CN105806424B - 一种多相流不分离在线测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多相流不分离在线测量装置及其测量方法，该装置包括：传感器模块、数据采集处理器，传感器模块包括：两个以上的设置于流体管道内的网格电容传感器，网格电容传感器由不相连的若干激励电极和若干检测电极组成，用来测量油气水相含率及速度；数据采集处理器与传感器模块相连。通过本装置及其测量方法可以准确的实时测量流体的各项数据，并且适用范围很广，装置简洁，测量期间无需人工干预，整个测量过程清洁环保。

Description

一种多相流不分离在线测量装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及流体测量技术领域，特别是一种多相流不分离在线测量装置及其测量方法。

背景技术

油气水多相流测量是油田开发生产过程中一项十分重要的工作。目前，油田上仍然普遍采用分离器(立式或卧式)测量的技术，是将油井产物分为气液两相，由气体流量计测量气体，由液体流量计测量液体，液体中含水率由仪表或人工取样化验获得，然后分别求得油、水产量。传统分离器测量系统由管汇、分离器、仪表等较多的分离部件构成，体积庞大且重量在几吨甚至十吨以上，控制系统也较为复杂，仪表标定繁琐，安装和维护费用高，还需要单独建设测量间进行测量。上述的测量方式一般适用于简单流型的气液分离，但对于常见的乳化液等不易分离、粘稠的液体要进行准确的测量就很困难，甚至需要对其加热或者用添加剂进行化学处理，并且，为了测得准确的数据，容器内的条件应相对稳定，这个过程这一般需要几小时，所取得的数据并非实时连续的。针对老油田而言，由于其存在开发时间较长、测量设备老化、难以维护等情况，故提供的可供参考的单井油气水产量准确性不达标，必然使得科学开发油田的工作受到严重影响。

近年来也有相关厂商对传统的方法进行了改进，基本思路都是先测出总的质量流量和油气水相分率，最后分别计算出油气水各自的质量流量。测量总质量流量采用的方案绝大部分采用经典文丘里管，不同厂家技术路线的差异主要体现在油气水相分率的测量上。目前测量相分率的方法主要有以下两种：

(1)介电法：其原理是利用油、气、水介电参数的差异进行测量，包括电容/电导测量技术，与此类似的还有微波吸收法，主要用于测量油水混合物的含水率，但至今只有在油呈连续相的低含水阶段，其求得的含水率才可供使用。介电法通常采用非侵入式传感器设计，这种方式影响介电常数的因素很多，如乳化液的结构、温度、碳氢化合物的组分、矿化水的性质、游离气的存在等等，这些因素都不同程度的影响仪表的正确使用和含水率测量准确度。另外，不同的相态需要用不同的传感器，水连续相或油连续相在频繁快速变化，难以辨别跟踪这种变化导致测量适用性大大降低。总之，介电常数法受到的影响因素较多，模糊点多，其应用范围受到较大限制。

(2)伽马吸收法：其原理是利用油、气、水对伽马能的吸收衰减不同，当伽马射线通过油、气、水混合物时，由于混合物中的分子中的电子和原子引起衰减，由此建立相关的方程求得混合物的相分率。

伽马能可以放射两个能级，高能对气液比敏感，而低能在液相中对油水比敏感，使用单能(高能)测量多相流中气液比，使用双能(高能和低能)测量多相流中的含水率。有研究指出：伽马射线衰减法，虽不受连续相态的影响，但曲线是高度非线性的，与相分数的指数有关。间歇流型(或产出激动时)对相分率有很大影响，特别是粘度引起的临时乳化，可能导致错误测量，同时也受到原油物性(如密度变化、水的含盐量等因素)影响，当物性发生变化时需重新对仪表进行标定，对于含盐量变化大的介质，需进行必要的补偿。

用双能伽马测量含水率，受含气率影响大，研究者指出要求其含气率在20％以内，最好是10％以内，否则影响较大。双能伽马在油水中敏感，而在含气的环境中就差了，说明其只有在油水两相流中才适用。在井口测量中，特别是气产出时，更加速了油水乳化，而乳化液中也可能会含有不少气，有人又“捡回”了以往传统的分离技术(小型装置)来解决乳化液中气分离，并且需要延时或化学干预才能有所效果，这样的方式未能体现伽马射线衰减法在相流量测量的及时、准确的优势，反而让应该简单化的在线多相流量计变得更加复杂。

用单能伽马测气液比时，没有考虑气的滑脱速度，用混合均匀的办法并在压力大于3MPa或压力较高时，也仍然不能忽略滑脱速度的影响。事实上，在油井深层几千米压力几十个兆帕的情况下，用超声波测出气液的滑脱速度也是很明显的，在地面测试实验中，含气率在10％～90％的情况下，乳化液中明显看到气泡在滑脱，用理想模型来计算滑脱速度，很难符合实际情况。也有用两个单能伽马来测相关取得滑脱速度，这样一套仪器就有三个放射源，存在严重的生产安全问题。

发明内容

为解决测量中存在放射性污染和测量精度等问题，本发明提供了一种多相流不分离在线测量装置及方法，具有安全环保、精度高等特点。

一种多相流不分离在线测量装置，包括：传感器模块、数据采集处理器，传感器模块包括：两个以上的设置于流体管道内的网格电容传感器，网格电容传感器由不相连的若干激励电极和若干检测电极组成，用来测量油气水相含率及速度；数据采集处理器与传感器模块相连，数据采集处理器用来接收测得的流体的数据并进行整理和运算。

进一步的，传感器模块还包括：压力传感器、温度传感器、含水率测量仪、压差测量装置，其中，压差测量装置包括：文丘里管和压差变送器；压差变送器、压力传感器、温度传感器、含水率测量仪均与文丘里管相连，文丘里管与流体管道相连。

进一步的，网格电容传感器、压差测量装置、压力传感器、温度传感器、含水率测量仪均与数据采集处理器相连。

进一步的，所有激励电极均处于同一平面内，所有检测电极均处于同一平面内，激励电极与检测电极相互交叉。

进一步的，任意相邻的激励电极和检测电极间有距离。

进一步的，流体管道内设有两个网格电容传感器。

一种多相流不分离在线测量装置的测量方法，实施过程如下：

S1：流体通过一个网格电容传感器时，网格电容传感器将测得数据传送给数据采集处理器，整理得到流体的油气水相分率；

S2：流体连续通过两个网格电容传感器时，两个网格电容传感器将测得数据传送给数据采集处理器，整理得到流体速度；

S3：流体通过压差测量装置时，压差测量装置将测得数据传送给数据采集处理器3，整理得到流体的压差；

S4：流体通过压力传感器时，压力传感器将测得数据传送给数据采集处理器3，整理得到流体的压力；

S5：流体通过温度传感器时，温度传感器将测得数据传送给数据采集处理器3，整理得到流体的温度；

S6：流体通过含水率测量装置时，含水率测量装置将测得的数据传送给数据采集处理器，整理得到流体的含水率；

S7：数据采集处理器将S1～S6得到的参数根据计算公式进行运算处理得到流体的气量、液量、油量、水量。并且数据采集处理器能够实现结果在线远传。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本仪器不用伽马射线，避免了放射性污染和对人体的伤害，对环保做出重大贡献。

2、与传统三相分离测试体系相比，本发明精度高、适用性广，不用相分离，工艺简洁、结构紧凑、占用空间小、可动部件少，整体重量不过200公斤，便于安装和搬运，属于在同类仪器中最简洁的一种。

3、使用范围广，对一些很难处理的流体，如乳化液和稠油等，本发明依然应用良好，在低温情况下，可以不使用热交换器进行流量测量，简化了后勤、节省了运营成本。

4、本发明为实时、连续的测量，对于测量大量数据，均用数据采集处理器3进行处理，可以做到无人值守，不用人工干预，极大的节约了人力。

5、对于多相流测量重要的滑脱速度的考虑，本仪器是采用精准测量及计算处理，不是用模型推论，大大提高了测试精度。

6、含水率的测量不受气影响、不受乳化影响、不受水矿化度影响，提高了测量精度。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为流体管截面图。

其中，1-网格电容传感器，2-压差变送器，3-数据采集处理器，4-文丘里管，5-压力传感器，6-温度传感器，7-含水率测量仪。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。

实施例一

如图1和图2所示的一种多相流不分离在线测量装置，一种多相流不分离在线测量装置，包括：传感器模块、数据采集处理器3，与流体管道相连的传感器模块包括：两个或两个以上的设置于流体管道内的网格电容传感器1，网格电容传感器1由不相连的若干激励电极和若干检测电极组成，若干激励电极和若干检测电极排列呈网格状，网格电容传感器1用来测量油气水相含率及速度；数据采集处理器3与传感器模块相连，数据采集处理器3用来接收测得的流体的数据并进行整理和运算。

本实施例中，传感器模块还包括：压力传感器5、温度传感器6、含水率测量仪7、压差测量装置，其中，压差测量装置包括：文丘里管4和压差变送器2；压差变送器2、压力传感器5、温度传感器6、含水率测量仪7均与文丘里管4相连，文丘里管4与流体管道相连。文丘里管4是一种常用的测定多相流流速的仪表，文丘里管4的上游取压口在直管与渐缩段的交界处稍前，下游取压口在渐缩段稍后，即直径最小的喉部，在上述两处沿管周开几个小孔，再用圆环包围，使几个小孔传出的压力均衡起来之后引到压差变送器2上。使用文丘里管4与压差变送器2的组合可以准确有效的测量流体的压差。值得一提的是，本实施例所采用的含水率测量装置是一种采用红外光谱法的含水率测量装置，相比现在市面上普通的含水率测量装置，该装置不仅具有很好的测量准确性，而且操作简单，适用范围较广。

本实施例中，网格电容传感器1、压差测量装置、压力传感器5、温度传感器6、含水率测量仪7均与数据采集处理器3相连，使得能够将上述各装置采集的数据传送给数据采集处理器3，然后数据采集处理器3会对这些数据进行整理及运算，最终得出流体的相关参数。

在网格电容传感器1中，所有激励电极均处于同一平面内，所有检测电极均处于同一平面内，并且这两个平面均与流体管道的横截面平行。激励电极检测电极相互交叉，但不相连，根据实际情况可将激励电极与检测电极设置成m×n(m,n为正整数)的制式，本实施例选择了8×8的制式，以适应大部分的流体管道。

网格电容传感器1的任意相邻的激励电极和检测电极距离很近，本实施例中，任意两个相邻的激励电极和检测电极间最短距离为2mm，从流体管道轴线所在方向看去，激励电极和检测电极的重叠处就是两个相邻的激励电极和检测电极间最短距离处，当有流体流过此处时，即为一个电容，其电容量与之间重叠处填充的流体介电性质有关，由于该重叠处足够小，可以认为，在某一时刻，只被一种物质填充，不同物质填充使得电容具有不同的电容量，通过测量所有电容的电容量，可以知道每个点是油是气还是水，并将各个测量点的数据汇合，即可得到管道内油气水相分率。本实施例中，每个网格电容传感器1具有六十四个电容，即可以测量出这些位置分布均匀的六十四个电容所在位置的具体物质，并且较大数量的测量使得测量结果更加准确。

本流体管道内设有两个网格电容传感器1，不但能够使得测量得出的油气水相分率更加准确，并且，流体通过两个网格电容传感器1时产生一个时间差，通过这个时间差与两个网格电容传感器1之间的距离计算出过程流体中各组分的速度。

使用时，将本实施例所述的装置直接接入流体管线，当流体通过多相流量计的网格电容传感器1时，测量油气水相分率；流体通过两个网格电容传感器1时产生一个时间差，通过这个时间差与两个网格电容传感器1之间的距离由数据采集处理器3计算出过程流体中各组分的速度。

由网格电容传感器1测得管道内相分率，加上各组分的速度，将文丘里管4测得的压差、含水率测量仪7测得的含水率等这些数据汇总传输至数据采集处理器3。根据气的速度和流体管道截面的面积，通过计算处理求得气量；根据气的速度、压差、含水率，通过计算处理，求得液量；根据液量和含水率，求得油量、水量。

另外，根据温度传感器6和压力传感器5测得的数据，对测得的气量通过pVT方程计算处理得到标准状态下的产气量。

值得一提的是，对于多相流井，如回压控制在2.5MPa以内，一般井口产气1000方/天～3000方/天，可以直接使用。气量过大时，如5000方/天以上，测量前可以用小型水力旋流分离器(0.2m×1.9m规格的钢管)进行粗分离，对气单独计量，而剩余的油气水进入装置测量，这样可以简化流态，对测试更安全可靠。

实施例二

根据实施例一所述的一种多相流不分离在线测量装置的测量方法，实施过程如下：

S1：流体通过一个网格电容传感器1时，网格电容传感器1将测得数据传送给数据采集处理器3，整理得到流体的油气水相分率；

S2：流体连续通过两个网格电容传感器1时，两个网格电容传感器1将测得数据传送给数据采集处理器3，整理得到流体速度；

S3：流体通过压差测量装置时，压差测量装置将测得数据传送给数据采集处理器3，整理得到流体的压差；

S4：流体通过压力传感器5时，压力传感器5将测得数据传送给数据采集处理器3，整理得到流体的压力；

S5：流体通过温度传感器6时，温度传感器6将测得数据传送给数据采集处理器3，整理得到流体的温度；

S6：流体通过含水率测量装置时，含水率测量装置将测得的数据传送给数据采集处理器3，整理得到流体的含水率；

S7：数据采集处理器3将S1～S6得到的参数根据如下的运算公式进行运算处理，最终得到流体的气量、液量、油量、水量，其中标准状态下的气量进一步通过PVT方程换算得到。

(1)Q_g＝V_g·A_g；其中Q_g为气量，V_g为气速度，A_g为气面积。

(2)Q_l＝a·P_t+b·C_w+c·V_g；其中Q_l为液量，P_t为压差，V_g为气速度，C_w为含水率。其中，a、b、c为系数，是通过大量模拟实验得到的数值。

(3)Q_o＝Q_l·(1-C_w)，其中Q_o为油流量，Q_l为液量，C_w为含水率。

(4)Q_w＝Q_l·C_w，其中Q_w为水流量、Q_l为液量、C_w为含水率。

实施例三

根据实施例一所述的装置并采用实施例二的方法对十二组流体进行测量，其测量数据如下表：

从上表可以得出：含水率误差在2％以内；液量误差在5％以内；气量误差在10％以内。实现了结果较为准确、操作较为方便的测量。

Claims (3)

1.一种多相流不分离在线测量装置，其特征在于，包括：传感器模块、数据采集处理器(3)，传感器模块包括：两个以上的设置于流体管道内的网格电容传感器(1)，网格电容传感器(1)由不相连的若干激励电极和若干检测电极组成，若干激励电极和若干检测电极排列呈网格状，网格电容传感器(1)用来测量油气水相含率及速度；数据采集处理器(3)与传感器模块相连；

一个网格电容传感器(1)中所有激励电极均处于同一平面内并且所有检测电极均处于同一平面内，上述的两个平面均与流体管道的横截面平行；激励电极所在平面与检测电极所在平面之间有距离；

激励电极和检测电极的重叠处为两个相邻的激励电极和检测电极间最短距离处，当有流体流过时，形成一个电容；

传感器模块还包括：压力传感器(5)、温度传感器(6)、含水率测量仪(7)、压差测量装置，其中，压差测量装置包括：文丘里管(4)和压差变送器(2)；压差变送器(2)、压力传感器(5)、温度传感器(6)、含水率测量仪(7)均与文丘里管(4)相连，文丘里管(4)与流体管道相连；

所述多相流不分离在线测量装置的测量过程如下：

S1：流体通过一个网格电容传感器时，网格电容传感器将测得数据传送给数据采集处理器，整理得到流体的油气水相分率；

S2：流体连续通过两个网格电容传感器时，两个网格电容传感器将测得数据传送给数据采集处理器，整理得到流体速度；

S3：流体通过压差测量装置时，压差测量装置将测得数据传送给数据采集处理器，整理得到流体的压差；

S4：流体通过压力传感器时，压力传感器将测得数据传送给数据采集处理器，整理得到流体的压力；

S5：流体通过温度传感器时，温度传感器将测得数据传送给数据采集处理器，整理得到流体的温度；

S6：流体通过含水率测量装置时，含水率测量装置将测得的数据传送给数据采集处理器，整理得到流体的含水率；

S7：数据采集处理器将S1～S6得到的参数根据计算公式进行运算处理得到流体的气量、液量、油量、水量；

步骤S7的计算公式如下：

(1)Qg＝Vg·Ag；其中Qg为气量，Vg为气速度，Ag为气面积；

(2)Ql＝a·Pt+b·Cw+c·Vg；其中Ql为液量，Pt为压差，Vg为气速度，Cw为含水率；其中，a、b、c为系数，是通过模拟实验得到的数值；

(3)Qo＝Ql·(1-Cw)，其中Qo为油流量，Ql为液量，Cw为含水率；

(4)Qw＝Ql·Cw，其中Qw为水流量，Ql为液量，Cw为含水率；

其中，标准状态下的气量进一步通过PVT方程换算得到。

2.根据权利要求1所述的一种多相流不分离在线测量装置，其特征在于，网格电容传感器(1)、压差测量装置、压力传感器(5)、温度传感器(6)、含水率测量仪(7)均与数据采集处理器(3)相连。

3.根据权利要求1所述的一种多相流不分离在线测量装置，其特征在于，流体管道内设有两个网格电容传感器(1)。