CN112649054A - 一种油气水三相流实时在线检测系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种油气水三相流实时在线检测系统，涉及油气行业中的油气水三相流量计量技术领域。不仅实现了对油气水三相流量精确、稳定和实时在线的检测，而且具有体积较小、价格低廉、不会对环境和人体造成危害等优点。该在线检测系统包括流体混合模块、高频电容或电导检测模块、差压式流量计模块、数据处理模块和显示模块；流体混合模块的输出端依次连接高频电容或电导检测模块和差压式流量计模块；高频电容或电导检测模块、差压式流量计模块和显示模块均与数据处理模块电连接；数据处理模块能够接收高频电容或电导检测模块和差压式流量计模块采集的信息并进行分析处理得到三相流的计量数据。本申请用于提升三相流计量检测系统的性能。

Description

一种油气水三相流实时在线检测系统

技术领域

本申请涉及油气行业中的油气水三相流量计量技术领域，尤其涉及一种油气水三相流实时在线检测系统。

背景技术

石油和天然气作为支撑国计民生的重要战略资源，其勘探、开采、输送和加工等技术工艺都涉及到多相流量的计量问题，因此能够准确的对多相流进行计量具有十分重要的意义。

目前，油田常用的多相流量计量方法多采用测试井分离器进行油气水三相分离，然后利用单相仪表进行分别计量。这种模式虽然可以保证一定的精度，但由于分离器的体积一般较大、价格也较昂贵，而且分离过程十分耗时，因此，这种方法无法实现每一口油井的实时在线测量。此外，随着大部分陆上油田的开采进入稳产期，人们把更多的目光投向海洋。而寸土寸金的海上平台更是对多相流量计的尺寸提出了更高的要求。

为了解决上述技术问题，现有技术提出了一种采用文丘里管+伽马密度计的组合形式的油气水三相流量计。伽马密度计利用伽马射线在不同密度介质中衰减速率不同这一特点来估算流体的混合密度，该技术方案的缺点是：放射源对环境和人体均有一定的危害性，且其生产、使用多需经过监管部门的批准，导致后期成本较高。

发明内容

本申请的实施例提供一种油气水三相流实时在线检测系统，不仅实现了对油气水三相流量精确、稳定和实时在线的检测，而且具有体积较小、价格低廉、不会对环境和人体造成危害等优点。

为达到上述目的，本申请的实施例提供了一种油气水三相流实时在线检测系统，包括流体混合模块、高频电容或电导检测模块、差压式流量计模块、数据处理模块和显示模块；所述流体混合模块能够将复杂的油气水三相流充分混合均匀得到简单的均相流；所述流体混合模块的输出端依次连接所述高频电容或电导检测模块和所述差压式流量计模块；所述高频电容或电导检测模块、所述差压式流量计模块和所述显示模块均与所述数据处理模块电连接；所述数据处理模块能够接收所述高频电容或电导检测模块和所述差压式流量计模块采集的信息并进行分析处理得到三相流的计量数据，所述显示模块能够将所述三相流的计量数据进行显示。

进一步地，所述高频电容或电导检测模块能够在油连续相下采集电容平均值，或在水连续相下采集电导平均值。

进一步地，所述高频电容或电导检测模块包括两组间隔设置的高频电容或电导检测模块元件，两组所述高频电容或电导检测模块元件的类型相同。

进一步地，所述数据处理模块能够接收两组所述高频电容或电导检测元件分别采集的电容值，并求出两组电容值的平均值，然后根据两组电容值的平均值进行计算得到均相流的平均介电常数，或，所述数据处理模块能够接收两组所述高频电容或电导检测元件分别采集的电导值，并求出两组电导值的平均值，然后根据两组电导值的平均值进行计算得到均相流的平均电导率。

进一步地，所述数据处理模块能够接收两组所述高频电容或电导检测模块元件分别采集的电容时间序列信号或电导时间序列信号，并通过相关性分析计算得到均相流的平均流速和体积流量。

进一步地，所述差压式流量计模块包括差压式流量计、温度传感器和压力传感器，所述压力传感器设置在所述差压式流量计的入口处，所述温度传感器设置在所述差压式流量计的出口处；所述差压式流量计能够采集所述均相流的压差信号，所述压力传感器能够采集所述均相流的压力信号，所述温度传感器能够采集所述均相流的温度信号。

进一步地，所述数据处理模块还能够接收所述差压式流量计输出的均相流的压差信号，并将所述均相流的压差信号与体积流量代入多相流经验模型计算得到所述均相流的平均密度，同时能够根据所述差压式流量计采集到的压力、温度信号和油气水三相流中气相的组分，计算出工况气相密度。

进一步地，所述数据处理模块还能够通过联立均相流的平均密度、平均介电常数和相含率之间的相互关系的线性方程组，求解得到油气水三相各自的流量；或，所述数据处理模块还能够通过联立均相流的平均密度、平均电导率和相含率之间的相互关系的线性方程组，求解得到油气水三相各自的流量。

进一步地，所述流体混合模块为盲端T型管式混合器或管式混合器。

进一步地，所述高频电容或电导检测元件包括ECT和ERT。

本申请相比现有技术具有以下有益效果：

1、本申请通过结构简单、价格低廉的高频电容或电导检测模块和差压式流量计模块采集得到电容或电导的时间序列信号、平均电容或电导信号和差压信号，并通过数据处理模块计算得到油气水三相流均相流的平均密度和平均介电常数或电导率，进而联立求解得到油气水三相各自的流量，是一种非分离、非放射、非侵入的三相流检测系统，相比现有的分离式检测技术，本申请具有可以实时在线检测且检测结果准确、检测效率高的优点；相比现有的文丘里+伽马密度计的组合形式，本申请具有无放射性，不会对环境和人体造成危害，且审批程序简单的优点；相比现有的侵入式流量检测系统，本申请不会影响油田的稳定运行。

2、本申请利用了气的密度远低于油和水，而水的介电常数或电导率远高于气和油这一特点，尽可能直接地求得了体积含气率GVF和体积含水率WVF，避免了误差间的相互耦合，提高了检测精度。

3、本申请中的高频电容或电导检测模块能够在油连续相下测量电容，在水连续相下测量电导，避免了测量设备容易失效的问题。

4、本申请中的流体混合模块能够将油气水三相流充分混合均匀，从而将复杂的多相流转换为简单的均相流，提高设备的适用性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请一个实施例油气水三相流实时在线检测系统的结构示意图；

图2为本申请另一个实施例油气水三相流实时在线检测系统的结构示意图；

图3为本申请实施例油气水三相流实时在线检测系统的计算流程示意图；

图4为互相关算法中两组电容时间序列信号示意图；

图5为互相关算法中根据计算结果求解平均流速和体积流量的原理图；

图6为本申请实施例油气水三相流实时在线检测系统的工作原理示意图。

图中，1-流体混合模块，2-高频电容或电导检测模块，3-差压式流量计模块，4-数据处理模块，5-显示模块。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

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一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

由于基于非分离、非放射、非侵入技术的油气水三相流实时在线检测系统具有技术门槛高、开发投入大等特点，因此，目前国外公开声称掌握该技术的厂家仅有少数几家公司。

参照图1至图3，本申请实施例提供了一种油气水三相流实时在线检测系统，该系统包括流体混合模块1、高频电容或电导检测模块2、差压式流量计模块3、数据处理模块4和显示模块5。其中，流体混合模块1的输出端依次连接高频电容或电导检测模块2和差压式流量计模块3；高频电容或电导检测模块2、差压式流量计模块3和显示模块5均与数据处理模块4电连接；流体混合模块1能够将复杂的油气水三相流充分混合均匀得到简单的均相流，数据处理模块4能够接收高频电容或电导检测模块2和差压式流量计模块3采集的信息并进行分析处理得到三相流的计量数据，显示模块5能够将三相流的计量数据进行显示。

流体混合模块1有多种可以实现的实施方式，参照图1，在一些实施例中，流体混合模块1采用的流体混合装置为盲端T型管式混合器，利用油气水三相流在盲端T型管式混合器中的折转来使其充分混合，将具有相间滑差的三相流转化为均相流。参照图2，在另一些实施例中，流体混合模块1采用的流体混合装置为管式混合器，当然也可以采用其它原理的装置对三相流进行充分混合，从而提高设备的适用性，此处不做限制。

参照图1和图2，高频电容或电导检测模块2包括两组完全相同的、相隔一定距离的高频电容或电导检测元件21，且两组检测元件采集得到的电容或电导信号在时间序列上形状类似，但存在一定的时间迁移，具体的，高频电容或电导检测元件21可以包括ECT和ERT。数据处理模块4能够接收两组高频电容或电导检测元件21分别采集的电容时间序列信号或电导时间序列信号，并通过相关性分析计算得到均相流的平均流速和体积流量。

参照图1、图4和图5，在多相流领域中，互相关法是计算流速的常用方法之一，其基本原理如下：在流体的上、下游分别放置相同类型的传感器(如ECT、超声、电导探针等)，分别记作第一传感器和第二传感器(即本申请实施例中的两组高频电容或电导检测元件21)，二者的间距为L，只要L足够小，那么当流体流过第一传感器之后，经过一定时延τ_max，流体会以相同的结构流过第二传感器，因而两个传感器测得的信号S₁(t)和S₂(t)具有很强的相关性。互相关函数的计算公式如公式(1)所示：

其中，τ表示时延，T表示做互相关计算的时间长度。对于离散的时间序列来说，公式(1)可以改写为公式(2):

其中，Δ表示采样间隔，j表示时延对应的采样间隔数目，N表示用于互相关计算的数据量。当τ＝τ_max或者jΔt＝τ_max时，互相关函数达到最大值，据此可以计算得到时延τ_max。τ_max是对流体信号从上游传感器传播到下游传感器所用时间的估计，因此流体信号的传播速度u_c(称为相关速度)便可以由公式(3)来求得:

u_c＝L/τ_max 公式(3)

在得到流体信号的传播速度u_c之后，乘以管道的流通面积A_c即可得到三相流总体积流量的估计值，即

需要注意该方法给出的体积流量估计值

和真实的体积流量标签Q_V之间可能存在一定的系统误差，因此在实际使用过程中需要对

进行一定的修正。

高频电容或电导检测元件21能够在油连续相下测量电容，在水连续相下测量电导，从而避免了测量设备失效的问题。采集得到的电容或电导平均值可通过数据处理模块4计算得到多相流的平均介电常数或电导率。

具体的，对于传统的ECT系统，在正向问题中，被测电极对之间电容和电极对之间的介电常数分布的关系可以用公式(4)表示：

其中Q和V分别表示电极之间的总电荷和电势差，ε(x，y)是空间上不同位置介电常数的大小，φ(x，y)是电势分布，▽是梯度算子，Γ是电极表面。公式(4)可以线性化为公式(5)，测量电容值的变化量ΔC与介电常数分布的变化量Δε之间的线性关系可以视为离散形式的正问题：

ΔC＝JΔε 公式(5)

J是雅可比矩阵，也称为敏感场矩阵；定义为ECT传感器内部某一个像素位置的介电常数ε(x，y)变化引起的所有电容值变化，敏感场矩阵中元素的值越大，则表明该元素所在位置的介质变化对电容的影响就越大。

在ECT技术的应用中，通过ECT的逆问题求解是通过测量装置可以获得ΔC来得到介电常数分布。由于计算出的介电常数分布通常以图像方式呈现，逆问题的解决过程也通常认为是图像重建的过程。

解决ECT逆问题的算法包括非迭代和迭代算法。非迭代算法包括线性反投影算法，吉洪诺夫正则化等。迭代算法包括牛顿-拉弗森方法,代数重建技术等。

本申请实施例中，差压式流量计模块3包括差压式流量计、温度传感器和压力传感器，其中，差压式流量计为文丘里管，温度传感器和压力传感器依次设置在差压式流量计的出口和入口处。数据处理模块4能够根据差压式流量计采集到的差压信号和之前计算得到的体积流量，按照预设的多相流经验模型计算出均相流的平均密度，同时能够根据差压式流量计采集到的压力、温度信号和油气水三相流中气相的组分，按照国家相关标准计算出工况气相密度ρ_g。

当流体流经差压式流量计时，流量计测量的差压Δp_tp和总体积流量Q_V之间成正比。因此，差压式流量计(如经典文丘里管)可以用来测量油气水三相流的总体积流量。例如，当油气水三相流充分均匀混合时，经典文丘里管的总体积流量Q_V可以根据连续流体的质量守恒方程和动量守恒方程，按照公式(6)进行计算：

式中，A为管道喉部的流通面积，β为文丘里喉部直径与入口处直径的比值，β＝d/D，C_d为流出系数，ε为膨胀系数，C_d和ε均可通过查表得出。Δp_tp为充分混合时油气水三相流所产生的差压，ρ_m为油气水三相流的平均密度。在公式(6)中ρ_m是未知量，因此公式(6)无法直接求解，但由于Q_V可以通过公式(6)求得，因此，混合流体的平均密度可以根据下式反算得到：

值得注意的是，由于油气水三相流之间可能混合的不均匀，混合密度的预测值

和标签值ρ_m之间可能存在一定的系统误差，因此可能需要通过一定的修正系数或经验关联式进行修正。

数据处理模块4还能够接收差压式流量计模块3输出的均相流的平均密度，并通过联立均相流的平均密度、平均介电常数和相含率之间的相互关系的线性方程组，求解得到油气水三相各自的流量；或，数据处理模块4通过联立均相流的平均密度、平均电导率和相含率之间的相互关系的线性方程组，求解得到油气水三相各自的流量。

具体的，参照图6，以油相为连续相的流动联立方程式(8)、(10)和(11)，以水相为连续相的流动联立方程式(9)、(10)和(11)。

均相流的介电常数ε_mix＝f(αε_gas，βε_water，γε_oil) 方程式(8)

均相流的电导率δ_mix＝f(αδ_gas，βδ_water，γδ_oil) 方程式(9)

均相流的平均密度ρ_mix＝f(αρ_gas，βρ_water，γρ_oil) 方程式(10)

α+β+γ＝1 方程式(11)

其中，ε_gas为气相的介电常数；ε_water为液相的介电常数；ε_oil为油相的介电常数；δ_gas为气相的电导率；δ_water为液相的电导率；δ_oil为油相的电导率；ρ_gas为气相的密度；ρ_water为液相的密度；ρ_oil为油相的密度；α为含气率；β为含水率；γ为含油率。

本申请实施例能够在油连续相下测量电容，在水连续相下测量电导，避免了测量设备失效的问题，同时利用了气的密度远低于油和水，而水的介电常数/电导率远高于气和油这些特点，尽可能直接地求得了体积含气率GVF和体积含水率WVF，避免了误差间的相互耦合。

以上，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何在本申请揭露的技术范围内的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种油气水三相流实时在线检测系统，其特征在于，

包括流体混合模块、高频电容或电导检测模块、差压式流量计模块、数据处理模块和显示模块；

所述流体混合模块能够将复杂的油气水三相流充分混合均匀得到简单的均相流；所述流体混合模块的输出端依次连接所述高频电容或电导检测模块和所述差压式流量计模块；

所述高频电容或电导检测模块、所述差压式流量计模块和所述显示模块均与所述数据处理模块电连接；

所述数据处理模块能够接收所述高频电容或电导检测模块和所述差压式流量计模块采集的信息并进行分析处理得到三相流的计量数据，所述显示模块能够将所述三相流的计量数据进行显示。

2.根据权利要求1所述的油气水三相流实时在线检测系统，其特征在于，所述高频电容或电导检测模块能够在油连续相下采集电容平均值，或在水连续相下采集电导平均值。

3.根据权利要求2所述的油气水三相流实时在线检测系统，其特征在于，所述高频电容或电导检测模块包括两组间隔设置的高频电容或电导检测模块元件，两组所述高频电容或电导检测模块元件的类型相同。

4.根据权利要求3所述的油气水三相流实时在线检测系统，其特征在于，所述数据处理模块能够接收两组所述高频电容或电导检测元件分别采集的电容值，并求出两组电容值的平均值，然后根据两组电容值的平均值进行计算得到均相流的平均介电常数，或，

所述数据处理模块能够接收两组所述高频电容或电导检测元件分别采集的电导值，并求出两组电导值的平均值，然后根据两组电导值的平均值进行计算得到均相流的平均电导率。

5.根据权利要求4所述的油气水三相流实时在线检测系统，其特征在于，所述数据处理模块能够接收两组所述高频电容或电导检测模块元件分别采集的电容时间序列信号或电导时间序列信号，并通过相关性分析计算得到均相流的平均流速和体积流量。

6.根据权利要求5所述的油气水三相流实时在线检测系统，其特征在于，所述差压式流量计模块包括差压式流量计、温度传感器和压力传感器，所述压力传感器设置在所述差压式流量计的入口处，所述温度传感器设置在所述差压式流量计的出口处；所述差压式流量计能够采集所述均相流的压差信号，所述压力传感器能够采集所述均相流的压力信号，所述温度传感器能够采集所述均相流的温度信号。

7.根据权利要求6所述的油气水三相流实时在线检测系统，其特征在于，所述数据处理模块还能够接收所述差压式流量计输出的均相流的压差信号，并将所述均相流的压差信号与体积流量代入多相流经验模型计算得到所述均相流的平均密度，同时能够根据所述差压式流量计采集到的压力、温度信号和油气水三相流中气相的组分，计算出工况气相密度。

8.根据权利要求7所述的油气水三相流实时在线检测系统，其特征在于，所述数据处理模块还能够通过联立均相流的平均密度、平均介电常数和相含率之间的相互关系的线性方程组，求解得到油气水三相各自的流量；或，

所述数据处理模块还能够通过联立均相流的平均密度、平均电导率和相含率之间的相互关系的线性方程组，求解得到油气水三相各自的流量。

9.根据权利要求1所述的油气水三相流实时在线检测系统，其特征在于，所述流体混合模块为盲端T型管式混合器或管式混合器。

10.根据权利要求1所述的油气水三相流实时在线检测系统，其特征在于，所述高频电容或电导检测元件包括ECT和ERT。

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