CN106017588A - 一种多相流计量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多相流计量系统及方法，计量系统包括初级分离器、取样器、取样流体分离器、取样流体流量计和液路流量计。与现有技术相比，本发明的积极效果是：气液等混合流体通过多相流分离器初步分离后，液相流量通过流量计进行测量；经过初步分离后的气液混合流体通过取样，然后对取样的气液混合流体进一步分离后计量。通过对取样流体流量的精确测量，以及取样比例进行换算，可以使用较小的分离器和流量计高精度测量流量较大的多相流体总体各相流量。试验数据证明取样系数稳定可靠，依据本发明的计量装置相对传统分离计量装置体积大大缩小，成本大幅降低。

Description

一种多相流计量系统及方法

技术领域

本发明涉及流量测量技术领域，具体涉及一种用于多相流体的分离取样测量的系统及方法。

背景技术

油气田开采集输过程中涉及到大量气液等混合多相流体的输送计量。传统计量仪表仅适用于单相流体测量，无法直接对多相流体进行准确测量。目前对多相流体进行计量的成熟方法大都采用先对多相流体进行分离，再单独对分相采用传统计量仪表进行测量的方法进行计量。这种方法需要配置巨大的分离器件，导致分离计量装置庞大，费用高昂。

为节省资金，减小多相流装置体积，通过对多相流体取样，仅对取样部分多相流体进行完全分离，然后采用传统流量计进行单相测量，并通过标定的取样比例系数换算得到总体流量。由于仅对取样部分流体进行分离，分离器件可以大大缩小，总体装置较小。但对油气田等复杂流体状况下对多相流体的稳定取样是目前的技术难题，使其难以广泛应用在多相流计量领域。

发明内容

为了克服现有技术的缺点，本发明提供了一种多相流计量系统及方法，可以在较小的体积下实现较高的计量精度，提高了多相流体取样的稳定性及计量精度。

本发明所采用的技术方案是：一种多相流计量系统，包括初级分离器、取样器、取样流体分离器、取样流体流量计和液路流量计；其中，所述初级分离器的气体出口与分流取样器的进口连接；分流取样器的取样流体出口与取样流体分离器的进口连接；取样流体分离器的气体出口与取样流体流量计连接，取样流体分离器的液体出口汇入初级分离器的液体出口后与液路流量计连接；流经取样流体流量计的支路和流经液路流量计的支路的流体最终汇入主流路。

本发明还提供了一种多相流计量方法，包括如下步骤：

步骤一、采用初级分离器对多相流体进行初级分离，得到气相为主混合有雾状液滴的均相混合流体；

步骤二、采用取样器对初级分离后的气相进行取样；

步骤三、采用取样流体分离器对取样流体进行高精度分离，得到满足单相流量计计量条件的气相；

步骤四、采用取样流体流量计对步骤三分离后的气相进行计量得到取样气体流量Qgs；

步骤五、按如下公式计算多相流体中总气体流量：

Qg＝N*Qgs，其中N为取样器的标定比例系数；

步骤六、采用液路流量计对步骤一和步骤三分离后的液相进行计量。

与现有技术相比，本发明的积极效果是：

气液等混合流体通过多相流分离器初步分离后，液相流量通过流量计进行测量；经过初步分离后的气液混合流体通过取样，然后对取样的气液混合流体进一步分离后计量；通过对取样流体流量的精确测量，以及取样比例进行换算，可以使用较小的分离器和流量计高精度测量流量较大的多相流体总体各相流量。试验数据证明取样系数稳定可靠，依据本发明设计的计量装置相对传统分离计量装置体积大大缩小，成本大幅降低。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1为本发明的系统原理图；

图2为本发明具体实施例的结构示意图；

图3为取样原理图；

图4为取样试验数据。

具体实施方式

一种多相流计量系统，如图1所示，包括初级分离器1、取样器2、取样流体分离器3、取样流体流量计4、液路流量计5等，其中：

所述初级分离器1的气体出口与分流取样器2的进口连接；分流取样器2的取样流体出口与取样流体分离器3的进口连接；取样流体分离器3的气体出口与取样流体流量计4连接，取样流体分离器3的液体出口汇入初级分离器1的液体出口后与液路流量计5连接，流经分流取样器2的支路、流经取样流体流量4的支路和流经液路流量计5的支路汇入主流路。

所述初级分离器1采用较小尺寸较低分离精度气液分离器，气液混合流体通过初级分离器后，含雾状液滴气体向上流动，液体流向下方；

所述取样器2按取样比例及管道压阻确定两个回路取样点入口通径；

所述取样流体分离器3采用高分离精度气液分离器，以提高分离效率,使取样气体达到单相流量计计量条件；

所述取样流体流量计4采用通用单相气体流量计；

所述液路流量计5采用通用单相液体流量计。

如图2所示，所述初级分离器1、取样器2、取样流体分离器3集成在立式筒体6内，使得本系统的结构更紧凑，尺寸更小。

本发明还提供了在一种多相流计量方法，包括如下步骤：

步骤一、采用初级分离器1对多相流体进行初级分离，得到以气体为主的带有少量雾状液体的气相，使混合流体达到均相状态；

步骤二、采用取样器2对初级分离后的气相进行取样：

专利98113068.2及98251787.4通过分配器内通过若干均等的空间结构分配成相等的若干份两相流体，然后取少份数空间内的流体作为取样流体进行下一步的分离。

本专利的取样方式及原理不同于上述专利。通过后述的理论推导，可以得出结论：在某种特定工况下，单一流体在管道流动时，管道物理结构不变，管道两端的压差与流速的平方比为常数，与压力及流量值无关。本专利利用此结论对流体进行取样。取样管路和主管路在取样点和汇合点处压力相同，其压差相同，其流速比值也就为常数，对应流量比值也为常数。本专利通过实验的方法对这个常数进行确定，通过测量主路和取样回路的流量比值，计算出这个常数。则取样的系数确定为此常数。不需要单独设计若干均等空间结构的分配器。

上述方法仅对单一流体或者均相的多相流体成立，对多相流体进行粗分离后得到雾状均相混合流体是利用本专利方法进行取样的必要步骤。

试验数据也证明该方法结论正确。

理论推导：

根据粘性流体流动的伯努利方程

$z_1+\frac{p_1}{\mathrm{\ρ}g}+\frac{u_1^2}{2g}=z_2+\frac{p_2}{\mathrm{\ρ}g}+\frac{u_2^2}{2g}+h_w^{\′}$

若u1＝u2，忽略高度势能差，则入口与出口间压差为损失水头hw

h_w＝∑h_f+∑h_j

损失水头hw包括两个部分，即沿程损失水头和局部损失水头

$h_f=\mathrm{\λ}\frac{l}{d}\frac{V^2}{2g},h_j=\mathrm{\ζ}\frac{V^2}{2g}$

$\mathrm{\λ}-\frac{64\mathrm{\μ}}{\mathrm{\ρ}Vd}=\frac{64}{\mathrm{Re}}$

当Re很大时，对于同一管路可以推导结论

hw＝kV² k为压阻系数，近似为常数。

可见，当Re较大时，单一流体取样管路和主管路流量比例为常数。

对主管路进行取样计量，如图3所示，其流程如下：

由前述可以得到以下公式：

Q₁＝v₁A₁

Q₂＝v₂A₂

P₁-P₂＝k₁v₁ ²＝k₂v₂ ²

推导

$\frac{Q_2}{Q_1}=\frac{A_2}{A_1}\sqrt{\frac{k_1}{k_2}}$

则取样管路与主管路流量比值在雷诺数较大时为由物理结构确定的近似常数，不受流量及压力改变而改变。通过实验测量标定的方法可以确定取样比值。

对于气液混合多相流体，由于取样前经过粗分离，可以认为取样流体为含有少量雾状液滴的均相混合流体，可以按照均相法进行计算，得到与单一流体相同的结论。

步骤三、采用取样流体分离器3对取样流体通过高分离精度分离器进行高精度分离，使得分离后的气相满足单相流量计计量条件；

步骤四、采用取样流体流量计4对步骤三分离后的气相进行计量得到取样气体流量Qgs；

步骤五、按如下公式计算多相流体中总气体流量：

Qg＝N*Qgs，其中N为取样器的标定比例系数，通过实验测量的方法确定；

步骤六、采用液路流量计5对步骤一和步骤三分离后的液相进行计量。

本专利应用于大流量多相流体计量时，由于初级分离精度要求低，远小于传统分离器的气液分离结构可完成工作；取样流体较少，可以利用较小分离器实现高精度分离。此时取样气体可以使用传统单相流量计进行高精度测量，分离器和流量计尺寸和成本都可以大幅缩减。

图4为一组试验数据，水气混合的多相流体通过本系统后，对取样回路流体流量及主路流体流量测量后进行比较。试验数据显示，尽管多相流体的流量及液体比例不断变化，但其取样比例保持稳定。因此，决定了本发明取样计量结果的精确性。

Claims (10)

1.一种多相流计量系统，其特征在于：包括初级分离器、取样器、取样流体分离器、取样流体流量计和液路流量计；其中，所述初级分离器的气体出口与分流取样器的进口连接；分流取样器的取样流体出口与取样流体分离器的进口连接；取样流体分离器的气体出口与取样流体流量计连接，取样流体分离器的液体出口汇入初级分离器的液体出口后与液路流量计连接；流经取样流体流量计的支路和流经液路流量计的支路的流体最终汇入主流路。

2.根据权利要求1所述的一种多相流计量系统，其特征在于：所述初级分离器、取样器和取样流体分离器集成在立式筒体内。

3.根据权利要求1所述的一种多相流计量系统，其特征在于：所述初级分离器为分离效率小于96％的低分离精度气液分离器。

4.根据权利要求1所述的一种多相流计量系统，其特征在于：所述取样流体分离器为分离效率高于99％的高分离精度气液分离器。

5.根据权利要求1所述的一种多相流计量系统，其特征在于：所述取样流体流量计为单相气体流量计。

6.根据权利要求1所述的一种多相流计量系统，其特征在于：所述液路流量计为单相液体流量计。

7.一种多相流计量方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一、采用初级分离器对多相流体进行初级分离，得到气相为主混合有雾状液滴的均相混合流体，体积含气率>95％；

步骤二、采用取样器对初级分离后的气相进行取样；

步骤三、采用取样流体分离器对取样流体进行高精度分离，得到满足单相流量计计量条件的气相；

步骤四、采用取样流体流量计对步骤三分离后的气相进行计量得到取样气体流量Qgs；

步骤五、按如下公式计算多相流体中总气体流量：

Qg＝N*Qgs，其中N为取样器的标定比例系数；

步骤六、采用液路流量计对步骤一和步骤三分离后的液相进行计量。

8.根据权利要求7所述的一种多相流计量方法，其特征在于：气液混合流体经过步骤一的初级分离后，气相为主混合有雾状液滴的均相混合流体向上流动，液体流向下方。

9.根据权利要求7所述的一种多相流计量方法，其特征在于：所述取样器的标定比例系数N按如下方法计算：

Q₁＝v₁A₁

Q₂＝v₂A₂

P₁-P₂＝k₁v₁ ²＝k₂v₂ ²

$\frac{Q_2}{Q_1}=\frac{A_2}{A_1}\sqrt{\frac{k_1}{k_2}}$

式中：v1、v2分别为取样管路和主管路的流速，A1、A2分别为取样管路和主管路的截面积，k1、k2分别为取样管路和主管路压阻系数，P1、P2分别为入口和出口的压力，Q1、Q2分别为取样管路和主管路的流量，

10.根据权利要求7所述的一种多相流计量方法，其特征在于：所述取样器的标定比例系数N通过实验测量的方法确定。