一種多相流計(jì)量檢測(cè)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種多相流計(jì)量檢測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)包括文丘里管、取壓模塊、電容層析成像模塊、電阻層析成像模塊、超聲檢測(cè)模塊以及數(shù)據(jù)采集與處理單元；文丘里管的上游、喉部以及下游分別設(shè)置有上述模塊；數(shù)據(jù)采集與處理單元與取壓模塊、電容層析成像模塊、電阻層析成像模塊、超聲檢測(cè)模塊以及差壓變送器電連接，用于采集并處理各功能模塊的數(shù)據(jù)。該檢測(cè)系統(tǒng)將電容層析成像技術(shù)、電阻層析成像技術(shù)、超聲檢測(cè)技術(shù)與文丘里相結(jié)合，利用各傳感器的信號(hào)聯(lián)合對(duì)多相流量進(jìn)行求解；并將各傳感器設(shè)計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)化模塊形式，使其在文丘里上的位置可靈活變動(dòng)，通過調(diào)整測(cè)量位置對(duì)不同流型的多相流動(dòng)提供精確測(cè)量；具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，信號(hào)提取穩(wěn)定，響應(yīng)頻率高等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】
一種多相流計(jì)量檢測(cè)系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及油氣工業(yè)中油-氣-水等多相流計(jì)量測(cè)量設(shè)備的技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及 一種多相流計(jì)量檢測(cè)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 據(jù)勘測(cè)，整個(gè)南海盆地群石油地質(zhì)資源量約在230億至300億噸之間，天然氣總地 質(zhì)資源量約為16萬億立方米，占中國油氣總資源量的三分之一，其中70%蘊(yùn)藏于153.7萬平 方公里的深海區(qū)域。隨著陸上油氣剩余資源的不斷消耗，工業(yè)界對(duì)海洋油氣開采的需求日 益提高，水下多相流計(jì)量技術(shù)也成為業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)。
[0003] 而我國海上油氣工業(yè)中，長(zhǎng)期使用傳統(tǒng)的集氣站對(duì)凝析天然氣（兩相)進(jìn)行分離， 再采用單相流量?jī)x表對(duì)分離后的介質(zhì)進(jìn)行計(jì)量。這一做法雖可保證一定計(jì)量精度，但其弊 端也十分明顯。分離計(jì)量站的建設(shè)不僅費(fèi)用昂貴，更重要的是一個(gè)開采區(qū)塊一般僅能搭建 一個(gè)分離計(jì)量站，該區(qū)塊中的眾多天然氣井的產(chǎn)量只能定期輪流進(jìn)行計(jì)量，進(jìn)而無法滿足 石油公司對(duì)每一口井的產(chǎn)量信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的需求。
[0004] 專利103076057A中提出一種通過X射線的衰減信息對(duì)油-氣-水多相進(jìn)行含率分析 的計(jì)量方法。該方法雖可對(duì)多相流中的液相有較高的識(shí)別率，但其缺陷在于所使用的放射 性方案是存在較大的安全隱患，在我國的工業(yè)界還鮮有運(yùn)用。
[0005] 專利202252857U中提出，通過對(duì)多相流體進(jìn)行混合和加速，形成對(duì)稱的環(huán)狀流后， 再對(duì)其進(jìn)行兩級(jí)分流:將環(huán)狀流分成十六個(gè)對(duì)稱分布的獨(dú)立流道，取其中間隔均勻的四股 為一路，然后再分離、分別計(jì)量的方法。由于其技術(shù)的核心還是分離計(jì)量，因此存在結(jié)構(gòu)復(fù) 雜壓損較大以及計(jì)量效率有限等弱點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明提供了一種多相流計(jì)量檢測(cè)系統(tǒng)，能夠解決現(xiàn)有技術(shù)中檢測(cè)多相流計(jì)量的 設(shè)備及方法過程復(fù)雜的技術(shù)問題。
[0007] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的一個(gè)技術(shù)方案是：提供一種多相流計(jì)量檢測(cè) 系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括文丘里管、取壓模塊、電容層析成像模塊、電阻層析成像模塊、超聲檢測(cè) 模塊以及數(shù)據(jù)采集與處理單元;所述文丘里管的上游、喉部以及下游分別設(shè)置有所述取壓 模塊、所述電容層析成像模塊、所述電阻層析成像模塊以及所述超聲檢測(cè)模塊，相鄰所述取 壓模塊之間連接有差壓變送器，用以測(cè)量不同位置取壓模塊之間的壓力差值;所述數(shù)據(jù)采 集與處理單元與所述取壓模塊、所述電容層析成像模塊、所述電阻層析成像模塊、所述超聲 檢測(cè)模塊以及所述差壓變送器電連接，用于采集并處理各功能模塊的數(shù)據(jù)。
[0008] 根據(jù)本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施例，所述檢測(cè)系統(tǒng)還包括設(shè)于文丘里管上游的壓力變送 器，所述壓力變送器用于檢測(cè)文丘里管上游位置處的壓力值。
[0009] 根據(jù)本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施例，檢測(cè)系統(tǒng)還包括設(shè)于文丘里管下游的溫度變送器，所 述溫度變送器用于檢測(cè)文丘里管下游位置處的溫度值。
[0010] 根據(jù)本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施例，所述文丘里管的喉部設(shè)有兩個(gè)取壓模塊，且兩個(gè)取壓 模塊之間的間距不小于200mm。
[0011] 根據(jù)本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施例，所述文丘里管的上游管路與喉部之間設(shè)有收縮段，喉 部與下游管路之間設(shè)有擴(kuò)張段;所述上游管路、所述收縮段、所述喉部、所述擴(kuò)張段以及所 述下游管路之間通過法蘭結(jié)構(gòu)連接。
[0012] 根據(jù)本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施例，上游設(shè)置的取壓模塊與收縮段的起始端距離大于 0.5D;下游設(shè)置的取壓模塊與擴(kuò)張段的末端距離大于6D，其中，D為上游管路或者下游管路 的內(nèi)直徑。
[0013] 根據(jù)本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施例，所述取壓模塊、所述電容層析成像模塊、所述電阻層析 成像模塊以及所述超聲檢測(cè)模塊均采用法蘭結(jié)構(gòu)與所述文丘里管的上游管路、喉部以及下 游管路連接。
[0014] 根據(jù)本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施例，各功能模塊測(cè)量的參數(shù)滿足以下方程式：
，其中，Wc為氣相質(zhì)量流 量，A為氣相流通面積，Ag是氣相流通面積，Al是液相流通面積，Ug為氣相真實(shí)流速，tgw為氣相 與管壁間的剪切應(yīng)力，Ti為氣相與液膜間的剪切應(yīng)力，TLW是液相與管壁間的剪切應(yīng)力，Sew為 管道截面上氣相與管壁接觸的長(zhǎng)度，S LW是液相與管壁的接觸長(zhǎng)度，Si為管道截面上氣相與 液膜接觸的長(zhǎng)度，角度Θ是指管道與水平面間所成的銳角;X是流體的流向長(zhǎng)度，dx是流向空 間步長(zhǎng);g是重力加速度;P是密度，下標(biāo)(G\L)表示氣相或液相。
[0015]根據(jù)本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施例，所述文丘里管的內(nèi)徑在50-250mm之間；喉部與上游管 路或者下游管路的直徑比在0.4-0.75之間；收縮段的收縮角范圍為16-25°;擴(kuò)張段的擴(kuò)張 角在7-15°之間；喉部的長(zhǎng)度范圍在300-600mm。
[0016] 本發(fā)明的有益效果是：區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)的情況，本發(fā)明提供的多相流計(jì)量檢測(cè)系 統(tǒng)，將電容層析成像(ECT)技術(shù)、電阻層析成像(ERT)技術(shù)、超聲檢測(cè)技術(shù)與文丘里相結(jié)合， 利用各傳感器的信號(hào)聯(lián)合對(duì)多相流量進(jìn)行求解;并將各傳感器設(shè)計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)化模塊形式，使 其在文丘里上的位置可靈活變動(dòng)，通過調(diào)整測(cè)量位置對(duì)不同流型的多相流動(dòng)提供精確測(cè) 量;具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，信號(hào)提取穩(wěn)定，響應(yīng)頻率高等優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說明】
[0017] 為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例描述中所需要使 用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于 本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他 的附圖。
[0018] 圖1是本發(fā)明多相流計(jì)量檢測(cè)系統(tǒng)一優(yōu)選實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；以及
[0019] 圖2是圖1實(shí)施例中檢測(cè)系統(tǒng)的工作原理圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。特別指出的是，以下實(shí)施 例僅用于說明本發(fā)明，但不對(duì)本發(fā)明的范圍進(jìn)行限定。同樣的，以下實(shí)施例僅為本發(fā)明的部 分實(shí)施例而非全部實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所 有其它實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0021]請(qǐng)參閱圖1，圖1是本發(fā)明多相流計(jì)量檢測(cè)系統(tǒng)一優(yōu)選實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖，該檢 測(cè)系統(tǒng)包括但不限于以下結(jié)構(gòu)組成:文丘里管100、取壓模塊(2、6、10、11)、電容層析成像模 塊(3、7、12)、電阻層析成像模塊(4、8、13)、超聲檢測(cè)模塊(5、9、14)以及數(shù)據(jù)采集與處理單 元20。
[0022]具體而言，文丘里管100包括上游管路21、收縮段1、喉部22、擴(kuò)張段23以及下游管 路24。其中，收縮段1設(shè)于上游管路21和喉部22之間，擴(kuò)張段23設(shè)于喉部22和下游管路24之 間。上游管路21、收縮段1、喉部22、擴(kuò)張段23以及下游管路24之間通過法蘭結(jié)構(gòu)連接。
[0023] 文丘里管的內(nèi)徑在50-250mm之間；喉部22與上游管路21或者下游管路24的直徑比 在0.4-0.75之間；收縮段1的收縮角范圍為16-25° ;擴(kuò)張段23的擴(kuò)張角在7-15°之間；喉部的 長(zhǎng)度范圍在300-600mm。
[0024] 文丘里管100的上游、喉部以及下游分別設(shè)置有取壓模塊、電容層析成像模塊、電 阻層析成像模塊以及超聲檢測(cè)模塊。優(yōu)選地，該取壓模塊、電容層析成像模塊、電阻層析成 像模塊以及超聲檢測(cè)模塊均采用法蘭結(jié)構(gòu)與文丘里管的上游管路21、喉部22以及下游管路 24連接。需要說明的是，文丘里管100的上游、喉部以及下游分別設(shè)置的取壓模塊、電容層析 成像模塊、電阻層析成像模塊以及超聲檢測(cè)模塊的排布形式以及位置關(guān)系并不限于圖中所 示的情況，可以根據(jù)需求調(diào)換位置及排布順序。也就是說文丘里管喉部22的ECT模塊7，ERT 模塊8,超聲傳感器模塊9以及取壓模塊(6、10)可相互交換位置，用以選取合適的穩(wěn)定的取 壓位置與成像位置。同樣，在文丘里的上游與下游的各模塊也可互換位置。
[0025] 相鄰取壓模塊之間連接有差壓變送器（16、17、18)，用以測(cè)量不同位置取壓模塊之 間的壓力差值。數(shù)據(jù)采集與處理單元20與取壓模塊(2、6、10、11 )、電容層析成像模塊(3、7、 12)、電阻層析成像模塊(4、8、13)、超聲檢測(cè)模塊(5、9、14)以及差壓變送器(16、17、18)電連 接，用于采集并處理各功能模塊的數(shù)據(jù)。
[0026] 文丘里管喉部22位置處優(yōu)選設(shè)置兩個(gè)取壓模塊(6、10)，且兩個(gè)取壓模塊(6、10)之 間的間距不小于200mm。優(yōu)選地，上游設(shè)置的取壓模塊2與收縮段1的起始端距離大于0.5D; 下游設(shè)置的取壓模塊11與擴(kuò)張段23的末端距離大于6D，其中，D為上游管路21或者下游管路 24的內(nèi)直徑。
[0027] 進(jìn)一步優(yōu)選地，該檢測(cè)系統(tǒng)還包括壓力變送器15和溫度變送器19,該壓力變送器 15具體設(shè)于文丘里管上游管路21上，用于檢測(cè)文丘里管上游位置處的壓力值。溫度變送器 19具體設(shè)于文丘里管下游管路24上，用于檢測(cè)文丘里管下游位置處的溫度值。通過文丘里 管100上游的壓力變送器15與文丘里管100下游的溫度變送器19測(cè)量流體的壓力與溫度，通 過該信息可以計(jì)算得到多相流中的氣相密度。
[0028]油-氣-水多相流經(jīng)過文丘里管的收縮段1后，油-水兩相將在加速作用下形成乳化 液，導(dǎo)致多相流變?yōu)榄h(huán)狀或段塞型的氣-液兩相流動(dòng)。在此狀態(tài)下，氣-液兩相的動(dòng)量微分方 程可由式（1)與（2)表示。

[0031] 其中，氣相密度通過壓力變送器15所測(cè)的管道壓力計(jì)算;液相為水和油的混合物， 其密度可通過ECT與ERT傳感器（即電容層析成像模塊和電阻層析成像模塊)所測(cè)量的含水 率與含油率獲得。由于實(shí)際測(cè)量中在管道截面上僅有唯一的靜壓測(cè)量值，因此可將液相與 氣相的靜壓值視為相等。此時(shí)將(1)(2)兩式合并后可得：
[0032]
[0033] 其中，Wg為氣相質(zhì)量流量，A為氣相流通面積，Ag是氣相流通面積，Al是液相流通面 積，Uc為氣相真實(shí)流速，τΜ為氣相與管壁間的剪切應(yīng)力，Ti為氣相與液膜間的剪切應(yīng)力， 是液相與管壁間的剪切應(yīng)力，S?為管道截面上氣相與管壁接觸的長(zhǎng)度，Suf是液相與管壁的 接觸長(zhǎng)度，SiS管道截面上氣相與液膜接觸的長(zhǎng)度，角度Θ是指管道與水平面間所成的銳 角;X是流體的流向長(zhǎng)度，dx是流向空間步長(zhǎng);g是重力加速度;p是密度，下標(biāo)(G\L)表示氣相 或液相。
[0034]上式中，除了氣相與液相質(zhì)量流量WG與WL外，其余參數(shù)均可通過ECT模塊（7、12)， ERT模塊(8、13)以及超聲模塊(9、14)的測(cè)量信號(hào)獲得。將上式用來描述喉部22以及擴(kuò)張段 23的壓降，可得到兩個(gè)關(guān)于W G與WL獨(dú)立的方程。同時(shí)，使用差壓變送器17對(duì)加長(zhǎng)后的喉部壓 降進(jìn)行測(cè)量，得到流體在直管中的不可恢復(fù)壓降；使用差壓變送器18對(duì)文丘里擴(kuò)張段23的 差壓進(jìn)行測(cè)量。求解該方程組即可獲得氣相流量與液相流量的值。
[0035] 在此基礎(chǔ)上，使用喉部的傳感模塊（電容層析成像模塊7、電阻層析成像模塊8、超 聲檢測(cè)模塊9)與文丘里下游的傳感模塊(電容層析成像模塊12、電阻層析成像模塊13、超聲 檢測(cè)模塊14)對(duì)液相中的含水率進(jìn)行檢測(cè)，即可獲得液相中的水流量從而求出油-氣-水三 相流量。具體計(jì)算流程請(qǐng)參閱圖2,圖2是圖1實(shí)施例中檢測(cè)系統(tǒng)的工作原理圖。
[0036] 不同的流型將在文丘里的收縮段1產(chǎn)生不同的壓降。本發(fā)明通過差壓變送器16對(duì) 文丘里收縮段1壓降進(jìn)行測(cè)量可得到流體在該部分產(chǎn)生的總壓降。通過文丘里上游的傳感 器集群（電容層析成像模塊3、電阻層析成像模塊4、超聲檢測(cè)模塊5)與文丘里收縮段1的壓 降測(cè)量裝置(差壓變送器16)可對(duì)多相流的來流情況，進(jìn)行準(zhǔn)確判斷從而對(duì)流量計(jì)算模型進(jìn) 行有針對(duì)性的優(yōu)化。
[0037] 該實(shí)施例中，將電容層析成像(ECT)技術(shù)、電阻層析成像(ERT)技術(shù)與文丘里相結(jié) 合，同時(shí)輔以可測(cè)量液膜厚度的超聲檢測(cè)技術(shù)對(duì)油-氣-水多相流量進(jìn)行計(jì)量。本發(fā)明可通 過設(shè)置在文丘里不同關(guān)鍵位置的電學(xué)成像傳感器與超聲傳感器對(duì)當(dāng)?shù)氐慕孛嫦喾植寂c液 膜厚度進(jìn)行識(shí)別，這些信息可幫助判斷多相流在文丘里中壓降產(chǎn)生原因。進(jìn)而可通過多級(jí) 差壓信號(hào)建立方程組解出油-氣-水三相的流量。另外，該發(fā)明實(shí)施例中還將各傳感器設(shè)計(jì) 為標(biāo)準(zhǔn)化模塊形式，使其在文丘里上的位置可靈活變動(dòng)，通過調(diào)整測(cè)量位置對(duì)不同流型的 多相流動(dòng)提供精確測(cè)量。該檢測(cè)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，信號(hào)提取穩(wěn)定，響應(yīng)頻率高等優(yōu)點(diǎn)。
[0038] 以上所述僅為本發(fā)明的部分實(shí)施方式，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利 用本發(fā)明說明書及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，或直接或間接運(yùn)用在其他相 關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，均同理包括在本發(fā)明的專利保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種多相流計(jì)量檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括文丘里管、取壓模塊、電容層 析成像模塊、電阻層析成像模塊、超聲檢測(cè)模塊W及數(shù)據(jù)采集與處理單元;所述文丘里管的 上游、喉部W及下游分別設(shè)置有所述取壓模塊、所述電容層析成像模塊、所述電阻層析成像 模塊W及所述超聲檢測(cè)模塊，相鄰所述取壓模塊之間連接有差壓變送器，用W測(cè)量不同位 置取壓模塊之間的壓力差值;所述數(shù)據(jù)采集與處理單元與所述取壓模塊、所述電容層析成 像模塊、所述電阻層析成像模塊、所述超聲檢測(cè)模塊W及所述差壓變送器電連接，用于采集 并處理各功能模塊的數(shù)據(jù)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述檢測(cè)系統(tǒng)還包括設(shè)于文丘里管上 游的壓力變送器，所述壓力變送器用于檢測(cè)文丘里管上游位置處的壓力值。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，檢測(cè)系統(tǒng)還包括設(shè)于文丘里管下游的 溫度變送器，所述溫度變送器用于檢測(cè)文丘里管下游位置處的溫度值。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述文丘里管的喉部設(shè)有兩個(gè)取壓模 塊，且兩個(gè)取壓模塊之間的間距不小于200mm。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述文丘里管的上游管路與喉部之間 設(shè)有收縮段，喉部與下游管路之間設(shè)有擴(kuò)張段;所述上游管路、所述收縮段、所述喉部、所述 擴(kuò)張段W及所述下游管路之間通過法蘭結(jié)構(gòu)連接。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，上游設(shè)置的取壓模塊與收縮段的起始 端距離大于0.加;下游設(shè)置的取壓模塊與擴(kuò)張段的末端距離大于6D，其中，D為上游管路或 者下游管路的內(nèi)直徑。7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述取壓模塊、所述電容層析成像模 塊、所述電阻層析成像模塊W及所述超聲檢測(cè)模塊均采用法蘭結(jié)構(gòu)與所述文丘里管的上游 管路、喉部W及下游管路連接。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，各功能模塊測(cè)量的參數(shù)滿足W下方程 式庚中，Wg為氣相質(zhì)量 流量，A為氣相流通面積，Ag是氣相流通面積，Al是液相流通面積，Ug為氣相真實(shí)流速，TGW為氣 相與管壁間的剪切應(yīng)力，τι為氣相與液膜間的剪切應(yīng)力，TLW是液相與管壁間的剪切應(yīng)力，Sgw 為管道截面上氣相與管壁接觸的長(zhǎng)度，Slw是液相與管壁的接觸長(zhǎng)度，Si為管道截面上氣相 與液膜接觸的長(zhǎng)度，角度Θ是指管道與水平面間所成的銳角;X是流體的流向長(zhǎng)度，dx是流向 空間步長(zhǎng);g是重力加速度;P是密度，下標(biāo)(G\L)表示氣相或液相。9. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述文丘里管的內(nèi)徑在50-250mm之 間；喉部與上游管路或者下游管路的直徑比在0.4-0.75之間；收縮段的收縮角范圍為16- 25%擴(kuò)張段的擴(kuò)張角在7-15°之間；喉部的長(zhǎng)度范圍在300-600mm。
【文檔編號(hào)】G01F7/00GK106092236SQ201610362932
【公開日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年5月26日
【發(fā)明人】李軼, 于培寧
【申請(qǐng)人】深圳市聯(lián)恒星科技有限公司