多相流计量方法及多相流质量流量计

摘要

本发明公开了一种多相流计量方法及多相流质量流量计。由差压变送器检测的压差dp1和dp2，超声多普勒流量计测得体积流量QL，输入智能化二次仪表8，以算得气液比n1和含水率WR1，以及气、水、油各相流量；对上述检测的气相流量变换为标准状态下的气相流量。本发明与现有相关技术相比，优点在于：该计量方法既无需气液相预先分离，也无需对三相流中的相比(如气液比和含水率等)另外添加专门技术单独检测，方法简单，且精度高，重复性好，操作方便，易于推广应用。

说明书

技术领域

本发明属于油田中使用的多相流计量方法及多相流质量流量计，具体地说，是测量油、水、气多相流的各相流量、含水率和气液比等参量的计量方法及质量流量计。

背景技术

目前，国内外大型石油公司和相关机构都致力于多相流计量方法和装置的研究和应用。已开发出的商业化计量装置基本上可分为如下两大类：

一类是对待测油、水、气多相流预先进行气液相分离，然后再对分离后的气相和液相分别进行计量。这种计量原理简单，可达一定精度，已在油田得到较广泛应用，例如美国专利US 6,338,276 B1。由于气液相分离通常采用重力分离法或旋流分离法，分离器结构十分庞大，且造价高、安装难度大。况且，计量精度直接受到气液相分离效率以及气液相分别计量有效控制的制约，要继续提高计量精度有较大的困难。

另一类是无需对气液相进行预先分离，而直接对多相流的参数进行计量。由于待计量参数包括液质量流量/体积流量和含水率，以及气流量和气液比等众多参数，往往需要在采用孔板(或Venturi)流量计的同时，还必须采用伽马射线、微波或电容(对油包水成油连续相)/电导(对水包油成水连续相)等计量方法对相比参数进行单独测量。这种方法可在线计量，精度较高，在石油工业的计量检测中占有相当的份额，例如Framo Phase Watch VX或美国专利US 6,935,189 B2。但由于这种计量结果直接受三相流的流型和流态的影响，计量结果不易稳定，计量装置结构与原理十分复杂，价格昂贵，标定、安装与维修相当麻烦。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多相流计量方法及多相流质量流量计，无需对气、液相预先分离处理，也无需对相比参量用其它技术独立检测，可对各相流量和相比的一次性同时计量，且流量计结构轻巧，精度较高，安装与维修方便。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种多相流计量方法，包括如下步骤：在内直径为D的均匀直管内的三相流体的流动方向上间隔设置两个内直径分别为d1和d2的孔板；检测两个孔板处的压差dp₁，dp₂；检测两孔板之间的液相流量Q_L1；根据以下公式计算含水率WR₁和气液比n₁：

$>G=\frac{k_2{\mathrm{dp}}_2}{k_1{\mathrm{dp}}_1}=(b-a){\mathrm{WR}}_1+a$>

$>G=\frac{k_2{\mathrm{dp}}_2}{k_1{\mathrm{dp}}_1}=\frac{a(1-{\mathrm{WR}}_1)+b{\mathrm{WR}}_1+{\mathrm{cn}}_1}{1+n_1}$>

其中G表示两个孔板对应压差比dp2/dp1和几何尺寸d1、d2及均匀管直径D的函数；系数a、b、c分别表示纯油、纯水、纯气态G值；其中的

$>k_1=\frac{d_1^4}{1-{\left(\frac{d_1}{D}\right)}^4},$>$>k_2=\frac{d_2^4}{1-{\left(\frac{d_2}{D}\right)}^4}$>

根据下式得到气、水、油三相的体积流量

Q_g1＝n₁Q_L1

Q_w1＝WR₁·Q_L1

Q_o1＝(1-WR₁)Q_L1

其中Q_g1为气相体积流量，Q_w1为水相体积流量，Q_o1为油相体积流量。

本发明与现有相关技术相比，优点在于：该计量方法既无需气液相预先分离，也无需对三相流中的相比(如气液比和含水率等)另外添加专门技术单独检测，方法简单，且精度高，重复性好，操作方便，易于推广应用。

相应地，对应上述计量方法的多相流质量流量计，包括：两个孔板流量计，安装在均匀直圆管内的两孔板处；超声多普勒流量计，安装在均匀直圆管上，且位于所述两个孔板流量计之间；分别与两个孔板流量计对应的差压变送器，安装在均匀直圆管内的两孔板处；以及在均匀直圆管的管壁上安装压力传感器和温度传感器各一个。

本发明提供的多相流质量流量计主要部件是孔板流量计和超声多普勒流量计，原理成熟，工艺规范，造价低廉。无需像其他多相流检测中需要采用价格昂贵的伽马射线或其他电磁影象技术，或者采用分离器对气液相预先分离处理。该装置精度高，重复性好，操作方便，易于安装与维修，在油田(特别是对海上油田)的采油计量中更显示其独特的优越性，因为对于油田特别是海上油田采油平台，计量装置的小型化和轻巧化是至关重要的。

优选地，该流量计还包括一个智能化二次仪表，接收来自差压变送器检测的差压dp1、dp2，超声多普勒流量计检测的流量Qs，以及传感器所检测的压力P和温度T，计算得到油水气三相流中各相的流量和相比。

优选地，该流量计还包括一个计量结果显示装置，与所述智能化二次仪表相连，接收由智能化二次仪表计算得到的油水气三相流中各相的流量和相比数据并显示。

附图说明

图1是本发明的多相流质量流量计的结构示意图；

图2是本发明的多相流质量流量计的原理示意图；

图3是本发明的多相流质量流量计的工作流程示意图。

图中标号说明

10-均匀直圆管

1-上游孔板流量计

11-第一检测孔板

2-下游孔板流量计

21-第二检测孔板

3-第一差压变送器

4-第二差压变送器

5-超声多普勒流量计

6-压力传感器

7-温度传感器

8-二次仪表

9-计量结果显示装置

X-流动方向

具体实施方式

下面根据图1至图3，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述，使能更好地理解本发明的功能、特点。

本发明的差压式多相流质量流量计的结构示意图表示在图1中，相应的原理示意图表示在图2中。

本发明的差压式质量流量计，其特征是在一根内直径为D的圆管10内，安装一定间距的两个孔板流量计1和2，其中上游孔板11的内直径为d1，下游孔板21的内直径为d2。在孔板11和21之间安装超声多普勒流量计5。压力及温度传感器6和7在同一管线上的安装位置可随意。

当油水气三相流体在圆管10内以箭头X所指方向流动，在孔板11处由于管截面局部狭窄，产生压力降，经差压变送器3检测为压差dp1。同样，在孔板21处，局部狭窄产生压力降经差压变送器4检测为压差dp2。与此同时，超声多普勒流量计5将检测到相应流量Qs以及压力和温度传感器6和7将检测到三相流的压力P和温度T，下面将给出如何通过上述直接检测的参数计算三相流中的相比(含水率和气液比等)和各相流量的方法和相应数学表达式。

油水气三相流体经孔板11和21的质量流量分别为

$>Q_{m1}=\frac{c_1{c}_{d_1}{d_1}^2}{\sqrt{1-{\left(\frac{d_1}{D}\right)}^4}}\sqrt{{\rho }_1{\mathrm{dp}}_1}$>$>Q_{m2}=\frac{c_2{c}_{d_2}{d_2}^2}{\sqrt{1-{\left(\frac{d_2}{D}\right)}^4}}\sqrt{{\rho }_2{\mathrm{dp}}_2}---\left(1\right)$>

式中

$>c_1=c_2=\frac{\pi }{4}\sqrt{2},$>

c_d1和c_d2为孔板11和孔板21的流量系数，

ρ₁和ρ₂为孔板11和21处的三相流体密度，

记

$>k_1=\frac{d_1^4}{1-{\left(\frac{d_1}{D}\right)}^4},$>$>k_2=\frac{d_2^4}{1-{\left(\frac{d_2}{D}\right)}^4}---\left(2\right)$>

由质量流量守恒知

Q_m1＝Q_m2

将式(1)代入上式，整体后得

$>G=\frac{k_2{\mathrm{dp}}_2}{k_1{\mathrm{dp}}_1}=\frac{{\rho }_1}{{\rho }_2}=\frac{Q_2}{Q_1}$>                     (3)式中

$>Q_1=\frac{Q_{m1}}{{\rho }_1}$>和$>Q_2=\frac{Q_{m2}}{{\rho }_2}$>分别表示经孔板11和21的体积流量。

现在若以下标o、w和g表示油、水和气，即

Q₁＝Q_o1+Q_w1+Q_g1

Q₂＝Q_o2+Q_w2+Q_g2        (4)

从孔板11到孔板21，三相流中油、水和气的体积流量之间分别成线性关系，

Q_o2＝aQ_o1，Q_w2＝bQ_w1，Q_g2＝cQ_g1

由式(3)得

$>G=\frac{k_2{\mathrm{dp}}_2}{k_1{\mathrm{dp}}_1}=\frac{a{Q}_{o1}+b{Q}_{w1}+c{Q}_{g1}}{Q_{o1}+Q_{w1}+Q_{g1}}---\left(5\right)$>

记经孔板11后的含水率WR₁和气液比n₁为

$>{\mathrm{WR}}_1=\frac{Q_{w1}}{Q_{o1}+Q_{w1}},$>$>n_1=\frac{Q_{g1}}{Q_{o1}+Q_{w1}}---\left(6\right)$>

则由式(5)进一步得

$>G=\frac{k_2{\mathrm{dp}}_2}{k_1{\mathrm{dp}}_1}=\frac{a(1-{\mathrm{WR}}_1)+b{\mathrm{WR}}_1+{\mathrm{cn}}_1}{1+n_1}---\left(7\right)$>

显然上式中的系数a、b和c可分别由纯油、纯水和纯气态的G值表示为

a＝G|_纯油态     b＝G|_纯水态          c＝G|_纯气态

另一方面，超声多普勒流量计检测体积流量Q_s与液相流量Q_L1之间关系为

$>Q_s=\frac{1}{s}{Q}_{L1}---\left(8\right)$>

因而

Q_o1+W_w1+Q_g1＝Q_L1+Q_g1＝sQ_s+Q_g1         (9)

$>\frac{Q_1-Q_{L1}}{Q_{L1}}=\frac{Q_{g1}}{Q_{L1}}=\frac{Q_{g1}}{s{Q}_s}=n_1---\left(10\right)$>

联合关系式(7)和(9)，可确定气液比n₁和含水率WR₁分别用超声多普勒流量计检测流量Q_s和不同相态所对应的G值表示出来。

特别地，对于纯液态(油水两相)流，Q_g1＝0，或气液比n₁＝0，由式(7)可直接得到含水率WR₁用G值表出的关系式

$>G=\frac{k_2{\mathrm{dp}}_2}{k_1{\mathrm{dp}}_1}=(b-a){\mathrm{WR}}_1+a---\left(11\right)$>

最后，由式(8)确定液相体积流量Q_L1后，气、水和油各相的体积流量可分别表为

Q_g1＝n₁Q_L1

Q_w1＝WR₁·Q_L1         (12)

Q_o1＝(1-WR₁)Q_L1

图3给出差压式三相流质量流量计的工作流程示意图。将差压变送器3和4检测的压差dp₁和dp₂以及超声多普勒流量计测得体积流量Q_L(＝sQ_s)，输入智能化二次仪表8，由式(10)和(7)的相应软件可算得气液比n₁和含水率WR₁。最后，由式(12)的相应软件可算得气、水、油各相流量。表示图3中的传感器6和7检测压力P和温度T可对上述检测的气相流量变换为标准状态下的气相流量。图3中的计量结果由显示装置9显示结果，包括相比(含水率、气液比和各相流流量等)。

本发明与现有相关技术相比有如下优点：

(1)本发明提供的多相流质量流量计既无需气液相预先分离，也无需对三相流中的相比(如气液比和含水率等)另外添加专门技术单独检测，结构简单、轻巧，安装和维修方便。

(2)本发明提供的多相流质量流量计主要部件是孔板流量计(2个)和超声多普勒流量计，原理成熟，工艺规范，造价低廉。无需象其他多相流检测中需要采用价格昂贵的伽马射线或其他电磁影象技术，或者采用分离器对气液相预先分离处理。

(3)本发明提供差压式质量流量计精度高，重复性好，操作方便，易于推广应用。

(4)本发明提供的多相流质量计在油田(特别是对海上油田)的采油计量中更显示其独特的优越性，因为对于油田特别是海上油田采油平台，计量装置的小型化和轻巧化是至关重要的。

前面提供了对较佳实施例的描述，以使本领域内的任何技术人员可使用或利用本发明。对该较佳实施例，本领域内的技术人员在不脱离本发明原理的基础上，可以作出各种修改或者变换。应当理解，这些修改或者变换都不脱离本发明的保护范围。