WO2011054192A1

WO2011054192A1 - 极高含水三相流除水装置、极高含水三相流流量测量装置及测量方法

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Publication number: WO2011054192A1
Application number: PCT/CN2010/001781
Authority: WO
Inventors: 陈继革; 王镇岗; 余海; 叶俊杰
Original assignee: 兰州海默科技股份有限公司
Priority date: 2009-11-07
Filing date: 2010-11-05
Publication date: 2011-05-12
Also published as: US9468868B2; EP2497556A1; US20120253705A1; EP2497556A4; CN201637443U; EP2497556B1

Description

极高含水三相流除水装置、

极高含水三相流流量测量装置及测量方法技术领域

本发明涉及一种安装在油田输油管线上油气水三相流除水装置，特别是一种使用该装置的适用于油田输油管道内油气水三相流流量测量装置和测量方法。背景技术

目前世界许多陆地油田已经陆续进入特高含水期，.正确的每一口特高含水油井中油气水三相产物的流量数据是油田采油工作中的基础数据，是优化生产和优化油藏管理的主要依据。

为获取上述数据，近年来出现的多相流计量系统，由于不需要对油气水进行分离即可对油气水三相流混合物进行连续实时的测量、占地面积小、安装维护简单、精度高等优点已被广泛的应用于单井计量，在数字化智能油田系统中扮演重要的角色。现有的多相流量计系统对油气水三相流混合物的测量过程一般如下：

1 ) 测量总流量率 2 , 含水率 WC和含气率 GVF;

2 ) 计算气流量率 = 2*GVF

3 ) 计算液流量率 ¾ = ( 1-GVF )

4 ) 计算油流量率 β。=¾ * ( 1-WC )

5 ) 计算水流量率 2_w=a *WC

但是油井产出物中油、气、水各个组分的相对份额会有大幅的变化：它可能是高含气（含气率接近 100% ),也可能是全液（含气率 0。/。）；在液相中，可能全是油（含水率 0% ); 也可能是高含水（含水率接近 100% )，以及上述极端值之间的任意组合。对于极高含水（含水率 95%以上）情况，如附图 1所示，在不同的含水率水平，由含水率的测量误差引起的油流量率误差具有"漏斗效应"，含水率水平越高，纯油流量率的误差越大；而现有的多相流量计系统的含水率测量精度一般在 2%左右，因此在极高含水水平下，含水率的测量误差会造成純油测量极大的误差，这就在很大程度上限制了现有多相流量计在这种场合的应用。

传统的分离式多相计量系统是将油井产物分离成油、气、水三种单相流体，然后在各自的出口分别进行计量。但它的购置和运行成本太高，对于单口井无法实现连续实时计量，且分离效果受诸多因素影响，尤其在极高含水的情况下，系统在正式开始计量之前需要的稳定时间长，纯油油路中的油水分离效果差，纯油的计量结果的代表性较差，误差大。其次由于油气水三相分离器的结构和流程复杂，一般计量分离器以及相关辅助设施重达几十吨，占地面积大，系统维护管理繁杂，需要控制的环节多，导致建站运行、维护费用高，不利于实现生产过程和管理的自动化，这些缺点对经济效益低的油田（如特高含水期油田）尤为突出。发明内容

因此，为了提高极高含水情况下含水测量和纯油测量的精度，满足油田生产计量的需求，本发明的笫一个目的在于提供一种安装在极高含水率油气水三相流输油管道上的除水装置，以降低油气水三相流的含水率，满足纯油的测量精度要求。

本发明的第二个目的在于提供一种安装在输油管道上采用本发明的极高含水油气水三相流除水装置而对极高含水油气水三相流进行连续测量的油气水流量测量装置。

本发明的第三个目的在于提供一种采用极高含水油气水三相流流量测量装置对油气水三相流流量进行测量的测量方法。

为了实现第一个目的，本发明提供的极高含水油气水三相流除水装置可以自动有效地分离出大部分的游离水，从而降低余下油水混合液中的含水率，这样就可以在较低的含水率水平进行含水率的测量，从而提高纯油流量率测量的精度。本发明的除水装置包括壳体、集液腔、入口连接管段、气体出口连接管段、游离水出口连接管段、混合液出口连接管段、除雾器、流体整流器、沥油器、带有挡板的排油导流管，以及安装在壳体侧面的用于液位控制的差压变送器（或其它类型的液位计）。从入口进入除水装置的极高含水油气水多相流在重力的作用下进行气液分离，气体经由除雾器除雾后从上部的气路出口排出，液体经由流体整流器进入除水容器下部，游离水经由沥油器从水路出口排出，液体部分上部的油水混合物或油气水混合物通过排油导流管排出，在游离水除水的过程中，差压变送器或液位计可以检测除水装置内液面的高度，为控制系统提供调整信号。

为了实现第二个目的，本发明提供了一种安装在输油管线上的极高含水油气水三相流流量测量装置，该装置使用了本发明的极高含水油气水三相流除水装置，还包括：和所述除水装置入口连接管段连接的总流量计量管段、和所述除水装置气体出口连接管段连接的排气管段、和所述除水装置混合液出口连接管段连接的排油管段、和所述除水装置游离水出口连接管段连接的排水管段、汇流管段，以及计算机计算系统 /流量计算机。总流量计量管段包括：密度计（如单能伽玛密度计 /相分率计）、差压式流量测量器件（如文丘里管）、盲三通混合装置、以及安装在计量管段上的温度变送器、压力变送器、差压变送器。排气管段上有一控制阀。排水管段包括：用于水流量计量的单相流量计（如电磁流量计），控制阀和止回阀。排油管段安装有油气水三相含水分析仪（如能伽玛含水分析仪）。计算机系统用于计算极高含水油气水三相流的总体积流量率 2，纯油体积流量率，气体体积流量率 , 水体积流量率。

为了实现第三个目的，本发明提供了一种测量极高含水油气水三相流流量测量方法，包括下列步骤：

1 ) 使输油管道内的极高含水油气水三相流进入盲三通混合管段，盲三通混合管段将极高含水油气水三相流进行混合。

2 ) 使流经盲三通混合段的极高含水油气水三相流进入有密度计（如单能伽玛密度计 /相分率计），差压式流量测量装置（如文丘里管），温度变送器，压力变送器组成的计量管段，计量管段对极高含水油气水三相流的总流量差压值 Δ？、含气率 GVF、温度和压力进行测定。

3 ) 使极高含水油气水三相流进入装置的除水容器。

4 ) 使极高含水油气水三相流在除水容器内进行气液分离，液体整流，游离水分离，使气体从气路出口排出，大部分的游离水从水路出口排出，并在排水管段进行游离水流量 ά的计量，剩余的油水混合液经由导流管从油路出口排出，并在排油管段上安装的含水分析仪处进行此混合液的含水率 wc测量。

5 ) 在排液过程中，除水容器上安装的差压变送器或液位计实时检测除水容器内液面的高度，装置的控制系统根据这一测量结果来调整游离水排水管段控制阀门和排气管段控制阀门的开度，将除水容器内的液位控制在合适的高度，使得游离水排水管段中不含任何的油，并防止气体进入排水管段，或过多的气体进入排油管段，或液体进入气路。

6 ) 计算

计算极高含水油气水三相流的体积流量率，本文所指流量率均为体积流量率，以下简称流量率。

计算公式为：总流量率： Q

气流量率： =2* GVF

液流量率： Q,=g* ( l-GVF )

油流量率： ρ。= ( Q Q_w' ) * ( 1-WC )

水流量率： β_Μ,=β + ( Q_rQ_w ) *WC

使用本发明的极高含水油气水三相流流量测量装置可以自动有效地分离出大部分的游离水，降低油气水混合液中的含水率，在极高含水的条件下，可以较精确地测量纯油流量率。附图说明

图 1描述了不同含水率水平下含水率的测量误差和纯油流量率测量误差的关系。

图 2是本发明极高含水油气水三相流除水装置的一个实施例的示意图。

图 3是本发明极高含水油气水三相流除水装置的另一个实施例的示意图。

图 4是本发明极高含水油气水三相流流量测量装置中的一个实施例的示意图。

图 5是本发明的使用极高含水油气水三相流流量测量装置的油气水三相流流量测量方法的主要流程图。具体实施方式

下面结合附图详细描述本发明的实施例。

图 2示出了本发明的极高含水油气水三相流除水装置的一个实施例。

在图 2中，标号 1代表游离水出口连接管段， 2代表集液腔， 3代表沥油器， 4代表混合液出口连接管段， 5代表导流管， 6代表挡板， 7代表流体整流器， 8代表除雾器， 9代表气体出口连接管段， 10代表入口连接管段， 11代表液位计， 12代表差压变送器。

其过程为极高含水率油气水三相流经入口连接管段 10 进入除水装置后，气液首先进行重力分离，除水装置上方安装有除雾器 8, 除水装置顶端有气体出口连接管段 9, 分离后的气体经除雾器 8除雾后从气体出口连接管段 9排出；为了消除不稳定流动状态，进一步提高游离水分离的效果，提高计量精度，装置的入口连接管段 10的下方有一个水平安装的流体整流器 7。在流体整流器 7下方有一导流管 5和混合液出口连接管段 4相连，气液分离后的液体经过流体整流器 7整流后，游离水进入除水装置的底部，含油液体在液体的上方，经由导流管 5从混合液出口连接管段 4 排出，导流管 5的顶部有一挡板 6，用于阻挡来自上游的杂盾等；为了增加混合液在除水装置内的滞留时间，进一步提高游离水分离效果，除水装置的底部有一外扩的集液腔 2, 并在集液腔 2上方安装有沥油器 3, 游离水经过沥油器 3进入集液腔 1从游离水出口连接管段 1排出。

图 3示出了本发明的极高含水油气水三相流除水装置的另一个实施例。

在图 3中，标号 1代表游离水出口连接管段， 4代表混合液出口连接管段， 9代表气体出口连接管段， 10代表入口连接管段， 40代表实心浮子， 41代表节流活瓣， 42代表腔体间隔板， 43代表游离水出口， 44代表间歇排液管， 45代表容器分离腔， 46代表气体返回口， 47代表集油腔， 48代表排油管入口， 49代表容器緩冲腔。

其过程为极高含水率油气水三相流进入容器緩沖腔 49后，气体从排气口排出，液体下沉到容器缓冲腔 49底部后，其中少量游离水经游离水出口 43进入分离腔 45的底部；大部分液体积聚到緩冲腔 49底部，随着液位上升实心浮子 40上浮，带动节流活瓣 41上滑，间歇排液管 44打开后液体才会大量流入到分离腔 45。随着大量液体进入分离腔 45，緩冲腔 49的液位持续下降，当液位下降到一定高度后，节流活瓣 41关闭，这时液体的流阻变大，限制了分离腔 45 中液体的排出速度，避免了分离腔进入大量气体，降低了排油管入口 48进入气体的几率。节流活瓣 41关闭后，緩冲腔的液体只能通过游离水出口 43进入分离腔。进入分离腔的液体在重力作用下产生分离，大量的游离水经过游离水出口连接管段 1排出；少量的油水混合物上浮到分离腔 43的顶部，在集油腔 47处汇聚后从排油管入口 48排出；极少量的气体经由气体返回口 46返回到緩冲腔 49, 降低了分离腔 45液位的下降和油路走气的几率。

图 4示出了本发明的极高含水油气水三相流流量测量装置中的一个实施例。

在图 4中， 1代表游离水出口连接管段， 4代表混合液出口连接管段， 9代表气体出口连接管段， 10代表入口连接管段， 20输油管道计量出口端， 21代表汇流管段， 22代表止回阀， 23代表用于水流量计量的单相流量计（如电磁流量计）， 24 代表水路控制阀或流量控制阀， 25代表排油管段， 26代表排油管段控制阀， 27代表三相含水分析仪（如双能伽玛含水分析仪）， 28代表排气管段， 29 代表气路控制阀或流量控制阀， 30 代表除水装置， 31 代表差压式测量流量器件（如文丘里管）， 32 代表差压变送器， 33代表密度计（如单能伽玛密度计 /相分率计）， 34代表总管取样口， 35 代表输油管道计量入口端， 36 代表盲三通混合装置， 37 代表温度变送器， 38代表压力变送器， 39代表排水管段。其测量过程，从输油管道来的极高含水率油气水三相流首先进入盲三通混合装置 36, 使三相流原流态改变，并将其混合；密度计（如单能伽玛密度计 /相分率计） 33测定多相流的混合密度和含气率 GVF, 差压式测量流量器件（如文丘里管） 31 及差压变送器 32 通过测定总流量差压值 Δ , 测总流量率 β ; 压力变送器 38, 温度变送器 37分别测量管道内压力和温度；极高含水率油气水三相流进入除水装置 30进行气液分离和游离水除水后，气体从排气管段 28排出，进入汇流管段 21; 含油的混合液从排油管段 25排出，排油管段 25上安装了三相含水分析仪（如双能伽玛含水分析仪） 27, 测量此含油混合液的含水率 WC, 同时根据三相含水分析仪 27所测得的的含气水平，排油管段控制阀 26可自行调节开度，控制排油管道内的含气水平，以保证含水率 WC的测量精度，排油管段 25末端与汇流管段 21相连；游离水从游离水出口连接管段 1排出，进入用于水流量计量的单相流量计（如电磁流量计） 23，测量游离水流量率 ά，再经汇流管段排 21 进入输油管道，同时根据除水装置 30 中差压变送器 12或液位计 11 所检测的液位高度结果，水路控制阀 24和气路控制阀 29可自行调节开度，将液位控制在合适的位置，防止气体进入排水管段，或过多的气体进入排油管段 25，或液体进入气路，或油进入水路。

所有测定数据经计算机处理系统进行计算，然后输出油气水三相流的各相流量率等测量结果。

图 5是本发明的使用极高含水油气水三相流流量测量装置的油气水三相流流量测量方法的主要流程图。

其步骤为：

5-1调整改变原油气水三相流流型流态，并使其混合均匀； 5-2 用差压式流量计（如文丘里管）测量混合均匀的油气水三相总流量差压值 Δ ; 5-3 用密度计（如单能伽玛密度计 /相分率计）测量油气水三相流的混合密度和含气率 GVF;

5-4分离油气水三相流中的气体；

5-5 分离液体中的大部分游离水，计量排水管段上的游离水

;

5-6测量排油管段上油气水三相混合液体的含水率 WC; 5-7测量管道压力和油气水三相流的温度

5-8 对测量的数据通过计算系统进行计算，求得总流量率；油流量率；气流: -率；计算公式为：

总

气流量率 Q_g=Q* GVF

液流 2_; =β* ( 1-GVF )

( Q_rQ_w' ) * ( 1-WC )

流量率 Q_W=Q_W' + ( QrQ ) *WC

Claims

权利要求

1. 一种极高含水油气水三相流除水装置，该除水装置设置有入口连接管段（10)，气体出口连接管段（9) 和游离水出口连接管段（1)，所述入口连接管段与输油管道连接，所述气体出口连接管段（ 9 )设置在除水装置顶端，所述游离水出口连接管段（ 1 ) 设置在除水装置底部，其特征在于：极高含水油气水三相流经所述入口连接管段（10) 进入除水装置，在所述除氷装置内进行气液重力分离，除水装置内的上部安装有除雾器（8), 对分离后的气体进行除雾，气体从气体出口连接管段（9)排出，在除水装置内在入口连接管段（ 10 )的下方设置有水平安装的流体整流器（ 7 )，用于进一步消除混合液的不稳定流动状态，提高游离水分离的效果，在流体整流器（7) 下方设置有导流管（5), 该导流管（5) 与混合液出口连接管段（4)相连，用于将含油的混合液从混合液出口连接管段（4)排出，分离出的游离水进入除水装置的底部，从游离水出口连接管段（1)排出。

2. 根据权利要求 1所述的极高含水油气水三相流除水装置，其特征在于，所述导流管（5)的顶部设有一挡板（6)，用于阻挡来自上游的杂质。

3. 根据权利要求 1或 2所述的极高含水油气水三相流除水装置，其特征在于，所述除水装置的底部设置有外扩的集液腔（2)，用于扩大除水装置底部的容量，提高游离水除水效果。

4. 根据权利要求 3所述的极高含水油气水三相流除水装置，其特征在于，在所述集液腔（2)的上方安装有沥油器（3), 用于对游离水进一步去油，游离水在集液腔（2)中驻留一段时间后从游离水出口连接管段（1)排出。

5. 根据权利要求 1或 2所述的极高含水油气水三相流除水装置，其特征在于，安装在所述除水装置上的差压变送器（12) 或液位计（11) 实时检测所述除水装置内的液位高度。

6. 一种极高含水油气水三相流除水装置，其特征在于，内设一水平隔板（42)将所述除水装置上下分隔，隔板（42) 以上为緩冲腔（49)，隔板（42) 以下为分离腔（45), 緩沖腔（49) 与入口连接管段（10) 连接，所述除水装置上端连接气体出口连接管段（9)，所述除水装置底部连接游离水出口连接管段（1)。

7. 根据权利要求 6所述的极高含水油气水三相流除水装置，其特征在于，所述隔板（42) 中间向分离腔（45)设一间歇排液管（44)，间歇排液管（44) 上端设一节流活瓣（41), 节流活瓣 (41) 上端装一实心浮子（40); 所述隔板（42) 下部设一游离水出口（43); 所述隔板（42)上还设一集油腔（47)，集油腔（47) 上端设有气体返回口（ 46 ),集油腔（ 47 )下端设一排油管入口（ 48 )。

8. 一种包括权利要求 1-7 中任一项所述的极高含水油气水三相流除水装置的极高含水油气水三相流测量装置，包括：安装在输油管道上的盲三通混合装置（ 36 ),差压式测量流量器件（ 31 ), 差压变送器（32), 密度计（33)，汇流管段（21)，排油管段（25), 三相含水分析仪（27), 排气管段（28), 排水管段（39)，水路控制阀（ 24 ), 气路控制阀（ 29 )用于水流量计量的单相流量计（ 23 ) 以及计算装置，所述密度计（33) 用于测量多相流的混合密度和含气率 GVF，差压式测量流量器件（31)用于测量油气水三相流总流量，其特征在于，所述极高含水油气水三相流除水装置（30) 的混合液出口连接管段（ 4 )与三相含水分析仪（ 27 )相连，三相含水分析仪（27) 与汇流管段（21)相连，用于测量含油混合液中的含水率 WC和含气水平 GVF，，单相流量计（23) 用于测量游离水流量率，所述水路控制阀（24) 和气路控制阀（29)根据差压变送器（12) 或液位计（11) 实时检测所迷除水装置内液位高度的结果进行阀门开度的调节，对所述除水装置内的液位进行控制，保证所述除水装置的游离水分离效果和除水效果。

9. 根据权利要求 8所述的极高含水油气水三相流测量装置，其特征在于，在三相含水分析仪（27) 和汇流管段（21)之间安装有控制阀（ 26 ), 根据三相含水分析仪（ 27 )所测得的的含气水平 GVF，，控制阀（26) 可自行调节开度，控制排油管段内的含气水平 GVF，，以保证含水率 WC的测量精度。

10. 一种使用权利要求 8 所述的极高舍水油气水三相流量测量装置测量油气水三相流量的测量方法，包括以下步驟：

1)调整改变原油气水三相流流型流态，并使其混合均匀；

2)通过入口管线取样口取样，获得三相流的含水率 WC';

3 )用差压式流量计测量混合均匀的油气水三相总流量差压值

4 ) 用密度计测量油气水三相流的混合密度和含气率 GVF; 5)分离油气水三相流中的气体；

6 )分离液体中的大部分游离水 ,计量排水管段上的游离水流量率 ά;

7) 测量排油管段上油气水三相混合液体的含水率 WC;

8) 测量输油管道压力和油气水三相流的温度；

9)对测量的数据通过计算装置进行计算，求得总流量率、油流量采用的公式为：

气流量率 =ρ* GVF

液流量率 β, = ρ* ( 1-GVF )

油流量率 Q = ( Q,-Q ) * ( 1-WC )

水流量率 Q_W=Q_W' + ( Q_RQ_W' ) *WC。