CN108458763B - 基于水平管道上的新型多相流量计及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于水平管道上的新型多相流量计及检测方法，其中，流量计包括：水平圆管，所述水平圆管包含待测量的多相流体；筛管，用于分离出所述多相流体的气体；至少一段三通管，用于分离出所述筛管的气体；检测装置，用于检测所述气体的流量；以及文丘里管，用于将所述多相流体均匀混合，并通过差压计获取所述多相流体的总流量。该流量计能在水平管道上对多相流流型进行矫正和调整，降低其含气率形成均匀混合的均相流，达到简化测量装置，提升测量精度的效果，且解决测量流体含气率高造成流动不稳定且混合不均匀的问题。
Description
技术领域
本发明涉及于多相流流量计量技术领域，特别涉及一种基于水平管道上的新型多相流量计及检测方法。
背景技术
由于多相流流型的复杂性，多相流的测量一直是一个很重要的话题，目前应用于多相流的测量技术主要有射线衰减法、电法(又可分为电容法和电导法)、微波衰减法、电阻抗成像法等。许多新型多相流量计利用伽马射线仪进行流量测量，即射线衰减法，是一种非介入式测量方法，不对流场进行干扰，不会引起部件腐蚀，容易实现在线连续测量，因此在多相流相分率及流量测量方面应用很普遍。但传统的伽马射线仪对流型比较敏感，对弥散流泡状流等气液混合均匀的流动测量误差较小，而在分离流型如分层流下误差却很大，同时，双能伽马射线仪的含水率测量受含气率的影响很大，含气率越高其精度也就越低。因此有必要在测量前对流型进行调整，降低流体含气率并且将流型调整为均匀混合流以满足射线法的测量要求。
相关技术，多相流量计在流型调整上，是利用三通管将水平流体转变为垂直向上的流体，旨在破坏长距离输送下管道内出现的分层流流型，且通过产生冲击碰撞，对三相流体进行一定的混合。在垂直管道上进行含气率的测量之后，再由流型调整器分离出大部分气体，将剩余部分流体混合后取部分样液进行含水率测量。其对多相流的相分率和流量的测量均是在垂直管线上进行的，优势在于：(1)垂直管道上不会出现油气水的分层流态，有利于多相流的测量；(2)在垂直管道上，油气水三相在管道内部各截面是随机出现的，结合概率统计经过长时间测量能够较好代表油井的实际相分率。
然而，采用竖直管道无疑会使流量计的结构更复杂，可靠性低，同时也会造成大的压降，同时混合效果也不是很好，不能够满足均匀混合的条件。为此，构造一种能够在水平管道上将流体混合均匀并进行流量测量的装置就很有价值。但在水平管道，流体的流动由于重力影响导致较显著的相分布不均匀性，且由含气率、流速的不同会产生不同的流型。水平管道中流体多呈现为层状流、波状流或弹状流等不稳定流型，这就让多相流量的测量更加困难。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的一个目的在于提出一种基于水平管道上的新型多相流量计，该流量计具有简化测量装置，提升测量精度的效果。
本发明的另一个目的在于提出一种基于水平管道上的新型多相流量检测方法。
为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种基于水平管道上的新型多相流量计，包括：水平圆管，所述水平圆管包含待测量的多相流体；筛管，用于分离出所述多相流体的气体；至少一段三通管，用于分离出所述筛管的气体；检测装置，用于检测所述气体的流量；以及文丘里管，用于将所述多相流体均匀混合，并通过差压计获取所述多相流体的总流量。
本发明实施例的基于水平管道上的新型多相流量计，通过水平圆管、筛管并结合三通管测量流量，并将收集多相流分离出的气体，进一步收集得到多相流体的总流量，达到在水平管道上对多相流流型进行矫正和调整，降低其含气率形成均匀混合的均相流的效果，具有简化测量装置，提升测量精度的优点，且解决测量流体含气率高造成流动不稳定且混合不均匀的问题。
另外，根据本发明上述实施例的基于水平管道上的新型多相流量计还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述的基于水平管道上的新型多相流量计还包括：伽马射线传感器，所述伽马射线传感器包括单能伽马传感器与双能伽马射线传感器，其中，单能伽马射线传感器使用241Am或137Cs作为放射源，双能伽马传感器使用241Am作为放射源，以检测所述多相流体的含气率与含水率。
进一步地，在本发明的一个实施例中，在气体分离后的所述多相流体进入所述文丘里管后，所述伽马射线传感器具体用于通过所述单能伽马射线传感器测定穿过所述文丘里管喉部的伽马射线计数，并利用所述双能伽马传感器测定高能伽玛射线计数和低能伽玛射线计数，以得到所述含气率与含水率。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述含气率的计算公式为：
其中，D为管道直径为D，μW、μO、μG分别为水、油、气的吸收系数，X为液相厚度X，WC为含水率，
其中，x为厚度、μm为质量衰减系数，ρ为密度。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述含水率的计算公式为：
其中，μ′O和μ′W分别为油和水吸收系数的高能相关的量，
I′0为初始强度的高能相关的量。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述总流量的计算公式为：
其中，Q为主流体的总流量，C为流出系数，d为文丘里喉部内径，β＝d/D，D为文丘里喉部前取点处的管道内径，g为重力加速度，h为差压取点处的垂直落差，ρmix为流体的混合密度，且ρmix＝ρg·GVF+ρw·(1-GVF)·WC+ρo·(1-GVF)·(1-WC)，其中，ρg、ρw、ρo分别为气、水、油的密度。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述检测装置包括：集气管，用于采集分离出的所述筛管的气体；气体测量管和气体流量计，用于检测所述分离出的筛管的气体的流量。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述筛管设置于所述水平圆管内。
为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了一种基于水平管道上的新型多相流量检测方法，包括以下步骤：使所述多相流流入所述水平圆管，并通过所述水平圆管的筛管结合三通管分离出所述气体；收集分离出的所述气体，以获取所述气体的流量；以及使分离出大气体后的所述多相流进入文丘里管，以获取所述多相流体的总流量。
本发明实施例的基于水平管道上的新型多相流量检测方法，通过水平圆管、筛管并结合三通管测量流量，并将收集多相流分离出的气体，进一步收集得到多相流体的总流量，达到在水平管道上对多相流流型进行矫正和调整，降低其含气率形成均匀混合的均相流的效果，具有简化测量装置，提升测量精度的优点，且解决测量流体含气率高造成流动不稳定且混合不均匀的问题。
另外，根据本发明上述实施例的基于水平管道上的新型多相流量检测方法还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，在气体分离后的所述多相流体进入所述文丘里管后，通过单能伽马射线传感器测定穿过所述文丘里管喉部的伽马射线计数，并利用双能伽马传感器测定高能伽玛射线计数和低能伽玛射线计数，以得到所述含气率与含水率。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明一个实施例的基于水平管道上的新型多相流量计的筛管结构示意图；
图2为根据本发明实施例的基于水平管道上的新型多相流量计的结构示意图；
图3为根据本发明实施例的基于水平管道上的新型多相流量计的测量流程图；
图4为根据本发明实施例的基于水平管道上的新型多相流量计的流型示意图；
图5为根据本发明实施例的基于水平管道上的新型多相流量计的各段流型变化示意图；
图6为根据本发明实施例的基于水平管道上的新型多相流量计的测量过程示意图；
图7为根据本发明实施例的基于水平管道上的新型多相流量计检测方法的流程图。
附图标记说明：1为主管道，2为筛管，3为侧支管，4为小孔，5为集气管，6为气体测量管，7为气体流量计，8为文丘里管，9为差压计，10为单能伽马传感器，11为双能伽马传感器。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的基于水平管道上的新型多相流量计及检测方法，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的基于水平管道上的新型多相流量计。
首先介绍本发明实施例采用的筛管。如图1所示，本发明实施例使用的筛管的结构为：筛管内置在管道中，由于筛网具有液体水可自由出入而气体被隔离的特性，可将部分水从两相流中分离，气体不能通过筛网，剩余两相流在筛网内流动，并将其中的两相流由弹状流转化为环状流，分离出的液态水在筛网外侧流动。筛管可以选择合适尺寸，提高两相液态水的空泡份额，使流型由弹状流转化为环状流，从而可以有效降低流动不稳定性，利用三通管的相分离特性，可以从被测气液两相流体中分流分离出一部分单相气体，从而降低主流体的干度。
图2是本发明实施例的基于水平管道上的新型多相流量计的结构示意图，该流量计包括：水平圆管，水平圆管包含待测量的多相流体；筛管2，用于分离出多相流体的气体；至少一段三通管，用于分离出筛管2的气体；检测装置，用于检测气体的流量；以及文丘里管8，用于将多相流体均匀混合，并通过差压计9获取多相流体的总流量。
如图3所示，在该流量计中，筛管2内置于主管道1中，用于分离出流体中大部分气体；三通管3与筛管2相连，用于将筛管2中的气体分离出来；气体测量管6与三通管相连，用于测量分离出的气体的流量；文丘里管8与主管道1相连并置于筛管2后部，用于将多相流体混合得更均匀同时结合差压计9、单能伽马射线传感器10以及双能伽马射线传感器11进行相关测量。
如图3所示，在本发明的一个实施例中，其具体工作过程为：来流与筛管2相遇，根据筛管2的特性，若多相流含气率较大，则筛管2内会形成一段气芯，筛管2内壁覆盖着液膜，选择合适的筛管2尺寸则会大大提高筛管2内的含气率从而将不规则的流型转变为环状流。主管道1与筛管2外壁之间流动着含气率较低的多相流体。筛管2与三个相并联的三通管相连，其作用是能够尽可能多地将筛管2内的气体分离出来。
侧支管3垂直布置并具有一定高度，与集气管5之间通过小孔4相连通。小孔4的作用在于防止主管道1中一些尺寸较大的液滴冲入集气管5内，此外还可以使上升气流在小孔前形成一个较强的自然旋涡，进一步分离气体携带的液相成分。
气液两相流体从主管1进入流量计，在三通管组内被分成两部分，此时，一部分经过侧支管3和小孔4变成单相气体后进入集气管5，再经气体测量管6由气体流量计7进行流量的测量，形成分流体回路，这一部分气体为分流体。此外，另一路流体则为筛管2内流体与筛管2与主管道1之间的流体相混合所得，形成主流体回路，这一部分两相流体为主流体，上述混合流体含气率较低且混合较均匀，在通过文丘里管8后，由于管径变小，流速增快，多相流得以进一步混合。进一步地，在文丘里管8处设有差压计9以测量压差，同时在文丘里管8的喉部放置单能伽马传感器10以测量含气率。随后主流体再次经过突缩管道，由双能伽马射线传感器11进行含水率的测量。测量完成后，两部分流体混合后从汇合三通流向下游管道。
在本发明的一个实施例中，还包括：伽马射线传感器，伽马射线传感器包括单能伽马传感器10与双能伽马射线传感器11，其中，单能伽马射线传感器10使用241Am或137Cs作为放射源，双能伽马传感器11使用241Am作为放射源，以检测多相流体的含气率与含水率。
具体而言，双能伽马传感器11一般利用241Am自身的高能59keV伽马射线与241Am+Ag产生的低能22.5keV X射线，由于其能量较低，对伽马传感器的尺寸就有了限制，即伽马射线或X射线穿透被测量介质的最大距离为30mm，因此限制传感器喉部直径不超过30mm。当然，由选择的射线源不同而选择合适的传感器尺寸。
可以理解的是，一些辅助仪表如压力变送器、温度变送器、数据处理系统等未在附图2中未标注。
在本发明的一个实施例中，对于流量计各段内流型的变化，可结合流量计的特性与水平流动下的流型图来进行分析。在水平管道内，流体的流动由于重力影响导致较显著的相分布不均匀性，且由含气率、流速的不同会产生不同的流型。如图4所示，采用在试验段的压力与温度下计算的液体与气体的表观速度Jl、Jv作为纵横坐标
在本发明的一个实施例中，如图5所示，在水平管道中，主管道中的多相流体由于含气率比较高，气体表观流速较高，多呈现为层状流、波状流或弹状流等不稳定流型。进入筛管后，由于管道直径缩小以及筛管隔绝气体而液体可以自由进出的特性，导致筛管内气体表观流速进一步增大，在筛管内形成环状流流型，流型趋于对称，流动趋于稳定。在用三通管分离出筛管内大部分气体后，整个主流体含气率大大降低，在进入文丘里管之前流型介于塞状流与泡状流之间，由于文丘里管8管道直径突缩，气液的表观速度都大大增加，从而能够形成泡状流流型。在泡状流中，气相以离散的气泡形式分布于连续的液相之中，尽管由于重力的作用气泡会靠近管道上部流动，但经文丘里管狭窄管道造成的流速增大，气泡会呈泡沫状均匀弥散于整个流道，这也就满足了我们的均匀混合流流型，满足射线法的测量条件，从而可以大大提高测量精度。
可以理解的是，该基于水平管道上的新型多相流量计的基本测量原理为：被测量的多相流体进入流量计，经过筛管与三通管后分为两部分，分离出的气体部分进入气体测量管从而由安置在气体测量管道上的气体流量计测得这部分气体流量，另一部分含气率较低的多相流体流动在总流量测量段，该测量段安装有文丘里流量计和单能伽马传感器用于测量总流量与含气率，然后流体进入收缩管进入双能伽马传感器进行含水率测量。最后，流体在多相流量计的出口段汇合进入下游的工艺管线。其具体测量过程如图6所示：
在本发明的一个实施例中，被测含气率较低的流体进入双能伽马传感器直接测量出多相流中的含水率WC以及测量到的含水率数值传给单能的计算系统，结合其测量计数与标定参数计算出工况条件下的含气率GVF。
具体而言，计算射线传感器测含气率含水率部分：
设具有初始强度为I0(n/(cm2·s))的一束伽马射线通过具有厚度x、质量衰减系数为μm，密度为ρ的物质后，它的强度降到I，则可得到关系式
其中，μ＝μmρ，为线性吸收系数，不同介质的吸收系数可用标定的方法通过测得I、I0利用上述公式计算得到；伽马射线对于油气水三相介质的吸收和基本计算公式是相同的；管道直径为D，水层高度为XW，油层高度为XO，气层高度为XG，根据伽马射线的衰减规律可得：
其中，μW、μO、μG分别为水、油、气的吸收系数。
再引入以下关系：体积含气率：GVF＝XG/D、体积含水率
代入公式(2)并做简单变形得到常用的三相流基本吸收公式：
其中，公式(3)左边包括仪表的结构常数与探测器的测量数据，实际上就是混合介质的吸收系数，公式(3)右边是介质常数和被测量。
用单能伽马传感器对含气率进行测量时，X为液相厚度，在三相介质均匀混合的假设下，含气率GVF表示为：
其中，D为单能伽马传感器的通径。结合公式(3)和(4)可得到液相厚度X为：
从而得到含气率GVF的计算公式为：
此时，由单能伽马传感器来确定含气率。若在低压工作条件下，可令μG＝0，从而使公式简化(6)。
双能伽马传感器包括高能和低能两种射线，约定在符号右上角带“′”的指与高能相关的量，否则为低能相关的量或者与两者共同相关的量。
在低压工作条件下，忽略气体的吸收，根据公式(3)可写出两个方程：
两式相除得到：
令
则解出含水率为：
在高压操作条件下，需考虑气体对伽马射线的吸收问题，结合公式(3)可得到工况条件下的含气率和含水率：
在公式(11)和(12)中4个符号定义如下：
μ′x＝(μ′W-μ′O)μx＝(μW-μO)，
进一步地，在本发明的一个实施例中，将含气率与含水率传给文丘里流量计的计算系统，结合差压计测得的压差与油气水三相密度得到主流体总流量Q。
具体而言，总流量公式为：
在公式(13)中，Q为主流体的总流量，单位为m3/s；C为流出系数，无量纲；d为文丘里喉部内径，单位为m；β＝d/D，D为文丘里喉部前取点处的管道内径，无量纲；g为重力加速度，单位为m/s2；h为差压取点处的垂直落差，单位为m；ρmix为流体的混合密度，且ρmix＝ρg·GVF+ρw·(1-GVF)·WC+ρo·(1-GVF)·(1-WC)，其中ρg、ρw、ρo分别为气、水、油的密度，单位为Kg/m3。
进一步地，在本发明的实施例中，测量分气体的测量部分。
具体而言，这部分气体的流量可以采用任何一种差压式流量计进行测量，测量原理与文丘里流量计基本相同，从而可测得分气体流量。
进而完成水平管道上对多相流流型进行矫正和调整，获取多相流体的总流量。
本发明实施例的基于水平管道上的新型多相流量计，通过水平圆管、筛管并结合三通管测量流量，并将收集多相流分离出的气体，进一步收集得到多相流体的总流量，达到在水平管道上对多相流流型进行矫正和调整，降低其含气率形成均匀混合的均相流的效果，具有简化测量装置，提升测量精度的优点，且解决测量流体含气率高造成流动不稳定且混合不均匀的问题。
其次参照附图描述根据本发明实施例提出的基于水平管道上的新型多相流量检测方法。
图7是本发明实施例的基于水平管道上的新型多相流量检测方法的流程图。
如图7所示，该基于水平管道上的新型多相流量检测方法包括：使多相流流入水平圆管，并通过水平圆管的筛管结合三通管分离出气体；收集分离出的气体，以获取气体的流量；以及使分离出大气体后的多相流进入文丘里管，以获取多相流体的总流量。
进一步地，在本发明的实施例中，在气体分离后的多相流体进入文丘里管后，通过单能伽马射线传感器测定穿过文丘里管喉部的伽马射线计数，并利用双能伽马传感器测定高能伽玛射线计数和低能伽玛射线计数，以得到含气率与含水率。
本发明实施例的基于水平管道上的新型多相流量检测方法，通过水平圆管、筛管并结合三通管测量流量，并将收集多相流分离出的气体，进一步收集得到多相流体的总流量，达到在水平管道上对多相流流型进行矫正和调整，降低其含气率形成均匀混合的均相流的效果，具有简化测量装置，提升测量精度的优点，且解决测量流体含气率高造成流动不稳定且混合不均匀的问题。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (5)
1.一种基于水平管道上的新型多相流量计，其特征在于，包括：
水平圆管，所述水平圆管包含待测量的多相流体；
筛管，用于分离出所述多相流体的气体，其中，所述筛管设置于所述水平圆管内；
至少一段三通管，用于分离出所述筛管的气体；
检测装置，用于检测所述气体的流量；以及
文丘里管，用于将所述多相流体均匀混合，并通过差压计获取所述多相流体的总流量；
伽马射线传感器，所述伽马射线传感器包括单能伽马射线传感器与双能伽马射线传感器，其中，单能伽马射线传感器使用241Am或137Cs作为放射源，双能伽马射线传感器使用241Am作为放射源，以检测所述多相流体的含气率与含水率，其中，在气体分离后的所述多相流体进入所述文丘里管后，所述伽马射线传感器具体用于通过所述单能伽马射线传感器测定穿过所述文丘里管第一段突缩的喉部的伽马射线计数，并利用所述双能伽马射线传感器测定穿过所述文丘里管第二段突缩的喉部的高能伽玛射线计数和低能伽玛射线计数，以得到所述含气率与含水率；
被测量的多相流体进入多相流量计，经过筛管与三通管后分为两部分，分离出的气体部分进入气体测量管，另一部分含气率较低的多相流体流动在总流量测量段，该测量段安装有文丘里流量计和单能伽马射线传感器用于测量总流量与含气率，然后通过双能伽马射线传感器进行含水率测量；
其中，用单能伽马射线传感器对含气率进行测量，所述含气率的计算公式为：
其中，D为管道直径，μW、μO、μG分别为水、油、气的吸收系数，X为液相厚度，WC为含水率，其中，I0为单能伽马射线传感器发射的伽马射线的初始强度，在通过介质后其强度下降到I，x为该介质的厚度，μm为该介质的质量衰减系数，ρ为该介质的密度；
其中，双能伽马射线传感器包括高能和低能两种射线，用双能伽马射线传感器进行含水率测量，所述含水率的计算公式为：
其中，μ′O和μ′W分别为油和水吸收系数的高能相关的量，μO和μW分别为油和水吸收系数的低能相关的量，
I′0为双能伽马射线传感器发射的伽马射线的初始强度的高能相关的量，在通过介质后其强度下降到I′，I0为双能伽马射线传感器发射的伽马射线的初始强度的低能相关的量，在通过介质后其强度下降到I。
2.根据权利要求1所述的基于水平管道上的新型多相流量计，其特征在于，所述总流量的计算公式为：
其中，Q为主流体的总流量，C为流出系数，d为文丘里喉部内径，β＝d/D，D为文丘里喉部前取点处的管道内径，g为重力加速度，h为差压取点处的垂直落差，ΔP为文丘里流量计所测量得到的压差值，ρmix为流体的混合密度，且ρmix＝ρg·GVF+ρw·(1-GVF)·WC+ρo·(1-GVF)·(1-WC)，其中，ρg、ρw、ρo分别为气、水、油的密度。
3.根据权利要求1所述的基于水平管道上的新型多相流量计，其特征在于，所述检测装置包括：
集气管，用于采集分离出的所述筛管的气体；
气体测量管和气体流量计，用于检测所述分离出的筛管的气体的流量。
4.一种基于水平管道上的新型多相流量检测方法，其特征在于，采用如权利要求1-3任一项所述的基于水平管道上的新型多相流量计，其中，方法包括：
使所述多相流流入所述水平圆管，并通过所述水平圆管的筛管结合三通管分离出所述气体；
收集分离出的所述气体，以获取所述气体的流量；以及
使分离出大气体后的所述多相流进入文丘里管，以获取所述多相流体的总流量。
5.根据权利要求4所述的基于水平管道上的新型多相流量检测方法，其特征在于，还包括：
在气体分离后的所述多相流体进入所述文丘里管后，通过单能伽马射线传感器测定穿过所述文丘里管喉部的伽马射线计数，并利用双能伽马射线传感器测定高能伽玛射线计数和低能伽玛射线计数，以得到所述含气率与含水率。
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