CN114440961A - 一种小型不分离两相计量装置和计量系统 - Google Patents

Abstract

一种气液两相计量装置，其包括：“反L”形变径立管段，其用于进行一次液柱积聚；“乚”形变径立管段，其竖向部分与“反L”形变径立管段的竖向部分连接并形成整体的“几”形结构，用于进行二次液柱积聚。本装置是一种便携式不分离两相计量装置，其能够适用于油气井采出流体不分离气液两相在线实时计量(尤其适用于全范围液气比、段塞流等)。本装置利用“几字形”变径立管实现了液柱积聚，相较于现有装置，其具有结构简单、低成本、占地小、应用范围广等优点。

Description

一种小型不分离两相计量装置和计量系统

技术领域

本发明涉及油气勘探开发技术领域，具体地说，涉及一种小型不分离两相计量装置和计量系统。

背景技术

井口计量是天然气生产领域重要的技术问题之一，气井产气量、产液量等生产资料实时监控是重要的气藏开发动态资料，是进行开发地质分析和制定、优化生产决策的重要依据。最成熟的天然气单井计量方法是采用分离器将各相分离后单独计量，气相计量精度高，但其也生产流程复杂、设备庞大的缺陷。

近年来，为简化站场、降低投资，较多气田采用气液混输模式，这种模式无法实现高精度分离计量需求。因此，如何在不分离情况下，实现气、液两相低成本、在线实时计量是技术发展的方向。

目前，两相流计量一般解决思路是“气液粗分离分相计量再混合”或是“通过测组分、压差进行计算”，但实际应用过程中，粗分离效果、混合流体含水率测量准确性、流体流型的识别和判定、修正模型是否符合全液气比均很难判定，因此，如何实现不分离、小型化、低成本两相流计量仍然是业界一大技术难题。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种气液两相计量装置，所述装置包括：

“反L”形变径立管段，其用于进行一次液柱积聚；

“乚”形变径立管段，其竖向部分与所述“反L”形变径立管段的竖向部分连接并形成整体的“几”形结构，用于进行二次液柱积聚。

根据本发明的一个实施例，所述装置的进口端和出口端变径。

根据本发明的一个实施例，所述“乚”形变径立管段包括：第一管段、第二管段和第三管段，其中，所述第二管段设置在所述第一管段与第三管段之间，所述第一管段和第二管段以及部分的第三管段共同形成所述“乚”形变径立管段的竖向部分，所述第二管段的管径与所述第一管段和第三管段的管径均不相等。

根据本发明的一个实施例，所述装置还包括：

旋流器，其设置在所述第二管段处，用于对待测流体进行离心沉降，实现气液分离，并生成相应的旋流信号；

气体流量计，其设置在所述第二管段处并与所述旋流器连接，用于对气体流量进行测量，得到各个时刻的气体体积流量；

液体流量计，其设置在所述第三管段处，用于对液体流量进行测量，得到各个时刻的液体体积流量。

根据本发明的一个实施例，所述气体流量计中设置有第一温度检测模块，其用于检测气体的实时温度。

根据本发明的一个实施例，所述气体流量计与所述第二管段的上游端口的间距大于第一预设距离，其与所述第二管段的下游端口的间距大于第二预设距离，其中，所述第一预设距离的取值区间为[15D，25D]，所述第二预设距离的取值区间为[7D，13D]，D表示所述第二管段的内直径。

根据本发明的一个实施例，所述液体流量计中设置有电导率测量模块和含水率测量模块，其用于分别对流体的电导率和含水率进行测量。

根据本发明的一个实施例，所述装置还包括：

压差检测模块，其用于检测所述旋流器上游的第二管段处与所述液体流量计上游的第三管段处的压差，得到压差信号。

根据本发明的一个实施例，所述装置还包括：

数据处理模块，其与所述旋流器、气体流量计、液体流量计、压差检测模块、电导率测量模块和含水率测量模块连接，用于根据所述旋流信号、含水率、电导率以及压差信号确定实际流体类型，并根据所述实际流体类型确定计量模型，并基于所述计量模型根据所述气体流量计的表压和气体温度对气体流量计的气体流量测量值进行修正或根据所述液体流量计的测量值生成液体流量。

根据本发明的一个实施例，所述数据处理模块配置为根据如下表达式计算各个时刻的气体流量：

其中，V_gn表示第n时刻的气体流量，F_Z表示超压缩因子，P_gn表示第n时刻气体流量计的表压，P_a表示当地大气压，P_n表示标准大气压，T_n表示第n时刻的标准状态下的绝对温度，T_g表示第n时刻气体的绝对温度，Q_g表示气体流量测量值，t₀表示测量频率。

根据本发明的一个实施例，所述数据处理模块配置为根据如下表达式计算各个时刻的液体流量：

其中，V_ln表示第n时刻的液体流量，D表示液体流量计内径，E表示液体流量计的感应电动势，t₀表示测量频率，K表示计算系数，B表示液体流量计的磁感应强度。

本发明所提供的气液两相计量装置是一种便携式不分离两相计量装置，其能够适用于油气井采出流体不分离气液两相在线实时计量(尤其适用于全范围液气比、段塞流等)。

本装置利用“几字形”变径立管实现了液柱积聚，相较于现有装置，其具有结构简单、低成本、占地小(例如占地面积约0.9×0.2m2)、应用范围广等优点。同时，本装置能够通过旋流信号电导率、压差和含水率等多条件气液多因素综合识别方法来识别流体类别，这样也就提高了流体判定的准确性。

本装置在计算气体流量或是液体流量时，利用各传感器(例如气体流量计、液体流量计等)的信号对两相流量分别进行求解修正和积算，提高了流量测定的精确度。

此外，本装置将各传感器设计为标准化模块，使其在计量装置上的位置可根据需求调整，其具有便于组装、拆卸和维护的优势，且有利于新产品的个性化定制和老产品的利旧升级。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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的附图做简单的介绍：

图1是根据本发明一个实施例的气液两相计量装置的结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

同时，在以下说明中，出于解释的目的而阐述了许多具体细节，以提供对本发明实施例的彻底理解。然而，对本领域的技术人员来说显而易见的是，本发明可以不用这里的具体细节或者所描述的特定方式来实施。

对于两相流计量，现有技术中存在诸如“一种小型多相计量集成装置”(公开号：CN204782979U)、“一种多相流计量检测系统”(公开号：CN 106840294A)以及“一种基于弧形管的多相流计量装置及计量方法”(公开号：CN 103090917B)等相关专利文献。

然而上述方法应用于现场时存在如下三个问题：

(1)气液粗分离分相计量再混合模式两相流计量装置，一般包括分液罐(压力容器、体积大)，因此存在占地面积大、流程复杂、投资高等缺陷；

(2)射线测量流体组分的两相流计量装置均包括放射性元素，其存在安全环保风险；

(3)单压差法识别两相流则存在局限性，部分液气比符合率低(特别是间断出水、段塞流等情况)。

针对现有技术中所存在的诸多问题，本发明提出了一种便携、简易、低成本两相计量装置。该两相计量装置利用“几字形”变径立管进行液柱积聚，利用旋流信号、电导率、压差和含水率，进行多条件气、液综合识别，并通过数据处理与处理系统进行气、液分别积算、比对、修正。

图1示出了本实施例所提供的气液两相计量装置的结构示意图。

如图1所示，本实施例所提供的气液两相计量装置优选地包括：“反L”形变径立管段1以及“乚”形变径立管段2。其中，“反L”形变径立管段1用于进行一次液柱积聚，而“乚”形变径立管段2则用于进行二次液柱积聚。其中，“乚”形变径立管段2可以利用U型管原理，确保“乚”形变径立管段2的底部积液，从而形成诸如含液量大于98％的液柱，从而实现气液分段计量。

本实施例中，“乚”形变径立管段2的竖向部分与“反L”形变径立管段1的竖向部分连接并形成整体的“几”形结构。具体地，本实施例中，“乚”形变径立管段2的竖向部分优选地采用短节3和弯头结构来与“反L”形变径立管段1的竖向部分的竖向部分连接。当然，在本发明的其他实施例中，“乚”形变径立管段2与与“反L”形变径立管段1之间的连接方式还可以为其他合理方式，本发明并不对此进行具体限定。

本实施例所提供的气液两相计量装置的进口端A和出口端B优选地都会变径。需要指出的是，在本发明的不同实施例中，上述进口端A和出口端B的具体变径数值可以不同的实际需要而采用不同的合理值，本发明并不对此进行具体限定。

如图1所示，本实施例中，“乚”形变径立管段2优选地包括第一管段201、第二管段202和第三管段203。其中，第二管段202设置在第一管段201与第三管段203之间，第一管段201和第二管段202以及部分的第三管段203共同形成“乚”形变径立管段2的竖向部分。同时，第二管段202的管径与第一管段201和第三管段202的管径均不相等，这样“乚”形变径立管段2的竖向部分也就存在至少两次变径。即，第一管段201与第二管段202的连接部分形成了“乚”形变径立管段2的竖向部分的第一次变径，而第二管段202与第三管段203的连接部分则形成了“乚”形变径立管段2的竖向部分的第二次变径。

为了能够更加准确地实现气液两相计量，本实施例中，该气液两相计量装置优选地还包括：气体流量计4、旋流器5以及液体流量计6。其中，旋流器5设置在“乚”形变径立管段2的第二管段202处，其能够对待测流体进行离心沉降，成功而实现气液分离，并生成相应的旋流信号。

气体流量计4设置在“乚”形变径立管段2的第二管段202处并与旋流器5连接，其能够对气体流量进行测量，得到各个时刻的气体体积流量。本实施例中，旋流器5设置在气体流量计4的上游，其能够通过离心力作用来对气液两相混合物进行分离。具体地，气液两相混合物以一定的压力切向进入旋流器，在圆柱腔内产生高速旋转流场。混合物中密度大的组分在旋流场的作用下同时沿轴向向下运动，沿径向向外运动，在到达锥体段沿器壁向下运动，并由底流口排出，这样就形成了外旋涡流场；而密度小的组分向中心轴线方向运动，并在轴线中心形成一向上运动的内涡旋，然后由溢流口排出，这样就达到了两相分离的目的。

本实施例中，气体流量计4优选地还包括第一温度检测模块。利用第一温度检测模块，气体流量计4也就可以检测得到气体的实时温度。

气体流量计4设置在“乚”形变径立管段2的第二管段202处并位于旋流器5下游。具体地，本实施例中，气体流量计4与第二管段202的上游端口C的间距优选地大于第一预设距离，而其与第二管段202的下游端口D的间距优选地大于第二预设距离。其中，上述第一预设距离的取值区间可以为[15D，25D](优选地取值为20D)，上述第二预设距离的取值区间可以为[7D，13D](优选地取值为10D)，D表示“乚”形变径立管段2的第二管段202的内直径。

如图1所示，本实施例中，液体流量计6设置在“乚”形变径立管段2的第三管段203处，其能够对液体流量进行测量，从而得到各个时刻的液体体积流量。本实施例中，液体流量计6中设置有电导率测量模块和含水率测量模块，利用电导率测量模块和含水率测量模块，液体流量计6也就可以分别对流体的电导率和含水率进行测量。

具体地，电导率测量模块和含水率测量模块均位于液体流量计6中流体管路的上游。当然，在本发明的其他实施例中，电导率测量模块和/或含水率测量模块也就通过独立器件来实现，在该种情况下，电导率测量模块和/或含水率测量模块也就会位于整个液体流量计6的上游。

需要指出的是，可选地，上述液体流量计6还包括第二温度检测模块。利用第二温度检测模块，液体流量计6也就可以检测得到液体的实时温度。

本实施例中，该气液两相计量装置优选地还包括压差检测模块。其中，压差检测模块能够检测旋流器5上游的第二管段202处与液体流量计6上游的第三管段203处的压差，从而得到压差信号。

具体地，压差检测模块优选地包括第一压力检测单元701、第二压力检测单元702以及压差生成单元703。其中，第一压力检测单元701优选地设置在“乚”形变径立管段2的第二管段202处并位于旋流器5上游，其能够检测气体流量旋流器5上游位置的压力；而第二压力检测单元702则优选地设置在“乚”形变径立管段2的第三管段处并位于液体流量计6上游，其能够检测液体流量计6上游位置的压力。

压差生成单元703与第一压力检测单元701和第二压力检测单元702连接，其能够根据第一压力检测单元701与第二压力检测单元702所传输来的压力信号生成相应的压差信号。利用压差信号，气液两相计量装置可以确定出流体的压差与纯液柱的差异，继而用于对旋流器和电导率测量模块所判断的流体进行复核和校正。

需要指出的是，在本发明的其他实施例中，根据实际需要，上述第一压力检测单元701和第二压力检测单元702还可以分别集成在气体流量计和液体流量计中，本发明并不对此进行具体限定。

本实施例中，气液两相计量装置还包括数据处理模块8。其中，数据处理模块8与旋流器5、气体流量计4、液体流量计6、压差检测模块、电导率测量模块和含水率测量模块连接。数据池模块8能够根据上述旋流信号、含水率、电导率以及压差信号确定实际流体类型(即流态)，并根据上述实际流体类型确定计量模型，进而基于所述计量模型来生成气体流量和/或液体流量。

例如，数据处理模块8在接收到上述旋流信号、含水率、电导率以及压差信号后，可以综合判断上述旋流信号、含水率、电导率以及压差信号是否满足预设条件。其中，如果上述旋流信号、含水率、电导率以及压差信号满足预设条件，那么数据处理模块8也就可以判定待测流体为液体，否则判定待测流体为气体。

其中，上述预设条件可以配置为：旋流信号大于或等于预设旋流值(例如10000)；含水率大于或等于预设含水率值(例如98％)；导电率大于或等于预设导电率值(例如240μs/cm)；压差大于预设压差值(例如5880Pa)。

需要指出的是，上述预设旋流值、预设含水率值、预设导电率值以及预设压差值的具体取值可以根据不同的实际情况而配置为不同的合理值，上述所列的数值仅仅是上述各个参数的一个可行的取值，其并不代表上述各个参数的必然取值，本发明并不对上述各个参数的取值进行具体限定。

在判断出待测流体的实际流体类型后，数据处理模块8也就可以利用相应的计量模型来生成气体流量和/或液体流量。例如，如果待测流体为液体，那么数据处理模块8也就会利用液体计量模型来计算各个时刻的液体流量；而如果待测流体为气体，那么数据处理模块8也就会利用气体计量模型来计算各个时刻的气流流量。

例如，本实施例中，数据处理模块8可以根据如下表达式计算各个时刻的气体流量：

其中，V_gn表示第n时刻的气体流量，F_Z表示超压缩因子，P_gn表示第n时刻气体流量计的表压，P_a表示当地大气压，P_n表示标准大气压，T_n表示第n时刻的标准状态下的绝对温度，T_g表示第n时刻气体的绝对温度，Q_g表示气体流量测量值，t₀表示测量频率。

本实施例中，测量频率t₀优选地配置为0.1s。当然，在本发明的其他实施例中，测量频率t₀还可以根据实际需要配置为不同的合理值，本发明并不对测量频率t₀的具体取值进行限定。

超压缩因子F_Z优选地可以根据如下表达式计算得到：

其中，Z_n表示标准状态下的气体压缩系数，Z_g表示工作状态下的气体压缩系数。

在得到各个时刻的气体流量后，依据累加计算原理，也就可以得到所需要时段的气体累计流量。即，存在：

其中，V_gj表示包含有j个采样时刻的时段的气体累计流量。

例如，本实施例中，数据处理模块8可以根据如下表达式计算各个时刻的液体流量：

其中，V_ln表示第n时刻的液体流量，D表示液体流量计内径，E表示液体流量计的感应电动势，t₀表示测量频率，K表示计算系数，B表示液体流量计的磁感应强度。

在得到各个时刻的液体流量后，依据累加计算原理，也就可以得到所需要时段的液体累计流量。即，存在：

其中，V_lj表示包含有j个采样时刻的时段的液体累计流量。

本发明所提供的气液两相计量装置是一种便携式不分离两相计量装置，其能够适用于油气井采出流体不分离气液两相在线实时计量(尤其适用于全范围液气比、段塞流等)。

本装置利用“几字形”变径立管实现了液柱积聚，相较于现有装置，其具有结构简单、低成本、占地小(例如占地面积约0.9×0.2m2)、应用范围广等优点。同时，本装置能够通过旋流信号电导率、压差和含水率等多条件气液多因素综合识别方法来识别流体类别，这样也就提高了流体判定的准确性。

本装置在计算气体流量或是液体流量时，利用各传感器(例如气体流量计、液体流量计等)的信号对两相流量分别进行求解修正和积算，提高了流量测定的精确度。

此外，本装置将各传感器设计为标准化模块，使其在计量装置上的位置可根据需求调整，其具有便于组装、拆卸和维护的优势，且有利于新产品的个性化定制和老产品的利旧升级。

应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构或处理步骤，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。

说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。

虽然上述示例用于说明本发明在一个或多个应用中的原理，但对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的原理和思想的情况下，明显可以在形式上、用法及实施的细节上作各种修改而不用付出创造性劳动。因此，本发明由所附的权利要求书来限定。

Claims (11)

1.一种气液两相计量装置，其特征在于，所述装置包括：

“反L”形变径立管段，其用于进行一次液柱积聚；

“乚”形变径立管段，其竖向部分与所述“反L”形变径立管段的竖向部分连接并形成整体的“几”形结构，用于进行二次液柱积聚。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置的进口端和出口端变径。

3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述“乚”形变径立管段包括：第一管段、第二管段和第三管段，其中，所述第二管段设置在所述第一管段与第三管段之间，所述第一管段和第二管段以及部分的第三管段共同形成所述“乚”形变径立管段的竖向部分，所述第二管段的管径与所述第一管段和第三管段的管径均不相等。

4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

旋流器，其设置在所述第二管段处，用于对待测流体进行离心沉降，实现气液分离，并生成相应的旋流信号；

气体流量计，其设置在所述第二管段处并与所述旋流器连接，用于对气体流量进行测量，得到各个时刻的气体体积流量；

液体流量计，其设置在所述第三管段处，用于对液体流量进行测量，得到各个时刻的液体体积流量。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述气体流量计中设置有第一温度检测模块，其用于检测气体的实时温度。

6.如权利要求4或5所述的装置，其特征在于，所述气体流量计与所述第二管段的上游端口的间距大于第一预设距离，其与所述第二管段的下游端口的间距大于第二预设距离，其中，所述第一预设距离的取值区间为[15D，25D]，所述第二预设距离的取值区间为[7D，13D]，D表示所述第二管段的内直径。

7.如权利要求4～6中任一项所述的装置，其特征在于，所述液体流量计中设置有电导率测量模块和含水率测量模块，其用于分别对流体的电导率和含水率进行测量。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

压差检测模块，其用于检测所述旋流器上游的第二管段处与所述液体流量计上游的第三管段处的压差，得到压差信号。

9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

数据处理模块，其与所述旋流器、气体流量计、液体流量计、压差检测模块、电导率测量模块和含水率测量模块连接，用于根据所述旋流信号、含水率、电导率以及压差信号确定实际流体类型，并根据所述实际流体类型确定计量模型，并基于所述计量模型根据所述气体流量计的表压和气体温度对气体流量计的气体流量测量值进行修正或根据所述液体流量计的测量值生成液体流量。

10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述数据处理模块配置为根据如下表达式计算各个时刻的气体流量：

其中，V_gn表示第n时刻的气体流量，F_Z表示超压缩因子，P_gn表示第n时刻气体流量计的表压，P_a表示当地大气压，P_n表示标准大气压，T_n表示第n时刻的标准状态下的绝对温度，T_g表示第n时刻气体的绝对温度，Q_g表示气体流量测量值，t₀表示测量频率。

11.如权利要求9或10所述的装置，其特征在于，所述数据处理模块配置为根据如下表达式计算各个时刻的液体流量：

其中，V_ln表示第n时刻的液体流量，D表示液体流量计内径，E表示液体流量计的感应电动势，t₀表示测量频率，K表示计算系数，B表示液体流量计的磁感应强度。

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