中间逐步收缩形成两个圆台状，该两个圆台之间为圆柱状；所述第二流动整流器为一圆管，其外壁与测量管道内壁焊接为一体，其内部空腔由两端向中间逐步收缩形成两个圆台状，该两个圆台之间为圆柱状。

实现上述方法的天然气和凝析油的气液两相流量测量装置，包括U型管、针阀、温度传感器、压力传感器、倒U型管、第一流动整流器、第一文丘里管、第一压差传感器、第二流动整流器、第二文丘里管、第二压差传感器和单片机；其中，所述U型管、倒U型管、第二流动整流器、第二文丘里管按照天然气和凝析油混合物流动的方向依次设置在测量管道上，且U型管设置在测量管道的进口处；第二文丘里管水平放置，所述第二压差传感器安装在第二文丘里管上且两者相连通；在U型管所处的测量管道上安装有所述的压力传感器和温度传感器；所述针阀设置在U型管的底部；在倒U型管的上升段上按上升方向依次安装第一流动整流器和第一文丘里管，且第一文丘里管竖直放置；所述第一压差传感器安装在第一文丘里管上且两者相连通；所述压力传感器、温度传感器、第一压差传感器、第二压差传感器分别连接单片机，该单片机连接有无线数据传输模块，通过无线网络与远端数据平台通信。

本发明的装置还包括如下其他技术特征：

所述U型管的管径与测量管道的管径相同，其高度为自身管径的3～5倍。

所述第一流动整流器为一圆管，其外壁与倒U型管内壁焊接为一体，其内部空腔由两端向中间逐步收缩形成两个圆台状，该两个圆台之间为圆柱状；所述第二流动整流器为一圆管，其外壁与测量管道内壁焊接为一体，其内部空腔由两端向中间逐步收缩形成两个圆台状，该两个圆台之间为圆柱状。

本发明有效解决了混合有凝析油/水的天然气的流量测量的难题，测量方法合理、科学，测量装置可靠，无易损部件，测量精度高，数据可靠。

附图说明

图1是本发明的天然气和油水的气液两相流量测量装置的结构示意图。

图中各标号含义：1、U型管；2、针阀；3、温度传感器；4、压力传感器；5、倒U型管；6、第一流动整流器；7、第一文丘里管；8、第一差压传感器；9、第二流动整流器；10、第二文丘里管；11、第二差压传感器；12、测量管道。

以下结合附图和具体实施方式对本发明进一步解释说明。

具体实施方式

基于背景技术中介绍的天然气生产的实际情况，在天然气流量的测量过程中，我们需要考虑凝析油对气体流量计测量的影响，需要考虑天然气中液体的流动形态，应当把天然气流量测量看做是气液二相流量测量问题。为此，本发明提出了以下的天然气和凝析油气液两相流量测量的方法及其装置。

如图1所示，本发明的天然气和凝析油/水的气液两相流量测量方法，具体包括如下步骤：

步骤一，在测量管道12的进口处设置与测量管道12相连通的U型管1，该U型管1的管径与测量管道12的管径相同，其高度为自身管径的3～5倍；U型管1用作测量管道12进口处的液体取样器；当气液混合物在测量管道12内流动时，部分沿管壁流动液体流入U形管1内，当U形管1中充满液体时，其中的液体在流动压力的作用下保持流动；在U型管1底部安装针阀2，该针阀2用以从U型管中提取液体样；提取的天然气中液体样可以用来分析液体中凝析油成分和含水量；在U型管1所在的测量管道12处安装温度传感器3和压力传感器4，分别用于测量管道12进口处的温度和压力。

步骤二，按照天然气和凝析油/水的混合物流动的方向，在U形管1之后设置与测量管道12相连通的倒U型管5，在倒U型管5的上升段按上升方向依次安装第一流动整流器6和第一文丘里管7，且第一文丘里管7竖直放置；第一流动整流器6用来减少U型管1对第一文丘里管8测量的影响，减少测量段前稳定段的长度；在第一文丘里管7上通过直径为6mm管子安装第一差压传感器8，且第一文丘里管7和第一差压传感器8相连通，所述第一压差传感器8用来测量第一文丘里管7的动压力降(dp₁)；

步骤三，按照天然气和凝析油/水的混合物流动的方向，在倒U型管5后方的水平段依次安装第二流动整流器10和第二文丘里管9，且第二文丘里管9水平放置，在第二文丘里管9外部安装第二差压传感器11；第一流动整流器9用来减少倒U型管5对第二文丘里管10测量的影响，所述第二压差传感器11用于测量第二文丘里管10的动压力降(dp₂)；

步骤四，将所述温度传感器3、压力传感器4、第一差压传感器8、第二差压传感器11分别连接单片机，单片机收集各部件传送的信息，再计算天然气流量和凝析油/水的流量；单片机的具体计算过程如下：

天然气流量和凝析油/水的气液两相混合物的总流量Q（单位，立方米/秒）：

$Q=A\×c\×\mathrm{\ϵ}\sqrt{{2\mathrm{dp}}_2/\mathrm{\ρ}}$           (公式1)

式中，A为第一文丘里管7的截面积，单位：平方米；c为流量系数，可由试验确定，对于标准文丘里管，c=1；ε为可压缩系数，当管线内流速远小于音速时，ε=1；dp₂为第二文丘里管10的压力降，单位：Mpa，由第二差压传感器11测得；ρ为气液混合物的密度，单位：公斤/立方米，通过公式2计算得到：

dp₁＝dp₂+ρgH          (公式2)

式中，H为第一文丘里管7的高度，ρ是气液混合物的密度；dp₁为第一文丘里管7的压力降，单位：Mpa，由第一压差传感器8测得；dp₂为第二文丘里管10的动压力降，单位：Mpa，由第二差压传感器11测得；ρgH为重位压力降，g为重力加速度，取9.8米/秒²。

ρ＝ρ_g×α+ρ_W×(1-α)          (公式3)

式中，α为含气率，ρ_W为水密度，取1000kg/m³；ρ_g为工况下天然气密度，单位：公斤/立方米，根据公式4计算得到：

ρ_g＝ρ_g0×p/p₀×T₀/T          (公式4)

式中，ρ_g0为标准状态下天然气密度，取0.717公斤/立方米；p为工作压力，单位：Mpa，由压力传感器4测得；p₀为大气压力，取0.1Mpa；T₀为标准状态下温度,T₀=293K；T为工况下天然气温度，T=（273+T₁）K，T1由温度传感器3测得。

将上述方程联立求解，得到气液两相总流量Q、含气率α，进而通过公式5、6分别计算天然气流量Q_g（单位：立方米/秒）和液体流量Q_W（单位：立方米/秒）：

Q_g＝Q×α          (公式5)

Q_W＝Q×(1-α)          (公式6)

步骤五，单片机通过配置的无线数据传输模块，利用无线网络与远端数据平台通信，将计算得到的天然气流量Q_g和液体流量Q_W发送出去。

实现上述方法的天然气和凝析油的气液两相流量测量装置，包括U型管1、针阀2、温度传感器3、压力传感器4、倒U型管5、第一流动整流器6、第一文丘里管7、第一压差传感器8、第二流动整流器9、第二文丘里管10、第二压差传感器11和单片机；其中，所述U型管1、倒U型管5、第二流动整流器9、第二文丘里管10按照天然气和凝析油混合物流动的方向依次设置在测量管道12上，且U型管1设置在测量管道12的进口处，该U型管1的管径与测量管道12的管径相同，其高度为自身管径的3～5倍；第二文丘里管10水平放置，所述第二压差传感器11通过直径为6mm管子安装在第二文丘里管10上且两者相连通；在U型管1所处的测量管道12上安装有所述的压力传感器3和温度传感器4；所述针阀2设置在U型管1的底部；在倒U型管5的上升段上按上升方向依次安装第一流动整流器6和第一文丘里管7，且第一文丘里管7竖直放置；所述第一压差传感器8通过直径为6mm管子安装在第一文丘里管7上且两者相连通；所述压力传感器3、温度传感器4、第一压差传感器8、第二压差传感器11分别连接单片机，该单片机连接有无线数据传输模块，通过无线网络与远端数据平台通信。

所述U型管1用作测量管道12进口处的液体取样器，当气液混合物在管内流动时，部分沿管壁流动液体流入该U形管1内，当U形管1中充满液体后，其中的液体在流动压力的作用下保持流动。

所述针阀2用以从U型管1中提取液体样。

所述压力传感器3用于测量管道12进口处天然气的温度。

所述温度传感器4用于测量管道12进口处天然气的压力。

所述第一流动整流器6为一圆管，其外壁与倒U型管5内壁焊接为一体，其内部空腔由两端向中间逐步收缩形成两个圆台状，该两个圆台之间为圆柱状。第一流动整流器6用于减少到U型管1对第一文丘里管7测量的影响，减少测量段前稳定段的长度。

所述第一压差传感器8用来测量第一文丘里管7的动压力降。

所述第二流动整流器9为一圆管，其外壁与测量管道12内壁焊接为一体，其内部空腔由两端向中间逐步收缩形成两个圆台状，该两个圆台之间为圆柱状。第二流动整流器9用于减少倒U型管5对第二文丘里管10测量的影响。

所述第二压差传感器11用于测量第二文丘里管10的动压力降。

所述单片机用于接收各测量一起发来的数据，然后计算得到天然气和凝析油的流量，并通过自身连接的无线数据传输模块将得到的流量数据发送到远端数据平台。

本发明中用到的测量器件均为常规产品，其中，温度传感器3采用铂电阻；压力传感器4采用罗斯蒙特（rosemont）高精度压力传感器；第一压差传感器8和第二压差传感器11均采用罗斯蒙特（rosemont）高精度差压传感器，可实现在现场按实际需要调节压差传感器的量程。

Claims (6)

1.一种天然气和凝析油/水的气液两相流量测量方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

步骤一，在测量管道（12）的进口处设置与测量管道（12）相连通的U型管（1）；在U型管（1）底部安装针阀（2）；在U型管（1）所在的测量管道（12）处安装温度传感器（3）和压力传感器（4）；

步骤二，按照天然气和凝析油/水的混合物流动的方向，在U形管（1）之后设置与测量管道（12）相连通的倒U型管（5），在该倒U型管（5）的上升段按上升方向依次安装第一流动整流器（6）和第一文丘里管（7），且第一文丘里管（7）竖直放置；在第一文丘里管（7）上安装第一差压传感器（8），且第一文丘里管（7）和第一差压传感器（8）相连通；

步骤三，按照天然气和凝析油/水的混合物流动的方向，在倒U型管（5）后方的水平段依次安装第二流动整流器（10）和第二文丘里管（9），且第二文丘里管（9）水平放置，在第二文丘里管（9）外部安装第二差压传感器（11）；

步骤四，将所述温度传感器（3）、压力传感器（4）、第一差压传感器（8）、和第二压差传感器（11）分别连接单片机，单片机收集各部件传送的信息，再计算天然气流量和凝析油/水的流量；单片机的具体计算过程如下：

天然气流量和凝析油/水的气液两相混合物的总流量Q（单位，立方米/秒）：

$Q=A\×c\×\mathrm{\ϵ}\sqrt{{2\mathrm{dp}}_2/\mathrm{\ρ}}$           (公式1)

式中，A为第一文丘里管（7）的截面积，单位：平方米；c为流量系数，可由试验确定，对于标准文丘里管，c=1；ε为可压缩系数，当管线内流速远小于音速时，ε=1；dp₂为第二文丘里管（10）的压力降，由第二差压传感器（11）测得；ρ为气液混合物的密度，单位：公斤/立方米，通过公式2计算得到：

dp₁＝dp₂+ρgH          (公式2)

式中，H为第一文丘里管（7）的高度，ρ是气液两相混合物的密度；dp₁为第一文丘里管（7）的压力降，单位：Mpa，由第一压差传感器（8）测得；dp₂为第二文丘里管（10）的动压力降，单位：Mpa，由第二差压传感器（11）测得；ρgH为重位压力降，g为重力加速度，取9.8米/秒²。

ρ＝ρ_g×α+ρ_W×(1-α)          (公式3)

式中，α为含气率，ρ_W为水密度，取1000kg/m³；ρ_g为工况下天然气密度，单位：公斤/立方米，根据公式4计算得到：

ρ_g＝ρ_g0×p/p₀×T₀/T          (公式4)

式中，ρ_g0为标准状态下天然气密度，取0.717公斤/立方米；p为工作压力，单位：Mpa，由压力传感器（4）测得；p₀为大气压力，取0.1Mpa；T₀为标准状态下温度,T₀=293K；T为工况下天然气温度，T=（273+T₁）K，T₁由温度传感器3测得；

将上述方程联立求解，得到气液两相总流量Q、含气率α，进而通过公式5、6分别计算天然气流量Q_g（单位：立方米/秒）和液体流量Q_W（单位：立方米/秒）：

Q_g＝Q×α          (公式5)

Q_W＝Q×(1-α)          (公式6)

步骤五，单片机通过配置的无线数据传输模块，利用无线网络与远端数据平台通信，将计算得到的天然气流量Q_g和液体流量Q_W发送出去。

2.如权利要求1所述的天然气和凝析油/水的气液两相流量测量方法，其特征在于，所述U型管（1）的管径与测量管道（12）的管径相同，其高度为自身管径的3～5倍。

3.如权利要求1所述的天然气和凝析油/水的气液两相流量测量方法，其特征在于，所述第一流动整流器（6）为一圆管，其外壁与倒U型管（5）内壁焊接为一体，其内部空腔由两端向中间逐步收缩形成两个圆台状，该两个圆台之间为圆柱状；所述第二流动整流器（9）为一圆管，其外壁与测量管道（12）内壁焊接为一体，其内部空腔由两端向中间逐步收缩形成两个圆台状，该两个圆台之间为圆柱状。

4.实现权利要求1所述的方法的天然气和凝析油的气液两相流量测量装置，其特征在于，包括U型管（1）、针阀（2）、温度传感器（3）、压力传感器（4）、倒U型管（5）、第一流动整流器（6）、第一文丘里管（7）、第一压差传感器（8）、第二流动整流器（9）、第二文丘里管（10）、第二压差传感器（11和单片机；其中，所述U型管（1）、倒U型管（5）、第二流动整流器（9）、第二文丘里管（10）按照天然气和凝析油混合物流动的方向依次设置在测量管道（12）上，且U型管（1）设置在测量管道（12）的进口处；第二文丘里管（10）水平放置，所述第二压差传感器（11）安装在第二文丘里管（10）上且两者相连通；在U型管（1）所处的测量管道（12）上安装有所述的压力传感器（3）和温度传感器（4）；所述针阀（2）设置在U型管（1）的底部；在倒U型管（5）的上升段上按上升方向依次安装第一流动整流器（6）和第一文丘里管（7），且第一文丘里管（7）竖直放置；所述第一压差传感器（8）安装在第一文丘里管（7）上且两者相连通；所述压力传感器（3）、温度传感器（4）、第一压差传感器（8）、第二压差传感器（11）分别连接单片机，该单片机连接有无线数据传输模块，通过无线网络与远端数据平台通信。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述U型管（1）的管径与测量管道（12）的管径相同，其高度为自身管径的3～5倍。

6.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述第一流动整流器（6）为一圆管，其外壁与倒U型管（5）内壁焊接为一体，其内部空腔由两端向中间逐步收缩形成两个圆台状，该两个圆台之间为圆柱状；所述第二流动整流器（9）为一圆管，其外壁与测量管道（12）内壁焊接为一体，其内部空腔由两端向中间逐步收缩形成两个圆台状，该两个圆台之间为圆柱状。

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