CN113389540A - 一种多相流流体测量系统 - Google Patents

Abstract

本申请属于流量测量技术领域，特别是涉及一种多相流流体测量系统。现有的油气水三相流量计，对环境和人体均有一定的危害性，后期成本较高。本申请提供了一种多相流流体测量系统，包括流量计模块、含水率模块和数据采集处理模块，其中所述流量计模块与所述含水率模块连接，所述流量计模块与所述数据采集处理模块连接，所述含水率模块与所述数据采集处理模块连接；所述流量计模块，用于测量流体的虚高流量；所述含水率模块，用于测量水的相含率；所述数据采集处理模块，用于采集数据后计算得到各相流量。对传感器进行模块化设计，方便针对不同计量需求对传感器位置进行调整，能够为不同工况的油、气井提供快速、稳定、可靠的计量检测结果。

Description

一种多相流流体测量系统

技术领域

本申请属于流量测量技术领域，特别是涉及一种多相流流体测量系统。

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。

现有的采用文丘里管和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

1.要解决的技术问题

基于现有的采用文丘里管和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。针对上述问题，本申请提供了一种多相流流体测量系统。

2.技术方案

为了达到上述的目的，本申请提供了一种多相流流体测量系统，包括流量计模块、含水率模块和数据采集处理模块，所述流量计模块与所述含水率模块连接，所述流量计模块与所述数据采集处理模块连接，所述含水率模块与所述数据采集处理模块连接；所述流量计模块，用于测量流体的虚高流量；所述含水率模块，用于测量水的相含率；所述数据采集处理模块，用于采集数据后计算得到各相流量。

本申请提供的另一种实施方式为：所述流量计模块为差压式流量计模块，所述差压式流量计模块包括文丘里管，所述文丘里管上设置有差压传感器、压力传感器和温度传感器，所述差压传感器与所述数据采集处理模块连接，所述压力传感器与所述数据采集处理模块连接，所述温度传感器与所述数据采集处理模块连接。

本申请提供的另一种实施方式为：所述文丘里管包括依次连接的上游管路、收缩段、喉部、扩张段和下游管路，所述差压传感器设置于所述收缩段入口处与所述喉部之间，所述压力传感器设置于所述上游管路，所述温度传感器设置于所述下游管路。

本申请提供的另一种实施方式为：所述含水率模块设置于下游管路内或者所述喉部内。

本申请提供的另一种实施方式为：所述含水率模块为总路微波含水率模块，所述总路微波含水率模块包括若干微波传感器，每个所述微波传感器空间位置方向和角度不同，所述总路微波含水率模块利用微波相位的平均值来测定水在三相中的相含率。

本申请提供的另一种实施方式为：所述微波传感器包括传输线、密封圈和绝缘介质，所述传输线设置于所述密封圈内，所述密封圈设置于所述绝缘介质内，所述绝缘介质设置于管体内。

本申请提供的另一种实施方式为：所述传输线间隔布置或者交错布置。

本申请提供的另一种实施方式为：还包括集液器模块和液路微波含水率模块，所述含水率模块、所述集液器模块和所述液路微波含水率模块依次连接，所述液路微波含水率模块利用微波相位的最大值来测定水在液相中的含水率。

本申请提供的另一种实施方式为：所述集液器模块为旋风分离器结构或者盲T型混流器结构。

本申请提供的另一种实施方式为：还包括显示模块，所述显示模块与所述数据采集处理模块连接，所述显示模块，用于显示输出所述数据采集处理模块的流量计算结果。

3.有益效果

与现有技术相比，本申请提供的多相流流体测量系统的有益效果在于：

本申请提供的多相流流体测量系统，为一种基于微波传输线技术的多相流流体测量系统，可用来测量油气生产过程中高含气采气井中的气、液两相流量，也可以用来测量一般采油井、采气井中油气水三相各自的流量。

本申请提供的多相流流体测量系统，对传感器进行模块化设计，方便针对不同计量需求对传感器位置进行调整，能够为不同工况的油、气井提供快速、稳定、可靠的计量检测结果。

本申请提供的多相流流体测量系统，涉及油气行业中的油气水三相流量计量领域，尤其涉及一种基于微波传输线技术的油气水三相流实时在线检测系统。

本申请提供的多相流流体测量系统，对传感器进行模块化设计，方便针对不同计量需求对传感器位置进行调整，从而为不同工况的油井提供快速、稳定、可靠的计量检测结果。

本申请提供的多相流流体测量系统，为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。

本申请提供的多相流流体测量系统，通过结构简单、价格低廉的差压式流量计模块和总路微波含水率模块采集得到文丘里差压信号和微波幅值、相位信号，并通过数据采集处理模块计算得到湿气的气、液两相流量。此外还可以通过加装集液器模块和液路微波含水率模块，计算得到液中含水率WLR，并通过结合总路微波含水率模块测量得到的体积含水率WVF，计算得到三相流的体积含液率LVF，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。

本申请提供的多相流流体测量系统，利用了水的介电常数远高于气和油这一特点，尽可能直接地拟合得到了体积含水率WVF、液中含水率WLR和体积含液率LVF等关键参数，避免了误差间的相互耦合，提高了检测精度。

本申请提供的多相流流体测量系统，能够将油气水三相流中的液相进行部分分离，从而将复杂的油气水三相流转换为简单的油水两相流进行处理，从而获得液中含水率WLR等关键信息，并将设备的适用范围从湿气拓展为油气水三相流。

附图说明

图1为本申请的湿气两相流实时在线检测系统的结构示意图；

图2为本申请的含水率模块结构示意图；

图3为本申请含水率模块第二结构示意图；

图4为本申请含水率模块工作原理示意图；

图5为本申请含水率模块的体积含水率WVF拟合效果示意图；

图6为本申请流量计模块的气相虚高系数φ_g拟合效果示意图；

图7为本申请湿气两相流实时在线检测系统的气、液流量预测效果示意图；

图8为本申请湿气两相流实时在线检测系统第二结构示意图；

图9为本申请油气水三相流实时在线检测系统结构示意图；

图10为本申请含水率模块的液中含水率WLR拟合效果示意图；

图11为本申流量计模块的气相虚高系数φ_g拟合第二效果示意图；

图12为本申请数据采集与处理模块的体积含液率LVF拟合效果示意图；

图13为本申请油气水三相流实时在线检测系统的气、液流量预测效果示意图；

图14为本申请油气水三相流实时在线检测系统的水、油流量预测第二效果示意图。

具体实施方式

在下文中，将参考附图对本申请的具体实施例进行详细地描述，依照这些详细的描述，所属领域技术人员能够清楚地理解本申请，并能够实施本申请。在不违背本申请原理的情况下，各个不同的实施例中的特征可以进行组合以获得新的实施方式，或者替代某些实施例中的某些特征，获得其它优选的实施方式。

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。

参见图1～14，本申请提供一种多相流流体测量系统，包括流量计模块1、含水率模块2和数据采集处理模块，所述流量计模块1与所述含水率模块2连接，所述流量计模块1与所述数据采集处理模块连接，所述含水率模块2与所述数据采集处理模块连接；所述流量计模块，用于测量流体的虚高流量；所述含水率模块，用于测量水的相含率；所述数据采集处理模块，用于采集数据后计算得到各相流量。所述数据采集处理模块能够根据所述差压式流量计模块采集到的压力、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。同时，所述数据采集处理模块还能够接收所述差压式流量计模块输出的差压信号，并结合多相流经验模型，建立差压信号dp_tp与气、液两相流量之间的函数对应关系，以及气相虚高系数φ_g与Lockhart-Martinelli参数X之间的关系。数据采集处理模块能够接收流量计模块1和含水率模块2采集的信息并进行分析处理得到湿气的计量数据。

进一步地，所述流量计模块1为差压式流量计模块，所述差压式流量计模块包括文丘里管，所述文丘里管上设置有差压传感器3、压力传感器4和温度传感器5，所述差压传感器3与所述数据采集处理模块连接，所述压力传感器4与所述数据采集处理模块连接，所述温度传感器5与所述数据采集处理模块连接。

进一步地，所述文丘里管包括依次连接的上游管路、收缩段、喉部、扩张段和下游管路，所述差压传感器3设置于所述收缩段入口处与所述喉部之间，所述压力传感器4设置于所述上游管路，所述温度传感器5设置于所述下游管路。

进一步地，所述含水率模块2设置于所述喉部内。参照图8，本申请另一个实施例提供了一种湿气两相流实时在线检测系统，图8中各编号的意义与图1相同，但该实施例中流量计模块1的喉部被显著地加长，因此含水率模块2可以被布置在文丘里喉部内。该设计方案利用文丘里管收缩段的加速效应，使油湿气更加均匀地混合，从而保证含水率模块2测量得到的体积含水率WVF具有更好的代表性。另外该文丘里、微波一体化设计可以使整体结构更为紧凑。

进一步地，所述含水率模块2为总路微波含水率模块，所述总路微波含水率模块包括若干微波传感器，每个所述微波传感器空间位置方向和角度不同。从而保证总路微波含水率模块测量得到的含水率具有代表性。所述数据采集处理模块能够接收所述总路微波含水率模块输出的微波幅值、相位信号平均值，并结合其与介电常数之间的经验模型，以及介电常数与体积含水率WVF之间的理论模型，从而建立起微波幅值、相位信号平均值与体积含水率WVF之间的函数对应关系。

所述数据采集模块能够在湿气工况下(体积含气率CGF＞0.95，且液中含水率WLR≈1)，根据实时测量得到的总路微波幅值、相位平均值，计算得到湿气的体积含水率WVF(即体积含液率LVF)，并将其转换为Lockhart-Martinelli参数X，代入气相虚高公式得到气相虚高系数φ_g之后，结合文丘里管的差压信号dp_tp，计算得到工况气相体积流量Q_g。最后结合体积含液率LVF，计算得到液相体积流量Q_l。

进一步地，所述微波传感器包括传输线、密封圈和绝缘介质，所述传输线设置于所述密封圈内，所述密封圈设置于所述绝缘介质内，所述绝缘介质设置于管体内。

进一步地，所述传输线间隔布置或者交错布置。所述传输线间保持有一定间距，避免电磁干扰。参照图2，在一些实施例中，含水率模块2采用两根间隔一定距离且相互垂直的微波传输线，从而保证的测量得到的体积含水率WVF具有空间上的代表性。在另一些实施例中，参考图3，含水率模块2采用多根间隔布置或者交错一定角度的微波传输线。当然也可以采用其它原理的装置对三相流中的体积含水率WVF进行测量，从而提高设备的适用性，此处不做限制。

含水率模块2是利用水的介电常数(ε_w＝78)远高于油(ε_o＝2.18)、气(ε_g＝1)这一特性来测量三相流中的体积含水率WVF的。参照图4，含水率模块2中的微波传感器由信号发生器、功分器、鉴幅鉴相器、移相电路、微波传输线和ARM处理器构成。其中，信号发生器发出的微波信号经功分器分为两路，其中一路经微波传输线进入鉴幅鉴相器，另外一路经移相电路进入鉴幅鉴相器。由于微波信号的工作频率f恒定，且水的介电常数远大于油、气，因此通过传输线的微波波长λ会减小：

式中，ε为介质的介电常数，λ为微波波长，f为工作频率，c为光速。而通过移相电路的微波波长不会发生改变，因此鉴幅鉴相器通过比较两路微波信号幅值、相位之间的差异，经ARM处理器计算得到三相流中的体积含水率WVF。

三相流中的体积含水率的定义为：

式中，Q_w、Q_o、Q_g分别代表水、油、气各自的体积流量。WVF可以通过两组微波传感器的相位拟合得到，拟合效果参考图5，其中左图代表两组传输线相位与体积含水率WVF之间的对应关系，右图代表两组传输线体积含水率WVF的拟合效果。

进一步地，还包括集液器模块6和液路微波含水率模块7，所述含水率模块2、所述集液器模块6和所述液路微波含水率模块7依次连接。所述集液器模块6能够将液体聚集，在尽可能避免气相影响的同时，保证液相具有一定的流通性，从而将油气水三相流问题转换为油水两相流问题进行处理。

可根据用户要求，加装集液器模块6和液路微波含水率模块7，从而实现对一般油、气井中油气水三相流量的实时在线测量。通过添加集液器模块6和液路微波含水率模块7，直接测量液中含水率WLR，并结合含水率模块计2算得到的WVF，利用公式LVF＝WVF/WLR计算得到体积含液率LVF，随后结合文丘里管的差压信号dp_tp，计算得到气、液两相的体积流量。最后结合液中含水率WLR，计算得到水流量和油流量。

所述数据采集处理模块能够计算所述液路微波含水率模块7输出的微波幅值、相位信号最大值，由于气相的介电常数在油气水三者中最小，因此利用微波幅值、相位信号的最大值能够尽可能地避免气相的影响，并最终建立测量信号与液中含水率WLR之间的函数对应关系。

多相流流体测量系统包括差压式流量计模块1、含水率模块2、集液器模块6、液路微波含水率模块7、数据采集处理模块和显示模块。该检测系统通过差压式流量计测量流体的虚高流量Q_tp，并通过总路微波含水率仪测量水的相含率WVF，此时若假设气井中油的相含率可以忽略不计，则可以直接通过数据采集处理模块计算得到气、液两相各自的流量。若油、气井中油的相含率较高不可忽略时，则可以通过加装集液器模块和液路微波含水率模块，进一步测定液相中的含水率WLR，从而计算出三相流中的体积含液率LVF＝WVF/WLR，以及油气水三相各自的流量。该检测系统对传感器进行了模块化设计，所述模块之间的连接顺序与空间布置可根据现场实际工况的计量需求进行调整，从而为不同工况的油、气井提供快速、稳定、可靠的计量检测结果。

进一步地，所述集液器模块6为旋风分离器结构或者盲T型混流器结构，或其它常见的方便聚液的结构。参考图9，本申请的另一个实施例提供了一种油气水三相流实时在线检测系统，图9中编号1到编号5的意义与图1相同，此外该系统还包括集液器模块6和液路微波含水率模块7。其中集液器模块6有多种可以实现的实施方式，参照图9，在一些实施例中，集液器模块6采用类似旋风分离器的结构设计，从而保证的分离后的液路含气率较低。在另一些实施例中，集液器模块6采用类似盲T型混流器的结构设计，从而保证混流器盲端处含气率较低。当然也可以采用其它原理的装置降低三相流中的体积含气率，从而提高设备的适用性，此处不做限制。

进一步地，所述数据采集处理模块可以根据所述含水率模块和所述液路微波含水率模块采集到的原始信号，计算出体积含液率、体积含水率和液中含水率等关键参数，并结合所述流量计模块采集到的原始信号，计算出油气水三相各自的流量；还包括显示模块，所述显示模块与所述数据采集处理模块连接，用来显示输出所述数据采集处理模块的流量计算结果。

实施例

参照图1，当单相流体(例如纯气)流经差压式流量计模块1时，差压式流量计(例如经典文丘里管)所产生的差压dp_g与体积流量Q_g之间成正比，两者之间的对应关系如下式所示：

式中，A为文丘里喉部的流通面积，β＝d/D为文丘里喉部直径与入口处直径的比值，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。dp_g为气体流经文丘里管所产生的差压，ρ_g为气相的密度，可以根据天然气的组分按照国家标准根据测得的温度、压力进行计算。

当气、液两相流或油气水三相流流经差压式流量计模块1时，差压式流量计(例如经典文丘里管)所产生的差压dp_tp按照公式(3)计算得到的流量Q_tp被称为气相虚高流量，其与真实气相流量Q_g的比值φ_g被称为气相虚高系数，即φ_g＝Q_tp/Q_g。气相虚高系数φ_g和Lockhart-Martinelli参数X(即无量纲化的液、气流量比值，

)之间存在下述对应关系：

式中，S＝u_g/u_l为气、液相间的滑速比，其既可通过经验关联式计算得到，也可通过实验数据拟合得到。X和体积含液率LVF之间存在下述对应关系：

气水两相流中虚高系数φ_g与Lockhart-Martinelli参数之间的对应关系可以参考图6，从中可以看出φ_g和X之间存在单调、唯一的对应关系。

在采气井普遍存在的湿气工况中，油的含量可以忽略不计，因此体积含液率LVF近似等于体积含水率WVF。数据采集与处理模块可以根据含水率模块2测得的幅值和相位平均值，计算得到湿气的体积含水率WVF(即体积含液率LVF)，并将其转换为Lockhart-Martinelli参数X，代入气相虚高公式(4)得到气相虚高系数φ_g之后，结合文丘里管的差压信号，计算得到工况气相体积流量Q_g＝Q_tp/φ_g。最后结合体积含液率LVF或X，计算得到液相体积流量

湿气工况下气、液两相流量的预测效果可以参考图7，图中红色虚线代表±10％的误差带，黑色虚线代表±20％的误差带，黑色实线代表标准值。

参考图9，图中液路微波含水率模块7能够利用微波幅值、相位信号最大值，直接建立其与液中含水率WLR之间的函数关系。液中含水率的定义为：

由于气相的介电常数在油气水三相中最小，因此利用微波幅值、相位信号的最大值可以尽可能地避免残余气体对液中含水率WLR拟合的影响。此外，根据液中含水率WLR的不同，油水两相流又可以分为“油包水”和“水包油”两种不同的流态。不同流态下液中含水率WLR与混合介电常数ε_mix之间的对应关系也有所不同，其中在油连续相下(“油包水”)：

而在水连续相下(“水包油”)：

因此液中含水率WLR多采用分段标定、拟合的方法进行测定，实际拟合效果参考图10，其中左图代表两组传输线相位最大值与液中含水率WLR之间的对应关系，右图代表两组传输线液中含水率WLR的拟合效果。

与湿气工况中建立气相虚高系数φ_g和L-M参数X之间对应关系的方法类似，油气水三相流中气相虚高系数φ_g和L-M参数X之间对应关系可以参考图11，从中可以看出该函数关系基本不受液中含水率WLR和液相流量Q_l的影响。L-M参数X需要通过体积含液率LVF计算得到，而体积含液率LVF和体积含水率WVF、液中含水率WLR之间满足如下函数关系：

又因为WVF通过总路含水率模块2的相位信号的平均值MW2_avg拟合得到，而WLR通过液路微波含水率模块7的相位信号的最大值MW7_max拟合得到，因此体积含液率LVF也可以直接通过和含水率模块2、液路微波含水率模块7相位信号的比值拟合得到：

体积含液率LVF的拟合效果参考图12，根据其计算得到的气、液两相流量如图13所示，结合通过MW7_max计算得到的WLR，其计算得到的油、水两相流量如图14所示。

尽管在上文中参考特定的实施例对本申请进行了描述，但是所属领域技术人员应当理解，在本申请公开的原理和范围内，可以针对本申请公开的配置和细节做出许多修改。本申请的保护范围由所附的权利要求来确定，并且权利要求意在涵盖权利要求中技术特征的等同物文字意义或范围所包含的全部修改。

Claims (10)

1.一种多相流流体测量系统，其特征在于：包括流量计模块、含水率模块和数据采集处理模块，所述流量计模块与所述含水率模块连接，所述流量计模块与所述数据采集处理模块连接，所述含水率模块与所述数据采集处理模块连接；

所述流量计模块，用于测量流体的虚高流量；

所述含水率模块，用于测量水的相含率；

所述数据采集处理模块，用于采集数据后计算得到各相流量。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述流量计模块为差压式流量计模块，所述差压式流量计模块包括文丘里管，所述文丘里管上设置有差压传感器、压力传感器和温度传感器，所述差压传感器与所述数据采集处理模块连接，所述压力传感器与所述数据采集处理模块连接，所述温度传感器与所述数据采集处理模块连接。

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于：所述文丘里管包括依次连接的上游管路、收缩段、喉部、扩张段和下游管路，所述差压传感器设置于所述收缩段入口处与所述喉部之间，所述压力传感器设置于所述上游管路，所述温度传感器设置于所述下游管路。

4.如权利要求3所述的系统，其特征在于：所述含水率模块设置于下游管路内或者所述喉部内。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述含水率模块为总路微波含水率模块，所述总路微波含水率模块包括若干微波传感器，每个所述微波传感器空间位置方向和角度不同，所述总路微波含水率模块利用微波相位的平均值来测定水在三相中的相含率。

6.如权利要求4所述的系统，其特征在于：所述微波传感器包括传输线、密封圈和绝缘介质，所述传输线设置于所述密封圈内，所述密封圈设置于所述绝缘介质内，所述绝缘介质设置于管体内。

7.如权利要求5所述的系统，其特征在于：所述传输线间隔布置或者交错布置。

8.如权利要求1～7中任一项所述的系统，其特征在于：还包括集液器模块和液路微波含水率模块，所述含水率模块、所述集液器模块和所述液路微波含水率模块依次连接，所述液路微波含水率模块利用微波相位的最大值来测定水在液相中的含水率。

9.如权利要求8所述的系统，其特征在于：所述集液器模块为旋风分离器结构或者盲T型混流器结构。

10.如权利要求8所述的系统，其特征在于：还包括显示模块，所述显示模块与所述数据采集处理模块连接，所述显示模块，用于显示输出所述数据采集处理模块的流量计算结果。

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