異型文丘里流量計(jì)和用其測(cè)量多相流中氣液相流量的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及濕氣計(jì)量設(shè)備和計(jì)量方法領(lǐng)域，尤其是一種異型文丘里流量計(jì)和用其 測(cè)量多相流中氣液相流量的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在多相流計(jì)量領(lǐng)域涉及的一些基礎(chǔ)概念如下："總質(zhì)量流量"是指單位時(shí)間內(nèi)流量 測(cè)量段管道截面的氣相和液相的質(zhì)量之和。"氣質(zhì)量流量"是指單位時(shí)間內(nèi)流過測(cè)量段管道 截面的氣相的質(zhì)量。"液質(zhì)量流量"是指單位時(shí)間內(nèi)流過測(cè)量段管道截面的液相的質(zhì)量。"滑 移比"指氣相流體的速度和液相的流體速度之比，用S表示。"前差壓"是指文丘里喉部上游 的直管段取壓點(diǎn)與喉部取壓點(diǎn)之間的壓力差。"后差壓"是指文丘里喉部下游的直管段取壓 點(diǎn)與喉部取壓點(diǎn)之間的壓力差。"干度"是指濕氣中氣相的質(zhì)量流量與氣液總質(zhì)量流量的 比。"質(zhì)量含液率"是指液相質(zhì)量流量占總質(zhì)量流量的百分比，數(shù)值上與干度的和為1。
[0003] 文丘里流量計(jì)是最常規(guī)的一類流體流量計(jì)量設(shè)備，其利用文丘里管上游與文丘里 管喉部處的壓差（即所謂的文丘里效應(yīng))來測(cè)量流體流量，但常規(guī)文丘里流量計(jì)只能測(cè)量流 體總流量。天然氣開采過程中，從地下采出的天然氣往往是包含氣、液兩相的濕氣，為了生 產(chǎn)管理，需要對(duì)氣液兩相各自的流量進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)量。因此，傳統(tǒng)的文丘里流量計(jì)并不能完成 在線測(cè)量濕氣氣液兩相各自流量的作用。
[0004] -種解決方法是使用相分率計(jì)與傳統(tǒng)文丘里流量計(jì)組合使用，靠傳統(tǒng)文丘里流量 計(jì)測(cè)量氣液兩相總流量，靠相分率計(jì)在線測(cè)量氣液相分率，然后計(jì)算氣液兩相各自的流量。 這樣的相分率計(jì)例如伽馬射線相分率計(jì)，但使用相分率計(jì)要引入放射源，石油生產(chǎn)商對(duì)此 有所顧慮。另外，使用相分率計(jì)會(huì)增加流量計(jì)量設(shè)備的體積，在某些苛刻、惡劣測(cè)量條件下， 例如在井下測(cè)量的情況下，需要將流量計(jì)安裝在空間很有限的地下井筒內(nèi)，體積過大的流 量計(jì)將無法深入到地下井筒中。
[0005] -種改進(jìn)的做法同時(shí)測(cè)量文丘里管的前后兩個(gè)差壓值，并基于以下假定的理論模 型來計(jì)算，即假定前后差壓只跟2個(gè)參數(shù)有關(guān)，這2個(gè)參數(shù)分別反映流體的氣質(zhì)量流量和干 度(質(zhì)量含氣率）。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合前后差壓與這2個(gè)參數(shù)的關(guān)系，并聯(lián)立求解，即可求的 測(cè)量條件下的氣液質(zhì)量流量。但事實(shí)上，影響前后差壓的因素很多，上述假定與真實(shí)情況相 差較多，致使測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確度很低，最重要的是這種方法的普適性較差，當(dāng)井況和介質(zhì)性質(zhì) 發(fā)生變化時(shí)，測(cè)量精度會(huì)大打折扣。
[0006] 現(xiàn)有技術(shù)認(rèn)為，文丘里管的前差壓和后差壓的值同時(shí)受流體性質(zhì)、工況條件和文 丘里結(jié)構(gòu)三大方面的影響。目前使用雙差壓文丘里測(cè)量濕氣兩相流的方法主要有兩種。一 種方法認(rèn)為文丘里前后差壓的大小只跟氣液相的質(zhì)量流量(具體表現(xiàn)為氣相質(zhì)量流量與干 度，液相質(zhì)量流量與干度，或總質(zhì)量流量與干度的參數(shù)組合）以及喉部壓力有關(guān)，而前后差 壓對(duì)這些參數(shù)組合(如氣相質(zhì)量流量、干度、壓力組合;液相質(zhì)量流量、干度、喉部壓力組合； 總質(zhì)量流量、干度、喉部壓力組合）的反映不一樣。通過擬合前后差壓與上述參數(shù)組合的函 數(shù)關(guān)系，聯(lián)立方程組求解可以得到氣液相的質(zhì)量流量。另一種方法認(rèn)為濕氣流過文丘里時(shí)， 由于液相引入，使得文丘里收縮段差壓高于純干氣流過時(shí)產(chǎn)生的差壓，從而導(dǎo)致氣相的高 估，即所謂的"虛高"。通過前后差壓建立一定的"虛高"模型，采用迭代求解的方法得到氣液 質(zhì)量流量。需要說明的是該"虛高"模型的表達(dá)式也是通過實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)擬合得到的。由于不 同氣井的流體性質(zhì)和工況條件都有所不同，采用實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)擬合方法得到的表達(dá)式普適性 很差，但是如果采用現(xiàn)場介質(zhì)和現(xiàn)場工況來擬合，又受到現(xiàn)場條件限制(無參照標(biāo)準(zhǔn))幾乎 是無法實(shí)現(xiàn)的。因此這兩種方法在普適性上存在較大的問題。
[0007] 因此，人們希望能開發(fā)不使用相分率計(jì)也能在線測(cè)量多相流中氣液兩相各自流量 的設(shè)備，且越小巧越好，便于在例如空間很有限的井下使用，并希望有更準(zhǔn)確的計(jì)算方法來 計(jì)算氣液兩相流量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的在于克服上述已有技術(shù)的不足，提供一種結(jié)構(gòu)簡單、體積小、適用于 井下使用的異型文丘里流量計(jì)。
[0009] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:一種異型文丘里流量計(jì)，包括文丘 里管和壓力監(jiān)測(cè)器，其特征在于:所述文丘里管由依次相連的前直管段、收縮段、喉部段、擴(kuò) 張段和后直管段構(gòu)成，前直管段和后直管段的內(nèi)徑為D，喉部段的內(nèi)徑為d，收縮段和擴(kuò)張端 均呈錐形，文丘里管的結(jié)構(gòu)參數(shù)i3=d/D=0.45-0.75，喉部段長度為2d-8d，收縮段錐度為 10.5°，擴(kuò)張段錐度為7.5°。
[0010] 進(jìn)一步地，所述壓力監(jiān)測(cè)器為至少3個(gè)壓力探頭或者至少2個(gè)壓差傳感器。
[0011] 具體的，所述壓力監(jiān)測(cè)器可以為3個(gè)壓力探頭，分別為第一壓力探頭、第二壓力探 頭和第三壓力探頭，第一壓力探頭置于前直管段上距離收縮段入口 1D距離處，第二壓力探 頭置于喉部段上距離收縮段出口 Id距離處，第三壓力探頭置于后直管段上距離擴(kuò)張段出口 6D距離處，其中第一壓力探頭與第二壓力探頭之間的壓差為前差壓ΔΡ1，第二壓力探頭與 第三壓力探頭之間的差壓為后差壓Δ P2。
[0012] 所述壓力監(jiān)測(cè)器也可以為2個(gè)壓差傳感器，分別為第一壓差傳感器和第二壓差傳 感器，第一壓差傳感器用于測(cè)量前直管段上距離收縮段入口 1D距離處與喉部段上距離收縮 段出口 Id距離處的壓差，為前差壓△ P1，第二壓差傳感器用于測(cè)量喉部段上距離收縮段出 口 Id距離處與后直管段上距離擴(kuò)張段出口6D距離處的壓差，為后差壓Δ P2。
[0013] 進(jìn)一步地，所述異型文丘里流量計(jì)還包含溫度探頭，該溫度探頭用于測(cè)量介質(zhì)溫 度。
[0014] 本發(fā)明還提供一種測(cè)量多相流中氣相質(zhì)量流量和液相質(zhì)量流量的方法，其使用上 述結(jié)構(gòu)的異型文丘里流量計(jì)，并根據(jù)以下公式來計(jì)算氣相質(zhì)量流量Qg和總質(zhì)量流量Qm:
其中分別是前差壓值和后差壓值;D為前直管段直徑，β為喉部段直徑d與前直 管段直徑D之比，即i3=d/D;尤為熱膨脹系數(shù);仏灼分別為工況下氣相密度和液相密度，由氣 相和液相各自的標(biāo)況密度值經(jīng)PVT換算到工況下而得到，作為常數(shù)使用；C^C 2分別為收縮 段和擴(kuò)張段的流出系數(shù)，通過實(shí)驗(yàn)標(biāo)定的方法來獲得其關(guān)于雷諾數(shù)Re的表達(dá)式，上述方程 組中未知數(shù)只有四個(gè)，分別是氣相質(zhì)量流量備，總質(zhì)量流量仏:，工況混和密度#V，干度X， 聯(lián)立求解上面四個(gè)等式組成的方程組即可得到氣相質(zhì)量流量Qg和總質(zhì)量流量Qm，進(jìn)而得到 液相質(zhì)量流量Ql=Qm_Qg。
[0015] 本發(fā)明的有益效果是:結(jié)構(gòu)簡單，改變常規(guī)文丘里管的上下游對(duì)稱式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采 用上述結(jié)構(gòu)的文丘里管，可以使得后差壓不隨質(zhì)量含液率的變化而變化，給測(cè)量和模型計(jì) 算帶來了極大的便利性，也大大提高了測(cè)量準(zhǔn)確度。
[0016] 具體的優(yōu)點(diǎn)如下:a.無需使用相分率計(jì)，僅僅靠獨(dú)特設(shè)計(jì)的文丘里管結(jié)構(gòu)以及獨(dú) 特設(shè)計(jì)的前后差壓取壓點(diǎn)位置的選取，就能在線實(shí)時(shí)測(cè)量氣液兩相流體各自的流量。b.體 積非常小巧，適合于在諸如井下的狹窄空間內(nèi)使用。c.流量算法獨(dú)特而簡單。d.由于模型中 不含擬合公式，大大提高了模型的普適性。
【附圖說明】
[0017] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0018] 圖1是本發(fā)明的異型文丘里流量計(jì)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019] 圖2是使用本發(fā)明的異型文丘里流量計(jì)測(cè)得的前后差壓隨干度的變化圖。
[0020] 圖3是本發(fā)明的異型文丘里流量計(jì)測(cè)量不同干度和不同氣體質(zhì)量流量下的濕氣時(shí) 的后差壓與干度的關(guān)系圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021] 如圖1所示，本發(fā)明一種異型文丘里流量計(jì)，包括文丘里管和壓力監(jiān)測(cè)器，其中，文 丘里管由依次相連的前直管段1、收縮段2、喉部段3、擴(kuò)張段4和后直管段5構(gòu)成，前直管段1 和后直管段5的內(nèi)徑為D，喉部段3的內(nèi)徑為d，收縮段2和擴(kuò)張端4均呈錐形，文丘里管的結(jié)構(gòu) 參數(shù)i3=d/D=0.45-0.75，喉部段3長度為2d-8d，收縮段2錐度為10.5°，擴(kuò)張段4錐度為7.5°。 [0022] 進(jìn)一步地，上述壓力監(jiān)測(cè)器為至少3個(gè)壓力探頭或者2個(gè)壓差傳感器。本實(shí)施例圖1 所示為壓力監(jiān)測(cè)器為3個(gè)壓力探頭的方案，3個(gè)壓力探頭分別為第一壓力探頭P1、第二壓力 探頭P2和第三壓力探頭P3，第一壓力探頭置于前直管段上距離收縮段入口 1D距離處，第二 壓力探頭置于喉部段上距離收縮段出口 Id距離處，第三壓力探頭置于后直管段上距離擴(kuò)張 段出口6D距離處，其中第一壓力探頭與第二壓力探頭之間的壓差為前差壓△ P1，第二壓力 探頭與第三壓力探頭之間的差