CN106123976A - 一种测量多相流中油、气、水三相各自体积流量的测量装置和测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测量多相流中油、气、水三相各自体积流量的测量装置，其包括以下构件：文丘里管(1)，其具有喉部段；第三差压表(DP3)，其用于测量文丘里管入口处与喉部段之间的差压ΔP₃；单能伽马射线相分率仪(2)，其布置在所述喉部段处；旋流管(3)，其内具有旋流叶片(31)，流过旋流管(3)的多相流分为两部分，仅使其第一部分通至气液分离罐(4)的内罐(42)，其余排走；气液分离罐(4)还具有外罐(41)，内罐(42)顶部封闭底部敞开，内外罐之间具有环隙以供气流通过，外罐(41)下部具有储液空间，沿储液空间竖直方向从上到下具有三个测压点，其间分别设有两个差压表，外罐(41)底部连通至液路管线(8)。

Description

一种测量多相流中油、气、水三相各自体积流量的测量装置和 测量方法

技术领域

本发明属于多相流流量计量领域。具体地，本发明涉及一种用于测量多相流中油气水三相各自体积流量的测量装置及测量方法。

背景技术

油气工业中，油气井产物同时包含液相原油和气相天然气的气液混合流体，业内称之为多相流。其中所述气相包括例如油气田气或任何在常温下不凝的气体，具体地有如甲烷、乙烷、丙烷、丁烷等；所述液相可包括：油相，例如原油本身以及在原油开采过程中溶解在原油中的液体添加剂，以及水相，例如地层水、采用过程中注入油气井中的水以及溶解在水相中的其它液体添加剂。在实践中，油相和水相可能发生相分离，也可能油相和水相混合在一起，或是完全乳化的。如何实时准确地测量从油气井中采出的气液混合流体中气体的流量和液体的流量，以及如何更进一步地测量油相、气相和水相三相各自的流量，是油气藏管理和生产优化所必需的基础数据。

目前多相流测量的基本原理都是通过文丘里、互相关等方法获得流体的总流量，使用伽马射线相分率仪、超声传感器、电容电导含水仪、微波含水仪、差压密度计等测量流体的相分率，进而获得混合流体中各单相的流量。这些技术各有优缺点，如伽马射线吸收技术的测量精度很高，超声、微波等技术虽然造价相对较低，但测量精度无法保证。在当前国际油价相对低迷的情况下，设计一种可以精确计量多相流中油气水各相流量的低成本流量计具有较高的现实意义。

差压密度计是一种结构简单，造价低廉的多相流相分率测量的方法，在油、水相介质密度已知的前提下，利用差压密度计测量出介质流体的混合密度，即可区分两相流体的相分率。一种用差压法测量流体混合密度的现有技术方法是在竖直管段上取一段差压，根据液柱静差压的大小可以确定液体的混合密度。但一般而言，差压表测得的差压除了包含液柱静压差外，还包括介质在管道中流动的摩阻压降，因此，在计算竖直管液柱静压差的时候要减去摩阻压降。液体混合密度可以表示如下：

${\mathrm{\ρ}}_{mix}=\frac{\mathrm{\Δ}P-{\mathrm{\ΔP}}_f}{{\mathrm{gh}}_v}$

式中，

${\mathrm{\ΔP}}_f=\mathrm{\λ}\frac{L}{D}{\mathrm{\ρ}}_{mix}\frac{V^2}{2}$

其中，

ΔP_f——摩阻损失引起的压降；

h_v——差压表两取压口之间的垂直距离；

λ——沿程摩阻系数；

L——压力表1和压力表2之间的距离；

g——重力加速度；

V——流体平均速度

本文中所有参数的单位均为SI单位制。

由于多相流的流型非常复杂，在段塞流工况下，竖直管中的差压往往很不稳定，由于流体的冲击波动，给测量精度造成了较大的影响。另外，多相流摩阻损失的机理目前尚未完全清晰，计算公式本身并不精确，加之竖直管中静差压大小本来就不大，摩阻压降计算稍有出入，就会给测量造成显著的影响，这是测量多相流中液相密度进而推算含水率和含油率所遇见的典型困难之一。

此外，对于三相流体来说，仅仅依靠差压密度计测量液相密度来推算含水率和含油率显然是不够的，需要同时与另外一种可以测量含气率的装置配合，才能获得完整的相分率数据，进而获得多相流中油气水三相各自的体积流量。

本发明致力于解决上述问题。

发明内容

本发明的第一方面提供了一种测量多相流中油、气、水各相体积流量的测量装置，其主要包括以下构件：

一种测量多相流中油、气、水三相各自体积流量的测量装置，其特征在于，其包括以下构件：

文丘里管1，其具有喉部段；

第三差压表DP3，其用于测量文丘里管入口处与喉部段之间的差压ΔP₃；

单能伽马射线相分率仪2，其布置在所述喉部段处，用于测量多相流的含气率α_gas；

旋流管3，其布置在所述文丘里管1的下游，其内具有旋流叶片31，流过旋流管3的多相流分为两部分，第一部分连通气液分离罐4，第二部分继续沿主输送管路10直接排走；

气液分离罐4，其具有外罐41和内罐42，其中内罐42顶部封闭底部敞开，且与所述旋流管3的第一部分多相流连通；内外罐之间具有环隙以供气流通过并经气路管线9排出外罐41，外罐41下部具有储液空间，沿储液空间竖直方向从上到下具有三个测压点A、B、C，其中测压点A与测压点B之间设有第一差压表DP1以测量差压ΔP₁，测压点B与测压点C之间设有第二差压表DP2以测量差压ΔP₂，外罐41底部连通至液路管线8。

在优选的实施方案中，所述内罐42底部具有多个指向同一点的喷头5以将内罐中的流体喷出并汇集在同一点。这样可以通过多股流体的碰撞来进一步强化气液分离效果。

优选地，所述气路管线9与液路管线8在所述气液分离罐4之外分别汇合至主输送管路10。

优选地，在所述文丘里管1的上游设有盲三通7以使多相流混合均匀。

优选地，所述储液空间的横截面积为所述主输送管路(10)的横截面积的2倍以上。本发明的第二方面涉及一种测量多相流中油气水各相体积流量的测量方法，其使用如本发明第一方面所述的测量装置，该测量方法包括以下步骤：

A.用第三差压表DP3测量文丘里管1的入口处与喉部段之间的差压ΔP₃；

B.用单能伽马射线相分率仪2测量多相流的含气率α_gas；

C.使多相流流经所述旋流管3并在旋流叶片31作用下产生旋流以至少部分地实现气液分离；流过旋流管3的多相流分为两部分，第一部分进入气液分离罐4，第二部分继续沿主输送管路10直接排走；

D.将第一部分的多相流导入所述内罐42中，其中的液相落入外罐41的储液空间中，多相流中的气相沿内外罐之间的环隙经气路管线9排出；

E.通过检测ΔP1来判断液面是否超过测压点B，如超过，则通过测量ΔP2来测量油水混合密度ρ_oil-water,进而测得含水率α_water和含油率α_oil；

F.通过以下公式计算多相流的混合密度：

ρ_mix＝ρ_water(1-α_gas)α_water+ρ_oil(1-α_gas)α_oil+ρ_gasα_gas

G.通过文丘里流量计算公式计算多相流的总体积流量Q：

$Q=\frac{\mathrm{\π}}{4}{\mathrm{CEd}}^2\sqrt{\frac{2{\mathrm{\ΔP}}_3}{{\mathrm{\ρ}}_{mix}}}$

其中C为文丘里流出系数；β＝d/D,d和D分别是文丘里喉部和入口直管段的直径；

H.通过以下公式计算油气水三相各自的体积流量：

Q_gas＝Q×α_gas

Q_water＝Q×(1-α_gas)×α_water

Q_oil＝Q×(1-α_gas)×α_oil。

优选地，通过设置在内罐42底部的多个指向同一点的喷头5将内罐中的流体喷出并汇集在同一点，以通过多股流体的彼此碰撞来强化气液分离效果，以尽可能排除气相影响，提高液相混合密度的测量精度。

本发明的优点如下：

1.通过单能伽马射线相分率仪测量含气率，使得多相流中油气水三相各自流量的测量成为可能；且充分利用了伽马射线相分率仪测量相分率精度高的特点，在大幅降低生产成本的前提下，使设备的整体性能不至于降低。

2.液相取样前，在旋流管3内通过旋流叶片31使多相流产生旋流，利用离心分离原理降低了分离罐中样液的含气率，使装置能够在较高的含气率下工作。

3.经旋流管3对多相流进行部分气液分离后，仅将一部分多相流导入气液分离罐4中做进一步气液分离，这种部分取样的方式，使气液分离罐的尺寸尽可能减小，则可以使用常规仪表(差压变送器)替代昂贵的含水分析仪，降低了装置的造价成本。

4.在优选实施方案中，通过内罐底部的多个指向同一点的喷头，使流体碰撞汇集，促进了气液的进一步分离和油水的进一步混合，避免了油水在分离罐内分层对测量造成的影响。同时，多相流经多个喷头喷出并碰撞混合后，可以有效避免段塞流对储液空间内液面的冲击，有利于差压的测量。

5.本发明的方法中，待储液空间液面超过测压点B时才开始测量差压ΔP2，一方面避免了喷出流体对液面的冲击给差压ΔP2测量造成的影响，另一方面相当于使液柱高度保持不变，避免了液柱高度的测量工序和由此引入的误差。

6.之前的现有技术是在流速非常快的多相流主输送管路中测量静液压差，因此摩阻压降很大，干扰了静液压差的测量。而本发明在气液分离罐的储液空间处测量静液压差，因为仅仅是一部分多相流进入该气液分离罐，且该气液分离罐横截面积远远大于主输送管路的横截面积，故液相在此处的流速要远远低于在主输送管路中的流速，由此可极大地降低了摩阻压降对静水差压的影响，避开了摩阻压降的计算所引入的误差。

附图说明

图1是本发明的测量装置的结构示意图。

图2是本发明的算法框图。

附图标记含义如下：

1、文丘里管；2、伽马射线发射器；3、旋流管；31、旋流叶片；4、气液分离罐；41、外罐；42、内罐；5、喷头；6、调节阀；7、盲三通；8、液路管线；9、气路管线；10、主输送管路；A、测压点A；B、测压点B；C、测压点C；DP1、第一差压表；DP2、第二差压表；DP3、第三差压表。

以上附图仅用于示例性地说明本发明的技术构思和技术方案，而不以任何方式限制本发明。

具体实施方式

本发明的结构示意图如附图1所示，不再赘述。

其中，单能伽马射线相分率仪用于测量含气率α_gas，这是其常规功能。

其中文丘里管用于测量流体的总流量，这也是文丘里流量计的常规功能。

其中各差压表用于测量差压。

其中旋流管中的旋流叶片用于引导多相流产生旋流运动，利用离心作用，将其中的一部分液体甩进气液分离罐的内罐中。

工作时，包含油气水三相的多相流经过盲三通结构混合均匀后，向上流经文丘里和单能伽马射线相分率仪，利用文丘里管和ΔP₃可由常规文丘里流量计公式计算得到多相流的总体积流量Q，单能伽马射线相分率仪可以得到三相流体的含气率α_gas。流体经管路流经旋流叶片时产生旋流，利用离心力将其中密度较大的液体的一部分甩入气液分离罐的内罐。进入分离罐的流体只是多相流总流量的一部分，且经过离心分离之后含气率已经有所降低。这部分流体进入分离罐内罐后，经过内罐下方的喷头喷出，喷头喷出方向指向同一点，喷出的流体在这一点碰撞后，气液进一步分离，油水进一步混合。气体密度较小，通过内罐与外罐之间的空隙，通过气路管线汇入主输送管路，密度较大的液体在分离罐外罐中沉积，并且液相可通过液路管线汇入主输送管道。通过调节分离罐下方的调节阀，可以控制罐内的液面高度。通过差压传感器DP1测量ΔP₁，根据其是否有读数即可判断液面是否淹没B点。当分离罐内液面高度高于B点时，由于分离罐内液体的流动速度可以忽略不计，因此，可以不去考虑摩阻压降的影响。差压ΔP₂的大小即为静液差压的大小，此静液差压由油、水两部分组成，根据以下净液差压公式

ΔP₂＝ρgh_BC

其中，ΔP₂为油水两相在液柱高度在h_BC时的静液差压，ρ_oil-water为油水两相的混合密度，g是重力加速度。

据此，可以求出油水混合密度：

ρ_oil-water＝ΔP₂/(gh_BC)

根据混合物密度公式可知

ρ_oil-water＝α_oilρ_oil+α_waterρ_water

α_oil+α_water＝1

其中纯油相密度ρ_oil和纯水相密度ρ_water可以通过化验标定的方法事先得到，由此可以计算出含水率。

${\mathrm{\α}}_{water}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{oil-water}-{\mathrm{\ρ}}_{oil}}{{\mathrm{\ρ}}_{water}-{\mathrm{\ρ}}_{oil}}$

α_oil＝1-α_water

然后，根据以下公式计算由油气水三相组成的多相流的混合密度ρ_mix：

ρ_mix＝ρ_water(1-α_gas)α_water+ρ_oil(1-α_gas)α_oil+ρ_gasα_gas

然后，通过常规文丘里公式计算多相流总体积流量Q：

$Q=\frac{\mathrm{\π}}{4}{\mathrm{CEd}}^2\sqrt{\frac{2{\mathrm{\ΔP}}_3}{{\mathrm{\ρ}}_{mix}}}$

其中C为文丘里流出系数；β＝d/D,d和D分别是文丘里喉部和入口直管段的直径。

进而，通过以下公式计算油气水三相各自的体积流量：

Q_gas＝Q×α_gas

Q_water＝Q×(1-α_gas)×α_water

Q_oil＝Q×(1-α_gas)×α_oil。

Claims (6)

1.一种测量多相流中油、气、水三相各自体积流量的测量装置，其特征在于，其包括以下构件：

文丘里管(1)，其具有喉部段；

第三差压表(DP3)，其用于测量文丘里管入口处与喉部段之间的差压ΔP₃；

单能伽马射线相分率仪(2)，其布置在所述喉部段处，用于测量多相流的含气率α_gas；

旋流管(3)，其布置在所述文丘里管(1)的下游，其内具有旋流叶片(31)，流过旋流管(3)的多相流分为两部分，第一部分连通气液分离罐(4)，第二部分继续沿主输送管路(10)直接排走；

气液分离罐(4)，其具有外罐(41)和内罐(42)，其中内罐(42)顶部封闭底部敞开，且与所述旋流管(3)的第一部分多相流连通；内外罐之间具有环隙以供气流通过并经气路管线(9)排出外罐(41)，外罐(41)下部具有储液空间，沿储液空间竖直方向从上到下具有三个测压点A、B、C，其中测压点A与测压点B之间设有第一差压表(DP1)以测量差压ΔP₁，测压点B与测压点C之间设有第二差压表(DP2)以测量差压ΔP₂，外罐(41)底部连通至液路管线(8)。

2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述内罐(42)底部具有多个指向同一点的喷头(5)以将内罐中的流体喷出并汇集在同一点。

3.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述气路管线(9)与液路管线(8)在所述气液分离罐(4)之外分别汇合至主输送管路(10)。

4.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述储液空间的横截面积为所述主输送管路(10)的横截面积的2倍以上。

5.一种测量多相流中油、气、水三相各自体积流量的测量方法，其使用如前述权利要求中任一项所述的测量装置，特征在于，其包括以下步骤：

A.用第三差压表(DP3)测量文丘里管(1)的入口处与喉部段之间的差压ΔP₃；

B.用单能伽马射线相分率仪(2)测量多相流的含气率α_gas；

C.使多相流流经所述旋流管(3)并在旋流叶片(31)作用下产生旋流以至少部分地实现气液分离；流过旋流管(3)的多相流分为两部分，第一部分进入气液分离罐(4)，第二部分继续沿主输送管路(10)直接排走；

D.将第一部分的多相流导入所述内罐(42)中，其中的液相落入外罐(41)的储液空间中，多相流中的气相沿内外罐之间的环隙经气路管线(9)排出；

E.通过检测ΔP1来判断液面是否超过测压点B，如超过，则通过测量ΔP2来测量油水混合密度ρ_oil-water,进而测得含水率α_water和含油率α_oil；

F.通过以下公式计算多相流的混合密度：

ρ_mix＝ρ_water(1-α_gas)α_water+ρ_oil(1-α_gas)α_oil+ρ_gasα_gas

G.通过文丘里流量计算公式计算多相流的总体积流量Q：

$Q=\frac{\mathrm{\π}}{4}{\mathrm{CEd}}^2\sqrt{\frac{2{\mathrm{\ΔP}}_3}{{\mathrm{\ρ}}_{mix}}}$

其中C为文丘里流出系数；和D分别是文丘里喉部和入口直管段的直径；

H.通过以下公式计算油气水三相各自的体积流量：

Q_gas＝Q×α_gas

Q_water＝Q×(1-α_gas)×α_water

Q_oil＝Q×(1-α_gas)×α_oil。

6.根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于，通过设置在内罐(42)底部的多个指向同一点的喷头(5)将内罐中的流体喷出并汇集在同一点，以此来强化气液分离效果。