CN2277514Y - 油气水三相流量测量装置 - Google Patents

Abstract

油气水三相流量测量装置,包括:安装在三通装置和三通管接头之间的旁通弯管,其中安装相分率测量装置;三通装置处于第一状态时,油井产物在输油管道中流通,部分液体沉入旁通弯管,也可处于第二状态,油井产物流经旁通弯管后再进入输油管道;两种状态下,相分率测量装置分别测量含水率WC和含气率GVF;流速测量装置,测量输油管道中流体的流速V;计算装置,计算油、气、水的体积流量率Qo、气体积流量率Qg和水体积流量率Qw。

Description

油气水三相流量测量装置

本实用新型涉及一种在线计量系统，尤其涉及一种适用于油井产量或流量自动计量的多相流量测量装置。

油井的油、气、水三相产物中各相的产量或流量是油田采油工作中的基础数据，是监测控制油井和油藏动态特性的主要依据。

迄今为止，世界上所有的石油生产国，包括中国在内，都是把多口油井的油井产物交替交入计量分离器，由分离器将油井产物分离成为油、气、水三种(或油、液两种)单相流体，然后，在分离器的油、气、水各自的出口管线上分别安装油、气、水单相流量计、温度计(或温度变送器)、压力表(或压力变送器)等仪表来计量三种流体的产量。当计量分离器把油井产物分离成为气、液两相流体时，液相中的油、水产量通常用取样化验法、平均密度法、振动密度计和腰轮流量计或刮板流量计来测量。上述方法存在着下述几种缺点。

实际上，现有技术的计量分离器很难做到将油井产物分离成为油、气、水三种单相流体。一般地，分离器只能将油井产物分离成为伴生天然气和油水混合液两种流体。要想知道纯油产量和水产量，还需要对油水混合液进行含水分析。

由于多口油井使用同一分离器，对于单口油井无法实现连续计量，导致计量结果的代表性差。

对于高产油井，分离器的分离效果差，导致单相流量仪表和含水分析仪表的测量误差大。

由于分离器排液不彻底，在分离器底部各口油井的油水混合液相互掺杂，造成含水仪表测量代表性差，因此导致单井纯油产量和油水混合液密度测量不准。

由于计量间内的三相分离器的结构和流程复杂，需要控制的环节较多，因而导致建站、运行、维护费用高，而且不利于实现生产过程和管理的自动化。对于沙漠油田和海上油口，这个问题尤为突出。

本实用新型的目的在于提供一种能够在高含气、低含水的条件下保持较高测量精度的油气水三相流量测量装置，尤其是一种在高含气、低含水条件下精确地测量液相流量和含水率的装置。

为实现上述目的，本实用新型提供一种油气水三相流量测量装置，包括：安装在输油管道上的三通装置、三通管接头、流速测量装置、温度变送器、相分率测量装置和旁通弯管，以及三通装置的控制装置和流量计算装置，其特点是：所述三通弯管和所述三通管接头，顺序安装在输油管道上，所述旁通弯管，安装在所述三通装置与所述三通管接头之间，所述三通装置的控制装置，使得当所述三通装置处于第一状态时，油井产物在输油管道中流通，同时使油井产物中的部分液体在所述三通接头处沉入所述旁通弯管，而当所述三通装置处于第二状态时，油井产物首先流经旁通弯管，然后再进入输油管道正常流通，所述多相流体相分率测量装置，安装在所述旁通弯管上，当所述三通装置处于第一状态时，用于测量所述旁通弯管中流体的含水率WC，而当所述三通装置处于第二状态时，用于测量所述旁通弯管中流体的含气率GVF，所述流速测量装置，安装在输油管道上所述三通管管接头的下游的位置上。

所述流速测量装置包括上游传感器和下游传感器，分别安装在输油管道上，处于所述三通接头的下游，并且相距一定距离，用于感测所述输油管道中流体的物理性质的变化，并且在输油管道内的流体流动状态比较稳定的情况下，当所述三通装置进入第二状态时，利用从所述旁通弯管排出的液团作为标记信号，进行互相关测量。

所述多相流体相分率测量装置包括双能伽马射线传感器。流速测量装置，安装在输油管道上，用于测量输油管道中流体的流速V；计算装置，用于计算油体积流量率Qo、气体积流量率Qg和水体积流量率Qw，计算公式分别为：Qo＝V×S×(1-GVF)×(1-WC)，Qg＝V×S×GVF和Qw＝V×S×(1-GVF)×WC其中，S为管道横截面积。

本实用新型的油气水三相流量测量装置，可以直接安装在输油管道上，并且可以在油气水三相混合产物不分离的状态下，对油井油气水三相混合产物中的液流量率、气流量率、油流量率、水流量率和含水率、油温、管压等指标进行自动计量。构成单井或采油队产量综合测试系统。在油气水三相不分离状态下实现单井或采油队的产液量、产气量、纯油产量、含水率、混合液密度、油温、管压等动态参数的自动在线计量。从而可取消计量分离器，简化采油工艺，提高生产自动化程度，降低油气生产成本。本实用新型尤其适用于沙漠油田或海上油田。

本实用新型的装置的其它优点在于：该装置可以与各种规格的现场输油管线通过连接法兰串接，安装简便。另外，传感器件与被测介质无任何接触，传感机理对被测介质无任何损害。因此，适用于恶劣的工况条件和无人值守的生产环境。测量数据与介质流同步，测量结果具有代表性。

另外，选用不同档次的计算机，实现连续、自动在线测量以及测量结果的自动输出。

利用一个微型计算机系统(主机为插件式结构)可以对多个(如10个)这样的装置进行监控。接口线路备有多路模似信号、开关信号、数字信号的接口卡以及串行通信接口和打印机接口，能与油田普遍使用的各类仪表或通信设备等配接，能实现测量结果的远距离数据传输。

通过以下结合附图对本实用新型的较佳实施方式的详细描述，本实用新型的其他目的、特征和优点将会更加明显。

图1是本实用新型一种实施方式的示意图；

图2是图1中三通装置的一种实现方式示意图；

图3是图1中三通装置的另一种实现方式的示意图。

下面结合附图详细描述本实用新型的实施方式。

图1示出了本实用新型的油气水三相流量测量装置的一种实施方式。在图1中，标号1代表输油管道，2代表三通装置，3代表三通管接头，4代表上游传感器，5代表温度变送器，6代表压力变送器，7代表下游传感器，8代表多相流体相分率测量装置，9代表旁通弯管。

该实施方式的油气水三相流量测量装置是这样构成的：在输油管道1上依次安装三通装置2、三通管接头3、上游传感器4和下游传感器7。在三通装置2和三通管接头3之间连接旁通弯管9，在旁通弯道9上安装多相流体相分率测量装置8。上游传感器4、下游传感器7和多相流体相分率测量装置8分别输出电信号。这些电信号分别输入到信号变送器，由信号变送器进行转换后再输入到微机系统(未示出)。该微机系统利用在其中所含的专用控制和计算软件，对采集到的数据进行处理和运算，然后输出油、气、水三相的流量率等测量结构。该微机系统还通过信号变送器对三通装置2的动作进行控制。

在微机系统的控制下，三通装置2可以分别处于以下两种状态：

第一种状态，使输油管道1中流通的油井产物中的适量液体经三通管接头3由于碰撞效应和重力作用沉降在旁通弯管9内；

第二种状态，使输油管道1中流通的油井产物改由三通装置2经旁通弯管9流通，然后经三通管接头3返回输油管道1。

三通装置2可以通过多种方式实现。

例如，如图2所示，可以由两个二通电动阀(或电磁阀)10和11构成。当二通电动阀11打开时，二通电动阀10闭合，油井产物经输油管道11流通。此时，处于第一种状态。当二通电动阀11闭合时，二通电动阀10打开，油井产物经旁通弯管9流通。此时，处于第二种状态。通过上述二通电动阀10和11的配合，实现了三通装置2的功能。

另外，如图3所示，三通装置2也可以由一个三通电动阀(或电磁阀)12实现。当三通电动阀12处于A-＞B导通状态(即第一种状态)时，A-＞C关闭，油井产物只能经输油管道1流通。当三通电动阀12处于A-＞C导通状态(即第二种状态)时，A-＞B关闭，油井产物由输油管道1进入旁通弯管9流通。

在上述第一种状态下，因为旁通弯管9中为液体，所以多相流体相分率测量装置8对旁通弯管9内的这部分液体的含水率WC进行测量。含水率WC的测量有多种方法。下面以双能伽马射线传感器为例进行说明，但并不构成对本实用新型的限制。

双能伽马射线传感器由一个双能伽马射线线源、一个伽马射线探测器和一个装载射线源和探测器的工艺管道组成。双能伽马射线源和伽马射线探测器分别安装在沿工艺管道轴线对称的两侧的管道壁上。该双能伽马射线传感器在单位时间内对两种能量的伽马射线进行计数，计数率分别为Nw和Mw(单位均为Hz)。微机系统得到计数率Nw和Mw，利用下式计算这部分液体的含水率WC：

WC＝〔d0×ln(N0/Nw)-b0×ln(M0/Mw)〕/

    〔a0×ln(M0/Mw)-c0×ln(N0/Nw)〕           (1)式(1)中，a0、b0、c0、d0、N0和M0是与被测的油、水的物理性质、双能伽马射线传感器测量管道几何尺寸以及放射源强度有关的常数。

在上述第二种状态下，因为旁通弯管9中为油井产物，所以多相流体相分率测量装置8对旁通弯管9内的这部分流体的含气率GVF进行测量。含气率GVF的测量是公知的。本例中，采用与含水率WC的测量装置相同的装置，即同一双能伽马射线传感器进行。

双能伽马射给传感器在单位时间内对两种能量的伽马射线进行计数，计数率分别为Ng和Mg(单位Hz)。微机系统可以根据式(1)计算的含水率WC，计算出油井产物的含气率GVF，计算公式如下：

GVF＝1-ln(N0/Ng)/(a0×WC+b0)                  (2)或者

GVF＝1-ln(M0/Mg)/(c0×WC+d0)                  (3)式(2)中的Ng和式(3)中的Mg分别是双能伽马射线传感器记录到的两种能量的伽马射线的计数率(单位为Hz)。

以上，多相流体相分率测量装置8用双能伽马射线传感器实现。但是，这并不是唯一的，只要能够同时测量出油井产物的含气率GVF和油水混合液的含水率WC即可。

上游传感器4和下游传感器7是两个对气体和液体之间的物理性质的差别敏感的传感器，可以是射线传感器、电容传感器、电导传感器、密度传感器、超声传感器等。以密度传感器为例进行说明。

在第一种状态时，流经上游传感器4和下游传感器7的流体是通常的油井产物。而当转换到第二种状态时，由于旁通弯管9内原来滞留的液体经三通管接头3进入输油管道1，而这部分液团的密度与通常油井产物的密度不同，所以作为流量标记的这个液团流过上游传感器4和下游传感器7时，将在上游传感器4和下游传感器7的输出信号的时间历程上先后分别引起一个显著的并且相似的变化。进行公知的互相关运算，可以得到作为流量标记的液团在上游传感器4和下游传感器7之间的渡越时间τ。实验证明，渡越时间τ代表了油井产物在该段管道内的流动时间。那么，油井产物在该段管道内的平均流速V可以通过下式求出：

V＝L/τ                               (4)式(4)中，L是上游传感器4与下游传感器7之间的中心距离。

另外，需要说明的是，上游传感器4和下游传感器7相互配合构成一种流速测量装置，用于测量输油管道1内油井产物的流动速度。上述上游传感器4和下游传感器7并不构成对本实用新型的限制。

根据已经测得的含水率WC、平均流速V、含气率GVF和已知的管道横截面积S，可以确定管道状态下的油气水三相的体积流量率。油体积流量率Qo、气体积流量率Qg和水体积流量率Qw的计算公式分别为：

Qo＝V×S×(1-GVF)×(1-WC)             (5)

Qg＝V×S×GVF                         (6)

Qw＝V×S×(1-GVF)×WC                 (7)

另外，可以在输油管道1上安装温度变送器5和压力变送器6，分别测量管道内的温度和压力。然后，根据管道状态下的油气水三相的体积流量率Qo、Qg、Qw，以及所测量的温度和压力，并且根据公知的油、气、水的压缩系数和膨胀系数，就可以计算出标准状态下的油气水三相的体积流量率。

一般情况下，地面输油管道内的压力为0.5兆帕～1.0兆帕之间，油井产物中天然气对伽马射线的吸收率远远小于原油和矿化水对伽马射线的吸收率。因此，在公式(1)、(2)和(3)中忽略了天然气的吸收效应，这种忽略不会影响油气水三相流量测量装置的精度等级。

公式(1)、(2)和(3)中所用到的物理常数a0、b0、c0、d0、N0和M0可以通过对双能伽马射线传感器进行如下的标定措施得到：

1)在双能伽马射线传感器的工艺管道内为真空的状态下或充满常压下的空气时(常压下的空气对伽马射线的吸收效应可忽略不计)，分别测量两种能量的射线的计数率，记为Nv和Mv(单位为Hz)；

2)在双能伽马射线传感器的工艺管道内装满被测的油井生产出的纯净的原油样品，然后分别测量两种能量的射线的计数率，记为Np和Mp(单位为Hz)；

3)在双能伽马射线传感器的工艺管道内装满被测的油井生产出的纯净的矿化水样品，然后分别测量两种能量的射线的计数率，记为Nm和Mm(单位为Hz)；

4)通过以下计算得到上述物理常数：

N0＝Nv                      (8)

M0＝Mv                      (9)

a0＝ln(Np/Nm)               (10)

b0＝ln(Nv/Np)               (11)

c0＝ln(Mp/Mm)               (12)

d0＝ln(Mv/Mp)               (13)

由于所用的射线源镅-241的半衰期长达433年，因此，上述公式中的Nv、Mv、Np、Mp、Nm和Mm在一般为三个有的流量测量装置有效标定期内均可近似地视为常数。这种近似同样不会影响油气水三相流量测量装置的精度等级。

上述利用双能伽马射线传感器测量油井产物中的含气率GVF和油水混合液中的含水率WC，可以有效地克服双能伽马射线传感器在高含气条件下测量精度急剧变差的缺点。

上游传感器4、下游传感器7和多相流体相分率测量装置8的电信号经过公知的放大及甄别线路转换后，通过公知的定时计数器输入到微机系统。温度变送器5和压力变送器6输出的4～20mA的电流信号经标准电阻转换为1～5V的电压信号后通过模数转换器输入到微机系统。

上述微机系统可以由公知的单片计算机或公知工业控制机或公知的个人计算机及其外围设备上专用的控制和计算软件构成。

在本发明人所做的实验中，上游传感器4和下游传感器7均采用单能伽马射线传感器，多相流体相分率测量装置8采用双能伽马射线传感器。多相流体相分率测量装置8与上游传感器4和下游传感器7采用相同的机械结构，所不同的只是多相流体相分率测量装置8采用了镅-银复合双能γ源，而后两者采用了镅-241单能γ源。上述伽马射线传感器均由低能伽马源、光束准直器、测量管道和NaI(T1)晶体探测器等组成。镅-241单能伽马源选用中国原子能研究院生产的活度为25mCi的双层不锈钢密封源。NaI(T1)晶体探测器选用中国北京核仪器厂生产的NaI(T1)晶体探测器组合件。

应注意的是，这里上述的伽马射线传感器只是用于说明，并不构成对本实用新型的限制。

上游传感器4、下游传感器7加上信号变送器和微型计算机系统构成一个互相关流速计。互相关流速计测量流量标记在上游传感器4和下游传感器7的测量截面之间的渡越时间。两个测量截面之间的管道长度为管道管径的5～50倍。在上游传感器4之前安装了前直管道，其长度为管道管径的10～20倍。在下游传感器7之后安装了后直管道，其长度为管道管径的5～10倍。由信号变送器中的定时计数器和包含计算软件的微机系统构成一个互相关器。定时计数器的两个通道分别记录上游传感器4、下游传感器7输出的电脉冲信号的计数率的时间历程。安装在微机内的计算软件对数据进行互相关运算。定时计数器的采样周期为1～5ms，互相关函数的计算采用公知的逐点式计算法。

计算机系统采用MCS-51或MCS-96系列单片机和不同档次的工业PC机，实现连续、自动在线测量以及测量结果的自动输出。

通过上述实验，可以达到下述技术指标：

1)整机：

①含水率测量范围：  0～60％

②含水率测量误差：  ≤2％

③含气率测量范围：  55～95％

④日产液量测量误差：≤5％

⑤日产气量测量误差：≤10％

⑥供电：            220±30V，50Hz

⑦功耗：            ≤100W

2)传感器部分：

测量管径：        公称通径25～250mm

环境温度：        -20℃～80℃(常温探测器)

                  -40℃～120℃(相对温度)

环境湿度：        ≤95％(相对温度)

伽马射线源：      镅-241，光子能量59.5kev，半衰期433年

泄漏剂量：        符合国家规定的居民允许剂量

3)信号变送器和微机系统：

自动进行数据采集和数据处理，在线连续测量方式

输出方式：    报表打印输出；TTL标准电平发送

输出内容：    液量、油量、水量、气量、含水率、混合液密度、

              温度、压力等

环境温度：    -20℃～60℃

环境湿度：    ≤65％(相对)

虽然以上结合附图详细描述了本实用新型的实施方式，但是对于本领域内熟练的技术人员，可以对上述实施方式做出各种修改和变更，而不背离本实用新型的实质和范围。因此，本实用新型的范围仅由权利要求限定。

Claims (3)

1.油气水三相流量测量装置，包括安装在输油管道(1)上的三通装置(2)、三通管接头(3)、流速测量装置(4，7)、温度变送器(5)、压力变送器(6)、相分率测量装置(8)和旁通弯管(9)，以及三通装置的控制装置和流量计算装置，其特征在于：

所述三通弯管(2)和所述三通管接头(3)，顺序安装在输油管道(1)上；

所述旁通弯管(9)，安装在所述三通装置(2)与所述三通管接头(3)之间；

所述三通装置(2)的控制装置，使得当所述三通装置(2)处于第一状态时，油井产物在输油管道(1)中流通，同时使油井产物中的部分液体在所述三通接头(3)处沉入所述旁通弯管(9)，而当所述三通装置(2)处于第二状态时，油井产物首先流经旁通弯管(9)，然后再进入输油管道(1)正常流通；

所述多相流体相分率测量装置(8)，安装在所述旁通弯管(9)上，当所述三通装置(2)处于第一状态时，用于测量所述旁通弯管(9)中流体的含水率WC，而当所述三通装置(2)处于第二状态时，用于测量所述旁通弯管(9)中流体的含气率GVF；

所述流速测量装置(4，7)，安装在输油管道(1)上所述三通管管接头(3)的下游的位置上。

2.根据权利要求1所述的油气水三相流量测量装置，其特征在于：

所述流速测量装置(4，7)包括上游传感器(4)和下游传感器(7)，分别安装在输油管道(1)上，处于所述三通接头(3)的下游，并且相距一定距离，用于感测所述输油管道(1)中流体的物理性质的变化，并且在输油管道(1)内的流体流动状态比较稳定的情况下，当所述三通装置(2)进入第二状态时，利用从所述旁通弯管(9)排出的液团作为标记信号，进行互相关测量。

3.根据权利要求1所述的油气水三相流量测量装置，其特征在于：

所述多相流体相分率测量装置(8)包括双能伽马射线传感器。

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