CN103759772A - 一种全量程计量稠油中油气水三相流量的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种全量程计量稠油中油气水三相流量的装置，其包括以下构件：文丘里流量计3；布置在所述文丘里流量计上下游的竖直圆管处或文丘里管的喉部处的双能伽马射线相分率仪2，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文丘里管3的喉部处的管道横截面，达到所述伽玛射线检测器；罐体5，其位于所述文丘里管3的下游，用于积累或排放稠油，其顶部设有气体出口，其底部设有液体出口；差压变送器6，其布置方式使得其能够测量罐体5内因稠油积累导致的下取压口与液面之间的差压△P。本发明还涉及一种全量程计量稠油中油气水三相流量的方法。

Description

一种全量程计量稠油中油气水三相流量的装置和方法

技术领域

本发明属于稠油流量计量领域。

背景技术

世界油气资源中，稠油资源占有相当大的比例。“稠油”是指在油层温度下脱气原油粘度大于100mPaS、相对密度大于0.92的原油，或称之为重油。据统计，世界稠油的储量约占世界未开发原油储量的70％。世界稠油资源蕴藏最丰富的国家是加拿大，其次为委内瑞拉，前苏联，中东地区，美国，中国等。随着传统原油的开采，以及世界对能源需求日渐增长，稠油必将会在未来的能源结构中占据日益重要的地位。因此，无论从整个世界资源角度看，还是从我国实际出发看，开发稠油资源都是当今具有战略意义的重要课题。所以，相应的对稠油井生产进行监控和计量的技术也具有重要的战略意义。油田单井产量的测量是油田生产管理和地质研究中非常重要的依据，准确及时的掌握油田产量对降低能耗，保持和提高产能具有重要的指导意义。

稠油井的特点是流量小，含气率低，原油粘度高，流动性差，且原油极易形成乳化原油或发泡原油。这给准确计量稠油中油气水三相的流量造成了很大的困难。

常用的稠油开采单井计量方法大多为分离计量方法或翻斗量油计量法。分离计量方法一般使用传统的测试分离器，对稠油进行油气水三相分离或气液两相分离后再分别进行计量。但稠油由于自身的特性，分离器对稠油的分离效果比较差，分离后液体中残存气体，这在用液相流量计或用体积流量计测量液体流量过程中会造成较大的误差。而且稠油液相中的油和水也不易分离，进行油气水三相彻底分离比较困难，而进行气液两相分离，确定液相中的含水率也是一个挑战，一般采用离线取样分析的方法确定稠油中的含水率，但这并不能实现对含水率的实时在线计量。

翻斗量油计量法是机械法，故障率高，对粘度较高的稠油计量误差较大，效果不理想，维护量高。而且也需要采用离线取样分析的方法确定稠油中的含水率，才能实现对油流量和水流量的计算，未能真正实现含水率的实时在线计量并进而实现油水的实时在线计量。

一种常规的在线实时测量多相流中油气水三相流量的方法是在文丘里流量计的喉部处采用伽玛射线相分率仪，以文丘里流量计测得的总流量结合伽玛相分率仪测得的各相相分率，由此计量各相的体积流量。但该方法应用于稠油时，常常遇到稠油流量低于文丘里流量计的测量范围下限的情况，或者稠油呈间歇流(即流量时断时续)的情况，致使无法进行流量计量。即，无法实现稠油流量的全量程计量。

因此，本领域需要一种能够简单且精确地在线实时且全量程计量稠油中油、气、水三相流量的装置和方法。

上述目标通过本发明的装置和方法实现。

发明内容

本发明的第一方面提供了一种全量程计量稠油中油气水三相流量的装置，其包括以下构件：

文丘里流量计3，其包括竖直放置的文丘里管、用于测量该文丘里管入口与喉部处压差的第一差压变送器以及用于测量稠油温度和压力的温度变送器和压力变送器；

布置在所述文丘里流量计3的上下游的竖直圆管处或布置在所述文丘里管喉部处的双能伽马射线相分率仪2，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竖直圆管或所述文丘里管喉部处的管道横截面，达到所述伽玛射线检测器；

罐体5，其位于所述文丘里流量计3的下游，用于积累或排放稠油，其顶部设有气体出口，其底部设有液体出口；

第二差压变送器6，其布置方式使得其能够测量罐体5内因稠油积累导致的该第二差压变送器下取压口与液面之间的差压△P。

本发明的第二方面涉及一种全量程计量稠油中油气水三相流量的方法，包括使稠油流过文丘里流量计，该文丘里流量计包括竖直放置的文丘里管、用于测量该文丘里管入口与喉部处压差的第一差压变送器以及用于测量稠油温度和压力的温度变送器和压力变送器；并利用设置在该文丘里流量计上下游的竖直圆管处或布置在所述文丘里管喉部处的双能伽马射线相分率仪测量该稠油的含气率GVF和液相含水率WLR，然后，根据情况选择以下步骤之一：

(1)当稠油体积流量处于所述文丘里流量计的流量计量范围之内时，用该文丘里流量计计量其总体积流量Q_t，并利用设置在该文丘里流量计上下游的竖直圆管处或布置在所述文丘里管喉部处的双能伽马射线相分率仪测量该稠油的含气率GVF和液相含水率WLR，然后利用以下公式计算所述稠油中油气水各相的流量：

(1-1)利用该文丘里流量计测量该稠油的总体积流量Q_t；

$Q_t=C*K*\sqrt{\frac{\mathrm{\ΔP}}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{mix}}}}$

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

其中，Q_t为总流量，ρ_mix虹为流体的混合密度，ΔP为文丘里处的差压值，C为流出系数，是一个和稠油中油相粘度相关的量。K为系统参数；

其中流出系数C的计算采用以下公式：

当Re≤2000,C=0.0785ln(Re)+0.2945

当2000＜Re≤100000,C=0.017ln(Re)+0.7859

当Re＞100000,C＝0.995

其中雷诺数Re算法如下：

$\mathrm{Re}=354\frac{q_m}{{\mathrm{D\μ}}_{\mathrm{mix}}}$

其中：

q_m流体质量流量，kg／h

D文丘里入口管线内径，mm

μ_mix流体混合粘度，mPa.S

此处计算雷诺数Re和流出系数C需要进行迭代运算，先给一个流出系数C初值，确定质量流量q_m初值，然后计算得到雷诺数Re初值，通过C与Re相关算法可计算得到第一次迭代C值，然后使用该第一次迭代C值再依次类推进行上述计算，直到最后两次迭代C值的差别小于设定的阈值，例如小于0.1％，此时，计算得到的C值为最终C值；

(1-2)计算油气水各自的流量

Q_g=Q_t×GVF

Q_l=Q_t×(1-GVF)

Q_w=Q_l×WLR

Q_o=Q_l×(1-WLR)

其中Q_g为气相体积流量，Q_o为油相体积流量，Q_w为水相体积流量，Q_l为液相体积流量；

(2)当稠油体积流量低于所述文丘里流量计的流量计量下限时，或者稠油的流型处于间歇流时，则使该稠油进一步流入位于该文丘里流量计下游的罐体中，该罐体用于积累或排放稠油，其顶部设有气体出口，其底部设有液体出口，在积累稠油的过程中，气体出口打开，但液体出口关闭，并用第二差压变送器测量罐体内因稠油积累导致的该第二差压变送器下取压口与液面之间的差压△P；该差压△P事先经过标定已经与罐体内累积的稠油质量相关联；并在任意两个不同的时刻t₁和t₂测得该差压△P₁和△P_２；然后依据以下公式计算油气水各自的体积流量：

(2-1)计算稠油中的液体的质量流量Q_{m_l}，

Q_{m_l}=(ΔP₂-ΔP₁)*M／(t₂-t₁)

其中M是单位差压变化所对应的罐体中累积液体的质量变化；

(2-2)计算液相的工况混合密度ρ_{mix_l}，：

ρ_{mix_l}，=ρ_o(1-WLR)+ρ_wWLR

其中ρ。是稠油中油相的工况密度，ρ_w是稠油中水相的工况密度，WLR是由所述双能伽玛射线相分率仪测得的液相含水率；

(2-3)计算液相的工况体积流量Q_l和油水各相的工况体积流量Q_o、Q_w：

$Q_l=\frac{Q_{m\_l}}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{mix}\_l}}$

Q_w=Q_l×WLR

Q_o=Q_l×(1-WLR)

(2-4)计算气相体积流量Q_g：

$Q_g=\frac{Q_l*\mathrm{GVF}}{1-\mathrm{GVF}}$

其中GVF是由所述双能伽玛射线相分率仪测得的含气率。

附图说明

图1是本发明的在线计量稠油中油气水三相流量的装置的结构示意图。其中各附图标记含义如下：1、温度变送器；2、双能伽玛射线相分率仪；3、文丘里流量计；4、气路控制阀；5、罐体；6、第二差压变送器；7、阀门；8、液路控制阀；9、稠油齿轮泵；10、加热设施；11、电加热丝；12、阀门。

发明详述

为了便于理解本发明，首先对稠油以及多相流计量领域中的一些术语简单介绍如下：

“稠油”是指在油层温度下脱气原油粘度大于100mPaS、相对密度大于0.92的原油，或称之为重油。

“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、面积相分率、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，线性相分率等于面积相分率。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。对于稠油，由于其含气率通常很低，且气体通常与原油混在一起形成乳化原油或发泡原油，气体一般是被液体裹挟着一起沿管道运动，故气体与液体的运动速度相差很小，因此，认为在稠油计量中，上述“均匀混合”和“无滑差”这两个前提均成立，故认为测量了某一截面处各相的线性相分率，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：在工作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线性相分率。

“含水率”(WLR)定义为：在工作温度和压力的条件下(工况下)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线性相分率。

本发明第一方面涉及一种全量程计量稠油中油气水三相流量装置，下面对其所包括的构件进行详细介绍。

本发明装置中的文丘里流量计是流体流量测量领域中常用的构件，其包括竖直放置的文丘里管、用于测量该文丘里管入口与喉部处压差的第一差压变送器以及用于测量稠油温度和压力的温度变送器和压力变送器。其中文丘里管竖直放置可以最大程度地确保稠油中的油气水三相处于均匀分布的状态，若水平放置，则可能产生的气液分层会给测量精度和准确性带来不利影响。其中文丘里管又由入口管段、圆锥收缩段、圆筒喉部、圆锥扩散段组成。工作时，待测流体从该文丘里管内部流过，并在文丘里管的节流效应的作用下，在其入口管段处和其喉部处之间产生压降，利用该压降并结合流体的密度和具体的文丘里管结构和尺寸特征，可以计算流过该文丘里管的流体的体积流量，这是本领域常规技术，不再赘述。本发明中，文丘里管上游连接稠油输入管道，下游则通过管道连接至本文所述的罐体中。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。

本发明的装置中的双能伽玛射线相分率仪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。根据初始伽玛射线强度和透射强度，可以计算出多相流的含气率GVF和液相含水率WLR，这些计算方法是多相流计量领域中已知的方法，不再赘述。

双能γ传感器的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32keV，81keV，356keV，选取其中的任意两种的组合，例如采用32keV+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所述文丘里管的喉部处的横截面呈径向布置，或设置在所述文丘里流量计上下游的竖直圆管处。

本发明中的罐体5位于所述文丘里管的下游，其作用是用于累积或排放稠油，其顶部具有气体出口，在其底部具有液体出口。该气体出口可与罐体之外的气体管线连接，该气体管线上可设置气路控制阀4。该液体出口可与罐体之外的液体管线连接。

在优选实施方案中，在所述液体管线上还设置齿轮泵，用于加速罐体的排液过程。进一步优选地，与该齿轮泵并联设置一段管路并在其上设置液路控制阀8。当不采用该齿轮泵时，稠油则从该并联管路中向下游流去，并通过液路控制阀8来控制并联管路的开与关。

在优选实施方案中，该罐体底部设有加热设施10，和／或，该罐体之外用缠绕加热带或用保温层(未在图1中示出)包裹。加热或保温的目的是维持罐体内的稠油的温度，进而维持稠油的流动性。一种常用的加热设施可以是油浴槽，其中有电加热丝11对油进行加热。

本发明的装置的罐体外还包括第二差压变送器6，其布置方式使得其能够测量罐体内因稠油积累导致的该第二差压变送器下取压口与液面之间的差压△P。这可以如下方式来实现，该差压变送器具有两个取压口，下取压口布置在罐体底部附近，上取压口则布置在罐体上部，并要确保液面始终不超过该上取压口，例如快接近该上取压口时则进行排液操作，则上取压口始终反映液面处的压力。由此，通过该第二差压变送器6可以测量罐体内因稠油积累导致的下取压口与液面之间的差压△P，根据物理学上的压强定律，该差压△P将与罐体内积累的稠油质量直接相关。该差压变送器的具体布置位置可以根据需要进行调整，例如布置在罐体外适当位置处。

下面重点介绍本发明的第二方面，即全量程计量稠油中油气水三相的体积流量的计量方法。

在稠油体积流量很高时，例如处于文丘里流量计的正常计量范围之内时，将文丘里流量计下游的罐体上的气路控制阀关闭，液路控制阀打开，使稠油自由流过，即罐体仅起到流通管道的作用。在原理上可将稠油作为一般的多相流来处理，并利用一般的多相流体积流量计量方法来进行计量，即用文丘里流量计计量总体积流量，用伽玛射线相分率仪测量含气率GVF和液相含水率WLR。但在具体的文丘里流出系数C的计算上，本发明并未采用常规的C=0.995的业内默认值，而是针对稠油的特性独创了一套C的计算方法，实验效果表明，这种方法计算出的C值用于计算总流量更准确。下面列出当稠油体积流量处于文丘里流量计的正常计量范围之内时的各相流量计算公式：

首先，计算该稠油的总体积流量Qt，计算过程如下：

$Q_t=C*K*\sqrt{\frac{\mathrm{\ΔP}}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{mix}}}}$

其中ρ_mix＝(1-GVF)[ρ_o+WLR(ρ_w-ρ_o)]+ρ_gGVF

其中，在稠油计量中，文丘里流出系数C算法如下：

当Re≤2000,C=0.0785ln(Re)+0.2945

当2000＜Re≤100000,C=0.0171n(Re)+0.7859

当Re＞100000,C＝0.995

雷诺数就是表征流体流动特性的一个重要参数，跟油、气、水三相流体的混合粘度、流速、文丘里入口尺寸相关，其算法如下：

$\mathrm{Re}=354\frac{q_m}{{\mathrm{D\μ}}_{\mathrm{mix}}}$

其中：

q_m流体质量流量，kg／h

D文丘里入口管线内径，mm

μ_mix流体混合粘度，mPa.S

从雷诺数(Re)和C系数算法可知，此处计算雷诺数和流出系数C需要进行迭代运算，先给一个流出系数C初值，确定质量流量，然后计算得到初始雷诺数，通过C与雷诺数相关算法可计算得到第一次迭代C值，然后使用该第一次迭代C值再依次类推进行上述计算，直到最后两次迭代C值的差别小于设定的阈值，例如小于0.1％，此时，计算得到的C值为最终C值。

油、气、水三相混合粘度μ_mix的算法在流体力学中为大家所熟知，在此不再详述。

然后，可以根据双能伽玛射线相分率仪测得的含气率GVF和液相含水率WLR，计算油气水三相各自的体积流量，公式如下：

Q_g=Q_t×GVF

Q_l=Q_t×(1-GVF)

Q_w=Q_l×WLR

Q_o=Q_l×(1-WLR)

其中，Q_t为总流量，ρ_mix为流体的混合密度，ΔP为文丘里管入口管段与其喉部处的差压值，C为流出系数，是一个与稠油中油相粘度相关的量。K为系统参数。Q_g为气相体积流量，Q_o为油相体积流量，Q_w为水相体积流量，Q_l为液相体积流量。

在稠油的体积流量超出文丘里流量计的计量范围上限时，可以更换更大尺寸的文丘里管，来扩展其计量上限，或者，可以使用同一申请人的另一专利《一种扩展流量计测量范围的装置》(ZL201220728514.5)中所述的可切换文丘里管组件来扩展量程。总之，量程上限的扩展相对容易解决。

但当稠油体积流量低于文丘里流量计的计量范围下限时，由于文丘里管及其附属配件的加工条件的限制，不可能把文丘里管无限制地缩小，因此，如何在文丘里流量计计量下限之下仍能计量稠油流量，是一个难题。或者，当稠油的流型处于间歇流时，因流量时断时续，使用常规的文丘里流量计+伽玛射线相分率仪的方法进行流量计量会出现很大误差，甚至使得计量不可行。为了在上述两种情况下也能实现实时在线测量，本发明采用如下方法：

使稠油流过文丘里流量计，该文丘里流量计包括竖直放置的文丘里管、用于测量该文丘里管入口与喉部处压差的第一差压变送器以及用于测量稠油温度和压力的温度变送器和压力变送器；并利用设置在该文丘里流量计上下游的竖直圆管处或布置在所述文丘里管喉部处的双能伽马射线相分率仪测量该稠油的含气率GVF和液相含水率WLR，然后，当稠油体积流量低于所述文丘里流量计的流量计量下限时，或者稠油的流型处于间歇流时，则使该稠油进一步流入位于前该文丘里流量计下游的罐体中，该罐体用于积累或排放稠油，其顶部设有气体出口，其底部设有液体出口，在积累稠油的过程中，气体出口打开，但液体出口关闭，并用差压变送器测量罐体内因稠油积累导致的液面与第二差压变送器的下取压口之间的差压△P；该差压△P事先经过标定已经与罐体内累积的稠油质量相关联；并在任意两个不同的时刻t₁和t₂测得该差压△P₁和△P₂；其中，差压△P与罐体内累积的稠油质量相关联的过程可以通过事先标定实验来进行，即，通过放置在罐体底部的称重设施测量每一时刻t所对应的罐体内的稠油质量，并记录此时液面与第二差压变送器下取压口之间的差压△P，以此来考察出差压△P与罐体内累积的稠油质量的对应关系，例如，做出数据对应表或者回归出拟合函数备用，又或者，考察1kPa的差压变化对应M kg的稠油质量变化，该M可事先进行标定，然后作为常量使用。

然后依据以下公式计算油气水各自的体积流量：

(2-1)计算稠油中的液体的质量流量Q_{m_l}

Q_{m_l}=(ΔP₂-ΔP₁)*M／(t_２-t₁)

其中M是单位差压变化所对应的累积的稠油中的液体的质量变化；

(2-2)计算液相的工况混合密度ρmix__l：

ρ_{mix_l}=ρ_o(1-WLR)+ρ_wWLR

其中ρ。是稠油中油相的工况密度，ρ_w是稠油中水相的工况密度，WLR是由所述双能伽玛射线相分率仪测得的液相含水率；

(2-3)计算液相的工况体积流量Q_l和油水各相的工况体积流量Q_o、Q_w：

$Q_l=\frac{Q_{m\_l}}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{mix}\_l}}$

Q_w=Q_l×WLR

Q_o=Q_l×(1-WLR)

(2-4)计算气相体积流量Q_g：

$Q_g=\frac{Q_l*\mathrm{GVF}}{1-\mathrm{GVF}}$

其中GVF是由所述双能伽玛射线相分率仪测得的含气率。

在优选实施方案中，在罐体积液过程中，可以记录多个时刻，在任意两个相邻的时刻之间，都可以按照上述公式计算油气水各相的体积流量。得到的一系列体积流量，也可以取平均值，作为一段时间内的平均体积流量，这样可以消除稠油流量随时间波动带来的影响，更加准确。

上述直接计量得到的是油气水的工况体积流量。在优选实施方案中，可以通过常规的PVT换算将工况体积流量换算成标况体积流量，换算过程在本领域内为大家所公知，在此不再阐述。

本发明的方法中，稠油齿轮泵9、旁通阀组(阀门7、8和12)的开关状态也能够服务于上述测量过程为准进行操作，这属于常规操作技术，不再赘述。

本发明的优点如下：

1、真正的实现了对稠油进行油、气、水三相的全量程在线实时计量。

2、利用伽马射线技术测量稠油的相分率，使得稠油的相分率计量更精确，不受稠油形态(例如是否为发泡稠油或乳状稠油)的影响。

3、在低流量条件下，或者在稠油呈间歇流时，利用罐体内累积的液相的差压对稠油液相的流量进行类似于“质量称重”式的计量，而非采用传统的正排量体积流量计在液路出口对稠油液相进行体积流量计量，可以避免稠油形态(如发泡稠油)对计量结果的影响。在本发明的罐体中，发泡稠油中的气相对差压变化的贡献可以忽略不计，差压的变化主要由稠油中液相的重量变化引起，所以差压的变化能实时准确的反应液相的质量流量。如果不使用本发明的装置和方法，要想计量液相体积，则需要在液路出口使用正排量体积流量计对发泡稠油液相体积进行计量，则其中裹挟的大量气体对液相的体积计量会造成很大的误差。

4、在低流量条件下，或者在稠油呈间歇流时，利用罐体内累积的液相的差压对稠油液相的流量进行“质量称重”式计量，并结合罐体上游的相分率计测量出含气率GVF和液相含水率WLR，可对稠油的油气水三相进行实时在线的体积计量，分离罐的气路和液路出口处不需再安装气相和液相流量计进行计量，节省了成本，省却了仪表的安装、维护等工作。

5、在低流量条件下，或者在稠油呈间歇流时，利用分离罐内累积的液相的差压对稠油液相的流量进行“质量称重”式计量，并在分离罐的积液阶段进行计量，其优势和特点在于：低流量条件下，罐体的一个“积液-排液”周期中，“积液”时段占比更大，在积液阶段计量，可使得计量时间更长，这样计量结果更准确。或者，通过在优选实施方案中使用稠油齿轮泵来在排液阶段加速排液速度，也可以使积液时段在一个“积液-排液”周期中占比更大，缩短排液周期，这样计量时段也更长，能更好地实现实时计量。

Claims (5)

1.一种全量程计量稠油中油气水三相流量的装置，其包括以下构件：

文丘里流量计(3)，其包括竖直放置的文丘里管、用于测量该文丘里管入口与喉部处压差的第一差压变送器以及用于测量稠油温度和压力的温度变送器和压力变送器；

布置在所述文丘里流量计(3)上下游的竖直圆管处或布置在所述文丘里管喉部处的双能伽马射线相分率仪(2)，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竖直圆管或所述文丘里管喉部处的管道横截面，达到所述伽玛射线检测器；

罐体(5)，其位于所述文丘里流量计(3)的下游，用于积累或排放稠油，其顶部设有气体出口，其底部设有液体出口；

第二差压变送器(6)，其布置方式使得其能够测量罐体(5)内因稠油积累导致的该第二差压变送器下取压口与液面之间的差压△P。

2.根据权利要求1的装置，其还包括位于罐体(5)底部的加热设施(10)，和／或，所述罐体(5)之外用缠绕加热带或用保温层包裹。

3.根据权利要求1的装置，其还包括：与所述罐体(5)的气体出口相连接的气体管线以及设在该气体管线上的气路控制阀(4)，和与所述罐体(5)的液体出口相连接的液体管线以及设在该液体管线上的齿轮泵(9)，该齿轮泵(9)用于加速罐体(5)的排液过程。

4.根据权利要求1的装置，其中所述双能伽马射线相分率仪使用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32keV，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。

5.一种全量程计量稠油中油气水三相流量的方法，包括使稠油流过文丘里流量计，该文丘里流量计包括竖直放置的文丘里管、用于测量该文丘里管入口与喉部处压差的第一差压变送器以及用于测量稠油温度和压力的温度变送器和压力变送器；并利用设置在该文丘里流量计上下游的竖直圆管处或布置在所述文丘里管喉部处的双能伽马射线相分率仪测量该稠油的含气率GVF和液相含水率WLR，然后，根据情况选择以下步骤之一：

(1)当稠油体积流量处于所述文丘里流量计的流量计量范围之内时，用该文丘里流量计计量其总体积流量Qt，然后利用以下公式计算所述稠油中油气水各相的流量：

(1-1)利用该文丘里流量计测量该稠油的总体积流量Qt；

$Q_t=C*K\sqrt{\frac{\mathrm{\ΔP}}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{mix}}}}$

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

其中，Q_t为总流量，ρ_mix为流体的混合密度，ΔP为文丘里处的差压值，C为流出系数，是一个和稠油中油相粘度相关的量，K为系统参数；

其中流出系数C的计算采用以下公式：

当Re≤2000,C=0.0785ln(Re)+0.2945

当2000＜Re≤100000,C=0.017ln(Re)+0.7859

当Re＞100000,C＝0.995

其中雷诺数Re算法如下：

$\mathrm{Re}=354\frac{q_m}{D{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{mix}}}$

其中：

q_m流体质量流量，kg／h

D文丘里入口管线内径，mm

μ_mix流体混合粘度，mPa.S

此处计算雷诺数Re和流出系数C需要进行迭代运算，先给一个流出系数C初值，确定质量流量qm初值，然后计算得到雷诺数Re初值，通过C与Re相关算法可计算得到第一次迭代C值，然后使用该第一次迭代C值再依次类推进行上述计算，直到最后两次迭代C值的差别小于设定阈值，此时，计算得到的C值为最终C值；

(1-2)计算油气水各自的流量

Q_g=Q_t×GVF

Q_t=Q_t×(1-GVF)

Q_w=Q_l×WLR

Q_o=Q_l×(1-WLR)

其中Q_g为气相体积流量，Q_o为油相体积流量，Q_w为水相体积流量，Q_l为液相体积流量；

(2)当稠油体积流量低于所述文丘里流量计的流量计量下限时，或者稠油的流型处于间歇流时，则使该稠油进一步流入位于该文丘里流量计下游的罐体中，该罐体用于积累或排放稠油，其顶部设有气体出口，其底部设有液体出口，在积累稠油的过程中，气体出口打开，但液体出口关闭，并用第二差压变送器测量罐体内因稠油积累导致的该第二差压变送器的下取压口与液面之间的差压△P；该差压△P事先经过标定已经与罐体内累积的稠油质量相关联；并在任意两个不同的时刻t1和t2测得该差压△P1和△P2；然后依据以下公式计算油气水各自的体积流量：

(2-1)计算稠油中的液体的质量流量Q_{m_l}

Q_{m_l}=(ΔP₂-ΔP₁)*M／(t₂-t₁)

其中M是单位差压变化所对应的罐体中累积液体的质量变化；

(2-2)计算液相的工况混合密度ρ_{mix_l}：

ρ_{mix_l}=ρ_o(1-WLR)+ρ_wWLR

其中ρ。是稠油中油相的工况密度，ρ_w是稠油中水相的工况密度，WLR是由所述双能伽玛射线相分率仪测得的液相含水率；

(2-3)计算液相的工况体积流量Q_l和油水各相的工况体积流量Q_o、Q_w：

$Q_l=\frac{Q_{m\_l}}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{mix}\_l}}$

Q_w=Q_l×WLR

Q_o=Q_l×(1-WLR)

(2-4)计算气相体积流量Q_g：

$Q_g=\frac{Q_l*\mathrm{GVF}}{1-\mathrm{GVF}}$

其中GVF是由所述双能伽玛射线相分率仪测得的含气率。

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