CN111075429B - 一种双差压式稠油单井自动计量系统装置及方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种双差压式稠油单井自动计量系统装置及方法，在主管道上接入差压产生与引出装置，包括密封连接的外管和内管，在内管内设置产生差压的旋流器，侧面连接差压变送器，包括径向差压变送器和轴向差压变送器，分别用于输出同一横截面上中心与壁面所产生的径向压差、及旋流器的前后截面处产生的轴向压差。在旋流片产生的旋流作用下，轴对称的相分布不仅有利于电磁流量计的测量，还使分散的油滴集中在管道中心处，增强油粘度的特性，由于油水粘度差较大，故在高含水率下，与全水相比，即使存在少量的油，也可使旋流器前后的差压明显增加，所以即使在高含水率下，被集中的油也可以使旋流器前后的压差产生明显变化，保证了测量仍然具有较高的精度。

Description

一种双差压式稠油单井自动计量系统装置及方法

技术领域

本发明涉及油水两相流体测量技术领域，尤其涉及一种双差压式稠油单井自动计量系统装置及方法。

背景技术

稠油热采开发过程中，油井产液(油水总流量)及含水率的在线准确测量在油田生产管理中具有重要的实际意义。目前井口产液的计量主要采用多相旋流计量、功图量油和单井大罐量油等方式。在实际运行过程中，多相旋流计量在计量器的进出口压差稳定在0.1MPa内时，测量精度较高，但当计量器井口压差超过这个范围后，多相计量精度降低，而稠油产液的含水、温度及液量的大小，都对进出口压差带来了影响。功图量油主要存在的问题是阻尼系数较难确定，从而使油井产液计量不精确。大罐量油在测量精度上基本能满足生产需要，但却存在劳动强度大、效率低、人为因素多以及无法实现在线实时测量等缺点。目前用于计量含水率的方法主要有两类：人工测量方法和在线测量方法。人工测量方法测量精度通常不高，取样频率也较小，而且过程繁琐、耗时长、劳动强度大，成本高。在线测量方法是在原油管线上安装仪表，从而达到在线测量含水率的效果，测量过程中不耗费人力，取样频率高，通常能达到实时测量的效果。在线测量方法主要有密度法、微波法、射线法、电容法等。密度法仪器结构复杂，国内无成熟产品；微波法在现场工况条件下测量误差较大；射线法虽拥有成熟的技术，但测量范围小，并且产品造价高；电容法具有计量精度高、成本低等优点，但在高含水情况下，电容法测量精度却很难满足生产需要，而我国大部分油田处于高含水率期。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种双差压式稠油单井自动计量系统装置及方法，以降低装置成本，提高装置的可靠性和自动化程度，从而提高稠油油田热采开发的整体经济效益。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何提供一种双差压式稠油单井自动计量系统装置及方法，能够在高含水率条件下准确在线计量油井产液(油水总流量)及含水率。

为实现上述目的，本发明首先提供了一种双差压式稠油单井自动计量系统装置，包括内径相同且依次密封连接的上游主管道、差压产生与引出装置和下游主管道；所述差压产生与引出装置，包括外管和内管，所述内管的外表面与所述外管的内表面密封连接；所述内管内设有用于产生差压的旋流器；所述旋流器包括中空柱状结构的一中心取压柱，位于所述旋流器的中心；所述中心取压柱的一端连接一尾椎，另一端连接一组径向取压柱，所述径向取压柱包括四根位于同一横截面上的中空柱子，所述径向取压柱的内部与所述中心取压柱的内部相连通；所述中心取压柱的侧面，还设有至少一组旋流片；所述差压产生与引出装置上连接有径向差压变送器和轴向差压变送器，分别用于输出同一横截面上中心与壁面所产生的径向压差、及所述旋流器的前后截面处产生的轴向压差。

进一步地，所述内管的内壁面上布置有三处内管取压点集，每处所述内管取压点集包括四个沿所述内管的周向均匀分布的小孔；其中，第一内管取压点集位于所述旋流器的上游，布置在所述内管的壁面处；第二内管取压点集布置在所述中心取压柱上；第三内管取压点集位于所述旋流器的下游，布置在所述内管的壁面处；所述第二内管取压点集与所述第三内管取压点集位于同一流通截面处，所述流通截面在轴向上的位置位于所述旋流片的末端的上游。

更进一步地，所述外管开有取压孔，所述内管外壁面上开有取压槽，所述取压槽与所述取压孔及所述内管内流体的取压点相连通，共同构成取压腔室。

再进一步地，所述取压槽设置为三个，从上游到下游依次为第一取压槽，第二取压槽和第三取压槽；所述第一取压槽与所述第一内管取压点集相连通；所述第二取压槽与四根中空的所述径向取压柱相交，构成四个连通孔；所述第二取压槽通过所述径向取压柱及所述中心取压柱与所述第二内管取压点集相连通；所述第三取压槽与所述第三内管取压点集相连通。

还进一步地，所述外管开有三个所述取压孔，从上游到下游依次为第一外管取压孔，第二外管取压孔和第三外管取压孔；所述第一外管取压孔与所述第一取压槽相连通，构成第一取压腔室；所述第二外管取压孔与所述第二取压槽相连通，构成第二取压腔室；所述第三外管取压孔与所述第三取压槽相连通，构成第三取压腔室；三个所述取压腔室在所述内管的外表面与所述外管的内表面采用密封手段进行密封隔离。

又进一步地，所述径向差压变送器连接所述第二外管取压孔和所述第三外管取压孔，用于测量旋流在同一横截面上中心与壁面所产生的径向压差；所述轴向差压变送器连接所述第二外管取压孔和所述第一外管取压孔，用于测量所述旋流器前后截面处产生的轴向压差。

进一步地，所述内管的外壁面处布置有四个密封槽，每个所述密封槽内装有至少一个内管O型圈，用于对所述第一取压腔室、所述第二取压腔室、和所述第三取压腔室之间分别进行密封。

进一步地，所述尾椎可拆卸连接所述中心取压柱；所述尾椎包括尾椎密封槽，所述尾椎密封槽内装有尾椎O型圈，用于所述尾椎与所述中心取压柱之间的密封。

更进一步地，所述尾椎包括一端插入所述中心取压柱的细柱体及连接于所述细柱体的另一端的圆锥体，所述尾椎O型圈套于所述细柱体上。

本发明还公开了一种双差压式稠油单井自动计量系统装置的油水两相流测量方法，包括以下步骤：

步骤1、油水两相流流经所述旋流器后，所述径向差压变送器输出在旋流作用下，同一横截面上中心与壁面所产生的径向压差ΔP_r，所述轴向差压变送器输出旋流器前后截面处产生的轴向压差ΔP_z；

步骤2、将所述径向压差ΔP_r和所述轴向压差ΔP_z带入所述径向差压ΔP_r和所述轴向压差ΔP_z与油井产液量Q和含水率β之间的关系式(1)和(2)：

式中a、b、c、d、e、f、g和h为常数，通过实验进行标定得到；ρ_O和ρ_W分别为油和水的密度；

步骤3、假设两相流全部为水时，根据式(3)和(4)计算相同流量下产生的径向差压ΔP_Wr和轴向差压ΔP_Wz：

式中λ_r和λ_z分别为径向差压和轴向差压的流量系数，通过实验进行标定得到；

步骤4、联立式(1)～(4)，求得油井产液量Q和含水率β的值。

本发明公开了一种双差压式稠油单井自动计量系统装置及方法，在主管道上接入差压产生与引出装置，包括密封连接的外管和内管，在所述内管内设置用于产生差压的旋流器，所述旋流器的侧面连接有差压变送器，包括径向差压变送器和轴向差压变送器，分别用于输出同一横截面上中心与壁面所产生的径向压差、及所述旋流器的前后截面处产生的轴向压差。在旋流片产生的旋流作用下，轴对称的相分布不仅有利于电磁流量计的测量，还使分散的油滴集中在管道中心处，增强油粘度的特性，由于油水粘度差较大，使得在高含水率下，与全水相比，即使存在少量的油，也可使旋流器前后的差压明显增加，所以即使在高含水率下，被集中的油也可以使旋流器前后的压差产生明显变化，保证了测量仍然具有较高的精度。本发明可同时在线、连续测量油井产出液和含水率两个参数，降低装置成本，提高装置的可靠性和自动化程度，从而提高稠油油田热采开发的整体经济效益。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的一种稠油单井自动计量系统装置的结构示意图；

图2是本发明的一个较佳实施例中差压产生与引出装置的剖面图；

图3是本发明的一个较佳实施例中内管的剖面图；

图4是本发明的一个较佳实施例中内管的立体图；

图5是本发明的一个较佳实施例中外管的立体图；

图6是本发明的一个较佳实施例中装有内管O型圈的内管示意图；

图7是本发明的一个较佳实施例中装有尾椎O型圈的尾椎示意图。

其中，1.上游主管道、2.差压产生与引出装置、3.下游主管道、4.径向差压变送器、5.轴向差压变送器、21.内管、22.内管、211.第一外管取压孔、212.第二外管取压孔、213.第三外管取压孔、221.旋流器、222.密封槽、225.内管O型圈、227.连通孔、2211.中心取压柱、2212.尾椎、2213.旋流片、2214.径向取压柱、2231.第一取压槽、2232.第二取压槽、2233.第三取压槽、2241.第一内管取压点集、2242.第二内管取压点集、2243.第三内管取压点集、2261.第一取压腔室、2262.第二取压腔室、2263.第三取压腔室、22121.密封槽、22122.密封O型圈。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

本发明首先提供了一种双差压式稠油单井自动计量系统装置，如图1所示，包括上游主管道1和下游主管道3，两段主管道之间接入一差压产生与引出装置2，一径向差压变送器4和一轴向差压变送器5分别连接于所述差压产生与引出装置2的侧面的三个取压孔，所述取压孔，从上游到下游，依次为第一外管取压孔211，第二外管取压孔212和第三外管取压孔213。其中，所述径向差压变送器4连接第二外管取压孔212和第三外管取压孔213，用于测量旋流在同一横截面上中心与壁面所产生的径向差压；而所述轴向差压变送器5连接所述第二外管取压孔212和第一外管取压孔211，用于测量旋流器221前后截面处产生的轴向差压。其中，所述差压产生与引出装置2与上游主管道1和下游主管道3的内径相同，密封连接。

所述差压产生与引出装置2的具体结构，如图2所示，包括外管21和内管22，三个所述取压孔开设于所述外管21上；所述内管22的外表面与所述外管21的内表面采用密封连接，用于产生第一取压腔室2261、第二取压腔室2262和第三取压腔室2263。所述内管22的内部设有旋流器221，用于产生差压。

其中，如图3所示，所述旋流器221包括中心取压柱2211、尾椎2212、旋流片2213、和径向取压柱2214；所述中心取压柱2211的一端连接所述尾椎2212，另一端连接所述径向取压柱2214。所述中心取压柱2211为一根中空的柱子，位于所述旋流器221的中心，既用于支撑所述旋流片2213，又用于取出所述旋流器221的中心压力；所述径向取压柱2214为四根位于同一横截面上的中空柱子，所述径向取压柱2214的内部与所述中心取压柱2211的内部相连通。

如图2所示，所述外管21的壁面上开有取压孔，第一取压孔211、第二取压孔212和第三取压孔213；所述内管22的外壁面上开有取压槽，第一取压槽2231、第二取压槽2232和第三取压槽2233。各个所述取压槽分别与管内流体的取压点、以及对应的所述取压孔相连通，分别构成第一取压腔室2261，第二取压腔室2262和第三取压腔室2263。

所述内管22的内壁面布置三处内管取压点集，每个内管取压点集均包括四个沿所述内管22的周向均匀分布的小孔。具体如图2所示，其中，第一内管取压点集2241位于所述旋流器221的上游，布置在所述内管22的壁面处，用于取出所述旋流器221的上游压力；第二内管取压点集2242布置在中心取压柱2211上，用于取出旋流器221的中心压力；第三内管取压点集2243位于所述旋流器221的下游，布置在所述内管22的壁面处，用于取出旋流器221的下游压力；其中第二内管取压点集2242与第三内管取压点集2243位于同一流通截面处，且所述流通截面在轴向上的位置位于所述旋流片2213的末端的上游，从而使其提取的压力免受旋流器221的末端压力突变的干扰。

如图4所示，所述内管22的外壁面处布置有三个取压槽，从上游到下游依次为第一取压槽2231，第二取压槽2232和第三取压槽2233。其中，所述第一取压槽2231与第一内管取压点集2241相连通；所述第二取压槽2232通过四根所述径向取压柱2214连接一根所述中心取压柱2211，再与所述第二内管取压点集2242相连通，第二取压槽2232与四根中空的径向取压柱2214相交，构成了四个连通孔227；如图4所示，所述第三取压槽2233与第三内管取压点集2243相连通。

如图5所示，外管21开有三个取压孔，从上游到下游依次为第一外管取压孔211，第二外管取压孔212和第三外管取压孔213；其中，所述第一外管取压孔211与所述第一取压槽2231相连通，构成第一取压腔室2261；所述第二外管取压孔212与所述第二取压槽2232相连通，构成第二取压腔室2262；所述第三外管取压孔213与所述第三取压槽2233相连通，构成第三取压腔室2263。三个取压腔室在内管22的外表面与外管21的内表面采用密封手段进行密封隔离。

如图1所示，径向差压变送器4连接第二外管取压孔212和第三外管取压孔213，用于测量旋流在同一横截面上中心与壁面所产生的径向压差；轴向差压变送器5连接第二外管取压孔212和第一外管取压孔211，用于测量旋流器221前后截面处产生的轴向压差。

如图4所示，内管22外壁面处布置有四个密封槽222，每个密封槽内装有-内管O型圈225，如图6所示，用于第一取压腔室2261、第二取压腔室2262、第三取压腔室2263之间的密封。

并且，如图3所示，所述旋流器221的尾椎2212为可拆卸的，以方便对所述中心取压柱2211进行清洗，防止所述中心取压柱2211内部堵塞。

所述尾椎2212的具体结构如图7所示，包括用于插入所述中心取压柱2211末端的一细柱体及末端的圆锥体，所述细柱体沿周向布置有密封槽22121，密封槽22121内装有密封O型圈22122，用于所述尾椎2212与中心取压柱2211之间的密封。并且，所述尾椎2212与所述中心取压柱2211之间的连接为可拆卸的，以方便对所述中心取压柱2211进行清洗，防止所述中心取压柱2211内部堵塞。

所述双差压式稠油单井自动计量系统装置在安装好后工作时，当油水两相流流经旋流器221后，假设所述径向差压变送器4测得的径向差压为ΔP_r，所述轴向差压变送器5测得的轴向压差为ΔP_z。实验发现，径向差压ΔP_r随着含水率的降低而降低，轴向压差ΔP_z随着含水率的降低而升高，其中径向差压ΔP_r和轴向压差ΔP_z与油井产液量(油水两相流总流量)Q和含水率β之间的关系分别有：

式中a、b、c、d、e、f、g和h为常数，通过实验进行标定得到；ρ_O和ρ_W分别为油和水的密度；假设ΔP_Wr和ΔP_Wz分别为当两相流全部为水时，相同流量下产生的径向差压和轴向差压，可由以下关系式确定：

式中λ_r和λ_z分别为径向差压和轴向差压的流量系数，通过实验进行标定得到。

通过式(1)～(4)四个式子联立，即可求得油井产液量(油水两相流总流量)Q和含水率β的值。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种双差压式稠油单井自动计量系统，其特征在于，包括内径相同且依次密封连接的上游主管道、差压产生与引出装置和下游主管道；

所述差压产生与引出装置，包括外管和内管，所述内管的外表面与所述外管的内表面密封连接；

所述内管内设有用于产生差压的旋流器；所述旋流器包括中空柱状结构的一中心取压柱，位于所述旋流器的中心；所述中心取压柱的一端连接一尾椎，另一端连接一组径向取压柱，所述径向取压柱包括四根位于同一横截面上的中空柱子，所述径向取压柱的内部与所述中心取压柱的内部相连通；所述中心取压柱的侧面，还设有至少一组旋流片；

所述差压产生与引出装置上连接有径向差压变送器和轴向差压变送器，分别用于输出同一横截面上中心与壁面所产生的径向压差、及所述旋流器的前后截面处产生的轴向压差；

所述内管的内壁面上布置有三处内管取压点集，每处所述内管取压点集包括四个沿所述内管的周向均匀分布的小孔；其中，第一内管取压点集位于所述旋流器的上游，布置在所述内管的壁面处；第二内管取压点集布置在所述中心取压柱上；第三内管取压点集位于所述旋流器的下游，布置在所述内管的壁面处；所述第二内管取压点集与所述第三内管取压点集位于同一流通截面处，所述流通截面在轴向上的位置位于所述旋流片的末端的上游；

所述外管开有取压孔，所述内管外壁面上开有取压槽，所述取压槽与所述取压孔及所述内管内流体的取压点相连通，共同构成一取压腔室；

所述取压槽设置为三个，从上游到下游依次为第一取压槽，第二取压槽和第三取压槽；所述第一取压槽与所述第一内管取压点集相连通；所述第二取压槽与四根中空的所述径向取压柱相交，构成四个连通孔；所述第二取压槽通过所述径向取压柱及所述中心取压柱与所述第二内管取压点集相连通；所述第三取压槽与所述第三内管取压点集相连通；

所述外管开有三个所述取压孔，从上游到下游依次为第一外管取压孔，第二外管取压孔和第三外管取压孔；所述第一外管取压孔与所述第一取压槽相连通，构成第一取压腔室；所述第二外管取压孔与所述第二取压槽相连通，构成第二取压腔室；所述第三外管取压孔与所述第三取压槽相连通，构成第三取压腔室；三个所述取压腔室在所述内管的外表面与所述外管的内表面采用密封手段进行密封隔离；

所述内管的外壁面处布置有四个密封槽，每个所述密封槽内装有至少一个内管O型圈，用于对所述第一取压腔室、所述第二取压腔室、和所述第三取压腔室之间分别进行密封。

2.如权利要求1所述的双差压式稠油单井自动计量系统，其特征在于，所述径向差压变送器连接所述第二外管取压孔和所述第三外管取压孔，用于测量旋流在同一横截面上中心与壁面所产生的径向压差；所述轴向差压变送器连接所述第二外管取压孔和所述第一外管取压孔，用于测量所述旋流器前后截面处产生的轴向压差。

3.如权利要求1所述的双差压式稠油单井自动计量系统，其特征在于，所述尾椎可拆卸连接所述中心取压柱；所述尾椎包括尾椎密封槽，所述尾椎密封槽内装有尾椎O型圈，用于所述尾椎与所述中心取压柱之间的密封。

4.如权利要求3所述的双差压式稠油单井自动计量系统，其特征在于，所述尾椎包括一端插入所述中心取压柱的细柱体及连接于所述细柱体的另一端的圆锥体，所述尾椎O型圈套于所述细柱体上。

5.一种根据权利要求1-4任一所述的双差压式稠油单井自动计量系统的油水两相流测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、油水两相流流经所述旋流器后，所述径向差压变送器输出在旋流作用下，同一横截面上中心与壁面所产生的径向压差ΔP_r，所述轴向差压变送器输出旋流器前后截面处产生的轴向压差ΔP_z；

步骤2、将所述径向压差ΔP_r和所述轴向压差ΔP_z带入所述径向差压ΔP_r和所述轴向压差ΔP_z与油井产液量Q和含水率β之间的关系式(1)和(2)：

式中a、b、c、d、e、f、g和h为常数，通过实验进行标定得到；ρ_O和ρ_W分别为油和水的密度；

步骤3、假设两相流全部为水时，根据式(3)和(4)计算相同流量下产生的径向差压ΔP_Wr和轴向差压ΔP_Wz：

式中λ_r和λ_z分别为径向差压和轴向差压的流量系数，通过实验进行标定得到；

步骤4、联立式(1)～(4)，求得油井产液量Q和含水率β的值。

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