油、气、水三相油井连续计量装置及其测量方法

摘要

本发明属于流体测量技术领域，涉及一种油、气、水三相油井连续计量装置，包括高效气液分离器，高效气液分离器与油、气、水三相流入口相连，其气相出口与气相测量管路相连，在气相测量管路上装有气路温度传感器、气路压力传感器、带有高频差压变送器的气路内锥流量计；高效气液分离器的液相出口与液相测量管路相连，在液相测量管路上装有液路科氏质量流量计和液路内锥流量计，安装液路科氏质量流量计的管路的截面积大于安装液路内锥流量计的管路的截面积。本发明还提供一种该种装置采用的测量方法。本发明具有结构简单，测量传感器无可动部件，信号获取方便、可靠、准确，易于实现的优点。

说明书

技术领域

本发明属于流体测量技术领域，具体涉及到一个油、气、水三相流体的相含率及每相流量测量的系统和方法。

背景技术

原油是典型的多相流，包含油、气、水三相物质，油相是指油井产出液中的液烃相，气相是指天然气、轻烃、非轻烃气体，水相则是指矿化水，同时还有少量的固相(砂、蜡、水合物)。油、气、水多相流在流动过程中不仅存在多种流型，而且成分复杂多变，流量检测困难。然而为了合理的进行油田开发，必须要掌握单口油井的产量，包括每口油井的产油量、产水量和产气量。目前，为了获得这些动态信息，大多油田的做法是采用卫星式计量站方式，通过管汇切换，巡回检查每口油井，经计量分离器分离成油相、水相和气相，再采用各单相测量仪表或装置获得三组分的各自含量，然后再混合输送到泵站进行生产处理。这种方法所用计量分离器设备体积庞大，不能在线测量，从而大大制约了生产效率。20世纪80年代，西方主要石油公司提出开发多相流量计取代大型三相分离式计量系统的要求，并与各大学合作进行多相流量计的研制与开发，我国在20世纪90年代也展开了这方面的研究工作。

按是否分离可以将油、气、水三相流的测量方法分为三种，即完全分离法、部分分离法、非分离法。完全分离法即指前面介绍的油田传统的计量方法。部分分离法包括分流分相法和简单分离器法。分流分相法测量三相流，首先通过分配器分流出一部分两相流体，接着使用分离器将这部分三相流体分离成单相气体和单相液体，然后分别用单相气体流量计和单相液体流量计进行计量，并根据比例关系换算成被测三相流体的流量及组分，最后再分别将这部分单相气体和单相液体返回两相流体的流动管道中。该方法存在的问题是取样部分的三相流体气液比率是否同原流动中的比率一致；取样比率(常数)本身是否受流型、流量波动等影响。简单分离器法是利用小型气液分离器将三相流进行预分离，得到以气相为主的一路和以液相为主的一路，每一路分别用组合仪表及修正关联式进行计量，求解出油、气、水三相流量。计量后的流体再混合到一起送回到原管道，这种装置一般体积也较庞大，通常要做成车载的计量撬形式。非分离法是指不需要对三相流进行分离，测量系统直接测量三相流量，为了提高测量精度，其前端通常要加混合器。非分离法通常采用常规仪表组合或过程层析成像等技术来实现。常规仪表组合法是实现非分离测量的有效途径。非分离法三相流量计体积小，结构紧凑，是三相流测量的发展方向，但要做到较高的精度比较困难。部分分离法与非分离法比较，虽然其体积庞大，但经气液分离器分离后，气路基本为单相气体或湿气流动，液路为液体或含有少量气体的泡状流动，降低了油、气、水三相流量测量的难度，因此，近年来推出的多相流量计产品大部分都是采用部分分离法。

部分分离法的难点在于高效气液分离器的设计和含油率测量方案的设计。高效气液分离器要保证气液分离彻底，气路中不含有液体，液路中不含有气体。这样气路流量可以直接用单相仪表测量，液路则需要设计准确测量含油率的方案。尤其是在高含水期的油田，液相含水率可达80-95％，含油率只有5-20％，此时要保证油流量测量的精度必须要保证含油率测量高精度，而在低含油率下实现含油率的高精度测量是比较困难的。

专利号为96121029.X、96246704.9公布了一种三相流量测量装置，其通过双能伽玛射线测量液相含水率与混相流速，该装置采用不分离测量方式，但精度不高，日产气量测量精度为±10％，日产液量测量精度为±5％。专利中并未给出液相中油、水每相流量的测量精度。并且装置采用射线法测量，具有辐射性，对人体健康具有潜在的危害，因此限制了其应用。专利号为200520101632.3设计了一种适用于高含水油田的三相流量计量装置。其实现方法是将三相完全分离，然后分别计量单相流量。该测量方案的难点在于三相完全分离的实现。要保证效果则必须增大分离器体积。这样就导致其具有油田原有的计量站一样的缺点。专利号为200320109506.3提出了一种三相流量测量方案，通过计量罐取样并计时，取样结束后，让混合液从通过旁通管路流过。待计量罐内液体稳定后通过差压与液位测量计算每相流量与含率，这种方法属间歇式测量方法，对油井的连续运行有一定影响。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的上述不足，提供一种可用于井口出油量的连续在线测量的油、气、水三相油井计量装置，同时提供该种装置所采用的测量方法。本发明提供的装置结构简单，测量传感器无可动部件，信号获取方便、可靠、准确，易于实现。

为此，本发明采用如下的技术方案：

一种油、气、水三相油井连续计量装置，包括高效气液分离器、气路温度传感器、气路压力传感器、气路内锥流量计、液路科氏力质量流量计、液路温度传感器、液路压力传感器、液路内锥流量计、数据采集与处理单元、显示单元，其中，高效气液分离器与油、气、水三相流入口相连，其气相出口与气相测量管路相连，在气相测量管路上装有气路温度传感器、气路压力传感器、带有高频差压变送器的气路内锥流量计；高效气液分离器的液相出口与液相测量管路相连，在液相测量管路上装有液路科氏质量流量计和液路内锥流量计，安装液路科氏质量流量计的管路的截面积大于安装液路内锥流量计的管路的截面积。

上述连续计量装置中，在所述气相测量管路上装有，在所述液相测量管路上还装有液路温度传感器与液路压力传感器。

本发明同时提供一种上述油、气、水三相油井连续计量装置所采用的测量方法，包括下列步骤：

(1)数据采集与处理单元根据气路温度传感器、气路压力传感器传来的信号计算气体密度

(2)数据采集与处理单元根据气路内锥流量计所采集的高频压差信号判断在气相中是否含有液体，若判断不存在液体，则根据$W_g=\frac{C{\mathrm{ϵA}}_d\sqrt{{2\rho }_g\Delta P_g}}{\sqrt{1-{\beta }^4}}$确定气相质量流量，式中，W_g-气相质量流量，C-内锥流量计流出系数，A_d-内锥流量计的节流环隙面积，ρ_g-气体密度，ΔP_g-内锥流量计产生的压差，β-内锥流量计的节流比，若判断存在液体，则根据以下公式确定气相质量流量$W_g=\frac{W_g^{\prime }}{{\Phi }_g},$$W_g^{\prime }=\frac{C{\mathrm{ϵA}}_d\sqrt{2{\rho }_g{\mathrm{\Delta P}}_{\mathrm{tp}}}}{\sqrt{1-{\beta }^4}},$${\Phi }_g=\sqrt{\frac{{\mathrm{\Delta P}}_{\mathrm{tp}}}{{\mathrm{\Delta P}}_g}}=1+K.\frac{{\delta }_{P_{\mathrm{tp}}}}{\overline{{\mathrm{\Delta P}}_{\mathrm{tp}}}},$${\delta }_{P_{\mathrm{tp}}}={\mathrm{\Delta P}}_{\mathrm{tpi}}-\overline{{\mathrm{\Delta P}}_{\mathrm{tpi}}},$式中，Φ_g-湿气虚高修正系数；W′_g-内锥流量计在湿气条件下的读数；ΔP_tp-内锥流量计在湿气条件下产生的差压值；-差压波动量；ΔP_tp-差压读数平均值；K-系数；

(3)数据采集与处理单元接收来自科氏质量流量计和液路内锥流量计的测量信号，若判断液相总流量不低于科氏质量流量计的测量下限时，根据科氏质量流量计的测量信号确定液相质量流量，否则根据下列公式确定液相质量流量：

$W=W_V=\frac{{\mathrm{CA}}_d\sqrt{{2\rho }_{\mathrm{tp}}{\mathrm{\Delta P}}_{\mathrm{tp}}}}{\sqrt{1-{\beta }^4}},$式中，ρ_tp-由质量流量计确定的液路平均密度，W_V-内锥流量计测得的总质量流量；

(4)根据公式$B=\frac{{\rho }_W-{\rho }_{\mathrm{tp}}}{{\rho }_W-{\rho }_o}$计算含油率，式中，B-体积含油率；ρ_W-水的密度；ρ_o-油的密度。

上述测量方法方法中，如果根据步骤(4)中所计算的含油率小于20％，则最好利用基于多传感器数据融合的神经网络算法重新求解含油率。

本发明的有益效果及优点是，采用高效气液分离器实现气液分离，采用质量流量计与内锥流量计组合测量液相含油率与油水两相流量。利用质量流量计测量平均密度及含油率，适用于液路的各种油水两相流型，不需要进行油水两相分离，质量流量计与差压式流量计内无可动部件，测量准确可靠，很好地解决了基于简单分离法的油、气、水三相流测量的两大技术难题。该装置适用的流型范围广，并且实施简单，方便。

附图说明

图1为油、气、水三相油井连续计量装置原理图。

图2为油、气、水三相油井连续计量装置气路示意图。

图3为油、气、水三相油井连续计量装置液路示意图。

图4为油、气、水三相油井连续计量装置的工作流程图。

具体实施方式

参照附图对本发明的结构原理予以说明。油、气、水三相油井连续计量装置的工作原理图如图1所示。图中1、油、气、水三相流入口，2、高效气液分离器，3、气路温度传感器，4、气路压力传感器，5、气路内锥流量计，6、液路科氏力质量流量计，7、液路温度传感器，8、液路压力传感器，9、液路内锥流量计，10、油、气、水三相流出口。油、气、水三相流体进入油、气、水三相流入口1，在高效气液分离器2中进行气液分离，分离后的流体分为两路，气相从分离器上部流出，流经气路温度传感器3，气路压力传感器4，及气路内锥流量计5。气路流经的流体基本为单相气体，根据差压式流量计单相流量的计算公式可求得气相流量值。油、水两相的混合流体经分离器2底部的液路流出，流经液路科氏力质量流量计6，液路温度传感器7，液路压力传感器8，液路内锥流量计9。其中质量流量计用于测量油水混合物的平均密度，进而可求出含油率，液路总流量用内锥流量计测量，再经组合计算可获得油、水两相的流量。经过测量的气液两路重新混合后从油、气、水三相流出口10排出。温度传感器3与压力传感器4用于气路温压补偿，温度传感器7与压力传感器8用于修正液体的密度。所有信号都进入数据采集与处理单元11进行处理。通过显示单元12显示。数据采集与处理单元11及显示单元12也可以用计算机系统来实现。

下面通过实施例对本发明做进一步的说明。油、气、水三相油井连续计量装置，利用高效气液分离器2将油、气、水三相流分离为气液两路，气路用内锥流量计通过温压补偿测量流量，液路通过质量流量计与内锥流量计组和测量油、水流量。具体实施过程见图。装置的工作原理图见图1，装置的气路示意图见图2，装置的液路示意图见图3，油、气、水相流体进入油、气、水三相油井连续计量装置，在图1中的高效气液分离器2进行分离，分离后气体流经气路温度传感器13，气路压力传感器14，气路内锥流量计15。气路内锥流量计水平安装，使得差压测量更准确，内锥流量计的差压测量采用高频差压变送器。如果气路中含有少量液体，通过高频差压信号可以识别，并且高频差压信号的波动幅度与液相含率之间友确定的关系，利用这些信息及湿气测量模型对气相流量测量值进行修正，保证气相测量精度。分离后液体流经图3中液路温度传感器16，液路质量流量计17，变径18，压力传感器19，液路内锥流量计20。液路油水两相流量的求解方案分几种情况，首先是总质量流量的测量方案。液路总质量流量求解方案1：当液路总质量流量小于质量流量计测量下限时，液路的总质量流量用内锥流量计来确定，质量流量计主要输出平均密度值，利用质量流量计测得的平均密度值与差压流量计的差压值，可求的液路总质量流量。液路总质量流量求解方案2：当液路总质量流量大于质量流量计测量下限时，则以质量流量计测得的质量流量作为液路总质量流量。这是因为设计时，质量流量计主要用于测量平均密度值，故没有按照液路流量范围选取的对应的管径，而是选取高一个规格管径的质量流量计，这样使得密度的测量精度能够保证。但质量流量计的测量下限提高了，所以当液路流量较小时质量流量计误差较大，用内最流量计确定总质量流量。质量流量计在其流量范围内测量质量流量的精度较高，故在流量较大时以质量流量计的读数作为液路总质量流量的测量值。图3中变径18是为了将液路管径变换到与之相适应的流量范围下的管径。这样既兼顾了质量流量计的密度测量，又能使内锥流量计工作在其量程范围内。液路总质量流量是否大于或小于3则以内锥流量计的读数作为判定。

液相含油率的测量方案也分两种情况，液相含油率的测量方案1：当液相含油率大于等于20％时，采用质量流量计获得的平均密度值求解含油率。液相含油率的测量方案2：当液相含油率小于等于20％时，则需要综合考虑各种因素，包括气路流量、压力波动，液路流量、温度、压力等信息，在含油率计算理论公式的约束下，利用多传感器数据融合算法来求解含油率，保证含油率求解精度。系统具体工作过程见工作流程图4。

具体测量模型及求解方案如下：

1、单气相测量模型

$W_g=\frac{C{\mathrm{ϵA}}_d\sqrt{{2\rho }_g\Delta P_g}}{\sqrt{1-{\beta }^4}}---\left(1\right)$

式中，W_g-气相质量流量；C-内锥流量计流出系数；A_d-内锥流量计的节流环隙面积；ρ_g-气体密度(根据气路的压力传感器和温度传感器的值求出)；ΔP_g-内锥流量计产生的压差；β-内锥流量计的节流比。

2、湿气测量模型

$W_g=\frac{W_g^{\prime }}{{\Phi }_g}---\left(2\right)$

$W_g^{\prime }=\frac{C{\mathrm{ϵA}}_d\sqrt{2{\rho }_g{\mathrm{\Delta P}}_{\mathrm{tp}}}}{\sqrt{1-{\beta }^4}}---\left(3\right)$

${\Phi }_g=\sqrt{\frac{{\mathrm{\Delta P}}_{\mathrm{tp}}}{{\mathrm{\Delta P}}_g}}=1+K.\frac{{\delta }_{P_{\mathrm{tp}}}}{\overline{{\mathrm{\Delta P}}_{\mathrm{tp}}}}---\left(4\right)$

${\delta }_{P_{\mathrm{tp}}}={\mathrm{\Delta P}}_{\mathrm{tpi}}-\overline{{\mathrm{\Delta P}}_{\mathrm{tpi}}}---\left(5\right)$

上述各式中，Φ_g-湿气虚高修正系数；W′_g-内锥流量计在湿气条件下的读数；ΔP_tp-内锥流量计在湿气条件下产生的差压值；-差压波动量；ΔP_tp-差压读数平均值；K-系数，在不同的管道直径及节流比下通过实验确定。

3、液路总流量求解方案1

$W=W_V=\frac{{\mathrm{CA}}_d\sqrt{{2\rho }_{\mathrm{tp}}{\mathrm{\Delta P}}_{\mathrm{tp}}}}{\sqrt{1-{\beta }^4}}---\left(6\right)$

式中，ρ_tp-由质量流量计确定的液路平均密度；W_V-内锥流量计测得的总质量流量。

4、液路总流量求解方案2

W＝W_K    (7)

式中，W_K-质量流量计测得的总质量流量。

5、含油率求解方案1

$B=\frac{{\rho }_W-{\rho }_{\mathrm{tp}}}{{\rho }_W-{\rho }_o}---\left(8\right)$

式中，B-体积含油率；ρ_W-水的密度；ρ_o-油的密度。

6、含油率求解方案2

采用理论模型(公式(8))约束下的多传感器数据融合，融合算法采用神经网络算法。具体可以参考文献以下文献设计算法：[1]马龙博，张宏建，周洪亮，贺庆，基于Coriolis流量计和SVM的油水两相流质量流量测量的研究，2007年4月高校化学工程学报第21卷第2期200-205。[2]仉立军，冯汝鹏，兰小村，改进的BP神经网络在三相流相分率检测中的应用，哈尔滨理工大学学报，2006年12月，第11卷第6期，106-109”。