CN1046221A - 流体流体积的测定设备与测定方法 - Google Patents

Abstract

用来对原油、水与气体组成的一种多相流体流之体积流率进行快速测定的系统与方法。首先将此流体流中的气体组分分离，以便测量各液相之间的体积关系，然后即可测定剩余下之液体的密度。将通过这些测量所求得的值转换，便能使此系统有效地用于远距离的多相流体源。

Description

本发明涉及一种对于由某种源产生的烃类流体的体积流量进行测定的作业，具体说来，涉及从海底的一或多口井内生产出多种烃类流体相的一种海上作业。通常，这项作业的流出物或产物为一种多相流，包括有气体、水与原油之类的液体烃。

排出的流体从井内产生出以后，经集流管或聚集到一储藏装置或一用来直接传送到岸上的管道。在后一种情形，此生产出的流体被引至一设备，使液体与气体组分分离。此分离开的两种流体然后根据需要作独立地处理或输送。

任何情况下，此种作业的一个基本组成部分是要求能以相当精确的程度，去测定上述不同流体相的体积流量。更确切地说，是去测定所产生之液体的体积流量，它一般包括某种数量的无用的水，这种水则是与有用的原油同时生产出的。

对于所用到的水下装备，所遇到的一个显著缺点是，生产出的液体在能够进行测量来确定其体积流率之前，常需从相应的源或井经管道输送一大段距离。

为了克服与上述作业相关的这类缺点，本发明提出了一种用来测定多相烃类产品流之体积流率的系统。这是直接在井口或在一个整个产品流已然收集于其中的集流管中来完成的。此系统能提供一种精确的装置来测量包括水与石油两者在内的液体的体积流量。此系统还能测量分离开的气体组分。

所测量之液体的源，如前面指出的，可以来自一口井中，也可以来自一批井中，它们汇聚的产品流被引向或经管道输至一共同的集合点。后一种情形，正如所指出的，可以包括一海底流管，例如一种通过它可以形成一批井的型板结构，这样便可使有关的海上井口能紧密地定位。

井的排出物或产品流，不论它所产自的源如何，将包括一或多种烃类液体，以及气体与天然的或注入的水。后者将以不等的比例存在，主要取决于它所采自的地下的储烃层的特征。

为了阐述本发明（但并非强加一种无根据的限制），将把这种井的排出物或产品流视作来自单一的一口海上井。此种多相产品流的组成将包括原油之类的一或多种烃类液体、以及此液体流中所携带的来自储烃层中的水。

为了达到所要求的精度，最好是直接在井口来测量这种组合的产品流，或是在尽可能接近井口处，而不是在远距这口井的地方来从事此种测量。为了确保此种液体的测量与读数的精度，从一开始便应将所有的气体组分绝大部分从该液相中分离出去并独立地测量。此组合液体此时将基本上没有，虽则未必是完全没有那种气体组分，因而不会影响到随后进行的体积测量。所谓“基本上没有”是指，在打算去测量的一种产品液体体积的封闭系统中，即便是在分离步骤之后，仍将含有高达15～20%的气体组分。

此基本上无气体的液体流通过一配备有隔水监控器的导管导引。此时，水与油含量间的数学关系则据该液体流确定。然后将此组合流引至一保持在此液体压头之下的约束计的入口，以便测定通过此约束计收缩口时的压差。这时，再将这一多相的液体流引至测定其密度的装置。

换一种方式说，即提供了一种连续流体的流道设备，其中包括有将此流体流分成液相与汽相的装置。这里的液体然后通过：

a）在此液体流中来测定水与烃类液体间体积关系，并提供一反映这种关系之信号的装置;

b）在此组合液体流过一锐孔时来测定其压差的装置，以及由一可发送的信号来反映这一压差的装置;

c）接收此组合液体并供给一指示该液体密度之信号的密度测量装置。

然后将指示各相关数据的信号引至一用来测定所需之体积流率的公式。

于是本发明目的之一便是提供相应的装置与方法，直接在井口来测量一种液体产品流的流率，此种液体流包括至少一种烃类液体以及带有一定数量之储烃层中之气体的水。

图1示意地表明了指出了流体流流道的本系统的设备。

图2是沿图1中2-2线截取的横剖面图。

参看附图，图1示明了本发明的多相流体流的监控与测量系统，它结合到一具有井口11的地下井10之内。后者通常由一段导管或一井框支架13支承于洋面或海面12之上。此导管嵌埋入基层下一段充分长的距离，与地下的储烃层14沟通。

从实际出发，井10通常在储烃层14中按一垂直位置形成。后者最好结合有足够的气体压力，以便从储烃层14中自然地生产出液体烃。取决于上述底层的组成和其它因素，在井口11处生产出的流体流或排出物一般如前面所提到的，将由至少一种烃类液体、一或多种气体以及水组成。

如果所产生的气体体积从商业与经济上考虑大到足以供收集目的，便加以储存，但要是此数量有限，则通过放空方法或类似的处置方法予以处理。任何情况下，这种组合的液体流都是经过一导管16而来自井口11的。应知这种液体流是为一种井口阀或适当的用来控制来自井10的流体流的扼流装置控制。

导管16与一液体/气体分离器18的上游端或升高端17相通。此分离器包括一第一种导管或主管19，这基本上是由一根细长的第一管件构成，用来在其升高的进口端17接受此组合液体。从上面与此第一种导管19相分开的第二导管21，是在一或多个相隔开的输送通道22与23处与此第二管件相通连的。

当此组合的液体/气体产品从导管16流入分离器18时，此第一种导管19有效地将此产品流下引，以促进此多相组分的一种渐进的重力分离。气体组分然后将从流动中的流体上升，并通过传输通道22与23进入第二导管21中。这一初步的分离过程通常可从此液体部分中基本上除去，虽然不是完全除去所有的气体。

为了在此基本上无气体的液体中确定油对水的相对比例，对此基本上无气体的液体实行连续监控，借此能时刻测定此两种液体间的这一比例关系。在此项工艺中已知有多种这样的方法与设备，它们能以不等的精度给出这种流体流中烃类液体与水之间的有效关系。于其中的一种工作方式下，是将一种隔水监控器24与一辅助导管26相配合地设置，后者载有此组合液体的一个样品流。

隔水监控器24已在Helms等人1985年2月12日的美国专利4499418中公开并提出了专利权保护。在该项专利中公开了一种微波发射器，它能在通过此多相流时发射通过水/油流体流的微波能，由此而指示出此混合物中的水分。

这种微波发射器实质上是一个位于上述载液流体导管附近，与之相结合但在其外部的发射与接收装置。所发出的微波能有效地通过导管26的壁部和此多相的液体流，而产生的差别便构成了所发生之信号的基础。

分离器的第一种导管19最好按下倾或斜向位置设置，以便使此基本上无气体的液体流能沿一下降管流至一约束计32的入口31。此约束计这时便将液体蓄积在其上游侧，并在液体的连续落差之下起作用，而这种落差则是因约束计以及与其相配合之管道的压力损耗所形成的反压而造成的，此约束计以及与之配合的管道则是将液体引导至气体与液体重新组合处（47）。

参看图2，在约束计32中，液体进入一大直径（d1）的第一或上游室33上，且最好是以10000或更大的雷诺数流动。室33包括一由环形肩36限定的收缩出口34（直径为d2）。此环形肩最好与经过约束计32之液体流通道的纵轴相垂直。然后此液流将以加大了的速度通过一减经的出口34而进入排放管道38。

通过环形肩36所形成的流体流的压差示明于一压差式流量计39中。后者连至一与室33相通连，距下游基准线D一段距离（h₁）的一支管41处。第二支管42则与一直径较小的，处于收缩出口34（直径为d2）的下游侧且距基准线D一段距离（h2）处的导管38相通。

总之，为了在通过环形肩36时实现所希望的压力关系，这两个取压分接管41与42分别与肩36下游的公共基准线分开距离h₁与h₂。前述约束计还包括有发生或建立一指示所测压力差之信号的装置。

液体流从约束计32流出后，经导管35引至一密度计43的入口，由此测出此组合液体流的密度。这一液体的密度被转换成能被发送的信号。

如图1所示，这一封闭系统是用于一海底环境中来直接监控井口11处的产品流的。此系统可以方便地组合到一适当的支架46或类似的装置上，后者可以装配各种阀门、测量仪表或信号传导装置。

为了确保它能正常地起作用，支架46可以固定到海面上，或者是永久性地，或者用一种可使之卸下而用于另一场所的装置。

还应知道，由于不可能进入所公开的这一海底系统，故设有装置来以各种仪表所发生之信号的形式，将信息与数据传送至可对它们加以利用的水面。因此，尽管没有详细示明，对于隔水监控器24、约束计32与密度计43之类的各式仪器是能够配合以必要的布线与相关的传输设备的。这些必要的信号传送装置或电缆最好载于导线管28之类的有刚性壁部的导管中，它们从隔水器24垂下，内装有一批导线。导线管29类似地从约束计32下垂，而导管49则从密度计43上垂挂下。

以上各导线管28、29与49构成在一终端51处相交状态。这里已给出了必要的电连接件，由此使所有的信号都能经一鎧装电缆52传送至水面。终端51包括有能利用所需信号的适当仪表与计算机。

根据这些在此多相流体流监控期间内取得的仪表读数，可将发生的信号传至以海面为基地的计算机或其它记录器装置。在实际测量中，最方便的方法是将前述布线铺设在井口11邻近处的海面12之上或它的下方，以确保布线安全。

再来参看图2，其中设有装置用来测定所需的体积流率Q，因而也测定了所生产出之流体流的质量流率。下面的公式结合本系统从各测量点所获得的信号数据时，将能相对于此流体的体积流量来说，提供所希望的高精度。

Q=Cfkgeom｛g［ (△Pm)/(ρg) +(h1-h2)(1- (Pm)/(ρ) ］｝

式中：

Q＝流体流的流率，

Cf＝据实验测定的系数，

$\mathrm{Kgeom}=\left\{\frac{4}{3-2{\left(\frac{d_2}{d_1}\right)}^4-{\left(\frac{d_2}{d_1}\right)}^2}\right\}\frac{1}{2}\left({\frac{\mathrm{\π}}{4}}^{{\left(d_1\right)}^1}\right)$

d₁＝大的收缩口直径

d₂＝小的收缩口直径

g＝因重力引起的加速度（32.2ft/sec²）

△Pm＝压差式流量计的读数

ρ＝流动中液体的密度

ρm＝流体在压力计传感器分支2中的密度

（h₁-h₂）＝约束计中大直径与小直径部的静态压力口之间的垂直距离。

多相的液体流从密度计43经导管44引至与载承有气体相的导管47的汇合处。这样，相关的液体相与气体相便重新组合，而借导管48经管道49引至一终端或目的地。

应该理解到，在不脱离本发明的精神与范围的前提下是可对它作出种种改进与变动，但只是后附权利要求书中所指出的才对这种限定产生影响。

Claims (11)

1、一种用来在一与地下储烃层(14)相通之生产井(13)的井口(11)处，对一多相的产品流之体积流率进行测定的系统，此储烃层至少含有一种烃类液体、水与一种气体组分，而这一界定了一流体流道的系统则包括：

一种流体分离器装置(18)，它与上述井口(11)相通，自井(13)接纳一种包括上说至少一种烃类液体、水与一种气体组分的组合的多组分产品流；

汽相分离装置(19)，它在前述的流体分离装置(18)中，设在便于接收从前述组合的多组分产品流中分离出的气体组分；

监控装置(14)，它与分离装置(18)的下游端相配合，能有效地监控已基本上无气体组分这一组合的产品流，同时用来提供第一种信号以指示此产品流中烃类液体与水分间的体积关系；

约束计装置(32)，它与分离装置相通，具有一个收缩段(38)，同时有用来测定此基本上无气体的组合液体流流经该收缩段(38)时的同力差的装置，还有用来提供一指示此压力差的第二信号的装置；

密度计装置(43)，它与约束计装置(32)相通以接受来自后者的上述基本上无气体的组合液体流，能用来提供一流过其间之上述液体流之密度的第三种信号。

2、如权利要求1的一种系统，它包括有使上述分离装置通连，与前述密度计装置（43）的下游侧的导管装置（44），用来自前述汽相分离装置的气体组分去重整所说的组合的多组分产品流。

3、如权利要求1的一种系统，其中述及的流体分离装置（18）包括：

与前述井口（11）通连的第一种分离导管（19），此用作为汽相分离的第一种分离导管（19）则又包括：

第二种导管装置（21），它位于前述第一种分离导管（19）一定高度之上;

使流体上升的传输通道装置（22），它使相关的第一种分离导管（19）与此第二种导管装置（21）沟通，将已从该组合产品流分离出的气体组分引入到第二导管装置（21）。

4、如权利要求1的一种系统，其中述及的第一种分离导管（19）包括一以倾斜位置装设的细长管件，用来在其较高端接收上述组合的多组分流体流，同时将一种无气体组分之流体流导引到所说第一导管（19）的较低端。

5、如权利要求3的一种系统，其中述及的使流体上升的装置（22）包括若干个流体上升件（22，23），它们沿纵向与所说的第一种分离导管（19）分开，而每个这样的流体上升件都与该第二导管装置通连。

6、如权利要求1的一种系统，其中所说之约束计装置（32）的收缩段则包括一于其间界定出一收缩状流道的锐孔。

7、如权利要求1的一种系统，其中所说之约束计装置（32）的收缩段包括一位于其间的有陡削边棱的锐孔。

8、如权利要求1的一种系统，它包括有一支架（46），用来支承确定在海面（12）上方各种装置之流体流路。

9、如权利要求1的一种系统。其中述及的监控装置（24）包括一隔水监控器。

10、如权利要求1的一种系统，此系统包括有终端装置（51），前述的监控装置（24）包括一与此终端装置（51）通连的第一信号传输导线管（28）、前述的约束计装置（32）包括一与此终端装置（51）通连的第二信号传输导线管（29），而前述的密度计装置（43）则包括一与此终端装置（51）连通的第三信号传输导线管（49）。

11、一种用来对一种生产出包括烃类液体、水与气体组分之组合液体流的地下井所流出的加压排出物，测定其体积流量的方法，此方法包括以下各步骤：

提供一条连续的流体流路设备，上面依次装设有装置，用来

（a）形成一种基本上无气体的液体流;

（b）在此液体流中测定其各液体间的关系;

（c）在此种组合液体流经一锐孔时，对其所形成的压力差进行测定，以及

（d）测定此组合液体的密度;

将所述气体组分与此组合液体流分离以形成一种基本上无气体的液体流;

在此无气体的液体流中测定其中之烃与水之间的体积关系;

在此无气体的液体流流经一锐孔流量计时来测定所呈现的压力差，并测定此无气体之液体流的密度;以及依据下述数学关系式来测定所述之排出物流的体积流量：

Q=Cfkgeom｛g［ (△Pm)/(ρg) +(h₁-h₂)(1- (p_m)/(ρ) ］｝

式中：

Q＝流体流的流率，Cf＝据实验测定的系数

$\mathrm{Kgeom}=\left\{\frac{4}{3-2{\left(\frac{d_2}{d_1}\right)}^4-{\left(\frac{d_2}{d_1}\right)}^2}\right\}\frac{1}{2}\left({\frac{\mathrm{\π}}{4}}^{{\left(d_1\right)}^1}\right)$

d₁＝大的收缩口直径，d₂＝小的收缩口直径

g＝因重力引起的加速度（32.2ft/sec²）

Pm＝压差式流量计的读数

＝流动中液体的密度

m＝流体在压力计传感器分支2中的密度

h₁-h₂＝约束计中大直径与小直径部的静态压力口之间的垂直距离。

Images