CN115597672A - 一种不对称回字形两相计量系统及方法 - Google Patents
一种不对称回字形两相计量系统及方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种不对称回字形两相计量系统,其包含:不对称回字形装置,其入口端位置高于出口端,用于实现气液分离;数据采集与检测模块,其设置在不对称回字形装置上,用于采集旋流信号、含水率数据、压差数据、气体数据以及液体数据;计量模块,其与不对称回字形装置以及检测模块通信,用于依据流态情况结合气体积算模型和/或气液两相积算模型,实现气液两相在线实时计量。本发明采用简易“回字形”结构实现气液二次分离计量,具有结构简单、低成本、占地小、应用范围广等优点。提出旋流信号、压差和含水率多条件气、液多因素综合识别方法,提高了流体判定准确定。利用各传感器的信号对两相流量分别进行求解修正和积算,提高流量测定精确度。
Description
技术领域
本发明涉及石油天然气采输技术领域,具体地说,涉及一种不对称回字形两相计量系统及方法。
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,但生产流程复杂、设备庞大。
近年来,为简化站场、降低投资,较多气田采用气液混输模式,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”/“通过测组分、压差进行积算”,但过程中,分离流程长、设备多,且流体流型单因素识别和判定、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。现有技术的相关专利有:“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:CN106840294A)、“一种基于弧形管的多相流计量装置及计量方法”(公开号:CN103090917B)。
然而上述现有技术应用于现场时存在三个问题:
(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,占地面积大、流程复杂、投资高;
(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、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等问题(特别是间断出水、段塞流等情况)。
对于以上情况,现有技术尚没有很好的解决方案。因此,本发明提供了一种不对称回字形两相计量系统及方法。
发明内容
为解决上述问题,本发明提供了一种不对称回字形两相计量系统,所述系统包含:
不对称回字形装置,其入口端位置高于出口端,用于实现气液分离;
数据采集与检测模块,其设置在所述不对称回字形装置上,用于采集旋流信号、含水率数据、压差数据、气体数据以及液体数据;
计量模块,其与所述不对称回字形装置以及所述检测模块通信,用于依据流态情况结合气体积算模型和/或气液两相积算模型,实现气液两相在线实时计量。
根据本发明的一个实施例,所述不对称回字形装置包含:
上部横向直管段,其第一端与所述第四纵向管段的第一端连接,第二端与所述第五纵向管段的第一端连接;
下部横向一次变径管段,其第一端与所述第四纵向管段的第二端连接,第二端与所述第五纵向管段的第二端连接;
其中,所述第三横向管段的第一端为入口端,第二端与所述第四纵向管段连接,所述第六横向管段的第二端为出口端,第一端与所述第五纵向管段连接。
根据本发明的一个实施例,所述数据采集与检测模块包含:
气体流量计,其设置在所述上部横向直管段上,用于测量得到所述气体数据;
液体流量计,其设置在所述下部横向一次变径管段上,用于测量得到所述液体数据。
根据本发明的一个实施例,所述数据采集与检测模块包含:
旋流测定模块,其设置在所述气体流量计的上游,用于测量得到所述旋流信号;
含水率检测模块,其设置在所述液体流量计的上游,用于测量得到所述含水率数据。
根据本发明的一个实施例,所述数据采集与检测模块包含:
第一压差变送器,其设置在所述旋流测定模块的上游,用于检测得到上游位置的第一压力值;
第二压差变送器,其设置在所述含水率检测模块的上游,用于检测得到上游位置的第二压力值;
压差生成单元,其与所述第一压差变送器以及所述第二压差变送器通信,用于基于所述第一压力值以及所述第二压力值计算得到所述压差数据。
根据本发明的一个实施例,所述计量模块包含:
流态分析模块,其用于依据所述旋流信号、所述含水率数据以及所述压差数据判断流态,其中:
当所述旋流信号大于旋流预设值且所述压差数据大于压差预设值时,判断为气液两相,否则判断为单气相;
当含水率数据大于预设含水率值时,判断为单液相。
根据本发明的一个实施例,所述气体积算模型包含以下公式:
其中,Vgn表示第n时刻的气体流量,FZ表示超压缩因子,Pgn表示第n时刻气体流量计的表压,Pa表示当地大气压,Pn表示标准大气压,Tn表示第n时刻的标准状态下的绝对温度,Tgn表示第n时刻气体的绝对温度,Qg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,所述气液两相积算模型包含以下公式:
其中,Vgm表示第m时刻的气体流量,k0表示全气时旋流系数,km表示第m个时刻的旋流系数,FZ表示超压缩因子,Pgm表示第m时刻气体流量计的表压,Pa表示当地大气压,Pn表示标准大气压,Tm表示第m时刻的标准状态下的绝对温度,Tgm表示第m时刻气体的绝对温度,Qg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,通过以下公式计算各个时刻的液体流量:
其中,Vln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。
根据本发明的另一个方面,还提供了一种不对称回字形两相计量方法,通过如上任一项所述的不对称回字形两相计量系统进行气液两相在线实时计量,所述方法包含:
通过入口端位置高于出口端的不对称回字形装置实现气液分离;
通过设置在所述不对称回字形装置上的数据采集与检测模块采集旋流信号、含水率数据、压差数据、气体数据以及液体数据;
通过与所述不对称回字形装置以及所述检测模块通信的计量模块依据流态情况结合气体积算模型和/或气液两相积算模型,实现气液两相在线实时计量。
与现有两相流量计及方法相比,本发明的优点在于:
1)提出了一种新思路,采用简易“回字形”结构实现气液二次分离计量,具有结构简单、低成本、占地小、应用范围广等优点。
2)提出旋流信号、压差和含水率多条件气、液多因素综合识别方法,提高了流体判定准确定。
3)利用各传感器的信号对两相流量分别进行求解修正和积算,提高流量测定精确度。
4)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。
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
附图用来提供对本发明的进一步理解,并且构成说明书的一部分,与本发明的实施例共同用于解释本发明,并不构成对本发明的限制。在附图中:
图1显示了根据本发明的一个实施例的不对称回字形两相计量系统示意图;
图2显示了根据本发明的一个实施例的不对称回字形两相计量系统工作原理图;以及
图3显示了根据本发明的一个实施例的不对称回字形两相计量方法流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,以下结合附图对本发明实施例作进一步地详细。
图1显示了根据本发明的一个实施例的不对称回字形两相计量系统示意图。本发明提供的不对称回字形两相计量系统包含不对称回字形装置、数据采集与检测模块以及计量模块。
具体来说,不对称回字形装置入口端位置高于出口端,用于实现气液分离;数据采集与检测模块设置在不对称回字形装置上,用于采集旋流信号、含水率数据、压差数据、气体数据以及液体数据;计量模块与不对称回字形装置以及检测模块通信,用于依据流态情况结合气体积算模型和/或气液两相积算模型,实现气液两相在线实时计量。
进一步地,如图1所示,不对称回字形装置包含:第一变径管段2、第二变径管段1、第三变径管段12、上部横向直管段3以及下部横向一次变径管段8。
第一变径管段2包含组成反型的第一横向管段以及第二纵向管段,用于实现一次气液分离;第二变径管段1包含组成型的第三横向管段以及第四纵向管段,第四纵向管段用于实现二次气液分离;第三变径管段12包含组成型的第五纵向管段11以及第六横向管段;上部横向直管段3第一端与第四纵向管段的第一端连接,第二端与第五纵向管段的第一端连接;下部横向一次变径管段8第一端与第四纵向管段的第二端连接,第二端与第五纵向管段的第二端连接。
其中,第三横向管段的第一端为入口端,第二端与第四纵向管段连接,第六横向管段的第二端为出口端,第一端与第五纵向管段连接。
如图1所示,不对称回字形装置各管段的连接关系为:第二变径管段1和第一变径管段2通过变径三通连接。第二变径管段1和上部横向直管段3通过弯头连接。第三变径管段12和上部横向直管段3通过弯头连接。第二变径管段1和下部横向一次变径管段8通过弯头连接。第三变径管段12和下部横向一次变径管段8通过变径三通连接。
第一变径管段2为“反型”的小管径管段(采用小管径是为了预分离气液两相),在大通径管线(第五纵向管段11)上实现气液一次分离(第五纵向管段11是上面粗下面细,避免液体上翻或者气体下串),第二变径管段1为“型”变径立管段,其垂直管线(第四纵向管段)用于二次气液分离(第四纵向管段上粗下细是为了进行二次分离,气液分开运行),特别是“型”变径立管段与“型”变径立管段(第三变径管段12)利用U型管原理,第三横向管段的高度高于第六横向管段,两者横向出口管线相差预设值(例如20cm)以上,确保液相聚集于下部横向管段不会超过“型”变径立管段的横向出口管线(第三横向管段)水平位置,同时,通过下部横向一次变径管段8在液体流量计10前缩径(为了保证阻碍流体流通,保证尽量满管计量),确保下部横向管线底部积液,形成含液量大于95%的液柱,从而实现气液分开计量。
进一步地,如图1所示,数据采集与检测模块包含:气体流量计6、液体流量计10、旋流测定模块5、含水率检测模块9、第一压差变送器4、第二压差变送器7以及压差生成单元13。
气体流量计6设置在上部横向直管段3上,用于测量得到气体数据,气体流量计6中部设有取压、取温模块液体。流量计10设置在下部横向一次变径管段8上,用于测量得到液体数据,液体流量计10内设有取压、取温模块。
旋流测定模块5设置在气体流量计6的上游,用于测量得到旋流信号;含水率检测模块9设置在液体流量计10的上游,用于测量得到含水率数据。
第一压差变送器4设置在旋流测定模块5的上游,用于检测得到上游位置的第一压力值;第二压差变送器7设置在含水率检测模块9的上游,用于检测得到上游位置的第二压力值;压差生成单元13与第一压差变送器4以及第二压差变送器7通信,用于基于第一压力值以及第二压力值计算得到压差数据。
第一压差变送器4以及第二压差变送器7用于确定该段流体的压差与单气相/单液相的差异,对旋流测定模块5和含水率检测模块9所判断的流态进行复核和校正。
进一步地,如图1所示,计量模块包含:数据采集与处理单元14。数据采集与处理单元14通过信号线与气体流量计6、液体流量计10、旋流测定模块5、含水率检测模块9、压差生成单元13电连接,用于采集、处理各功能模块的数据,并进行修正和积算。
数据采集与处理单元14包含流态分析模块,其用于依据旋流信号、含水率数据以及压差数据判断流态,其中:当旋流信号大于旋流预设值且压差数据大于压差预设值时,判断为气液两相,否则判断为单气相,当含水率数据大于预设含水率值时,判断为单液相。
本发明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)利用不对称回字型变径管线上下分液,利用旋流信号、压差和含水率,进行多条件气、气液混合综合识别,并通过数据处理与处理系统进行气、液分别积算、比对、修正。能够实现对工业现场水平和竖直管道中两相流体介质的实时计量。
图2显示了根据本发明的一个实施例的不对称回字形两相计量系统工作原理图。
如图2所示,流态分析模块基于旋流信号测定值以及压差数据进行流态识别,当旋流信号大于旋流预设值且压差数据大于压差预设值时,判断为气液两相,否则判断为单气相。单气相通过气体积算模型进行计算,气液两相通过气液两相积算模型进行计算。若含水率大于或等于预设含水率值,则通过液体积算模型进行计算。
需要说明的是,本实施例中,旋流预设值为2000,压差预设值为5889Pa,预设含水率值为98%,其他能够判断流态的旋流预设值以及压差预设值都可以应用到本发明中,本发明不对旋流预设值以及压差预设值的具体数值进行限定。
进一步地,气体积算模型包含以下公式:
其中,Vgn表示第n时刻的气体流量,FZ表示超压缩因子,Pgn表示第n时刻气体流量计的表压,Pa表示当地大气压,Pn表示标准大气压,Tn表示第n时刻的标准状态下的绝对温度,Tgn表示第n时刻气体的绝对温度,Qg表示气体流量测量值,t0表示测量频率。
进一步地,气液两相积算模型通过以下公式计算气相携少量液相情况下各个时刻的气体流量:
其中,Vgm表示第m时刻的气体流量,k0表示全气时旋流系数,km表示第m个时刻的旋流系数,FZ表示超压缩因子,Pgm表示第m时刻气体流量计的表压,Pa表示当地大气压,Pn表示标准大气压,Tm表示第m时刻的标准状态下的绝对温度,Tgm表示第m时刻气体的绝对温度,Qg表示气体流量测量值,t0表示测量频率。
在一个实施例中,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。
在一个实施例中,超压缩因子FZ优选地可以根据如下表达式计算得到:
其中,Zn表示标准状态下的气体压缩系数,Zg表示工作状态下的气体压缩系数。
在得到各个时刻检测的纯气体流量后,同时,考虑气相携少量液相情况下,该时刻采用旋流信号进行修正,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,Vgij所需要时段的气体累计流量,Vgn表示包含有j个采样时刻的时段的气体累计流量,Vgm表示包含有i个采样时刻的时段气相携少量液相情况下气体累计流量。
在一个实施例中,通过以下公式计算各个时刻的液体流量:
其中,Vln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,也就可以得到纯液相情况所需要时段的液体累计流量,再加上气相携少量液相情况下液相体积就是所以液相总体积流量。即,存在:
其中,Vlj表示包含有j个采样时刻的时段的液体累计流量,Vli表示包含有i个采样时刻的时段的气相携少量液相情况下液相体积累计流量,Vlij表示全部时段的液相体积累计流量。
如图1所示,气体流量计6、液体流量计10、旋流测定模块5、含水率检测模块9与管段采用法兰连接。第一压差变送器4、旋流测定模块5、气体流量计6、含水率检测模块9、液体流量计10、压差生成单元13、数据采集与处理单元14之间通过电信号线/无线连接。
在一个实施例中,气体流量计6上游管段,距离大于10D处管线变径,其中,D为该处管段下游端管路的内直径,气体流量计6下游管段,距离大于5D处管线变径,其中,D为该处管段上游端管路的内直径。
其中,不对称回字形装置进口端变径,不对称回字形装置下部横向管线端变径,不对称回字形装置出口竖向管线端变径。
不同的流体在变径段产生不同的压降。本发明通过第一压差变送器4和第二压差变送器7、气体流量计6和液体流量计10中设置的压力测定模块对下部横向一次变径管段8变径前后产生的压降进行测定,通过压差生成单元13传输压差数据;通过旋流测定模块5对流体在气体流量计6处被迫旋转产生的旋流信号进行测定;通过含水率检测模块9在液体流量计10进口处流体进行含水率测定;最后通过数据采集与处理单元14综合判定,选择准确的计量模型、并校正。
图3显示了根据本发明的一个实施例的不对称回字形两相计量方法流程图。
如图3所示,在步骤S301中,通过入口端位置高于出口端的不对称回字形装置实现气液分离。不对称回字形装置通过二次气液分离,形成液体体积占比大于98%以上流体。
如图3所示,在步骤S302中,通过设置在不对称回字形装置上的数据采集与检测模块采集旋流信号、含水率数据、压差数据、气体数据以及液体数据。通过旋流信号、压差数据和含水率数据进行流态综合识别。
如图3所示,在步骤S303中,通过与不对称回字形装置以及检测模块通信的计量模块依据流态情况结合气体积算模型和/或气液两相积算模型,实现气液两相在线实时计量。通过计量模块按液体和气体流量公式分别积算和修正,即实现气液两相在线实时计量。
本发明将U型管原理和流态多因素综合识别法相结合,利用传感器的信号对两相流量分别进行求解修正和积算,提高流量测定精确度;具有结构简单、低成本、占地小、应用范围广等优点。本发明可实现对工业现场水平与竖直管道中两流介质的实时计量,同时通过旁通实现了计量仪表的在线标定。
综上,与现有两相流量计及方法相比,本发明的优点在于:
1)提出了一种新思路,采用简易“回字形”结构实现气液二次分离计量,具有结构简单、低成本、占地小、应用范围广等优点。
2)提出旋流信号、压差和含水率多条件气、液多因素综合识别方法,提高了流体判定准确定。
3)利用各传感器的信号对两相流量分别进行求解修正和积算,提高流量测定精确度。
4)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。
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、处理步骤或材料,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。
在本发明的描述中,除非另有说明,“多个”的含义是两个或两个以上;术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”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发明和简化描述,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发明的限制。此外,术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“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;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连。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发明中的具体含义。
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。
本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的,而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用,并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。
虽然本发明所公开的实施方式如上,但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式,并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员,在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下,可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化,但本发明的专利保护范围,仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。
Claims (10)
1.一种不对称回字形两相计量系统,其特征在于,所述系统包含:
不对称回字形装置,其入口端位置高于出口端,用于实现气液分离;
数据采集与检测模块,其设置在所述不对称回字形装置上,用于采集旋流信号、含水率数据、压差数据、气体数据以及液体数据;
计量模块,其与所述不对称回字形装置以及所述检测模块通信,用于依据流态情况结合气体积算模型和/或气液两相积算模型,实现气液两相在线实时计量。
2.如权利要求1所述的不对称回字形两相计量系统,其特征在于,所述不对称回字形装置包含:
上部横向直管段,其第一端与所述第四纵向管段的第一端连接,第二端与所述第五纵向管段的第一端连接;
下部横向一次变径管段,其第一端与所述第四纵向管段的第二端连接,第二端与所述第五纵向管段的第二端连接;
其中,所述第三横向管段的第一端为入口端,第二端与所述第四纵向管段连接,所述第六横向管段的第二端为出口端,第一端与所述第五纵向管段连接。
3.如权利要求2所述的不对称回字形两相计量系统,其特征在于,所述数据采集与检测模块包含:
气体流量计,其设置在所述上部横向直管段上,用于测量得到所述气体数据;
液体流量计,其设置在所述下部横向一次变径管段上,用于测量得到所述液体数据。
4.如权利要求3所述的不对称回字形两相计量系统,其特征在于,所述数据采集与检测模块包含:
旋流测定模块,其设置在所述气体流量计的上游,用于测量得到所述旋流信号;
含水率检测模块,其设置在所述液体流量计的上游,用于测量得到所述含水率数据。
5.如权利要求4所述的不对称回字形两相计量系统,其特征在于,所述数据采集与检测模块包含:
第一压差变送器,其设置在所述旋流测定模块的上游,用于检测得到上游位置的第一压力值;
第二压差变送器,其设置在所述含水率检测模块的上游,用于检测得到上游位置的第二压力值;
压差生成单元,其与所述第一压差变送器以及所述第二压差变送器通信,用于基于所述第一压力值以及所述第二压力值计算得到所述压差数据。
6.如权利要求1所述的不对称回字形两相计量系统,其特征在于,所述计量模块包含:
流态分析模块,其用于依据所述旋流信号、所述含水率数据以及所述压差数据判断流态,其中:
当所述旋流信号大于旋流预设值且所述压差数据大于压差预设值时,判断为气液两相,否则判断为单气相;
当含水率数据大于预设含水率值时,判断为单液相。
10.一种不对称回字形两相计量方法,其特征在于,通过如权利要求1-9中任一项所述的不对称回字形两相计量系统进行气液两相在线实时计量,所述方法包含:
通过入口端位置高于出口端的不对称回字形装置实现气液分离;
通过设置在所述不对称回字形装置上的数据采集与检测模块采集旋流信号、含水率数据、压差数据、气体数据以及液体数据;
通过与所述不对称回字形装置以及所述检测模块通信的计量模块依据流态情况结合气体积算模型和/或气液两相积算模型,实现气液两相在线实时计量。
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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