CN114166292A - 一体式多介质混合流体测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于流体测量领域，更具体地，涉及一种一体式多介质混合流体测量装置及测量方法，该混合流体至少包括第一液相介质和第二液相介质。该测量装置包括竖直方向设置的液相介质测量管；液相介质测量管内设置有活塞，使用时，待测液相进入液相介质测量管，推动液相介质测量管内的活塞在第一位置和第二位置之间移动；通过记录活塞移动始末所需的时间、活塞移动的距离以及在液相介质测量管内产生的压差等参数，通过解方程计算得到第一液相介质和第二液相介质的流量。本发明混合流体测量装置和方法能够实现不断变化的多介质多相流体的实时在线自动测量。

Description

一体式多介质混合流体测量装置及测量方法

技术领域

本发明属于流体测量领域，更具体地，涉及一种一体式多介质混合流体测量装置及测量方法。

背景技术

一般的流量测量装置只能够测量具有均匀固定密度的气体或液体，而在实际工况条件下经常遇到不断变化的多相流体的测量，这也是困扰这些工况条件下流量测量与控制的难题。

例如采油工业中，油井中经常包含液相(油和水)和气相的气液混合流体，实时准确地测量从油井中采出的油水液混合流体中的含水量，以及气体含量，是生产管理和生产优化所必需的基础数据。传统方法一般首先通过分离器将气液两相混合流体分离成气相和液相(包括油与水)，然后分别计量它们的体积流量。但这种方法难以实现现场实时测量，不利于生产过程管理的自动化。现有技术中还没有能够直接测量多相(气和液)流体的测量装置，如CN1609563A、CN202017482U、CN105910663A、CN201723213U、CN207197593U、CN108894769A、CN107246259A等中国专利申请公开了多种方法对气、液两相流量进行测量的装置，能够测量气、液混合液体流量，但无法测量混合液中的水和油的含量。

CN200979430Y公开了一种气、水、油两相三介质流量测量装置，似乎可以实现测量。但从其测量原理来看，该装置首先采用楔型流量计测量混合液总流量，我们知道这是无法准确测得多相流体的流量，因为必须知道被测流体的准确密度等数据，而混合液体的密度等参数是不断变化的，因此导致其他测量结果也不准确，另外其结构较复杂，同时需要多个流量计、压力变送器，而且在测量油水混合液流量时没有考虑管道对流体的阻力，因而测量精度会受到影响。

专利CN208075946U也公开了一种气、水和油的测量方法，其方法是通过两个分离器，即气液分离器和油水分离器分别将气、水和油分离，再分别进行流量的测量。但是由于缺少分离器的具体说明，特别是水油是如何实现分离的，因而是难以进行气、水和油的测量的。即使能够实现测量，但是其结构复杂，难以实现在线进行连续测量。

CN103061740A公开了一个气、水和油三介质的流量测试装置，但是由于其内部结构复杂，不易于清洗与维护，而且其未公开其油水测量的方法。CN210289740U也公开了一种油田流量分类测量装置，但是其需要专用含水分析仪才能实现测量。

结合以上现有技术手段的分析，如何将混合流体测量装置做到体积小巧、结构简单，可靠地对气、水、油进行实时测量的同时，且降低成本，是解决这一问题的关键，也是本发明的核心。

发明内容

针对现有技术的缺陷或改进需求，本发明提供了一种一体式多介质混合流体测量装置及测量方法，其结合实际应用场景中多介质多相流体各介质含量不断变化时的实时在线测量需求，针对性对混合流体中不同介质流量测定的一体式测量装置进行重新设计，通过设置装置中各组件特定的连接关系，依据流体相关物理学原理，实现一体式多介质混合流体的测量；该装置不仅结构简单，而且不需要液相介质分离即能够可靠地对混合流体中多种介质的流量进行实时测量，解决了现有技术的测量装置需要先对油水进行分离才能够分别测量水相和油相、且无法适用于各介质流量不断变化的混合流体的气、水和油测量的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一体式多介质混合流体测量装置，该多介质混合流体包括第一液相介质和第二液相介质，该测量装置包括竖直方向设置的液相介质测量管；所述液相介质测量管内设置有活塞；

使用时，所述多介质混合流体进入所述液相介质测量管，推动所述活塞在该液相介质测量管内的第一位置和第二位置之间移动；通过记录所述活塞移动始末所需的时间、移动的距离以及该活塞移动始末在所述液相介质测量管内产生的压差，根据已知的液相的密度、该液相介质测量管的横截面积以及记录的活塞移动时间，解方程计算得到该混合流体中第一液相介质和第二液相介质的流量。

按照本发明的另一个方面，提供了一种一体式多介质混合流体测量装置，该多介质混合流体包括气相和液相，所述液相包含第一液相介质和第二液相介质，该测量装置包括竖直方向设置的气液分离管和液相介质测量管；其中：

所述气液分离管用于将混合流体中的气相和液相分离；所述气液分离管上设置有液位传感器，所述液位传感器用于监测所述气液分离管中液相在第一液位和第二液位之间的液位变化；

所述液相介质测量管内设置有活塞；所述气液分离管的液相出口与所述液相介质测量管相连接，用于使所述气液分离管内的液相流动至所述液相介质测量管中，并推动所述活塞在该液相介质测量管内的第一位置和第二位置之间移动；

使用时，对于混合流体中的气相，通过获得气相的温度、压力和所述液位变化对应的气相体积，并记录所述液位变化所需的时间，计算获得所述混合流体中气相的流量；

对于混合流体中的液相，通过记录所述活塞移动始末所需的时间、移动的距离以及该活塞移动始末在所述液相介质测量管内第一位置与第二位置之间产生的压差，根据已知的第一液相介质和第二液相介质的密度、该液相介质测量管的横截面积以及记录的活塞移动时间，解方程计算得到该混合流体中第一液相介质和第二液相介质的流量。

优选地，所述气液分离管的流体进口端设置有第一阀门，用于使所述混合流体自进料管通过该第一阀门进入所述气液分离管；所述进料管的直径小于所述气液分离管的直径；

所述气液分离管的上部与第二阀门相连接，所述第二阀门与出气管道相连接，用于将所述气液分离管内的气相通过所述出气管道排出。

优选地，所述液相介质测量管的一端通过第三阀门与所述气液分离管的液相出口相连接，另一端通过第四阀门与所述气液分离管的液相出口相连接；且所述第三阀门和第四阀门还分别与出油管道相连接，用于将所述液相介质测量管中的液相通过所述出油管道排出。

优选地，该测量装置还包括控制和显示系统模块，该系统模块用于控制阀门端口的开闭，并根据接收到的混合流体中各介质的物理参数，进行该混合流体中各介质流量的计算和显示。

按照本发明的另一个方面，提供了一种利用所述的流体测量装置进行流体流量测量的测量方法，包括如下步骤：

(1)使混合流体进入所述液相介质测量管，推动所述活塞从所述第一位置移动至所述第二位置，或从所述第二位置移动至所述第一位置；

(2)记录所述活塞移动始末所需的时间、移动的距离以及该活塞移动始末在所述液相介质测量管内第一位置与第二位置之间产生的压差，根据已知的第一液相介质和第二液相介质的密度、该液相介质测量管的横截面积以及记录的活塞移动时间，解方程计算得到该混合流体中第一液相介质和第二液相介质的流量。

按照本发明的另一个方面，提供了一种利用所述的测量装置进行多介质混合流体流量测量的测量方法，包括如下步骤：

(1)使混合流体进入所述气液分离管，且确保所述气液分离管的液相出口无液体流出，所述混合流体在所述气液分离管内实现气相和液相的分离，且分离得到的气相从出气管道排出，所述气液分离管内液相液位上升；当所述气液分离管内液相到达所述第一液位时开始计时，并记录此时所述气液分离管内气相的压力和温度；液相液位持续上升，当所述液相到达所述第二液位时停止计时，根据获得的气相温度、压力以及液相从所述第一液位到达所述第二液位对应的体积和时间数据，计算获得混合流体中气相的流量；

(2)使所述混合流体自所述气液分离管的液相出口进入所述液相介质测量管，推动所述活塞从所述第一位置移动至所述第二位置，或从所述第二位置移动至所述第一位置；通过记录所述活塞移动始末所需的时间以及在所述液相介质测量管内第一位置与第二位置之间产生的压差，根据已知的第一液相介质和第二液相介质的密度、该液相介质测量管的横截面积以及记录的活塞移动时间，解方程计算得到混合流体中第一液相介质和第二液相介质的流量。

优选地，所述的方法，包括如下步骤：

(1)打开第一阀门和第二阀门，关闭第三阀门和第四阀门，使混合流体通过第一阀门进入所述气液分离管，所述混合流体在所述气液分离管内实现气相和液相的分离；气液分离管分离得到的气相经所述第二阀门从出气管道排出，液相液位逐渐上升；当气液分离管内液相到达第一液位时开始计时，并记录此时气液分离管内气相的压力和温度；液相液位持续上升，当所述液相到达第二液位时停止计时，同时关闭第二阀门；根据获得的气相温度、压力以及液相从所述第一液位到达所述第二液位对应的体积和时间数据，计算获得混合流体中气相的流量；

(2)打开第三阀门和第四阀门，使所述第三阀门与气液分离管液相出口相连通，所述第四阀门与所述出油管道相连通；所述气液分离管内分离出的液相自所述气液分离管的液相出口通过所述第三阀门进入所述液相介质测量管，推动所述液相介质测量管内靠近所述第三阀门一侧的活塞向该液相介质测量管的另一侧移动，从所述第一位置移动至所述第二位置，然后关闭第三阀门和第四阀门，该活塞在移动过程中挤出的液相经第四阀门连接的出油管道流出；记录活塞从所述液相介质测量管内第一位置移动至第二位置所用的时间以及在所述液相介质测量管内第一位置与第二位置之间产生的压差；根据已知的第一液相介质和第二液相介质的密度、记录的活塞移动时间，解方程计算得到混合流体中水相和油相的流量。

优选地，根据公式(1)至公式(3)计算得到混合流体中气相的流量：

式中，n为所述气相的摩尔量，P₁为所述气相的压力，V₁为所述液相从第一液位上升至第二液位时对应的气相的体积，T为所述气相的温度，M_g为所述气相的摩尔质量，w_g为所述气相的质量，t₁为所述液相从第一液位上升至第二液位对应的时间，L_g为所述气相的流量。

优选地，根据公式(4)至公式(8)计算得到所述液相中第一液相介质和第二液相介质的流量：

ρV＝V₁*ρ₁+V₂*ρ₂ (4)

V＝V₁+V₂＝s*h (5)

P＝ρgh (6)

其中，ρ为所述液相的密度，V为所述活塞移动始末对应的液相的总体积，V₁为所述第一液相介质的体积，ρ₁为所述第一液相介质的密度，V₂为所述第二液相介质的体积，ρ₂为所述第二液相介质的密度；s为所述液相介质测量管的横截面积，h为所述活塞移动始末对应的高度差，P为所述活塞移动始末位置对应的压差，g为重力常数；L₁为所述第一液相介质的流量，L₂为所述第二液相介质的流量，m₁为所述第一液相介质的质量，m₂为所述第二液相介质的质量，t₂为所述活塞移动始末所需的时间。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明提供了一种液相流体测量装置，其包括竖直放置的液相介质测量管，该测量管内设置有活塞，通过采用待测液相流体推动活塞，根据活塞推动流体从第一位置移动至第二位置产生的体积变化和或压差变化，结合相关物理参数，进行计算获得该待测流体的流量，测量方法原理简单，测量结果可靠。该装置不仅可适用于单一液相介质的流量测量，还能够适用于含有两种液相介质的混合流体的流量测量。

(2)本发明提供的一体式多介质混合流体测量装置，包括气液分离管和液相介质测量管；气液分离管将混合流体中的气相和液相分离，通过测量所述气相的压力、温度以及在一定体积内流动所对应的时间，获得所述混合流体中气相的流量；气液分离管内分离出的液相进入液相介质测量管，推动液相介质测量管内的活塞在第一位置和第二位置之间移动；通过记录活塞移动始末所需的时间以及在液相介质测量管内产生的压差，根据已知的液相的密度、记录的活塞移动时间，计算得到混合流体中第一液相介质和第二液相介质的流量。该测量装置简单，经济高效。

(3)本发明提出的一体式多介质混合流体测量装置，能够适用于含有气相，同时还含有两种不同液相介质的多相流体的流量测量，运用本发明的测量装置进行该多介质流体流量测量时，通过记录活塞移动始末所需的时间以及在液相介质测量管内产生的压差，根据已知的第一液相介质和第二液相介质的密度、记录的活塞移动时间，解方程计算得到混合流体中第一液相介质和第二液相介质的流量。本发明多介质混合流体测量装置结构简单，且无需将混合流体中的不同液相介质比如油相和水相先分离再测量，而是使用两液相介质的混合相推动活塞产生的压差以及相关物理参数，结合两液相介质不互溶的特点，通过解方程计算得到两液相介质的流量，测量结果准确可靠。

(4)传统的流量测量装置只能够测量具有均匀固定密度的气体或液体的流量，而在实际工况条件下经常遇到混合流体中各介质含量以及密度不断变化的多介质流体的测量，比如采油工业中油井经常包含气相、水相和油相，或者气相、第一液相介质和第二液相介质，而且各介质含量不断变化，这也是困扰这些工况条件下流量测量与控制的难题。本发明提出的混合流体测量装置和方法特别适用于密度不断变化工况下的多介质混合流体的测量，直接在现有的流体管路中接入该装置，能够实现该类流体的实时在线测量，测量方法简单，测量效率高。

(5)本发明提出的多介质混合流体测量装置，仅需要将其中气相先分离出来，两液相介质混合相作为混合液相，在设计的液相介质测量管中利用其推动活塞产生的压力变化、以及两液相介质不互溶、两液相介质的体积之和与混合液相体积相等的特点，在已知两液相介质的密度以及液相介质测量管的横截面积的前提下，通过活塞在第一位置和第二位置之间的移动，建立数学方程，即可高效、准确地实现两种液相介质流量的计算求解。

(6)传统的混合流体测量装置往往通过采用流量计测量水油混合相的总流量，然而对于密度不断变化的多介质多相流体，无法准确测得各介质的流量，本发明并非采用流量计对流体流量进行直接测量，而是通过测量两液相介质混合相推动活塞竖直运动引起的压差，利用简单的物理原理进行间接计算获得两种液相介质的体积、质量和流量，测量数据准确可靠。

(7)本发明提出的多介质混合流体的流量测量方法，依托本发明设计的测量装置，通过控制各阀门的顺序开启和闭合，使得相应的流体按照事先设计的流向定向、定量流动，并在此过程中记录相应的物理参数，利用理想气体状态方程以及记录的时间计算气相的流量；根据含有两种液相介质的混合液相推动活塞在竖直方向上产生的压差以及记录的该活塞的移动时间，利用混合液相质量和两液相介质质量加和相等、混合液相体积和两液相介质体积加和相等的原则，结合其他基本的物理量带入公式，解方程计算得到两种不同液相介质的流量。实际测量时将相应的公式整合到计算机中，计算机通过接收到来自各传感器发送的信号和数据，利用公式进行计算并输出多介质多相流体中气相、第一液相介质和第二液相介质的流量。

(8)本发明提出的多介质混合流体测量装置体积小巧、结构简单，该装置可在线、连续、自动测量两液相介质混合流体、气液混合流体或气相、第一液相介质、第二液相介质三介质混合流体(比如气、水、油三介质混合流体)的流量，计算机利用接收到的温度、压力等数据，分别计算出各种介质的流量。计算机通过控制阀门使被检测的混合流体流经测试装置完成整个测量过程。该装置可以实现自动检测并将所检测的数据通过无线网络将数据传给控制中心。本发明混合流体各介质流量测量结果准确可靠，完全能够满足工程应用要求，而且本发明测量装置结构简单，可实现自动操作，采用该装置进行混合流体测量相对于现有技术的测量装置，大大降低成本，为一种经济、高效的混合流体测量装置，解决了现有工程应用中混合流体密度不断变化的工况流量测量的技术难题。

附图说明

图1是本发明一个实施例中液相流体测量装置示意图；

图2是本发明另一个实施例一体化多介质混合流体测量装置示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种一体式多介质混合流体测量装置，该多介质混合流体包括第一液相介质和第二液相介质，该测量装置包括液相介质测量管；所述液相介质测量管内设置有活塞；工作时，所述多介质混合流体进入所述液相介质测量管，推动所述活塞在该液相介质测量管内的第一位置和第二位置之间移动；通过记录所述活塞移动始末所需的时间、移动的距离以及该活塞移动始末在所述液相介质测量管内产生的压差，根据已知的液相的密度以及记录的活塞移动时间，解方程计算得到该混合流体中第一液相介质和第二液相介质的流量。该测量装置能够适用于含有两种不同液相介质的混合流体流量的测定，可以在不对两液相介质进行分离的情况下，解方程计算得到两种液相介质的流量。

本发明还提供了一种一体式多介质混合流体测量装置，该多介质混合流体包括气相和液相，该测量装置包括气液分离管和液相介质测量管；其中：所述气液分离管用于将混合流体中的气相和液相分离；所述气液分离管上设置有液位传感器，液位传感器用于监测所述气液分离管中液相在第一液位和第二液位之间的液位变化。所述液相介质测量管内设置有活塞；所述气液分离管的液相出口与所述液相介质测量管相连接，用于使所述气液分离管内的液相流动至所述液相介质测量管中，并推动所述活塞在第一位置和第二位置之间移动。工作时，对于混合流体中的气相，通过获得气相的温度、压力和所述液位变化对应的气相体积，并记录所述液位变化所需的时间，计算获得所述混合流体中气相的流量；对于混合流体中的液相，通过记录所述活塞移动始末所需的时间、移动的距离等参数，根据已知的液相的密度以及记录的活塞移动时间，计算得到该混合流体中液相的流量。

本发明提供的一体式多介质混合流体测量装置适用于包含气相和液相的多相流体，其气相可以为一种气体，也可以为多种气体介质组成的气相，当为多种气体组成的气相时，将其视为一个均一相，利用其平均摩尔分子量进行计算。该多相流体中的液相可以为一种液相介质，也可以为两种成分不同的液相介质，即第一液相介质和第二液相介质，且第一液相介质和第二液相介质不互溶，在本发明提出的测量装置适用于两种液相介质组成的混合液相的体积等于第一液相介质和第二液相介质的体积之和，且两种液相介质的密度已知的情形。在实际工程应用中，尤其是石油开采工业，油井中产出的混合流体往往由气、水、油构成，本发明提出的测量装置和测量方法尤其适用于石油工业开采油井中混合流体的测量。

对于包含第一液相介质和第二液相介质的混合液相，通过记录所述活塞移动始末所需的时间、移动的距离以及该活塞移动始末在所述第一液相介质和第二液相介质测量管内产生的压差，根据已知的第一液相介质和第二液相介质的密度以及记录的活塞移动时间，解方程计算得到该混合流体中第一液相介质和第二液相介质的流量。

一些实施例中，所述气液分离管的流体进口端与第一阀门相连接，用于使所述混合流体进入所述气液分离管；待测混合流体自进料管进入本发明气液分离管，为了实现在气液分离管内的气液分离，进料管的直径小于气液分离管的直径。所述气液分离管的上部与第二阀门相连接，所述第二阀门与出气管道相连接，用于将所述气液分离管内的气体排出。

一些实施例中，本发明气液分离管内设置有第一液位传感器和第二液位传感器，或者在气液分离管内仅设置一个液位传感器，在同一传感器上实现第一液位和第二液位的监测功能。本发明通过阀门通路的调控，使得气液分离管内液相液位从第一液位上升至第二液位，该过程中气相通过出气管道排出，根据该过程中记录的气相温度、压力、第一液位和第二液位之间对应的气相体积以及记录的时间，即可计算得到气相的流量。本发明第一液位和第二液位的设置除了用于测量气相的流量，第二液位还可用于监测液相最高高度，防止液相进入出气管道。比如：如若液位达到第二液位，相应的液位传感器发出指令使第二阀门关闭，防止液相液位进一步升高，导致液相进入出气管道。

一些实施例中，所述第一阀门和所述气液分离管之间设置有过滤器，工作时，所述第一阀门打开后，所述混合流体流经过滤器过滤后，经管道自所述气液分离管的上部进入所述气液分离管；优选实施例中自所述气液分离管的顶部进入所述气液分离管。

一些实施例中，所述气液分离管上部设置有压力传感器和温度传感器，所述压力传感器和温度传感器分别用于测量所述气液分离管中气相的压力和温度。

一些实施例中，所述混合流体进入管道上还设置有压力传感器，用于监测混合流体的压力是否正常，对压力正常的混合流体利用本发明装置进行各介质的流量测量；如果压力不正常，可暂停检测，待压力恢复正常后再进行混合流体流量的测定。

一些实施例中，所述液相介质测量管的一端通过第三阀门与所述气液分离管的液相出口相连接，另一端通过第四阀门与所述气液分离管的液相出口相连接；且所述第三阀门和第四阀门还分别与出油管道相连接，用于将所述液相介质测量管中的液相通过出油管道排出。

在混合流体持续通过第一阀门进入气液分离管、并保持第二阀门为关闭状态时，气液分离管内分离出的液相在压力作用下推动液相定向移动至竖直放置的液相介质测量管中推动活塞运动，实现第一液相介质和第二液相介质的流量测量。

一些实施例中，所述液相介质测量管侧壁设置有差压传感器，该差压传感器用以测量所述活塞移动自起点至终点处对应的管内液体的压差；或者所述液相介质测量管内活塞移动的起点和终点处分别设置有一个压力传感器，用于测量所述活塞从起点至终点时所述液相介质测量管内的压力差。本发明的装置，在实际测量过程中，活塞每完成一次起点至终点的移动即可实现一次混合流体样品的检测，活塞可以自上而下移动，也可以自下而上移动。这里起点和终点也称之为第一位置和第二位置，第一位置可以在第二位置的上部，也可以在第二位置的下部，可依据实际情况进行位置的定义。第一位置、第二位置可以为已知的固定位置，或者可以通过设置液位传感器获取，第一位置和第二位置可以分别为所述液相介质测量管两端(底端和顶端)所在的位置，也可为液相介质测量管内任意设置的具有一定高度差的两个位置。

一些实施例中，所述第一阀门和第二阀门可以为三通阀或截止阀，所述第三阀门为三通阀或者为由多个截止阀组成的阀门组；所述第四阀门为三通阀或者为由多个截止阀组成的阀门组，比如第三阀门和/或第四阀门为由两个截止阀组成的阀门组，根据预先设计的流体流动轨迹控制各阀门的流动方向或开闭。

本发明通过气液分离管和液相介质测量管特定的连接和流体流动控制方式，实现一体化气相、第一液相介质(比如水相)和第二液相介质(比如油相)的测量，在实际应用场景中，比如采油工业油井中，在采油管道中增设本发明提出的混合流体测量装置，混合流体进入该装置进行测量，测量完成后，通过本装置中出气管道和出油管道的设置，完成测量的气相和液相通过管道设置分别流出该装置，或通过管道连通实现汇合而排出该测量装置。一些实施例中，所述第二阀门连接的出气管道与所述第三阀门和/或第四阀门连接的出油管道相连通，用于将气液分离管内排出的气相和所述液相介质测量管内排出的液相在管道内汇合后排出该测量装置。

所述气液分离管的液相出口设置于气液分离管下部，在压力作用下气液分离管内液相向液相介质测量管流动并推动活塞从第一位置移动至第二位置，或者第二位置移动至第一位置，实现第一液相介质和第二液相介质流量的测量。一些实施例中，所述气液分离管的液相出口设置于所述气液分离管的底部，便于所述液相能够全部流出。

一些优选实施例中，在本发明所述测量装置中管道的外壁，或者在整体装置外部设置保温材料层，以使得该装置能够在恒温条件下进行流体流量的测量，避免温度变化、尤其是冬季环境温度较低时影响流体的密度进而影响流体流量的测量精度，该测量装置中的管道包括气液分离管、液相介质测量管、流体进入管道即进料管、气液分离管与液相介质测量管之间的流体管道、出气管道、出油管道等所有流体经过的管道。

本发明所述的测量装置还包括控制和显示系统模块，该系统模块用于根据装置中各传感器发出的信号控制阀门通路的开启和关闭，根据接收到的混合流体中各介质的物理参数进行计算，并将结果传输给控制中心或显示给操作人员进行记录。

本发明还提供了一种利用上述流体测量装置进行流体流量测量的测量方法，包括如下步骤：

(1)使流体进入所述液相介质测量管，推动所述活塞从所述第一位置移动至所述第二位置，或从所述第二位置移动至所述第一位置；

(2)记录所述活塞移动始末所需的时间(即该活塞从所述第一位置移动至第二位置所需的时间，或者从所述第二位置移动至第一位置所需的时间)、移动的距离以及该活塞移动始末在所述液相介质测量管内第一位置与第二位置之间产生的压差，根据已知的第一液相介质和第二液相介质的密度、该液相介质测量管的横截面积以及记录的活塞移动时间，解方程计算得到该混合流体中第一液相介质和第二液相介质的流量。

本发明还提供了一种根据上述测量装置进行多介质混合流体中气相、第一液相介质和第二液相介质的流量测量的方法，包括如下步骤：

(1)使混合流体进入所述气液分离管，且确保所述气液分离管的液相出口无液体流出，所述混合流体在所述气液分离管内实现气相和液相的分离，且分离得到的气相从出气管道排出所述气液分离管，所述气液分离管内液相液位上升，当所述气液分离管内液相到达所述第一液位时开始计时，并记录此时所述气液分离管内气相的压力和温度，液相液位持续上升，当所述液相到达所述第二液位时停止计时，根据获得的气相温度、压力以及液相从所述第一液位到达所述第二液位对应的体积和时间数据，计算获得混合流体中气相的流量；

(2)使所述混合流体自所述气液分离管的液相出口进入所述液相介质测量管，推动所述活塞从所述第一位置移动至所述第二位置，或从所述第二位置移动至所述第一位置；通过记录所述活塞移动始末所需的时间以及在所述液相介质测量管内产生的压差，根据已知的第一液相介质和第二液相介质的密度、记录的活塞移动时间，解方程计算得到混合流体中第一液相介质和第二液相介质的流量。

一些实施例中，具体包括如下步骤：

(1)打开第一阀门和第二阀门，关闭第三阀门和第四阀门，使混合流体通过第一阀门进入所述气液分离管，所述混合流体在所述气液分离管内实现气相和液相的分离；气液分离管分离得到的气相经第二阀门从出气管道排出所述气液分离管，液相液位逐渐上升；当气液分离管内液相到达第一液位时开始计时，并记录此时气液分离管内气相的压力和温度，液相液位持续上升，当所述液相到达第二液位时停止计时，同时关闭第二阀门；根据获得的气相温度、压力以及液相从所述第一液位到达所述第二液位对应的体积和时间数据，计算获得混合流体中气相的流量；

(2)打开第三阀门和第四阀门，使所述第三阀门与气液分离管液相出口相连通，所述第四阀门与所述出油管道相连通；所述气液分离管内分离出的液相自所述气液分离管的液相出口通过所述第三阀门进入所述液相介质测量管，推动所述液相介质测量管内靠近所述第三阀门一侧的活塞向该液相介质测量管的另一侧移动，从所述第一位置移动至所述第二位置，然后关闭第三阀门和第四阀门，该活塞在移动过程中挤出的液相经第四阀门连接的出油管道流出；记录活塞从所述液相介质测量管内第一位置移动至第二位置所用的时间以及在所述液相介质测量管内产生的压差；根据已知的第一液相介质和第二液相介质的密度、记录的活塞移动时间，解方程计算得到混合流体中第一液相介质和第二液相介质的流量。

本发明在液相介质测量管的上下两侧分别设置有阀门，并分别与气液分离管的液相出口相连接，这样实际上在液相介质测量管中实现两种液相介质的测量时，液相进入液相介质测量管后自下而上推动活塞，或自上而下推动活塞，只要能够获得活塞从第一位置到第二位置的时间、在液相介质测量管内产生的压差以及液相介质测量管的横截面积等参数，均可实现混合液相介质即液相中第一液相介质(比如水相)和第二液相介质(比如油相)的体积和流量的测量。即活塞从第一位置到第二位置的一次移动，或者从第二位置到第一位置的移动均可同时实现混合液相介质中第一液相介质和第二液相介质流量的计算求解，而无需事先将两相分离，然后再分别测量。

液相流动进入液相介质测量管推动活塞从第一位置向第二位置的一次移动可以实现某一混合流体样品的测量，根据实际应用中的测试需求，重复上述步骤(1)和步骤(2)，即可实现混合流体中气相、第一液相介质和第二液相介质的实时、在线、自动流量测量。其中，如果上一次液相介质流量测量完毕时活塞处于第二位置，那么相应的当前测量可以通过活塞从第二位置向第一位置的移动来实现，因此，一些实施例中，还包括步骤：

(3)打开第三阀门和第四阀门，使所述第三阀门与出油管道相连通，所述第四阀门与所述气液分离管液相出口相连通；所述气液分离管内分离出的液相自所述气液分离管的液相出口通过所述第四阀门进入所述液相介质测量管，推动所述液相介质测量管内靠近所述第四阀门一侧的活塞向该液相介质测量管的另一侧移动，从第二位置移动至第一位置，然后关闭第三阀门和第四阀门，该活塞在移动过程中挤出的液相经第三阀门连接的出油管道流出；记录活塞从所述液相介质测量管内第二位置移动到第一位置所用的时间以及所述液相介质测量管内的压差；根据已知的第一液相介质和第二液相介质的密度、记录的活塞移动时间，解方程计算得到混合流体中第一液相介质和第二液相介质的流量。

正是通过以上方式，控制各阀门开启和关闭，实现活塞在液相介质测量管内第一位置和第二位置的来回移动，而每移动一次即可完成一次混合流体样品中第一液相介质和第二液相介质的同步测量。

本发明通过液相流体推动活塞在两个不同的位置之间的移动，获取其移动过程中流体的体积、以及在管内产生的压差等参数，利用不同液相介质之间的体积关系、压差与液相在推动活塞过程中的高度变化之间的关系等，解方程计算得到不同液相介质的流量。为了进一步提高测量准确度，避免活塞在移动过程中流体在测量管管壁产生的摩擦力(动摩擦)的影响，优选实施例中在活塞到达移动终点位置后，停留一定的时间使得该流体流动稳定后再进行液相介质测量管内第一位置与第二位置之间产生的压差的测量和读取。实际应用场景中，不同的液相流体其流速不同，相应地需要停留以使其稳定的时间长短不同。比如测量油井石油的流量时，石油流速相对较慢，可在活塞到达移动终点位置后停留20-60毫秒再进行压差的读取；对于流速较快的流体，可停留相对更长一点的时间使其稳定后再读取，比如停留1秒以后再进行读取。

当待测混合流体不含有气相，即混合流体直接经第一阀门进入液相介质测量管进行液相介质流量的测定时，活塞移动至终点后如需停留一定时间再测量，则可通过调控第三阀门和第四阀门的通路(第三阀门和第四阀门均为三通阀)，使其均与出油管道接通，或者第一阀门与第三阀门(或者第一阀门与第四阀门)之间设置旁路，使得停留时持续进入的混合流体能够通过出油管道或旁路流出。

本发明提供的混合流体测量装置中，首先气液分离管将气相和液相(液相为第一液相介质和第二液相介质的混合液相)分离，通过关闭第三阀门和第四阀门，使气液分离管(或塔)内液相不进入液相介质测量管，在混合流体持续进入气液分离管而第二阀门保持开启的状态下，气液分离管内液相液位持续上升，上部气相通过第二阀门从出气管道流出。当气液分离管内液位到达第一液位时开始计时，并通过压力传感器和温度传感器记录此时气相的压力和温度，直至液位到达第二液位时停止计时，根据记录的气相的压力、温度以及第一液位到第二液位的高度差，利用气液分离管的横截面积，利用上述数据即可根据理想气体状态方程计算得到气相的摩尔量，然后根据记录的从第一液位至第二液位所需的时间，即可计算得到混合流体中气相的流量，计算公式如下：

式中，n为所述气相的摩尔量，P₁为所述气相的压力，V₁为所述液相从第一液位上升至第二液位时对应的排出的气相的体积，T为所述气相的温度，M_g为所述气相的摩尔质量，w_g为所述气相的质量，t₁为所述液相从第一液位上升至第二液位对应的时间，L_g为所述气相的流量。

在气液分离管中分离出的液相自气液分离管液相出口进入竖直放置的液相介质测量管中，推动液相介质测量管中的活塞从第一位置移动至第二位置，通过事先设计的第一位置和第二位置之间的高度差，或者通过预先设置液位传感器，获得第一位置和第二位置的高度差，记录活塞从第一位置移动至第二位置产生的压差以及移动时间，根据公式(4)至公式(8)计算得到所述混合液相中第一液相介质和第二液相介质的流量：

ρV＝V₁*ρ₁+V₂*ρ₂ (4)

V＝V₁+V₂＝s*h (5)

P＝ρgh (6)

其中，ρ为所述液相的密度，V为所述活塞移动始末对应的液相的总体积，V₁为第一液相介质的体积，ρ₁为第一液相介质的密度，V₂为第二液相介质的体积，ρ₂为第二液相介质的密度；s为液相介质测量管的横截面积，h为活塞移动始末对应的高度差，P为活塞移动始末位置对应的压差(即活塞从第一位置移动至第二位置、或者从第二位置移动至第一位置在该液相介质测量管内产生的压差)，g为重力常数；L₁为第一液相介质的流量，L₂为第二液相介质的流量，m₁为第一液相介质的质量，m₂为第二液相介质的质量，t₂为活塞移动始末所需的时间。

本发明的测量方法尤其适用于第一液相介质和第二液相介质的密度已知，且第一液相介质和第二液相介质不互溶(二者体积之和等于其混合液相总体积)的多介质多相流体，该多相流体的密度可以不断变化，即该多相流体中气相、第一液相介质和第二液相介质的含量可以不断变化。比如对于采油工业油井中含有气、水和油的多介质多相流体的测量尤其适用。

一个实施例中，采用如图1所示的装置进行含有第一液相介质和第二液相介质的液相流体的测量，该装置包括第一阀门V1、过滤器3、管道4、第三阀门V3、第四阀门V4、液相介质测量管3、活塞8、出油管道6、信号线7。

测量时，待测流体自第一阀门V1进入、经过滤器3过滤杂质后进入管道4，打开第三阀门，使待测液相在压力作用下流进液相介质测量管，推动活塞8向上移动，而第四阀门与出油管道接通，活塞向上推动使挤出的液体沿第四阀门V4流经出油管道6流出，计算机记录活塞由底部移动到顶部所用时间。

当活塞8上升到上部第二位置时，第二位置到位开关S2将信号传送给计算机，此时将第三阀门V3及第四阀门V4同时关闭，计算机读取差压传感器P3的压力值；根据公式(4)至公式(8)计算得到该混合液相中第一液相介质油相和第二液相介质水相的流量。

一个优选实施例中，采用如图2所示的混合流体测量装置对油井中采出的包含气、水和油的混合流体进行流量的测量，该装置包括气液分离管1和液相介质测量管2，气液分离管1混合流体进口一侧设置有第一阀门V1、过滤器3，混合流体自第一阀门V1流经过滤器3、管道4进入气液分离管1，管道4上设置有压力传感器P1，压力传感器P1用于监测混合流体压力是否正常；气液分离管1上部设置有气相压力传感器P2和气相温度传感器T1；气液分离管1侧壁设置有第一液位传感器L1与第二液位传感器L2,；气液分离管1上部设置有出气管道5和第二阀门V2；气液分离管1液相出口9同时与设置于液相介质测量管2两侧的第三阀门V3和第四阀门V4相连接，第三阀门V3和第四阀门V4分别与出油管道6相连接；液相介质测量管2内设置有活塞8，液相介质测量管2侧壁设置有第一位置到位传感器S1和第二位置到位传感器S2，分别对应活塞8移动的起点和终点；液相介质测量管2侧壁还设置有差压传感器P3；各传感器还通过信号线7与控制与显示计算机相连。本实施例中活塞移动的起点，即第一位置为液相介质测量管的底部，终点即第二位置为液相介质测量管的顶部。

该实施例具体测量过程描述如下：首先，由计算机打开第一阀门V1和第二阀门V2，关闭第三阀门V3及第四阀门V4，混合流体经第一阀门V1进入并经过滤器4过滤后进入气液分离管1，在气液分离管1实现气相和液相的分离，上部气相自第二阀门V2排出至出气管道，混合流体持续进入气液分离管1，液相不流出，因此液相液位在气液分离管内逐渐上升，上升至第一液位时开始计时，并记录此时温度传感器T1和压力传感器P2的温度和压力值，至液位上升至第二液位时，停止计时，根据第一液位至第二液位之间的高度差得到气相的体积，结合记录的气相温度、压力，采用理想气体状态方程计算得到气相的摩尔量，根据其摩尔质量，记录的从第一液位至第二液位所花的时间，计算得到气相的流量L_g。

式中，n为气相的摩尔量，P₁为气相的压力，V₁为所述液相从第一液位上升至第二液位对应的气相的体积，T为气相的温度，M_g为气相的摩尔质量，w_g为气相的质量，t₁为所述液相从第一液位上升至第二液位对应的测量时间，L_g为气相的流量。

气相测量完毕，即气液分离管内液相液位到达第二液位时，关闭第二阀门，打开第三阀门，使气液分离管下部的混合液相在压力作用下流进液相介质测量管，推动活塞8向上移动，而第四阀门与出油管道接通，活塞向上推动使挤出的液体沿第四阀门V4流经出油管道6流出，计算机记录活塞由底部移动到顶部所用时间。

当活塞8上升到上部第二位置时，第二位置到位开关S2将信号传送给计算机，此时将第三阀门V3及第四阀门V4同时关闭，计算机读取差压传感器P3的压力值；根据以下公式计算得到该混合液相中第一液相介质油相和第二液相介质水相的流量：

ρV＝V_o*ρ_o+V_w*ρ_w (9)

V＝V_o+V_w＝s*h (10)

P＝ρgh (11)

其中，ρ为油水混合相的密度，V为所述活塞移动始末对应的油水混合相的总体积，V_o为第一液相介质油相的体积，ρ_o为第一液相介质油相的密度，V_w为第二液相介质水相的体积，ρ_w为第二液相介质水相的密度；s为液相介质测量管的横截面积，h为活塞移动始末对应的高度差，P为活塞移动始末位置对应的压差，g为重力常数；L_o为第一液相介质油相的流量，L_w为第二液相介质水相的流量，m_o为第一液相介质油相的质量，m_w为第二液相介质水相的质量，t₂为活塞移动始末所需的时间。

按照上述气相流量测量方法进行下一个样品的测量。气相测量完毕之后，将第三阀门V3与出油管道6接通，第四阀门V4与气液分离管1接通，气液分离管下部的混合液相经第四阀门V4流进液相介质测量管的上部，同时推动活塞8自顶部即第二位置向下移动，活塞下部的混合液相则沿第三阀门V3向出油管道6流出。直至活塞8到达油水测量塔的底部即第一位置，计算机读取差压传感器P3，同样根据上述公式计算得到第一液相介质和第二液相介质的流量。

然后重复上述测量过程，这样就可以根据所得到的温度、压力、时间的数据，连续不断实现混合流体流动过程中气相、第一液相介质和第二液相介质的流量实时在线检测，以适应各介质含量以及混合流体密度不断变化的流体的检测，实现在线、连续、自动检测，并将所检测的数据通过无线网络将数据传给控制中心。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种一体式多介质混合流体测量装置，其特征在于，该多介质混合流体包含液相，所述液相包括第一液相介质和第二液相介质，该测量装置包括竖直方向设置的液相介质测量管；所述液相介质测量管内设置有活塞；

使用时，所述多介质混合流体进入所述液相介质测量管，推动所述活塞在该液相介质测量管内的第一位置和第二位置之间移动；通过记录所述活塞移动始末所需的时间、移动的距离以及该活塞移动始末在所述液相介质测量管内产生的压差，根据已知的所述第一液相介质和第二液相介质的密度、该液相介质测量管的横截面积以及记录的活塞移动时间，解方程计算得到该混合流体中第一液相介质和第二液相介质的流量。

2.一种一体式多介质混合流体测量装置，其特征在于，该多介质混合流体包括气相和液相，所述液相包含第一液相介质和第二液相介质，该测量装置包括竖直方向设置的气液分离管和液相介质测量管；其中：

所述气液分离管用于将混合流体中的气相和液相分离；所述气液分离管上设置有液位传感器，所述液位传感器用于监测所述气液分离管中液相在第一液位和第二液位之间的液位变化；

所述液相介质测量管内设置有活塞；所述气液分离管的液相出口与所述液相介质测量管相连接，用于使所述气液分离管内的液相流动至所述液相介质测量管中，并推动所述活塞在该液相介质测量管内的第一位置和第二位置之间移动；

使用时，对于混合流体中的气相，通过获得气相的温度、压力和所述液位变化对应的气相体积，并记录所述液位变化所需的时间，计算获得所述混合流体中气相的流量；

对于混合流体中的液相，通过记录所述活塞移动始末所需的时间、移动的距离以及该活塞移动始末在所述液相介质测量管内第一位置与第二位置之间产生的压差，根据已知的第一液相介质和第二液相介质的密度、该液相介质测量管的横截面积以及记录的活塞移动时间，解方程计算得到该混合流体中第一液相介质和第二液相介质的流量。

3.如权利要求2所述的测量装置，其特征在于，所述气液分离管的流体进口端设置有第一阀门，用于使所述混合流体自进料管通过该第一阀门进入所述气液分离管；所述进料管的直径小于所述气液分离管的直径；

所述气液分离管的上部与第二阀门相连接，所述第二阀门与出气管道相连接，用于将所述气液分离管内的气相通过所述出气管道排出。

4.如权利要求1或2所述的测量装置，其特征在于，所述液相介质测量管的一端通过第三阀门与所述气液分离管的液相出口相连接，另一端通过第四阀门与所述气液分离管的液相出口相连接；且所述第三阀门和第四阀门还分别与出油管道相连接，用于将所述液相介质测量管中的液相通过所述出油管道排出。

5.如权利要求1或2所述的混合流体测量装置，其特征在于，该测量装置还包括控制和显示系统模块，该系统模块用于控制阀门端口的开闭，并根据接收到的混合流体中各介质的物理参数，进行该混合流体中各介质流量的计算和显示。

6.一种利用如权利要求1所述的流体测量装置进行流体流量测量的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)使混合流体进入所述液相介质测量管，推动所述活塞从所述第一位置移动至所述第二位置，或从所述第二位置移动至所述第一位置；

(2)记录所述活塞移动始末所需的时间、移动的距离以及该活塞移动始末在所述液相介质测量管内第一位置与第二位置之间产生的压差，根据已知的第一液相介质和第二液相介质的密度、该液相介质测量管的横截面积以及记录的活塞移动时间，解方程计算得到该混合流体中第一液相介质和第二液相介质的流量。

7.一种利用如权利要求2至5任一项所述的测量装置进行多介质混合流体流量测量的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)使混合流体进入所述气液分离管，且确保所述气液分离管的液相出口无液体流出，所述混合流体在所述气液分离管内实现气相和液相的分离，且分离得到的气相从出气管道排出，所述气液分离管内液相液位上升；当所述气液分离管内液相到达所述第一液位时开始计时，并记录此时所述气液分离管内气相的压力和温度；液相液位持续上升，当所述液相到达所述第二液位时停止计时，根据获得的气相温度、压力以及液相从所述第一液位到达所述第二液位对应的体积和时间数据，计算获得混合流体中气相的流量；

(2)使所述混合流体自所述气液分离管的液相出口进入所述液相介质测量管，推动所述活塞从所述第一位置移动至所述第二位置，或从所述第二位置移动至所述第一位置；通过记录所述活塞移动始末所需的时间以及在所述液相介质测量管内第一位置与第二位置之间产生的压差，根据已知的第一液相介质和第二液相介质的密度、该液相介质测量管的横截面积以及记录的活塞移动时间，解方程计算得到混合流体中第一液相介质和第二液相介质的流量。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)打开第一阀门和第二阀门，关闭第三阀门和第四阀门，使混合流体通过第一阀门进入所述气液分离管，所述混合流体在所述气液分离管内实现气相和液相的分离；气液分离管分离得到的气相经所述第二阀门从出气管道排出，液相液位逐渐上升；当气液分离管内液相到达第一液位时开始计时，并记录此时气液分离管内气相的压力和温度；液相液位持续上升，当所述液相到达第二液位时停止计时，同时关闭第二阀门；根据获得的气相温度、压力以及液相从所述第一液位到达所述第二液位对应的体积和时间数据，计算获得混合流体中气相的流量；

(2)打开第三阀门和第四阀门，使所述第三阀门与气液分离管液相出口相连通，所述第四阀门与所述出油管道相连通；所述气液分离管内分离出的液相自所述气液分离管的液相出口通过所述第三阀门进入所述液相介质测量管，推动所述液相介质测量管内靠近所述第三阀门一侧的活塞向该液相介质测量管的另一侧移动，从所述第一位置移动至所述第二位置，然后关闭第三阀门和第四阀门，该活塞在移动过程中挤出的液相经第四阀门连接的出油管道流出；记录活塞从所述液相介质测量管内第一位置移动至第二位置所用的时间以及在所述液相介质测量管内第一位置与第二位置之间产生的压差；根据已知的第一液相介质和第二液相介质的密度、记录的活塞移动时间，解方程计算得到混合流体中水相和油相的流量。

9.如权利要求7或8所述的方法，其特征在于，根据公式(1)至公式(3)计算得到混合流体中气相的流量：

式中，n为所述气相的摩尔量，P₁为所述气相的压力，V₁为所述液相从第一液位上升至第二液位时对应的气相的体积，T为所述气相的温度，M_g为所述气相的摩尔质量，w_g为所述气相的质量，t₁为所述液相从第一液位上升至第二液位对应的时间，L_g为所述气相的流量。

10.如权利要求6或7或8所述的方法，其特征在于，根据公式(4)至公式(8)计算得到所述液相中第一液相介质和第二液相介质的流量：

ρV＝V₁*ρ₁+V₂*ρ₂ (4)

V＝V₁+V₂＝s*h (5)

P＝ρgh (6)

其中，ρ为所述液相的密度，V为所述活塞移动始末对应的液相的总体积，V₁为所述第一液相介质的体积，ρ₁为所述第一液相介质的密度，V₂为所述第二液相介质的体积，ρ₂为所述第二液相介质的密度；s为所述液相介质测量管的横截面积，h为所述活塞移动始末对应的高度差，P为所述活塞移动始末位置对应的压差，g为重力常数；L₁为所述第一液相介质的流量，L₂为所述第二液相介质的流量，m₁为所述第一液相介质的质量，m₂为所述第二液相介质的质量，t₂为所述活塞移动始末所需的时间。

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