專利名稱：氣液多相流分離整流裝置及其測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種氣液多相流分離整流裝置以及用于測(cè)量油水氣多相流體的檢測(cè)裝置，尤其是一種可以有效提高油水氣三相流測(cè)量精度的測(cè)量裝置。
背景技術(shù)：
為了降低石油天然氣的生產(chǎn)成本，多相流測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)被石油界廣泛重視。用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，相對(duì)廉價(jià)的在線測(cè)量的高科技手段取代現(xiàn)有的高成本分離罐式測(cè)量的生產(chǎn)模式已經(jīng)成為石油界的共識(shí)。特別是隨著海洋石油生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，減少生產(chǎn)成本就變的尤為重要。
油氣水多相流的測(cè)量研究，始于二十世紀(jì)八十年代，此后雖然與石油開(kāi)采產(chǎn)業(yè)相適應(yīng)的研究開(kāi)發(fā)得到了很大的發(fā)展，特別是對(duì)測(cè)量精度在±5％以下，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，高信賴性，不被多相流動(dòng)狀態(tài)所影響的多相流量計(jì)成為這一行業(yè)的重要攻關(guān)目標(biāo)。但是基于多相流理論和其測(cè)量技術(shù)還沒(méi)有形成成熟的體系，目前世界上開(kāi)發(fā)問(wèn)世的幾種多相流測(cè)量?jī)x器離石油生產(chǎn)工業(yè)的要求還有很大的距離。
由于石油生產(chǎn)的特點(diǎn)，在油井地表由于減壓而分離出來(lái)的天然氣將原油的流動(dòng)形態(tài)變的更為復(fù)雜。在一些深井，會(huì)出現(xiàn)氣體容積比大于90％的多相流狀態(tài)。這樣狀態(tài)的多相流用普通常用的流量計(jì)已經(jīng)不能進(jìn)行有效測(cè)量。而多相流量計(jì)是應(yīng)對(duì)這些復(fù)雜的多相流體測(cè)量應(yīng)運(yùn)而生的一種嶄新的科學(xué)的有效的測(cè)量方法。就目前的研究成果來(lái)看，大多是采用文丘里原理解決液體和氣體的分量測(cè)量，用伽馬線放射源的能量吸收率或利用微波傳感器的能量吸收率或電磁傳感器與油水分的相關(guān)函數(shù)法推算油水分率。但是在解決多相流形態(tài)方案上，或者是無(wú)法提供均質(zhì)多相流或是結(jié)構(gòu)龐大，故沒(méi)有得以推廣和應(yīng)用。
現(xiàn)在油田一般是利用分離罐將多相流進(jìn)行氣體和液體分離，然后對(duì)單相流體進(jìn)行測(cè)量，油水分率則是采用采樣后在實(shí)驗(yàn)室利用化學(xué)分離的方法測(cè)量得以實(shí)現(xiàn)多相流測(cè)量的。此測(cè)量系統(tǒng)的缺點(diǎn)有分離結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大，造價(jià)高，維修難，不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線測(cè)量，不適合海底測(cè)量。

發(fā)明內(nèi)容為了克服現(xiàn)有的罐式氣液分離裝置的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、維修難、校正成本高、測(cè)量精度低的不足，本發(fā)明提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，成本低，測(cè)量精度高的氣液多相流分離整流裝置。
為了克服現(xiàn)有的油水氣多相流測(cè)量系統(tǒng)存在的不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線測(cè)量，不適合海底測(cè)量的不足；本發(fā)明提供一種關(guān)于對(duì)油水氣多相流不須分離即可進(jìn)行同時(shí)測(cè)量，特別在海洋油氣田等對(duì)原油、天然氣、油水分等進(jìn)行無(wú)分離實(shí)時(shí)在線測(cè)量的多相流測(cè)量裝置。
本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是一種氣液多相流分離整流裝置，包括外殼，所述的外殼內(nèi)為密閉分離腔，所述分離腔的上部側(cè)面設(shè)有水平導(dǎo)入管，所述的導(dǎo)入管通過(guò)法蘭與導(dǎo)入流體的外管連接；所述的外殼下部設(shè)置液體收集導(dǎo)管，所述的液體收集導(dǎo)管通過(guò)外殼伸入分離腔內(nèi)部并與分離腔連通，所述液體收集導(dǎo)管依次包括導(dǎo)入段、液體混合段、氣液混合段、出口段；所述的分離腔上部設(shè)有氣體導(dǎo)管，所述的氣體導(dǎo)管與所述液體收集導(dǎo)管的氣液混合段連通；所述的分離腔中部連通導(dǎo)流管，所述的導(dǎo)流管中部設(shè)有流量調(diào)整閥門，所述的導(dǎo)流管與所述氣體導(dǎo)管的垂直段相通，所述的液體收集導(dǎo)管出口段內(nèi)設(shè)有主氣液均質(zhì)整流混合器；所述的分離腔底部設(shè)有排泄導(dǎo)管，所述的排泄導(dǎo)管上設(shè)有閥門；所述的液體收集導(dǎo)管的導(dǎo)入段設(shè)有流量調(diào)節(jié)閥門。
進(jìn)一步，所述的導(dǎo)入管內(nèi)安裝常螺旋型加旋器，所述的螺旋型加旋器與管壁密切配合。
再進(jìn)一步，所述的液體混合段內(nèi)也設(shè)有均質(zhì)整流混和器。
更進(jìn)一步，所述的主氣液均質(zhì)整流混合器包括螺旋束型靜止混合器，所述的螺旋束型靜止混合器包括三個(gè)或三個(gè)以上的螺旋單體，所述的螺旋單體的螺旋角為180°，各個(gè)螺旋單體大小等同，所述的相鄰的螺旋單體固定連接形成螺旋束，所述的螺旋束與管壁密切配合，所述的相鄰的螺旋單體之間相切或近似相切，所述的管道的管壁與鄰近的螺旋單體之間相切或近似相切。
所述的液體收集導(dǎo)管的管道為圓形管道，所述的螺旋束型靜止混合器的螺旋單體為1+3n(n+1)個(gè)，其中n為自然數(shù)，一個(gè)螺旋單體的軸心與圓形管道的軸心相同，外層螺旋單體與相鄰的內(nèi)層螺旋單體相切或近似相切，同一層內(nèi)相鄰的螺旋單體之間相切或近似相切。
所述的常螺旋型加旋器的端部設(shè)有圓環(huán)，所述的圓環(huán)與導(dǎo)入管的端部固定連接；螺旋束型靜止混合器的各個(gè)螺旋單體的端部設(shè)有圓環(huán)，各個(gè)相鄰的圓環(huán)固定連接。
所述的導(dǎo)入管的入口處設(shè)有法蘭，液體收集導(dǎo)管的出口處設(shè)有法蘭。通過(guò)法蘭與外管連接。
所述的液體收集導(dǎo)管的導(dǎo)入段設(shè)有開(kāi)口朝上的收集器，所述的收集器前端設(shè)有過(guò)濾裝置。優(yōu)選的一種方案是所述的過(guò)濾裝置的上方與氣體導(dǎo)管連通。
所述的液體收集導(dǎo)管的導(dǎo)入段的內(nèi)徑比氣液混合段內(nèi)徑小。
所述氣體導(dǎo)管的出口設(shè)有折彎管，所述的折彎管伸入所述氣液混合段內(nèi)并與氣液混合流體的流動(dòng)方向一致。
所述的外殼包括殼體、頂部、底座，頂部與殼體固定連接，底座與殼體固定連接。所述的導(dǎo)流管的入口端設(shè)有過(guò)濾器.所述過(guò)濾器安裝在殼體內(nèi)壁。所述的排泄導(dǎo)管安裝在底座上，所述的氣體導(dǎo)管包括與分離腔上部連通的折彎管，水平導(dǎo)氣管、與水平導(dǎo)氣管連通的垂直導(dǎo)氣管，所述的垂直導(dǎo)氣管穿過(guò)所述的氣液混合段與之連通；所述的導(dǎo)流管與垂直導(dǎo)氣管中部連通，所述的殼體中部連通導(dǎo)流管，所述的導(dǎo)流管中段設(shè)置流量調(diào)節(jié)閥門并連通垂直氣體導(dǎo)管。
液體導(dǎo)管的中部設(shè)置流量調(diào)節(jié)閥門，用于調(diào)節(jié)本分離裝置在其流量規(guī)格范圍內(nèi)時(shí)分離腔內(nèi)的液體可以盡量充滿導(dǎo)液管，當(dāng)液體收集導(dǎo)管不能完全輸送分離液體時(shí)，多余的液體將通過(guò)導(dǎo)流管流入氣液混合段，其分離液面可以通過(guò)設(shè)置于導(dǎo)流管上的調(diào)節(jié)閥門調(diào)節(jié)以達(dá)到盡可能收集液體于液體收集管內(nèi)的目的。由于液體收集管是直通內(nèi)腔頂部的，所以可以收集分離腔內(nèi)各個(gè)垂直層面的分離液體，從而盡可能地提供實(shí)時(shí)的液體變化形態(tài)，提高油水分率的測(cè)量精度。所述的液體收集管中部設(shè)有流量調(diào)節(jié)閥門，可以通過(guò)調(diào)節(jié)此閥門最大限度地使液體充滿收集管，以期提高對(duì)油水分的測(cè)量精度。
一種用所述的氣液多相流分離整流裝置實(shí)現(xiàn)的氣液多相流測(cè)量裝置，所述的測(cè)量裝置包括多相流分離整流裝置、檢測(cè)設(shè)備，檢測(cè)設(shè)備包括測(cè)量所述靜止混合器的壓力損失的差壓計(jì)、測(cè)量管線壓力的壓力計(jì)、排氣用的液體補(bǔ)充裝置，速度傳感器、測(cè)量油水分率的傳感器、信號(hào)處理器以及測(cè)量管線溫度的溫度計(jì)。所述的差壓計(jì)位于所述的氣液混合段內(nèi)，所述的壓力計(jì)位于出口段內(nèi)，所述的速度傳感器位于出口段內(nèi)，所述的油水分率傳感器位于液體混合段內(nèi)，所述的溫度傳感器位于氣液混合段內(nèi)，所述的差壓測(cè)量管上出口段內(nèi)安裝液體補(bǔ)充裝置；所述的信號(hào)處理器包括油水分率計(jì)算單元，用于在液體導(dǎo)管中部設(shè)置油水分傳感器用以測(cè)量液體中的油水分率，即
wc＝CmpImp(1)上式中，Cmp為水分率系數(shù)，Imp為水分率的電流值。
則液體的密度可用下述公式計(jì)算，ρL＝wc(ρw-ρo)+ρo(2)上式中，ρw，ρo分別為水和油的密度。即ρo＝X2T2+Y2T+B2(4)ρw＝X3T2+Y3T+B3(5)上式中，Xi，Yi為溫度變化系數(shù)(j＝2，3)，T為溫度、B2，B3為油，水在零度時(shí)的密度。
平均速度計(jì)算單元，用于在所述氣液混合段的下方的速度傳感器測(cè)量多相流的平均速度，即Vmp=Rmωvmp---(6)]]>上式中，ω為速度傳感器的角速度，Rm為速度傳感器的代表半徑，Vmp為速度比，其公式為，vmp=X1(wc+C1)2+Y1eC2GVF+vs---(7)]]>上式中，X1，Y1為速度比損失系數(shù)，C1為粘度相關(guān)系數(shù)，C2為速度比系數(shù)，vs為單相流的速度比氣體容積比計(jì)算單元，利用文丘里原理通過(guò)所述氣液混合段的主均質(zhì)混合器所產(chǎn)生的壓力損失和流體動(dòng)壓的關(guān)系來(lái)推算氣體的容積比，即ΔP=ksλsρGVmp2GVF2+z---(13)]]>上式中，Ks為壓力損失比系數(shù)，λs為壓力損失系數(shù)，ρG為氣體的密度，z為混合器的特性系數(shù)為了計(jì)算多相流體的各流量，在此采用Newton-Raphson反復(fù)計(jì)算法，即
m(ΔP,GVF,Vmp)=ΔP-ksλsρoVmp2GVF2+z=0---(15)]]>h(wc，ρL)＝wcρw-(1-wc)ρO-ρL＝0(16)上式中，氣體的密度采用下式求得，即ρG=ρG0273.15273.15+T·PP0---(17)]]>ρG0，P0分別為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的氣體的密度和標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。
利用(14)，(15)和(16)式可以組成以下的連立方程。
frfGVFfwcmvmGVFmwc00ρwc-ρ0V-V0GVF-GVF0wc-wc0=-f-m-h---(18)]]>上式中，對(duì)各函數(shù)進(jìn)行偏微分可以得到以下各式，fv=X1(wc+C1)2+Y1eC2GVF+vx,fGVF=C2Y1VmpGVFeC2GVF,fwc=2VmpX1(wc+C1)]]>mv=-2ksλsρGGVF2+zVmp,mGVF=-(2+z)ksλsρGGVF1+zVmp2,mwc=0]]>f=f(V0,GVF0,wc0),m≡m(V0,GVF0,wc0),h≡h(ρL0,wc0)利用Gauss消去法求的(18)式的解為Vmpn+1=Vmpn-1J-ffGVFfwc-mmGVF0-h0ρw-ρ0---(19)]]>GVFn+1=GVFn-1Jfv-ffwcmv-m00-hρwc-ρ0---(20)]]>wcn+1=wcn-1JfvfGVF-fmvmGVF-m00-h---(21)]]>上式中，J=fvfGVFfwcmvmGVF000ρw-ρo]]>，收斂條件為，|wcn+1-wcn|≤10-6，或者|GVFn+1-GVFn|≤10-6
當(dāng)收斂條件成立時(shí)即可求得油水分率wc，氣體容積比GVF以及多相流的平均速度Vmp；體積流量計(jì)算單元，用于計(jì)算得到多相流的總體積流量Qmp，氣體的體積流量QG以及液體的體積流量QL，可由下列公式求得Qmp＝Vmp/A(22)QG＝GVF·Qmp(23)QL＝(1-GVF)·Qmp(24)上式中，A為管道的有效面積。
本發(fā)明的工作原理是利用常螺旋型加旋器將多相流體引入分離腔并形成旋轉(zhuǎn)流體。由于向心力的作用，密度較大的流體會(huì)向徑外聚集、密度小的流體會(huì)聚集在圓心的周圍。通過(guò)這樣的處理從而對(duì)氣液多相流體實(shí)行第一次氣液分離；當(dāng)上述多相流進(jìn)入分離腔后，由于流體的密度不同，多相流體即可自然進(jìn)行二次氣液分離；分離腔的上中下各部位分別設(shè)有氣體導(dǎo)管、導(dǎo)流管、液體收集導(dǎo)管，且在液體導(dǎo)管的前部進(jìn)行液體均質(zhì)混合，從而對(duì)其下方安裝的油水分傳感器提供均質(zhì)而且安定的準(zhǔn)液體流動(dòng)形態(tài)，從而提高了油水分率的測(cè)量精度；在液體收集管的混合中段進(jìn)行再次氣液混合，混合后的流體通過(guò)一個(gè)特制的靜止均質(zhì)整流混合器，從而對(duì)其下方安裝的速度傳感器提供均質(zhì)而且安定的多相流動(dòng)形態(tài)，可以大幅度提高氣液兩相流體的測(cè)量精度。
本發(fā)明的測(cè)量方法是首先在前述分離混合裝置上的液體收集導(dǎo)管的水平部位設(shè)置可以測(cè)量流體的油水分率或密度的儀器或傳感器，對(duì)液體實(shí)施油水分率或密度測(cè)量并且取得相應(yīng)的信號(hào)；利用設(shè)置于前述氣液混合部的下方的靜止均質(zhì)混合器的下流的速度傳感器測(cè)量多相流的流速的相應(yīng)信號(hào)；采用壓力差傳感器和壓力傳感器測(cè)量前述靜止混合器的上流和下流的壓力差以及壓力的相應(yīng)信號(hào)，通過(guò)實(shí)施離3中的(a)至(d)的各個(gè)處理過(guò)程即可對(duì)前述各信號(hào)進(jìn)行處理計(jì)算從而得到相應(yīng)的多相流的油水分率、氣體容積比、氣液流速或體積流量、總體積流量、總質(zhì)量流量以及液體的密度。
本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在1、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修方便，成本低；2、可以提高多相流的各相流體的測(cè)量精度；3、對(duì)流體進(jìn)行細(xì)化、均質(zhì)整流，可以提供無(wú)旋轉(zhuǎn)安定的多相流體形態(tài)。


圖1是氣液多相流分離整流裝置斷面圖。
圖2是氣液多相流分離整流裝置外觀圖。
圖3是氣液多相流分離整流裝置俯視圖。
圖4是液體收集調(diào)節(jié)部結(jié)構(gòu)圖。
圖5是液體收集管內(nèi)設(shè)置的過(guò)濾器固定結(jié)構(gòu)圖。
圖6是常螺旋線加旋器的側(cè)視圖。
圖7是常螺旋線加旋器結(jié)構(gòu)圖。
圖8是基于氣液多相流分離整流裝置的流量計(jì)實(shí)例的結(jié)構(gòu)圖。
圖9是判斷收斂條件是否成立的流程圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。
實(shí)施例1參照?qǐng)D1、圖2、圖3、圖4、圖5，一種氣液多相流分離整流裝置，包括外殼(1)，所述的外殼(1)內(nèi)為分離腔，所述外殼(1)的上側(cè)部設(shè)有導(dǎo)入管(2)，所述的導(dǎo)入管(2)與用于導(dǎo)入流體的外管連接；所述的外殼(1)下側(cè)設(shè)有液體收集導(dǎo)管(3)，所述的液體收集導(dǎo)管(3)伸入分離腔底部，所述液體收集導(dǎo)管(3)包括過(guò)慮器(6-2)、液體收集器(3-1)、液體導(dǎo)管(3-2)、液體混合部、氣液混合段(3-6)、氣液整流段(3-7)、出口段；所述的外殼(1)底部設(shè)有排泄導(dǎo)管(1-7)；所述的外殼上部設(shè)有氣體導(dǎo)管(4-1)，所述的氣體導(dǎo)管包括與殼體上部連通的折彎管、水平導(dǎo)氣管、解體用法蘭(4-2)、與水平導(dǎo)管連通的垂直導(dǎo)氣管(4-5)，所述的垂直導(dǎo)氣管(4-5)穿過(guò)所述液體收集導(dǎo)管(3)的中部與氣液混合段連通；所述的分離腔中部連通導(dǎo)流管(5-1)，所述的導(dǎo)流管的水平中部設(shè)有調(diào)節(jié)閥(5-2)、所述的導(dǎo)流管的水平部末端與垂直導(dǎo)氣管(4-5)中部連通；所述的液體導(dǎo)管的中段設(shè)有流量調(diào)節(jié)閥(3-3)，上述出口段的下流段內(nèi)設(shè)有主靜止均質(zhì)整流混合器(3-7)。
所述的液體收集導(dǎo)管的導(dǎo)入段的外徑比氣液混合段外徑小。所述的垂直導(dǎo)氣管的出口端設(shè)有水平折彎段，并且此水平折彎段伸入氣液混合段，所述的水平折彎段的出口方向與混合流體的流動(dòng)方向一致。所述的液體收集管上部設(shè)有垂直布置并與氣體導(dǎo)管入口連通的過(guò)慮器(6-2)，所述液體收集部的上部為一個(gè)外徑大于導(dǎo)液管外徑的圓筒，并且其上部和導(dǎo)氣管開(kāi)放連通，其管壁上設(shè)有導(dǎo)液孔，所述收集部的下部為一個(gè)收縮管部，所述收縮管與水平的液體導(dǎo)液管連通。所述外殼內(nèi)的中間部設(shè)有阻擋板，所述的阻擋板與導(dǎo)流管的入口配合，并且在其入口處設(shè)置有過(guò)濾網(wǎng)(5-3)，所述過(guò)濾網(wǎng)由固定裝置(5-4)固定在內(nèi)腔壁上。所述的外殼包括頂部(1-2)，頂蓋(1-3)，中間部，底座(1-6)，外殼頂部和頂蓋用螺栓(1-4)連接，頂部和底座均與殼體固定連接，所述的阻擋板安裝在殼體內(nèi)壁上，所述的排泄導(dǎo)管安裝在底座上。所述的導(dǎo)入管的入口處，液體收集導(dǎo)管的出口處設(shè)有法蘭。
所述液體收集管的外部設(shè)有過(guò)濾器(6-2)，本過(guò)濾器下部放置在液體收集管的下段外部所設(shè)置的支撐架上(6-1)，其上部設(shè)有固定環(huán)(6-3)，所述固定環(huán)用螺栓(6-4)與外殼頂部(1-2)固定連接。
本實(shí)施例的工作過(guò)程是將氣液多相流從導(dǎo)入管(2)引入分離腔，分離腔為二次分離空間，將流體中的氣、液分離，分離腔的上中下分別設(shè)有氣體導(dǎo)管、導(dǎo)流管、液體收集導(dǎo)管，且在液體收集管中部的混合段中進(jìn)行再次混合，混合后流向均質(zhì)整流混合器，從而提供均質(zhì)的多相流動(dòng)形態(tài)，可以大幅度提高測(cè)量精度。
實(shí)施例2參照?qǐng)D1、圖2、圖3、圖4、圖5、圖6、圖7，本實(shí)施例中，所述的導(dǎo)入管內(nèi)安裝常螺旋型加旋器，所述的常螺旋單體的旋轉(zhuǎn)角為180度；所述的液體導(dǎo)管的導(dǎo)入段內(nèi)設(shè)有第一螺旋束型靜止混合器(3-4)，所述的螺旋束型靜止混合器包括三個(gè)或三個(gè)以上的螺旋單體，各個(gè)螺旋單體大小等同；所述的相鄰的螺旋單體之間、所述的螺旋單體與管道的管壁之間相切或近似相切；所述的螺旋單體的螺旋角為180度。
所述的主均質(zhì)整流混合器包括前置的薄板交叉型混合器、后置的螺旋束型靜止混合器。所述的副混合器為螺旋束型靜止混合器。所述的螺旋束型靜止混合器包括不少于三個(gè)的螺旋單體，所述的各個(gè)螺旋單體相互固接成螺旋束。所述的常螺旋加速器的端部設(shè)有圓環(huán)(2-4)，所述的圓環(huán)與導(dǎo)入管的端部固定連接。螺旋束型靜止混合器的各個(gè)螺旋單體的端部設(shè)有圓環(huán)，各個(gè)相鄰的圓環(huán)固定連接。
本實(shí)施例的其余結(jié)構(gòu)與工作過(guò)程與實(shí)施例1相同。
本發(fā)明是運(yùn)用常螺旋型加旋器將氣液混合流體進(jìn)行加旋、利用向心力對(duì)混相流進(jìn)行初步分離，然后再利用混合流體的密度不同進(jìn)行自然分離，然后通過(guò)特殊的液體收集裝置(3-1)，以及氣液重新混合結(jié)構(gòu)，再使用特制的靜止混合器(3-7)的情況下對(duì)混合流體進(jìn)行混合、細(xì)化、均質(zhì)、整流，從而提供安定均質(zhì)的多相流動(dòng)形態(tài)。并且因?yàn)樵O(shè)有液體收集導(dǎo)管，在此安裝油水分率測(cè)量裝置，可以大幅度提高油水分率的測(cè)量精度。并且因具有結(jié)構(gòu)緊湊，各傳感器適應(yīng)密封、耐壓、防爆等設(shè)計(jì)，特別適合于海底在線測(cè)量。
實(shí)施例3參照?qǐng)D8，本發(fā)明的一個(gè)典型應(yīng)用實(shí)例是利用油水分傳感器進(jìn)行測(cè)量液體中的油水分率，利用速度傳感器進(jìn)行測(cè)量混合流體的體積流量和利用文丘里原理進(jìn)行液體和氣體的分量測(cè)量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)多相流體測(cè)量的一種新型流體儀器。此實(shí)施例具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，體積小，造價(jià)低廉，防爆安全簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。并且已經(jīng)進(jìn)行了生產(chǎn)驗(yàn)證，達(dá)到了設(shè)計(jì)效果。本實(shí)施例由兩部分組成，即信號(hào)收集系統(tǒng)和信號(hào)處理系統(tǒng)。信號(hào)收集系統(tǒng)由設(shè)置于前述流體導(dǎo)出管內(nèi)部的特制的靜止均質(zhì)整流混合器(3-7)，測(cè)量本靜止混合器的壓力差的差壓計(jì)(8)，測(cè)量管線壓力的壓力計(jì)(7)，速度傳感器(12)以及測(cè)量油水分率的傳感器(3-5)，信號(hào)處理器(6)，測(cè)量管線溫度的溫度計(jì)(10)以及用于排氣用的液體補(bǔ)充裝置(11)所組成。信號(hào)處理部分由一臺(tái)特制的具有信號(hào)轉(zhuǎn)換和演算功能的流程控制計(jì)算機(jī)模塊所組成。它可以進(jìn)行各種信號(hào)轉(zhuǎn)換(A/D)，演算各相的流量，油水分率和信號(hào)傳輸、儲(chǔ)存等功能。
信號(hào)處理器中測(cè)量過(guò)程為(a)對(duì)分離后的油水兩相流的油水分率或液體的密度的測(cè)量，wc＝CmpImp(1)在此，Cmp，Imp分別為調(diào)整系數(shù)和電流輸出值。
ρL＝wc(ρw-ρo)+ρo(2)在此，ρw，ρo分別為水和油的密度。即ρo＝X2T2+Y2T+B2(4)ρw＝X3T2+Y3T+B3(5)(b)測(cè)定氣液多相流體的流速Vmp=Rmωvmp---(6)]]>在此，vmp為速度比。通過(guò)試驗(yàn)得到的經(jīng)驗(yàn)公式。即，
vmp=X1(wc+C1)2+Y1eC2GVF+vs---(7)]]>在此，vs為單相流時(shí)的速度比。
(c)測(cè)定靜止均質(zhì)混合器的壓力差根據(jù)Lockhart-Martinelli(1)氣液兩相流體的分離流模型，即(dPj/dx)G=λGρGVG2---(8)]]>(dPj/dx)L=λLρLVL2---(9)]]>將氣液多相流時(shí)的壓力損失(ΔPmp)與單相流時(shí)的壓力損失(ΔPs)比定義為壓力損失比(φs2)，流路的壓力損失可以由局部的壓力分量通過(guò)積分得到。即，ΔPmpΔPs=1xm∫0smφs2dx---(10)]]>在混合器裝置于管道內(nèi)的氣液混合的情況下，將(10)式對(duì)混和器的長(zhǎng)度xm進(jìn)行積分可以得到混合器的壓力損失比φmp2，即ΔPmpΔPs=φmp2---(11)]]>在此，根據(jù)試驗(yàn)驗(yàn)證，氣液多相流的壓力損失和相應(yīng)混合器長(zhǎng)xm的飽和單相流的壓力損失的比是一個(gè)和氣體容積比成一定關(guān)系的物理量，即，ΔPmp/ΔPG＝ksGVFz(12)將(8)式帶入(11)式并進(jìn)行規(guī)整，即可得到在多相流狀態(tài)下混合器的壓力損失比，即ΔP=ksλsρGVmp2GVF2+z---(13)]]>(d)計(jì)算方法為了計(jì)算多相流體的各流量，在此采用Newton-Raphson反復(fù)計(jì)算法，即 m(ΔP,GVF,Vmp)=ΔP-ksλsρGVmp2GVF2+z=0---(15)]]>
h(wc，ρL)＝wcρw-(1-wc)ρO-ρL＝0(16)上式中，氣體的密度采剛卜式求得，即ρG=ρG0273.15273.15+T·PP0---(17)]]>ρG0，P0分別為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的氣體的密度和標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。
利用(14)，(15)和(16)式可以組成以下的連立方程。
fvfGVFfwcmvmGVFmwc00ρwc-ρ0V-V0GVF-GVF0wc-wc0=-f-m-h---(18)]]>上式中，對(duì)各函數(shù)進(jìn)行偏微分可以得到以下各式，fv=X1(wc+C1)2+Y1eC2GVF+vs,fGVF=C2Y1VmpGVFeC2GVF,fwc=2VmpX1(wc+C1)]]>mv=-2ksλsρGGVF2+zVmp,mGVF=-(2+z)ksλsρGGVF1+zVmp2,mwc=0]]>f≡f(V0，GVF0，wc0)，m≡m(V0，GVF0，wc0)，h≡h(ρL0，wc0)利用Gauss消去法求的(18)式的解為Vmpn+1=Vmpn-1J-ffGVFfwc-mmGVF0-h0ρw-ρo---(19)]]>GVFn+1=GVFn-1Jfv-ffwcmv-m00-hρWC-ρO---(20)]]>wcn+1=wcn-1JfvfGVF-fmvmGVF-m00-h---(21)]]>上式中，J=fvfGVFfwcmvmGVF000ρw-ρo]]>，收斂條件為，|wcn+1-wcn|≤10-6，或者|GVFn+1-GVFn|≤10-6參照?qǐng)D9，當(dāng)收斂條件成立時(shí)即可求得油水分率wc，氣體容積比GVF以及多相流的平均速度Vmp。
(e)各相流量的計(jì)算根據(jù)以上所求得的結(jié)果即可計(jì)算出各相流量。即Qmp＝Vmp/A (22)QG＝GVF·Qmp(23)QL＝(1-GVF)·Qmp(24)Qo＝(1-wc)·QL(25)Qw＝wc·QL(26)GL＝Gw+Go＝ρwQw+ρoQo(27)GG＝ρgQg(28)Gmp＝GL+GG(29)本實(shí)施例主要運(yùn)用于油田單井計(jì)量/測(cè)試、油藏動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和生產(chǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)控(a)單井計(jì)量/測(cè)試取代常規(guī)的測(cè)試分離罐、并提供實(shí)時(shí)在線多相流量測(cè)量、對(duì)油井進(jìn)行測(cè)試。(b)油藏動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)為油田的作業(yè)者提供實(shí)時(shí)連續(xù)的數(shù)據(jù)、使得對(duì)油藏動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)成為可能。(c)生產(chǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)控提供多相流氣相、液相流量和水分率的實(shí)時(shí)變化信息、為生產(chǎn)優(yōu)化提供重要數(shù)據(jù)。
本實(shí)施例的測(cè)量?jī)x器全部的信號(hào)是由4-20mA模擬信號(hào)所構(gòu)成。當(dāng)信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)處理器時(shí)，將進(jìn)行信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換。然后通過(guò)特殊程序計(jì)算，最后將算出的流量和油水分率表示在表示面版LED上，或者經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸或無(wú)線傳輸將信號(hào)傳送到預(yù)定地點(diǎn)。
權(quán)利要求
1.一種氣液多相流分離整流裝置，其特征在于包括外殼，所述的外殼內(nèi)為密閉分離腔，所述分離腔的上部側(cè)面設(shè)有水平導(dǎo)入管，所述的導(dǎo)入管通過(guò)法蘭與導(dǎo)入流體的外管連接；所述的外殼下部設(shè)置液體收集導(dǎo)管，所述的液體收集導(dǎo)管通過(guò)外殼伸入分離腔內(nèi)部并與分離腔連通，所述液體收集導(dǎo)管依次包括導(dǎo)入段、液體混合段、氣液混合段、出口段；所述的分離腔上部設(shè)有氣體導(dǎo)管，所述的氣體導(dǎo)管與所述液體收集導(dǎo)管的氣液混合段連通；所述的分離腔中部連通導(dǎo)流管，所述的導(dǎo)流管中部設(shè)有流量調(diào)整閥門，所述的導(dǎo)流管與所述氣體導(dǎo)管的垂直段相通，所述的液體收集導(dǎo)管出口段內(nèi)設(shè)有主氣液均質(zhì)整流混合器；所述的分離腔底部設(shè)有排泄導(dǎo)管，所述的排泄導(dǎo)管上設(shè)有閥門；所述的液體收集導(dǎo)管的導(dǎo)入段設(shè)有流量調(diào)節(jié)閥門。
2.如權(quán)利要求1所述的氣液多相流分離整流裝置，其特征在于所述的導(dǎo)入管內(nèi)安裝常螺旋型加旋器，所述的常螺旋型加旋器與管壁密切配合。
3.如權(quán)利要求1所述的氣液多相流分離整流裝置，其特征在于所述的主氣液均質(zhì)整流混和器包括前置的薄板交叉型混合器、后置的螺旋束型靜止混合器。
4.如權(quán)利要求1所述的氣液多相流分離整流裝置，其特征在于所述的液體混合段內(nèi)設(shè)有均質(zhì)整流混和器。
5.如權(quán)利要求1、3、4之一所述的氣液多相流分離整流裝置，其特征在于所述的主氣液均質(zhì)整流混合器包括螺旋束型靜止混合器，所述的螺旋束型靜止混合器包括三個(gè)或三個(gè)以上的螺旋單體，所述的螺旋單體的螺旋角為180°，各個(gè)螺旋單體大小等同，所述的相鄰的螺旋單體固定連接形成螺旋束，所述的螺旋束與管壁密切配合，所述的相鄰的螺旋單體之間相切或近似相切，所述的管道的管壁與鄰近的螺旋單體之間相切或近似相切。
6.如權(quán)利要求1所述的氣液多相流分離整流裝置，其特征在于所述的液體收集導(dǎo)管的導(dǎo)入段設(shè)有開(kāi)口朝上的收集器，所述的收集器前端設(shè)有過(guò)濾裝置。
7.如權(quán)利要求1所述的氣液多相流分離整流裝置，其特征在于所述的液體收集導(dǎo)管的導(dǎo)入段的內(nèi)徑比氣液混合段內(nèi)徑小。
8.如權(quán)利要求1所述的氣液多相流分離整流裝置，其特征在于所述氣體導(dǎo)管的出口設(shè)有折彎管，所述的折彎管伸入所述氣液混合段內(nèi)并與氣液混合流體的流動(dòng)方向一致。
9.如權(quán)利要求1所述的氣液多相流分離整流裝置，其特征在于所述的外殼包括殼體、頂部、底座，頂部與殼體固定連接，底座與殼體固定連接，導(dǎo)流管的入口端設(shè)有過(guò)濾器，所述過(guò)濾器安裝在殼體內(nèi)壁；所述的排泄導(dǎo)管安裝在底座上；所述的氣體導(dǎo)管包括與分離腔上部連通的折彎管，水平導(dǎo)氣管、與水平導(dǎo)氣管連通的垂直導(dǎo)氣管，所述的垂直導(dǎo)氣管穿過(guò)所述的氣液混合段并與之連通；所述的殼體中部連通導(dǎo)流管，所述的導(dǎo)流管與垂直導(dǎo)氣管中部連通，所述的導(dǎo)流管中段設(shè)置流量調(diào)節(jié)閥門并連通垂直氣體導(dǎo)管。
10.一種用如權(quán)利要求1所述的氣液多相流分離整流裝置實(shí)現(xiàn)的測(cè)量裝置，其特征在于所述的測(cè)量裝置包括多相流分離整流裝置、檢測(cè)設(shè)備，檢測(cè)設(shè)備包括測(cè)量所述靜止混合器的壓力損失的差壓計(jì)、測(cè)量管線壓力的壓力計(jì)、排氣用的液體補(bǔ)充裝置，速度傳感器、測(cè)量油水分率的傳感器、信號(hào)處理器以及測(cè)量管線溫度的溫度計(jì)，所述的差壓計(jì)位于所述的氣液混合段內(nèi)，所述的壓力計(jì)位于出口段內(nèi)，所述的速度傳感器位于出口段內(nèi)，所述的油水分率傳感器位于液體混合段內(nèi)，所述的溫度傳感器位于氣液混合段內(nèi)，所述的差壓測(cè)量管上安裝液體補(bǔ)充裝置；所述的信號(hào)處理器包括油水分率計(jì)算單元，用于在液體導(dǎo)管中部設(shè)置油水分傳感器用以測(cè)量液體中的油水分率，即wc＝CmpImp(1)上式中，Cmp為水分率系數(shù)，Imp為水分率的電流值。則液體的密度可用下述公式計(jì)算，ρL＝wc(ρw-ρo)+ρo(2)上式中，ρw，ρo分別為水和油的密度。即ρo＝X2T2+Y2T+ρo(4)ρw＝X3T2+Y3T+ρw0(5)上式中，Xi，Yi為溫度變化系數(shù)(i＝2，3)，T為溫度平均速度計(jì)算單元，用于在所述氣液混合段的下方的速度傳感器測(cè)量多相流的平均速度，即Vmp=Kvωvmp---(6)]]>上式中，ω為速度傳感器的角速度，Kv為速度損失系數(shù)，vmp為速度比，其公式為，vmp=X1(wc+C1)2+Y1ec2GVF+vs---(7)]]>上式中，X1，Y1為速度比損失系數(shù)，C1為粘度相關(guān)系數(shù)，C2為速度比系數(shù)，Vs為單相流的速度比。氣體容積比計(jì)算單元，利用文丘里原理通過(guò)所述氣液混合段的主均質(zhì)混合器所產(chǎn)生的壓力損失和流體動(dòng)壓的關(guān)系來(lái)推算氣體的容積比，即ΔP=ksλsρGVmp2GVF2+z---(13)]]>上式中，Ks為壓力損失比系數(shù)，λs為壓力損失系數(shù)，ρG為氣體的密度，z為混合器的特性系數(shù)為了計(jì)算多相流體的各流量，在此采用Newton-Raphson反復(fù)計(jì)算法，即 m(ΔP.GVF,Vmp)=ΔP-ksλsρGVmp2GVF2+z---(15)]]>h(wc，ρL)＝wcρw-(1-wc)ρG-ρL＝0 (16)上式中，氣體的密度采用下式求得，即ρG=ρG0273.15273.15+T·PP0---(17)]]>ρGo，P0分別為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的氣體的密度和標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。利用(14)，(15)和(16)式可以組成以下的連立方程。fVfGVFfwcmVmGVFmwc00ρwc-ρoV-V0GVF-GVF0wc-wc0=-f-m-h---(18)]]>上式中，對(duì)各函數(shù)進(jìn)行偏微分可以得到以下各式，fV=X1(wc+C1)2+Y1eC2GVF+vs,]]>fGVF=C2Y1VmpGVFeC2GVF,]]>fwc＝2VmpX1(wc+C1)mv＝-2ksλsρGGVF2+zVmp，mGVF=-(2+z)ksλsρGGVF1+zVmp2,]]>mwc＝0f≡f(V0，GVF0，wc0)，m≡m(V0，GVF0，wc0)，h≡h(ρL0，wc0)利用Gauss消去法求的(18)式的解為Vmpn+1=Vmpn-1J-ffGVFfwc-mmGVF0-h0ρw-ρo---(19)]]>GVFn+1=GVFn-1JfV-ffwcmV-m00-hρwc-ρo---(20)]]>wcn+1=wcn-1JfVfGVF-fmVmGVF-m00-h---(21)]]>上式中，J=fVfGVFfwcmVmGVF000ρw-ρo,]]>收斂條件為，|wcn+1-wcn|≤10-6，|GVFn+1-GVFn|≤10-6當(dāng)收斂條件成立時(shí)即可求得氣體容積比GVF以及多相流的平均速度Vmp；體積流量計(jì)算單元，用于計(jì)算得到多相流的總體積流量Qmp，氣體的體積流量QG以及液體的體積流量Q1，可由下列公式求得Qmp＝Vmp/A (22)QG＝GVF·Qmp(23)QL＝(1-GVF)·Qmp(24)上式中，A為管道的有效面積。
全文摘要
一種氣液多相流分離整流裝置，包括外殼，外殼內(nèi)為密閉分離腔，分離腔的上部側(cè)面設(shè)有水平導(dǎo)入管，導(dǎo)入管與導(dǎo)入流體的外管連接；外殼下部設(shè)置液體收集導(dǎo)管，液體收集導(dǎo)管通過(guò)外殼伸入分離腔內(nèi)，液體收集導(dǎo)管依次包括導(dǎo)入段、液體混合段、氣液混合段、出口段；分離腔上部設(shè)有氣體導(dǎo)管，氣體導(dǎo)管與液體收集導(dǎo)管的氣液混合段連通，中部連通導(dǎo)流管，導(dǎo)流管與氣體導(dǎo)管的垂直段相通，液體收集導(dǎo)管出口段內(nèi)設(shè)有主氣液均質(zhì)整流混合器，底部設(shè)有排泄導(dǎo)管，排泄導(dǎo)管上設(shè)有閥門；液體收集導(dǎo)管的導(dǎo)入段設(shè)有流量調(diào)節(jié)閥門。以及應(yīng)用該分離整流裝置的測(cè)量裝置。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、測(cè)量精度高、能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線測(cè)量、適合海上、海底混相流測(cè)量。
文檔編號(hào)G01F15/00GK101017105SQ200610049299
公開(kāi)日2007年8月15日 申請(qǐng)日期2006年2月7日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月7日
發(fā)明者俞洪燕 申請(qǐng)人:俞洪燕