CN100398998C - 原油-天然气-水三相流量仪及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种原油-天然气-水三相流量仪。目前三相流量仪主要使用文丘里管三相总流量，γ射线测相比率，由于采用了γ射线，对安全防护有较高要求，限制了此类产品的使用范围，很难精确测定含水率。本发明的目的是提供一种新的原油-天然气-水三相流量仪及测量方法。本发明的技术方案是：设备进口经过流型整理器分两路，一路依次装配压力变送器、旋进漩涡流量仪、温度变送器和并联的气液阻力平衡阀；另一路依次装配倒“U”形管、含水取样分析装置、静态混合器、文丘利管。优点：此结构依赖理论计算方法，避免了传热计算中的经验成分，因而量程范围和精度极大提高，调试过程简化，扩大量程范围，简化调试过程，适用范围广，精度高。

Description

原油-天然气-水三相流量仪及其测量方法

一、所属技术领域

本发明涉及一种原油-天然气-水三相流量仪及其测量方法。

二、背景技术

随着油田开采，集输技术的发展，特别是上世纪九十年代末开始，油田对原油-天然气-水三相流量仪的需求日益迫切，特别是在海洋油田的开发上对三相流量仪有更加急迫的需求。目前三相流量仪主要使用文丘里管测三相总流量，γ射线测相比率(气、液比和油、水比)。此方法由于采用了γ射线，对安全防护有较高要求，较大地限制了此类产品的使用范围，且γ射线测含水率(油水比)时，把油水的密度作为特征量，依据油、水密度的不同来计量含水率，由于油、水密度较接近(其密度比在0.83∶1到0.93∶1)，精度受到限制，特别是在稠油(其密度为水的90％以上)状态时，很难精确测定含水率。另外还有用介电常数作为特征量，用电容法测量含水率，此方法虽然避免了γ射线带来的安全问题，且油、水介电常数相差非常大，可以较容易的区分油、水，但水的介电常数受矿化度影响非常大，极大的影响了测量精度。依据传热学原理，把油、水的导热系数作为特征量来测量含水率，但此方法由于受油的粘度变化影响(油的粘度随温度变化很大)，且由于流动和传热过程的复杂性(目前都依赖经验公式计算传热过程)，其量程范围受到局限，且调试过程复杂限制了应用，同时根据流体力学理论，用倒U型管测量气、液比的方法，此方法由于受流型影响严重，特别是当流型为环状流时很难准确测定气、液比，且调试较为复杂。国家知识产权局于1998年10月07日公告了一种“油气水三相流量仪”，申请号是96236320，结构是包括文丘里管、传感器、信号采集处理器。垂直设置的取样管道通过倒U型管与主管道相连，U型管测量段两侧、取样管道、文丘里管分别装有非接触式压力差传感器，各传感器均经A/D转换器接计算机。双文丘管水平放置。温度传感器、压力传感器分别装于水平主管道内，主管道内设有阀门。

三、发明内容

本发明的目的是为了克服上述背景技术中不足之处，提供一种新的原油-天然气-水三相流量仪及其测量方法，在油田开采，特别是在海洋油田的开发上扩大使用范围，提高测量精度和使用性能。本发明是专利申请人投资进行了大量研究和实验发展而来，其原理和测量方法是把比热作为特征量(油、水的比热比约为1∶3)，从来流中取出部分液体以固定流量流过一个加热器，由于油、水比热不同，不同含水率的液体经过加热器所达到的温差不同，通过计算即可得出含水率及原油-天然气-水三相流量。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：原油-天然气-水三相流量仪，包括阀、“U”形管、变送器、含水取样分析装置12、文丘利管22、静态混合器23，其特征是：设备进口13经过流型整理器14分成上下两路；上面一路为气管路18，从流型整理器14出口到排液出口21依次装配压力变送器15、旋进漩涡流量仪16、温度变送器17和并联的气液阻力平衡阀20；下面一路为水油管路25，从流型整理器14出口到排液出口21依次装配带有压差变送器3的倒“U”形管24、静态混合器23、文丘利管22，其中在倒“U”形管24下降管段连接含水取样装置12。

本发明解决其技术问题还采用的技术方案是：

所述的原油-天然气-水三相流量仪，其特征是：在含水取样装置12中，含水取样管道10进口至回路依次是，进口经取样器27、装有左右压差变送器3的“U”形管11、齿轮泵2、温度、温差复合变送器4、带有左右加热棒9的倒“U”形管24和取样回路8组成回路，其中带有加热棒9的倒“U”形管24后段与前面的温度、温差复合变送器4之间组成复合变送器测温回路5。

所述的原油-天然气-水三相流量仪，其特征是：在带有左右加热棒9的倒“U”形管24上部或者含水取样管道10上连接安装有温度传感器6。

所述的原油-天然气-水三相流量仪，其特征是：在含水取样管道10进口处连接球阀1，在取样回路8上或者含水取样管道10上连接油流量开关7。

所述的原油-天然气-水三相流量仪的测量方法，其特征是：被测流体先经过流型整理器14处理分作两路，上面一路是分出的大部分气体，经旋进漩涡流量仪16测量；下面一路是分出的液体和少部分气体经倒“U”形管24测气、液比，经静态混合器23混合均匀，再经过文丘里管测总流量Q： $Q=C\sqrt{\frac{{\mathrm{\ΔP}}_2}{{\mathrm{\ρ}}_m}}$

式中：C：系数

ΔP₂：文丘里管压差，单位Pa

ρ_m：混合物密度，单位Kg/m³

在流体流经倒“U”形管(24)上升段时测量此段的压差ΔP₁，此压差由以下部分组成：ΔP₁＝ρ_mgh+ΔP_f

式中：g：重力加速度，单位M/S²

h：两取压点之间高度差，单位M

ΔP_f：流动阻力，单位Pa

其中ΔP_f根据流体力学原理估算出来，即可求出ρ_m＝(ΔP₁-ΔP_f)/gh

而同时ρ_m＝aQρ_g+(1-α)QHρ_W+(1-α)Q(1-H)ρ_o

式中：α：含气率

H：可由含水测量段测出的含水率

ρ_g：已知的气体密度，单位Kg/m³

ρ_W：已知的水密度，单位Kg/m³

ρ_o：已知的油密度，单位Kg/m³

Q：由文丘里管测出的总流量，单位m³/S

因而求出α，从而求出气体流量Q_g，Q_g＝αQ，整个气体总流量Q_g总＝αQ+Q_g表

式中Q_g表为旋进漩涡流量仪(16)所测气量，单位m³/S

流体流经倒“U”形管(24)下降管段时，从流体中取出部分液体，此部分液体由齿轮泵(2)抽出，由含水取样装置(12)测出此部分液体中含有极少量的气体：

ΔP_xup＝ρ_mxgh_x+ΔP_fx

ΔP_xdown＝ΔP_fx-ρ_mxgh_x

2P_xdowngh_x＝ΔP_fx-ΔP_xdown

ρ_mx＝(ΔP_xup-ΔP_xdown)/2gh_x    ----------①

式中ρ_mx________取样回路流体密度，单位Kg/m³

ΔP_xup________取样回路上升管压差，单位Kg/m³

ΔP_fx________流体与管壁形成的摩擦力产生的压强，单位Pa

ΔP_xdown________取样回路下降管压差，单位Kg/m³

h_x________取样差点高度差，单位M

然后流体流经加热棒(9)，测量温差ΔT和加热功率W

$W=Q_P(\frac{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{mx}}}{{\mathrm{\ρ}}_{w}H+(1-H){\mathrm{\ρ}}_o}{\mathrm{HC}}_W+\frac{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{mx}}}{{\mathrm{\ρ}}_{w}H+(1-H){\mathrm{\ρ}}_o}(1-H)C_o)$

-------------②

①、②联立求出含水率H----------

式中Q_p________齿轮泵流量，单位m³/S

C_w________水比热，单位w/Kg·℃

C_o________油比热，单位w/Kg·℃。

本发明的有益效果是：此结构依赖理论计算方法，避免了传热计算中的经验成分，因而量程范围和精度极大提高，调试过程极大简化，同时避免了粘度带来的影响，气、液比测量方面在U型管前加上了一个流型整理器(或叫做部分分离装置)，分掉大部分气体用旋进旋涡流量计计量，使经过倒U型管的流体始终维持在低气、液比的状态，避免了流型带来的影响，扩大了量程范围和测量精度，简化了调试过程，本发明两种结构装置适用不同范围，这种工作原理及测量方法无γ射线的安全隐患，可测量稠油，不受矿化度影响。具有测量精度高、适用范围广、测量可靠、稳定的特点。

四、附图说明

图1是本发明第一种三相流量仪结构和工作示意图，图2是第二种三相流量仪结构和工作示意图。

上述图中标号说明：1.球阀，2.齿轮泵，3.压差变送器，4.温度、温差复合变送器，5.复合变送器测温回路，6.温度传感器，7.油流量开关，8.取样回路，9.加热棒，10.含水取样管道，11.“U”形管，12.含水取样分析装置，13.设备进口，14.流型整理器，15.压力变送器，16.旋进漩涡流量仪，17.温度变送器，18.气管路，19.三通，20.气液阻力平衡阀，21.排液出口，22.文丘利管，23.静态混合器，24.倒“U”形管，25.水油管路，26.过滤器，27.取样器。

五、具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，在图1中，从设备进口13到排液出口21是一个完整的三相流量仪结构和工作示意图。设备进口13经过流型整理器14分作上下两路，上边一路气管路18，下边一路为水油管路25。其中在上边一路气管路18行程中，浮动式球阀1经压力变送器15、旋进漩涡流量仪16、温度变送器17、三通19、两个并联气液阻力平衡阀20、三通19和排液出口21组成回路，这一路主要是通过测压力、流量和温度，换算成标准状况下的气体流量。在下边一路为水油管路25行程中，浮动式球阀1经过带有压差变送器3的倒“U”形管24、浮动式球阀1、静态混合器23、文丘利管22和排液出口21组成回路；同时在倒“U”形管24下降管段连接一个含水取样分析装置12小回路，在含水取样分析装置12中，含水取样管道10进口至回路依次是，进口经取样器27、浮动式球阀1、装有左右压差变送器3的“U”形管11、齿轮泵2、温度、温差复合变送器4、带有左右加热棒9的倒“U”形管24、温度传感器6、油流量开关7和取样回路8组成回路；其中带有加热棒9的倒“U”形管24后段与前面的温度、温差复合变送器4之间组成复合变送器测温回路5，在带有左右加热棒9的倒“U”形管24上安装有温度传感器6。

在图2中，对照图1，基本结构上是一样的，不同的是含水取样分析装置12放在流型整理器14的前面，在设备进口13和含水取样分析装置12整体之间多了一个过滤器26，过滤器26根据含沙量可装可不装；取样器27下面主管道经过球阀1连接流型整理器14。

本发明***的用途及测量方法：如图1所示，被测流体先经过流型整理装置14，把大部分气体分出，经过上面一路的旋进漩涡流量仪16测量。下面一路液体和少部分气体经倒“U”形管24测气、液比，经静态混合器23混合均匀，再经过文丘里管22测总流量Q，即 $Q=C\sqrt{\frac{{\mathrm{\ΔP}}_2}{{\mathrm{\ρ}}_m}}$

式中：C：系数

ΔP₂：文丘里管压差，单位Pa

ρ_m：混合物密度，单位Kg/m³

在流体流经倒“U”形管(24)上升段时测量此段的压差ΔP₁，此压差由以下部分组成：ΔP₁＝ρ_mgh+ΔP_f

式中：g：重力加速度，单位M/S²

h：两取压点之间高度差，单位M

ΔP_f：流动阻力，单位Pa

其中ΔP_f根据流体力学原理估算出来，即可求出ρ_m＝(ΔP₁-ΔP_f)/gh

而同时ρ_m＝αQρ_g+(1-α)QHρ_W+(1-α)Q(1-H)ρ_o

式中：α：含气率

H：含水率(可由含水测量段测出)

ρ_g：已知的气体密度，单位Kg/m³

ρ_W：已知的水密度，单位Kg/m³

ρ_o：已知的油密度，单位Kg/m³

Q：由文丘里管测出的总流量，单位m³/S

因而求出α，从而求出气体流量Q_g，Q_g＝αQ，整个气体总流量Q_g总＝αQ+Q_g表

式中Q_g表为旋进漩涡流量仪(16)所测气量，单位m³/S

流体流经倒“U”形管(24)下降管段时，从流体中取出部分液体，此部分液体由齿轮泵(2)抽出，由含水取样装置(12)测出此部分液体中含有极少量的气体：

ΔP_xup＝ρ_mxgh_x+ΔP_fx

ΔP_xdown＝ΔP_fx-ρ_mxgh_x

2P_xdowngh_x＝ΔP_fx-ΔP_xdown

ρ_mx＝(ΔP_xup-ΔP_xdown)/2gh_x    ----------①

式中ρ_mx________取样回路流体密度，单位Kg/m³

ΔP_xup________取样回路上升管压差，单位Kg/m³

ΔP_fx________流体与管壁形成的摩擦力产生的压强，单位Pa

ΔP_xdown________取样回路下降管压差，单位Kg/m³

h_x________取样差点高度差，单位M

然后流体流经加热棒(9)，测量温差ΔT和加热功率W

$W=Q_P(\frac{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{mx}}}{{\mathrm{\ρ}}_{w}H+(1-H){\mathrm{\ρ}}_o}{\mathrm{HC}}_W+\frac{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{mx}}}{{\mathrm{\ρ}}_{w}H+(1-H){\mathrm{\ρ}}_o}(1-H)C_o)$

-------------②

①、②联立求出含水率H----------

式中Q_p________齿轮泵流量，单位m³/S

C_w________水比热，单位w/Kg·℃

C_o________油比热，单位w/Kg·℃

通过文丘里管(22)测出了总流量Q，带有压差变送器(3)的倒“U”形管(24)测出含气率α，加热棒(9)测出含水率H，即分别得出油、气、水流量：

Q_g＝αQ

Q_w＝(1-α)QH

Q_o＝(1-α)Q(1-H)

Q_g________气流量，单位m³/S

Q_w________水流量，单位m³/S

Q_o________油流量，单位m³/S

在使用中，图1所示***由于取样在流型整理器14后面，适用于对含水率H测量的响应速度不高的地方，油田生产的特点决定其时间尺度很长，对响应速度一般要求不高，如果在对响应速度要求高的场合，可采用图2所示的***，把取样放在流型整理器14的前面。

Claims (5)

1.原油-天然气-水三相流量仪，包括阀、“U”形管、变送器、含水取样分析装置(12)、文丘利管(22)、静态混合器(23)，其特征是：设备进口(13)经过流型整理器(14)分成上下两路；上面一路为气管路(18)，从流型整理器(14)出口到排液出口(21)依次装配压力变送器(15)、旋进漩涡流量仪(16)、温度变送器(17)和并联的气液阻力平衡阀(20)；下面一路为水油管路(25)，从流型整理器(14)出口到排液出口(21)依次装配带有压差变送器(3)的倒“U”形管(24)、静态混合器(23)、文丘利管(22)，其中在倒“U”形管(24)下降管段连接含水取样装置(12)。

2.根据权利要求1所述的原油-天然气-水三相流量仪，其特征是：在含水取样装置(12)中，含水取样管道(10)进口至回路依次是，进口经取样器(27)、装有左右压差变送器(3)的“U”形管(11)、齿轮泵(2)、温度、温差复合变送器(4)、带有左右加热棒(9)的倒“U”形管(24)和取样回路(8)组成回路，其中带有加热棒(9)的倒“U”形管(24)后段与前面的温度、温差复合变送器(4)之间组成复合变送器测温回路(5)。

3.根据权利要求2所述的原油-天然气-水三相流量仪，其特征是：在带有左右加热棒(9)的倒“U”形管(24)上部或者含水取样管道(10)上连接安装有温度传感器(6)。

4.根据权利要求2所述的原油-天然气-水三相流量仪，其特征是：在含水取样管道(10)进口处连接球阀(1)，在取样回路(8)上或者含水取样管道(10)上连接油流量开关(7)。

5.根据权利要求1所述的原油-天然气-水三相流量仪的测量方法，其特征是：被测流体先经过流型整理器(14)处理分作两路，上面一路是分出的大部分气体，经旋进漩涡流量仪(16)测量；下面一路是分出的液体和少部分气体经倒“U”形管(24)测气、液比，经静态混合器(23)混合均匀，再经过文丘里管测总流量Q： $Q=C\sqrt{\frac{{\mathrm{\ΔP}}_2}{{\mathrm{\ρ}}_m}}$

式中：C：系数

ΔP₂：文丘里管压差，单位Pa

ρ_m：混合物密度，单位Kg/m³

在流体流经倒“U”形管(24)上升段时测量此段的压差ΔP₁，此压差由以下部分组成：ΔP₁＝ρ_mgh+ΔP_f

式中：g：重力加速度，单位M/S²

h：两取压点之间高度差，单位M

ΔP_f：流动阻力，单位Pa

其中ΔP_f根据流体力学原理估算出来，即可求出ρ_m＝(ΔP₁-ΔP_f)/gh

而同时ρ_m＝αQρ_g+(1-α)Q Hρ_w+(1-α)Q(1-H)ρ_o

式中：α：含气率

H：可由含水测量段测出的含水率

ρ_g：已知的气体密度，单位Kg/m³

ρ_w：已知的水密度，单位Kg/m³

ρ_o：已知的油密度，单位kg/m³

Q：由文丘里管测出的总流量，单位m³/S

因而求出α，从而求出气体流量Q_g，Q_g＝αQ，整个气体总流量Q_g总＝αQ+Q_g表

式中Q_g表为旋进漩涡流量仪(16)所测气量，单位m³/S

流体流经倒“U”形管(24)下降管段时，从流体中取出部分液体，此部分液体由齿轮泵(2)抽出，由含水取样装置(12)测出此部分液体中含有极少量的气体：

ΔP_xup＝ρ_mxgh_x+ΔP_fx

ΔP_xdown＝ΔP_fx-ρ_mxgh_x

2P_xdowngh_x＝ΔP_fx-ΔP_xdown

ρ_mx＝(ΔP_xup-ΔP_xdown)/2gh_x    ----------①

式中ρ_mx_____取样回路流体密度，单位Kg/m³

ΔP_xup_____取样回路上升管压差，单位Kg/m³

ΔP_fx_____流体与管壁形成的摩擦力产生的压强，单位Pa

ΔP_xdown_____取样回路下降管压差，单位Kg/m³

h_x_____取样差点高度差，单位M

然后流体流经加热棒(9)，测量温差ΔT和加热功率W

$W=Q_P(\frac{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{mx}}}{{\mathrm{\ρ}}_{w}H+(1-H){\mathrm{\ρ}}_o}{\mathrm{HC}}_w+\frac{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{mx}}}{{\mathrm{\ρ}}_{w}H+(1-H){\mathrm{\ρ}}_o}(1-H)C_o)$

                             -----------②

①、②联立求出含水率H-------

式中Q_p_____齿轮泵流量，单位m³/S

C_w_____水比热，单位w/Kg·℃

C_o_____油比热，单位w/Kg·℃

通过文丘里管(22)测出了总流量Q，带有压差变送器(3)的倒“U”形管(24)测出含气率α，加热棒(9)测出含水率H，即分别得出油、气、水流量：

Q_g＝αQ

Q_w＝(1-α)Q H

Q_o＝(1-α)Q(1-H)

Q_g_____气流量，单位m³/S

Q_w_____水流量，单位m³/S

Q_o_____油流量，单位m³/S。

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