CN112832739A - 一种用于低渗透气井气液不分离在线计量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于低渗透气井气液不分离在线计量装置及方法，包括表头和流动管，流动管一侧安装有驱动件，流动管两侧安装有信号检测器，表头内装有全数字驱动模块、控制器和数据处理模块，信号检测器、控制器和数据处理模块均与全数字驱动模块电信号连接，驱动件与控制器电信号连接；数据处理模块用于根据全数字驱动模块发送的信号得到混相总质量流量和总密度，并分别得到气相质量流量和液相质量流量。本发明可以实现气液不分离同时计量，且测量精度高。

Description

一种用于低渗透气井气液不分离在线计量装置及方法

技术领域

本发明属于天然气开发采气工艺技术领域，具体涉及一种用于低渗透气井气液不分离在线计量装置及方法。

背景技术

随着气田不断开发，气井产水情况愈发普遍，若气井产水情况不能被及时监测，将直接影响天然气井正常稳定生产，随着地层压力下降，气井液相(水)的逐步增加，产液数据的实时采集为控制产液量上升速度，治理水淹井提供了可靠数据指导。气井两相流在线监测设备就是在天然气井口，液相(水)的数据变化能及时、有效、直观的采集，为采气工艺部门提供连续液相变化资料，以便于采取有效措施，液相数据的采集也是修井上查看气井工况，实施增产措施效果的评价手段，在线实时监测气井的两相流计量非常重要。

传统的测量方法，常采用分离器将各相分离后单独计量，工艺复杂、分离设备庞大，投资成本较高；采用单相气体流量计结合湿气模型进行含液天然气测量，由于含液天然气流动的复杂性以及对流动特性的认识不足，气量测量误差较大，且无法测量含液量。

现有的商业化气液两相流量计，很多带放射源，而且结构复杂，价格太高，在一定程度上制约了其在单井计量上的应用。由于气液混合导致质量在发生变化，传统驱动方式不能快速响应流体的急剧变化从而导致了质量流量计不能稳定工作，测量不准。

目前，长庆苏里格气田井口采用井间串接、井口湿气在线计量工艺，计量设备主要采用智能旋进漩涡流量计，该流量计为单相流量计，无法同时计量单井混合下的气液产量，且在含液情况下，导致单井产气量计量误差较大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于低渗透气井气液不分离在线计量装置，克服现有技术中存在的上述技术问题。

本发明的另一个目的在于提供一种低渗透气井气液不分离在线计量方法，实现气液不分离精确测量。

为此，本发明提供的技术方案如下：

一种用于低渗透气井气液不分离在线计量装置，包括表头和流动管，所述流动管一侧安装有驱动件，所述流动管两侧安装有信号检测器，所述驱动件用于驱动流动管振动，所述信号检测器用于检测流动管振动时的振动参数，所述表头内装有全数字驱动模块、控制器和数据处理模块，所述信号检测器、控制器和数据处理模块均与全数字驱动模块电信号连接，所述驱动件与控制器电信号连接；

所述控制器用于接收到全数字驱动模块的信号后调整驱动件的振动参数，所述数据处理模块用于根据全数字驱动模块发送的信号得到混相总质量流量和总密度，并分别得到气相质量流量和液相质量流量。

所述全数字驱动模块包括相位同步控制模块、频率控制模块、幅度控制模块和幅度可调的正弦信号发生器，所述相位同步控制模块、频率控制模块、幅度控制模块均与幅度可调的正弦信号发生器电信号连接。

所述流动管为两根平行设置的U型管，所述U型管的两端分别连通分流体固定管的两端，所述分流体固定管两端不连通。

所述驱动件为电磁驱动线圈，所述信号检测器为包括相位检测器和振动频率检测器。

还包括压力传感器，所述压力传感器与表头电信号连接，所述压力传感器通过两根取压管分别与分流体固定管两端连接。

所述流动管外有保护套管，所述流动管端部套有频率固定板，所述频率固定板与保护套管下端固定连接。

一种低渗透气井气液不分离在线计量方法，采用用于低渗透气井气液不分离在线计量装置，首先得到气液混相的总质量Q和总密度ρ，然后结合气密度ρ₁、液密度ρ₂，分别得到气相质量流量Q₁和液相质量流量Q₂。

所述气液混相的总质量是通过流量管两侧信号检测器的检测信号相位差得到的，相位差的大小直接正比于流经流量管的质量流量。

气液混相的总密度ρ根据流量管振动频率f得到，

其中，振动频率f通过全数字驱动模块对流量管两侧信号检测器的检测信号处理后得到，同时全数字驱动模块将处理数据传输给控制器，通过控制器调整驱动件的电压改变流动管的振动频率及幅度。

液相质量流量Q₂和气相质量流量Q₁分别通过下式得到：

Q₂＝Q(ρ₁ρ₂-ρρ₂)/(ρ₁ρ-ρ₂ρ)

Q₁＝Q-Q₂

式中，气密度ρ₁和液密度ρ₂通过离线测量得到。

本发明的有益效果是：

本发明提供的这种用于低渗透气井气液不分离在线计量装置，通过全数字驱动模块处理得到测量管和介质的真实振动频率，再由控制器及时调整驱动件的驱动信号频率，保证测量管的稳定振动，提高质量流量计测量混合相总质量和总密度的准确性，再根据气相密度和液相密度，通过数据处理模块分别得到气相质量流量和液相质量流量，实现气液不分离同时计量，且测量精度较高。

下面将结合附图做进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明的一种实施方式结构示意图；

图2是全数字驱动模块的原理框图；

图3是实施例中室内评价平台流程示意图；

图4是本发明用于纯水计量时的误差图；

图5是本发明用于纯气计量时的误差图；

图6是本发明用于气液混合不分离计量时液流量为80L/h的误差图；

图7是本发明用于气液混合不分离计量时液流量为200L/h的误差图；

图8是本发明用于气液混合不分离计量时液流量为1000L/h的误差图；

图9是本发明用于气液混合不分离计量时气流量为200L/h的误差图。

图中：1、流量管；2、分流体固定管；3、驱动件；4、表头；5、频率固定板；6、压力传感器；7、取压管；8、压力传感器孔；9、保护套管；10、表头固定支架；11、水池；12、水泵；13、气源；14、气体流量计；15、阀一；16、阀二；17、压力表；18、阀三；19、被检质量流量计；20、温度传感器；21、阀四；22、阀五；23、排水桶；24、电子秤；25、信号检测器。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

现参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。

除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。

实施例1：

本实施例提供了一种用于低渗透气井气液不分离在线计量装置，包括表头4和流动管，所述流动管一侧安装有驱动件3，所述流动管两侧安装有信号检测器25，所述表头4内装有全数字驱动模块、控制器和数据处理模块，所述信号检测器25、控制器和数据处理模块均与全数字驱动模块电信号连接，所述驱动件3与控制器电信号连接；

所述控制器用于接收到全数字驱动模块的信号后调整驱动件3的振动参数，所述数据处理模块用于根据全数字驱动模块发送的信号得到混相总质量流量和总密度，并分别得到气相质量流量和液相质量流量。

本发明通过全数字驱动模块处理得到测量管和介质的真实振动频率，再由控制器及时调整驱动件3的驱动信号频率，保证测量管的稳定振动，提高质量流量计测量混合相总质量和总密度的准确性，再根据气相密度和液相密度，通过数据处理模块分别得到气相质量流量和液相质量流量，实现气液不分离同时计量。

实施例2：

在实施例1的基础上，本实施例提供了一种用于低渗透气井气液不分离在线计量装置，如图2所示，所述全数字驱动模块包括相位同步控制模块、频率控制模块、幅度控制模块和幅度可调的正弦信号发生器，所述相位同步控制模块、频率控制模块、幅度控制模块均与幅度可调的正弦信号发生器电信号连接。

本发明原理：

在没有流体流经流量管1时，流量管1由驱动件3驱动并均匀振动，流量管1不产生扭曲，两侧信号检测器的检测信号是同相位的；当有流体流经流量管1时，由于液体惯性的作用会使流量管1振动产生扭曲，管道的入口和出口部分在同一时刻分别朝不同的方向振动，从而导致两个检测信号产生相位差，这一相位差的大小直接正比于流经流量管1的质量流量。而流量管1振动的频率只与介质密度有关，因此通过测量振动频率可得到流体密度。

由于气液混合导致质量在发生变化，传统驱动方式不能快速响应流体的急剧变化从而导致了质量流量计不能稳定工作，测量不准。因此，全数字驱动模块根据检测的一系列信号大小通过幅度控制模块、频率控制模块分别调整驱动信号的幅度和频率，保证测量管在气液混合的情况下也能正常振动从而保证准确测量。

全数字驱动模块通过对很短一段时间内的信号进行处理，取流量管1的振动频率、幅度的均值，同时由相位同步控制模块保持相位同步，通过幅度可调的正弦发生器产生调整后的谐振振动，经D/A转化成模拟信号发送给控制模块，控制模块控制驱动件3产生使流量管1按照调整后的振动频率、幅度进行振动，根据流量管1的振动频率及两侧的相位差得到混相的总密度和总质量。

实施例3：

在实施例1的基础上，本实施例提供了一种用于低渗透气井气液不分离在线计量装置，所述流动管为两根平行设置的U型管，所述U型管的两端分别连通分流体固定管2的两端，所述分流体固定管2两端不连通。

与直管相比，U型管测量精度高。

实施例4：

在实施例1的基础上，本实施例提供了一种用于低渗透气井气液不分离在线计量装置，所述驱动件3为电磁驱动线圈，所述信号检测器25为包括相位检测器和振动频率检测器。

当流动管为两根平行设置的U型管时，在没有流体流过流量管1时，电磁驱动线圈驱动刺激流量管1以其固有的共振频率彼此相对运动，两侧相位检测器不产生相位差。当油流体流过流量管1时，由于液体惯性的作用会使流量管1振动产生扭曲，管道的入口和出口部分在同一时刻分别朝不同的方向振动，从而导致两个相位检测器的信号产生相位差，根据相位差得到流体质量。当流体的密度大时，振动频率低，当流体的密度小时，振动频率高，因此通过振动频率检测器检测到的频率可得到流体密度。

实施例5：

在实施例3的基础上，本实施例提供了一种用于低渗透气井气液不分离在线计量装置，还包括压力传感器6，所述压力传感器6与表头4电信号连接，所述压力传感器6通过两根取压管7分别与分流体固定管2两端连接。

由于流量管1两端会有压损，压力传感器6通过取压管7和压力传感器孔8测量两端的压损，可以对流量进行校准。

实施例6：

在实施例3的基础上，本实施例提供了一种用于低渗透气井气液不分离在线计量装置，所述流动管外有保护套管9，所述流动管端部套有频率固定板5，所述频率固定板5与保护套管9下端固定连接。

如图1所示，保护套管9对流动管进行保护，信号检测器安装在保护套管9内壁，频率固定板5用于固定流量管1，表头4安装在表头固定支架10上。分流体固定管2的两端分别连接在管线上。

实施例7：

本实施例提供了一种低渗透气井气液不分离在线计量方法，采用用于低渗透气井气液不分离在线计量装置，首先得到气液混相的总质量Q和总密度ρ，然后结合气密度ρ₁、液密度ρ₂，分别得到气相质量流量Q₁和液相质量流量Q₂。

本方法可以实现气液不分离同时计量。

实施例8：

在实施例7的基础上，本实施例提供了一种低渗透气井气液不分离在线计量方法，所述气液混相的总质量是通过流量管1两侧信号检测器的检测信号相位差得到的，相位差的大小直接正比于流经流量管1的质量流量。

气液混相的总密度ρ根据流量管1振动频率f得到，

其中，振动频率f通过全数字驱动模块对流量管1两侧信号检测器的检测信号处理后得到，同时全数字驱动模块将处理数据传输给控制器，通过控制器调整驱动件的电压改变流动管的振动频率及幅度。

实施例9：

在实施例7的基础上，本实施例提供了一种低渗透气井气液不分离在线计量方法，在测量出总质量和总平均密度的情况下，利用已知的液体密度和气体密度，利用公式Q＝Vρ，可建立平衡方程分别求出总体积量，气量体积，液量体积：

由公式V＝Q/ρ；Q＝Q₁+Q₂；V＝V₁+V₂；ρ₁＝Q₁/V₁；ρ₂＝Q₂/V₂；

可得：V＝Q₁/ρ₁+Q₂/ρ₂＝Q/ρ

所以：(Q-Q₂)/ρ₁+Q₂/ρ₂＝Q/ρ

求解可得：

Q₂＝Q(ρ₁ρ₂-ρρ₂)/(ρ₁ρ-ρ₂ρ) (1)

Q₁＝Q-Q₂ (2)

式中，Q为总质量，ρ为总密度，ρ₁为气密度，ρ₂为液密度，Q₁为气相质量流量和Q₂为液相质量流量。

实施例10：

为了验证本发明气液不分离在线计量装置的测量精度，本实施例搭建了室内模拟平台，如图3所示，水池11、水泵12和阀一15通过管线依次连接，气源13、气体流量计14和阀二16通过管线依次连接，阀一15和阀二16均与阀三18进口连通，阀三18出口通过管线依次连通本发明气液不分离在线计量装置(即被检质量流量计19)、阀四21和水桶，被检质量流量计19与阀四21之间管线上装有温度传感器20，阀一15与阀三18之间的管线上有压力表17，排水桶23放在电子秤24上，排水桶23与水池11之间通过管线连通，该管线上有阀五22。

1、纯水测量

室内试验工况：温度：室温，压力：0-1.2MPa，液流量范围：0.2-96m³/d。

测试过程：关闭阀二16，打开水泵12、阀一15、阀三18和阀四21，水池11内的水经水泵12进入被检质量流量计19得到质量流量q₁，同时，水在测量时间段(水充满管线进入水桶后开始测量)内进入水桶，通过电子秤24显示水桶中流入水的质量，该质量除以时间得到质量流量q₂，将q₁与q₂进行比较；重复上述过程多次，误差结果见图4所示。

实验结果表明，本发明测量纯水的误差在±3％之内。

2、纯气测量

室内试验工况：温度：室温，压力：0-1.2MPa，气流量范围：0.3-1.0×10⁴m³/d。

测试过程：关闭阀一15，打开气源13、阀二16、阀三18和阀四21，气体由气源13依次进入气体流量计14、被检质量流量计19，分别得到质量流量q₃与q₄，将两者进行比较；重复上述过程多次，误差结果见图5所示。实验结果表明，本发明测量纯气的误差在±3.2％之内。

3、混合水气测试

室内试验工况：温度：室温，压力：0～1.2MPa，液流量范围：0.2-96m³/d，气量范围：0.3-1.0×10⁴m³/d。

测试过程：打开水泵12、气源13、阀一15、阀二16、阀三18和阀四21，水池11内的水和气源13的气混合后(水汽混合比例见表1)经过阀三18进入被检质量流量计19，分别得到气相质量流量q₅和液相质量流量q₆，同时，气体流量计14测量得到气相质量流量q₇，通过电子秤24在测量时间段的质量与时间的比值得到液相质量流量q₈，分别比较q₅与q₇，q₆与q₈，重复上述过程多次，误差结果见图6-9所示。

表1水汽混合比例

由实验结果可知，液相计量误差不超过11％，气相计量误差不超过4％。

通过室内评价，误差符合精度要求。

以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于低渗透气井气液不分离在线计量装置，其特征在于：包括表头和流动管，所述流动管一侧安装有驱动件，所述流动管两侧安装有信号检测器，所述驱动件用于驱动流动管振动，所述信号检测器用于检测流动管振动时的振动参数，所述表头内装有全数字驱动模块、控制器和数据处理模块，所述信号检测器、控制器和数据处理模块均与全数字驱动模块电信号连接，所述驱动件与控制器电信号连接；

所述控制器用于接收到全数字驱动模块的信号后调整驱动件的振动参数，所述数据处理模块用于根据全数字驱动模块发送的信号得到混相总质量流量和总密度，并分别得到气相质量流量和液相质量流量。

2.根据权利要求1所述的一种用于低渗透气井气液不分离在线计量装置，其特征在于：所述全数字驱动模块包括相位同步控制模块、频率控制模块、幅度控制模块和幅度可调的正弦信号发生器，所述相位同步控制模块、频率控制模块、幅度控制模块均与幅度可调的正弦信号发生器电信号连接。

3.根据权利要求1所述的一种用于低渗透气井气液不分离在线计量装置，其特征在于：所述流动管为两根平行设置的U型管，所述U型管的两端分别连通分流体固定管的两端，所述分流体固定管两端不连通。

4.根据权利要求1所述的一种用于低渗透气井气液不分离在线计量装置，其特征在于：所述驱动件为电磁驱动线圈，所述信号检测器为包括相位检测器和振动频率检测器。

5.根据权利要求3所述的一种用于低渗透气井气液不分离在线计量装置，其特征在于：还包括压力传感器，所述压力传感器与表头电信号连接，所述压力传感器通过两根取压管分别与分流体固定管两端连接。

6.根据权利要求3所述的一种用于低渗透气井气液不分离在线计量装置，其特征在于：所述流动管外有保护套管，所述流动管端部套有频率固定板，所述频率固定板与保护套管下端固定连接。

7.一种低渗透气井气液不分离在线计量方法，采用权利要求2所述的用于低渗透气井气液不分离在线计量装置，其特征在于：首先得到气液混相的总质量Q和总密度ρ，然后结合气密度ρ₁、液密度ρ₂，分别得到气相质量流量Q₁和液相质量流量Q₂。

8.根据权利要求7所述的一种低渗透气井气液不分离在线计量方法，其特征在于：所述气液混相的总质量是通过流量管两侧信号检测器的检测信号相位差得到的，相位差的大小直接正比于流经流量管的质量流量。

9.根据权利要求7所述的一种低渗透气井气液不分离在线计量方法，其特征在于：气液混相的总密度ρ根据流量管振动频率f得到，

其中，振动频率f通过全数字驱动模块对流量管两侧信号检测器的检测信号处理后得到，同时全数字驱动模块将处理数据传输给控制器，通过控制器调整驱动件的电压改变流动管的振动频率及幅度。

10.根据权利要求7所述的一种低渗透气井气液不分离在线计量方法，其特征在于：液相质量流量Q₂和气相质量流量Q₁分别通过下式得到：

Q₂＝Q(ρ₁ρ₂-ρρ₂)/(ρ₁ρ-ρ₂ρ)

Q₁＝Q-Q₂

式中，气密度ρ₁和液密度ρ₂通过离线测量得到。

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