CN112414788A - 一种含水测试分流取样装置及全量程多相流计量体系 - Google Patents

一种含水测试分流取样装置及全量程多相流计量体系 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种含水测试分流取样装置，包括水平设置的进样管，该进样管的下游段分别连接有主测量管和分样测量管；主测量管的下端与进样管接通，主测量管的尾端端口连接有分样测量管，分样测量管的末端回流至主测量管；同时公开了一种多相流计量体系，包括以上装置，同时在分样测量管上安装有含水仪。采用本发明的显著效果是，在三相流具有高含气率的情况下，能将所有的液相(水相和油相)分离进入了分样测量管，从而保证从分样测量管测得的含水率非常接近于真实含水率，且气、水、油三相在分样测量管内具有较为清晰的分界，为更准确的测定含水率提供了便利。

Description

一种含水测试分流取样装置及全量程多相流计量体系
技术领域
本发明涉及石油采集领域，具体涉及石油采集过程中的流量计量系统。
背景技术
油气水三相流动现象广泛存在于石油天然气工业中，在石油开采过程中，天然气和地层水常与原油同时采出。这些油气水混合物在井筒和集输管道中的流动过程一般都属于油气水三相流动。为确定各油井和天然气产量或观测地层中油、气、水含量的变化，需要在线测量管线中油、气、水三相流的流量、速度压力降和截面相分率等重要参数。如何对多相流进行有效的监测一直以来都是学界的一个难题。
多相流量计作为传统测试分离器的替代产品在当今油气田开采中扮演着越来越重要的角色。通过在线不分离计量，可实现对油气藏或单井的连续测量，对油气井全生命周期进行实时动态监控和管理、及时修正油气井开采方案、诊断油气井状态、提高油气田采出率，实现高效稳产、延长气井寿命、科学评估油藏勘探与开采水平，提高油气田管理水平具有重要现实意义。多相流量计的功能就是在不分离的情况下，依赖一些流体参数的测量以给出三相流的每一种流体流量：油、水、气。其基本原理是通过确定每一种组分的瞬时速度和截面占有率，从而确定每一组分的量。因此实现多相测量的关键是测量相分率和瞬时流量。
多相流量计的测量精度受到含气率(油气水三相中气相的百分占比)的影响。一般地，随着含气率的升高，多相流量计的含水率(油水两相中水相的百分占比)测量误差逐渐增大，达到一定阈值后，随着含气率的升高，含水率测量误差会显著增大，这种现象在多相流计量领域称为漏斗效应。漏斗效应的存在决定了多相流量计只能在一定的含气率范围内才能保证测量精度。
发明内容
本发明目的之一在于提供一种含水测试分流取样装置，其能将气相和液相(水相和油相)进行有效分离，便于在高含气率时对含水率进行准确测量。
本发明目的之二在于提供一种在广泛的含气率范围内均能进行准确测量的多相流计量体系，其具有分流取样含水测试装置，能在高含气率时对含水率进行准确测量。
为实现本发明目的之一，采用的技术方案如下：
一种含水测试分流取样装置，包括水平设置的进样管，该进样管的下游段分别连接有主测量管和分样测量管；
所述主测量管竖向设置，所述主测量管的下端穿过所述进样管的管壁并与之接通，所述主测量管与所述进样管相垂直，所述主测量管的内径与所述进样管的内径相等；
所述主测量管的尾端端口连接有过渡管，该过渡管呈圆台状，所述过渡管的大口端与所述主测量管的尾端端口连接，所述过渡管的小口端与所述分样测量管连接；
所述分样测量管为“U”型管，其一端与所述过渡管的小口端连接，另一端穿过所述主测量管的管壁并与之接通，所述进样管的内径为所述分样测量管的内径的两倍。
所述分样测量管包括一个水平段、一个竖向段和两个弯管段，所述水平段与所述进样管平行，所述竖向段与所述主测量管平行；
一个所述弯管段的一端与所述过渡管的小口端连接，其另一端与所述竖向段的下端连接；
另一个所述弯管段的一端与所述竖向段的上端连接，其另一端与所述水平段的一端连接，所述水平段的另一端穿过所述主测量管的管壁并与之接通。
为实现本发明目的之二，采用的技术方案如下：
一种具有分流取样含水测试装置的全量程多相流计量体系，包括以上含水测试分流取样装置，在所述竖向段上安装有含水仪，该含水仪包括射线发生器和射线探测器，所述射线发生器发出的射线穿过所述竖向段后被所述射线探测器接收，所述射线发生器的发射端和所述射线探测器的接收端的连线与所述进样管的管心线相平行。
附图说明
图1为实施例1的结构示意图；
图2为分流取样装置①的CFD模拟结果的灰度图；
图3为实施例2的结构示意图；
图4为分流取样装置②的CFD模拟结果的灰度图；
图5为实施例3的结构示意图；
图6为分流取样装置③的CFD模拟结果的灰度图；
图7为实施例5的结构示意图；
图8为含水仪5在分样测量管3上的安装结构示意图。
具体实施方式
以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明。
实施例1：
如图1所示，一种含水测试分流取样装置，包括水平设置的进样管1，该进样管1的下游段分别连接有主测量管2和分样测量管3；
所述主测量管2竖向设置，所述主测量管2的下端穿过所述进样管1的管壁并与之接通，所述主测量管2与所述进样管1相垂直，所述主测量管2的内径与所述进样管1的内径相等；
所述主测量管2的尾端端口连接有过渡管4，该过渡管4呈圆台状，所述过渡管4的大口端与所述主测量管2的尾端端口连接，所述过渡管4的小口端与所述分样测量管3连接；
所述分样测量管3为“U”型管，其一端与所述过渡管4的小口端连接，另一端穿过所述主测量管2的管壁并与之接通，所述进样管1的内径为所述分样测量管3的内径的两倍。
所述分样测量管3包括一个水平段31、一个竖向段32和两个弯管段33，所述水平段31与所述进样管1平行，所述竖向段32与所述主测量管2平行；
一个所述弯管段33的一端与所述过渡管4的小口端连接，其另一端与所述竖向段32的下端连接；
另一个所述弯管段33的一端与所述竖向段32的上端连接，其另一端与所述水平段31的一端连接，所述水平段31的另一端穿过所述主测量管2的管壁并与之接通。
所述弯管段33的弯曲半径为其管道内径的两倍，所述弯管段33为90°弯管；
所述竖向段32的长度为其内径的两倍。
采用以上结构，由于流体中气相和液相(水相、油相)密度不同，大部分气体由于密度小而通过主测量管2流走，而由于离心力的作用将绝大部分的(几乎全部的)液相甩离至分样测量管3，分样测量管3中的含气率降低，为在分样测量管3中进行含水率的测量提供的便利。
为提高液相在分样测量管3中的流动均匀性，进一步有：
所述进样管1和所述主测量管2的内径均为50mm，所述分样测量管3的内径为25mm，所述过渡管4的大口端内径为50mm，所述过渡管4的小口端内径为25mm，所述过渡管4的轴向长度为50mm，所述弯管段33的弯曲半径为50mm，所述竖向段32的长度为50mm，所述主测量管2的管心线与所述进样管1尾端端口的水平距离为100～120mm；
该实施例得到分流取样装置①。
实施例2：
如图3所示，将实施例1的分流取样装置①仅进行如下改动：使所述竖向段32的长度为0，并相应调整所述水平段31与所述主测量管2的连接位置，得到分流取样装置②。
实施例3：
如图5所示，将实施例2的分流取样装置②仅进行如下改动：使所述过渡管4长度为0，并相应调整所述水平段31的长度，得到分流取样装置③。
实施例4：
在同一设定仿真条件(仿真GVF＝95％，仿真WLR＝50％，仿真流速v＝25m/s)下对实施例1、2、3的分流取样装置①、②、③分别进行CFD仿真模拟分析；其结果(灰度图)分别如图2、4、6所示。
在原图中，图2、4、6左上角的色带最上方为红色(气相)、中间部分为绿色(水相)、最下方为蓝色(油相)。
图2对应的原图中，在主测量管2下部全部呈现出红色(转换为灰度图后，显示为深色)；在图2的分样测量管3部分，靠近主测量管2的部分呈现出连续红色(转换为灰度图后，显示为深色)，远离主测量管2的部分呈现出连续蓝色(转换为灰度图后，显示为较浅色)，中间部分呈现出连续绿色(转换为灰度图后，显示为最浅色)。可以看出，几乎所有的液相(水相和油相)均进入了分样测量管3，从而保证从分样测量管3测得的含水率非常接近于真实含水率，且气、水、油三相在分样测量管3内具有较为清晰的分界，为更准确的测定含水率提供了便利。
图4对应的原图中，在主测量管2下部呈现出大面积红色(转换为灰度图后，显示为深色)，但在主测量管2下部靠近分样测量管3的管壁出呈现绿色(转换为灰度图后，显示为最浅色)；在分样测量管3部分，靠近主测量管2的部分呈现出连续蓝色(转换为灰度图后，显示为较浅色)，其于部分无色。可以看出，仅有油相被分离至分样测量管3内，无法在分样测量管3内测定含水率。
图6的对应的原图中，在主测量管2下部呈现出大面积红色(转换为灰度图后，显示为深色)，但在主测量管2下部靠近分样测量管3的管壁出呈现蓝色和绿色(转换为灰度图后，显示为较浅色和最浅色)；在分样测量管3部分无色。可以看出，液相无法被分离至分样测量管3内，无法在分样测量管3内测定含水率。
实施例5：
如图4所示，一种具有分流取样含水测试装置的全量程多相流计量体系，包括实施例1中的含水测试分流取样装置，在其中的所述竖向段32上安装有含水仪5，该含水仪5包括射线发生器51和射线探测器52，所述射线发生器51发出的射线穿过所述竖向段32后被所述射线探测器52接收，所述射线发生器51的发射端和所述射线探测器52的接收端的连线与所述进样管1的管心线相平行。所述主测量管2上安装有多相流量计6，该多相流量计6位于所述水平段31与所述主测量管2汇入点的下游。本发明中的含水仪5和多相流量计6在现有技术中多有记载，其具体结构、安装方式、以及所能测得的数据均为公知技术，在此不做赘述。
实施例6：一种多相流含水率测定方法，包括实施例5中的计量体系，将待测多相流接入所述进样管1的入口端；
由所述多相流量计6测得第一含气率为GVF1、第一含水率为WLR1；
由所述含水仪5测得第二含气率为GVF2、第二含水率为WLR2；
所述待测多相流的含水率为GVF，含水率为WLR；
当GVF1≤90％时，GVF＝GVF1，WLR＝WLR1；
当GVF1＞90％时，GVF＝GVF1，WLR＝WLR2。
为了对待测多相流的含水率为GVF进行更为准确的计算，当GVF1＞90％时，将WLR2按照式1进行修正，得到第二修正含水率WLR2'，WLR＝WLR2'；
WLR2'＝Sw/Sq (式1)
其中：
Sw为分样测量管(3)被射线穿过的横截面上的水相面积；
Sq为分样测量管(3)被射线穿过的横截面上的液相面积；
具体的：
Sw按照式2进行计算，如下：
Figure BDA0002760582180000071
Sq按照式3进行计算，如下：
Figure BDA0002760582180000072
其中：
R为常数，R＝0.5；
xw为含水仪5测得的水相厚度；
xg为含水仪5测得的气相厚度。
实施例7：
一种多相流流量计量方法，按照实施例6测定多相流的含水率WLR，再按照式4计算待测多相流的总流量Q：
Figure BDA0002760582180000081
其中：
K为常数；
ΔP为多相流量计6测得的压差；
dmix为待测多相流的混合密度；
dmix按照式5计算：
dmix＝λg*dg+λw*dw+λo*do (式5)；
其中：
λg为气相相分率；
λw为水相相分率；
λo为油相相分率；
dg为气相密度；
dw为水相密度；
do为油相密度；
λg+λw+λo＝1；
λg＝GVF；
λw/(λw+λo)＝WLR；
当GVF1≤90％时，λg＝GVF＝GVF1，WLR＝WLR1；
当GVF1＞90％时，λg＝GVF＝GVF1，WLR＝WLR2。
并分别按照式6、式7、式8计算多相流的气流量Qg、水流量Qw、油流量Qo；
Qg＝λg*Q (式6)；
Qw＝λw*Q (式7)；
Qo＝λo*Q (式8)。
实施例8：
配制五组不同含气率的三相混合流作为待测多相流，其真实的实际含气率GVFt和实际含水率WLRt分别为：
组1、GVFt＝83.81％、WLRt＝24.89％；
组2、GVFt＝91.17％、WLRt＝49.25％；
组3、GVFt＝92.65％、WLRt＝79.49％；
组4、GVFt＝94.21％、WLRt＝28.62％；
组5、GVFt＝97.29％、WLRt＝72.21％。
按照实施例6的方法对待测多相流的含水率进行测定，将待测多相流接入所述进样管1的入口端；测算10min内的平均值，如下：
表1、待测多相流的含气率、含水率统计表
Figure BDA0002760582180000091
表1中，标准结果为配制得到的待测多相流中实际的三相含气率GVFt和实际的液相含水率WLRt；
测试结果中，第1组的含水率为由多相流量计6测得第一含水率为WLR1，第2-5组的含水率为由含水仪5测得的第二含水率为WLR2；
修正结果中，第1组的含气率为83.28％，小于90％，故未对其进行修正；第2-5组的含气率均大于90％，对对应的第二含水率WLR2按照式1、式2、式3进行修正，得到第二修正含水率WLR2'；
并且设定有：
WLR误差1`＝WLR1-WLRt；
WLR误差1＝WLR2-WLRt；
WLR误差2＝WLR2`-WLRt。
从表1可以看出，当待测多相流中的含气率过高(大于90％)时，多相流量计6测得的第一含气率GVF1与实际含气率GVFt之间相差不大，通过多相流量计6仍能对含气率进行较为精确的测量。但在含气率过高(大于90％)时，多相流量计6测得的第一含水率WLR1与实际含水率WLRt之间的误差(WLR误差1`)开始变大，已不能对含水率进行较为精确的测量；而此时由含水仪5测得第二含水率WLR2与实际含水率WLRt之间的误差(WLR误差1)相对较小；并且经过修正的第二修正含水率WLR2'与实际含水率WLRt之间的误差(WLR误差2)很小，更趋近于实际含水率WLRt。
根据以上内容可以知道，在对高含气率的三相流进行测量时，采用本发明的有益效果是几乎能将所有的液相(水相和油相)分离进入了分样测量管，从而保证从分样测量管测得的含水率非常接近于真实含水率，且气、水、油三相在分样测量管内具有较为清晰的分界，为更准确的测定含水率提供了便利。
最后需要说明的是，上述描述仅仅为本发明的优选实施例，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不违背本发明宗旨及权利要求的前提下，可以做出多种类似的表示，这样的变换均落入本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种含水测试分流取样装置，其特征在于：包括水平设置的进样管(1)，该进样管(1)的下游段分别连接有主测量管(2)和分样测量管(3)；
所述主测量管(2)竖向设置，所述主测量管(2)的下端穿过所述进样管(1)的管壁并与之接通，所述主测量管(2)与所述进样管(1)相垂直，所述主测量管(2)的内径与所述进样管(1)的内径相等；
所述主测量管(2)的尾端端口连接有过渡管(4)，该过渡管(4)呈圆台状，所述过渡管(4)的大口端与所述主测量管(2)的尾端端口连接，所述过渡管(4)的小口端与所述分样测量管(3)连接；
所述分样测量管(3)为“U”型管，其一端与所述过渡管(4)的小口端连接，另一端穿过所述主测量管(2)的管壁并与之接通，所述进样管(1)的内径为所述分样测量管(3)的内径的两倍。
2.根据权利要求1所述的一种含水测试分流取样装置，其特征在于：所述分样测量管(3)包括一个水平段(31)、一个竖向段(32)和两个弯管段(33)，所述水平段(31)与所述进样管(1)平行，所述竖向段(32)与所述主测量管(2)平行；
一个所述弯管段(33)的一端与所述过渡管(4)的小口端连接，其另一端与所述竖向段(32)的下端连接；
另一个所述弯管段(33)的一端与所述竖向段(32)的上端连接，其另一端与所述水平段(31)的一端连接，所述水平段(31)的另一端穿过所述主测量管(2)的管壁并与之接通。
3.根据权利要求2所述的一种含水测试分流取样装置，其特征在于：所述弯管段(33)的弯曲半径为其管道内径的两倍，所述弯管段(33)为90°弯管；
所述竖向段(32)的长度为其内径的两倍。
4.根据权利要求3述的一种含水测试分流取样装置，其特征在于：所述进样管(1)和所述主测量管(2)的内径均为50mm，所述分样测量管(3)的内径为25mm，所述过渡管(4)的大口端内径为50mm，所述过渡管(4)的小口端内径为25mm，所述过渡管(4)的轴向长度为50mm，所述弯管段(33)的弯曲半径为50mm，所述竖向段(32)的长度为50mm，所述主测量管(2)的管心线与所述进样管(1)尾端端口的水平距离为100～120mm。
5.一种具有分流取样含水测试装置的全量程多相流计量体系，其特征在于：包括权利要求2、3、4所述的任一项含水测试分流取样装置，在所述竖向段(32)上安装有含水仪(5)，该含水仪(5)包括射线发生器(51)和射线探测器(52)，所述射线发生器(51)发出的射线穿过所述竖向段(32)后被所述射线探测器(52)接收，所述射线发生器(51)的发射端和所述射线探测器(52)的接收端的连线与所述进样管(1)的管心线相平行。
6.根据权利要求5所述的一种具有分流取样含水测试装置的全量程多相流计量体系，其特征在于：所述主测量管(2)上安装有多相流量计(6)，该多相流量计(6)位于所述水平段(31)与所述主测量管(2)汇入点的下游。
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Denomination of invention: A split flow sampling device for water content testing and a full range multiphase flow measurement system

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