CN205785377U - 一种测量湿气中气油水三相质量流量的测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种测量湿气中气油水三相各自质量流量的测量装置，其包括以下构件：差压型流量计，其具有喉部段；伽马射线探测器，其包括伽马射线发射器和伽马射线接收器，其布置方式使得伽马射线发射器发出的伽马射线沿直径方向穿过所述喉部段到达所述伽马射线接收器；其中，所述伽马射线发射器中的放射源为能天然发出至少三种能量伽马射线的多能放射源，所述伽马射线接收器中不使用恒温装置。本实用新型还涉及测量湿气中气油水三相各自质量流量的测量方法，其使用上述测量装置。本实用新型的测量装置因无需使用恒温装置且无需标定空管计数，非常适合在水下或井下条件下使用。

Description

一种测量湿气中气油水三相质量流量的测量装置

技术领域

本实用新型属于湿气流量计量领域。具体地，本实用新型涉及一种用于测量湿气中气油水三相质量流量的测量装置，尤其适合在水下油气生产环境中使用。

背景技术

油气工业中，油气井产物同时包含液相原油和气相天然气的气液混合流体，业内称之为多相流。其中所述气相包括例如油气田气或任何在常温下不凝的气体，具体地有如甲烷、乙烷、丙烷、丁烷等；所述液相可包括：油相，例如原油本身以及在原油开采过程中溶解在原油中的液体添加剂，以及水相，例如地层水、采用过程中注入油气井中的水以及溶解在水相中的其它液体添加剂。在实践中，油相和水相可能发生相分离，也可能油相和水相混合在一起，或是完全乳化的。如何实时准确地测量从油气井中采出的气液混合流体中气体的流量和液体的流量，以及如何更进一步地测量油相、气相和水相三相各自的流量，是油气藏管理和生产优化所必需的基础数据。当多相流中的气相质量含量高于80％时，通常称为湿气。海底油气田和页岩气开采中，采出物均为湿气。

流量计通常有体积流量计和质量流量计。流体，特别是气体，其体积是温度和压力的函数，是一个因变量，而流体的质量是一个不随所处温度、压力的变化而变化的量。常用的流量计中，如孔板流量计、涡轮流量计、涡街流量计、电磁流量计、转子流量计、超声波流量计和椭圆齿轮流量计等的流量测量值是都是流体的体积流量。而为了更加精准，在科学研究、生产过程控制、质量管理、经济核算和贸易交接等活动中所涉及的流体量一般多为质量。特别是，油气井产物的压力、温度及其成分是随流量条件不断变化的，采用质量流量更能准确反映实际情况，能够更合理地对油气藏管理和生产进行优化。但采用上述体积流量计仅仅测得流体的体积流量，这往往不能满足人们的要求，通常还需要设法获得流体的密度以求算流体的质量流量。这种先测量体积流量再依据流体密度以求算质量流量的测量方法，中间环节多，质量流量测量的准确度难以得到保证和提高。

对于湿气来说，需要精准测量其中气油水三相各自的质量流量。一个常规的方法是在测量湿气中气油水三相各自的体积流量之后，结合流体的温度和压力等参数后，通过修正、换算和补偿等方法估算出三相各自的工况密度后间接地得到各相的质量流量。

现有技术中最先进的同时测量湿气中气油水三相各自体积流量的方法是伽马射线计量法，其原理是利用文丘里管测量湿气的总体积流量，并用双能伽马射线探测器测量气油水三相各自的相分率，然后用总体积流量乘以各自气油水三相各自的相分率，得到气油水三相各自的体积流量。具体过程如下，伽马射线发射器发出两股股伽马射线，其初始强度分别为N₁₀和N₂₀，经过湿气吸收后，到达伽马射线接收器，检测到透射后的强度N₁和N₂，且二者之间存在公式

N₁₁＝N₁₀*exp(-μx)----(1)

N₂₁＝N₂₀*exp(-μx)----(2)

其中μ为湿气的吸收系数，x为伽马射线沿湿气的透射距离，即为管道直径D。其中吸收系数μ又与气相吸收系数μ_g、水相吸收系数μ_w、油相吸收系数μ_o存在以下关系：μ＝α_gμ_g+α_wμ_w+α_oμ_o,其中α_g、α_w和α_o分别为气油水三相的截面线性相分率，且存在以下约束：

α_g+α_w+α_o＝1----(3)

上述三个方程中，μ_g、μ_w、μ_o为已知常数，x为管道直径，也是已知值，N₁₁和N₂₁是测量值，而N₁₀和N₂₀虽然理论上是伽马射线“初始强度”，但实际上一般使用“空管计数值”来代替它，即管道内没有任何湿气时由伽马射线接收器测得的透射强度值，将此视为伽马射线“初始强度”。由此，上述方程中仅有α_g、α_w和α_o三个未知数，故可通过联立求解上述方程(1)(2)(3)就可以求解出α_g、α_w和α_o，又假设湿气中气油水是均匀混合的，则此截面线性相分率可认为是体积相分率，进而推算出气油水三相各自的体积分数，再结合文丘里管测出的总体积流量，则可得气油水三相各自的体积流量，进而通过估算三相各自的工况密度，来转换为三相各自的质量流量。

现有的采用伽马探测器的湿气流量计，其伽马探测器包括伽马射线发射器和伽马射线接收器，其中伽马射线发射器一般采用双能伽马射线发射器，实践中常用的方案为双能γ源的源仓是由两个²⁴¹Am源组成的一个复合结构或者选用133Ba的单颗放射源结构。例如，在使用两个²⁴¹Am放射源的情况下，产生两股59.5keV的伽玛射线，使其中一股伽玛射线作为高能伽玛射线直接穿过吸收介质，而使另一股伽玛射线轰击由银做成的靶材从而激发银发出能量为22keV的低能伽玛射线，并沿着与前述高能伽玛射线相同的路径通过该吸收介质，并一起被伽玛射线检测器检测它们的透射强度。但因为银靶材质和几何尺寸的差异，这样获得的两股伽马射线，其初始强度之间没有确定的比例关系。还可以以其它方式获得双能伽玛射线，例如使用¹³³Ba，该放射源发出的伽玛射线具有三个主要能级，分别为31keV，81keV，356keV，选取其中的任意两种的组合，例如采用31keV+81keV的组合方式，分别作为所述高能伽玛射线和低能伽玛射线。如上所述，使用双能伽玛射线，能提供湿气流体内部气油水三相的组成信息。关于双能伽马射线探测器的更多工作原理和设备细节，可参见相关的专著。本文不再赘述。尽管已经有人使用¹³³Ba对湿气流量进行测量，但之前从未有人同时使用过三种能量的伽马射线，因为双能伽马射线产生三个方程解出三个未知数就足以解决问题，人们没有必要使用三能伽马射线，多出一个方程N₃₁＝N₃₀*exp(-μx)反而让人无所适从。

但该伽马射线测量方法在实践中遇到以下问题：

伽马射线接收器一般采用闪烁晶体计数器或者光电倍增管计数器作为检测伽马射线透射强度的计数器，但这些计数器都存在不同程度的温度漂移现象，即测量到的伽马射线透射强度信号，会随着计数器本身的温度变化而发生漂移，致使透射强度信号测量出现误差。更严重的是，这种温度漂移不仅导致直接测得的透射强度的波动，而且会导致原本可以作为常数使用的“空管计数值”N₁₀和N₂₀的波动，致使技术人员不得不每隔数月就要重新标定“空管计数值”，以便维持解方程的精度，消除误差的积累。目前在技术上，为了消除此温度漂移现象，采用伽马射线探测技术的湿气量计都需要设置用于伽马射线接收器保持恒温的恒温装置，其一般是电加热器，通过内置或外接电源，使用控温电路将伽马射线接收器维持在高于环境温度的某个恒定温度上。即便如此，实践中仍需要每隔数月就要重新标定“空管计数值”，否则常数不常，严重影响测量准确度和精度。

对于那些在地面上工作的湿气流量计来说，恒温很容易做到，因为可以随时方便更换和维修电源和恒温装置。定期标定“空管计数值”也是容易做到的。但对于那些需要长期在水下工作的湿气流量计来说，例如在海底油气开采中使用的水下流量计，恒温装置的设计却带来了麻烦，主要是电源的更换、恒温装置本身的维护难度很大，甚至不可能。而没有恒温装置，又会给测量带来很大的误差。更要命的是，难以定期标定“空管计数值”，严重影响测量准确度。

因此，本领域需要一种结构相对简单且精确地在线测量湿气中气油水三相各自质量流量的计量装置和计量方法，更希望有一种能够在水下环境中不使用恒温装置也能精确测量气相、油相和水相各自质量流量的计量装置和计量方法。更需要避免每隔数月就要进行的“空管计数值”标定工作。

本实用新型致力于同时解决上述问题。

实用新型内容

本实用新型的第一方面提供了一种测量湿气中气、油、水各相质量流量的测量装置，其主要包括以下构件：

差压型流量计，其具有喉部段；

伽马射线探测器，其包括伽马射线发射器和伽马射线接收器，其布置方式使得伽马射线沿直径方向穿过所述喉部段到达所述伽马射线接收器；

其中，所述伽马射线发射器中的放射源为能天然发出至少三种能量伽马射线的多能放射源，所述伽马射线接收器中不必使用恒温装置。

其中，所述差压型流量计，包括节流圆管道、温度传感器和压力传感器。差压式流量计的基本原理是：在充满流体的圆管中设置文丘里、孔板或喷嘴之类的节流器件，将其直径最小处称为喉部，当流体流经节流器件时，在其上游与喉部之间就会产生静压力差，该静压力差与流过的流量之间有一个固定的函数关系，只要测得静压力差就可以由流量公式求得流量。

伽马射线探测器，其包括分别布置在所述节流圆管道横截面两侧的伽马射线发射器和伽马射线接收器，其中伽马射线发射器所发出的伽马射线以通过管道直径的方式在横截面穿过，到达伽马射线接收器；其中所述伽马射线发射器包括一个能天然发出至少三种不同能级的伽马射线的多能级伽马射线源，简称多能放射源；其中所述伽马射线探测器是具有伽马射线全能谱测量与分析能力的伽马射线探测器。

此外，所述测量装置还包括用于测量湿气温度的温度传感器和用于测量文丘里管入口处与喉部之间的压差的差压传感器。

本实用新型的第二方面涉及一种测量湿气中气油水各相质量流量的测量方法，其使用本实用新型第一方面所述的测量装置，该测量方法包括以下步骤：

a)通过温度传感器测量湿气温度T，通过差压传感器测量差压管入口处与喉部之间的压差ΔP；通过伽马射线探测器测量三个伽马射线的透射强度N_x,1、N_x,2和N_x,3；

b)通过以下公式计算湿气总质量流量和油、气和水三相各自质量流量：

总质量流量：

油质量流量：Q_m,o＝Q_m*OMF (5)

气质量流量：Q_m,g＝Q_m*GMF (6)

水质量流量：Q_m,w＝Q_m*WMF (7)

其中，

质量含油率，

质量含气率，

质量含水率，

其中Q_o，Q_g，Q_w分别为水、油、气三相的线性质量，具体为：

$\begin{array}{c}{Q}_o=\\ \mathrm{\θ}-\frac{(k_2-1)(d_1-d_2)+(k_4-k_2)(d_1-\mathrm{\θ})}{(k_2-1)(k_1-k_3)+(k_4-k_2)(k_1-1)}-\frac{(k_3-1)(d_1-d_2)+(k_3-k_1)(d_1-\mathrm{\θ})}{(k_3-1)(k_2-k_4)+(k_3-k_1)(k_4-1)}\end{array}$

$Q_g=\frac{(k_2-1)(d_1-d_2)+(k_4-k_2)(d_1-\mathrm{\θ})}{(k_2-1)(k_1-k_3)+(k_4-k_2)(k_1-1)}$

$Q_w=\frac{(k_3-1)(d_1-d_2)+(k_3-k_1)(d_1-\mathrm{\θ})}{(k_3-1)(k_2-k_4)+(k_3-k_1)(k_4-1)}$

其中

$\mathrm{\θ}=\frac{\mathrm{\π}}{4}{\left(\frac{C}{\sqrt{1-{\mathrm{\β}}^4}}\mathrm{\ϵ}D\right)}^2\mathrm{\Δ}P$

$k_1=\frac{a_{g,1}-a_{g,2}}{a_{o,1}-a_{o,2}}$

$k_2=\frac{a_{w,1}-a_{w,2}}{a_{o,1}-a_{o,2}}$

$d_1=\frac{1}{a_{o,1}-a_{o,2}}ln\left(\frac{f_1}{N_{x,2}}\right)-ln\left(N_{x,1}\right)$

$k_3=\frac{a_{g,1}-a_{g,3}}{a_{o,1}-a_{o,3}}$

$k_4=\frac{a_{g,1}-a_{g,3}}{a_{o,1}-a_{o,3}}$

$d_2=\frac{1}{a_{o,1}-a_{o,3}}ln\left(\frac{f_2}{N_{x,3}}\right)-ln\left(N_{x,1}\right)$

各式中字母含义如下：

C为节流型流量计流出系数；

ε为流体压缩修正因子；

β为节流型流量计直径比；

D伽马射线测量的厚度，即为管道直径；

ΔP差压，为测量值；

N_x,1、N_x,2和N_x,3分别为三种能量伽马射线的透射强度，为测量值；

ρ_mix湿气在测量横截面上的平均面密度

ρ_mix＝(Q_o+Q_g+Q_w)/S

S为测量横截面的面积

α为待测流体对伽马射线的线性质量吸收系数，Q为伽马射线沿湿气的线性质量，下标1、2和3分别代表不同能级的伽马射线，w、o和g分别代表水、油和气；

f1、f2分别为第二股伽马射线和第三股伽马射线的初始强度相对于第一股伽马射线的初始强度的比值。

相对于传统测量方法，本实用新型的测量方法取消了对伽马射线接收器的测量结果进行温度漂移校正的操作，也取消了对空管计数进行标定的操作。

本实用新型的优点如下：

1、采用能天然发出三种以上能量伽马射线的多能放射源，由于其天然发出的三种能量的伽马射线之间的强度比值是固有且恒定的，非人力所能改变，且不受任何外在温度、压力变化的影响，这给本实用新型计量公式的求解带来极大的便利和简化，在世界上首次实现了直接测量出湿气中气、油、水三相的质量流量，而无需先测量体积流量，再通过密度去求算各相的质量流量，测量方法简单直接，测量原理有严格的数学依据。

2、彻底消除了用于使伽马射线接收器保持恒定温度的恒温装置，大大简化了测量装置的结构，也使得本实用新型的测量装置能够方便可靠地长期在水下环境工作，无需担心更换恒温装置电源和维护恒温装置的困扰。

3、从技术原理上彻底消除了对“空管计数值”进行标定的工作，非常适合水下或井下长期工作。

4、由于从根本上消除了伽马射线测量系统中温度漂移的影响，因此测量结果更加准确且精度更高。

附图说明

图1是本实用新型的测量装置的正视图。

图2是图1中“A—A”剖视图。

图3是本实用新型的测量装置的侧视图。

图4是图3中“B—B”剖视图。

附图标记含义如下：

1、伽马射线发射器；2、放射源屏蔽器；3、伽马射线接收器；4、喉部；5、组合传感器，其分别测量流体的温度、压力、流经节流管的压差；6、差压型流量计。

以上附图仅用于示例性地说明本实用新型的技术构思和技术方案，而不以任何方式限制本实用新型。

具体实施方式

为了便于理解本实用新型，首先对油气湿气计量领域中的一些术语简单介绍如下：

“质量流量”是指单位时间内流过的流体的质量，在SI单位制中，其量纲可以为kg/s。

“体积流量”是指单位时间内流过的流体的体积，在SI单位制中，其量纲可以为m³/s。

“线性质量”是指采用伽马射线测量湿气时，单位面积上、伽马射线所透过流体的质量。根据所穿透流体的性质，分别有三个线性质量Q_o，Q_g，Q_w，分别为水线性质量、油线性质量和气线性质量。利用水、油和气的线性质量、总质量流量与管道的直径存在如下关系:

$Q_o+Q_g+Q_w=\frac{\mathrm{\π}}{4}{\left(\frac{C}{\sqrt{1-{\mathrm{\β}}^4}}\mathrm{\ϵ}D\right)}^2\mathrm{\Δ}P---\left(8\right).$

“径向”是指沿着流通管道截面圆的直径方向。

下文重点对本实用新型的湿气质量流量测量方法进行详细介绍。

本实用新型中，使用传统的差压型流量计，例如使用文丘里流量计，通过差压的测量，由下式计算得到湿气的总质量流量：

$Q_m=\frac{C}{\sqrt{1-{\mathrm{\β}}^4}}\mathrm{\ϵ}\frac{\mathrm{\π}}{4}{D}^2\sqrt{{\mathrm{\ΔP\ρ}}_{mix}}---\left(9\right)$

式中C为节流型流量计流出系数，ε为流体压缩修正因子，β为节流型流量计直径比，ΔP为压差，ρ_mix为流体密度(对于湿气而言，指混合密度)，D为管道直径。

接下来，通过使用多能放射源的伽马射线探测器，测量湿气中气油水三相各自的质量流量。

首先，根据伽马射线吸收方程有：

伽马射线1吸收方程:

$ln\left(\frac{N_{0,1}}{N_{x,1}}\right)=a_{o,1}{Q}_o+a_{g,1}{Q}_g+a_{w,1}{Q}_w---\left(10\right)$

伽马射线2吸收方程:

$ln\left(\frac{N_{0,2}}{N_{x,2}}\right)=a_{o,2}{Q}_o+a_{g,2}{Q}_g+a_{w,2}{Q}_w---\left(11\right)$

伽马射线3吸收方程:

$ln\left(\frac{N_{0,3}}{N_{x,3}}\right)=a_{o,3}{Q}_o+a_{g,3}{Q}_g+a_{w,3}{Q}_w---\left(12\right)$

其次，根据文丘里测量的质量流量与线性质量的关系，有方程：

$Q_o+Q_g+Q_w=\frac{\mathrm{\π}}{4}{\left(\frac{C}{\sqrt{1-{\mathrm{\β}}^4}}\mathrm{\ϵ}D\right)}^2\mathrm{\Δ}P---\left(13\right)$

其中Q_w，Q_o，Q_g分别为水、油、气三相各自的线性质量。

根据放射源的特性，N_o，1、N_o,2和N_o，3存在比例关系：

N_0，2＝f₁N_0，1,N_o，3＝f₂N_o,1，其中f₁和f₂是已知比例系数，系天然恒定的系数，不随任何测量条件而改变，由于比例系数的存在，故三个未知量N_0，2、N_0，3、N_0,1实际上只能算作一个未知量N_0,1。

这样，可以通过上述(10)-(13)四个方程就可以直接精确求解N_0,1，Q_w，Q_o，Q_g4个未知量，从而消除了对N_0,1进行测量或标定的需要，由于不需要标定N_0,1(即空管计数值)，从根本上避免了伽马射线接收器中的温度漂移对测量的影响，也就不需要在伽马射线接收器中设置恒温装置。

该方程组中，a_o，1、a_o，2、a_o，3,a_g，1、a_g，2、a_g，3和a_w，1、a_w，2、a_w，3分别为油、气和水对伽马射线1、伽马射线2和伽马射线3在工况条件下的线性质量吸收系数，f₁、f₂为固定值，可通过标定方式而得到，N_x，1、N_x，2、N_x，3、ΔP为测量值，因而可以直接求解线性质量Q_o、Q_g、Q_w为

$\begin{array}{c}{Q}_o=\\ \mathrm{\θ}-\frac{(k_2-1)(d_1-d_2)+(k_4-k_2)(d_1-\mathrm{\θ})}{(k_2-1)(k_1-k_3)+(k_4-k_2)(k_1-1)}-\frac{(k_3-1)(d_1-d_2)+(k_3-k_1)(d_1-\mathrm{\θ})}{(k_3-1)(k_2-k_4)+(k_3-k_1)(k_4-1)}\end{array}---\left(14\right)$

$Q_g=\frac{(k_2-1)(d_1-d_2)+(k_4-k_2)(d_1-\mathrm{\θ})}{(k_2-1)(k_1-k_3)+(k_4-k_2)(k_1-1)}---\left(15\right)$

$Q_w=\frac{(k_3-1)(d_1-d_2)+(k_3-k_1)(d_1-\mathrm{\θ})}{(k_3-1)(k_2-k_4)+(k_3-k_1)(k_4-1)}---\left(16\right)$

再由文丘里计算质量流量公式和质量相分率的定义，最终得到气、油和水三相的质量流量及总质量流量的计算公式为，

Q_m，o＝Q_m*OMF (17)

Q_m，g＝Q_m*GMF (18)

Q_m,w＝Q_m*WMF (19)

上述方程中，

$\mathrm{\θ}=\frac{\mathrm{\π}}{4}{\left(\frac{C}{\sqrt{1-{\mathrm{\β}}^4}}\mathrm{\ϵ}D\right)}^2\mathrm{\Δ}P$

$k_1=\frac{a_{g,1}-a_{g,2}}{a_{o,1}-a_{o,2}}$

$k_2=\frac{a_{w,1}-a_{w,2}}{a_{o,1}-a_{o,2}}$

$d_1=\frac{1}{a_{o,1}-a_{o,2}}ln\left(\frac{f_1}{N_{x,2}}\right)-ln\left(N_{x,1}\right)$

$k_3=\frac{a_{g,1}-a_{g,3}}{a_{o,1}-a_{o,3}}$

$k_4=\frac{a_{g,1}-a_{g,3}}{a_{o,1}-a_{o,3}}$

$d_2=\frac{1}{a_{o,1}-a_{o,3}}ln\left(\frac{f_2}{N_{x,3}}\right)-ln\left(N_{x,1}\right)$

C为节流型流量计流出系数

ε为流体压缩修正因子

β为节流型流量计直径比

D伽马射线测量的厚度，即为管道直径

ΔP差压

ρ_mix湿气在测量横截面上的平均面密度

ρ_mix＝(Qo+Q_g+Q_w)/S

S为测量横截面的面积

质量含油率O

质量含气率，

质量含水率，

Q_o，Q_g，Q_w分别为需要求解的水、油、气三个线性质量；

α为湿气对伽马射线的线性质量吸收系数，Q为伽马射线沿湿气的线性质量，下标1、2和3分别代表不同能级的伽马射线，w、o和g分别代表水、油和气。

本实用新型所述的测量装置及测量方法，是针对湿气中三相(油、气和水)的质量流量进行测量并计算进行阐述的，该装置及测量方法同样适用于对两相流进行测量并计算气相和液相的各自质量流量，相应地，利用伽马射线的放射源的两种能级，计算质量流量的原理和方法可以根据上述内容进行类推。

Claims (3)

1.一种测量湿气中气、油、水三相质量流量的测量装置，其包括以下构件：

差压型流量计，其具有喉部段；

伽马射线探测器，其包括伽马射线发射器和伽马射线接收器，其布置方式使得伽马射线发射器发出的伽马射线沿直径方向穿过所述喉部段到达所述伽马射线接收器；

其特征在于：

所述伽马射线发射器中的放射源为能天然发出至少三种能量伽马射线的多能放射源，所述伽马射线接收器中不使用恒温装置。

2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：还包括用于测量湿气温度的温度传感器和用于测量差压型流量计的节流管入口处与喉部之间的压差的差压传感器。

3.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：所述多能放射源为¹³³Ba，其至少能发出31keV、81keV和356keV三种能量的伽马射线，或为¹⁷⁶Lu其至少能发出307keV、202keV和88keV三种能量的伽马射线。