CN103868560B - 一种三相混输的定容管活塞式油气水三相流量计的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种三相混输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：在下进液、上排液标定行程，测量液相液位值L₁、活塞由下止点到达上止点用时t₁，读取定容管压力信号P₁和温度信号T₁；记录管内液体上升到所述泄气阀位置时的液相液位值L₂和管内混合密度值ρ_总；标定油水比为通过公式计算此时的原油密度ρ_O1；在下进液、上排液测量行程，计算油的体积流量:水的体积流量： 工况下气的体积流量：在上进液、下排液测量行程，测量活塞由上止点到达下止点用时为t₂；计算油的体积流量:水的体积流量：工况下气的体积流量：标准大气压下的气体流量:

Description

一种三相混输的定容管活塞式油气水三相流量计的测量方法

技术领域

本发明涉及油田单井采出液的油气水三相的流量计量，具体一种三相混输的定容管活塞式油气水三相流量计的测量方法。

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、流态波动影响及结构简单的油气水三相流量计的测量方法。

为了解决上述问题，本发明提供一种三相混输的定容管活塞式油气水三相流量计的测量方法，其中，所述流量计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；所述计量管中心同轴安装一根带气液浮球的磁致伸缩液位计，用于管内液位测量；所述计量管的两头各接两个电动阀控制油气水混合液的进排换向，可以控制所述计量管分别实现下进液、上排液以及上进液、下排液；所述计量管上端装有泄气阀，用于对气体泄压；所述计量管上还安装有温度、压力和密度变送器，实现油气水三相的各相体积流量计量，包括如下步骤：

在下进液、上排液标定行程，测量液相液位值L₁、活塞由下止点到达上止点用时t₁，读取定容管压力信号P₁和温度信号T₁；

记录管内液体上升到所述泄气阀位置时的液相液位值L₂和管内混合密度值ρ_总；

标定油水比为其中V_o1、V_w1通过方程：确定；其中油、水、气的密度分别为ρ_o1、ρ_w1、ρ_g1，体积分别为V_o1、V_w1、V_g1，定容管截面积为S，定容管的容积为V_总；20℃时的原油密度ρ₂₀；通过公式计算此时的原油密度ρ_O1；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_W1；

在下进液、上排液测量行程，计算油的体积流量:水的体积流量：工况下气的体积流量：其中V_o2、V_w2、V_g2通过方程：确定；标准大气压下的气体流量:

在上进液、下排液测量行程，测量活塞由上止点到达下止点用时为t₂；计算油的体积流量:水的体积流量：工况下气的体积流量：其中油、水、气的密度分别为ρ_o2、ρ_w2、ρ_g2，20℃时的原油密度ρ₂₀；通过公式计算此时的原油密度ρ_O2；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_W2；体积分别为V_o3、V_w3、V_g3，V_o3、V_w3、V_g3通过方程：确定；标准大气压下的气体流量:

相对于现有技术，本发明具有下列技术效果：

由于该三相混输的活塞式油气水三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，具有较高的精度且不含放射线。流量计整体结构简单，可以实现油气水三相混输计量。

附图说明

图1为本发明实施例的下进液、上排液行程时的结构示意图。

图2为本发明实施例的上进液、下排液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所示的一种三相混输的定容管活塞式油气水三相流量计，包括垂直安装的定容积的圆柱计量管1，内置可上下移动的活塞2，活塞2和管壁间是滑动紧配合，活塞2两侧流体密封；计量管1中心同轴安装一根带气液浮球3的磁致伸缩液位计4，用于管内液位测量；计量管1的两头各接两个电动阀控制油气水混合液的进排换向，油气水混合液的进排换向由可编程控制器(PLC)控制4个电动阀的开闭顺序来控制，分别实现油气水混合液的下进液和上排液行程和上进液和下排液行程；计量管1上还安装有温度变送器5、压力变送器6和密度变送器7；计量管1上端装有泄气阀8，用于对气体泄压，泄气阀8位于计量管1距底部4/5高度处，对气体泄压后，可使内部液位上升到接近计量管1上端，再由密度信号结合计量管1内部液位值实现液相油水含率标定。通过对活塞运动到上止点或下止点的行程计时，结合内部液位值，可以计算气体体积流量。进而得出油气水三相的各相流量计量。

由于该三相混输的活塞式油气水三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。流量计整体结构简单，可以实现油气水三相混输计量。

下面对各个行程进行详细说明：

一、下进液和上排液行程

如图1所示，下进液、上排液行程时的流体流动方向如图中黑线箭头所示：

1、标定行程

图1中黑线通过的阀门打开，其余的关闭。油气水混合液由下方进来后，在压力推动下，向上推动活塞2运动。活塞2到达上止点后，进管流动受阻，计量管1内压力达到平衡，在重力作用下形成由上至下稳定的气、油、水的分层。此时液位计浮球3稳定漂浮在气液界面上，给出液相液位值L₁。整个过程中，活塞2由下止点到达上止点用时为t₁，活塞2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P和温度信号T₁，可以计算气相的体积流量。完成后PLC控制开启气体泄压阀8，使气体排出到出口管路，直到管内液体上升到计量管1距底部4/5高度时停止排气。记录此时的液相液位值L₂和管内混合密度值ρ_总并计算出液相油水含率比值C后完成标定。完成后PLC发出换向指令，电磁阀动作，实现流动换向。

由于在一个定容管内同时计量油气水三相流量，在大多数情况下液相占管内体积较小，而气相占体积较大。这将导致管内液柱高度较低，这种情况下压差式密度计的测量误差较大(我们总希望测量压差或密度时液柱高度较高)。为解决这个问题，我们假定来流中液相的油水之比在短时间内不会突变，这样可以在活塞2首次工作以及活塞2每工作几十个周期后，在下进液、上排液行程标定一次液相混合密度，以后在测量行程都使用标定的液相混合密度，而不再使用测量值。

如果物质的密度为ρ，质量为M，体积为V，

根据密度的定义：M＝ρV

三种物质的混合密度：

如果油、水、气的密度分别为ρ_o1、ρ_w1、ρ_g1，体积分别为V_o1、V_w1、V_g1。液位值为L₂，定容管截面积为S，定容管的容积为V_总，标定油水比为C

则有方程：

解出V_o1、V_w1、V_g1，得到标定的油水比：

2、测量行程

图1中黑线通过的阀门打开，其余的关闭。油气水混合液由下方进来后，在压力推动下，向上推动活塞2运动。活塞2到达上止点后，进管流动受阻，计量管1内压力达到平衡，在重力作用下形成由上至下，稳定的气、油、水的分层。液位计浮球3稳定漂浮在气液界面上，给出液相液位值L₁。整个过程中，活塞2由下止点到达上止点用时为t₁，活塞2到达上止点后停止。这时读取压力信号P和温度信号T₁，可以计算气相的体积流量。由标定的油水含率比值C通过方程可以计算出油和水的流量。完成后PLC发出换向指令，电磁阀动作，实现流动换向。

在下进液、上排液测量行程没有排气过程。

如果油、水、气的体积分别为V_o2V_w2V_g2。液位值为L₁，定容管截面积为S，定容管的容积为V_总，标定油水比为C，则有方程：

解出V_o2、V_w2、V_g2。

油的体积流量:水的体积流量：

工况下气的体积流量：

由于本设计的流量计工作压力小于2.5MPA，气的流量换算成标准大气压下的流量可以使用理想气体的气态方程：

如果工况下气的体积V_g2(M³)，测量仪表测得定容管内压力P₁(kpa)，测量仪表测得定容管温度T₁(℃)，测得的活塞上下止点间的运动时间为t₁(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:

标准大气压下体积：

标准大气压下的气体流量:

二、上进液和下排液行程

上进液、下排液行程时的流体流动方向如图2中黑线箭头所示：

换向后，图2中黑线通过的阀门打开，其余的关闭。油气水混合液由上方进来后，在压力推动下，向下推动活塞2运动。活塞2由上止点到达下止点用时为t₂，活塞2到达下止点后停止，位置开关给出停止信号，这时读取密度信号ρ_总、温度信号T₁和压力信号P。由标定的油水比值C可以计算出油和水的流量。由气态方程可以计算出气体流量。完成后PLC发出换向指令，电磁阀动作，实现流动换向。

上进液、下排液行程时的流量计算方法和下进液、上排液行程不同，因为这个行程没有液位信号值。

如果油、水、气的密度分别为ρ_o2、ρ_w2、ρ_g2，体积分别为V_o3、V_w3、V_g3。定容管截面积为S，定容管的容积为V_总，标定油水比为C，测量得到的混合密度为ρ_总。

则有方程：

分别解出V_o3、V_w3、V_g3

油的体积流量:水的体积流量：

工况下气的体积流量：

由于本设计的流量计工作压力小于2.5MPA，气的流量换算成标准大气压下的流量可以使用理想气体的气态方程：

如果工况下气的体积V_g(M³)，测量仪表测得定容管内压力P₁(kpa)，测量仪表测得定容管温度T₁(℃)，测得的活塞上下止点间的运动时间为t₂(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:

标准大气压下体积：

标准大气压下的气体流量:

三、工况下原油密度ρo和水密度ρw修正计算

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：

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

(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

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 (1)

1.一种三相混输的定容管活塞式油气水三相流量计的测量方法，其中，所述流量计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；所述计量管中心同轴安装一根带气液浮球的磁致伸缩液位计，用于管内液位测量；所述计量管的两头各接两个电动阀控制油气水混合液的进排换向，可以控制所述计量管分别实现下进液、上排液以及上进液、下排液；所述计量管上端装有泄气阀，用于对气体泄压；所述计量管上还安装有温度、压力和密度变送器，实现油气水三相的各相体积流量计量，包括如下步骤：

在下进液、上排液标定行程，测量液相液位值L₁、活塞由下止点到达上止点用时t₁，读取定容管压力信号P₁和温度信号T₁；

记录管内液体上升到所述泄气阀位置时的液相液位值L₂和管内混合密度值ρ_总；

标定油水比为其中V_o1、V_w1通过方程：确定；其中油、水、气的密度分别为ρ_o1、ρ_w1、ρ_g1，体积分别为V_o1、V_w1、V_g1，定容管截面积为S，定容管的容积为V_总；20℃时的原油密度ρ₂₀；通过公式计算此时的原油密度ρ_O1；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_W1；

在下进液、上排液测量行程，计算油的体积流量:水的体积流量：工况下气的体积流量：其中V_o2、V_w2、V_g2通过方程：确定；标准大气压下的气体流量:

在上进液、下排液测量行程，测量活塞由上止点到达下止点用时为t₂；计算油的体积流量:水的体积流量：工况下气的体积流量：其中油、水、气的密度分别为ρ_o2、ρ_w2、ρ_g2，20℃时的原油密度ρ₂₀；通过公式计算此时的原油密度ρ_O2；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_W2；体积分别为V_o3、V_w3、V_g3，V_o3、V_w3、V_g3通过方程：确定；标准大气压下的气体流量: