CN103399025A - 一种在线测量多相流中质量含砂率的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在线测量含砂多相流中质量含砂率的装置，其包括以下构件：一段竖直圆管；伽马射线探测器，其包括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能够以径向方向沿所述圆管的横截面穿过，到达伽马射线检测器，其中所述伽马射线探测器是使用一高一低两种能量的伽玛射线的双能伽马射线探测器。本发明还涉及使用上述装置在线测量含砂多相流中质量含砂率的方法。

Description

一种在线测量多相流中质量含砂率的方法和装置

技术领域

本发明属于多相流流量计量领域。具体地，本发明涉及一种在线测量多相流中质量含砂率的装置，并涉及一种在线测量多相流中质量含砂率的方法。

背景技术

采油工业中，经常从油井中采出包含油、气、水的多相混合流体，业内常称之为多相流。多相流中通常还夹带有不同含量的砂，由于砂含量超过一定限度时会对采油设备以及各种计量设备会造成严重的磨损，所以希望对多相流中的砂含量进行实时监测，以便在必要时采取相应措施避免上述磨损。但如何尽可能精确的计量含砂率是一个很有挑战性的难题。

目前，含砂率的测量方法分为直接测量和间接测量。直接测量有两种方法：体积法和质量法。体积法是用汽油将原油反复冲洗、沉降、静止，最后测量出砂子的体积，从而得到含砂率，这种方法静置时间很长，读数误差较大，而且仅适用于纯油中含砂量的测定，适用范围比较狭窄。质量法适用于含游离水的原油含砂量的测定，将油样用汽油充分溶解后，倒入一放有恒重滤纸的布氏漏斗中，用真空泵进行抽提、过滤，最后称重、计算得出原油的含砂量。从质量法定义砂的概念可以看出它所指的砂不是完全出自油藏的砂，某种意义上讲，是含有不确定杂质的砂。质量法存在几个缺点：一是大部分油井管柱结垢、腐蚀严重，这样势必就有一些垢、铁锈随原油一起带出，导致原油的含砂量增加；二是注聚、注胶、堵水的油样，由于聚合物、堵剂难以溶解，附着在滤纸上难以过滤；三是取样工作者使用较脏的样桶，甚至有的样桶盛过油漆等，这样，在过滤时，脏东西、漆皮、烂棉纱、杂草等都在滤纸上面，给分析结果造成影响，从而带来较大的测量误差。

间接测量常见的方法是利用砂对某一特定硬度的标准件的磨损量，定期进行称重间接测量含砂率；还有利用含砂流体与管壁碰撞发生的噪声进行间接测量含砂率，以上方法都在精度上和实时性上或者量程上存在很大的局限性，所获取的信息不能满足油井生产管理的实际需要。

因此，本领域需要一种能够简单且精确地在线实时测量圆管中多相流质量含砂率的装置和方法，采用非接触、高精度、实时动态测量的技术方案，以便及时正确的把握油井的生产动态，针对性采取措施对油藏进行科学管理。

上述目标通过本发明的装置和方法实现。

发明概述

本发明的第一方面提供了一种在线测量含砂多相流中质量含砂率的装置，其包括以下构件：

一段竖直圆管；

伽马射线探测器，其包括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能够以径向方向沿所述圆管的横截面穿过，到达伽马射线检测器；其中所述伽马射线探测器是使用一高一低两种能量的伽玛射线的双能伽马射线探测器。

本发明的第二方面涉及一种在线测量含砂多相流中质量含砂率的方法，包括：

1)使含砂多相流流过一段竖直圆管；

2)利用伽马射线探测器测定穿过该圆管的高能伽玛射线计数和低能伽玛射线计数，所述伽玛射线探测器包括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能够以径向方向沿所述圆管的横截面穿过，到达伽马射线检测器；其中所述伽马射线探测器是使用一高一低两种能量的伽玛射线的双能伽马射线探测器；

3)根据下文所详细介绍的公式计算质量含砂率。

附图简述

图1是本发明的质量含砂率测量装置的结构示意图。

图2是本发明的质量含砂率测量方法的计算流程图。

图3是本发明的一个非限制性的实施例中的数据误差图。

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、液相构成的混合流体。其中液相可分为油相和水相，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，油相和水相基本上不可混溶。气相可以是地层伴生气例如各种烷烃。

“含砂多相流”是指气相、液相、固相构成的混合流体。其中液相可分为油相和水相，气相可以是地层伴生气例如各种烷烃。固相主要是在油气穿过地下岩石层和砂层时所夹带的固体，通常为各种岩石的碎屑，将这些固相统称为“砂”。当砂含量为零时，含砂多相流就是普通的多相流。

“相分率”是指多相流中液相(又分为油相或水相)或气相所占的百分比。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l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。在本发明中，如果没有特别指出，则所使用的相分率概念是线性相分率，因为由伽马射线探测器测量线性相分率最为方便。在多相流或含砂多相流流过竖直圆管时，由于在径向上不存在沉降作用，故认为在径向上多相流或含砂多相流中各相的分布是均匀的，在不考虑滑差因素的情况下，此时认为线性相分率近似等于体积相分率。

“质量含砂率”是指砂的质量除以含砂多相流的质量所得的百分数。

“径向”是指沿着圆的直径方向。

“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在线测量含砂多相流中质量含砂率的装置所包括的构件以及使用该装置测量质量含砂率的方法进行详细介绍。

本发明的装置包括一段竖直圆管。含砂的多相流从该竖直圆管中流过。对圆管的材质和尺寸参数没有特殊要求。采用竖直圆管的效果要优于水平圆管，因为当含砂多相流从水平圆管中流过时，其中所含的砂会在重力作用下发生沉降，造成砂在多相流中的分布不均匀，这就使得伽马射线探测器的测量结果呈现“各向异性”，即在相对于水平线呈不同角度的径向布置时，获得的伽玛射线计数不同，这无疑不利于下一步的测量。而采用竖直圆管，由于砂在水平方向的分布不受沉降作用影响，故沿任何径向方向布置的伽马射线探测器都能测得基本上相同的计数，即呈现“各向同性”，这非常有利于下一步的测量。

本发明的装置还包括伽玛射线探测器。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一油相一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。这可以通过使用两种伽马射线放射源来实现，这不难理解；也可以通过使用一种伽玛射线放射源来实现，其中将其中一部分伽马射线直接用作测量用的伽玛射线，而使另一部分伽马射线轰击靶材而产生能量较低的二次伽马射线，以此获得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，使该伽玛射线中的一股作为高能伽玛射线直接穿过吸收介质，而使该伽玛射线中的另一股轰击由银做成的靶材从而激发银发出能量为22keV的低能伽玛射线，并沿着与前述高能伽玛射线相同的路径通过该吸收介质，并一起被伽玛射线检测器检测它们的透射强度；还可以以其它方式获得双能伽玛射线，例如使用133Ba，该放射源发出的伽玛射线具有三个主要能级，分别为31keV，81keV，356keV，选取其中的任意两种的组合，例如采用31keV+81keV的组合方式，分别作为所述高能伽玛射线和低能伽玛射线。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，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。本发明中使用的伽玛射线探测器是双能伽马射线探测器，其是已知的，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。

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能够提供沿伽玛射线透射路径上的气液两相比例信息，即能够提供所谓的直线气相相分率和直线液相相分率信息。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。关于具体如何由高低能射线的计数计算得到上述信息是已知的，例如可参见相关的专著。本文不再赘述。

本发明的装置中，伽玛射线发射器和伽玛射线检测器要沿竖直圆管的横截面呈径向布置。

本发明的含砂多相流中质量含砂率的测量方法包括：

1)使含砂多相流流过一段竖直圆管；

2)利用伽马射线探测器测定穿过该圆管的高能伽玛射线计数和低能伽玛射线计数，所述伽玛射线探测器包括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能够以径向方向沿所述圆管的横截面穿过，到达伽马射线检测器；其中所述伽马射线探测器是使用一高一低两种能量的伽玛射线的双能伽马射线探测器；

3)根据下文所详细介绍的公式计算质量含砂率。

以上步骤1)一2)很容易理解，也是本领域技术人员使用常规技术手段就能实现的。下文重点对上述步骤3)进行详细论述。

参见图2所示的非限制性的流程框图进行详细论述：

在对含砂多相流中的质量含砂率进行在线实时测量之前，需要提前做好一些基础性参数的测量工作，测定后，则在含砂多相流中的质量含砂率进行在线实时测量时，认为这些基础性参数都是已知的。

N_l-oil和N_h-oil分别是全油标定时即当测量管路中全部被油相充满时所测得的低能伽玛射线计数和高能伽玛射线计数。上述油相可以使用常规的气液固三相分离器对待测多相流进行相分离而得到，也可以用组成或性质与上述油相接近的其它油相来代替。

N_l-water和N_h-water分别是全水标定时即当测量管路中全部被水相充满时所测得的低能伽玛射线计数和高能伽玛射线计数。上述水相可以使用常规的气液固三相分离器对待测多相流进行相分离而得到，也可以用组成或性质与上述水相接近的其它水相来代替。

N_l-gas和N_h-gas分别是全气标定时即当测量管路中全部被气相充满时所测得的低能伽玛射线计数和高能伽玛射线计数。上述气相可以使用常规的气液固三相分离器对待测多相流进行相分离而得到，也可以用组成或性质与上述气相接近的其它油相来代替。

N_l-limit为低能可测量临界计数值：在采用双能伽玛射线测量时，直接测得的低能伽玛射线计数值(可称为“低能直接测量值”)由两部分叠加组成：一是低能伽玛射线本身产生的计数值，称为“低能本底值”；另一部分是由高能伽玛射线逃逸到低能区产生的计数值，称为“高能逃逸值”(高能逃逸值通常等于高能伽玛射线计数值乘以逃逸系数，一般该逃逸系数取0.131)。在通常的多相流测量中，由于吸收介质对低能伽玛射线的吸收不是非常强，故低能本底值要远远大于高能逃逸值，此时低能直接测量值近似等于低能本底值。但在测量含砂率时，由于砂对低能伽玛射线的强烈吸收，当砂含量大到一定程度时，绝大部分低能伽玛射线都被砂吸收掉了，导致能到达伽玛射线检测器的低能伽玛射线很微弱，则低能本底值会很低，甚至低到与高能逃逸值相当的程度，此时高能逃逸值就占直接测得的低能伽玛射线计数值的相当大的比重，此时低能直接测量值与低能本底值之间有很大的误差，若直接使用低能直接测量值进行计算，会严重影响测量精度。可见，在测量含砂率时，低能直接测量值存在某一下限，当低于该下限时，则低能直接测量值不能代替低能本底值进行计算，而必须采用高低能联合求解的方式进行计算，将此下限称为低能可测量临界计数值N_l-limit。本发明中规定，当测量的高能逃逸值大于或等于低能直接测量值的60％时，此时的低能直接测量值即为低能可测量临界计数值N_lolimit。

N_0l和N_0h分别是空管低能计数和空管高能计数，是指当测量管路为空时所测得的低能伽玛射线计数和高能伽玛射线计数。

N_l和N_h分别是在线测量低能计数和高能计数，是指当测量管路充满待测介质时所测得的低能伽玛射线计数和高能伽玛射线计数。

ρ_o、ρ_w、ρ_m、ρ_g、ρ_s和ρ_mix分别是油相、水相、油水混合相、气相、砂相和油气水三相混合工况密度。其中各相密度使用常规的气液固三相分离器对待测含砂多相流进行相分离后针对每一相进行测量而得到或者通过PVT模型将各相的标况密度转换至工况，各混合密度可通过各相的工况密度以及相分率经由一定的混合规则而计算得到。上述PVT模型以及混合规则是本领域已知的，可参见任何一本流体力学教科书，在此不再赘述。

μ_mh油水混合相高能质量吸收系数，m²/kg；

μ_ml油水混合相低能质量吸收系数，m²/kg；

μ_oh油相高能质量吸收系数，m²/kg；

μ_ol油相低能质量吸收系数，m²/kg；

μ_wh水相高能质量吸收系数，m²/kg；

μ_wl水相低能质量吸收系数，m²/kg；

μ_gh气相高能质量吸收系数，m²/kg；

μ_gl气相低能质量吸收系数，m²/kg；

μ_sh砂相高能质量吸收系数，m²/kg；

μ_sl砂相低能质量吸收系数，m²/kg；

以上各吸收系数可使用常规的气液固三相分离器对待测含砂多相流进行相分离后，将各相分别装满一个具有已知透射长度的测量容器，然后分别使用高能伽玛射线和低能伽马射线进行照射，根据伽玛射线的初始强度N₀和透射强度N，采用一定的公式进行计算。当然也可以用组成或性质与上述各相接近的其它易于获得的相来代替上述各相进行标定。这些计算和标定过程都是本领域技术人员公知的技术。

wc无砂时液相中的取样含水率，无量纲；该参数可通过使用常规的气液固三相分离器对待测含砂多相流进行相分离后，对其中的液相进行含水率测量而得到。该含水率可以是体积含水率或质量含水率，取决于计算中的选择。

D竖直圆管的内直径，m

在本发明的测量装置的工作步骤如下：

a.首先要判断含砂多相流中是否真含砂，若否，则直接输出含砂率为零的结果；若是，则进行后续计算。采用以下公式进行判断，其中任何一个公式满足时，则判定所述多相流为含砂多相流：

$\left|\begin{array}{cc}\ln (N_l/N_{\mathrm{lwater}})& \ln (N_h/N_{\mathrm{hwater}})\\ \ln (N_{\mathrm{loil}}/N_{\mathrm{lwater}})& \ln (N_{\mathrm{hoil}}/N_{\mathrm{hwater}})\end{array}\right|>0$ 或 $\left|\begin{array}{cc}\ln (N_l/N_{\mathrm{lwater}})& \ln (N_h/N_{\mathrm{hwater}})\\ \ln (N_{\mathrm{lgas}}-N_{\mathrm{lwater}})& \ln (N_{\mathrm{hgas}}/N_{\mathrm{hwater}})\end{array}\right|<0---\left(1\right)$

其中：

N_l低能γ射线计数无量纲

N_h高能γ射线计数无量纲

N_loil全油标定时低能γ射线计数无量纲

N_hoil全油标定时高能γ射线计数无量纲

N_lwater全水标定时低能γ射线计数无量纲

N_hwater全水标定时高能γ射线计数无量纲

N_lgas全气标定时低能γ射线计数无量纲

N_hgas全气标定时高能γ射线计数无量纲

b.其次，判断质量含沙率计算公式的选取条件

若低能伽玛射线计数N_l低于低能可测量临界计数值N_1-limit，则采用高能、低能伽马射线计数联合求解来计算体积含砂率，公式如下

ρ_mμ_ml＝wcρ_wμ_wl+(1-wc)ρ_oμ_ol

ρ_mμ_mh＝wcρ_wμ_wh+(1-wc)ρ_oμ_oh   (2)

${\mathrm{\&alpha;}}_s=\frac{\frac{\ln \left(\frac{N_{\mathrm{ol}}}{N_l}\right)}{D}({\mathrm{\&rho;}}_g{\mathrm{\&mu;}}_{\mathrm{gh}}-{\mathrm{\&rho;}}_m{\mathrm{\&mu;}}_{\mathrm{mh}})+{\mathrm{\&rho;}}_m{\mathrm{\&mu;}}_{\mathrm{ml}}(\frac{\ln \left(\frac{N_{\mathrm{oh}}}{N_h}\right)}{D}-{\mathrm{\&rho;}}_g{\mathrm{\&mu;}}_{\mathrm{gh}})-{\mathrm{\&rho;}}_g{\mathrm{\&mu;}}_{\mathrm{gl}}(\frac{\ln \left(\frac{N_{\mathrm{oh}}}{N_h}\right)}{D}-{\mathrm{\&rho;}}_m{\mathrm{\&mu;}}_{\mathrm{mh}})}{{\mathrm{\&rho;}}_m{\mathrm{\&mu;}}_{\mathrm{ml}}({\mathrm{\&rho;}}_s{\mathrm{\&mu;}}_{\mathrm{sh}}-{\mathrm{\&rho;}}_g{\mathrm{\&mu;}}_{\mathrm{gh}})-{\mathrm{\&rho;}}_g{\mathrm{\&mu;}}_{\mathrm{gl}}({\mathrm{\&rho;}}_s{\mathrm{\&mu;}}_{\mathrm{sh}}-{\mathrm{\&rho;}}_m{\mathrm{\&mu;}}_{\mathrm{mh}})+{\mathrm{\&rho;}}_s{\mathrm{\&mu;}}_{\mathrm{sl}}({\mathrm{\&rho;}}_g{\mathrm{\&mu;}}_{\mathrm{gh}}-{\mathrm{\&rho;}}_m{\mathrm{\&mu;}}_{\mathrm{mh}})}$

其中：

ρ_m油水工况混合密度kg/m³

ρ_w水相工况密度kg/m³

ρ_o油相工况密度kg/m³

ρ_s砂相密度kg/m³

ρ_g气相工况密度kg/m³

μ_mh油水混合相高能质量吸收系数m²/kg

μ_ml油水混合相低能质量吸收系数m²/kg

μ_oh油相高能质量吸收系数m²/kg

μ_ol油相低能质量吸收系数m²/kg

μ_wh水相高能质量吸收系数m²/kg

μ_wl水相低能质量吸收系数m²/kg

μ_gh气相高能质量吸收系数m²/kg

μ_gl气相低能质量吸收系数m²/kg

μ_sh砂相高能质量吸收系数m²/kg

μ_sl砂相低能质量吸收系数m²/kg

wc无砂液相中含水率

α_s体积含砂率无量纲

N_0l空管低能计数无量纲

N_oh空管高能计数无量纲

N_l低能在线计数无量纲

N_h高能在线计数无量纲

D管道内壁直径m

若低能伽玛射线计数N_l高于低能可测量临界计数值N_l-limit，则仅采用高能伽马射线计数来计算体积含砂率，公式如下：

${\mathrm{\&alpha;}}_s=\frac{\ln \left(N_n^l\right)-\ln \left(N_h\right)}{\ln \left(N_h^l\right)-\ln \left(N_{\mathrm{ho}}\right)+{\mathrm{D\&mu;}}_{\mathrm{hs}}{\mathrm{\&rho;}}_s}---\left(3\right)$

无砂高能计数无量纲

N_oh空管高能计数无量纲

μ_sh砂相高能质量吸收系数m²/kg

ρ_s砂相密度kg/m³

D管道内壁直径m

c.接下来，由上述体积含砂率计算质量含砂率，公式如下：

${\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{sand}-\mathrm{mass}-\mathrm{fraction}}=\frac{{\mathrm{\&alpha;}}_s{\mathrm{\&rho;}}_s}{{\mathrm{\&alpha;}}_s{\mathrm{\&rho;}}_s+(1-{\mathrm{\&alpha;}}_s){\mathrm{\&rho;}}_{\mathrm{mix}}}---\left(4\right)$

其中：

α_{sand-mass-fraction}质量含砂率无量纲

α_s体积含砂率无量纲

ρ_s砂的密度kg/m³

ρ_mix油气水三相的混合密度kg/m³

以下几点需要加以说明：

1.图2所示的流程图中的“取样测量砂的质量吸收系数”节点并非每次测量都需要重复的节点，而是仅在开始新的含砂井测量前需要标定砂的质量吸收系数时才需要通过试验确定；一旦测定后，则作为已知常数使用。

2.图2所示的流程图中的“取样测量砂的低能可测量临界计数值”节点并非每次测量都需要重复的节点，而是在开始新的含砂井测量前或者当设备上的伽玛射线源或探头更换后需要重新测定砂的低能可测量临界计数值时才需要通过试验确定；一旦测定后，则作为已知常数使用。

3.若如上两点都不需要重新测量，则流程图在开始节点后自动读入上述两节点处的砂的质量吸收系数、砂的低能可测量临界计数，并向下执行整个测量流程，直至完成测量并输出质量含砂率结果。

实施例

提供以下实施例进行详细说明，实施例仅仅是解释性的，而非限制性的。

实验中所使用的测量装置如图1所示。其中：

伽马射线发射器包括：1.放射源及源仓；2.源仓护套；3.聚四氟乙烯密封垫：

伽马射线检测器包括：4.检测器套筒；5.聚四氟乙烯密封垫；6.计数器；

7.高低能伽马束；8.多相流介质；9.测量管段

实验中使用的含砂多相流来自某油田井口采出的含砂含水原油。

为了验证本发明的装置和方法的可实施性，通过含砂仪标定系统对该装置和测量方法进行在线验证。将某一含砂多相流流过本发明的测量装置进行质量含砂率的测量后，进入下游的除砂装置，含砂多相流在除砂装置中经重力分离能将砂从含砂多相流中彻底分离，分离后的多相流进入下游的多相流分离计量装置，通过测量各相的质量从而最终得到多相流的质量，而分离得到的砂通过称重法获取砂的质量，最终折算成标准含砂率，将此标准含砂率作为含砂率真值，而本发明的测量装置实测的测量值与该真值进行比较以查看测量误差。

下面是实验中通过事先标定和测定得到的本发明的测量装置工作时所需的已知量：

参数符号	参数含义＆单位	标定值或测定值
			ρm	油水工况混合密度kg/m3	932.5
ρw	水相工况密度kg/m3	1000
			ρo	油相工况密度kg/m3	865
ρs	砂相密度kg/m3	2636.8
			ρg	气相工况密度kg/m3	5.45
μmh	油水混合相高能质量吸收系数m2/kg	0.0186669809
			μml	油水混合相低能质量吸收系数m2/kg	0.0438727394
μdh	油相高能质量吸收系数m2/kg	0.0181345623
			μol	油相低能质量吸收系数m2/kg	0.0352156873
μwh	水相高能质量吸收系数m2/kg	0.0191993994
			μwl	水相低能质量吸收系数m2/kg	0.0525297916
μgh	气相高能质量吸收系数m2/kg	0.0181345623
			μgl	气相低能质量吸收系数m2/kg	0.0352156873
μsh	砂相高能质量吸收系数m2/kg	0.0193298064
			μsl	砂相低能质量吸收系数m2/kg	0.1428814227
wc	无砂液相中含水率％	50
			Nol	空管低能计数无量纲	9953
N0h	空管高能计数无量纲	6485
			D	管道内壁直径m	0.03
ρmix	油气水工况混合密度kg/m3	700

为了充分验证该装置和方法的可行性，一共进行了五组含砂多相流的对比实验，每组实验条件下测量五次。测量过程中该装置通过结合上面的已知量和公式(1)、(2)、(3)、(4)计算得到每组实验的结果如下：

可见，本发明的装置和方法所实现的测量结果与真值非常接近，且测量结果的重现性非常良好。此外，在从含砂率高达30％的恶劣条件下，本发明的测量精度仍然很高。

本发明的在线测量多相流中质量含砂率的装置及方法，具有如下优点：

1.本发明采用非接触、不进行相分离的方式来实现含砂率测量，不仅测量装置大大简化，而且对待测流体没有任何干扰，且响应及时，能够真正做到实时在线测量。

2.测量范围广、精度高，质量含砂率测量范围为0-30％，测量不确定度为05％。

3.由于没有任何需要定期拆卸进行测量或清理的构件，故装置维护工作大大简化。

4.该测量方法除了能测量质量含砂率外，还能同时测量出多相流的气相相分率、油相相分率和水相相分率。

Claims (3)

1.一种在线测量含砂多相流中质量含砂率的装置，其包括以下构件： 

一段竖直圆管； 

伽马射线探测器，其包括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能够以径向方向沿所述圆管的横截面穿过，到达伽马射线检测器；其中所述伽马射线探测器是使用一高一低两种能量的伽玛射线的双能伽马射线探测器。 

2.根据权利要求1的装置，其中所述双能伽玛射线探测器使用²⁴¹Am或¹³³Ba作为伽玛射线放射源，其中在使用²⁴¹Am放射源的情况下，产生59.5keV的伽玛射线，使该伽玛射线中的一股作为高能伽玛射线直接穿过吸收介质，而使该伽玛射线中的另一股轰击由银做成的靶材从而激发银发出能量为22keV的低能伽玛射线，并沿着与前述高能伽玛射线相同的路径通过该吸收介质，并一起被伽玛射线检测器检测它们的透射强度；而¹³³Ba发出的伽玛射线具有三个主要能级，分别为31keV，81keV，356keV，选取其中的任意两种的组合，例如采用31keV+81keV的组合方式，分别作为所述高能伽玛射线和低能伽玛射线。 

3.一种在线测量含砂多相流中质量含砂率的方法，包括： 

1)使含砂多相流流过一段竖直圆管； 

2)利用伽马射线探测器测定穿过该圆管的高能伽玛射线计数和低能伽玛射线计数，所述伽玛射线探测器包括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能够以径向方向沿所述圆管的横截面穿过，到达伽马射线检测器；其中所述伽马射线探测器是使用一高一低两种能量的伽玛射线的双能伽马射线探测器； 

3)根据以下公式计算质量含砂率： 

a.判断多相流是否为含砂多相流，判断公式如下： 

当以下条件中的任何一个满足时，则判定所述多相流为含砂多相流 

或

其中： 

N_l低能γ射线计数无量纲 

N_h高能γ射线计数无量纲 

N_loil全油标定时低能γ射线计数无量纲 

N_hoil全油标定时高能γ射线计数无量纲 

N_lwater全水标定时低能γ射线计数无量纲 

_Nhwater全水标定时高能γ射线计数无量纲 

N_lgas全气标定时低能γ射线计数无量纲 

N_hgas全气标定时高能γ射线计数无量纲 

b.判断质量含沙率计算公式的选取条件 

若低能伽玛射线计数N_l低于低能可测量临界计数值N_l-limit，则采用高能、低能伽马射线计数联合求解来计算体积含砂率，公式如下： 

ρ_mμ_ml＝wcρ_wμ_wl+(1-wc)ρ_oμ_ol

ρ_mμ_mh＝wcρ_wμ_wh+(1-wc)ρ_oμ_oh   (2) 

其中： 

ρ_m油水工况混合密度kg/m³

ρ_w水相工况密度kg/m³

ρ_o油相工况密度kg/m³ρ_s砂相密度kg/m³

ρ_g气相工况密度kg/m³

μ_mh油水混合相高能质量吸收系数m²/kg 

μ_ml油水混合相低能质量吸收系数m²/kg 

μ_oh油相高能质量吸收系数m²/kg 

μ_dl油相低能质量吸收系数m²/kg 

μ_wh水相高能质量吸收系数m²/kg 

μ_wl水相低能质量吸收系数m²/kg 

μ_gh气相高能质量吸收系数m²/kg 

μ_gl气相低能质量吸收系数m²/kg 

μ_sh砂相高能质量吸收系数m²/kg 

μ_sl砂相低能质量吸收系数m²/kg 

wc无砂液相中的含水率 

α_s体积含砂率无量纲 

N_0l空管低能γ射线计数无量纲 

N_oh空管高能γ射线计数无量纲 

N_l低能γ射线计数无量纲 

N_h高能γ射线计数无量纲 

D管道内壁直径m 

若低能伽玛射线计数N_l高于低能可测量临界计数值N_l-limit，则仅采用高能伽马射线计数来计算体积含砂率，公式如下： 

无砂高能γ射线计数无量纲 

N_oh空管高能γ射线计数无量纲 

μ_sh砂相高能质量吸收系数m²/kg 

ρ_s砂相密度kg/m³

D管道内壁直径m 

c.计算质量含砂率，公式如下： 

其中： 

α_{sand-mass-fraction}质量含砂率无量纲 

α_s体积含砂率无量纲 

ρ_s砂的密度kg/m³

ρ_mix油气水三相的混合密度kg/m³。

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