本發(fā)明屬于多相流流量計(jì)量領(lǐng)域。具體地，本發(fā)明涉及一種用于測量多相流中油氣水三相各自體積流量的測量裝置及測量方法。

背景技術(shù)：

油氣工業(yè)中，油氣井產(chǎn)物同時(shí)包含液相原油和氣相天然氣的氣液混合流體，業(yè)內(nèi)稱之為多相流。其中所述氣相包括例如油氣田氣或任何在常溫下不凝的氣體，具體地有如甲烷、乙烷、丙烷、丁烷等；所述液相可包括：油相，例如原油本身以及在原油開采過程中溶解在原油中的液體添加劑，以及水相，例如地層水、采用過程中注入油氣井中的水以及溶解在水相中的其它液體添加劑。在實(shí)踐中，油相和水相可能發(fā)生相分離，也可能油相和水相混合在一起，或是完全乳化的。如何實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地測量從油氣井中采出的氣液混合流體中氣體的流量和液體的流量，以及如何更進(jìn)一步地測量油相、氣相和水相三相各自的流量，是油氣藏管理和生產(chǎn)優(yōu)化所必需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

目前多相流測量的基本原理都是通過文丘里、互相關(guān)等方法獲得流體的總流量，使用伽馬射線相分率儀、超聲傳感器、電容電導(dǎo)含水儀、微波含水儀、差壓密度計(jì)等測量流體的相分率，進(jìn)而獲得混合流體中各單相的流量。這些技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)，如伽馬射線吸收技術(shù)的測量精度很高，超聲、微波等技術(shù)雖然造價(jià)相對較低，但測量精度無法保證。在當(dāng)前國際油價(jià)相對低迷的情況下，設(shè)計(jì)一種可以精確計(jì)量多相流中油氣水各相流量的低成本流量計(jì)具有較高的現(xiàn)實(shí)意義。

差壓密度計(jì)是一種結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)低廉的多相流相分率測量的方法，在油、水相介質(zhì)密度已知的前提下，利用差壓密度計(jì)測量出介質(zhì)流體的混合密度，即可區(qū)分兩相流體的相分率。一種用差壓法測量流體混合密度的現(xiàn)有技術(shù)方法是在豎直管段上取一段差壓，根據(jù)液柱靜差壓的大小可以確定液體的混合密度。但一般而言，差壓表測得的差壓除了包含液柱靜壓差外，還包括介質(zhì)在管道中流動的摩阻壓降，因此，在計(jì)算豎直管液柱靜壓差的時(shí)候要減去摩阻壓降。液體混合密度可以表示如下：

${\mathrm{\ρ}}_{mix}=\frac{\mathrm{\Δ}P-{\mathrm{\ΔP}}_f}{{\mathrm{gh}}_v}$

式中，

${\mathrm{\ΔP}}_f=\mathrm{\λ}\frac{L}{D}{\mathrm{\ρ}}_{mix}\frac{V^2}{2}$

其中，

ΔP_f——摩阻損失引起的壓降；

h_v——差壓表兩取壓口之間的垂直距離；

λ——沿程摩阻系數(shù)；

L——壓力表1和壓力表2之間的距離；

g——重力加速度；

V——流體平均速度

本文中所有參數(shù)的單位均為SI單位制。

由于多相流的流型非常復(fù)雜，在段塞流工況下，豎直管中的差壓往往很不穩(wěn)定，由于流體的沖擊波動，給測量精度造成了較大的影響。另外，多相流摩阻損失的機(jī)理目前尚未完全清晰，計(jì)算公式本身并不精確，加之豎直管中靜差壓大小本來就不大，摩阻壓降計(jì)算稍有出入，就會給測量造成顯著的影響，這是測量多相流中液相密度進(jìn)而推算含水率和含油率所遇見的典型困難之一。

此外，對于三相流體來說，僅僅依靠差壓密度計(jì)測量液相密度來推算含水率和含油率顯然是不夠的，需要同時(shí)與另外一種可以測量含氣率的裝置配合，才能獲得完整的相分率數(shù)據(jù)，進(jìn)而獲得多相流中油氣水三相各自的體積流量。

本發(fā)明致力于解決上述問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的第一方面提供了一種測量多相流中油、氣、水各相體積流量的測量裝置，其主要包括以下構(gòu)件：

一種測量多相流中油、氣、水三相各自體積流量的測量裝置，其特征在于，其包括以下構(gòu)件：

文丘里管1，其具有喉部段；

第三差壓表DP3，其用于測量文丘里管入口處與喉部段之間的差壓ΔP₃；

單能伽馬射線相分率儀2，其布置在所述喉部段處，用于測量多相流的含氣率α_gas；

旋流管3，其布置在所述文丘里管1的下游，其內(nèi)具有旋流葉片31，流過旋流管3的多相流分為兩部分，第一部分連通氣液分離罐4，第二部分繼續(xù)沿主輸送管路10直接排走；

氣液分離罐4，其具有外罐41和內(nèi)罐42，其中內(nèi)罐42頂部封閉底部敞開，且與所述旋流管3的第一部分多相流連通；內(nèi)外罐之間具有環(huán)隙以供氣流通過并經(jīng)氣路管線9排出外罐41，外罐41下部具有儲液空間，沿儲液空間豎直方向從上到下具有三個(gè)測壓點(diǎn)A、B、C，其中測壓點(diǎn)A與測壓點(diǎn)B之間設(shè)有第一差壓表DP1以測量差壓ΔP₁，測壓點(diǎn)B與測壓點(diǎn)C之間設(shè)有第二差壓表DP2以測量差壓ΔP₂，外罐41底部連通至液路管線8。

在優(yōu)選的實(shí)施方案中，所述內(nèi)罐42底部具有多個(gè)指向同一點(diǎn)的噴頭5以將內(nèi)罐中的流體噴出并匯集在同一點(diǎn)。這樣可以通過多股流體的碰撞來進(jìn)一步強(qiáng)化氣液分離效果。

優(yōu)選地，所述氣路管線9與液路管線8在所述氣液分離罐4之外分別匯合至主輸送管路10。

優(yōu)選地，在所述文丘里管1的上游設(shè)有盲三通7以使多相流混合均勻。

優(yōu)選地，所述儲液空間的橫截面積為所述主輸送管路(10)的橫截面積的2倍以上。本發(fā)明的第二方面涉及一種測量多相流中油氣水各相體積流量的測量方法，其使用如本發(fā)明第一方面所述的測量裝置，該測量方法包括以下步驟：

A.用第三差壓表DP3測量文丘里管1的入口處與喉部段之間的差壓ΔP₃；

B.用單能伽馬射線相分率儀2測量多相流的含氣率α_gas；

C.使多相流流經(jīng)所述旋流管3并在旋流葉片31作用下產(chǎn)生旋流以至少部分地實(shí)現(xiàn)氣液分離；流過旋流管3的多相流分為兩部分，第一部分進(jìn)入氣液分離罐4，第二部分繼續(xù)沿主輸送管路10直接排走；

D.將第一部分的多相流導(dǎo)入所述內(nèi)罐42中，其中的液相落入外罐41的儲液空間中，多相流中的氣相沿內(nèi)外罐之間的環(huán)隙經(jīng)氣路管線9排出；

E.通過檢測ΔP1來判斷液面是否超過測壓點(diǎn)B，如超過，則通過測量ΔP2來測量油水混合密度ρ_oil-water,進(jìn)而測得含水率α_water和含油率α_oil；

F.通過以下公式計(jì)算多相流的混合密度：

ρ_mix＝ρ_water(1-α_gas)α_water+ρ_oil(1-α_gas)α_oil+ρ_gasα_gas

G.通過文丘里流量計(jì)算公式計(jì)算多相流的總體積流量Q：

$Q=\frac{\mathrm{\π}}{4}{\mathrm{CEd}}^2\sqrt{\frac{2{\mathrm{\ΔP}}_3}{{\mathrm{\ρ}}_{mix}}}$

其中C為文丘里流出系數(shù)；β＝d/D,d和D分別是文丘里喉部和入口直管段的直徑；

H.通過以下公式計(jì)算油氣水三相各自的體積流量：

Q_gas＝Q×α_gas

Q_water＝Q×(1-α_gas)×α_water

Q_oil＝Q×(1-α_gas)×α_oil。

優(yōu)選地，通過設(shè)置在內(nèi)罐42底部的多個(gè)指向同一點(diǎn)的噴頭5將內(nèi)罐中的流體噴出并匯集在同一點(diǎn)，以通過多股流體的彼此碰撞來強(qiáng)化氣液分離效果，以盡可能排除氣相影響，提高液相混合密度的測量精度。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)如下：

1.通過單能伽馬射線相分率儀測量含氣率，使得多相流中油氣水三相各自流量的測量成為可能；且充分利用了伽馬射線相分率儀測量相分率精度高的特點(diǎn)，在大幅降低生產(chǎn)成本的前提下，使設(shè)備的整體性能不至于降低。

2.液相取樣前，在旋流管3內(nèi)通過旋流葉片31使多相流產(chǎn)生旋流，利用離心分離原理降低了分離罐中樣液的含氣率，使裝置能夠在較高的含氣率下工作。

3.經(jīng)旋流管3對多相流進(jìn)行部分氣液分離后，僅將一部分多相流導(dǎo)入氣液分離罐4中做進(jìn)一步氣液分離，這種部分取樣的方式，使氣液分離罐的尺寸盡可能減小，則可以使用常規(guī)儀表(差壓變送器)替代昂貴的含水分析儀，降低了裝置的造價(jià)成本。

4.在優(yōu)選實(shí)施方案中，通過內(nèi)罐底部的多個(gè)指向同一點(diǎn)的噴頭，使流體碰撞匯集，促進(jìn)了氣液的進(jìn)一步分離和油水的進(jìn)一步混合，避免了油水在分離罐內(nèi)分層對測量造成的影響。同時(shí)，多相流經(jīng)多個(gè)噴頭噴出并碰撞混合后，可以有效避免段塞流對儲液空間內(nèi)液面的沖擊，有利于差壓的測量。

5.本發(fā)明的方法中，待儲液空間液面超過測壓點(diǎn)B時(shí)才開始測量差壓ΔP2，一方面避免了噴出流體對液面的沖擊給差壓ΔP2測量造成的影響，另一方面相當(dāng)于使液柱高度保持不變，避免了液柱高度的測量工序和由此引入的誤差。

6.之前的現(xiàn)有技術(shù)是在流速非?？斓亩嘞嗔髦鬏斔凸苈分袦y量靜液壓差，因此摩阻壓降很大，干擾了靜液壓差的測量。而本發(fā)明在氣液分離罐的儲液空間處測量靜液壓差，因?yàn)閮H僅是一部分多相流進(jìn)入該氣液分離罐，且該氣液分離罐橫截面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于主輸送管路的橫截面積，故液相在此處的流速要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于在主輸送管路中的流速，由此可極大地降低了摩阻壓降對靜水差壓的影響，避開了摩阻壓降的計(jì)算所引入的誤差。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明的算法框圖。

附圖標(biāo)記含義如下：

1、文丘里管；2、伽馬射線發(fā)射器；3、旋流管；31、旋流葉片；4、氣液分離罐；41、外罐；42、內(nèi)罐；5、噴頭；6、調(diào)節(jié)閥；7、盲三通；8、液路管線；9、氣路管線；10、主輸送管路；A、測壓點(diǎn)A；B、測壓點(diǎn)B；C、測壓點(diǎn)C；DP1、第一差壓表；DP2、第二差壓表；DP3、第三差壓表。

以上附圖僅用于示例性地說明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思和技術(shù)方案，而不以任何方式限制本發(fā)明。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖如附圖1所示，不再贅述。

其中，單能伽馬射線相分率儀用于測量含氣率α_gas，這是其常規(guī)功能。

其中文丘里管用于測量流體的總流量，這也是文丘里流量計(jì)的常規(guī)功能。

其中各差壓表用于測量差壓。

其中旋流管中的旋流葉片用于引導(dǎo)多相流產(chǎn)生旋流運(yùn)動，利用離心作用，將其中的一部分液體甩進(jìn)氣液分離罐的內(nèi)罐中。

工作時(shí)，包含油氣水三相的多相流經(jīng)過盲三通結(jié)構(gòu)混合均勻后，向上流經(jīng)文丘里和單能伽馬射線相分率儀，利用文丘里管和ΔP₃可由常規(guī)文丘里流量計(jì)公式計(jì)算得到多相流的總體積流量Q，單能伽馬射線相分率儀可以得到三相流體的含氣率α_gas。流體經(jīng)管路流經(jīng)旋流葉片時(shí)產(chǎn)生旋流，利用離心力將其中密度較大的液體的一部分甩入氣液分離罐的內(nèi)罐。進(jìn)入分離罐的流體只是多相流總流量的一部分，且經(jīng)過離心分離之后含氣率已經(jīng)有所降低。這部分流體進(jìn)入分離罐內(nèi)罐后，經(jīng)過內(nèi)罐下方的噴頭噴出，噴頭噴出方向指向同一點(diǎn)，噴出的流體在這一點(diǎn)碰撞后，氣液進(jìn)一步分離，油水進(jìn)一步混合。氣體密度較小，通過內(nèi)罐與外罐之間的空隙，通過氣路管線匯入主輸送管路，密度較大的液體在分離罐外罐中沉積，并且液相可通過液路管線匯入主輸送管道。通過調(diào)節(jié)分離罐下方的調(diào)節(jié)閥，可以控制罐內(nèi)的液面高度。通過差壓傳感器DP1測量ΔP₁，根據(jù)其是否有讀數(shù)即可判斷液面是否淹沒B點(diǎn)。當(dāng)分離罐內(nèi)液面高度高于B點(diǎn)時(shí)，由于分離罐內(nèi)液體的流動速度可以忽略不計(jì)，因此，可以不去考慮摩阻壓降的影響。差壓ΔP₂的大小即為靜液差壓的大小，此靜液差壓由油、水兩部分組成，根據(jù)以下凈液差壓公式

ΔP₂＝ρgh_BC

其中，ΔP₂為油水兩相在液柱高度在h_BC時(shí)的靜液差壓，ρ_oil-water為油水兩相的混合密度，g是重力加速度。

據(jù)此，可以求出油水混合密度：

ρ_oil-water＝ΔP₂/(gh_BC)

根據(jù)混合物密度公式可知

ρ_oil-water＝α_oilρ_oil+α_waterρ_water

α_oil+α_water＝1

其中純油相密度ρ_oil和純水相密度ρ_water可以通過化驗(yàn)標(biāo)定的方法事先得到，由此可以計(jì)算出含水率。

${\mathrm{\α}}_{water}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{oil-water}-{\mathrm{\ρ}}_{oil}}{{\mathrm{\ρ}}_{water}-{\mathrm{\ρ}}_{oil}}$

α_oil＝1-α_water

然后，根據(jù)以下公式計(jì)算由油氣水三相組成的多相流的混合密度ρ_mix：

ρ_mix＝ρ_water(1-α_gas)α_water+ρ_oil(1-α_gas)α_oil+ρ_gasα_gas

然后，通過常規(guī)文丘里公式計(jì)算多相流總體積流量Q：

$Q=\frac{\mathrm{\π}}{4}{\mathrm{CEd}}^2\sqrt{\frac{2{\mathrm{\ΔP}}_3}{{\mathrm{\ρ}}_{mix}}}$

其中C為文丘里流出系數(shù)；β＝d/D,d和D分別是文丘里喉部和入口直管段的直徑。

進(jìn)而，通過以下公式計(jì)算油氣水三相各自的體積流量：

Q_gas＝Q×α_gas

Q_water＝Q×(1-α_gas)×α_water

Q_oil＝Q×(1-α_gas)×α_oil。