CN103090917A - 一种基于弧形管的多相流流量计量装置及计量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多相流流量计量装置，其包括以下构件：包含至少一段弧形管的管道，其中至少所述弧形管的横截面是圆形，且所述弧形管所在的平面竖直取向，且所述弧形管具有至少一个竖直取向的横截面；伽马射线探测器，其包括分别布置在所述弧形管的所述竖直取向的横截面的上下两侧的伽马射线发射器和伽马射线检测器，其中伽马射线发射器所发出的伽马射线以径向或以非径向沿弧形管的所述竖直取向的横截面穿过，到达伽马射线接收器；所述伽马射线探测器是单能伽马射线探测器或双能伽马射线探测器；和位于所述弧形管上游或下游的用于计算多相流总体积流量的总体积流量计量设备。本发明还涉及使用上述多相流流量计量装置测量多相流中各相体积流量的方法。

Description

一种基于弧形管的多相流流量计量装置及计量方法

技术领域

本发明属于多相流流量计量领域。具体地，本发明涉及一种基于弧形管的多相流流量计量装置，并涉及一种使用基于弧形管的多相流流量计量装置测量多相流的中各相流量的方法。

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”。湿气在本质上属于一种多相流，即气相和液相的混合流体。其中所述气相包括例如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例如甲烷、乙烷、丙烷、丁烷等。所述液相可包括：油相，例如原油本身以及在原油开采过程中溶解在原油中的液体添加剂，以及水相，例如地层水、采用过程中注入油井中的水以及溶解在水相中的其它液体添加剂。在实践中，油相和水相可能发生相分离，也可能油相和水相混合在一起，或是完全乳化的。如何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，是油气藏管理和生产优化所必需的基础数据。

一种测量多相流流量装置工作原理如下：通过分离器将气液两相混合流体分离成气相和液相，这种分离器一般是通过重力实现气液分离，或通过旋流分离器实现气液分离，然后分别计量气相和液相的体积流量。但由于分离器以及相关附属设施重达数十吨，占地几十平方米，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。这种先分离后测量的方法也并非在线实时测量方法，计量精度高度依赖气液的分离效果，而气液分离效果又严重依赖于具体的流量条件，总而言之，依赖重力进行气液分离的计量方式在实际应用中存在着许多缺陷。

因此，本领域需要一种能够简单且精确地在线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装置和方法。更希望有一种能测量多相混合流体中气相、油相和水相各自流量的装置和方法。

发明内容

本发明的第一方面提供了一种多相流流量计量装置，其包括以下构件：

包含至少一段弧形管的管道，其中至少所述弧形管的横截面是圆形，且所述弧形管所在的平面竖直取向，且所述弧形管具有至少一个竖直取向的横截面；

伽马射线探测器，其包括分别布置在所述弧形管的所述竖直取向的横截面的上下两侧的伽马射线发射器和伽马射线检测器，其中伽马射线发射器所发出的伽马射线以竖直径向方向沿弧形管的所述竖直取向的横截面穿过，到达伽马射线接收器；其中所述伽马射线探测器是单能伽马射线探测器或双能伽马射线探测器；

位于所述弧形管上游或下游的用于计算多相流总体积流量的总体积流量计量设备。

本发明的第二方面提供了一种多相流流量计量装置，其包括以下构件：

包含至少一段弧形管的管道，其中至少所述弧形管的横截面是圆形，且所述弧形管所在的平面竖直取向，且所述弧形管具有至少一个竖直取向的横截面；

伽马射线探测器，其包括分别布置在所述弧形管的所述竖直取向的横截面内的伽马射线发射器和伽马射线检测器，其中伽马射线发射器所发出的伽马射线以非径向的方向沿所述弧形管的所述竖直取向的横截面穿过，达到伽马射线接收器；其中所述伽马射线探测器是单能伽马射线探测器或双能伽马射线探测器；

位于所述弧形管上游或下游的用于计算多相流总体积流量的总体积流量计量设备。

本发明的第三方面涉及一种测量多相流中气相流量和液相流量的方法，包括：

a.使多相流流过包含至少一段弧形管的管道，以使得该多相流在离心力作用下分离成气相层和液相层；其中至少所述弧形管的横截面是圆形，且所述弧形管所在的平面竖直取向，且所述弧形管具有至少一个竖直取向的横截面；

b.通过伽马射线探测器测定沿所述弧形管的所述竖直取向的横截面的径向的气相和液相的直线相分率α_rg和α_rl(注：本说明书全文中，下标g表示气相，下标1表示液相，下标r表示径向，下标n表示非径向，下标o表示油，下标w表示水)，其中该伽马射线探测器包括分别布置在所述竖直取向的横截面的上下两侧的伽马射线发射器和伽马射线检测器，其中伽马射线发射器所发出的伽马射线以竖直径向方向沿弧形管的所述竖直取向的横截面穿过，到达伽马射线接收器；其中所述伽马射线探测器是单能伽马射线探测器或双能伽马射线探测器；

c.由位于所述弧形管上游或下游的总体积流量计量设备测得的总体积流量Q_t以及上述径向气相和液相直线相分率α_rg和α_rl，计算气相流量Q_g和液相流量Q_l。

本发明的第四方面涉及一种测量多相流中气相流量和液相流量的方法，包括：

a.使多相流流过包含至少一段弧形管的管道，以使得该多相流在离心力作用下分离成气相层和液相层；其中至少所述弧形管的横截面是圆形，且所述弧形管所在的平面竖直取向，且所述弧形管具有至少一个竖直取向的横截面；

b.通过伽马射线探测器测定沿所述弧形管的所述竖直取向的横截面的非径向的直线相分率α_ng和α_nl，其中该伽马射线探测器包括分别布置在所述弧形管的所述竖直取向的横截面内的伽马射线发射器和伽马射线检测器，其中伽马射线发射器所发出的伽马射线以非径向的方向沿所述弧形管的所述竖直取向的横截面穿过，达到伽马射线接收器；其中所述伽马射线探测器是单能伽马射线探测器或双能伽马射线探测器；

c.由位于所述弧形管上游或下游的总体积流量计量设备测得的总体积流量Q_t以及上述气相和液相的非径向直线相分率α_ng和α_nl，计算气相流量Q_g和液相流量Q_l。

本发明的第五方面涉及一种测量多相流中气相流量、油相流量和水相流量的方法，包括：

a.使多相流流过包含至少一段弧形管的管道，以使得该多相流在离心力作用下分离成气相层、油相层和水相层；其中至少所述弧形管的横截面是圆形，且所述弧形管所在的平面竖直取向，且所述弧形管具有至少一个竖直取向的横截面；

b.通过伽马射线探测器测定沿所述弧形管的所述竖直取向的横截面的径向的气相、油相和水相的直线相分率α_rg、α_ro和α_rw，其中伽马射线探测器包括分别布置在所述竖直取向的横截面的上下两侧的伽马射线发射器和伽马射线检测器，其中伽马射线发射器所发出的伽马射线以竖直径向方向沿弧形管的所述竖直取向的横截面穿过，到达伽马射线接收器；其中所述伽马射线探测器是双能伽马射线探测器；

c.由位于所述弧形管上游或下游的总体积流量计量设备测得的总体积流量Q_t以及上述气相、油相和水相的径向直线相分率α_rg、α_ro和α_rw，计算气相流量Q_g、油相流量Q_o和水相流量Q_w。

本发明的第六方面涉及一种测量多相流中气相流量、油相流量和水相流量的方法，包括：

a.使多相流流过包含至少一段弧形管的管道，以使得该多相流在离心力作用下分离成气相层、油相层和水相层；其中至少所述弧形管的横截面是圆形，且所述弧形管所在的平面竖直取向，且所述弧形管具有至少一个竖直取向的横截面；

b.通过伽马射线探测器测定沿所述弧形管的所述竖直取向的横截面的非径向方向的气相、油相和水相的直线相分率α_ng、α_no和α_nw，该伽马射线探测器该包括分别布置在所述弧形管的所述竖直取向的横截面内的伽马射线发射器和伽马射线检测器，其中伽马射线发射器所发出的伽马射线以非径向的方向沿所述弧形管的所述竖直取向的横截面穿过，达到伽马射线接收器；其中所述伽马射线探测器是双能伽马射线探测器；

c.由位于所述弧形管上游或下游的总体积流量计量设备测得的总体积流量Q_t以及上述气相、油相和水相的非径向直线相分率α_ng、α_no和α_nw，计算气相流量Q_g、油相流量Q_o和水相流量Q_w。

附图说明

图1是本发明的基于弧形管的多相流流量计量装置的示意图，其中仅示意性地画出了一段半圆形弧形管；

图2是本发明的基于弧形管的多相流流量计量装置中的弧形管的竖直取向的横截面处气-油-水三相的分布示意图；

图3是本发明的一个优选实施方案的示意图。

以上附图仅用于示例性地说明本发明的技术构思和技术方案，而不以任何方式限制本发明。

发明详述

为了便于理解本发明，首先对多相流计量领域中的一些术语简单介绍如下：

“多相流”是指由气相和液相构成的混合流体。其中液相又可分为油相和水相，油相和水相基本上不可混溶。因此，多相流可以是气液两相流，也可以是气油水三相流。在油气开采领域中，气相可以是地层伴生气例如各种烷烃，油相主要是原油，水相主要来自地下水以及为开采石油而进行水力压裂时所使用的水。水相中可还含有溶解于其中的各种物质例如表面活性剂、盐类等。

“体积流量”是指单位时间内流过的流体的体积，在SI单位制中，其量纲可以为m³/s。根据流体所处的温度和压力的不同，体积流量又分为工况体积流量和标准体积流量。前者是在工作条件的实际温度压力下实际测得的体积流量，而后者是将前者进行PVT换算后折算成在标准状况(298K，101.325kPa)下的体积流量。

“相分率”是指多相流中各相所占的百分比。按照计量基准区分，相分率可分为直线相分率、面积相分率和体积相分率。其中直线相分率是指在一条直线上，例如沿伽玛射线透射方向上，气相和液相各自的吸收路径长度占气液两相总吸收路径长度的比例，分别称为气相直线相分率α_g和液相直线相分率α_l，其中下表g表示气体，下标1表示液体；或者直线相分率是指气相、油相、水相各自的吸收路径长度占气油水三相总吸收路径长度的比例，分别称为α_g、α_o和α_w，其中下标g表示气体，下标o表示油相，下标w表示水相。而面积相分率是指在某一横截面上，气液或液相所占据的面积占总横截面积的百分比，也可分别称为气相面积相分率α_g和液相面积相分率α_l；或者面积相分率是指气相、油相、水相各自所占据的面积占总横截面积的百分比，分别称为气相面积相分率α_g、油相面积相分率α_o和水相面积相分率α_w，下标含义如上所述。而体积相分率则是指气液两相各自的体积流量占多相流总体积流量的百分比，或气、油、水三相各自的体积流量占多相流总体积流量的百分比。所有相分率，无论是直线相分率、面积相分率和体积相分率，均为无量纲的百分比，且满足以下条件：α_g+α_l＝1或者α_g+α_o+α_w＝1。为了清晰起见，在提到相分率这一术语时，本发明会特别注明是直线相分率还是面积相分率。

“含气率”是指气相的体积相分率。

“径向”是指沿着圆的直径方向。

“非径向”是指除了直径以外的任何一条与圆周相交于两点的直线方向。

“竖直”是指与重力加速度方向同向或反向。

下文将对本发明所公开的多相流流量计量装置所包括的构件以及使用该多相流计量装置测量多相流各相流量的方法进行详细介绍。

本发明的第一方面和第二方面涉及多相流流量计量装置。

本发明的多相流流量计量装置使用包含至少一段弧形管的管道。所述多相流从该管道中流过。其中，包含至少一段弧形管的管道是指该管道的某一段或几段为弧形管。其中，“弧”这一术语具有本领域技术人员通常所理解的含义，即圆周曲线的至少一部分。几何上，弧可分为优弧(对应的圆心角大于等于180度)、劣弧(对应的圆心角小于180度)，本发明中可以使用优弧，也可以使用劣弧。“弧形管”是与“直管”相对而言的，指该段管道弯曲成圆形的至少一部分，即该管的形状为弧形。本发明中，至少该弧形管的横截面为圆形，但对弧形管上下游的管道的横截面的形状没有限制。在本发明的优选实施方案中，所有的管道，包括弧形管和上下游管道在内，横截面为圆形。对弧形管与其上下游管道之间的管截面积之间的关系也没有特殊要求。在优选实施方案中，弧形管与其上下游管道具有相等的截面积。本发明对所述弧形管的布置方式有一定要求，即所述弧形管所在的平面要基本上竖直取向，也就是说，如果沿所述弧形管把该弧所在的圆周画全的话，则该圆周所围成的平面应该基本上竖直取向，即基本上平行于重力方向。所述弧形管还应具有至少一个竖直取向的横截面。如下文将会更详细解释的，要求所述弧形管所在的平面要基本上竖直取向以及要求所述弧形管还应具有至少一个竖直取向的横截面，将会使得在该竖直取向的横截面处，流体流过该弧形管时所受到的离心力与重力方向重合(同向或反向)，这将有利于管内流型的对称性，简化计算。在优选的实施方案中，所述至少一段弧形管形成串联的多个弧形管或形成螺线管，以延长离心力的作用时间。所述多个弧形管的曲率半径可以相同或不同，优选相同，更优选从上游到下游依次变小，以便在最短的路径内使得气液两相之间充分分层，或者使得气、油、水三相之间充分分层。任选地，所述多个弧形管之间可以有一段直管道，当然也可以没有。

本发明的多相流流量计量装置还包括伽马射线探测器，其包括分别布置在所述弧形管的所述竖直取向的横截面的两侧的伽马射线发射器和伽马射线检测器，其中伽马射线发射器所发出的伽马射线以径向或非径向方向沿弧形管的所述竖直取向的横截面穿过，到达伽马射线接收器；其中所述伽马射线探测器是单能伽马射线探测器或双能伽马射线探测器。

伽玛射线探测器是多相流流量计领域中常用的一种探测器，其工作原理是，由位于管道一侧的伽马射线发射器中的放射源发出具有一定初始强度即发射强度N0的伽玛射线，优选为经过准直的伽玛射线，该伽玛射线穿过吸收介质时，会因与吸收介质发生光电效应、康普顿散射和电子对产生等相互作用，而发生强度衰减，即被吸收介质吸收掉至少一部分，然后位于管道另一侧的伽马射线检测器检测衰减后的伽玛射线强度即透射强度N，并基于一定的公式计算出吸收介质的吸收系数。其中所述放射源可以采用各种合适的放射源。

在多相流体作为吸收介质的情况下，由于气相、液相(该液相又分为油相和水相)对于伽玛射线具有不同的吸收系数，因此，对于具有不同的气相-油相-水相三相比例的多相流来说，将具有不同的吸收系数。结合纯气体、纯油相和纯水相的吸收系数，对测得的三相混合物的吸收系数进行分析计算，将有可能提供各相的相分率的信息。

根据使用的伽玛射线的能量情况，伽玛射线探测器又分为单能伽玛射线探测器和双能伽玛射线探测器。其中单能伽玛射线探测器使用具有单一能量的伽玛射线，例如使用²⁴¹Am放射源，其发出的伽玛射线的能量为59.5keV；或¹³⁷Cs放射源，发出的γ射线能量：662keV。而双能伽玛射线探测器使用具有两种能量的伽玛射线，例如，在使用²⁴¹Am放射源的情况下，产生59.5keV的伽玛射线，使其中第一股伽玛射线直接穿过吸收介质而发生吸收，而另一股则轰击由银做成的靶片从而激发银发出能量为22keV的能量相对较低的伽玛射线，并沿着与第一股伽玛射线相同的路径通过该吸收介质而被吸收，并一起被伽玛射线检测器检测它们的透射强度。使用双能伽玛射线，能提供更多的关于多相流体内部组成的信息。在双能γ射线探测器的选择上，本领域技术人员会根据待测对象的具体性质来选择具体使用的两种能量。例如，测量重介质需要选择能量较高的γ射线。对轻介质，如油水混合物，两个能量最合适的范围大致在20KeV到100KeV之间。通常把两种能量的γ射线中能量较高的称为高能γ射线，而另一个则为低能γ射线。

简而言之，伽马射线探测器是一种以非接触、非损伤的方式测量管内流体的各相组成的信息的方法。其中，单能伽玛射线探测器主要用于提供沿伽玛射线透射路径上的气液两相比例信息，即提供所谓的直线相分率信息。而双能伽玛射线探测器除了能提供沿伽玛射线透射路径上的气油水三相比例信息即各相的直线相分率信息外，还能提供流体的混合密度等信息。本发明中使用的伽玛射线探测器是已知的，关于其更多工作原理和设备细节，可参见相关的专著。本文不再赘述。

在本发明的基本实施方案中，本发明的多相流流量计量装置中的伽玛射线探测器可以使用单能伽玛射线探测器，也可以使用双能伽马射线探测器。使用单能伽玛射线探测器的该多相流流量计量装置可用于在线测量多相流中气相和液相二者各自的流量。而使用双能伽玛射线探测器的该多相流流量计量装置可用于在线测量多相流中气相、油相和水相三者各自的流量。

本发明的装置中，伽玛射线探测器径向布置，也可以非径向布置。其中径向布置优选是在弧形管的的所述竖直取向的横截面的竖直直径方向布置。其中非径向布置要使得伽玛射线穿过气液两相或穿过水相、油相、气相这三相。实践中，本领域技术人员会根据具体情况选择该非径向的具体方向。实践中，通常用该非径向与竖直径向之间的夹角来表示该非径向的具体方向。

本发明的多相流流量计量装置还包括位于所述弧形管上游或下游的用于测量多相流总体积流量的总体积流量计量设备。这些总体积流量计量设备的作用是测量总体积流量，且可以采用流体流量计量领域已知的任何适合于计量流体总体积流量的流量计。例如，但不限于，弯管流量计、文丘里流量计、转子流量计、浮子流量计、孔板流量计等等。关于总体积流量计量设备的工作原理和设备细节，也可参见相关教科书或者设备厂家的产品说明书。本文不再赘述。本发明中，优选使用文丘里流量计或弯管流量计。最优选弯管流量计，因为弯管流量计中不含如同文丘里流量计或孔板流量计中的流通截面积变窄的喉口，可有效防止或降低因被多相流中的粘稠油或固体杂质例如砂或粉尘堵塞而造成的测量精度降低或失效。

或者，所述总体积流量计量设备也可以选自流体流速计量设备，这种流速计量设备能够测出多相流的平均流速，然后通过乘以管道截面积而得到总体积流量。一种示例性的流体流速计量设备可以是通过互相关法测量流体流速的设备。互相关法的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。

本发明的第三方面涉及测量多相流中气相流量和液相流量的方法，步骤如发明概述部分所述。下面就各步骤进行更详细地阐述。

在其中的步骤a中，不管多相流原来的流型如何，本领域技术人员通过经验或有限次实验或通过流体力学模拟计算，总能够选择合适的流速和弧形管的曲率半径，以调节多相流在弧形管中所受到的离心力的大小，使得多相流在弧形管中形成气液分层的流型。其中，液体由于密度大而受到较大的离心力，在离心力作用下被甩向弧形管的外圆周侧，而气体由于密度小而受到较小的离心力，则主要沿弧形管的内圆周侧运动，因此在弧形管中实现了气液分层。在所述弧形管的竖直取向的横截面处，离心力与重力方向重合(同向或反向)，此时流体在该横截面处分层后的分布图是沿竖直直径方向左右对称的，如图2中所示，这将给流量测量和计算带来极大便利。

在其中的步骤b中，通过伽玛射线探测器测得沿该竖直取向的横截面的竖直直径方向的气相和液相直线相分率α_rg和α_rl。其中伽玛射线探测器类型的选择、布置方式等如同本发明的第一方面中的多相流流量计量装置中所述。

在其中的步骤c中，总体积流量计量设备的选择和布置方式等也如同本发明的第一方面中的多相流流量计量装置中所述。则结合图2中所示的情况，在仅使用沿竖直直径布置的伽玛射线探测器的情况下，计算过程中采用如下公式：

1.计算液相和液相的面积相分率：

${\mathrm{\α}}_g=\frac{{\cos }^{-1}(1-2{\mathrm{\α}}_{\mathrm{rg}})-4(1-2{\mathrm{\α}}_{\mathrm{rg}})\sqrt{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{rg}}(1-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{rg}})}}{\mathrm{\π}}$ 无量纲

α_l＝1-α_g  无量纲

α_rg竖直径向气相直线相分率  无量纲

2.计算总流量(仅以文丘里为例，当使用其它类型的总体积流量计时，可采用相应的计算公式)

$Q_t=C\frac{{\mathrm{\πd}}^2}{4}\frac{1}{\sqrt{1-{\mathrm{\β}}^4}}\sqrt{\frac{2(\mathrm{\ΔP}-{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{mix}}\mathrm{gh})}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{mix}}}}$

Q_t    总流量  m³/s

C     流出系数  无量纲

d     文丘里喉部内径  m

D为文丘里喉径前的取压点处管道内径  无量纲

ΔP   差压  Pa

ρ_mix 流体的混合密度，计算见下面公式  kg/m³

g     重力加速度  m/s²

h     差压取压点处的垂直落差  m

其中混和密度ρ_mix可以由历史数据估算，或由相分离式流量计测得的数据计算，或由以下公式计算

ρ_mix＝ρ_gα_g+ρ_lα_l    当气液两相时kg/m³

α_g     气相面积相分率  无量纲

α_l     液相面积相分率  无量纲

ρ_g     气相密度        kg/m³

ρ_l     液相密度        kg/m³

ρ_g，ρ_l可通过对多相流进行相分离后对气相和液相单独测量而得

或由历史数据获得

3.计算各相的体积流量

Q_g＝Q_t×α_g

Q_l＝Q_t×α_l

Q_g      气相体积流量    m³/s

Q_l      液相体积流量    m³/s

本发明的第四方面涉及测量多相流中气相流量和液相流量的方法，步骤如发明概述部分所述。下面就各步骤进行更详细地阐述。

其中的步骤a与本发明的第三部分的步骤a相同。

其中的步骤b通过伽马射线探测器测定沿所述弧形管的所述竖直取向的横截面的非径向直线相分率α_ng和α_nl。

其中的步骤c中，总体积流量计量设备的选择和布置方式等如同本发明的第二方面中的多相流流量计量装置中所述。结合图2中所示的情况，在使用非径向布置的伽玛射线探测器的情况下，计算过程中采用如下公式：

1.计算两相面积相分率：

α_rg＝α_ng×cos²θ+sin²θ  无量纲

${\mathrm{\α}}_g=\frac{{\cos }^{-1}(1-2{\mathrm{\α}}_{\mathrm{rg}})-4(1-2{\mathrm{\α}}_{\mathrm{rg}})\sqrt{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{rg}}(1-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{rg}})}}{\mathrm{\π}}$ 无量纲

α_l＝1-α_g  无量纲

α_ng        沿非径向方向伽玛射线测出的气相直线相分率  无量纲

θ          非径向方向与竖直径向方向的弧度夹角        弧度

2.计算总流量(仅以文丘里为例，当使用其它类型的总体积流量计时，可采用相应的计算公式)

$Q_t=C\frac{{\mathrm{\πd}}^2}{4}\frac{1}{\sqrt{1-{\mathrm{\β}}^4}}\sqrt{\frac{2(\mathrm{\ΔP}-{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{mix}}\mathrm{gh})}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{mix}}}}$

Q_t     总流量    m³/s

C      流出系数   无量纲

d      文丘里喉部内径    m

    D为文丘里喉径前的取压点处管道内径   无量纲

ΔP    差压    Pa

ρ_mix  流体的混合密度，计算见下面公式  kg/m³

g      重力加速度   m/s²

h      差压取压点处的垂直落差   m

其中混和密度ρ_mix可以由历史数据估算，或由相分离式流量计测得的数据计算，或由以下公式计算

ρ_mix＝ρ_gα_g+ρ_lα_l    当气液两相时    kg/m³

α_g    气相面积相分率   无量纲

α_l    液相面积相分率   无量纲

ρ_g    气相密度         kg/m³

ρ_l    液相密度         kg/m³

ρ_g，ρ_l可通过对多相流进行相分离后对气相和液相单独测量而得或由历史数据获得

3.计算各相的体积流量

Q_g＝Q_t×α_g

Q_l＝Q_t×α_l

Q_g   气相体积流量  m³/s

Q_l   液相体积流量  m³/s

本发明的第五方面涉及测量多相流中气相流量、油相流量和水相流量的方法，步骤如发明概述部分所述。下面就各步骤进行更详细地阐述。

其中的步骤a与本发明的第三方面的步骤a基本相同，区别仅在于多相流不是如在第三方面所述的那样被分成气相和液相两层，而是被分为气相、油相和水相三层。在液相中，由于水相的密度大于油相，故水相位于外圆周侧，而油相则相对更靠近内圆周侧。

其中的步骤b使用双能伽马射线探测器测定沿所述弧形管的所述竖直取向的横截面的竖直径向的气相、油相和水相的直线相分率α_rg、α_ro和α_rw。

其中的步骤c由位于所述弧形管上游或下游的总体积流量计量设备测得的总体积流量Q_t以及上述气相、油相和水相的径向直线相分率α_rg、α_ro和α_rw，计算气相流量Q_g、油相流量Q_o和水相流量Q_w，具体公式如下：

1.计算气相、油相和水相各自的面积相分率：

${\mathrm{\α}}_g=\frac{{\cos }^{-1}(1-2{\mathrm{\α}}_{\mathrm{rg}})-4(1-2{\mathrm{\α}}_{\mathrm{rg}})\sqrt{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{rg}}(1-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{rg}})}}{\mathrm{\π}}$ 无量纲

${\mathrm{\α}}_w=\frac{{\cos }^{-1}(1-2{\mathrm{\α}}_{\mathrm{rw}})-4(1-2{\mathrm{\α}}_{\mathrm{rw}})\sqrt{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{rw}}(1-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{rw}})}}{\mathrm{\π}}$ 无量纲

α_o＝1-α_w-α_g  无量纲

α_rg  竖直径向气相直线相分率  无量纲

α_rw  竖直径向水相直线相分率  无量纲

2.计算总流量(仅以文丘里为例，当使用其它类型的总体积流量计时，可采用相应的计算公式)

$Q_t=C\frac{{\mathrm{\πd}}^2}{4}\frac{1}{\sqrt{1-{\mathrm{\β}}^4}}\sqrt{\frac{2(\mathrm{\ΔP}-{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{mix}}\mathrm{gh})}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{mix}}}}$

Q_t    总流量         m³/s

C     流出系数       无量纲

d     文丘里喉部内径 m

    D为文丘里喉径前的取压点处管道内径无量纲

ΔP    差压    Pa

ρ_mix  流体的混合密度，计算见下面公式  kg/m³

g      重力加速度    m/s²

h    差压取压点处的垂直落差    m

其中混和密度ρ_mix可以由历史数据估算，或由相分离式流量计测得的数据计算，或由以下公式计算

ρ_mix＝ρ_gα_g+ρ_oα_o+ρ_wα_w  当油气水三相时  kg/m³

α_g    气相面积相分率  无量纲

α_o    油相面积相分率  无量纲

α_w    水相面积相分率  无量纲

ρ_g    气相密度        kg/m³

ρ_o    油相密度        kg/m³

ρ_w    水相密度        kg/m³

ρ_g，ρ_o，ρ_w可通过对多相流进行相分离后对气相、油相和水相单独测量而得或由历史数据获得

3.计算各相的体积流量

Q_g＝Q_t×α_g

Q_o＝Q_t×α_o

Q_w＝Q_t×α_w

Q_g    气相体积流量  m³/s

Q_o    油相体积流量  m³/s

Q_w    水相体积流量  m³/s

本发明的第六方面涉及测量多相流中气相流量、油相流量和水相流量的方法，步骤如发明概述部分所述。下面就各步骤进行更详细地阐述。

其中的步骤a与本发明的第五方面的步骤a相同。

其中的步骤b使用双能伽马射线探测器测定沿所述弧形管的所述竖直取向的横截面的非径向的气相、油相和水相的直线相分率α_ng、α_no和α_nw。

其中的步骤c由位于所述弧形管上游或下游的总体积流量计量设备测得的总体积流量Q_t以及上述气相、油相和水相的非径向直线相分率α_ng、α_no和α_nw，计算气相流量Q_g、油相流量Q_o和水相流量Q_w，具体公式如下：

1.计算气相、油相和水相各自的面积相分率：

α_rg＝α_ng×cos²θ+sin²θ  无量纲

α_ro＝α_no×cos²θ         无量纲

α_rw＝α_nw×cos²θ         无量纲

${\mathrm{\α}}_g=\frac{{\cos }^{-1}(1-2{\mathrm{\α}}_{\mathrm{rg}})-4(1-2{\mathrm{\α}}_{\mathrm{rg}})\sqrt{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{rg}}(1-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{rg}})}}{\mathrm{\π}}$ 无量纲

${\mathrm{\α}}_w=\frac{{\cos }^{-1}(1-2{\mathrm{\α}}_{\mathrm{rw}})-4(1-2{\mathrm{\α}}_{\mathrm{rw}})\sqrt{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{rw}}(1-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{rw}})}}{\mathrm{\π}}$ 无量纲

α_o＝1-α_w-α_g       无量纲

α_ng    沿非径向方向伽玛射线测出的气相直线相分率  无量纲

α_nw    沿非径向方向伽玛射线测出的水相直线相分率  无量纲

α_no    沿非径向方向伽玛射线测出的油相直线相分率  无量纲

θ      非径向方向与竖直径向方向的弧度夹角        弧度

2.计算总流量(仅以文丘里为例，当使用其它类型的总体积流量计时，可采用相应的计算公式)

$Q_t=C\frac{{\mathrm{\πd}}^2}{4}\frac{1}{\sqrt{1-{\mathrm{\β}}^4}}\sqrt{\frac{2(\mathrm{\ΔP}-{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{mix}}\mathrm{gh})}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{mix}}}}$

Q_t    总流量  m³/s

C     流出系数  无量纲

d     文丘里喉部内径  m

    D为文丘里喉径前的取压点处管道内径无量纲

ΔP   差压Pa

ρ_mix 流体的混合密度，计算见下面公式  kg/m³

g     重力加速度  m/s²

h     差压取压点处的垂直落差  m

其中混和密度ρ_mix可以由历史数据估算，或由相分离式流量计测得的数据计算，或由以下公式计算

ρ_mix＝ρ_gα_g+ρ_oα_o+ρ_wα_w  当油气水三相时  kg/m³

α_g    气相面积相分率    无量纲

α_o    油相面积相分率    无量纲

α_w    水相面积相分率    无量纲

ρ_g    气相密度          kg/m³

ρ_o    油相密度          kg/m³

ρ_w    水相密度          kg/m³

ρ_g，ρ_o，ρ_w可通过对多相流进行相分离后对气相、油相和水相单独测量而得或由历史数据获得

3.计算各相的体积流量

Q_g＝Q_t×α_g

Q_o＝Q_t×α_o

Q_w＝Q_t×α_w

Q_g    气相体积流量  m³/s

Q_o    油相体积流量  m³/s

Q_w    水相体积流量  m³/s

具体实施方式

本发明的一个示例性的优选实施方案如图3所示，各管道的尺寸关系也标绘于图中。其中，d是管道内径。其中管道可包括多段弧形管道，各个弧形管道的曲率半径R也标绘于图中。沿着流体流动方向看，其中第一个弧形管(R＝4d)可作为一个上游式弯管流量计使用，用于测量总流量。然后任选地流经一段直管道，然后流入第二个弧形管(R＝4d)，其中在竖直截面1处可以作为相分率测量候选处1，在此可以以竖直直径方向或非径向方向安置所述伽马射线探测器，在进行气液两相测量时该伽玛射线探测器为单能或双能探测器，在进行气、油、水三相测量时，该伽玛射线探测器为双能探测器。或者，如果想使离心力作用更加充分的话，也可以根据需要增设第三弧形管(R＝1.5d)或甚至第四弧形管(R＝1.5d)，以便使气液两相之间或气油水三相之间的分层更加清晰。相应地，竖直截面2和3处可以作为相分率测量候选处2和3，在此可以以竖直直径方向或非径向方向安置所述伽马射线探测器，在进行气液两相测量时该伽玛射线探测器为单能或双能探测器，在进行气、油、水三相测量时，该伽玛射线探测器为双能探测器。最后，流体流出。或者，在一个更优选实施方案中，流体在流出前还流经任选的第五弧形管(R＝2.5d)，该第五弧形管构成了一个下游式弯管流量计，以便对总流量进行进一步测定，并与前述第一弧形管构成的上游式总流量计的读数进行取平均，以提高总体积流量的测量准确性。

相对于传统流量计，本发明的多相流流量计具有以下优点：

1、无需复杂的取样技术，在线测量能够确保样品的代表性，且能够在单程管道中在线测量气液两相流量或气相、油相、液相三相流量；而传统流量计要么需要复杂的取样技术，要么需要先对各相进行分离(例如重力分离或旋流分离)，然后在不同的管路中分别对各相进行测量；显然本发明不仅更快捷而且需要的设施更少。

2.适用范围更宽，对多相流的流型几乎没有限制；本发明中，在由离心力构成的强大引力场下，气液界面的波动以及流体的湍流程度都会减弱，气液相界面以及油水相界面的形状都会变得非常平直，瞬时流态的复杂性都会降低，这非常有利于提高测量准确性。且各相的面积相分率严格由各相的面积之比计算而来，并且流态的单纯性保证了各种条件下的相分率测量的稳定性和精确性。

3.布局紧凑，便于安装和改造。无易损件，使用寿命长。

以上仅仅出于举例说明的目的说明了本发明，本领域技术人员将会理解，实施例中所列出的布置方式、具体数字等仅仅是示意性的，本领域技术人员可以在不背离权利要求所限定的本发明的保护范围的情况下，根据具体实际情况对本发明的诸多细节进行变化。

Claims (9)

1.一种多相流流量计量装置，其包括以下构件：

包含至少一段弧形管的管道，其中至少所述弧形管的横截面是圆形，且所述弧形管所在的平面竖直取向，且所述弧形管具有至少一个竖直取向的横截面；

伽马射线探测器，其包括分别布置在所述弧形管的所述竖直取向的横截面的上下两侧的伽马射线发射器和伽马射线检测器，其中伽马射线发射器所发出的伽马射线以竖直径向方向沿弧形管的所述竖直取向的横截面穿过，到达伽马射线接收器；其中所述伽马射线探测器是单能伽马射线探测器或双能伽马射线探测器；

位于所述弧形管上游或下游的用于计算多相流总体积流量的总体积流量计量设备。

2.一种多相流流量计量装置，其包括以下构件：

包含至少一段弧形管的管道，其中至少所述弧形管的横截面是圆形，且所述弧形管所在的平面竖直取向，且所述弧形管具有至少一个竖直取向的横截面；

伽马射线探测器，其包括分别布置在所述弧形管的所述竖直取向的横截面内的伽马射线发射器和伽马射线检测器，其中伽马射线发射器所发出的伽马射线以非径向的方向沿所述弧形管的所述竖直取向的横截面穿过，达到伽马射线接收器；其中所述伽马射线探测器是单能伽马射线探测器或双能伽马射线探测器；

位于所述弧形管上游或下游的用于计算多相流总体积流量的总体积流量计量设备。

3.根据权利要求1或2的多相流流量计量装置，其中所述总体积流量计量设备选择弯管流量计、文丘里流量计、转子流量计、浮子流量计、孔板流量计，或者，其中所述总体积流量计量设备选自流体流速测量设备。

4.根据权利要求1或2的多相流流量计量装置，其中所述至少一段弧形管形成串联的多个弧形管或形成螺线管，其中所述多个弧形管或螺线管的曲率半径相同或不同，优选相同，更优选从上游到下游依次变小。

5.一种测量多相流中气相流量和液相流量的方法，包括：

a.使多相流流过包含至少一段弧形管的管道，以使得该多相流在离心力作用下分离成气相层和液相层；其中至少所述弧形管的横截面是圆形，且所述弧形管所在的平面竖直取向，且所述弧形管具有至少一个竖直取向的横截面；

b.通过伽马射线探测器测定沿所述弧形管的所述竖直取向的横截面的径向的气相和液相直线相分率和，其中该伽马射线探测器包括分别布置在所述竖直取向的横截面的上下两侧的伽马射线发射器和伽马射线检测器，其中伽马射线发射器所发出的伽马射线以竖直径向方向沿弧形管的所述竖直取向的横截面穿过，到达伽马射线接收器；其中所述伽马射线探测器是单能伽马射线探测器或双能伽马射线探测器；

c.由位于所述弧形管上游或下游的总体积流量计量设备测得的总体积流量以及上述径向气相和液相直线相分率和，计算气相流量和液相流量。

6.一种测量多相流中气相流量和液相流量的方法，包括：

a.使多相流流过包含至少一段弧形管的管道，以使得该多相流在离心力作用下分离成气相层和液相层；其中至少所述弧形管的横截面是圆形，且所述弧形管所在的平面竖直取向，且所述弧形管具有至少一个竖直取向的横截面；

b.通过伽马射线探测器测定沿所述弧形管的所述竖直取向的横截面的气相和液相的非径向直线相分率和，其中该伽马射线探测器包括分别布置在所述弧形管的所述竖直取向的横截面内的伽马射线发射器和伽马射线检测器，其中伽马射线发射器所发出的伽马射线以非径向的方向沿所述弧形管的所述竖直取向的横截面穿过，达到伽马射线接收器；其中所述伽马射线探测器是单能伽马射线探测器或双能伽马射线探测器；

c.由位于所述弧形管上游或下游的总体积流量计量设备测得的总体积流量以及上述气相和液相的非径向直线相分率和，计算气相流量和液相流量。

7.一种测量多相流中气相流量、油相流量和水相流量的方法，包括：

a.使多相流流过包含至少一段弧形管的管道，以使得该多相流在离心力作用下分离成气相层、油相层和水相层；其中至少所述弧形管的横截面是圆形，且所述弧形管所在的平面竖直取向，且所述弧形管具有至少一个竖直取向的横截面；

b.通过伽马射线探测器测定沿所述弧形管的所述竖直取向的横截面的径向的气相、油相和水相的直线相分率、和，其中伽马射线探测器包括分别布置在所述竖直取向的横截面的上下两侧的伽马射线发射器和伽马射线检测器，其中伽马射线发射器所发出的伽马射线以竖直径向方向沿弧形管的所述竖直取向的横截面穿过，到达伽马射线接收器；其中所述伽马射线探测器是双能伽马射线探测器；

c.由位于所述弧形管上游或下游的总体积流量计量设备测得的总体积流量以及上述气相、油相和水相的径向直线相分率、和，计算气相流量、油相流量和水相流量。

8.一种测量多相流中气相流量、油相流量和水相流量的方法，包括：

a.使多相流流过包含至少一段弧形管的管道，以使得该多相流在离心力作用下分离成气相层、油相层和水相层；其中至少所述弧形管的横截面是圆形，且所述弧形管所在的平面竖直取向，且所述弧形管具有至少一个竖直取向的横截面；

b.通过伽马射线探测器测定沿所述弧形管的所述竖直取向的横截面的非径向方向的气相、油相和水相的直线相分率、和，该伽马射线探测器该包括分别布置在所述弧形管的所述竖直取向的横截面内的伽马射线发射器和伽马射线检测器，其中伽马射线发射器所发出的伽马射线以非径向的方向沿所述弧形管的所述竖直取向的横截面穿过，达到伽马射线接收器；其中所述伽马射线探测器是双能伽马射线探测器；

c.由位于所述弧形管上游或下游的总体积流量计量设备测得的总体积流量以及上述气相、油相和水相的非径向直线相分率、和，计算气相流量、油相流量和水相流量。

9.权利要求5-8中任一项的方法，所述至少一段弧形管形成串联的多个弧形管或形成螺线管，其中所述多个弧形管或螺线管的曲率半径相同或不同，优选相同，更优选从上游到下游依次变小。

Images