CN103822672A - 一种基于气液预分离的定容管活塞式油气水三相流量计及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于气液预分离的定容管活塞式油气水三相流量计，包括气液分离部分、天然气湿气计量部分、油水两相流计量部分；气液分离部分包括旋流器、缓冲罐、疏水阀；天然气湿气计量部分包括定容积的圆柱计量管，内置可上下移动的活塞；计量管的两头各接两个电磁阀控制进排气换向；计量管上还安装有温度和压力变送器；油水两相流计量部分包括垂直的定容积的圆柱计量管，内置可上下移动的活塞；计量管的两头各接两个电动阀控制进排液换向；计量管上还安装有温度和压差变送器。本发明可以实现在线油气水三相流量计量，由于使用了容积型的计量手段，因此具有较高的精度且不含放射线。

Description

一种基于气液预分离的定容管活塞式油气水三相流量计及测量方法

技术领域

本发明属于原油油井采出液多相流量测量技术领域，涉及一种基于气液预分离的定容管活塞式油气水三相流量计及测量方法。

背景技术

原油油井采出液主要含有油、天然气、水等介质，它在管道中输送时，不论是油气水三相混输还是油水两相输送或者是天然气湿气输送都是属于典型多相流问题。

油气水多相流量计是油田开采的原油在管道中输送时进行油、气、水三相介质流量计量的仪表，可以广泛应用于陆上油田和海上石油工业中。由于多相流动的复杂性，油气水多相流量计的研制有较大的难度，目前存在多种多相流量计的研制技术路线。

油气水多相流量计的研究工作始于1980年左右，到目前为止有不少研究机构致力于研究开发适用于油井采出液的三相流量计。但由于多相流动的复杂性和应用条件的多变性，使得多相流量计的研究难度很大，至今仍然没有商业化的多相流量计能完全满足工业应用的要求。而且，由于油田油层储量管理和开采技术的发展需要，对水下甚至井下应用的多相流量计的需求也日益迫切。近年来，随着相关研究工作的进展，多相检测的新技术不断出现，这使得未来多相流量计的性能有可能得到很大改善，出现更好的商业化的多相流量计产品。一个理想的多相流量计应具有合理的精度（典型值±5%/每相流体）、可靠、不受流态影响及适用于宽相含率变化范围。目前已经商业化了的三相流量计，其中大多数系统都拥有相密度、相含率和相速度测量部件以利于各相流体的质量流量的测量，但针对油井采出液这种流量和相含率波动范围大和流动复杂的场合，现有技术的应用依然有很大困难。目前多相流量计的有效相含率测量主要依赖放射线技术，但是我国近年来大幅度提高了对放射线的使用监管，不鼓励放射线的使用，同时在放射技术应用的工业领域也对放射线的使用持有相当的戒心，普遍持不欢迎的态度。因此，对于多相流量计的研发思路而言，不含放射线的测量技术是目前的首选。

发明内容

本发明的目的在于提供一种油水两相流计量部分不含放射线的、具有合理的精度、可靠、不受流量、流态波动影响及适用于宽相含率变化范围；天然气湿气计量部分能克服天然气中所含少量液滴的雾状流体对天然气湿气流量计量影响的油气水三相流量计。

为了解决上述问题，本发明提供一种基于气液预分离的定容管活塞式油气水三相流量计，包括气液分离部分、天然气湿气计量部分、油水两相流计量部分；

气液分离部分包括旋流器、缓冲罐、疏水阀；旋流器将进入的油气水进行气液分离；天然气湿气经过缓冲罐进入天然气湿气计量部分；油水两相经过疏水阀进入油水两相流计量部分；

天然气湿气计量部分包括定容积的圆柱计量管，内置可上下移动的活塞；计量管的两头各接两个电动阀控制进排气换向，可以控制计量管分别实现下进气、上排气计量以及上进气、下排气计量；计量管上还安装有温度和压力变送器，实现天然气湿气的体积流量计量；

油水两相流计量部分包括垂直的定容积的圆柱计量管，内置可上下移动的活塞；计量管的两头各接两个电动阀控制进排液换向，可以控制计量管分别实现下进液、上排液计量以及上进液、下排液计量；计量管上还安装有温度和压差变送器，由压差信号实现油水两相含率的计算，进而实现油水两相的各相流量计算,温度信号可以对原油和水在工况温度下的密度进行修正计算。

进一步，活塞和管壁间是滑动紧配合，活塞两侧流体密封。

进一步，天然气湿气计量部分的换向由可编程控制器控制4个电动阀的开闭顺序来控制流动方向，分别实现天然气湿气的下进气、上排气行程和上进气、下排气行程；如此往复循环运动，配合对活塞运动上下止点间的行程计时，即可实现天然气湿气的体积流量的计量。

进一步，油水两相流计量部分的换向由可编程控制器控制4个电动阀的开闭顺序来控制流动方向，分别实现油水混合液的下进液、上排液行程和上进液、下排液行程;如此往复循环运动，配合对活塞运动上下止点间的行程计时，即可实现流体的总体积流量的计量。

本发明还提供一种基于气液预分离的定容管活塞式油气水三相流量计的测量方法，包括如下步骤：

将油气水三相进行分离，分别进入天然气湿气计量部分和油水两相流计量部分；

测量柱塞筒容积V、柱塞筒压力P₁、柱塞筒温度T₁、活塞上下止点间的运动时间t；

在高温、低压，即小于2.5Mpa的工况下按下述公式计算气体流量:

$F_A=\frac{P_{1}V(T_S+273.15)}{P_S(T_1+273.15)t};$

在压力较大时，即大于2.5Mpa的工况下按下述公式计算气体流量:

$F_A=\frac{P_{1}V(T_S+273.15)}{Z{P}_S(T_1+273.15)t};$

其中：标准大气压P_S=101.325kpa，标准大气压温度T_S=0℃；

Z通过方程Z³-Z²-(B²+B-A)Z-AB＝0确定，其中

$B=0.084467\frac{P_R}{T_R},T_R=\frac{T_s}{T_{\mathrm{CR}}},P_R=\frac{P_s}{P_{\mathrm{CR}}},$ T_CR，P_CR分别为气体的临界温度和临界压力，其值取决于天然气的成分组成；

测量得到活塞由下止点到达上止点或由上止点到达下止点用时t、差压信号ΔP和温度信号T_L、20℃时的原油密度ρ₂₀；

通过公式

计算此时的原油密度ρ_OT；其中，当0.78≤ρ₂₀≤0.86时：α＝（3.083-2.638×10^-3ρ₂₀）10^-3；当0.86≤ρ₂₀≤0.96时：α＝（2.513-1.975×10^-3ρ₂₀）10^-3；

查表得出水在该温度下的密度ρ_WT；

确定圆柱计量管容积V，有效长度为L；

通过方程 $\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\ΔP}={\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{OT}}{\mathrm{gh}}_O+{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{WT}}{\mathrm{gh}}_W\\ h_O+h_W=L\end{array}\right.$ 可以确定出油的等效高度为h_o和水的等效高度为h_W；

最终计算出活塞每行程的流量为：水流量

油流量

相对于现有技术，本发明具有下列技术效果：

由于该油气水三相流量计的天然气湿气流量计量部分是基于容积测量的流量计，能克服天然气中所含少量液滴的雾状流体对天然气湿气流量计量影响，因而测量过程和被测天然气湿气的物性参数和流速、流态等流动参数无关，测量流量比大不易受流量波动影响，具有较高的精度；油水两相流计量部分也是基于容积测量的流量计，因而测量过程和被测油水混合液的物性参数和流速、流态等流动参数无关，具有较高的精度且不含放射线。

附图说明

图1为本发明实施例的基于气液预分离的定容管活塞式油气水三相流量计的结构示意图。

图2为本发明实施例的基于气液预分离的定容管活塞式油气水三相流量计油水两相流计量部分下进液、上排液行程时的结构示意图。

图3为本发明实施例的基于气液预分离的定容管活塞式油气水三相流量计油水两相流计量部分上进液、下排液行程时的结构示意图。

图4为本发明实施例的基于气液预分离的定容管活塞式油气水三相流量计天然气湿气流量计量部分下进气、上排气行程时的结构示意图。

图5为本发明实施例的基于气液预分离的定容管活塞式油气水三相流量计天然气湿气流量计量部分上进气、下排气行程时的结构示意图。

具体实施方式

下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

实施例一：

本发明提供了如附图1所示的一种基于气液预分离的定容管活塞式油气水三相流量计，包括气液分离部分、天然气湿气计量部分、油水两相流计量部分；

气液分离部分包括旋流器2、缓冲罐1、疏水阀4；旋流器2将进入的油气水分离；天然气湿气经过缓冲罐1进入天然气湿气计量部分13；油水两相经过疏水阀4进入油水两相流计量部分14；

天然气湿气计量部分13包括采用任意角度安装的定容积的圆柱计量管，内置可上下移动的活塞；计量管的两头各接两个电动阀控制进排气换向，可以控制计量管分别实现下进气、上排气计量以及上进气、下排气计量；计量管上还安装有温度和压力变送器，实现天然气湿气的体积流量计量；

油水两相流计量部分14包括垂直安装的定容积的圆柱计量管，内置可上下移动的活塞；计量管的两头各接两个电动阀控制进排液换向，可以控制计量管分别实现下进液、上排液计量以及上进液、下排液计量；计量管上还安装有温度和压差变送器，由压差信号实现油水两相含率的计算，进而实现油水两相的各相流量计算,温度信号可以对原油和水在工况温度下的密度进行修正计算。

活塞和管壁间是滑动紧配合，活塞两侧流体密封。

天然气湿气计量部分13的换向由可编程控制器控制4个电动阀的开闭顺序来控制流动方向，分别实现天然气湿气的下进气、上排气行程和上进气、下排气行程；如此往复循环运动，配合对活塞运动上下止点间的行程计时，即可实现天然气湿气的体积流量的计量。

油水两相流计量部分14的换向由可编程控制器控制4个电动阀的开闭顺序来控制流动方向，分别实现油水混合液的下进液、上排液行程和上进液、下排液行程;如此往复循环运动，配合对活塞运动上下止点间的行程计时，即可实现流体的总体积流量的计量。

下面对各个部分进行详细说明：

一、气液分离部分

如图1所示，气液分离部分采用水力旋流器2进行气液分离。油、水、气三相流进入旋流器2后，在旋流器2内强烈旋转，质量很轻的气体在旋流器2内部中心的升力驱动下由上出口排出天然气湿气，经一个缓冲罐1排液和一个调节阀3调压后通往活塞式湿气流量计部分13进行湿气计量。旋流器2内质量较大的油水混合液体沿旋流器2的边壁旋转下落，由下出口输出油水两相流体，经一个疏液阀4排气后通往活塞式油水两相流量计部分14进行油水两相的流量计量，最后，经过计量的气、液流体在输出端混合输出。完成油气水的三相计量。

二、天然气湿气计量部分

1、下进气、上排气行程

下进气、上排气行程时的气体流动方向如图2中箭头所示：

图中黑线通过的阀门打开，其余的关闭，即第二阀门6和第三阀门7打开，第一阀门5和第四阀门8关闭。气体由下方进来后，在压力推动下，向上推动活塞运动。活塞由下止点到达上止点用时为t(HOUR)，活塞到达上止点后停止，位置开关给出停止信号，这时读取压力信号P₁和温度信号T₁；完成后PLC发出换向指令，电动阀动作，实现流动换向。

2、上进气、下排气行程

上进气、下排气行程时的气体流动方向如图3中箭头所示：

换向后，图中黑线通过的阀门打开，其余的关闭，即第一阀门5和第四阀门8打开，第二阀门6和第三阀门7关闭。气体由上方进来后，在压力推动下，向下推动活塞运动。活塞由上止点到达下止点用时为t(HOUR)，活塞到达下止点后停止，位置开关给出停止信号，这时读取压力信号P₁和温度信号T₁；完成后PLC发出换向指令，电动阀动作，实现流动换向。

3、流量计算

在高温、低压（本例中小于2.5Mpa）的工况下可以运用理想气体的气态方程计算。

柱塞筒容积V(M³)，测量仪表测得柱塞筒压力P₁(kpa)，测量仪表测得柱塞筒温度T₁(℃)，测得的活塞上下止点间的运动时间为t(HOUR)；标准大气压P_S=101.325kpa，标准大气压温度T_S=0℃，常数R＝8.31，标准大气压时的气体体积为V_S(M³)。

理想气体气态方程：PV＝NRT

气体质量:

换算成标准大气压下的柱塞气体体积时质量不变:

$\frac{P_{1}V}{R(T_1+273.15)}=\frac{P_S{V}_S}{R(T_S+273.15)}$

标准大气压下体积：

$V_S=\frac{P_{1}V(T_S+273.15)}{P_S(T_1+273.15)}$

气体流量:

$F_A=\frac{P_{1}V(T_S+273.15)}{P_S(T_1+273.15)t}(M^3/H)$

当管道内天然气压力较大时，天然气不再遵守理想气体状态方程，此时引入压缩系数Z

理想气体时Z＝1，对于实际气体，压力较小时Z<1，压力较大时Z>1。

根据对应状态理论，在相同对应状态下的气体对理想气体状态的偏离程度相同，即有相同的压缩系数，对应状态是指气体在相同的对比温度T_R和对比压力P_R下

$T_R=\frac{T_s}{T_{\mathrm{CR}}},P_R=\frac{P_s}{P_{\mathrm{CR}}}$

式中T_CR(K)，P_CR(Mpa)分别为气体的临界温度和临界压力，其值取决于天然气的成分组成。

压缩系数Z的大小仅取决于T_R和P_R，即Z＝f(T_R，P_R)

利用对比Redlich-Kwong普遍化方程求解Z

Z³-Z²-(B²+B-A)Z-AB＝0

其中 $A=0.42748\frac{P_R}{{T_R}^{2.5}}B=0.084467\frac{P_R}{T_R}$

气体流量: $F_A=\frac{P_{1}V(T_S+273.15)}{Z{P}_S(T_1+273.15)t}(M^3/H)$

三、油水两相流计量部分

1、下进液、上排液行程

下进液、上排液行程时的流体流动方向如图4中箭头所示：

图中黑线通过的阀门打开，其余的关闭，即第六阀门10和第七阀门11打开，第五阀门9和第八阀门12关闭。液体由下方进来后，在压力推动下，向上推动活塞运动。活塞由下止点到达上止点用时为t，活塞到达上止点后停止，位置开关给出停止信号，这时读取差压信号ΔP和温度信号T_L；完成后PLC发出换向指令，电动阀动作，实现流动换向。

2、上进液、下排液行程

上进液、下排液行程时的流体流动方向如图5中箭头所示：

换向后，图中黑线通过的阀门打开，其余的关闭，即第五阀门9和第八阀门12打开，第六阀门10和第七阀门11关闭。液体由上方进来后，在压力推动下，向下推动活塞运动。活塞由上止点到达下止点用时为t，活塞到达下止点后停止，位置开关给出停止信号，这时读取差压信号ΔP和温度信号T_L；完成后PLC发出换向指令，电动阀动作，实现流动换向。

3、流量计算

（1）脱气原油密度计算

通过实验室测量20℃时的原油密度ρ₂₀（Kg/m³），柱塞筒内液体温度T_L(℃)，此时的原油密度ρ_OT（Kg/m³）;

当原油温度为20－120℃时：

${\mathrm{\&rho;}}_{\mathrm{OT}}=\frac{{\mathrm{\&rho;}}_{20}}{1+\mathrm{\&alpha;}(T_L-20)}$

当0.78≤ρ₂₀≤0.86时：

α＝（3.083-3.638×10^-3ρ₂₀）10^-3

当0.86≤ρ₂₀≤0.96时：

α＝（2.513-1.975×10^-3ρ₂₀）10^-3

（2）水的密度和温度关系

水的密度和温度的关系非单调变化，难以用一个函数简单表示，可以查表得出水的密度ρ_WT（Kg/m³）

水在各种温度下的密度对照表

（3）、水和油流量计算

设圆柱计量管上差压变送器测量的差压值为ΔP（10^－1MPa），此温度下油的密度为ρ_OT（Kg/m³），水的密度ρ_WT（Kg/m³）,油的等效高度为h_o（M），水的等效高度为h_W（M），圆柱计量管容积V(m³)，有效长度为L（M），测得的活塞上下止点间的运动时间为t(S)，油流量F_O，水流量为F_W，则有方程：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\&Delta;P}={\mathrm{\&rho;}}_{\mathrm{OT}}{\mathrm{gh}}_O+{\mathrm{\&rho;}}_{\mathrm{WT}}{\mathrm{gh}}_W\\ h_O+h_W=L\end{array}\right.$

活塞每行程的流量为：

水流量 $F_W=\frac{{\mathrm{Vh}}_W}{3600\mathrm{tL}}(m^2/h)$

油流量 $F_O=\frac{{\mathrm{Vh}}_O}{3600\mathrm{tL}}(m^3/h)$

由于该活塞式油水两相流量计是基于容积测量的流量计，因而测量过程和被测油水混合液的物性参数和流速、流态等流动参数无关，具有较高的精度。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于气液预分离的定容管活塞式油气水三相流量计，其特征在于：包括气液分离部分、天然气湿气计量部分、油水两相流计量部分；

所述气液分离部分包括旋流器、缓冲罐、疏水阀；所述旋流器将进入的油气水进行气液分离；天然气湿气经过所述缓冲罐进入所述天然气湿气计量部分；油水两相经过所述疏水阀进入所述油水两相流计量部分；

所述天然气湿气计量部分包括定容积的圆柱计量管，内置可上下移动的活塞；所述计量管的两头各接两个电动阀控制进排气换向，可以控制所述计量管分别实现下进气、上排气计量以及上进气、下排气计量；所述计量管上还安装有温度和压力变送器，实现天然气湿气的体积流量计量；

所述油水两相流计量部分包括垂直的定容积的圆柱计量管，内置可上下移动的活塞；所述计量管的两头各接两个电动阀控制进排液换向，可以控制所述计量管分别实现下进液、上排液计量以及上进液、下排液计量；所述计量管上还安装有温度和压差变送器，由压差信号实现油水两相含率的计算，进而实现油水两相的各相流量计算,温度信号可以对原油和水在工况温度下的密度进行修正计算。

2.如权利要求1所述的一种基于气液预分离的定容管活塞式油气水三相流量计，其特征在于：

所述活塞和管壁间是滑动紧配合，活塞两侧流体密封。

3.如权利要求2所述的一种基于气液预分离的定容管活塞式油气水三相流量计，其特征在于：

所述天然气湿气计量部分的换向由可编程控制器控制4个电动阀的开闭顺序来控制流动方向，分别实现天然气湿气的下进气、上排气行程和上进气、下排气行程；如此往复循环运动，配合对活塞运动上下止点间的行程计时，即可实现天然气湿气的体积流量的计量。

4.如权利要求3所述的一种基于气液预分离的定容管活塞式油气水三相流量计，其特征在于：

所述油水两相流计量部分的换向由可编程控制器控制4个电动阀的开闭顺序来控制流动方向，分别实现油水混合液的下进液、上排液行程和上进液、下排液行程;如此往复循环运动，配合对所述活塞运动上下止点间的行程计时，即可实现流体的总体积流量的计量。

5.一种如权利要求1所述的一种基于气液预分离的定容管活塞式油气水三相流量计的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

将油气水三相进行气液分离，气液分别进入所述天然气湿气计量部分和所述油水两相流计量部分；

测量柱塞筒容积V、柱塞筒压力P₁、柱塞筒温度T₁、活塞上下止点间的运动时间t；

在高温、低压，即小于2.5Mpa的工况下按下述公式计算气体流量:

$F_A=\frac{P_{1}V(T_S+273.15)}{P_S(T_1+273.15)t};$

在压力较大时，即大于2.5Mpa的工况下按下述公式计算气体流量:

$F_A=\frac{P_{1}V(T_S+273.15)}{Z{P}_S(T_1+273.15)t};$

其中：标准大气压P_S=101.325kpa，标准大气压温度T_S=0℃；

Z通过方程Z³-Z²-(B²+B-A)Z-AB＝0确定，其中

$B=0.084467\frac{P_R}{T_R},T_R=\frac{T_s}{T_{\mathrm{CR}}},P_R=\frac{P_s}{P_{\mathrm{CR}}},$ T_CR，P_CR分别为气体的临界温度和临界压力，其值取决于天然气的成分组成；

测量得到所述活塞由下止点到达上止点或由上止点到达下止点用时t、差压信号ΔP和温度信号T_L、20℃时的原油密度ρ₂₀；

通过公式

计算此时的原油密度ρ_OT；其中，当0.78≤ρ₂₀≤0.86时：α＝（3.083-2.638×10^-3ρ₂₀）10^-3；当0.86≤ρ₂₀≤0.96时：α＝（2.513-1.975×10^-3ρ₂₀）10^-3；

查表得出水在该温度下的密度ρ_WT；

确定圆柱计量管容积V，有效长度为L；

通过方程 $\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\&Delta;P}={\mathrm{\&rho;}}_{\mathrm{OT}}{\mathrm{gh}}_O+{\mathrm{\&rho;}}_{\mathrm{WT}}{\mathrm{gh}}_W\\ h_O+h_W=L\end{array}\right.$ 可以确定出油的等效高度为h_o和水的等效高度为h_W；

最终计算出活塞每行程的流量为：水流量

油流量

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