CN103697950A - 一种在线测量非常规天然气中油、气、水三相流量的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在线测量非常规天然气中油、水、气三相流量的装置，其包括以下构件：可切换文丘里管组件，该组件包含至少两个文丘里管，各文丘里管具有彼此不同的β值；单能伽马传感器，其包含在可切换文丘里管组件中的处于工作状态的文丘里管的入口处或者喉部处成径向布置的单能伽马射线发射器与伽马射线检测器；在线气液分离装置，其布置在所述可切换文丘里管组件的下游，且其包括：入口管道、气液分离器、气体出口管道和液体出口管道；双能伽马传感器，其包含在所述液体出口管道两侧成径向布置的双能伽马射线发射器与伽马射线检测器。本发明还包括使用上述装置在线测量非常规天然气中油、水、气三相流量的方法。

Description

一种在线测量非常规天然气中油、气、水三相流量的方法和装置

技术领域

本发明属于非常规天然气(例如页岩气、煤层气、致密气)流量计量领域。具体地，本发明涉及一种在线测量非常规天然气中油、气、水流量的装置，并涉及一种在线测量非常规天然气中油、气、水流量的方法。 

背景技术

“非常规天然气”是指通过常规开采手段不能得到经济产量的天然气资源。非常规天然气主要包括页岩气、煤层气、致密气、深源气、浅层生物气等。非常规天然气的主要特征在于，单井产量低，短期产量波动较大，但从长期来看，产量成递减趋势，生产周期长。此外，非常规天然气往往是含气率非常高的油气水三相的混合物，例如含气率在85％以上，甚至更高，例如高达95％，甚至高达99％。页岩气是典型的非常规天然气。 

页岩气是指那些聚集在暗色泥页岩或高碳泥页岩中，以吸附或游离状态为主要存在方式的天然气。它与常规天然气的理化性质完全一样，只不过赋存于渗透率、孔隙度极低的泥页岩之中，气流的阻力比常规天然气大，很大程度上增加了页岩气的开采难度，因此被业界归为非常规天然气资源。页岩自身的有效孔隙度很低，页岩气藏主要是由于大范围发育的区域性裂缝，或热裂解生气阶段产生异常高压在沿应力集中面、岩性接触过渡面或脆性薄弱面产生的裂缝提供成藏所需的最低限度的储集孔隙度和渗透率。通常孔隙度最高仅为4％～5％，渗透率小于1×10-3μm。与常规天然气相比，开采寿命长，生产周期长。 

目前世界范围内仅美国掌握商业开采页岩气的技术，仅美国和加拿大有商业开采页岩气气田。2010年，美国页岩气产量超过1379亿立方米，占全国天然气年总产量的23％，超过俄罗斯成为全球第一大天然气生产国。 

据国土资源部网站昨日披露的数据，近年来，国土资源部对川渝黔鄂、陕蒙晋、新疆等地150万平方公里富页岩区做了初步潜力评价，粗算中国页岩气可采资源潜力约31万亿立方米。 

页岩气开发对我国具有战略意义。清洁低碳的页岩气能够增加天然气供应，优化能源结构，缓解减排压力。据《BP世界能源统计2011》数据，2010年我国天然气占一次能源消费的比例为4.0％，而同期世界均值为23.81％，相差近6倍，要达到2020年9％、2030年12％的天然气比例目标，意味着天然气消费需要完成倍数级的增长。加快页岩气勘探开发和利用，对满足经济社会发展对于清洁能源的需求、控制温室气体排放、改善居民用能环境具有重要意义。 

据美国能源信息署(EIA)2011年4月对全球32个国家48个页岩气盆地进行资源评估的初始结果，我国页岩气资源地质储量100万亿立方米，可采资源量36万亿立方米。 

据国际能源署(IEA)预测，世界页岩气的资源量预计有456万亿立方米，其中主要分布于北美、中亚、中东、北非、拉丁美洲、俄罗斯等地区，美国页岩气可采资源储量约为28万亿立方米。 

页岩气作为一种特殊的非常规天然气，赋存于泥岩或页岩中，具有自生自储、无气水界面、大面积连续成藏、低孔、低渗等特征，一般无自然产能或低产，需要大型水力压裂和水平井技术才能进行经济开采，单井产量很低，递减快，生产周期长，典型的单井生产特征见附图6。所以，在进入投产后，如何有效的对单井进行生产优化管理，从而有效的实施增产措施，提高产量和采收率至关重要，而单井产量递减快这一特点要求用于生产计量的仪表必须具有较宽的量程。同时，页岩气开采过程中，采出的页岩气通常都为中高含气的情况，含液率比较低，进而液相中的含水率更低。在含液率低的情况下进行含水的精确测量一直以来是多相在线计量领域的难题。 

而目前应用于页岩气测量油、气、水流量装置主要为分离器，其工作原理如下：通过分离器将气液两相混合流体几乎完全分离成气相和液相，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，同时在液路上进行相应的含水计量。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。且这种先分离后测量的方法也并非在线测量方法，存在测 量的滞后性，油、气、水三相测量的准确性完全依赖于气液分离效果。 

因此，本领域需要一种能够简单且精确地在线实时测量非常规天然气中油、气、水三相流量的装置和方法，并采用非接触、高精度、宽量程、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非常规天然气中油、水、气三相流量的装置，其包括以下构件： 

可切换文丘里管组件，该组件包含至少两个文丘里管，各文丘里管具有彼此不同的β值，所述β值定义为文丘里管的喉部管道直径d与入口管道直径D之比； 

单能伽马传感器，其包含单能伽马射线发生器与伽马射线检测器，二者的布置方式使得所述单能伽玛射线发生器发出的伽玛射线能够沿径向穿过所述可切换文丘里管组件中的处于工作状态的文丘里管的入口处或喉部处的横截面，达到所述伽玛射线检测器； 

在线气液分离装置，其布置在所述可切换文丘里管组件的下游，且其包括：入口管道、气液分离器、气体出口管道和液体出口管道； 

双能伽马传感器，其包含双能伽马射线发生器与伽马射线检测器，二者的布置方式使得所述双能伽玛射线发生器发出的伽玛射线能够沿径向穿过所述液体出口管道的横截面，达到所述伽玛射线检测器。 

本发明的第二方面涉及一种在线测量非常规天然气中油、水、气三相流量的方法，包括以下步骤： 

1)使非常规天然气流入竖直设置的可切换文丘里管组件的处于工作状态的文丘里管中； 

2)利用该处于工作状态的文丘里管测量该非常规天然气的总体积流量Q_v； 

3)利用单能伽玛传感器在所述处于工作状态的文丘里管的入口处或喉部处测量所述非常规天然气的含气率GVF； 

4)利用在所述可切换文丘里管下游的在线气液分离装置对所述非常规天然 气进行气液分离； 

5)使前一步骤中气液分离后得到的液相流过一段竖直管道，并使用双能伽马传感器测量液相中的含水率WLR； 

6)计算所述非常规天然气的油、气、水各相的体积流量； 

7)当所述非常规天然气的流量的变化超过预定的阈值时，切换所述可切换文丘里管组件中的文丘里管，重复上述步骤1)～步骤6)，以在所述非常规天然气的流量发生变化后仍保持预定的测量精度。 

附图简述 

图1是本发明的测量非常规天然气中油、气、水三相流量的装置的结构示意图。 

图2是本发明装置中的单能伽马传感器的结构示意图。 

图3是本发明的可切换文丘里管组件和单能伽马传感器的装置结构示意图。 

图4是本发明的在线气液分离器和双能伽马传感器的装置结构示意图。 

图5是本发明的测量非常规天然气中油、气、水三相流量的参数测量流程图和最终结果计算流程图(页岩气油、气、水三相流量测量流程图)。 

图6是典型的页岩气单井产量变化特征图 

发明详述 

为了便于理解本发明，首先对非常规天然气以及多相流计量领域中的一些术语简单介绍如下： 

“非常规天然气”和“页岩气”如上文背景技术一节所定义。 

“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。 

“竖直”是指与重力加速度方向同向或反向。 

“水平”是指与重力加速度方向呈90。角的方向。 

“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。相分率通常分为线性相分率、截面相分率、体积相分率，在多相流中测量中， 通常我们需要假设三相介质均匀混合。在测量中，通常可在多相流管路中设有专门的促进流体混合的装置，例如混合器或折流板或盲三通等，以使油气水三相充分混合，以使实际情况达到或尽可能接近上述“均匀混合”的假设。根据γ射线的指数衰减规律，透射γ射线的强度与它所穿过的介质的厚度有关，用γ传感器直接测量的是在它穿行的途径上各相介质的厚度比，即直接测量的是“线性相分率”。在三相介质均匀混合的前提下，则可以由线性相分率结合管道截面几何参数推算面积相分率。而在实际总流量测量中，我们将三相作为一相进行处理，这就需要我们假设各相间不存在相速度差(即不存在滑差)，即三相流中的气相与液相在任何一个横截面处具有相同的流动速度。在气液相剧烈混合的条件下，通常认为这种无滑差的前提是成立的。在“无滑差”的前提下，管道横截面上气相所占的面积与管道横截面积之比(相面积比)就等于含气率。类似地，当液相中的水与油在某一处具有相同的流动速度时，该处的管道横截面上水所占的面积与液相所占面积之比(相面积比)就等于含水率，并认为面积相分率就是体积相分率。在此发明中，如果没有特别指出，基于“均匀混合”和“无滑差”这两个前提，认为测量了某一截面处各相的线性相分率，则基于管道截面的几何参数，就可以推算该截面处的面积相分率和体积相分率。 

“含气率”(GVF)定义为：在环境温度和压力的条件下(工况下)气体体积流量与多相流总体积流量之比。通常用百分数表示。在“均匀混合”和“无滑差”的前提下，含气率就是截面的气相面积相分率。 

“含水率”(WC)定义为：在标准温度和压力的条件下(标况下)水的体积流量与液体体积流量之比。通常用百分数表示。在“均匀混合”和“无滑差”的前提下，含水率就是截面的水相面积相分率。 

本发明第一方面涉及一种非常规天然气中油、气、水三相在线流量测量装置，下面对其所包括的构件进行详细介绍。 

本发明装置的可切换文丘里管组件包含至少两个文丘里管，各文丘里管具有彼此不同的β值，所述β值定义为文丘里管的喉部管道直径d与入口管道直径D之比。参见附图3，该至少两个文丘里管容纳在可切换文丘里管组件的主体3-1中，并配有用于在线切换各文丘里管的移动机构3-2。其中每个文丘里管由入口管段、圆锥收缩段、圆筒喉部、圆锥扩散段组成，且其中每个文丘里管 的圆锥扩散段最宽处直径D相同，但具有彼此不同的圆筒喉部直径d。所述至少两个文丘里管彼此平行安装，且所述组件上游连接流体输入管道，下游连接流体输出管道。其中，流体正在其内流通的那个文丘里管称为处于工作状态的文丘里管。文丘里管上还设置有用于测量温度和入口处与喉部处压差的测量元件，这些都是文丘里管的标准配件，不再赘述。关于文丘里管的详细结构及加工规范，可以参见中国国家标准GB-T2624，本文不再赘述。本发明专利中需要特别指出的是，文丘里管的β值(定义为文丘里管的喉部直径d值与入口管段最大直径D之比，即β＝d/D)是决定文丘里管的测量范围的重要参数。本文所述的可切换文丘里管组件中的各个文丘里管具有不同的β值，例如β值可在0.35到0.75之间变动，此时流量的最大测量范围和最小测量范围之比可达32。当然，具体不同文丘里管β值的选取可以根据实际设计需要在其它数值范围内变化，以达到更大的最大测量范围与最小测量范围之比。所述移动结构为任何适合使所述装置主体发生平移或旋转的装置，以便切换各个文丘里管使得在某一时刻总有一个文丘里管道与装置上下游管道相连接，以此方式来实现喉部直径d的切换。其中所述移动包括平移或旋转。所述移动结构可以手动移动或通过机械来使装置主体移动，例如在自动控制机构的控制下进行移动。所述移动结构上面还可以根据需要设置限位装置，以便使各个文丘里管的切换更加精准，或使得切换后文丘里管位置固定。 

在保持各文丘里管的出进口端最大直径D相同的而喉部直径d不同的情况下，根据文丘里设计规范，不同β值的文丘里管的圆锥收缩段和圆锥扩散段的长度会存在差异，为了便于与上下游管道的接合，可在具有较大喉部管道直径的文丘里管的进口端配有补齐直管道并在出口端配有补齐直管道，以进行长度补齐，即使得具有较大喉部管道直径的文丘里管的长度加上其两端的补齐直管道的长度后，等于具有较小喉部管道直径的文丘里管的长度。所述装置的外部还需要套装密封箱体以防止流体泄漏。在有效防止流体泄漏的情况下，可以在线切换各个文丘里管而无需关闭上下游管道。密封箱体的结构可以为任何使流体不泄露的结构，且可由本领域技术人员根据具体情况进行设计。 

本发明中，所述可切换文丘里管组件竖直布置。在本发明的优选实施方案中，在所述文丘里管的上游的水平管道处最好还设置一个盲三通，以使多相流 由水平流向转为竖直流向，并通过流体在盲三通处的碰撞作用而使多相流混合均匀。 

本发明装置中的单能伽马传感器，主要由伽马射线发射器与伽马射线检测器组成。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。 

单能伽马传感器是利用准直的单一能量的γ光子束透射原理的同位素仪表，例如使用²⁴¹Am放射源，其发出的伽玛射线的能量为59.5keV；或使用¹³⁷Cs放射源，发出的γ射线能量：662keV。在多相流计量领域，单能伽玛传感器主要用来测量多相流体的相分率，主要用来测量含气率或三相混合密度，它的结构如附图2所示，伽马射线发射器主要包括放射源及源仓(2-1)、源仓护套(2-2)以及密封垫(2-3)，而伽马射线检测器主要包括伽马探测器(2-5)、密封垫(2-4)、探测器套筒(2-6)。 

本发明中，要求单能伽马传感器的单能伽马射线发射器与伽马射线检测器的布置方式使得所述单能伽玛射线发射器发出的伽玛射线能够沿径向穿过所述可切换文丘里管组件中的处于工作状态的文丘里管的入口处或喉部处的横截面，达到所述伽玛射线检测器。 

本发明的装置中的双能伽马传感器主要由双能伽马射线发生器与伽马接收器组成。双能伽马发生器是利用一双能γ束(其中包含能量不同的两种γ光子) 穿过被测介质，然后分别由双能伽马接收器测量两种能量光子的透射强度。这样它相当于两个单能伽马传感器，但在以下两点上又不同于两个单能γ传感器。其一，两组γ光子能量不同，因此可以列出两个独立的吸收方程，其二，两种能量的γ光子所穿过介质的状况完全相同，因此两个吸收方程中的被测量是同一介质。由此可以把两个吸收方程联立解出两个未知数：含水率和液相厚度(含液率，其中含液率＝1一含气率)。这样它就解决了单能含水仪测量原油含水率时被测原油不能含气的限制。 

双能γ传感器的结构基本上和单能的相同。不同的是源仓的结构需要根据放射源的选取进行相应设计。常用可行的方案为双能γ源的源仓是由两个²⁴¹Am源组成的一个复合结构或者选用¹³³Ba的单颗放射源结构。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，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。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。本发明的装置中，双能伽玛射线发射器和伽玛射线接收器要沿竖直圆管的横截面呈径向布置。 

本发明装置中的在线气液分离装置，主要作用是通过在线的气液相分离或 部分分离，与原始多相流相比，得到相对更富含气体的气相和相对更富含液体的液相。该在线气液分离装置位于所述可切换文丘里管组件的下游。如前所述，如果多相流中含液率过低，则在测量液相中的含水率时误差会较大。通过进行在线气液分离，可以对所述相对更富含液体的液相进行含水率测量，提高含水率测量精度。所述在线气液分离装置也可以称为在线液体取样装置，其一般包含入口管道、气液分离器、气体出口管道和液体出口管道，以及其它必要的附件等。在线气液分离的方式可以有很多种，本发明采用的是“旋流分离+碰撞分离”的方式，其结构见附图4，主要由入口管道(4-1)，上旋流仓(4-2)，腔体(4-3)，下旋流仓(4-4)，液体出口管道(4-5)，碰撞仓(4-6)组成。该在线气液分离装置的主体是两个旋流仓，其可以为圆柱形的、圆锥形的或圆柱形与圆锥形二者的组合。例如，其可以为上柱下锥形状。在工作状态下，该旋流仓的轴线一般竖直放置。为保证在多相流在仓内充分旋流后形成较稳定的流态，使仓内液体出口处气体含量较低，旋流仓的直径一般为入口管道直径的6倍以上，高度为入口管道直径的2倍以上，而腔体直径取2倍入口管道直径。入口管道则在旋流仓的侧面沿着圆周切线方向通入该旋流仓。所述入口管道上游连接多相流输入管道。一般来说，该入口管道在旋流仓的侧面中上部沿着圆周切线方向通入该旋流仓。优选地，该入口管道在旋流仓的侧面顶部沿着圆周切线方向通入该旋流仓。对该入口管道的截面形状没有要求，但优选为圆形。该入口管道与水平线的夹角在0到90度之间，优选0-75度之间，更优选0-60度之间。实践中，为了优化装置高度和方便联接，优选水平安装。 

在旋流仓的顶部设有一个碰撞仓，该碰撞仓的入口与所述旋流仓的顶部连通，该碰撞仓的入口本身作为所述旋流仓的气体出口管道。该碰撞仓内交错设置至少2层筛网，旋流仓出口气体流经该筛网时，其中携带的液相经过碰撞作用而被筛网捕集，并返回至旋流仓中。因此，该碰撞仓的存在，可大大降低气体中所携带的液体量，进而有利于提高在线气液分离器的气液分离效率。所述碰撞仓的具体结构可以是板式，也可以是桶式，同时设计需要综合考虑气液的流通量和压损。 

所述在线气液分离装置的液体出口管道上可以设置含水率测量仪器，例如本发明所述的双能伽玛射线传感器，以测量液体样品的含水率。在优选实施方 案中，所述双能伽玛传感器设置在该液体出口管道的一段竖直布置的管道处，以消除油水分层的影响，提高测量准确度。本发明中的双能伽玛传感器包含双能伽马射线发射器与伽马射线检测器的布置方式使得所述双能伽玛射线发射器发出的伽玛射线能够沿径向穿过所述液体出口管道的横截面，达到所述伽玛射线检测器。 

所述在线气液分离装置的各部件的尺寸以及彼此之间的布置关系，主要是入口角度，碰撞仓的结构和尺寸，可针对油井含气率的特定范围使用流体计算软件计算后优化，或根据有限次实验后进行优化设计。 

由所述在线气液分离装置所分成的气相和液相，可以根据需要在本发明的装置下游的某处汇合，重新生成非常规天然气流股，继续输送。因此，本发明的装置对非常规天然气的输送不造成干扰。 

本发明的第二方面涉及一种在线测量非常规天然气中油、水、气三相流量的方法，该方法中所使用的装置如上文所述。下面对该方法所包括的各步骤进行详细介绍。 

本发明的在线测量非常规天然气中油、水、气三相流量的方法包括： 

1)使非常规天然气流入竖直设置的可切换文丘里管组件的处于工作状态的文丘里管中。如果之前所述非常规天然气是在水平管中流动，则使之流过一个盲三通使流动方向由水平变为垂直向上，然后进入该竖直设置的处于工作状态的文丘里管中。盲三通的作用还在于通过流体的折流碰撞，促使流体混合均匀。 

2)利用该处于工作状态的文丘里管测量该非常规天然气的总体积流量Q_v；文丘里管可用于测量该非常规天然气的入口处与喉部处之间的压差Δp。用这些数据，结合文丘里管本身的设计参数，就可以计算该非常规天然气的总体积流量，具体公式如下： 

$Q_v=0.0040\mathrm{CE}{d}^2\sqrt{\frac{\mathrm{\Δp}}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{mix}}}}---\left(1\right)$

ρ_mix＝(1-GVF)[ρ_o+WLR(ρ_w-ρ_o)]+GVFρ_g    (2) 

其中： 

C文丘里流出系数；无量纲，由文丘里设计参数给出 

E渐进速度系数，无量纲，由文丘里设计参数给出； 

d文丘里喉部直径，mm，由文丘里设计参数给出； 

Δp文丘里管的入口处与喉部之间的差压，Pa； 

ρ_mix油、气、水三相混合密度，kg/m³； 

Q_v总体积流量，m³/h； 

GVF由单能伽玛传感器测得的所述非常规天然气中的含气率； 

WLR由双能伽玛传感器测得的液相含水率； 

ρ_w水相工况密度kg/m³

σ_o油相工况密度kg/m³

ρ_g气相工况密度kg/m³

其中，经典文丘里管的流出系数C与雷诺数相关，有许多经验公式可以参考。对于页岩气三相计量，通常为高含气且油、气、水混合粘度较低，雷诺数较高，页岩气计量中C可取经典值0.995。 

3)利用单能伽玛传感器在所述处于工作状态的文丘里管的入口处或喉部处测量所述非常规天然气的含气率GVF；具体计算公式如下： 

$\mathrm{GVF}=\frac{[{\mathrm{\ρ}}_o{\mathrm{\μ}}_o^s+\mathrm{WLR}({\mathrm{\ρ}}_w{\mathrm{\μ}}_w^s-{\mathrm{\ρ}}_o{\mathrm{\μ}}_o^s)]-\ln (N_0^s/N_x^s)/D_1}{[{\mathrm{\ρ}}_o{\mathrm{\μ}}_o^s+\mathrm{WLR}({\mathrm{\ρ}}_w{\mathrm{\μ}}_w^s-{\mathrm{\ρ}}_o{\mathrm{\μ}}_o^s)]-{\mathrm{\ρ}}_g{\mathrm{\μ}}_g^s}---\left(3\right)$

其中： 

单能γ射线空管计数无量纲 

单能γ射线在线计数无量纲 

全油标定时单能γ射线的质量吸收系数m²/kg 

全水标定时单能γ射线的质量吸收系数m²/kg 

全气标定时单能γ射线的质量吸收系数m²/kg 

ρ_w  水相工况密度  kg/m³

ρ_o  油相工况密度  kg/m³

ρ_g  气相工况密度  kg/m³

WLR由所述双能伽马传感器测量得到的液相中的含水率 

D₁单能伽马传感器安装位置管道内直径m。 

4)利用在所述可切换文丘里管下游的在线气液分离装置对所述非常规天然气进行气液分离。该气液分离将得到与原始多相流相比相对更富含气体的气相和相对更富含液体的液相，以便可以对该相对更富含液体的液相进行含水率测量。 

5)使前一步骤中气液分离后得到的液相流过一段竖直管道，并使用双能伽马传感器测量液相中的含水率WLR。其中通过以下公式由所述双能伽马传感器的测量数据计算含水率： 

$\mathrm{\λ}=\frac{({\mathrm{\μ}}_{-}^L\·M-{\mathrm{\μ}}_{-}^H\·P)-({\mathrm{\ρ}}_o{\mathrm{\μ}}_o^H\·{\mathrm{\μ}}_{-}^L-{\mathrm{\ρ}}_o{\mathrm{\μ}}_o\·{\mathrm{\μ}}_{-}^H)}{({\mathrm{\μ}}_{-}^L\·{\mathrm{\ρ}}_g{\mathrm{\μ}}_g^H-{\mathrm{\μ}}_{-}^H\·{\mathrm{\ρ}}_g{\mathrm{\μ}}_g^L)-({\mathrm{\ρ}}_o{\mathrm{\μ}}_o^H\·{\mathrm{\μ}}_{-}^L-{\mathrm{\ρ}}_o{\mathrm{\μ}}_o^L\·{\mathrm{\μ}}_{-}^H)}---\left(4\right)$

$\mathrm{WLR}=\frac{{P-\mathrm{\ρ}}_o{\mathrm{\μ}}_o^L(1-\mathrm{\λ})-{\mathrm{\ρ}}_g{\mathrm{\μ}}_g^L\·\mathrm{\λ}}{{\mathrm{\μ}}_{-}^L(1-\mathrm{\λ})}---\left(5\right)$

上述公式中的四个中间变量定义如下： 

$M=\ln \left(\frac{N_0^H}{N_X^H}\right)\·\frac{1}{D},P=\ln \left(\frac{N_0^L}{N_X^L}\right)\·\frac{1}{D}$

${\mathrm{\μ}}_{-}^H=({\mathrm{\ρ}}_w{\mathrm{\μ}}_w^H-{\mathrm{\ρ}}_o{\mathrm{\μ}}_o^H),{\mathrm{\μ}}_{-}^L=({\mathrm{\ρ}}_w{\mathrm{\μ}}_w^L-{\mathrm{\ρ}}_o{\mathrm{\μ}}_o^L)$

其中： 

ρ_w水相工况密度kg/m³

ρ_o油相工况密度kg/m³

ρ_g气相工况密度kg/m³

全油标定时双能伽马传感器高能质量吸收系数m²/kg 

全油标定时双能伽马传感器低能质量吸收系数m²/kg 

全水标定时双能伽马传感器高能质量吸收系数m²/kg 

全水标定时双能伽马传感器低能质量吸收系数m²/kg 

全气标定时双能伽马传感器高能质量吸收系数m²/kg 

全气标定时双能伽马传感器低能质量吸收系数m²/kg 

λ双能伽马传感器测量管段处油、气、水三相的含气率 

WLR双能伽马传感器测量管段处的液相中的含水率 

  空管低能计数  无量纲 

  空管高能计数  无量纲 

  低能在线计数  无量纲 

  高能在线计数  无量纲 

D₂  双能伽马传感器测量管段处的管道内直径m 

其中用右上角带“H”的符号表示和高能γ射线有关的物理量。带“L”表示和低能γ射线有关的物理量。 

6)计算所述非常规天然气的油、气、水各相的体积流量，根据以下公式计 算所述非常规天然气中的油、气、水三相工况流量，其中LC表示工况： 

$Q_{\mathrm{gas}}^{\mathrm{LC}}=Q_v\mathrm{GVF}---\left(6\right)$

$Q_{\mathrm{water}}^{\mathrm{LC}}=Q_v(1-\mathrm{GVF})\mathrm{WLR}---\left(7\right)$

$Q_{\mathrm{oil}}^{\mathrm{LC}}=Q_v(1-\mathrm{GVF})(1-\mathrm{WLR})---\left(8\right)$

其中： 

气工况流量，am³/h； 

油工况流量，am³/h 

水工况流量，am³/h 

Q_v总流量，am³/h 

GVF由单能伽马传感器测量的所述非常规天然气中的含气率 

WLR由双能伽马传感器测量的液相中的含水率 

在优选实施方案中，该步骤还可进一步包括利用PVT模型将所述非常规天然气中的油、气、水的工况流量转换为标况流量，以作为最后的规范性输出结果。具体过程如下：通过本发明装置上所安装的多变量变送器，采集页岩气油、气、水的温度、压力并结合流体的介质属性，利用PVT模型将工况下油、气、水流量转换至标况下作为最终输出量。 

$Q_{\mathrm{oil}}^{\mathrm{SC}}=\frac{Q_{\mathrm{oil}}^{\mathrm{LC}}}{B_o}---\left(9\right)$

$Q_{\mathrm{water}}^{\mathrm{SC}}=\frac{Q_{\mathrm{water}}^{\mathrm{LC}}}{B_w}---\left(10\right)$

$Q_{\mathrm{gas}}^{\mathrm{SC}}=\frac{Q_{\mathrm{gas}}^{\mathrm{LC}}}{B_g}+R_s{Q}_{\mathrm{oil}}^{\mathrm{SC}}---\left(11\right)$

其中： 

气工况流量，am³/h； 

油工况流量，am³/h 

水工况流量，am³/h 

气工况流量，sm³/h； 

油工况流量，sm³/h 

水工况流量，sm³/h 

B_o油体积系数，无量纲 

B_w水体积系数，无量纲 

B_g气体积系数，无量纲 

R_s溶解气油比，sm³/sm³

由于PVT相关体积系数可通过黑油模型或者客户模型根据采集的压力和温度计算得到，在多相流计量行业内为大家所熟知，故在此不对PVT计算进行详细阐述。 

7)当所述非常规天然气的流量的变化超过预定的阈值时，切换所述可切换文丘里管组件中的文丘里管，重复上述步骤1)～步骤6)，以在所述非常规天然气的流量发生变化后仍保持预定的测量精度。该预定阈值可以由油田客户根据经验数据自行设定。例如，当非常规天然气的产量逐渐下降超过预定阈值时，则切换成具有较小β值的文丘里管进行测量。上述切换，可以人工切换，也可以自动切换。这种可切换文丘里管的设置使得油田客户不必从油气管路上拆卸流量计就能在低油气产量下维持与在高油气产量下一致的测量精度。 

由于本发明的测量过程和计算过程中需要的参数和公式众多，有些参数是现场实测变量，有些参数则是需要事先通过实验测量好并现场测量时作为常量使用，有些参数还彼此互为计算的前提，为了便于理解这些参数的测量方法和在计算过程中的作用，下文结合图5对计算过程进行详细论述： 

首先，在对非常规天然气中的油、气、水三相流量测量之前，需要提前做好一些基础性参数的测量和标定工作，测定后，则在非常规天然气中的油、气、水三相流量进行在线实时测量时，认为这些基础性参数都是已知的常量。 

分别是单伽马传感器能和双能全伽传感器空管标定值，是指当测量管路为空时所测得的单能伽马射线计数、高能伽玛射线计数和低能伽玛射线计数。 

ρ_o、ρ_g、ρ_w分别是油相、水相、气相工况密度。其中各相工况密度使用常规的气液固三相分离器对待测非常规天然气进行彻底的三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，上述PVT模型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。 

全油标定(即测量管路中充满油)时单能γ射线的质量吸收系数m²/kg 

全水标定(即测量管路中充满水)时单能γ射线的质量吸收系数m²/kg 

全气标定(即测量管路中充满气)时单能γ射线的质量吸收系数m²/kg 

全油标定时双能伽马传感器高能质量吸收系数m²/kg 

全油标定时双能伽马传感器低能质量吸收系数m²/kg 

全水标定时双能伽马传感器高能质量吸收系数m²/kg 

全水标定时双能伽马传感器低能质量吸收系数m²/kg 

全气标定时双能伽马传感器高能质量吸收系数m²/kg 

全气标定时双能伽马传感器低能质量吸收系数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非常规天然气进行 彻底相分离后，将各相分别充满满测量管道，然后分别记录各相的在线标定计数，根据伽玛射线的初始强度N₀和透射强度N_x，采用吸收公式进行计算。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。 

D₁、D₂分别为单能伽马传感器和双能伽马传感器安装位置管道内直径(m)，该参数根据该发明装置设计和加工参数确定。 

B_o油体积系数，无量纲 

B_w水体积系数，无量纲 

B_g气体积系数，无量纲 

R_s溶解气油比，sm³/sm³

以上PVT参数与策略介质温度、压力以及测量介质属性相关，由于在本领域内为大家所公知，其获取过程在此不再阐述。 

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。 

为了验证本发明的装置和方法的可实施性，通过国际认证的多相流标定环线对该装置和测量方法进行在线验证。为了全面的验证该装置的测试性能，真实地模拟非常规天然气的井况特征，测试点的设计流量条件选取侧重流量范围宽、高含气率为主的特点。该多相流环线油相采用油井生产的原油，水为矿化水，气采用天然气。首先将油、气、水通过单相测试管线进行标准流量计量，然后通过混合器进行油、气、水充分混合，得到稳定的多相流后流经本发明的测量装置进行油、气、水三相流量在线测量，最后进入测试环线下游的分离器进行油、气、水的分离，经过分离后的油、气、水单相介质继续进入单相测量管段，形成一个混合、多相在线计量、分离再混合的循环测试系统。最终将一个计量周期的标准值与本发明的测量装置实测值与进行比较以查看相应输出量的测量误差，通常需要关注的输出量有液量，气量，含水率。 

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： 

为了充分验证该装置和方法的可行性，一共进行了22组多相流条件的对比实验，每组实验条件下测量10分钟。测量过程中该装置通过结合上面的已知量和公式(1)-(11)计算得到每组实验条件下该发明装置的测量对比结果如下： 

通过标准多相流环线对本发明装置进行流量标定结果可知，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好，能很好的满足目前非常规天然气油、气、水三相流量的计量精度要求。此外，本发明在含气率高达99％的情况下，含水率的测量误差仍然很小，这说明在线液体取样器的独特设计使双能伽马传感器含水率测量精度不受含气率的影响，实现了GVF全量程条件下含水的精确计量。相比之下，通常的非常规天然气流量计，在含气率GVF高于95％时，就会产生相当大的含水率测量误差，造成测量精度显著下降。 

本发明的在线测量非常规天然气中油、气、水三相流量的装置及方法，具有如下优点： 

1.本发明装置对非常规天然气采用非接触的方式来实现总流量和相分率的测量，不仅测量装置大大简化，结构紧凑，安装维护工作量小，无可动部件，而且对被测量流体响应及时，真正意义上实现了实时在线测量。 

2.本发明装置中采用自动可切换文丘里的结构，大大的扩展了传统差压式流量计总流量测量范围，最大的量程比可由1∶8扩展到1∶32，从而从根本上解决了非常规天然气井况条件下产量递减快，对测量装置量程范围要求宽的难题。且在各种流量条件下，维持基本一致的测量精度。 

3.本发明装置中采用在线气液分离装置进行含水测量的方法，为双能测量提供了代表性的液样并减少了含气率对含水测量的扰动，该测量方法解决了非常规天然气中高含气条件下液相中的含水率测量误差非常大的问题。从上述公式可见，含水率的测量精度直接关系着气相、油相和水相各相的测量精度，因此，提高了含水率的测量精度，也就大大提高了各相流量的测量精度。 

Claims (16)

1.一种在线测量非常规天然气中油、水、气三相流量的装置，其包括以下构件： 

可切换文丘里管组件，该组件包含至少两个文丘里管，各文丘里管具有彼此不同的β值，所述β值定义为文丘里管的喉部管道直径d与入口管道直径D之比； 

单能伽马传感器，其包含单能伽马射线发射器与伽马射线检测器，二者的布置方式使得所述单能伽玛射线发射器发出的伽玛射线能够沿径向穿过所述可切换文丘里管组件中的处于工作状态的文丘里管的入口处或者喉部处的横截面，达到所述伽玛射线检测器。 

在线气液分离装置，其布置在所述可切换文丘里管组件的下游，且其包括：入口管道、气液分离器、气体出口管道和液体出口管道； 

双能伽马传感器，其包含双能伽马射线发射器与伽马射线检测器，二者的布置方式使得所述双能伽玛射线发射器发出的伽玛射线能够沿径向穿过所述液体出口管道的横截面，达到所述伽玛射线检测器。 

2.根据权利要求1的装置，其还包括位于所述可切换文丘里管组件上游的用于使流体混合均匀的装置。 

3.根据权利要求1的装置，其中所述可切换文丘里管组件竖直布置；且所述双能伽玛传感器安装在所述液体出口管道的一段竖直设置的管道处。 

4.根据权利要求1的装置，其中所述单能伽马传感器使用241Am或137Cs作为伽马放射源，其中241Am发出的伽玛射线的能量为59.5keV，137Cs发出的γ射线能量为662keV；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；而在使用133Ba作为放射源的情况下，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，分别作为所述双能伽玛射线。 

5.根据权利要求1的装置，其中所述可切换文丘里组件包含移动机构，通 过该移动机构对所述至少两个具有不同β值的文丘里管进行在线切换，所述切换包括平移切换或旋转切换。 

6.根据权利要求1的装置，其中所述在线气液分离装置中的气液分离器包括旋流仓和碰撞仓，其中通过使流体经由与该旋流仓呈切向布置的入口管道进入旋流仓而产生的旋流分离作用来进行气液分离，分离后得到的气体流经设置在所述碰撞仓内的交错布置的至少2层筛网，以进一步捕集液相，提高气液分离效率。 

7.根据权利要求6的装置，其中所述旋流仓的轴线沿竖直方向设置。 

8.一种在线测量非常规天然气中油、水、气三相流量的方法，包括以下步骤： 

1)使非常规天然气流入竖直设置的可切换文丘里管组件的处于工作状态的文丘里管中； 

2)利用该处于工作状态的文丘里管测量该非常规天然气的总体积流量Qv； 

3)利用单能伽玛传感器在所述处于工作状态的文丘里管的入口处或喉部处测量所述非常规天然气的含气率GVF； 

4)利用在所述可切换文丘里管下游的在线气液分离装置对所述非常规天然气进行气液分离； 

5)使前一步骤中气液分离后得到的液相流过一段竖直管道，并使用双能伽马传感器测量液相中的含水率WLR； 

6)计算所述非常规天然气的油、气、水各相的体积流量； 

7)当所述非常规天然气的流量的变化超过预定的阈值时，切换所述可切换文丘里管组件中的文丘里管，重复上述步骤1)～步骤6)，以在所述非常规天然气的流量发生变化后仍保持预定的测量精度。 

9.权利要求8的方法，其中根据以下公式计算所述非常规天然气的含气率GVF： 

其中： 

单能γ射线空管计数无量纲 

单能γ射线在线计数无量纲 

全油标定时单能γ射线的质量吸收系数m²/kg 

全水标定时单能γ射线的质量吸收系数m²/kg 

全气标定时单能γ射线的质量吸收系数m²/kg 

ρ_w水相工况密度kg/m³

ρ_o油相工况密度kg/m³

ρ_g气相工况密度kg/m³

WLR由所述双能伽马传感器测量得到的液相中的含水率 

D₁单能伽马传感器安装位置管道内直径m。 

10.权利要求8的方法，其中根据以下公式测量所述非常规天然气的总流量： 

ρ_mix＝(1-GVF)[ρ_o+WLR(ρ_w-ρ_o)]+GVFρ_g    (2) 

其中： 

C文丘里流出系数；无量纲，由文丘里设计参数给出 

E渐进速度系数，无量纲，由文丘里设计参数给出； 

d文丘里喉部直径，mm，由文丘里设计参数给出； 

Δp文丘里管的入口处与喉部之间的差压，Pa； 

ρ_mix油、气、水三相混合密度，kg/m³； 

Q_v总体积流量，m³/h； 

GVF由单能伽玛传感器测得的所述非常规天然气中的含气率； 

WLR由双能伽玛传感器测得的液相含水率； 

ρ_w水相工况密度kg/m³

ρ_o油相工况密度kg/m³

ρ_g气相工况密度kg/m³。

11.权利要求10的方法，其中所述流出系数C＝0.995。 

12.权利要求8的方法，其中通过以下公式由所述双能伽马传感器的测量数据计算含水率： 

上述公式中的四个中间变量定义如下： 

其中： 

ρ_w水相工况密度kg/m³

ρ_o油相工况密度kg/m³

ρ_g气相工况密度kg/m³

全油标定时双能伽马传感器高能质量吸收系数m²/kg 

全油标定时双能伽马传感器低能质量吸收系数m²/kg 

全水标定时双能伽马传感器高能质量吸收系数m²/kg 

全水标定时双能伽马传感器低能质量吸收系数m²/kg 

全气标定时双能伽马传感器高能质量吸收系数m²/kg 

全气标定时双能伽马传感器低能质量吸收系数m²/kg 

λ双能伽马传感器测量管段处油、气、水三相的含气率 

WLR双能伽马传感器测量管段处的液相中的含水率 

  空管低能计数  无量纲 

  空管高能计数  无量纲 

  低能在线计数  无量纲 

  高能在线计数  无量纲 

D₂双能伽马传感器测量管段处的管道内直径m 

其中用右上角带“H”的符号表示和高能γ射线有关的物理量。带“L”表示和低能γ射线有关的物理量。 

13.权利要求8的方法，其中根据以下公式计算所述非常规天然气中的油、气、水三相工况流量，其中LC表示工况。 

其中： 

气工况流量，am³/h； 

油工况流量，am³/h 

水工况流量，am³/h 

Q_v总流量，am³/h 

GVF由单能伽马传感器测量的所述非常规天然气中的含气率 

WLR由双能伽马传感器测量的液相中的含水率。 

14.权利要求13的方法，其进一步包括利用PVT模型将所述非常规天然气中的油、气、水的工况流量转换为标况流量。 

15.权利要求8的方法，其中所述在线气液分离装置包括：入口管道、气液分离器、气体出口管道和液体出口管道；其中所述气液分离器包括旋流仓和碰 撞仓，其中通过使流体经由与该旋流仓呈切向布置的入口管道进入旋流仓而产生的旋流分离作用来进行气液分离，分离后得到的气体流经设置在所述碰撞仓内的交错布置的至少2层筛网，以进一步捕集液相，提高气液分离效率。 

16.根据权利要求1的装置或根据权利要求8的方法，其中所述非常规天然气选自煤层气、致密砂岩气、页岩气、油砂岩气、天然水合物、深源气或浅层生物气。 

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