CN202748069U - 湿气流量测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种湿气流量测量装置，其通过将差压式流量测量器件和所述至少两个相分率计分别安装在管道上，流量计算模块分别与所述至少两个相分率计和差压式流量测量器件连接。差压式流量测量器件测量管道中湿气的总流量压差值；所述至少两个相分率计分别测量管道中湿气的截面含气率；流量计算模块根据所述至少两个相分率计分别测量的截面含气率，计算截面含气率优化值，并根据所述湿气的总流量压差值和所述截面含气率优化值，计算气体积流量率和液体积流量率。由于通过冗余的相分率计检测管道中湿气的截面含气率，从而可以对气体积流量率和液体积流量率进行精确的测量，满足油气田生产计量要求，有助于油气藏管理改善和生产优化。

Description

湿气流量测量装置

技术领域

本实用新型涉及测量领域，特别是涉及一种湿气流量测量装置。 

背景技术

湿气是指液态烃、水蒸气、游离水等组分的含量显著高于管道输送要求的天然气。在气田开采过程中，湿气计量存在于从单井开采到多井集输、净化处理、增压输送的各个过程中。湿气计量的数据有助于掌握气井生产能力、生产状况，是优化生产和改善气藏管理的主要依据。 

目前业内通用的湿气计量技术主要有两类，一类为分离计量法，一类为不分离在线计量法。 

分离计量法是使用分离器将湿气流体分离为气和液两种单相流体，然后在各自的出口分别进行气流量和液流量的计量。但是分离器对湿气的分离效果差，气路跑液和液路跑气的现象使得计量结果的误差比较大。其次，分离器的结构和流程复杂，系统维护和管理繁杂，需要控制的环节较多，因而导致运行维护费用高，不利于实现生产过程管理的自动化。 

湿气的不分离在线计量方法有两个发展方向，第一个发展方向是使用单相气体计量仪表（如科氏力质量流量计，内锥流量计，孔板流量计，涡轮流量计，超声流量计，文丘里流量计，涡街流量计等）对湿气进行计量，同时致力于研究发展建立各种经验模型找出“修正系数”，对计量结果进行修正，得到所谓的气流量率值，在这种湿气计量方法中，液流量率的计量手段一般采用取样法或示踪法。但是这种方法的局限性以及所面临的挑战主要有以下几点： 

（1）气流量率“修正系数”的适用范围有限且依赖于液流量率，但是液流量率的测量方式决定了其精度不够高甚至很差； 

（2）该气流量率“修正系数”方法仅限于极高含气率、液相成分极低的湿气，随着湿气中液相的成分增多，该方法的误差是难以接受的。 

第二个发展方向是沿用或改造多相流在线计量技术来进行湿气计量，图1描述了现有技术中的一种在线计量方案，其中差压式流量测量器件2测量管道1中湿气的总流量压差值，设置在管道1上的一个相分率计3测量管道1中湿气的截面含气率，流量计算模块4根据湿气的总流量压差值和截面含气率，计算气体积流量率Q_g和液体积流量率Q_l。 

由于在管道1上仅设置有一个相分率计，而相分率计自身存在漂移（如伽马相分率计的计数漂移），因此会产生计量误差，无法对管道中湿气的截面含气率进行精确计量。 

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种湿气流量测量装置，通过冗余的相分率计检测管道中湿气的截面含气率，从而可以对气体积流量率Q_g和液体积流量率Q_l进行精确的测量，满足油气田生产计量的要求，有助于油气藏管理改善和生产优化。 

根据本实用新型的一个方面，提供了一种湿气流量测量装置，包括管道、差压式流量测量器件、至少两个相分率计、和流量计算模块，其中差压式流量测量器件和所述至少两个相分率计分别安装在管道上，流量计算模块分别与所述至少两个相分率计和差压式流量测量器件连接，其中：差压式流量测量器件测量管道中湿气的总流量压差值ΔP；所述至少两个相分率计分别测量管道中湿气的截面含气率；流量计算模块根据所述至少两个相分率计分别测量的截面含气率，计算截面含气率优化值GVF_opt，并根据所述湿气的总流量压差值ΔP和所述截面含气率优化值GVF_opt，计算气体积流量率Q_g和液体积流量率Q_l。 

优选的，所述至少两个相分率计的轴线与管道的轴向相交且垂直。 

优选的，湿气流量测量装置还包括对气体积流量率Q_g和液体积流量率Q_l进行滑差修正的滑差修正模块。 

优选的，所述至少两个相分率计安装在管道的同一横截面上。 

优选的，所述至少两个相分率计安装在管道的不同横截面上。 

本实用新型通过将差压式流量测量器件和所述至少两个相分率计分别安装在管道上，流量计算模块分别与所述至少两个相分率计和差压式流量测量器件连接。差压式流量测量器件测量管道中湿气的总流量压差值ΔP；所述至少两个相分率计分别测量管道中湿气的截面含气率；流量计算模块根据所述至少两个相分率计分别测量的截面含气率，计算截面含气率优化值GVF_opt，并根据所述湿气的总流量压差值ΔP和所述截面含气率优化值GVF_opt，计算气体积流量率Q_g和液体积流量率Q_l。由于通过冗余的相分率计检测管道中湿气的截面含气率，从而可以对气体积流量率Q_g和液体积流量率Q_l进行精确的测量，满足油气田生产计量的要求，有助于油气藏管理改善和生产优化。 

附图说明

图1为现有技术中湿气流量测量方案的示意图。 

图2为本实用新型湿气流量测量装置一个实施例的示意图。 

图3为本实用新型湿气流量测量装置另一实施例的示意图。 

图4为本实用新型湿气流量测量装置水平安装一个实施例的示意图。 

图5为本实用新型湿气流量测量装置垂直安装一个实施例的示意图。 

具体实施方式

下面参照附图对本实用新型进行更全面的描述，其中说明本实用新型的示例性实施例。 

图2为本实用新型湿气流量测量装置一个实施例的示意图。如图2所示，该实施方式的湿气流量测量装置包括管道201、差压式流量测量器件202、至少两个相分率计203、和流量计算模块204。其中差压式流量测量器件202和所述至少两个相分率计203分别安装在管道201上，流量计算模块204分别与所述至少两个相分率计203和差压式流量 测量器件202连接。其中：差压式流量测量器件202测量管道中湿气的总流量压差值ΔP；所述至少两个相分率计203分别测量管道中湿气的截面含气率；流量计算模块204根据所述至少两个相分率计分别测量的截面含气率，计算截面含气率优化值GVF_opt，并根据所述湿气的总流量压差值ΔP和所述截面含气率优化值GVF_opt，计算气体积流量率Q_g和液体积流量率Q_l。 

根据本实用新型上述实施例提供的湿气流量测量装置，通过将差压式流量测量器件和所述至少两个相分率计分别安装在管道上，流量计算模块分别与所述至少两个相分率计和差压式流量测量器件连接。差压式流量测量器件测量管道中湿气的总流量压差值ΔP；所述至少两个相分率计分别测量管道中湿气的截面含气率；流量计算模块根据所述至少两个相分率计分别测量的截面含气率，计算截面含气率优化值GVF_opt，并根据所述湿气的总流量压差值ΔP和所述截面含气率优化值GVF_opt，计算气体积流量率Q_g和液体积流量率Q_l。由于通过冗余的相分率计检测管道中湿气的截面含气率，从而可以对气体积流量率Q_g和液体积流量率Q_l进行精确的测量，满足油气田生产计量的要求，有助于油气藏管理改善和生产优化。 

优选的，所述至少两个相分率计的轴线分别与管道的轴向相交且垂直。由于每个相分率计的轴线分别与管道的轴向相交且垂直，因此能够进一步确保测量结果的精度。 

优选的，所述至少两个相分率计可安装在管道的同一横截面上，也可安装在管道的不同横截面上。 

优选的，流量计算模块204可采用下列方式计算气体积流量率Q_g和液体积流量率Q_l。 

首先，根据所述截面含气率优化值GVF_opt，计算湿气的混合密度ρ_mix。 

例如，可利用公式 

ρ_mix=ρ_gasGVF_opt+ρ_liguid(1-GVF_opt) 

计算湿气的混合密度ρ_mix，其中ρ_gas为气体密度，ρ_liquid为液体密度。 

其次，根据湿气的总流量压差值ΔP以及湿气的混合密度ρ_mix，计算湿气的总体积流量率Q。 

例如，可利用公式 

$Q=K\sqrt{\frac{\mathrm{\ΔP}}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{mix}}}}$

计算湿气的总体积流量率Q，其中参数K为系统参数。 

最后，根据总体积流量率Q和截面含气率优化值GVF_opt，计算气体积流量率Q_g和液体积流量率Q_l。 

例如，可利用公式Q_g＝Q×GVF_opt计算气体积流量率Q_g；利用公式Q_l＝Q×（1－GVF_opt）计算液体积流量率Q_l。 

本领域技术人员可以了解的是，上述具体方式仅为一种示例，本领域技术人员可采用其它可替换的方式进行计算。 

流量计算模块204可利用求平均值的方法，通过对上述至少两个相分率计分别测量的截面含气率求平均，来计算截面含气率优化值GVF_opt。例如，可使用计算算术平均值、几何平均值、均方根平均值、加权平均值等方法进行计算。 

优选的，流量计算模块204可以采用下面的方式来计算截面含气率优化值GVF_opt。 

首先，流量计算模块204计算每个相分率计203测量的截面含气率X_i的短期局部可靠度函数F()， 

F(X_i)=D(X_i)=E([X_i-E(X_i)]²)， 

其中X_i表示第i个相分率计测量的截面含气率的时间序列，1≤i≤N，N为相分率计的个数，D()为方差函数，E()为期望函数。 

其次，流量计算模块204为每个相分率计测量的截面含气率X_i构造长期整体可靠度函数LF()，其中 

S_i[0]=X_i[0]， 

S_i[m]=αS_i[m-1]+(1-α)X_i[m]， 

LF(S_i)=D(S_i)， 

其中0≤α≤1，0≤m≤M-1，M为时间序列中包括的截面含气率个数，X_i[m]表示第i个相分率计测量的截面含气率的时间序列中的第m 个截面含气率。 

第三，流量计算模块204利用短期局部可靠度函数F()和长期整体可靠度函数LF()为每个相分率计测量的截面含气率X_i构造综合可靠度函数NICE()，其中 

$\mathrm{NICE}\left(X_i\right)=\frac{1}{F\left(X_i\right)+\mathrm{LF}\left(S_i\right)}.$

第四，流量计算模块204利用综合可靠度函数NICE()得到截面含气率优化值GVF_opt，其中 

${\mathrm{GVF}}_{\mathrm{opt}}\left[m\right]=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^N{X}_i\left[m\right]\mathrm{NICE}\left(X_i\right)}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^N\mathrm{NICE}\left(X_i\right)},$

GVF_opt[m]表示截面含气率优化值GVF_opt的时间序列中的第m个优化值。 

本领域技术人员可以了解的是，在该具体实施例中，将综合可靠度函数NICE()作为权值进行加权计算。 

本领域技术人员可以了解的是，上述加权计算方式仅为一种具体示例，本领域技术人员可采用其它可替换的方式进行计算。例如，在进行加权平均计算时，可采用其它方式获得权值，权值的形式也不限于此。同时，信号质量较高的信号所对应的权值也较大。 

图3为本实用新型湿气流量测量装置另一实施例的示意图。与图2所示实施性相比，湿气流量测量装置还包括滑差修正模块301，用于对气体积流量率Q_g和液体积流量率Q_l进行修正，以获得修正后的气体积流量率Q′_g和液体积流量率Q′_l。这里以气液环雾状流滑差精确解析解算法为例对气体积流量率Q_g和液体积流量率Q_l进行修正。其中： 

$Q_l^{,}=\frac{Q_l}{(1-{\mathrm{GVF}}_{\mathrm{opt}}+\mathrm{Slip}*{\mathrm{GVF}}_{\mathrm{opt}})},$

${Q_g}^{,}=\frac{Q_g*\mathrm{Slip}}{(1-{\mathrm{GVF}}_{\mathrm{opt}}+\mathrm{Slip}*{\mathrm{GVF}}_{\mathrm{opt}})},$

其中滑差因子Slip为 

$\mathrm{Slip}=\frac{(1-d)(\frac{1}{{\mathrm{\μ}}_k^{\′}}\frac{d}{\mathrm{\ϵ}}-2(\frac{d}{\mathrm{\ϵ}}-1))}{{(1-\frac{d}{\mathrm{\ϵ}})}^2+(1-\mathrm{\ϵ})(\frac{1}{{\mathrm{\μ}}_k^{\′}}{\left(\frac{d}{\mathrm{\ϵ}}\right)}^2-2({\left(\frac{d}{\mathrm{\ϵ}}\right)}^2-\frac{d}{\mathrm{\ϵ}}))},$

其中ε∈[d，1]，d＝ε×(r²/R²)，r为气相气柱的半径，R为管道的半径，μ′_k＝εμ_k-ε+1，μ_k为气液两相的粘度比，ε为环-雾状流气芯中的含气率，d为管道截面含气率。 

由于气相和液相之间的速度差异（即滑差）会引起误差，在现有技术中通常采用的解决方案是利用实验数据进行拟合，对气流量率和液流量率进行修正，但这种修正的缺点是经验模型对实验数据和测量条件的依赖性很强，无法做到通用性和精度兼顾。利用本实用新型给出的滑差修正方案，即气液环雾状流滑差精确解析解，通过对气体积流量率Q_g和液体积流量率Q_l进行修正，可以克服现有技术中的缺陷，进一步提高测量的精度。 

优选的，湿气流量测量装置可水平安装或垂直安装。图4为本发明湿气流量测量装置水平安装一个实施例的示意图。在图4中，箭头代表湿气流动方向，附图标记401表示管道，附图标记402表示差压式流量测量器件，附图标记403表示相分率计，为了简便起见，这里仅示出了两个相分率计。图5为本发明湿气流量测量装置垂直安装一个实施例的示意图。在图5中，箭头代表湿气流动方向，附图标记501表示管道，附图标记502表示差压式流量测量器件，附图标记503表示相分率计，同样为了简便起见，这里也仅示出了两个相分率计。 

根据本实用新型另一具体实施例，在管道上还安装压力变送器和温度变送器，用于分别测量管道内的压力和温度，从而进一步有助于油气藏管理的改善和生产优化。 

需要说明的是，图1－图5中涉及的各种器件、模块等（例如、差压式流量测量器件、流量计算模块、滑差修正模块等）可以是执行本申请所描述功能的通用处理器、数字信号处理器、专用集成电路、现场可编程门阵列或者其它可编程逻辑器件。 

本实用新型的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗 漏的或者将本实用新型限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本实用新型的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本实用新型从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。 

Claims (5)

1.一种湿气流量测量装置，其特征在于，包括管道、差压式流量测量器件、至少两个相分率计、和流量计算模块，其中差压式流量测量器件和所述至少两个相分率计分别安装在管道上，流量计算模块分别与所述至少两个相分率计和差压式流量测量器件连接，其中：差压式流量测量器件测量管道中湿气的总流量压差值ΔP；所述至少两个相分率计分别测量管道中湿气的截面含气率；流量计算模块根据所述至少两个相分率计分别测量的截面含气率，计算截面含气率优化值GVF_opt，并根据所述湿气的总流量压差值ΔP和所述截面含气率优化值GVF_opt，计算气体积流量率Q_g和液体积流量率Q_l。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述至少两个相分率计的轴线与管道的轴向相交且垂直。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，湿气流量测量装置还包括对气体积流量率Q_g和液体积流量率Q_l进行滑差修正的滑差修正模块。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的装置，其特征在于，所述至少两个相分率计安装在管道的同一横截面上。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的装置，其特征在于，所述至少两个相分率计安装在管道的不同横截面上。

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