CN115096383B - 基于等效密度测算多相流中气相流量的方法 - Google Patents

基于等效密度测算多相流中气相流量的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于等效密度测算多相流中气相流量的方法，首先利用历史数据计算历史等效气密度；其次对历史等效气密度进行归一化处理，得到归一化历史等效气密度；再次，对归一化历史等效气密度和历史含气率进行拟合，以线性函数表达二者关系；最后，根据实时数据反算实时等效气密度，由此算出实时气相体积流量。采用本发明的显著效果是，避免了采用经验公式计算时，由于多变量的影响而造成的滑脱比、干度和气相流量计量误差。本方法以一种全新的方式测算多相流中的气相流量，计量结果误差较小，具有实际应用前景。

Description

基于等效密度测算多相流中气相流量的方法
技术领域
本发明涉及石油生产计量，具体涉及多相流的流量测定方法。
背景技术
在原油开采过程中，为了确定各油井的油、气产量，了解地层油气含量及地层结构的变化，需要对油井产出流体中各组分的体积流量或质量流量进行连续的计量并提供实时计量数据，以优化生产参数，提高采收率。近年来，随着全球能源问题的日益严重和石油开采技术的不断发展，对原油计量提出了更高的要求。相对于传统三相分离器，文丘里伽马多相流量计（能实时、连续测量流量、相分率等数据）对被测油气水混合物不用进行相分离，现场安装工艺简洁，结构紧凑，占空间小；基本上可以做到无人值守，尤其在海洋石油和油井测试中具有很大的经济效益。
众所周知，在低压力操作条件下，用文丘里流量计测量气液两相流时，由于气液之间存在显著的相滑脱，通常会造成较大的气流量系统偏差，这需要引入适当的模型来提高气量测量精度。常用的方式是从伯努利方程出发，基于均相流模型计算多相流的总质量流量，但在计算气相流量时必须引入“干度”数据。干度无法进行实时、直接测量，其需要知道气液滑脱比才能计算。而滑脱比也无法直接测量，必须用经验公式来描述，为提升经验公式的合理性和计算准确性，国内外众多学者都致力于相关研究；但不论经验公式如何修正、调整，其涉及到的变量太多，实际运用效果仍不理想。因此通过总流量和干度确定气相流量的方法在实际应用时还是存在一些问题。
发明内容
有鉴于以上问题，本发明目的在于提出一种新颖的、简单可行的相流量计量方法，其采用文丘里流量计和伽马射线收发机构来解决多相流中气量计量问题。初步研究分析表明此方法中的变量较少，与文丘里的结构和介质物理性质的关系比较弱。特别是对于低操作压力下的气相流量测量，这一方法有较好的应用前景。
所采用的主要技术方案如下：
一种基于等效密度测算多相流中气相流量的方法，按以下步骤进行：
首先，获取文丘里伽马流量计测得的相互对应的历史差压
Figure 871258DEST_PATH_IMAGE001
、历史工况气密度
Figure 867027DEST_PATH_IMAGE002
、历史含气率
Figure 974660DEST_PATH_IMAGE003
；同时获得计算得到的对应的历史气相体积流量
Figure 917340DEST_PATH_IMAGE004
；再以历史数据进行 等效密度计算：
按以下公式①计算历史等效气密度
Figure 466133DEST_PATH_IMAGE005
；
Figure 616491DEST_PATH_IMAGE006
， 公式①；
公式①中：
Figure 617945DEST_PATH_IMAGE007
，
其中ε为可膨胀系数；
C 为文丘里流出系数；
A 为文丘里喉部截面积；
d 为文丘里喉部内直径；
D 为文丘里入口内直径；
其次，再对历史等效气密度进行归一化处理，具体按以下公式②计算归一化历史 等效气密度
Figure 161053DEST_PATH_IMAGE008
；
Figure 298773DEST_PATH_IMAGE009
， 公式②；
再次，对归一化历史等效气密度和历史含气率进行拟合，具体是按以下公式③对 所述归一化历史等效气密度
Figure 151192DEST_PATH_IMAGE010
和所述历史含气率
Figure 374363DEST_PATH_IMAGE011
进行线性拟合；
Figure 452653DEST_PATH_IMAGE012
， 公式③；
公式③中：
a、b为常数，通过多组数据拟合得到；
最后，将文丘里伽马流量计接入多相流采收管道，获取实时差压
Figure 507196DEST_PATH_IMAGE013
、实时工况气密 度
Figure 671461DEST_PATH_IMAGE014
、实时含气率
Figure 257295DEST_PATH_IMAGE015
；并按以下公式组④计算实时气相体积流量
Figure 860314DEST_PATH_IMAGE016
；
Figure 972627DEST_PATH_IMAGE017
， 公式组④。
附图说明
图1为DN80和DN50文丘里管以不同试验介质进行多相流试验环道测试时，测算得 到的
Figure 42214DEST_PATH_IMAGE018
和
Figure 380923DEST_PATH_IMAGE011
在坐标系上的分布情况；
图2为DN80文丘里管以不同试验介质进行多相流试验环道测试时，测算得到的
Figure 928579DEST_PATH_IMAGE018
和
Figure 160977DEST_PATH_IMAGE011
在坐标系上的分布情况；
图3为DN50文丘里管以不同试验介质进行多相流试验环道测试时，测算得到的
Figure 791678DEST_PATH_IMAGE018
和
Figure 211158DEST_PATH_IMAGE011
在坐标系上的分布情况。
具体实施方式
以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明。
实施例1：
一种基于等效密度测算多相流中气相流量的方法，按以下步骤进行：
步骤一、获取众多历史数据组，每个历史数据组都包括若干相对应的数据，其包括 而不限于经文丘里伽马流量计测量、计算、输出的历史差压
Figure 906713DEST_PATH_IMAGE001
、历史工况气密度
Figure 587093DEST_PATH_IMAGE019
、历史 含气率
Figure 264062DEST_PATH_IMAGE011
、历史气相体积流量
Figure 517976DEST_PATH_IMAGE020
；
所述文丘里伽马流量计包括文丘里流量测定模块、伽马相分率测定模块、信号收 发模块、计算单元等，其具体结构在现有技术中多有记载，在此不做赘述；具体来讲，由文丘 里流量测定模块测定所述历史差压
Figure 532068DEST_PATH_IMAGE001
，由伽马相分率测定模块测定所述历史含气率
Figure 739058DEST_PATH_IMAGE021
， 由所述计算单元输出所述历史气相体积流量
Figure 321350DEST_PATH_IMAGE020
；而历史工况气密度
Figure 590788DEST_PATH_IMAGE019
则是标定得到，同理 历史工况液相密度也是标记得到；
步骤二、按以下公式①计算每个历史数据组对应的历史等效气密度
Figure 549517DEST_PATH_IMAGE005
；
Figure 204489DEST_PATH_IMAGE022
， 公式①；
公式①中：
K是与文丘里相关的参数，均可通过现有技术手段测定得到；
具体来说，
Figure 223261DEST_PATH_IMAGE023
，
其中：
ε为可膨胀系数；
C 为文丘里流出系数；
A 为文丘里喉部截面积；
d 为文丘里喉部内直径；
D 为文丘里入口内直径；
步骤三、针对公式①计算得到的若干历史等效气密度
Figure 714416DEST_PATH_IMAGE024
，再按以下公式②对每 个历史等效气密度
Figure 539152DEST_PATH_IMAGE025
进行归一化处理，得到归一化历史等效气密度
Figure 455156DEST_PATH_IMAGE026
；
Figure 989036DEST_PATH_IMAGE009
， 公式②；
步骤四、根据公式②计算得到的归一化历史等效气密度
Figure 357701DEST_PATH_IMAGE008
和对应的历史含气率
Figure 517287DEST_PATH_IMAGE027
，进行线性拟合，具体是：
Figure 553376DEST_PATH_IMAGE012
， 公式③；
公式③中：
a是拟合直线的斜率；
b为拟合直线的纵截距；
步骤一中所述的历史数据组可以是历史计量时留存的数据；也可以是为了进行以上步骤二、三、四专门进行的测试数据，例如在实验室或检测单位的配备的多相流试验环道上进行测试。主要目的是为线性拟合提供原始数据，从而得到a、b的值。
步骤五、将文丘里伽马流量计接入多相流采收管道并开始运行，获取实时数据，实 时数据包括但不限于实时差压
Figure 648371DEST_PATH_IMAGE013
、实时工况气密度
Figure 376768DEST_PATH_IMAGE028
、实时含气率
Figure 215411DEST_PATH_IMAGE029
；
步骤六、按以下公式组④计算实时气相体积流量
Figure 840427DEST_PATH_IMAGE030
；
Figure 230957DEST_PATH_IMAGE031
， 公式组④。
公式组④中个参数的定义与以上描述保持一致；在此不再赘述。
步骤五中用到的文丘里伽马流量计与步骤一中用到的文丘里伽马流量计可以是相同参数型号，也可以是不同参数型号。
实施例2：
一种多相流气干度计量方法，包括按照实施例1所述的方法计算气相体积流量
Figure 574214DEST_PATH_IMAGE016
， 再按以下公式⑤计算干度x；
Figure 482127DEST_PATH_IMAGE032
， 公式⑤；
公式⑤中：
Figure 837016DEST_PATH_IMAGE033
；
Figure 273814DEST_PATH_IMAGE034
为实时体积流量，由文丘里流量计输出，具体是：
Figure 963421DEST_PATH_IMAGE035
；
ρ为多相流的实时工况混合密度；
Figure 409446DEST_PATH_IMAGE036
为实时工况液相密度。
实施例3：
一种多相流气气液滑脱比计量方法，包括按照实施例2所述的方法计算干度x；还包括按以下公式⑥计算气液滑脱比S；
Figure 9055DEST_PATH_IMAGE037
， 公式⑥。
试验例：
试验采用的文丘里管包括DN80和DN50两种，它们的喉径比β（
Figure 492120DEST_PATH_IMAGE038
）有0.65， 0.55，0.50和0.45四种值。
试验介质有：介质①“原油－天然气－产出水”以及介质②“变压器油－空气－水”。
文丘里均竖直安装，DN50（0.5）的伽马传感器安装在文丘里的上游入口，其它所有DN80、DN50文丘里均在其喉部安装单能伽玛传感器来测量截面含气率。
流态稳定后，每个试验点测试时间均为15-30分钟。
实验参数范围：
操作压力：1.5-6.0Bar；
DN80液体流量范围：7.0-74.0m3/h；
DN50液体流量范围：4.5-27.0m3/h；
DN80气体流量范围：7.0-380.0m3/h；
DN50气体流量范围：4.6-82.0m3/h；
干度范围：0-0.09；
截面含气率范围：0-96%；
体积含气率范围：0-98% 。
油、气、水介质属性见表1。
表1、介质①、②属性表
介质① 介质②
油密度@20℃（kg/m<sup>3</sup>） 856.0 （原油） 875.2 （变压器油）
水密度@20℃（kg/m<sup>3</sup>） 1001.5 (地层水) 998.5 (自来水)
气密度@20℃（kg/m<sup>3</sup>） 0.902 (天然气) 1.204 (空气)
将介质①、②分别在多相流试验环道上运行测试，获得若干所述历史数据组，按照 实施例1中所述的方法，计算归一化历史等效气密度的自然对数
Figure 544389DEST_PATH_IMAGE039
，将其与对应的历 史含气率
Figure 653160DEST_PATH_IMAGE011
绘制在平面直角坐标系上，如图1所示。
从图1可以看出，所有的数据点（归一化历史等效气密度的自然对数）都基本分布 在与历史含气率成直线关系的一条带上；因而，将归一化历史等效气密度的自然对数
Figure 107275DEST_PATH_IMAGE040
与对应的历史含气率
Figure 151454DEST_PATH_IMAGE011
进行线性拟合是合理的；而作为反向计算，可以预见的是， 采用公式④计算实时气相体积流量也是可行的。
以DN80文丘里管为例：
将采用DN80文丘里管的测算得到的归一化历史等效气密度的自然对数
Figure 831965DEST_PATH_IMAGE039
和 对应的历史含气率
Figure 354213DEST_PATH_IMAGE041
绘制在平面直角坐标系上，如图2所示。从图2中可以看出，当具体到 DN80文丘里管时，数据点的离散性更小，归一化历史等效气密度的自然对数
Figure 787469DEST_PATH_IMAGE042
和对应 的历史含气率
Figure 2550DEST_PATH_IMAGE011
之间的线性关系更明确；可预料的是：采用公式④计算的实时气相体积流 量应该会更准确。拟合DN80的所有数据，按照公式③进行线性回归得到的归一化历史等效 气密度的自然对数
Figure 29411DEST_PATH_IMAGE043
和对应的历史含气率
Figure 620930DEST_PATH_IMAGE011
的具体关系是：
Figure 674072DEST_PATH_IMAGE044
；
由此确定参数a=-8.514；b=10.184。
针对采用DN80文丘里管，再按照步骤五和以下公式⑦计算实时气相体积流量
Figure 60054DEST_PATH_IMAGE030
：
Figure 433267DEST_PATH_IMAGE045
， 公式⑦；
将按照公式⑦计算得到的实时气相体积流量
Figure 562897DEST_PATH_IMAGE046
与真实气相体积流量
Figure 846111DEST_PATH_IMAGE047
作比较，计 算二者的相对误差（相对误差的计算公式是现有技术，在此不做赘述）。结果显示：
约20%数据量的相对误差在±5%以内（含5%）；
约50%数据量的相对误差在±10%以内（含10%）；
约75%数据量的相对误差在±15%以内（含15%）；
约95%数据量的相对误差在±20%以内（含20%）。
由以上结果可知：就DN80文丘里管的测算结果而言，本发明方法没有表现出对文丘里的喉径比和介质物理性质的强的依赖性。虽然部分数据的相对误差表现还不够完美，但这样的误差已经具有实用意义。
以DN50文丘里管为例：
将采用DN50文丘里管的测算得到的归一化历史等效气密度的自然对数
Figure 543939DEST_PATH_IMAGE048
和 对应的历史含气率
Figure 279814DEST_PATH_IMAGE011
绘制在平面直角坐标系上，如图3所示。从图3中可以看出，DN50文丘里 管运行测算后，数据点的离散性较DN80大一些。拟合DN50文丘里管测算的所有数据，按照公 式③进行线性回归得到的归一化历史等效气密度的自然对数
Figure 213135DEST_PATH_IMAGE049
和对应的历史含气 率
Figure 209910DEST_PATH_IMAGE011
的具体关系是：
Figure 203274DEST_PATH_IMAGE050
；
由此确定参数a=-9.1227；b=10.218。
针对采用DN50文丘里管，再按照步骤五和以下公式⑧计算实时气相体积流量
Figure 301811DEST_PATH_IMAGE051
：
Figure 773244DEST_PATH_IMAGE052
， 公式⑧；
将按照公式⑧计算得到的实时气相体积流量
Figure 31050DEST_PATH_IMAGE053
与真实气相体积流量
Figure 54369DEST_PATH_IMAGE054
作比较， 计算二者的相对误差（相对误差的计算公式是现有技术，在此不做赘述）。结果显示：
约25%数据量的相对误差在±5%以内（含5%）；
约65%数据量的相对误差在±10%以内（含10%）；
约75%数据量的相对误差在±15%以内（含15%）；
约95%数据量的相对误差在±20%以内（含20%）。
由以上结果可知：就DN50文丘里管的测算结果而言，本发明方法没有表现出对文丘里的喉径比和介质物理性质的强的依赖性。虽然部分数据的相对误差表现还不够完美，但这样的误差已经具有实用意义。
图1、2、3中，其横坐标“截面含气率”即为：历史含气率
Figure 499257DEST_PATH_IMAGE021
；其纵坐标“ln等效密度” 即为：归一化历史等效气密度的自然对数
Figure 774381DEST_PATH_IMAGE055
。
有益效果：采用本发明的方法，避免了采用经验公式计算时，由于多变量的影响而造成的滑脱比、干度和气相流量计量误差。本方法以一种全新的方式测算多相流中的气相流量，计量结果误差较小，具有实际应用前景。
最后需要说明的是，上述描述仅仅为本发明的优选实施例，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不违背本发明宗旨及权利要求的前提下，可以做出多种类似的表示，这样的变换均落入本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于等效密度测算多相流中气相流量的方法，其特征在于按以下步骤进行：
步骤一、获取文丘里伽马流量计测得的相互对应的历史差压
Figure 334484DEST_PATH_IMAGE001
、历史工况气密度
Figure 251625DEST_PATH_IMAGE002
、 历史含气率
Figure 765783DEST_PATH_IMAGE003
；同时获得计算得到的对应的历史气相体积流量
Figure 895413DEST_PATH_IMAGE004
；
步骤二、按以下公式①计算历史等效气密度
Figure 709785DEST_PATH_IMAGE005
；
Figure 391302DEST_PATH_IMAGE006
， 公式①；
公式①中：
Figure 392756DEST_PATH_IMAGE007
，
其中ε为可膨胀系数；
C 为文丘里流出系数；
A 为文丘里喉部截面积；
d 为文丘里喉部内直径；
D 为文丘里入口内直径；
步骤三、按以下公式②计算归一化历史等效气密度
Figure 591656DEST_PATH_IMAGE008
；
Figure 994956DEST_PATH_IMAGE009
， 公式②；
步骤四、按以下公式③对所述归一化历史等效气密度
Figure 722740DEST_PATH_IMAGE010
和所述历史含气率
Figure 477070DEST_PATH_IMAGE011
进行线 性拟合；
Figure 73136DEST_PATH_IMAGE012
， 公式③；
公式③中：
a、b为常数，通过多组数据拟合得到；
步骤五、将文丘里伽马流量计接入多相流采收管道，获取实时差压
Figure 330942DEST_PATH_IMAGE013
、实时工况气密度
Figure 760786DEST_PATH_IMAGE014
、实时含气率
Figure 736833DEST_PATH_IMAGE015
；
步骤六、按以下公式组④计算实时气相体积流量
Figure 746377DEST_PATH_IMAGE016
；
Figure 389848DEST_PATH_IMAGE017
， 公式组④；
公式组④中：
Figure DEST_PATH_IMAGE018
为实时等效气密度；
Figure 318490DEST_PATH_IMAGE019
为归一化实时等效气密度。
2.根据权利要求1所述的基于等效密度测算多相流中气相流量的方法，其特征在于：还包括步骤七、按以下公式⑤计算干度x；
Figure DEST_PATH_IMAGE020
， 公式⑤；
公式⑤中：
Figure 781832DEST_PATH_IMAGE021
；
Figure 595067DEST_PATH_IMAGE022
为实时体积流量；
Figure 93045DEST_PATH_IMAGE023
；
Figure 864692DEST_PATH_IMAGE025
为多相流的实时工况混合密度；
Figure DEST_PATH_IMAGE026
为实时工况液相密度。
3.根据权利要求2所述的基于等效密度测算多相流中气相流量的方法，其特征在于：还包括步骤八、按以下公式⑥计算气液滑脱比S；
Figure 408805DEST_PATH_IMAGE027
， 公式⑥。
4.根据权利要求1、2或3所述的基于等效密度测算多相流中气相流量的方法，其特征在于：所述文丘里伽马流量计包括文丘里流量测定模块和伽马相分率测定模块。
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