CN212206194U - 一种油田生产井采出液含水率、含气率及流量的测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种油田生产井采出液含水率、含气率及流量的测量装置，包括控制器和倒置U型管段；所述倒置U型管段，包括依次连接的进口管、垂直上升管、水平管、垂直下降管以及水平出口管；其中，所述垂直上升管设有第一差压传送器；所述垂直下降管上依次设有节流元件和静态混合器；在所述垂直下降管与所述水平出口管的连接处，安装有含水率传感器；所述节流元件上设有第二差压传送器；所述控制器分别与第一差压传送器、第二差压传送器和含水率传感器连接。该测量装置可靠性高、体积小、标定方便并能满足现场安装维护的需要；通过控制器可实现自动化、实现实时在线测量，可以准确测算出三相流的含水率、含气率还有质量以及体积流量。

Description

一种油田生产井采出液含水率、含气率及流量的测量装置

技术领域

本实用新型涉及油田测量技术领域，特别涉及一种油田生产井采出液含水率、含气率及流量的测量装置。

背景技术

目前，在世界上的所有油田的采油井中，产油率和产油量是油田生产最重要的基本数据，我国绝大多数油田采用二次三次驱油作业，二次采油是采用水驱技术，三次采油采用三元复合驱技术。我国大庆油田、吉林油田、塔里木油田、胜利油田等大型油田由于油田老化多采用类似的技术进行深度采油。

二次三次驱油作业条件下，采出物是一种三相流(气相、水相、油相)，气相中可能的组分是H₂S、CO₂和低碳数烃类等，水相中包含驱油化学品，油相指粗原油。各个油田为了实时监测油井的采出水量，需要精确地掌握油井的产油量，则必须定期测定油井产出液的含水量。

油井的单井计量是油田开发动态分析取资料的必要手段，由于常规的油井计量周期比较短，多年来油田大多采用多井式计量站来完成。目前国内外油田油井计量通常采用的方法有五种：(1)水平高架罐量油；(2)玻璃管量油；(3)翻斗量油；(4)液面恢复法；(5)功图法。

现有技术中含水率的测量：三相流从地下转移到地面后，由于温度压力的变化，形态发生变化，油水气快速分离，气体从体相中溢出，水相下沉，油相上浮，水相中以水包油的形式含不确定的油，油相中以油包水的形式含不确定的水，水包油形式的含油量和油包水的含水率均是动态变化的，导致测量原油产率非常困难。油田由于没有简单可靠的测试油水比率的方法,使得油田数据化工作难以进展，特别是采出液中高含气高含水的工况测量难度更大。

而且现有的一些专利技术以及产品，为了保证测量的可靠性，必须确保含水率传感器表面的清洁，需要通过自吸泵还有四个电磁阀才能实现自清洁和测量，结构繁琐，体积庞大；有一些专利产品，驱动机构在外部，通过来回往复运动来达到清洗传感器表面的目的，密封性非常难以维持。

特别是一些含气率高的井，因为含气率的影响未知，标定含水率传感器需要很长的时间，而且准确性很难保证。

现有技术中流量的测量：水平高架罐量油法和玻璃管流量计及翻斗量油计量法，由于计量方法比较原始，工人劳动强度大，准确度低，可靠性差，尤其是超稠油油井产量的计量，速度非常慢，含气不易排出，需要沉降4小时以上，无法实现实时在线计量；还有些方法利用容积法原理来测量，因为有气体混在采出液中，导致液量数据不准确。最近几年，国内还有一些油田采用液面恢复法和功图法计量，由于这两种计量方法需要大量的油井生产数据，难以做到计算机自动识别功图，并且需要一些经验参数，具有较大的人为因素，造成计量误差大，使用效果不理想。这些都给油井自动化技术推广带来巨大瓶颈。

因此，如何研究出一种可靠高、体积小、标定方便，并能满足现场安装维护需要的油田生产井采出液含水率、含气率及流量的测量装置，是本领域技术人员亟需解决的问题。

实用新型内容

鉴于上述问题，本实用新型提供一种至少解决上述部分技术问题的油田生产井采出液含水率、含气率及流量的测量装置。

一种油田生产井采出液含水率、含气率及流量的测量装置，包括控制器和倒置U型管段；

所述倒置U型管段，包括依次连接的进口管、垂直上升管、水平管、垂直下降管以及水平出口管；

其中，所述垂直上升管设有第一差压传送器；所述垂直下降管上依次设有节流元件和静态混合器；在所述垂直下降管与所述水平出口管的连接处，安装有含水率传感器；所述节流元件上设有第二差压传送器；

所述控制器分别与第一差压传送器、第二差压传送器和含水率传感器连接。

进一步地，还包括：用于清洗所述含水率传感器的清洗部件；

所述清洗部件包括：驱动机构、丝杆螺母机构和清洁件；

所述驱动机构的驱动轴与所述丝杆螺母机构的丝杆驱动连接；

所述清洁件一端固定在所述丝杆螺母机构的螺母块上，另一端套设在所述含水率传感器的探针上；

其中，所述驱动机构位于管道外，所述丝杆螺母机构及清洁件位于管道内；

所述控制器与所述驱动机构控制连接。

进一步地，所述驱动机构的驱动轴与管道壁之间设有密封环。

进一步地，所述清洁件为环状的毛刷或橡胶圈。

进一步地，所述静态混合器的出液端设有节流喷嘴。

进一步地，所述节流元件为文丘里管、节流喷嘴或切流孔板。

进一步地，所述控制器为PLC控制器或工控机。

进一步地，所述控制器还设有：无线通信模块；所述控制器通过无线通信方式与远程终端连接。

进一步地，所述无线通信模块，包括下述一项或多项：

WIFI模块、公众移动通信网通信模块、蓝牙模块、近场通信模。

本实用新型实施例提供的一种油田生产井采出液含水率、含气率及流量的测量装置，该装置可测出出油田生产井采出液的含水率、含气率及流量。

1、在流量较大的时候，比如当超过100m³/d(立方米每天)时，本实用新型采用在垂直上升管设置差压变送器、在垂直下降管与水平出口管的连接处安装有含水率传感器、及在垂直下降管设置文丘里流量计，可以准确测算出三相流的含水率、含气率还有质量以及体积流量。

2、根据控制器与第一差压传送器、第二差压传送器和含水率传感器的连接，通过对流量进行实时的统计和计算，实现了测量过程的自动化，提高了测量的准确性和测量效率。

本实用新型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，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。

在附图中：

图1为本实用新型实施例提供的油田生产井采出液含水率、含气率及流量的测量装置的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的含水率传感器及清洗部件的放大图；

图3为本实用新型实施例提供的文丘里管结构图；

图4为本实用新型实施例提供的节流喷嘴结构图；

图5为本实用新型实施例提供的切流孔板结构图。

图6为本实用新型实施例提供的控制器与多个部件之间连接的结构示意图。

附图中：1-控制器，2-倒置U型管段，21-第一差压传送器，22-节流元件，23-静态混合器，24-含水率传感器，25-第二差压传送器，26-清洗部件，261-驱动机构，262-丝杆螺母机构，263-清洁件，27-节流喷嘴。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

参照图1所示，本实用新型实施例提供的一种油田生产井采出液含水率、含气率及流量的测量装置，包括：控制器1和倒置U型管段2；

其中，倒置U型管段2包括：依次连接的进口管、垂直上升管、水平管、垂直下降管以及水平出口管。垂直上升管、水平管、垂直下降管可以做成一体管，增强倒置U型管段的刚性。

垂直上升管设有第一差压传送器21；垂直下降管上依次设有节流元件22和静态混合器23；在垂直下降管与水平出口管的连接处，安装有含水率传感器24；该节流元件22上设有第二差压传送器25；该各个部件可通过法兰连接安装在管段上。该节流元件22和第二差压传送器25也可统称为文丘里流量计。

控制器1分别与第一差压传送器21、第二差压传送器25和含水率传感器24连接。

在含水率传感器的上游段，通过设置静态混合器，利用固定在管内的混合单元体改变液体在管内的流动状态，以达到水、油、气之间良好分散和充分混合的目的，从而提高含水率传感器对含水率的精准测量。

为了更进一步地增加混合的效果，可在静态混合器的出液端设有节流喷嘴。

本实施例中，在流量较大的时候，比如当超过100m³/d(立方米每天)时，测量过程如下：该测量装置由第一差压变送器、文丘里流量计、静态混合器加上带自清洁功能的含水率传感器总成，中间的连接管道可以是弧形管道或者U型管，或者其它阻力比较小的过渡管道，并保证文丘里流量计的稳流管道的长度。在图示1的情况下，采出液先从右下角的法兰进入，经过第一差压传感器，产生差压DP1，再经过文丘里流量计产生差压DP2，经过静态混合器之后，流体得到充分的混合，进入带自清洁装置的含水率传感器总成，然后测试结束进入汇管。

该测量装置通过采用在垂直上升管设置差压变送器、在垂直下降管与水平出口管的连接处安装有含水率传感器、及在垂直下降管设置文丘里流量计，可以准确测算出三相流的含水率、含气率还有质量以及体积流量。并根据控制器与第一差压传送器、文丘里流量计和含水率传感器的连接，通过对流量进行实时的统计和计算，实现了测量过程的自动化，提高了测量的准确性和测量效率。

在一个实施例中，在实际应用中，该含水率传感器24所安装的管路，可通过三通法兰接入到垂直下降管与水平出口管之间。当含水率传感器24出现故障时，方便维修和更换。

在含水率传感器24长期的测量过程中，表面探针容易附着部分泥砂、粘滞物及腐蚀物质；导致后续测量出现误差或测量不准确；因此，需要定期对含水率传感器24表面进行清洁。因此，该测量装置还包括一个用于清洗该含水率传感器的清洗部件26。

参照图2所示，将该清洗部件26与含水率传感器24组装在一起；其中，清洗部件26包括：驱动机构261、丝杆螺母机构262和清洁件263；该驱动机构261通过输出轴驱动丝杆螺母机构262的丝杆旋转。清洁件263一端固定在丝杆螺母机构262的螺母块上，另一端套设在含水率传感器24的探针上；控制器1与驱动机构261控制连接，驱动机构驱动丝杆螺母机构，带动清洁件在含水率传感器的探针上往复运动，实现对附着物的清理；保证含水率传感器的正常使用。

其中，该驱动机构261位于管道外，丝杆螺母机构262及清洁件263位于管道内；相比传统的将传动机构也设置管道外部，其所需的密封件较少，只需驱动机构的驱动轴与管道壁之间设有一道密封环即可；对管道的影响较小，不易造成管道的泄漏，同时也增加了清洗部件的使用寿命。

该清洁件263为环状的毛刷或橡胶圈，保证容易清理附着物，且耐腐蚀，不与管道内的采出液产生反应。

进一步地，该驱动机构261可以是液压驱动、气压驱动和电气驱动等驱动方式，本公开实施例对此不作限定；比如以电气驱动的驱动电机为例，控制器与驱动电机的驱动器控制连接；说明下自动清洁的工作原理：

当测量完成后，通过控制器控制驱动器，使驱动电机开始工作，通过输出轴驱动丝杆螺母机构往复运动，从而实现清洁件来回往复运动，带动清洁件在含水率传感器探针的表面来回清洁，确保表面无附着物。

进一步地，参照图3-5所示，该节流元件可分别为文丘里管、节流喷嘴或切流孔板等。可根据各自的优缺点合理选择即可。

比如，在使用切流孔板时，当流体中携带的固体而造成过度压力损失或部件磨损，也会造成严重的湍流；另外切流孔板也需要经常清洗和定期检查、更换，日常维护工作量大。而为了减少湍流，可更换节流喷嘴；为了减少维护工作量，可采用文丘里管。

进一步地，可参照图6所示，上述控制器1比如可以是PLC控制器，PLC控制器是可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller，PLC)，一种具有微处理机的数字电子设备，用于自动化控制的数字逻辑控制器。PLC控制器可以将上述驱动机构的的控制指令加载在内存内储存与执行。

另外，上述控制器1比如还可以是工控机，工控机有重要的计算机属性和特征，如具有计算机CPU、硬盘、内存、外设及接口，并有操作系统、控制网络和协议、计算能力、友好的人机界面。比如该测量装置上的第一差压传送器、第二差压传送器和含水率传感器，另外，还可以在管道上设置温度传感器、压力传感器、浓度计等，通过工控机获取上述传感设备的反馈数据，可进行统计和计算，并显示温度，压力，浓度等参数。

进一步地，该控制器还可以设有无线通信模块，实现与远程终端的连接，接收远程终端的控制指令，也可以反馈实时工作状态的相关参数，可以实现远程对测量时间、频次的控制，适用油田生产情况的实际需要。其中，无线通信模块，可以是WIFI模块、公众移动通信网通信模块、蓝牙模块和近场通信模块的任一种。公众移动通信网通信模块可以是各种制式的2G、3G、4G、5G通信模块，近场通信模块可以是NFC(Near Field Communication)模块等。

下面分别对采出液含水率、含气率及流量的测量过程和原理展开说明。

本实用新型实施例提供的油田生产井采出液含水率、含气率及流量的测量装置：

1、通过自定清洁功能的含水率传感器，可获得采出液的含水率。

通过电特性方法时的情况，一般由电容法或者微波法来实现，主要靠检测油气水混合物的介电常数来判定。

混合物的相对介电常数有多种算法，但都是油、气、水三者的体积比和介电常数的综合函数。以体积比法为例来说，原油含水率计算公式的推导油气水三相混合流体可近似为一定体积的空气、一定体积的纯水和一定体积的纯油三部分组成的混合物。混合物的相对介电常数可以表示为：

(1)式中：V_g、V_w、V_o：分别表示混合物中空气、纯水、纯油的体积；V为混合物的体积；

分别表示纯水和纯油的相对介电常数。空气的相对介电常数为1。

2、利用垂直上升管上的第一差压传送器，假设第一差压传送器两个点的高度差为h，根据伯努利方程，可以得知：

ΔP₁＝ρ_Mgh (2)

(2)(3)式中：

V_g、V_w、V_o：分别表示混合物中空气、纯水、纯油的体积；

V为混合物的体积；

ρ_g、ρ_w、ρ_o：分别表示空气、纯水、纯油的密度，均为已知量；

ρ_M表示空气、油、水混合物的密度；根据测量出的ΔP₁、已知的gh，可计算出ρ_M。

另外，因为

根据公式(1)-(4)，可以推算出气、油、水分别的体积比：

即得到含气率。

3、如果采出液的流量比较大，一般来说超过100m³/d(立方米每天)，假设第二差压传送器测得节流元件的压差为ΔP₂

根据节流元件(如孔板、文丘里管及节流喷嘴等)的流量公式，油、水、气混合物的总质量流量M_T和在管道内平均流速u_M可分别表示为：

(5)(6)式中：

A表示管道的截面积；

β表示节流元件的喉部内经与管道内经之比；

α表示节流元件的流量系数；

ρ_M表示油、水、气混合物的密度；

ΔP₂表示节流元件的动压差。

综上，根据公式(1)-(6)可以计算出水、油、气三种物质的体积流量和质量流量。

本实施例中，该测量装置采用了改进的、容易维护的自清洁含水传感器的装置，让含水率检测大范围应用得到可能；在采出液流量大于100m³/d的时候，让带自清洁装置的含水率和垂直管道的差压传感器和文丘里流量计(或者其它差压流量计)配合在一起，考虑到现有中国油田水驱井含水率高、采出液粘度低的情况，利用了差压流量计在流量越大越准确、粘度越低越准确的优点。另外，该测量装置可靠性高、体积小、标定方便并能满足现场安装维护的需要；通过控制器可实现自动化、实现实时在线测量，测量结果更为精确。

显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种油田生产井采出液含水率、含气率及流量的测量装置，其特征在于，包括控制器(1)和倒置U型管段(2)；

所述倒置U型管段(2)，包括依次连接的进口管、垂直上升管、水平管、垂直下降管以及水平出口管；

其中，所述垂直上升管设有第一差压传送器(21)；所述垂直下降管上依次设有节流元件(22)和静态混合器(23)；在所述垂直下降管与所述水平出口管的连接处，安装有含水率传感器(24)；所述节流元件(22)上设有第二差压传送器(25)；

所述控制器(1)分别与第一差压传送器(21)、第二差压传送器(25)和含水率传感器(24)连接。

2.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，还包括：用于清洗所述含水率传感器(24)的清洗部件(26)；

所述清洗部件(26)包括：驱动机构(261)、丝杆螺母机构(262)和清洁件(263)；

所述驱动机构(261)的驱动轴与所述丝杆螺母机构(262)的丝杆驱动连接；

所述清洁件(263)一端固定在所述丝杆螺母机构(262)的螺母块上，另一端套设在所述含水率传感器(24)的探针上；

其中，所述驱动机构(261)位于管道外，所述丝杆螺母机构(262)及清洁件(263)位于管道内；

所述控制器(1)与所述驱动机构(261)控制连接。

3.如权利要求2所述的测量装置，其特征在于，所述驱动机构(261)的驱动轴与管道壁之间设有密封环。

4.如权利要求3所述的测量装置，其特征在于，所述清洁件(263)为环状的毛刷或橡胶圈。

5.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述静态混合器(23)的出液端设有节流喷嘴(27)。

6.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述节流元件(22)为文丘里管、节流喷嘴或切流孔板。

7.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述控制器(1)为PLC控制器或工控机。

8.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述控制器(1)还设有：无线通信模块；所述控制器(1)通过无线通信方式与远程终端连接。

9.如权利要求8所述的测量装置，其特征在于，所述无线通信模块，包括下述一项或多项：

WIFI模块、公众移动通信网通信模块、蓝牙模块、近场通信模。

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