CN108507630B - 容积式油-气-水三相流分相流量在线测量装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种容积式油‑气‑水三相流分相流量在线测量装置及其方法，属于多相流测量技术领域。本发明装置主要由两个带液位传感器的标准容器、两个单相气体流量计、六个控制阀门以及多个管路组成；由于使用了固定容积的标准容器，因此本发明方法可准确测量出多相流中液相流体的体积流量，结合气体、密度和含水率测量，推算出油‑气‑水三相流的分相流量。本发明中两个标准容器交替集液和排液，可实现管路中液相流体流量的平稳测量，保证了测量的速度，并较好地实现在线测量。本发明根据容积式原理，将液相流体流量的测量转化为对标准容器集液、排液频数的统计，降低了混相测量的复杂性，在提高测量准确性的同时大大降低了测量成本。

Description

容积式油-气-水三相流分相流量在线测量装置及其方法

技术领域

本发明涉及一种油-气-水三相流分相流量在线测量装置以及相关方法，属于多相流测量技术领域。

背景技术

在工业领域，测量技术扮演着十分重要的角色，例如石油化工、环境保护等。多相流广泛存在于众多科学及工程领域，且应用超前于理论研究。研究多相流检测技术，一是出于实际应用的需要，二是它可以为多相流理论研究提供重要辅助手段。和单相流相比，多相流由于不同相之间存在着界面效应和相对速度，且相界面在时间上和空间上都是随机变化的，因此其流动特性更为复杂。长久以来，两相流参数检测作为两相流理论研究的重要辅助手段在世界范围内一直是一个挑战性的难题，被称为过程测量的终极挑战，已成为现代科技及发达工业国家的一个重要科研领域。多相流检测及监测对于相关科学研究(例如两相流传热传质研究等)和过程设备的安全高效运行具有十分重要的理论意义及应用价值。

为实现多相流分相流量的准确测量，传统方法是使用分离装置，将多相流各组分进行分离，然后再使用成熟的单相流量仪表对分离后的单相流体各分相流量进行测量。这种方法准确度虽然较高，但分离装置通常需要非常高的经济投入，且分离过程通常需要几个小时以便进行可靠的测量，很难做到实时在线测量。因此，针对多相流体的在线准确测量依然是世界性的难题。

以石油开采中井口油-气-水三相流为例，石油开采生产中从井口产出的原油主要成分为油-气-水，此外还可能含有泥沙，其属于多相流范畴。针对石油开采生产中的油-气-水三相流，需要测量的主要参数包括温度、压力、分相含率(含气率、含水率、含油率)、分相流量等过程参数以及密度、盐度等物性参数。涉及温度和压力测量的相关技术已相对成熟，只需直接采用现有工业应用主流技术即可。但由于多相流自身的复杂性，其工程实际应用远远超前于理论研究，涉及多相流分相含率(含气率、含水率、含油率)、分相流量及盐度等参数的测量，尤其是在线测量技术仍然是世界性难题。以流量测量为例，针对单相流体的工业用流量计大多可轻松实现1％或0.5％的精度，但针对工业多相流，现有测量方法或商业化测量仪器大多精度较低或者测量方法复杂，例如由威德福国际责任有限公司发明的RedEye多相流测量系统，该系统利用了密度的差异实现了气液的分离，但是该系统涉及的传感器较多，而且测量方法较为复杂。在工业界普遍认可的现状是若能实现10％的在线测量精度，则可以在工业实际中推广应用。虽然通过分离器将多相流体分离为单相流体再进行测量可以获得很高的精度，但由于实时性较差且投入成本过高，很难面向单井井口油-气-水三相流测量进行推广，大大降低了其在工业生产中的价值。

因此，在不进行相分离的条件下实现油-气-水三相流分相流量在线测量，长期以来一直是石油生产中的一个难题及重要需求。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提出一种容积式油-气-水三相流分相流量在线测量装置及其方法，可实现油-气-水三相流在混相条件下的分相流量在线测量。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提出的一种容积式油-气-水三相流分相流量在线测量装置，主要由两个带有液位传感器的标准容器、两个单相气体流量计、六个控制阀门以及多个管道组成，第一控制阀(V1-1)、第三控制阀(V1-2)和第六控制阀(V2-3)共同构成第一阀门组，第二控制阀(V2-1)、第四控制阀(V2-2)和第五控制阀(V1-3)共同构成第二阀门组；其中，油-气-水三相流入口分别通过设有第一控制阀的第一管道、设有第二控制阀的第二管道与第一标准容器顶部的三相入口、第二标准容器顶部的三相入口连通；第一标准容器顶部的气相出口与第二标准容器顶部的气相入口通过设有第一气体流量计和第三控制阀的第三管道连通；第一标准容器顶部的气相入口与第二标准容器顶部的气相出口通过设有第二气体流量计和第四控制阀的第四管道连通；第一标准容器底部、第二标准容器底部的排液口分别通过设有第五控制阀的第五管道、设有第六控制阀的第六管道与液相出口连通；两个标准容器的容积V相等且固定不变；

所述标准容器的液位传感器的信号用于触发两个控制阀门组的开闭；且当第一阀门组开启、第二阀门组关闭时，第一标准容器处于集液状态、第二标准容器处于排液状态；当第一阀门组关闭、第二阀门组开启时，第一标准容器处于排液状态、第二标准容器处于集液状态。

进一步地，本发明在线测量装置还包括一控制端，该控制端包括单片机、阀门控制电路、时钟电路、USB转串口、稳压电路、LCD显示器及其电路；其中，所述单片机通过其IO端口分别与两个所述标准容器的液位传感器相连，用于接收两个标准容器液位传感器的信号；该单片机通过所述阀门控制电路与各控制阀连接；该单片机通过所述LCD显示器电路将数据和结果显示在LCD显示器上；所述稳压电路分别与单片机的DVCC接口和AVCC接口以及USB转串口的DVCC接口连接；所述USB转串口与单片机的UART相关引脚、BOOT0和RST相关引脚相连；所述时钟电路与单片机的OSC相关引脚相连。

针对上述在线测量装置，本发明还提出一种容积式油-气-水三相流分相流量在线测量方法，该方法包括以下步骤：

1)数据采集：

1.1)使第一阀门组(V1-1、V1-2和V2-3)处于打开状态，第二阀门组(V2-1、V2-2和V1-3)处于关闭状态；记录第二标准容器的排液次数n₂＝n₂+1，n₂为非负整数；

1.2)油-气-水三相流通过第一管道从顶部流入第一标准容器，利用流体自身的重力在第一标准容器内自动完成气液分离，分离的气相经第一标准容器顶部连通的第三管路进入第二标准容器并推动该标准容器中之前收集的液体进行排液，在此过程中，第一标准容器进行集液、第二标准容器进行排液；同时通过连通第三管路上安装的第一单相气体流量计对分离的气体流量进行测量；

1.3)通过第一标准容器上安装的液位传感器检测该标准容器是否充满液体，当液位传感器检测到第一标准容器集液达到充满状态时，执行步骤1.4)；否则返回步骤1.2)；

1.4)关闭第一阀门组(V1-1、V1-2和V2-3)，打开第二阀门组(V2-1、V2-2和V1-3)，记录第一标准容器的排液次数n₁＝n₁+1，n₁为非负整数；

1.5)油-气-水三相流通过第二管道从顶部流入第二标准容器，利用流体自身的重力在该标准容器内自动完成气液分离，分离的气相经第二标准容器顶部连通的第四管路进入第一标准容器并推动该标准容器中之前收集的液体进行排液，在此过程中，第二标准容器进行集液，第一标准容器进行排液；同时通过连通第四管路上安装的第二单相气体流量计对分离的气体流量进行测量；

1.6)通过第二标准容器上安装的液位传感器检测该标准容器是否充满液体，当液位传感器检测到第二标准容器集液达到充满状态时，执行步骤1.7)，否则返回步骤1.5)；

1.7)判断当前的测量时间段t是否大于等于设定的测量时间段t₀，若是，则执行步骤1.8)，否则返回步骤1.1)，使两个标准容器进入往复交替收集和排空液相的工作流程；

1.8)分别统计两个标准容器和标准容器的排液次数n₁、n₂；利用密度测量仪表分别测量油相密度ρ_o、水相密度ρ_w和气相密度ρ_g；执行步骤2)；

2)数据处理：

2.1)根据步骤1.8)统计的测量时间段t内标准容器1和标准容器2排放液体的次数，通过公式(1)计算获得该时间段t内流经管路的液相累积体积流量为：

Q_v＝(n₁+n₂)V (1)

式中，Q_v为测量时间段t内该在线测量装置管路里多相流的液相累积体积流量，V为标准容器的容积；

2.2)利用得到的液相累积体积流量Q_v，结合含水率，分别得到测量时间段t内液相中油相和水相的累积体积流量为：

式中，Q_o为测量时间段t内油相累积体积流量，Q_w为测量时间段t内水相累积体积流量，α为含水率；

2.3)利用得到的Q_o和Q_w，结合测得的油相密度ρ_o和水相密度ρ_w，分别得到测量时间段t内液相中油相和水相的累积质量流量为：

式中，M_o为t时间段内油相累积质量流量，M_w为t时间段内水相累积质量流量；

由安装在连通两个标准容器管路上的气体流量计获得的多相流的气相累积体积流量Q_g，结合测得的气相密度ρ_g，得到测量时间段t内气相的累积质量流量M_g为：

M_g＝ρ_gQ_g (4)

至此，完成对油-气-水三相流的分相流量在线测量。

本发明的特点及有益效果是：

利用本发明装置进行多相流体测量时，由于使用了固定容积的标准容器，因此可以准确测量出多相流中液相流体的体积流量，结合气体测量、密度测量和含水率测量，可以进一步推算出油-气-水三相流的分相流量，包括累积体积流量和累积质量流量。本发明中两个标准容器交替集液和排液，可以实现管路中液相流体流量的平稳测量，保证了测量的速度，可以较好地实现在线测量。而且，本发明所涉及的测量方法受容积式流量测量原理的启发，将液相流体流量的测量转化为对标准容器集液、排液频数的统计，降低了混相测量的复杂性，在提高测量准确性的同时大大降低了测量的成本。此外，本发明通过增设控制端，可以有效地进行自动化在线测量。

附图说明

图1是本发明提出的容积式多相流在线测量装置的原理图。

图2是本发明测量装置所涉及的控制端的结构框图。

图3是本发明提出的容积式多相流在线测量装置的工作流程图。

在图1中，V1-1、V1-2和V1-3是标准容器1所在管路的三个控制阀门，V2-1、V2-2和V2-3是标准容器2所在管路的三个控制阀门。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进一步说明如下：

本发明提出的流量测量装置主要用来实现油-气-水三相流分相流量的在线测量。如图1所示，本测量装置主要由两个带有液位传感器的标准容器、两个单相气体流量计、六个控制阀门以及多个管路组成，第一控制阀V1-1、第三控制阀V1-2和第六控制阀V2-3共同构成第一阀门组，第二控制阀V2-1、第四控制阀V2-2和第五控制阀V1-3共同构成第二阀门组；其中，油-气-水三相流入口分别通过设有第一控制阀V1-1的第一管路a、设有第二控制阀V2-1的第二管路b与标准容器1顶部的三相入口A、标准容器2顶部的三相入口E连通；标准容器1顶部的气相出口B与标准容器2顶部的气相入口F通过设有单相气体流量计1和第三控制阀V1-2的第三管路c连通；标准容器1顶部的气相入口C与标准容器2顶部的气相出口G通过设有单相气体流量计2和第四控制阀V2-2的第四管路d连通；标准容器1底部的排液口D、标准容器2底部的排液口H分别通过设有第五控制阀V1-3的第五管路e、设有第六控制阀V2-3的第六管路f与液相出口连通；两个标准容器的容积V相等且固定不变。

根据标准容器内液位传感器的信号触发两个阀门组的开闭；且当第一阀门组开启、第二阀门组关闭时，标准容器1处于集液状态、标准容器2处于排液状态；当第一阀门组关闭、第二阀门组开启时，标准容器1处于排液状态、标准容器2处于集液状态。

本发明实施例的在线测量装置内各组成器件均为常规产品。标准容器的规格(容积)根据待测量的多相流体的流量确定，即待测多相流体的流量越大，标准容器的规格越大，反之，标准容器的规格越小。假设液相流体体积流量为1m³/h，可以设计一个直径100mm，高500mm的标准容器，其入口和出口管径可以设计为50mm(工业现场井口一般为50mm)。

为了进一步实现分相流量的自动化在线测量，本发明装置还包括一控制端，如图2所示，该控制端包括单片机、阀门控制电路、时钟电路、USB转串口、稳压电路、LCD显示器及其电路；其中，单片机采用STM32单片机，该单片机通过其IO端口分别与两个标准容器的液位传感器相连，用于接收两个标准容器液位传感器的信号；该单片机通过阀门控制电路与各控制阀连接，进行各控制阀关断的控制；该单片机还可以通过LCD显示器电路将数据和结果显示在LCD显示器上；稳压电路分别与单片机的DVCC(正数字电源电压)接口和AVCC(正模拟电源电压)接口以及USB转串口的DVCC接口连接，分别为单片机和USB转串口提供3.3V的数字和模拟电压；USB转串口与单片机STM32的UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步收发传输器)相关引脚、BOOT0和RST相关引脚相连；时钟电路与OSC(Oscillator，晶振)相关引脚相连。本实施例控制端内各组成器件均为常规产品或可通过本领域公知技术予以实现，如单片机型号为STM32F103C8T6，显示电路型号为LCD1602，稳压电路采用ASM1117稳压芯片，USB转串口采用的是CH340芯片。

本发明实施例还提出一种基于上述容积式油-气-水三相流分相流量在线测量装置的在线测量方法，具体包括以下步骤，其工作流程如图3所示：

1)数据采集：

1.1)使第一阀门组(V1-1、V1-2和V2-3)处于打开状态，第二阀门组(V2-1、V2-2和V1-3)处于关闭状态；记录标准容器2的排液次数n₂＝n₂+1，n₂为非负整数(n₂的初始值为0)；

1.2)油-气-水三相流通过管道a从顶部流入标准容器1，利用流体自身的重力在标准容器1内自动完成气液分离，分离的气相经该标准容器1顶部连通的管路c进入标准容器2并推动该标准容器2中之前收集的液体进行排液(对于初始情况，则进行空排)，在此过程中，标准容器1进行集液、标准容器2进行排液；同时通过连通管路c上安装的常规单相气体流量计1对分离的气体流量进行测量；

1.3)通过标准容器1上安装的液位传感器检测标准容器1是否充满液体，当液位传感器检测到标准容器1集液达到充满状态时，执行步骤1.4)；否则返回步骤1.2)；

1.4)关闭第一阀门组(V1-1、V1-2和V2-3)，打开第二阀门组(V2-1、V2-2和V1-3)，记录标准容器1的排液次数n₁＝n₁+1，n₁为非负整数(n₁的初始值为0)；

1.5)油-气-水三相流通过管道b从顶部流入标准容器2，利用流体自身的重力在标准容器2内自动完成气液分离，分离的气相经标准容器2顶部连通的管路d进入标准容器1并推动标准容器1中之前收集的液体进行排液(对于初始情况，则进行空排)，在此过程中，标准容器2进行集液，标准容器1进行排液；同时通过连通管路d上安装的常规单相气体流量计2对分离的气体流量进行测量；

1.6)通过标准容器2上安装的液位传感器检测标准容器2是否充满液体，当液位传感器检测到标准容器2集液达到充满状态时，执行步骤1.7)，否则返回步骤1.5)；

1.7)判断当前的测量时间段t是否大于等于设定的测量时间段t₀，若是，则执行步骤1.8)，否则返回步骤1.1)，使标准容器1和标准容器2进入往复交替收集和排空液相的工作流程；

1.8)分别统计标准容器1和标准容器2的排液次数n₁、n₂；利用密度测量仪表分别测量油相密度ρ_o、水相密度ρ_w和气相密度ρ_g；执行步骤2)；

2)数据处理：

2.1)由于标准容器的容积是一定的，根据各标准容器内液位传感器的信号，统计测量时间段t内标准容器1和标准容器2排放液体的次数(即步骤1.8中的n₁、n₂)，则通过公式(1)计算获得时间段t内流经管路的液相累积体积流量为：

Q_v＝(n₁+n₂)V (1)

式中，Q_v为测量时间段t内该在线测量装置管路里多相流的液相(油相和水相)累积体积流量，V为标准容器的容积，t为测量的时间段(t的取值可按常用单位时间取值，也可根据使用需要自行设定)，n₁和n₂分别为测量时间段t内标准容器1和2各自排液的次数；

2.2)利用得到的液相累积体积流量Q_v，结合含水率，分别得到测量时间段t内液相中油相和水相的累积体积流量为：

式中，Q_v为步骤2.1)计算的测量时间段t内液相累积体积流量，Q_o为测量时间段t内油相累积体积流量，Q_w为测量时间段t内水相累积体积流量，α为含水率(含水率为水相累积体积流量和液相累积体积流量之比，可以通过常规的测量手段得到)；

2.3)利用得到的Q_o和Q_w，结合测得的油相密度ρ_o和水相密度ρ_w，分别得到测量时间段t内液相中油相和水相的累积质量流量为：

式中，M_o为t时间段内油相累积质量流量，M_w为t时间段内水相累积质量流量。

由安装在连通标准容器1和标准容器2的气相管路上的气体流量计获得的多相流的气相累积体积流量Q_g，结合测得的气相密度ρ_g，得到测量时间段t内气相的累积质量流量为：

M_g＝ρ_gQ_g (4)

式中，M_g为t时间段内气相累积质量流量。

至此，完成对油-气-水三相流的分相流量在线测量，即时间段t内，油相的累积体积流量Q_o和累积质量流量M_o、水相的累积体积流量Q_w和累积质量流量M_w以及气相的累积体积流量Q_g和累积质量流量M_g。

本发明提出的多相流分相流量在线测量装置由于使用了固定容积的标准容器，因此可以准确测量出多相流中液相流体的体积流量，结合气体测量、密度测量和含水率测量，可以进一步推算出油-气-水三相流的分相流量，包括累积体积流量和累积质量流量。本发明中两个标准容器交替集液和排液，可以实现管路中液相流体流量的平稳测量，保证了测量的速度，可以较好地实现在线测量。而且，本发明受容积式原理的启发，将液相流体流量的测量转化为对标准容器集液、排液频数的统计，降低了混相测量的复杂性，在提高测量准确性的同时大大降低了测量成本。此外，本发明涉及到的控制端也不复杂，可以有效地进行自动化在线测量。

Claims (2)

1.一种容积式油-气-水三相流分相流量在线测量方法，其特征在于，该方法利用一在线测量装置实现，该装置包括两个带有液位传感器的标准容器、两个单相气体流量计、六个控制阀门以及多个管道，第一控制阀(V1-1)、第三控制阀(V1-2)和第六控制阀(V2-3)共同构成第一阀门组，第二控制阀(V2-1)、第四控制阀(V2-2)和第五控制阀(V1-3)共同构成第二阀门组；其中，油-气-水三相流入口分别通过设有第一控制阀的第一管道、设有第二控制阀的第二管道与第一标准容器顶部的三相入口、第二标准容器顶部的三相入口连通；第一标准容器顶部的气相出口与第二标准容器顶部的气相入口通过设有第一气体流量计和第三控制阀的第三管道连通；第一标准容器顶部的气相入口与第二标准容器顶部的气相出口通过设有第二气体流量计和第四控制阀的第四管道连通；第一标准容器底部、第二标准容器底部的排液口分别通过设有第五控制阀的第五管道、设有第六控制阀的第六管道与液相出口连通；两个标准容器的容积V相等且固定不变；

所述标准容器的液位传感器的信号用于触发两个控制阀门组的开闭；且当第一阀门组开启、第二阀门组关闭时，第一标准容器处于集液状态、第二标准容器处于排液状态；当第一阀门组关闭、第二阀门组开启时，第一标准容器处于排液状态、第二标准容器处于集液状态；

所述容积式油-气-水三相流分相流量在线测量方法包括以下步骤：

1)数据采集：

1.1)使第一阀门组(V1-1、V1-2和V2-3)处于打开状态，第二阀门组(V2-1、V2-2和V1-3)处于关闭状态；记录第二标准容器的排液次数n₂＝n₂+1，n₂为非负整数；

1.2)油-气-水三相流通过第一管道从顶部流入第一标准容器，利用流体自身的重力在第一标准容器内自动完成气液分离，分离的气相经第一标准容器顶部连通的第三管路进入第二标准容器并推动该标准容器中之前收集的液体进行排液，在此过程中，第一标准容器进行集液、第二标准容器进行排液；同时通过连通第三管路上安装的第一单相气体流量计对分离的气体流量进行测量；

1.3)通过第一标准容器上安装的液位传感器检测该标准容器是否充满液体，当液位传感器检测到第一标准容器集液达到充满状态时，执行步骤1.4)；否则返回步骤1.2)；

1.4)关闭第一阀门组(V1-1、V1-2和V2-3)，打开第二阀门组(V2-1、V2-2和V1-3)，记录第一标准容器的排液次数n₁＝n₁+1，n₁为非负整数；

1.5)油-气-水三相流通过第二管道从顶部流入第二标准容器，利用流体自身的重力在该标准容器内自动完成气液分离，分离的气相经第二标准容器顶部连通的第四管路进入第一标准容器并推动该标准容器中之前收集的液体进行排液，在此过程中，第二标准容器进行集液，第一标准容器进行排液；同时通过连通第四管路上安装的第二单相气体流量计对分离的气体流量进行测量；

1.6)通过第二标准容器上安装的液位传感器检测该标准容器是否充满液体，当液位传感器检测到第二标准容器集液达到充满状态时，执行步骤1.7)，否则返回步骤1.5)；

1.7)判断当前的测量时间段t是否大于等于设定的测量时间段t₀，若是，则执行步骤1.8)，否则返回步骤1.1)，使两个标准容器进入往复交替收集和排空液相的工作流程；

1.8)分别统计两个标准容器和标准容器的排液次数n₁、n₂；利用密度测量仪表分别测量油相密度ρ_o、水相密度ρ_w和气相密度ρ_g；执行步骤2)；

2)数据处理：

2.1)根据步骤1.8)统计的测量时间段t内标准容器1和标准容器2排放液体的次数，通过公式(1)计算获得该时间段t内流经管路的液相累积体积流量为：

Q_v＝(n₁+n₂)V (1)

式中，Q_v为测量时间段t内该在线测量装置管路里多相流的液相累积体积流量，V为标准容器的容积；

2.2)利用得到的液相累积体积流量Q_v，结合含水率，分别得到测量时间段t内液相中油相和水相的累积体积流量为：

式中，Q_o为测量时间段t内油相累积体积流量，Q_w为测量时间段t内水相累积体积流量，α为含水率；

2.3)利用得到的Q_o和Q_w，结合测得的油相密度ρ_o和水相密度ρ_w，分别得到测量时间段t内液相中油相和水相的累积质量流量为：

式中，M_o为t时间段内油相累积质量流量，M_w为t时间段内水相累积质量流量；

由安装在连通两个标准容器管路上的气体流量计获得的多相流的气相累积体积流量Q_g，结合测得的气相密度ρ_g，得到测量时间段t内气相的累积质量流量M_g为：

M_g＝ρ_gQ_g (4)

至此，完成对油-气-水三相流的分相流量在线测量。

2.根据权利要求1所述的容积式油-气-水三相流分相流量在线测量方法，其特征在于，所述在线测量装置还包括一控制端，该控制端包括单片机、阀门控制电路、时钟电路、USB转串口、稳压电路、LCD显示器及其电路；其中，所述单片机通过其IO端口分别与两个所述标准容器的液位传感器相连，用于接收两个标准容器液位传感器的信号；该单片机通过所述阀门控制电路与各控制阀连接；该单片机通过所述LCD显示器电路将数据和结果显示在LCD显示器上；所述稳压电路分别与单片机的DVCC接口和AVCC接口以及USB转串口的DVCC接口连接；所述USB转串口与单片机的UART相关引脚、BOOT0和RST相关引脚相连；所述时钟电路与单片机的OSC相关引脚相连。

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