CN110174147A - 基于动力旋转螺旋流技术的油水两相流实时测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于动力旋转螺旋流技术的油水两相流实时测量装置及方法，它由进口端至出口端依次包括同轴的进口连接法兰、进口管、动力旋转管、出口管和出口连接法兰；且所述进口管、动力旋转管和出口管直径大小相同，动力旋转管两端的外壁上均设置有轴承和密封箱；动力旋转管中部外壁上布置有齿轮箱，齿轮箱上设置有电机，电机上设置有功率传感器；出口管的外壁上连接有压差传感器。该装置测量得到油水两相流高速旋转产生的径向离心压差ΔP和电机的功率N；求得油水两相流中油相的流量Qo和水相的流量Qw；本发明适应范围广，测量精度高；阻力损失小；量程调节方便，流量测量范围大；安全可靠，经济性好；结构紧凑，便于安装。
Description
技术领域
本发明涉及多相流测量技术领域，具体涉及一种基于动力旋转螺旋流技术的油水两相流实时测量装置及方法。
背景技术
油水两相流现象广泛地存在与石油开采过程中，确定油水两相流中油的流量、水的流量以及含水率(或含油率)等是油水两相测量的主要任务。油水两相流实时测量对于预估油井产量，预测油井的开发寿命以及油田的产量和质量控制，油井状态检测，降低成本具有重要的意义，也是实现油田数字化和智能化管理的必然要求。
油水两相流测量属于多相流测量的技术范畴，由于油相及水相的流体物理性质差异，导致复杂的混合流体相间滑脱特性及界面效应，难以准确测量其流动参数，这些问题也决定了油水两相流测量是个“疑难问题”，需要对其测量装置及方法开展专门的研究。
现在主要的油水两相测量方法大致可分为三类：
1)人工定期取样化验分析，通过人工的方式，每小时或者数小时计量一次，这样会造成实际的单井产量与推算得到的产量相差大，加上人工计算的误差，最终误差会相当大，失去计量的意义，并且也存在效率低和实时性差等问题；
2)采用大型分离罐将油气水分离后再分别用单相流量计计量，这种测量方式存在着前期投入成本高，体积庞大、设备复杂、测量时需要较长的流动稳定时间、测量实时性差等问题；
3)采用多相流量计对油水两相流进行测量，主要通过常规液体流量计测量油水混合物的总流量，再结合基于电容法或电导法、射线法、微波法、超声法、光学法、核磁共振法等原理设计的相含率仪测量含水率或含油率。利用这种多相流量计进行测量油水两相流具有结构紧凑、连续测量、适于井口安装的优点，但是尽管市面上有多种多样的多相流量计，却没有哪一种得以在油田大范围的推广应用，这是因为各种相含率测量方法都有其局限性。
申请号为201810385910.4、201810127004.4、201710465817.X、201510317304.5201110247206.0的中国发明专利申请中都采用电法(电容法或电导法)测油水两相流的相含率问题，对于这类方法来说，传感器响应存在非线性及响应分辨率低导致精度难以达到测量要求，并且电导法只能适用水是连续相的油水两相流，而电容法则只适用于油是连续相的油水两相流，对于油水出现乳化时测量精度更加难以保证。美国专利US5689540A和US3498112A中分别介绍了射线法和微波法测油水两相流的方法，对于射线法、微波法来说，则存在着辐射污染及安全问题，并且价格昂贵，限制了其推广与应用；申请号为201610519665.2的中国专利申请和美国专利US20180088083A1中涉及了一种超声法测量油水两相流的技术，申请号为201120504236.0中国发明专利中涉及了一种红外成像光度法测量原油含水率的技术，对于超声法和光学法来说，相关理论研究还不够充分，技术和工艺也都不够成熟。美国专利US20180238819A1中介绍了核磁共振法测油水两相流的方法，这种方法尽管可以获得令人满意的测量精度，但是其高昂的测量成本使得其只能局限在实验室中应用，很难在油田企业大面积的推广。申请号为200420022874.9中国实用新型专利中介绍了一种应用文丘里管和弹性刮板流量计结合测量油水两相流量的方法，但是这种根据两相流节流压降模型测量的技术存在着压力损失大的问题，对油井产液的输运产生影响。
综上所述，现有的油水两相流测量技术存在的不足，限制了其在油田企业的大范围应用。因此发明一种测量精度高、适用范围广、结构简单、无辐射、安全环保、工作稳定、成本低、阻力小、对输送管网影响小的油水两相实时测量装置及方法具有非常重要的工程应用价值。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种基于动力旋转螺旋流技术的油水两相流实时测量装置及方法，通过采用动力旋转螺旋流技术，将油水两相流强制重构为螺旋流型，通过测量螺旋流场中的离心压差和电机的功率，利用离心压差与油水两相含率的关系模型和电机功率与油水两相流量的关系模型联立求解，完成油水两相流的测量。
为实现上述目的，本发明所设计一种基于动力旋转螺旋流技术的油水两相流实时测量装置，它由进口端至出口端依次包括同轴的进口连接法兰、进口管、动力旋转管、出口管和出口连接法兰；且所述进口管、动力旋转管和出口管直径大小相同，所述动力旋转管两端的外壁上均设置有轴承和密封箱；所述动力旋转管中部外壁上布置有齿轮箱，所述齿轮箱上设置有电机，所述电机上设置有功率传感器；所述出口管的外壁上连接有压差传感器。
进一步地，所述动力旋转管段内部同轴安装有轴流叶轮，所述轴流叶轮与动力旋转管的内壁紧密接触。
再进一步地，所述轴承和密封箱包括一端开口且设置在动力旋转管外壁上的轴封箱体，所述轴封箱体开口处设置有轴承，所述轴封箱体内设置有用于密封的轴封，所述进口管和出口管与动力旋转管连接处的管壁上均设置固定管槽，所述固定管槽内固定有轴承和密封箱和动力旋转管。
再进一步地，所述压差传感器包括传感器机体、壁面取压管和中心取压管，所述壁面取压管和中心取压管分别与传感器机体的高压端口和低压端口相连通；所述中心取压管和壁面取压管由出口管的进口端至出口端前后布置在出口管的管壁两侧；所述中心取压管伸入出口管内且端部与出口管的管壁连接封闭；所述出口管内的中心取压管中央的管壁上开设有中心取压孔，所述中心取压孔与出口管同轴心且中心取压孔开口方向与出口方向相同；所述中心取压孔与壁面取压管的壁面取压孔的轴线位于同一管道横截面上(中心取压孔与壁面取压孔的轴线位于同一管道横截面上是为了保证两个取压管的压差是在同一截断面的压差)。
再进一步地，所述壁面取压管和中心取压管距出口管的进口距离小于出口管的内径D。
再进一步地，所述齿轮箱内设置有相互相啮合的主动齿轮和从动齿轮，所述从动齿轮设置在动力旋转管外边，所述电机通过电机轴插入主动齿轮内与齿轮箱连接。
本发明还提供了一种上述基于动力旋转螺旋流技术的油水两相流实时测量装置的测量方法，包括以下步骤：
1)油水两相流由装置入口进入进口管，然后进入动力旋转管；
2)动力旋转管通过从动齿轮和主动齿轮在电机的作用下高速旋转，轴流叶轮随着动力旋转管的转动而转动；进入动力旋转管内部的油水两相流在沿轴向流动的同时，在动力旋转管和轴流叶轮的作用下加速旋转，转变为强制螺旋流动，在旋转的过程中油水两相流受到离心力的作用，密度较大的水相在离心力的作用下被甩至管壁侧，而密度较小的油相则在离心力的作用下向管道中心汇聚，在同一横截面上的管壁处和管道中心处产生离心力作用导致的径向离心压差；
3)油水两相流流出动力旋转管进入出口管段后仍高速旋转，壁面处的压力经壁面取压孔和壁面取压管引入压差传感器高压侧，管道中心处的压力经中心取压孔和中心取压管引入压差传感器低压侧，这样油水两相流高速旋转产生的径向离心压差ΔP通过压差传感器进行测量；电机的功率N通过功率传感器进行测量；
4)在旋转管内径D、电机转速n的条件下，将压差传感器测量得到的压差ΔP和功率传感器测量得到的电机的功率N分别带入公式(1)和公式(2)，然后联立求解，即得到油水两相流中油相的流量Qo和水相的流量Qw；其中，
a.径向离心压差ΔP与油水两相流中油相体积流量Qo和水相体积流量Qw的关系为：
其中，ΔP为径向离心压差，单位Pa；n为电机转速，单位r/s；D为旋转管内径，单位m；ρw为水相密度，单位kg/m3；ρo为油相密度，单位kg/m3；Qo为油相体积流量，单位为m3/s；Qw为水相体积流量，单位为m3/s；C1，C2为无量纲经验系数，与截面位置、旋流器结构、雷诺数有关，需通过实验进行标定。
b.电机的功率N与油水两相流中油相体积流量Qo和水相体积流量Qw的关系为：
其中，N为电机功率，单位W；N0为动力旋转管没有流体流过时的初始功率，单位W；n为电机转速，单位r/s；D为旋转管内径，单位m；ρw为水相密度，单位kg/m3；ρo为油相密度，单位kg/m3；Qo为油相体积流量，单位为m3/s；Qw为水相体积流量，单位为m3/s；η为电机效率，η与装置结构有关，需通过实验进行标定。
本发明的有益效果：
(1)适应范围广，测量精度高。本发明所涉及的油水两相流测量原理不依赖于油水两相流的流型和相含率大小，能够在任意的油水两相流流型和油水比的情况下对油水两相流进行测量，相对于电容法、电导法等测量手段适用范围更广，精度更高；
(2)阻力损失小。动力旋转管和轴流叶轮对流经的油水两相流具有旋转加速和轴向推动的双重作用，在对流量进行测量的同时，还如同轴流泵一样对油水两相流产生泵送作用，因此基于动力旋转螺旋流技术的油水两相流测量方法阻力损失小，对输送管网的影响小。
(3)量程调节方便，流量测量范围大。通过调节电机的转速或者改变齿轮的传动比，能够实现对量程范围的调节；不但在大流量时具有良好的测量分辨率和精度，此外在油水两相流流量较小时，通过提高电机转速或增加传动比，也能获得较高的测量精度。
(4)安全可靠，经济性好。本发明所涉及的油水两相流测量技术无需采用微波或伽马射线等方法测量相含率，不存着辐射隐患及环境问题，工作更加安全可靠；此外，测量装置的结构及加工工艺简单，生产制造成本低。
(5)结构紧凑，便于安装。本发明所涉及的油水两相流测量技术属于油水不分离测量，与传统的利用分离器对油水进行分离测量方法相比，结构更加的紧凑，占地面积小，能够实现油水的连续实时测量；对直管段长度要求低，安装方便，既适用于水平安装，也适用于垂直安装。
附图说明
图1为本发明所涉及的基于动力旋转螺旋流技术的油水两相流实时测量装置的外观示意图，其中箭头表示流体的流动方向；
图2为本发明所涉及的基于动力旋转螺旋流技术的油水两相流实时测量装置的剖视图，其中箭头表示流体的流动方向；
图中：进口管1、出口管2、动力旋转管3、轴流叶轮3.1、轴承和密封箱4、轴封箱体4.1、轴承4.2、轴封4.3、固定管槽5、电机6、电机轴6.1、齿轮箱7、主动齿轮7.1、从动齿轮7.2、功率传感器8、压差传感器9、传感器机体9.1、壁面取压管9.2、壁面取压孔9.21、中心取压管9.3、中心取压孔9.31、进口连接法兰10、出口连接法兰11。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细描述，以便本领域技术人员理解。
如图1～2所示的基于动力旋转螺旋流技术的油水两相流实时测量装置，它由进口端至出口端依次包括同轴的进口连接法兰10、进口管1、动力旋转管3、出口管2和出口连接法兰11；且进口管1、动力旋转管3和出口管2直径大小相同，动力旋转管段3内部同轴安装有轴流叶轮3.1，轴流叶轮3.1与动力旋转管3的内壁紧密接触；
动力旋转管3两端的外壁上均设置有轴承和密封箱4；轴承和密封箱4包括一端开口且设置在动力旋转管3外壁上的轴封箱体4.1，轴封箱体4.1开口处设置有轴承4.2，轴封箱体4.1内设置有用于密封的轴封4.3，进口管1和出口管2分别与动力旋转管3连接处的管壁上均设置固定管槽5，固定管槽5内固定有轴承和密封箱4和动力旋转管3；
动力旋转管3中部外壁上布置有齿轮箱7，齿轮箱7内设置有相互相啮合的主动齿轮7.1和从动齿轮7.2，从动齿轮7.2设置在动力旋转管3外边，电机6通过电机轴6.1插入主动齿轮7.1内与齿轮箱7连接，电机6上设置有功率传感器8；出口管2的外壁上连接有压差传感器9。
压差传感器9包括传感器机体9.1、壁面取压管9.2和中心取压管9.3，壁面取压管9.2和中心取压管9.3分别与传感器机体9.1的高压端口和低压端口相连通；中心取压管9.3和壁面取压管9.2由出口管2的进口端至出口端前后布置在出口管2的管壁两侧；中心取压管9.3伸入出口管2内且端部与出口管2的管壁连接封闭；出口管2内的中心取压管9.3中央的管壁上开设有中心取压孔9.31，中心取压孔9.31与出口管2同轴心且中心取压孔9.31开口方向与出口方向相同，中心取压孔9.31与壁面取压管9.2的壁面取压孔9.21的轴线位于同一管道横截面上。壁面取压管9.2和中心取压管9.3距出口管2的进口距离小于的出口管的内径D。
上述基于动力旋转螺旋流技术的油水两相流实时测量装置的测量方法，包括以下步骤：
1)油水两相流由装置入口进入进口管，然后进入动力旋转管；
2)动力旋转管通过从动齿轮和主动齿轮在电机的作用下高速旋转，轴流叶轮随着动力旋转管的转动而转动；进入动力旋转管内部的油水两相流在沿轴向流动的同时，在动力旋转管和轴流叶轮的作用下加速旋转，转变为强制螺旋流动，在旋转的过程中油水两相流受到离心力的作用，密度较大的水相在离心力的作用下被甩至管壁测，而密度较小的油相则在离心力的作用下向管道中心汇聚，在同一横截面上的管壁处和管道中心处产生离心力作用导致的径向离心压差；
3)油水两相流流出动力旋转管进入出口管段后仍高速旋转，壁面处的压力经壁面取压孔和壁面取压管引入压差传感器高压侧，管道中心处的压力经中心取压孔和中心取压管引入压差传感器低压侧，这样油水两相流高速旋转产生的径向离心压差ΔP通过压差传感器进行测量；电机的功率N通过功率传感器进行测量；
4)在旋转管内径D、电机转速n的条件下，将压差传感器测量得到的压差ΔP和功率传感器测量得到的电机的功率N分别带入公式(1)和公式(2)，然后联立求解，即得到油水两相流中油相的流量Qo和水相的流量Qw；其中，
a.径向离心压差ΔP与油水两相流中油相体积流量Qo和水相体积流量Qw的关系为：
其中，ΔP为径向离心压差，单位Pa；n为电机转速，单位r/s；D为旋转管内径，单位m；ρw为水相密度，单位kg/m3；ρo为油相密度，单位kg/m3；Qo为油相体积流量，单位为m3/s；Qw为水相体积流量，单位为m3/s；C1，C2为无量纲经验系数，与截面位置、旋流器结构、雷诺数有关，需通过实验进行标定。
b.电机的功率N与油水两相流中油相体积流量Qo和水相体积流量Qw的关系为：
其中，N为电机功率，单位W；N0为动力旋转管没有流体流过时的初始功率，单位W；n为电机转速，单位r/s；D为旋转管内径，单位m；ρw为水相密度，单位kg/m3；ρo为油相密度，单位kg/m3；Qo为油相体积流量，单位为m3/s；Qw为水相体积流量，单位为m3/s；η为电机效率，η与装置结构有关，需通过实验进行标定。
其它未详细说明的部分均为现有技术。尽管上述实施例对本发明做出了详尽的描述，但它仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，人们还可以根据本实施例在不经创造性前提下获得其他实施例，这些实施例都属于本发明保护范围。
Claims (7)
1.一种基于动力旋转螺旋流技术的油水两相流实时测量装置，其特征在于：它由进口端至出口端依次包括同轴的进口连接法兰(10)、进口管(1)、动力旋转管(3)、出口管(2)和出口连接法兰(11)；且所述进口管(1)、动力旋转管(3)和出口管(2)直径大小相同，所述动力旋转管(3)两端的外壁上均设置有轴承和密封箱(4)；所述动力旋转管(3)中部外壁上布置有齿轮箱(7)，所述齿轮箱(7)上设置有电机(6)，所述电机(6)上设置有功率传感器(8)；所述出口管(2)的外壁上连接有压差传感器(9)。
2.根据权利要求1所述基于动力旋转螺旋流技术的油水两相流实时测量装置，其特征在于：所述动力旋转管段(3)内部同轴安装有轴流叶轮(3.1)，所述轴流叶轮(3.1)与动力旋转管(3)的内壁紧密接触。
3.根据权利要求1所述基于动力旋转螺旋流技术的油水两相流实时测量装置，其特征在于：所述轴承和密封箱(4)包括一端开口且设置在动力旋转管(3)外壁上的轴封箱体(4.1)，所述轴封箱体(4.1)开口处设置有轴承(4.2)，所述轴封箱体(4.1)内设置有用于密封的轴封(4.3)，所述进口管(1)和出口管(2)分别与动力旋转管(3)连接处的管壁上均设置固定管槽(5)，所述固定管槽(5)内固定有轴承和密封箱(4)和动力旋转管(3)。
4.根据权利要求1所述基于动力旋转螺旋流技术的油水两相流实时测量装置，其特征在于：所述压差传感器(9)包括传感器机体(9.1)、壁面取压管(9.2)和中心取压管(9.3)，所述壁面取压管(9.2)和中心取压管(9.3)分别与传感器机体(9.1)的高压端口和低压端口相连通；所述中心取压管(9.3)和壁面取压管(9.2)由出口管(2)的进口端至出口端前后布置在出口管(2)的管壁两侧；所述中心取压管(9.3)伸入出口管(2)内且端部与出口管(2)的管壁连接封闭；所述出口管(2)内的中心取压管(9.3)中央的管壁上开设有中心取压孔(9.31)，所述中心取压孔(9.31)与出口管(2)同轴心且中心取压孔(9.31)开口方向与出口方向相同；所述中心取压孔(9.31)与壁面取压管(9.2)的壁面取压孔(9.21)的轴线位于同一管道横截面上。
5.根据权利要求4所述基于动力旋转螺旋流技术的油水两相流实时测量装置，其特征在于：所述壁面取压管(9.2)和中心取压管(9.3)距出口管(2)的进口距离小于出口管的内径D。
6.根据权利要求1所述基于动力旋转螺旋流技术的油水两相流实时测量装置，其特征在于：所述齿轮箱(7)内设置有相互相啮合的主动齿轮(7.1)和从动齿轮(7.2)，所述从动齿轮(7.2)设置在动力旋转管(3)外边，所述电机(6)通过电机轴(6.1)插入主动齿轮(7.1)内与齿轮箱(7)连接。
7.一种基于动力旋转螺旋流技术的油水两相流实时测量装置的测量方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)油水两相流由装置入口进入进口管，然后进入动力旋转管；
2)动力旋转管通过从动齿轮和主动齿轮在电机的作用下高速旋转，轴流叶轮随着动力旋转管的转动而转动；进入动力旋转管内部的油水两相流在沿轴向流动的同时，在动力旋转管和轴流叶轮的作用下加速旋转，转变为强制螺旋流动，在旋转的过程中油水两相流受到离心力的作用，密度较大的水相在离心力的作用下被甩至管壁侧，而密度较小的油相则在离心力的作用下向管道中心汇聚，在同一横截面上的管壁处和管道中心处产生离心力作用导致的径向离心压差；
3)油水两相流流出动力旋转管进入出口管段后仍高速旋转，壁面处的压力经壁面取压孔和壁面取压管引入压差传感器高压侧，管道中心处的压力经中心取压孔和中心取压管引入压差传感器低压侧，这样油水两相流高速旋转产生的径向离心压差ΔP通过压差传感器进行测量；电机的功率N通过功率传感器进行测量；
4)在旋转管内径D、电机转速n的条件下，将压差传感器测量得到的压差ΔP和功率传感器测量得到的电机的功率N分别带入公式(1)和公式(2)，然后联立求解，即得到油水两相流中油相的流量Qo和水相的流量Qw；其中，
a.径向离心压差ΔP与油水两相流中油相体积流量Qo和水相体积流量Qw的关系为：
其中，ΔP为径向离心压差，单位Pa；n为电机转速，单位r/s；D为旋转管内径，单位m；ρw为水相密度，单位kg/m3；ρo为油相密度，单位kg/m3；Qo为油相体积流量，单位为m3/s；Qw为水相体积流量，单位为m3/s；C1，C2为无量纲经验系数。
b.电机的功率N与油水两相流中油相体积流量Qo和水相体积流量Qw的关系为：
其中，N为电机功率，单位W；N0为动力旋转管没有流体流过时的初始功率，单位W；n为电机转速，单位r/s；D为旋转管内径，单位m；ρw为水相密度，单位kg/m3；ρo为油相密度，单位kg/m3；Qo为油相体积流量，单位为m3/s；Qw为水相体积流量，单位为m3/s；η为电机效率。
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