CN1055423A

CN1055423A - 对二态和三态流量测量设备所做的改进

Info

Publication number: CN1055423A
Application number: CN91102022.5A
Authority: CN
Inventors: 乔拉姆·艾加
Original assignee: Agar Corp Ltd
Current assignee: Agar Corp Ltd
Priority date: 1990-04-02
Filing date: 1991-04-02
Publication date: 1991-10-16
Anticipated expiration: 2006-04-02
Also published as: JPH0735980B2; IL97414A; DE69118686T2; WO1991015738A1; JPH05507350A; EP0523068B1; HK1006037A1; CN1028796C; DE69118686D1; ATE136644T1; EP0523068A1; AU7446591A; US5099697A; IL97414A0

Abstract

本发明为测量多态流量流动的装置，包括测量第一、第二流体流并且提供表示该第一和第二流体流的第一和第二信号的串联联结的第一、第二流量计。本装置还包括第一和第二流量计之间亦即与上述流量表相连的第一和第二压力测量装置之间的流动限制器。本装置不需要物理地使不同的流体流分离，就能对多态流动进行测量。

Description

本发明是第07/502，691号美国专利申请的部分继续申请案。本发明涉及一种不要求把气流和液流物理地分离开的二态或三态在线流量计。

由于常规的流量计不能同时既处理气体又处理流体，对二态流体（气体和液体一起流动）的测量非常困难。常规的流量计可以分成三类：差压式、体积式和质量流量式。第一类包括孔板、文杜里管（细腰管）和空速管等等，第二类包括涡轮、正排量装置和磁性流量计等等，而在第三类中，人们可以发现振动型（corollis）、热传递型、及动量型等等。

第一类根据下面的百努利方程产生一个与下游的压力分接点处的流动速度有关的差压输出：

△P＝ρv²/2g

这里，△P＝装置上的差压，

ρ＝上游压力分接点处的流体密度，

V＝下游压力分接点处的流体速度，

g＝重力常数。

这样，气体/液体之比的变化会影响密度ρ，会造成速度的变化。由于必须要知道有多少气体和多少液体流过这类装置，因此，这类流量计不能工作。

第二类装置不能区分气体和液体，对它们给出几乎相等的流率。因此，如果流体是二态流体，这类装置还是不能测定流过的有多少气体，有多少液体。

第三类装置也有同样的缺点。此外，当流体中的气体体积含量超过20%时，振动型质量流量计还不能正常振动。

由于上面描述的那些先有技术中没有任何一个能分析流体的成分，以前通常需要把它们物理地分离开，然后再分别测量每个成分。目前已知的有两种分离器：一种较早的二态分离器和一种较新的动态分离器。第一种分离器使送入的流体减慢，使气体膨胀，然后测量从顶部排出的气体和从底部排出的液体。如果流体是由三种成分（如油、水和气）组成的，对排出的液体再进行一次分析。在第二种情况下，使用于二根倾斜的管道。气体将收集在上管中，而液体则收集在下管中。在流体是三态流体的情况下，还需对油/水成分再作一次分析。

这些方法的较大缺点在于它们的尺寸和它们在测量中引起的延迟。为了使小气泡能上升到液体表面，必须要有足够的时间。气泡的上升速率由下面的斯多克（stoke）定律决定：

V＝K（ρ_L-ρ_g）d/μ （2）

其中，V＝气泡的极限速度，

K＝尺寸常数，

ρ_L＝液体的密度，

ρ_g＝气体的密度，

μ＝液体的速度，

d＝气泡的直径。

这样，如果是高粘度的液体，那么极限速度相当慢，需要很长的分离时间，也使容器的尺寸必须增加，造价也上升。

大多数油井同时产生气体、油和液体。由于分解和处理等原由，需要对这种三态流体中的每种成分进行测量。为了对每口油井进行测量而建造多个分离容器很不经济的。因此，人们出于经济上的考虑，希望能在油井低成本地进行这些测量。在低于海平面的油井和海上平台的情况下，尺寸是很受重视的。因此，迫切需要在不使三种成分物理上分开的情况下对它们进行测量。

因此，本发明的目的就是提供一种不需物理地把气体与液体分离开来即可队多态流体流进行测量的一种新颖的装置。

本发明采用了一种多态流体流测量装置来解决上述问题，该装置包括：串联联接的用以测量第一和第二流体流并提供表示上述的第一和第二流体流的第一和第二信号的第一、第二流量表，位于上述的第一和第二流量表之间、用于限制上述的第一、第二流量计之间的流体流动限制器，以及有效地和每个流量表相连、用于提供表示每个流量计中的压力的第一、第二信号的第一、第二压力测量设备。

结合附图阅读下面对本发明的详细描述，可以更好地理解本发明，对本发明及其优点有个更完整的认识。附图中，

图1.是一个在二态流量计，

图1（a）.用来测量图1所示的流量计的输出的一台计算机，

图2.示出了一台带有电子油/水流量计的三态流量计，

图3.示出了一台带有密度油/水监视器的三态流量计，

图3（a）.示出了一台用于测量图3所示的流量计的输出的一台计算机。

图1中示出了一台无需物理上把油、气分离开的二态输出流体的在线测量装置。流体（液体和气体）从端口（1）进入流量表，其总流量由流量表（2）通过体积方式测得，流量表（2）的输出V1被连至计算机（10）[见图1（a）]。温度表T1和压力传感器（4）测量温度T1和压力P1。接着，流体流过限制器（5），该限制器（5）使流体的压力降至P2。这将使流体中的气体膨胀，流量计（6）因而指示出一个较大的体积流量V2。温度T2和压力P2分别由（7）和（8）测量，流体在端口（9）离开流量计。

体积流量可由下式表示：

V1＝G1+L;V2＝G2+L

其中，

V1＝1秒内流过第一流量计的流体的总体积，

G1＝1秒内流过第一流量计的气体的总体积，

G2＝1秒内流过第二流量计的气体的总体积，

L＝1秒内流过第二流量计的液体的总体积。

如果没有气体存在，则V1＝V2，因为液体是不可压缩的，有多少体积的流体进入端口（1），就肯定会有多少体积离开端口（9）。相反，如果有气体存在，气体的体积将根据Charles和Boyle定律膨胀，因此，流量计（6）中的流率将大于流量计（2）中的流率。换句话说：

V1＜V2 ……（3）

这两个流量计之间的差值将只与气体有关，理由是如果限制器（5）并没有把压力降到一个不可接受的量值上，因蒸发而引起的液体重量损失是非常微小的。

在（2）和（6）处的气体之间的关系由Charles和Boyle定律定律给出：

P₁G₁/T₁＝P₂G₂/T₂＝（P₂+△p）G₁/T₁＝P₂（G₁+△v）/T₂……（4）

其中，

△p＝P₁-P₂，△_V＝G₂-G₁，

整理等式（4），得到

((P₂+△P)T₂)/(P₂T₁) - (G₁+△_V)/(G₁) =(1+ (△P)/(P₂) ) (T₂)/(T₁) =1+ (△V)/(G₁) (5)

通过这二个流量计套上保温套并且把它们靠近安装在一起，很容易使T₂≌T₁，因此，我们得到：

△P/P₂＝△V/G₁，或者△V＝G₁△P/P₂……（6）

如果流体中只是气体，则V₁＝G₁，V₂＝G₂……（7）。

这将使体积得到最大的增长：△V＝△Vmax，即当V₁＝G₁时

△Vmax＝△V＝V₂-V₁……（8）

换句话说，△Vmax＝V₁△P/P₂……（9）

如果流体中包含一半气体一半液体，则△V＝1/2△Vmax。

因此，△V是从全部为液体的零到全部为气体时的△Vmax之间变动的。因此，比率△V/Vmax给出工作条件为P₂和T₂时的气/液比值。

现在，G₁+△V＝G₁·P₁/P₂;G₁[（P₁/P₂）-1]＝V₂-V₁＝G₁·△P/P₂

或者，G₁= (P₂)/(△P) (V₂-V₁)……（10）

其中：G₁＝第一个流量计中的流体中的气体体积。

V中的气体部分L＝V₁-G₁

L＝V₁-（V₂-V₁）P₂/△P ……（11）

第二个流量计中的气体体积为：

G₂＝G₁+（V₂-V₁）＝（V₂-V₁）（1+P₂/△P） ……（12）

气/液比率由下式给出：

G/L＝[（V₂-V₁）P₂/△P]/[V₁（V₂-V₁）P₂/△P）]（13）

所有测量装置的输出都送入计算机（10）中，由该计算机（10）执行上述计算。从P₂和T₂及P₃、T₃还可以推出从而也就预测出处于标准压力和温度（如1巴，15.5℃）下的敞开式容器中的油的最终体积。

图2中所示的装置适用于液体是由不可互溶的液体（如由和水）组成时的情况。图1中的装置只可以测定有多少气体和多少液体在一根管道中流动，还需要加上一个电子油/水监视器（11）如美国专利4，503，383中所描述的那种未对水与总液体的比值进行分析。由于气体和油对上述装置来说是一样的，因此如果我们知道气体在液体中的百分比，我们就可以确定流体中有多少是油。举个例子来说，如果根据等式（13）我们已经确定气液率为40%，油/水监视器（11）上的读数大约为42%水，则我们知道，剩下的40%中只有60%是液体，亦即其组成如下：

42%水，40%气，18%油 ……（14）

这样，图2中所示的装置还可以对第三种成分进行分析，产生如[图2（a）]计算机（10）的显示屏上所示的输出：%水以及总共的气、油和水。

在图3中，用一个垂直容器（13）和一个压差传感器（12）代替了油/水监视器。上述容器的截面积大于与之相接的管道的截面积，从而使因流体阻尼造成了压力损耗为最小。如等式（15）所示，差压

△P＝ρh;ρ＝△P/h ……（15）

h为容积（13）的高度。

流体的密度于是可根据等式（11）给出：

ρ_L＝ρV₁/L ……（16）

液体的实际密度通过温度计（3）被校到标准温度。

S_L＝ρ_L/[1-α（T_L-T_S）]ρ_W……（17）

这里，S_L＝液体的相比密度（S.G.）

＝考虑了油水百分比的计算密度（等式16）

α＝液体的热膨胀系数，

T_L＝液体温度，

Ts＝标准温度。

混合物中抒的百分比于是可以根据下式算出：

100（S_L-S_O）/S_W-S_O）＝%W ……（18）

这里，S_W是处理水的相对密度，

S_O是处理油的相对密度，

S_L是无气体的混合物的相对密度，

S是无气体的混合物的相对密度。

实例

如果水的相对密度（S.G.）为1.1，纯油的相对密度为0.9，以及没S＝0.8，L/V＝0.75（即液体中有25%的气体），我们得到：

100（0.8/0.75-0.9）（1.1-0.9）-（9.17）（10.2）＝83%水。

在本例中，油井在工作条件下产生62%水+13%油+25%自由气体。在更低的压力下，气体将膨胀到一个可以用（图3（a）计算机推算出的一个值（G3）：

G₃= (P₁)/(P₃) · (T₃)/(T₁) ·G₁……（19）

如果知道与流体的密度，还可以使用需要密度校正的其它类型的流量表，如孔板，质量流量计等等。

很显然，根据上面的示数可以对本发明作多数改进和变型。因此，应该注意的是本发明并不具体限定了后附的权利要求所建立的范围之内。

Claims

1、一种测量二态流体流的装置，包括：

·串联联结的第一和第二仪表，用于测量第一、第二流体流，提供表示上述的第一和第二流体流的第一和第二信号；

·位于上述的第一、第二流量表。用于在第一、第二流量表之间限制流动的一个流动限制器；

·与每个上述的流量收有效连接的第一和第二压力测量装置。

2、根据权利要求1的装置，其中上述的二态流体流动包括一个气体流动和一个液体流动。

3、根据权利要求1的装置，其中还包括与每个上述的流量计有效地相连的第一、第二温度测量装置，用于提供表示每个上述流量计中的温度的第一和第二信号。

4、根据权利要求3的装置，还包括：用于从上述的第一和第二流量计、上述的第一和第二压力测量装置、第一和第二温度测量装置接收上述信号、并且确定上述的二态流动流中流体比值的关系。

5、根据权利要求4的装置，还包括一个在测定三态流体流动时用于确定上述的流体流中水与液体的比值的电子油/水监视装置。

6、根据权利要求4的装置，还包括用于在上述流体流中分析一种液体以及测量三态流体流的分析装置。

7、根据权利要求6的装置，其中上述的分析装置是一个密度计。

8、根据权利要求7的装置，其中上述的密度表包括一个垂直容器和一个差压发送器。