專利名稱：油氣水三相流量的在線即時計量方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于計量技術(shù)類，它具體涉及一種用于原 油 -天然氣-水三相混合物或天然氣-凝析液-水三相混合物各相 流量的計量方法及其裝置。
背景技術(shù)：
在原油的生產(chǎn)過程中，原油通常是與伴生天然氣 和地層水或注水一起開采出來，在井口和輸運管道中形成油氣水 三相流動。同樣，在天然氣的生產(chǎn)過程中，從天然氣井中流出來 的天然氣也經(jīng)常含有凝析液和冷凝水或地層水。油氣水各相流量 的計量是對各油氣井及區(qū)塊進(jìn)行產(chǎn)量核算、優(yōu)化油氣藏管理、及 提高采收率的重要生產(chǎn)環(huán)節(jié)?，F(xiàn)在常用的計量方法是先用氣液分 離器將天然氣和液體(油和水混合物)分離開來，然后用單相流 量計分別測出氣相和液相的流量，再用含水率儀測出油水比率， 從而得到油氣水混合物各相的流量。這種計量方法的設(shè)備龐大笨 重、需要復(fù)雜的液位控制系統(tǒng)、投資費用高、常常不能精確測出 即時流量、并且無法用于對海底油氣井口及管道內(nèi)多相流的計 量。近年來，國內(nèi)外已研發(fā)出幾種油氣水三相流量計，但它們絕 大多數(shù)都采用y射線來測量相比率或混合物密度，而^射線有對 人體造成危害的風(fēng)險和隱憂，甚至在有的國家和地區(qū)受到禁用。

發(fā)明內(nèi)容
為克服上述的測量方法對人體有害及不能實現(xiàn)在 線即時測量的問題特提出本方案-油氣水三相流量的在線即時計量方法及裝置。本發(fā)明提供了一種可對陸地、海洋平臺、 及水下油氣井或區(qū)塊生產(chǎn)出的油氣水三相混合物各相流量進(jìn)行 自動在線計量的方法，用這種方法制成的油氣水三相流量的測量 裝置具有無放射性、工作范圍寬、測量精度高、制造成本低、性 能穩(wěn)定等特點。
按照如上構(gòu)思，本方案提出的油氣水三相流量的在線即時測 量裝置，其特征是它由測量油氣水三相混合物平均密度的垂直管 段、測量油氣水三相流體總流量的文丘里管、及油水混合物含水 率在線測量系統(tǒng)構(gòu)成，它的含水率測量系統(tǒng)包括在線液體取樣裝 置、液相含水率測量管、以及安裝其上的微波式含水率儀，其中 在線油水混合物取樣裝置是由焊接在管壁外側(cè)的取樣環(huán)室、取樣 環(huán)縫、安裝在管內(nèi)部與取樣環(huán)縫上沿平齊的導(dǎo)流環(huán)、取樣孔、排 氣孔、以及螺旋葉片式的旋流器構(gòu)成，其取樣環(huán)縫是在管壁上與 管內(nèi)主流方向成45。夾角的多個長孔形成，取樣環(huán)室內(nèi)的排氣孔 是沿管壁周向均勻分布的與管內(nèi)主流方向成135。夾角的多個孔形 成，取樣環(huán)室底部的取樣孔經(jīng)含水率測量管在文丘里管喉口下 游的回流？I射孔連接，回流引射孔與管內(nèi)主流方向成45。夾角， 在垂直管段上接有壓力傳感器P，并聯(lián)著AP2壓差傳感器，在 垂直管段上端與文丘里管的喉口部分并聯(lián)著AP1壓力傳感器， 在液相含水率測量部分的管內(nèi)接有溫度傳感器T。
本裝置中，在含水率測量管內(nèi)裝有壓差式含水率儀厶P3測
量儀。在入口法蘭與垂直管段進(jìn)口之間安裝靜態(tài)混合器。在取樣環(huán)室內(nèi)的排氣孔的數(shù)量為4 ~ 6個，取樣環(huán)縫為4 ~ 6個長孔。
使用權(quán)利要求1所述油氣水三相流量的在線即時測量裝置的 油氣水三相流量在線即時測量方法的特征是在用壓差傳感器和 分別測量的油氣水三相混合物流經(jīng)具有給定幾何尺寸的垂直管 段和文丘里管時產(chǎn)生的壓差和ap2后，由基于均相流模型的下
式直接得出油氣水三相混合物的平均密度&:
af2=a^ + ;i^2々4a/j;
然后用以下兩式分別計算出油氣水三相混合物的總流量ew和體
積含氣率;r:
,,一 A . z 一 ,
Pi - A;
用油水混合物含水率在線測量系統(tǒng)測得含水率-后，方可計算出
油氣水三相流體的氣相流量&、油相流量2。、及水相流量&:
附圖i兌明圖l是本發(fā)明測量裝置的結(jié)構(gòu)原理圖，它采用了 微波式含水率測量儀。
圖2是本發(fā)明的另一實施例的結(jié)構(gòu)原理圖，它采用了壓差式 含水率測量儀。
.圖3為液體采樣裝置的結(jié)構(gòu)原理圖。
圖4為液體回流引射孔的結(jié)構(gòu)原理圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理及工作原理作進(jìn)一步的說明。
如

圖1和圖2所示，本發(fā)明由測量油氣水三相混合物平均密 度的垂直管段1、測量油氣水三相流體總流量的文丘里管2、和 一個液相(油水混合物)含水率在線測量系統(tǒng)所構(gòu)成。該液相含水 率測量系統(tǒng)是由一個液體取樣裝置4和一個液相含水率測量管5' 以及安裝其上的微波式含水率儀或壓差式含水率儀7構(gòu)成。被測 油氣水三相流體首先垂直向上流經(jīng)與進(jìn)口法蘭12相連接的垂直 管段，由壓差傳感器9測得油氣水三相流體流經(jīng)垂直管段時的壓 降A(chǔ)i^;被測油氣水三相流體然后通過文丘里管，由壓差傳感器8 測得油氣水三相流體通過文丘里管時的壓降;當(dāng)被測油氣水 三相流體最后流經(jīng)與出口法蘭13連接的液體(油水混合物)取 樣裝置4時，少量液體被取出，在流經(jīng)含水率測量管5并由液相 含水率儀7測得含水率后，再通過位于文丘里管喉口下游的回流 引射孔6返回管道內(nèi)的主流。油氣水三相混合物的壓力和溫度分 別用壓力傳感器10和溫度傳感器11測量。
如圖3所示，液體(油水混合物)在線取樣裝置是由焊接在 管壁外側(cè)的取樣環(huán)室18、管壁上與管內(nèi)主流方向成45。夾角的取 樣環(huán)縫15、安裝在管內(nèi)與取樣環(huán)縫15上沿平齊的導(dǎo)流環(huán)19、位 于取樣環(huán)室底部的取樣孔16、沿管壁周向均勻分布的與管內(nèi)主 流方向成135。夾角的排氣孔17、以及安裝在取樣環(huán)縫上游的旋流 器3構(gòu)成。如圖4所示，文丘里管喉口下游的回流引射孔6與管 內(nèi)主流方向成45。夾角。如圖l(或圖2)， 3和4所示，當(dāng)油氣水混合物流經(jīng)在線取樣裝置時，旋流器將管內(nèi)大部分液體拋向管 壁，這些液體的一部分經(jīng)過取樣環(huán)縫進(jìn)入取樣環(huán)室。取出的液體 在環(huán)室內(nèi)作短暫的停留，以便脫去可能夾帶的氣相。脫出的氣體 通過排氣孔返回管內(nèi)主流，而脫氣的液體(油水混合物)通過位
于取樣環(huán)室底部的取樣孔5流入含水率測量管，然后經(jīng)過文丘里 管喉口下游的回流引射孔返回管內(nèi)主流。由于流過含水率測量管 的是油水混合物，而主管內(nèi)是油氣水三相流，含水率測量管內(nèi)的 重位壓頭通常比主流管內(nèi)的重位壓頭大得多，再加上文丘里管 的f 1射作用，這樣就會在含水率測量管與主流管道之間形成了 開式自然循環(huán)，為含水率儀7提供連續(xù)不斷的油水混合物，從 而實現(xiàn)對管內(nèi)含水率變化的在線實時測量。
下面以均相流摸型為例，進(jìn)一步說明本發(fā)明的工作原理。
根據(jù)文丘里管的流量公式，油氣水三相混合物的總流量& 和平均流速^可表示為，
<formula>formula see original document page 8</formula>
(2)
其中^是垂直管道的截面積，p是文丘里管的喉部內(nèi)經(jīng)與管道內(nèi) 經(jīng)之比，"是文丘里管的流量系數(shù)， 是油氣水三相混合物的平 均密度，M是文丘里管的動壓差。由于文丘里管兩個取壓點之 間的距離4艮短，其摩擦壓差比文丘里管的動壓差小得多，可忽略不計。
油氣水三相混合物流經(jīng)垂直向上管段上的總壓差A(yù)F2是重位壓差與摩擦壓差之和，可表示為，
AP2=A^"!* (3)
其中g(shù)是重力加速度，A是垂直管段上兩個取壓點之間的距離，義是垂直管段內(nèi)壁的摩阻系數(shù)，D是垂直管段的內(nèi)徑。將式(2)代入式(3)得，
油氣水三相混合物的體積含氣率,可表達(dá)為，
義=
" (5)
A — A;
其中&是氣相的密度，A是油水混合物的平均密度。當(dāng)含水率-已知或已測得時，油水混合物的平均密度^可用式(6)計算，
A^(W)A +k (6)這里，p。和/v分別是油相和水相的密度。
才艮據(jù)有關(guān)定義，油氣水三相混合物的氣相、油相和水相的流量可分別用式(7)、式(8)和式(9)表示，
2。=(1-義)^ (8)羞 (9)根據(jù)以上工作原理，本發(fā)明對油氣水三相混合物各相流量的
測量分為如下五個步驟1. 用壓力傳感器IO和溫度傳感器11測量油氣水三相混和物
的壓力和溫度，根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)的物性參數(shù)或組份以及測得的壓力和溫度，計算氣相、油相和水相的密度
A; 、 Po和/V 5
2. 用壓差傳感器9和8分別測量油氣水三相混合物流經(jīng)垂直管段1和文丘里管2時產(chǎn)生的壓差A(yù)/^和A^，由式(4)計算油氣水三相混合物的平均密度 ；
3. 再用壓差傳感器8測得的油氣水三相混合物流經(jīng)文丘里管2時產(chǎn)生的壓差A(yù)P,和由步驟2算出的油氣水三相混合物的平
均密度^，由式(1)計算出油氣水三相混合物的總流量^;
4. 用安裝在含水率測量管5,上的微波式或壓差式含水率儀7測量油氣水三相流體中油水混合物的含水率-;
5. 由式(6 )和式(5 )算得油氣水三相混合物的體積含氣率7后，再由式(7)、式(8)、和式(9)分別算出油氣水三相流體的氣相流量&、油相流量S。、和7K相流量&。
如圖2所示，均相流可用安裝在垂直管段1上游的靜態(tài)混合器14來實現(xiàn)。如果垂直管段1上游有足夠長的流型穩(wěn)定管段，式(l)、式(2)、式(3)、及式(4)應(yīng)用更精確的多相流體動力學(xué)模型來代替。
根據(jù)上述原理制成的油氣水三相流量計具有無放射性、工作范圍寬、測量精度高、制造和運行成本低、性能穩(wěn)定等特點，可對陸地、海洋平臺、及水下油氣井口和積輸管道內(nèi)油氣水三相混合物的各相流量進(jìn)行自動在線計量。
權(quán)利要求
1. 一種油氣水三相流量的在線即時測量裝置，其特征是它由測量油氣水三相混合物平均密度的垂直管段(1)、測量油氣水三相流體總流量的文丘里管(2)及油水混合物含水率在線測量系統(tǒng)構(gòu)成，它的含水率測量系統(tǒng)包括在線液體取樣裝置(4)、液相含水率測量管(5)、以及安裝其上的微波式含水率儀(7)，其中在線油水混合物取樣裝置(4)是由焊接在管壁外側(cè)的取樣環(huán)室(18)、取樣環(huán)縫(15)、安裝在管內(nèi)部與取樣環(huán)縫上沿平齊的導(dǎo)流環(huán)(19)、取樣孔(16)、排氣孔(17)、以及螺旋葉片式的旋流器(3)構(gòu)成，其取樣環(huán)縫是在管壁上與管內(nèi)主流方向成45°夾角的多個長孔形成，取樣環(huán)室內(nèi)的排氣孔是沿管壁周向均勻分布的與管內(nèi)主流方向成135°夾角的多個孔形成，取樣環(huán)室底部的取樣孔經(jīng)含水率測量管在文丘里管喉口下游的回流引射孔(6)連接，回流引射孔與管內(nèi)主流方向成45°夾角，在垂直管段上接有壓力傳感器P(10)，并聯(lián)著ΔP2壓差傳感器(9)，在垂直管段(1)上端與文丘里管的喉口部分并聯(lián)著ΔP1壓差傳感器(8)，在液相含水率測量部分的管內(nèi)接有溫度傳感器T(11)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的油氣水三相流在線即時計量裝置， 其特征是在含水率測量管內(nèi)裝有壓差式含水率4義AP3。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的油氣水三相流在線即時計量裝置， 其特征是在入口法蘭(12)與垂直管段(1)進(jìn)口之間安裝靜態(tài) 混合器(14)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的油氣水三相流在線即時計量裝置， 其特征是在取樣環(huán)室內(nèi)的排氣孔的數(shù)量為4~6個，取樣環(huán)縫為 4 ~ 6個長孔。
5., —種使用權(quán)利要求1所述油氣水三相流量的在線即時測 量裝置的油氣水三相流量在線即時測量方法，其特征是在用壓差' 傳感器(9 )和(8 )分別測量的油氣水三相混合物流經(jīng)具有給定 幾何尺寸的垂直管段(1)和文丘里管(2 )時產(chǎn)生的壓差A(yù)P,和A^ 后，由基于均相流模型的下式直接得出油氣水三相混合物的平均 密度 然后用以下兩式分別計算出油氣水三相混合物的總流量& 和體積含氣率;ir:Pi - A;賃用油水混合物含水率在線測量系統(tǒng)測得含水率-后，方可 計算出油氣水三相流體的氣相流量2c、油相流量2。、及水n e。-(wXi-i; (i-i。
全文摘要
本發(fā)明屬于計量技術(shù)類。為克服已有測量裝置機(jī)構(gòu)龐大結(jié)構(gòu)復(fù)雜及難以實現(xiàn)在線即時測量的問題特提出本方案。該油氣水混合流體的測量裝置是由垂直管段、文丘里管及含水率測量裝置所構(gòu)成，在垂直管段上接有壓差傳感器ΔP2和壓力傳感器P，壓差傳感器ΔP1，在含水率測量裝置處設(shè)有旋流器、取樣裝置，使用微波式或壓差式含水率測量儀，旋流器將流體拋向管壁，能順利地經(jīng)取樣環(huán)縫分流出部分液體，因引流管的壓差作用能使測量完含水率的液體順利地回歸到主管，形成穩(wěn)定的液流就實現(xiàn)了即時的在線測量。測得的數(shù)據(jù)按公式進(jìn)一步計算得出油氣水各相的流量。本裝置及其測量方法具有精度高、工作范圍廣、運行成本低、性能穩(wěn)定的特點，能可靠地實現(xiàn)即時在線測量。
文檔編號G01F1/34GK101509795SQ200810052290
公開日2009年8月19日 申請日期2008年2月15日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月15日
發(fā)明者琪 何, 陳方非 申請人:天津瑞吉德科技有限公司