CN101017105A - 气液多相流分离整流装置及其测量装置 - Google Patents

Abstract

一种气液多相流分离整流装置，包括外壳，外壳内为密闭分离腔，分离腔的上部侧面设有水平导入管，导入管与导入流体的外管连接；外壳下部设置液体收集导管，液体收集导管通过外壳伸入分离腔内，液体收集导管依次包括导入段、液体混合段、气液混合段、出口段；分离腔上部设有气体导管，气体导管与液体收集导管的气液混合段连通，中部连通导流管，导流管与气体导管的垂直段相通，液体收集导管出口段内设有主气液均质整流混合器，底部设有***导管，***导管上设有阀门；液体收集导管的导入段设有流量调节阀门。以及应用该分离整流装置的测量装置。本发明结构简单、成本低、测量精度高、能实现实时在线测量、适合海上、海底混相流测量。

Description

气液多相流分离整流装置及其测量装置

(一)技术领域

本发明涉及一种气液多相流分离整流装置以及用于测量油水气多相流体的检测装置，尤其是一种可以有效提高油水气三相流测量精度的测量装置。

(二)背景技术

为了降低石油天然气的生产成本，多相流测量技术的应用已经被石油界广泛重视。用结构简单，相对廉价的在线测量的高科技手段取代现有的高成本分离罐式测量的生产模式已经成为石油界的共识。特别是随着海洋石油生产规模的不断扩大，减少生产成本就变的尤为重要。

油气水多相流的测量研究，始于二十世纪八十年代，此后虽然与石油开采产业相适应的研究开发得到了很大的发展，特别是对测量精度在±5％以下，结构简单，操作方便，高信赖性，不被多相流动状态所影响的多相流量计成为这一行业的重要攻关目标。但是基于多相流理论和其测量技术还没有形成成熟的体系，目前世界上开发问世的几种多相流测量仪器离石油生产工业的要求还有很大的距离。

由于石油生产的特点，在油井地表由于减压而分离出来的天然气将原油的流动形态变的更为复杂。在一些深井，会出现气体容积比大于90％的多相流状态。这样状态的多相流用普通常用的流量计已经不能进行有效测量。而多相流量计是应对这些复杂的多相流体测量应运而生的一种崭新的科学的有效的测量方法。就目前的研究成果来看，大多是采用文丘里原理解决液体和气体的分量测量，用伽马线放射源的能量吸收率或利用微波传感器的能量吸收率或电磁传感器与油水分的相关函数法推算油水分率。但是在解决多相流形态方案上，或者是无法提供均质多相流或是结构庞大，故没有得以推广和应用。

现在油田一般是利用分离罐将多相流进行气体和液体分离，然后对单相流体进行测量，油水分率则是采用采样后在实验室利用化学分离的方法测量得以实现多相流测量的。此测量***的缺点有：分离结构复杂，体积庞大，造价高，维修难，不能实现实时在线测量，不适合海底测量。

(三)发明内容

为了克服现有的罐式气液分离装置的结构复杂、成本高、维修难、校正成本高、测量精度低的不足，本发明提供一种结构简单，体积小，成本低，测量精度高的气液多相流分离整流装置。

为了克服现有的油水气多相流测量***存在的不能实现实时在线测量，不适合海底测量的不足；本发明提供一种关于对油水气多相流不须分离即可进行同时测量，特别在海洋油气田等对原油、天然气、油水分等进行无分离实时在线测量的多相流测量装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种气液多相流分离整流装置，包括外壳，所述的外壳内为密闭分离腔，所述分离腔的上部侧面设有水平导入管，所述的导入管通过法兰与导入流体的外管连接；所述的外壳下部设置液体收集导管，所述的液体收集导管通过外壳伸入分离腔内部并与分离腔连通，所述液体收集导管依次包括导入段、液体混合段、气液混合段、出口段；所述的分离腔上部设有气体导管，所述的气体导管与所述液体收集导管的气液混合段连通；所述的分离腔中部连通导流管，所述的导流管中部设有流量调整阀门，所述的导流管与所述气体导管的垂直段相通，所述的液体收集导管出口段内设有主气液均质整流混合器；所述的分离腔底部设有***导管，所述的***导管上设有阀门；所述的液体收集导管的导入段设有流量调节阀门。

进一步，所述的导入管内安装常螺旋型加旋器，所述的螺旋型加旋器与管壁密切配合。

再进一步，所述的液体混合段内也设有均质整流混和器。

更进一步，所述的主气液均质整流混合器包括螺旋束型静止混合器，所述的螺旋束型静止混合器包括三个或三个以上的螺旋单体，所述的螺旋单体的螺旋角为180°，各个螺旋单体大小等同，所述的相邻的螺旋单体固定连接形成螺旋束，所述的螺旋束与管壁密切配合，所述的相邻的螺旋单体之间相切或近似相切，所述的管道的管壁与邻近的螺旋单体之间相切或近似相切。

所述的液体收集导管的管道为圆形管道，所述的螺旋束型静止混合器的螺旋单体为1+3n(n+1)个，其中n为自然数，一个螺旋单体的轴心与圆形管道的轴心相同，外层螺旋单体与相邻的内层螺旋单体相切或近似相切，同一层内相邻的螺旋单体之间相切或近似相切。

所述的常螺旋型加旋器的端部设有圆环，所述的圆环与导入管的端部固定连接；螺旋束型静止混合器的各个螺旋单体的端部设有圆环，各个相邻的圆环固定连接。

所述的导入管的入口处设有法兰，液体收集导管的出口处设有法兰。通过法兰与外管连接。

所述的液体收集导管的导入段设有开口朝上的收集器，所述的收集器前端设有过滤装置。优选的一种方案是：所述的过滤装置的上方与气体导管连通。

所述的液体收集导管的导入段的内径比气液混合段内径小。

所述气体导管的出口设有折弯管，所述的折弯管伸入所述气液混合段内并与气液混合流体的流动方向一致。

所述的外壳包括壳体、顶部、底座，顶部与壳体固定连接，底座与壳体固定连接。所述的导流管的入口端设有过滤器.所述过滤器安装在壳体内壁。所述的***导管安装在底座上，所述的气体导管包括与分离腔上部连通的折弯管，水平导气管、与水平导气管连通的垂直导气管，所述的垂直导气管穿过所述的气液混合段与之连通；所述的导流管与垂直导气管中部连通，所述的壳体中部连通导流管，所述的导流管中段设置流量调节阀门并连通垂直气体导管。

液体导管的中部设置流量调节阀门，用于调节本分离装置在其流量规格范围内时分离腔内的液体可以尽量充满导液管，当液体收集导管不能完全输送分离液体时，多余的液体将通过导流管流入气液混合段，其分离液面可以通过设置于导流管上的调节阀门调节以达到尽可能收集液体于液体收集管内的目的。由于液体收集管是直通内腔顶部的，所以可以收集分离腔内各个垂直层面的分离液体，从而尽可能地提供实时的液体变化形态，提高油水分率的测量精度。所述的液体收集管中部设有流量调节阀门，可以通过调节此阀门最大限度地使液体充满收集管，以期提高对油水分的测量精度。

一种用所述的气液多相流分离整流装置实现的气液多相流测量装置，所述的测量装置包括多相流分离整流装置、检测设备，检测设备包括测量所述静止混合器的压力损失的差压计、测量管线压力的压力计、排气用的液体补充装置，速度传感器、测量油水分率的传感器、信号处理器以及测量管线温度的温度计。所述的差压计位于所述的气液混合段内，所述的压力计位于出口段内，所述的速度传感器位于出口段内，所述的油水分率传感器位于液体混合段内，所述的温度传感器位于气液混合段内，所述的差压测量管上出口段内安装液体补充装置；所述的信号处理器包括：

油水分率计算单元，用于在液体导管中部设置油水分传感器用以测量液体中的油水分率，即

wc＝C_mpI_mp                            (1)

上式中，C_mp为水分率系数，I_mp为水分率的电流值。

则液体的密度可用下述公式计算，

ρ_L＝wc(ρ_w-ρ_o)+ρ_o                    (2)

上式中，ρ_w，ρ_o分别为水和油的密度。即

ρ_o＝X₂T²+Y₂T+B₂                        (4)

ρ_w＝X₃T²+Y₃T+B₃                        (5)

上式中，X_i，Y_i为温度变化系数(j＝2，3)，T为温度、B₂，B₃为油，水在零度时的密度。

平均速度计算单元，用于在所述气液混合段的下方的速度传感器测量多相流的平均速度，即

$V_{\mathrm{mp}}=\frac{R_m\mathrm{\ω}}{v_{\mathrm{mp}}}---\left(6\right)$

上式中，ω为速度传感器的角速度，R_m为速度传感器的代表半径，V_mp为速度比，其公式为，

$v_{\mathrm{mp}}=X_1{(\mathrm{wc}+C1)}^2+Y_1{e}^{C_2\mathrm{GVF}}+v_s---\left(7\right)$

上式中，X₁，Y₁为速度比损失系数，C₁为粘度相关系数，C₂为速度比系数，v_s为单相流的速度比

气体容积比计算单元，利用文丘里原理通过所述气液混合段的主均质混合器所产生的压力损失和流体动压的关系来推算气体的容积比，即

$\mathrm{\ΔP}=k_s{\mathrm{\λ}}_s{\mathrm{\ρ}}_G{V}_{\mathrm{mp}}^2{\mathrm{GVF}}^{2+z}---\left(13\right)$

上式中，K_s为压力损失比系数，λ_s为压力损失系数，ρ_G为气体的密度，z为混合器的特性系数

为了计算多相流体的各流量，在此采用Newton-Raphson反复计算法，即

$m(\mathrm{\ΔP},\mathrm{GVF},V_{\mathrm{mp}})=\mathrm{\ΔP}-k_s{\mathrm{\λ}}_s{\mathrm{\ρ}}_o{V}_{\mathrm{mp}}^2\mathrm{GV}{F}^{2+z}=0---\left(15\right)$

h(wc，ρ_L)＝wcρ_w-(1-wc)ρ_O-ρ_L＝0    (16)

上式中，气体的密度采用下式求得，即

${\mathrm{\ρ}}_G={\mathrm{\ρ}}_{G0}\frac{273.15}{273.15+T}\·\frac{P}{P_0}---\left(17\right)$

ρ_G0，P₀分别为标准大气压下的气体的密度和标准大气压。

利用(14)，(15)和(16)式可以组成以下的连立方程。

$\left|\begin{array}{ccc}{f}_r& f_{\mathrm{GVF}}& f_{\mathrm{wc}}\\ m_v& m_{\mathrm{GVF}}& m_{\mathrm{wc}}\\ 0& 0& {\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{wc}}-{\mathrm{\ρ}}_0\end{array}\right|\left|\begin{array}{c}V-V_0\\ \mathrm{GVF}-\mathrm{GV}{F}_0\\ \mathrm{wc}-w{c}_0\end{array}\right|=\left|\begin{array}{c}-f\\ -m\\ -h\end{array}\right|---\left(18\right)$

上式中，对各函数进行偏微分可以得到以下各式，

$f_v=X_1{(\mathrm{wc}+C_1)}^2+Y_1{e}^{C_2\mathrm{GVF}}+v_x,f_{\mathrm{GVF}}=C_2{Y}_1{V}_{\mathrm{mp}}\mathrm{GVF}{e}^{C_2\mathrm{GVF}},f_{\mathrm{wc}}=2V_{\mathrm{mp}}{X}_1(\mathrm{wc}+C_1)$

$m_v=-2k_s{\mathrm{\λ}}_s{\mathrm{\ρ}}_G\mathrm{GV}{F}^{2+z}{V}_{\mathrm{mp}},m_{\mathrm{GVF}}=-(2+z)k_s{\mathrm{\λ}}_s{\mathrm{\ρ}}_G\mathrm{GV}{F}^{1+z}{V}_{\mathrm{mp}}^2,m_{\mathrm{wc}}=0$

f=f(V₀,GVF₀,wc₀),m≡m(V₀,GVF₀,wc₀),h≡h(ρ_L0,wc₀)

利用Gauss消去法求的(18)式的解为：

$V_{\mathrm{mp}}^{n+1}=V_{\mathrm{mp}}^n-\frac{1}{J}\left|\begin{array}{ccc}-f& f_{\mathrm{GVF}}& f_{\mathrm{wc}}\\ -m& m_{\mathrm{GVF}}& 0\\ -h& 0& {\mathrm{\ρ}}_w-{\mathrm{\ρ}}_0\end{array}\right|---\left(19\right)$

${\mathrm{GVF}}^{n+1}={\mathrm{GVF}}^n-\frac{1}{J}\left|\begin{array}{ccc}{f}_v& -f& f_{\mathrm{wc}}\\ m_v& -m& 0\\ 0& -h& {\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{wc}}-{\mathrm{\ρ}}_0\end{array}\right|---\left(20\right)$

$w{c}^{n+1}={\mathrm{wc}}^n-\frac{1}{J}\left|\begin{array}{ccc}{f}_v& f_{\mathrm{GVF}}& -f\\ m_v& m_{\mathrm{GVF}}& -m\\ 0& 0& -h\end{array}\right|---\left(21\right)$

上式中， $J=\left|\begin{array}{ccc}{f}_v& f_{\mathrm{GVF}}& f_{\mathrm{wc}}\\ m_v& m_{\mathrm{GVF}}& 0\\ 0& 0& {\mathrm{\ρ}}_w-{\mathrm{\ρ}}_o\end{array}\right|$ ，收敛条件为，|wcⁿ⁺¹-wcⁿ|≤10^-6，或者|GVFⁿ⁺¹-GVFⁿ|≤10^-6

当收敛条件成立时即可求得油水分率wc，气体容积比GVF以及多相流的平均速度V_mp；

体积流量计算单元，用于计算得到多相流的总体积流量Q_mp，气体的体积流量Q_G以及液体的体积流量Q_L，可由下列公式求得：

Q_mp＝V_mp/A        (22)

Q_G＝GVF·Q_mp      (23)

Q_L＝(1-GVF)·Q_mp  (24)

上式中，A为管道的有效面积。

本发明的工作原理是：利用常螺旋型加旋器将多相流体引入分离腔并形成旋转流体。由于向心力的作用，密度较大的流体会向径外聚集、密度小的流体会聚集在圆心的周围。通过这样的处理从而对气液多相流体实行第一次气液分离；当上述多相流进入分离腔后，由于流体的密度不同，多相流体即可自然进行二次气液分离；分离腔的上中下各部位分别设有气体导管、导流管、液体收集导管，且在液体导管的前部进行液体均质混合，从而对其下方安装的油水分传感器提供均质而且安定的准液体流动形态，从而提高了油水分率的测量精度；在液体收集管的混合中段进行再次气液混合，混合后的流体通过一个特制的静止均质整流混合器，从而对其下方安装的速度传感器提供均质而且安定的多相流动形态，可以大幅度提高气液两相流体的测量精度。

本发明的测量方法是：首先在前述分离混合装置上的液体收集导管的水平部位设置可以测量流体的油水分率或密度的仪器或传感器，对液体实施油水分率或密度测量并且取得相应的信号；利用设置于前述气液混合部的下方的静止均质混合器的下流的速度传感器测量多相流的流速的相应信号；采用压力差传感器和压力传感器测量前述静止混合器的上流和下流的压力差以及压力的相应信号，通过实施离3中的(a)至(d)的各个处理过程即可对前述各信号进行处理计算从而得到相应的多相流的油水分率、气体容积比、气液流速或体积流量、总体积流量、总质量流量以及液体的密度。

本发明的有益效果主要表现在：1、结构简单，维修方便，成本低；2、可以提高多相流的各相流体的测量精度；3、对流体进行细化、均质整流，可以提供无旋转安定的多相流体形态。

(四)附图说明

图1是气液多相流分离整流装置断面图。

图2是气液多相流分离整流装置外观图。

图3是气液多相流分离整流装置俯视图。

图4是液体收集调节部结构图。

图5是液体收集管内设置的过滤器固定结构图。

图6是常螺旋线加旋器的侧视图。

图7是常螺旋线加旋器结构图。

图8是基于气液多相流分离整流装置的流量计实例的结构图。

图9是判断收敛条件是否成立的流程图。

(五)具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

实施例1

参照图1、图2、图3、图4、图5，一种气液多相流分离整流装置，包括外壳(1)，所述的外壳(1)内为分离腔，所述外壳(1)的上侧部设有导入管(2)，所述的导入管(2)与用于导入流体的外管连接；所述的外壳(1)下侧设有液体收集导管(3)，所述的液体收集导管(3)伸入分离腔底部，所述液体收集导管(3)包括过虑器(6-2)、液体收集器(3-1)、液体导管(3-2)、液体混合部、气液混合段(3-6)、气液整流段(3-7)、出口段；所述的外壳(1)底部设有***导管(1-7)；所述的外壳上部设有气体导管(4-1)，所述的气体导管包括与壳体上部连通的折弯管、水平导气管、解体用法兰(4-2)、与水平导管连通的垂直导气管(4-5)，所述的垂直导气管(4-5)穿过所述液体收集导管(3)的中部与气液混合段连通；所述的分离腔中部连通导流管(5-1)，所述的导流管的水平中部设有调节阀(5-2)、所述的导流管的水平部末端与垂直导气管(4-5)中部连通；所述的液体导管的中段设有流量调节阀(3-3)，上述出口段的下流段内设有主静止均质整流混合器(3-7)。

所述的液体收集导管的导入段的外径比气液混合段外径小。所述的垂直导气管的出口端设有水平折弯段，并且此水平折弯段伸入气液混合段，所述的水平折弯段的出口方向与混合流体的流动方向一致。所述的液体收集管上部设有垂直布置并与气体导管入口连通的过虑器(6-2)，所述液体收集部的上部为一个外径大于导液管外径的圆筒，并且其上部和导气管开放连通，其管壁上设有导液孔，所述收集部的下部为一个收缩管部，所述收缩管与水平的液体导液管连通。所述外壳内的中间部设有阻挡板，所述的阻挡板与导流管的入口配合，并且在其入口处设置有过滤网(5-3)，所述过滤网由固定装置(5-4)固定在内腔壁上。所述的外壳包括顶部(1-2)，顶盖(1-3)，中间部，底座(1-6)，外壳顶部和顶盖用螺栓(1-4)连接，顶部和底座均与壳体固定连接，所述的阻挡板安装在壳体内壁上，所述的***导管安装在底座上。所述的导入管的入口处，液体收集导管的出口处设有法兰。

所述液体收集管的外部设有过滤器(6-2)，本过滤器下部放置在液体收集管的下段外部所设置的支撑架上(6-1)，其上部设有固定环(6-3)，所述固定环用螺栓(6-4)与外壳顶部(1-2)固定连接。

本实施例的工作过程是：将气液多相流从导入管(2)引入分离腔，分离腔为二次分离空间，将流体中的气、液分离，分离腔的上中下分别设有气体导管、导流管、液体收集导管，且在液体收集管中部的混合段中进行再次混合，混合后流向均质整流混合器，从而提供均质的多相流动形态，可以大幅度提高测量精度。

实施例2

参照图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7，本实施例中，所述的导入管内安装常螺旋型加旋器，所述的常螺旋单体的旋转角为180度；所述的液体导管的导入段内设有第一螺旋束型静止混合器(3-4)，所述的螺旋束型静止混合器包括三个或三个以上的螺旋单体，各个螺旋单体大小等同；所述的相邻的螺旋单体之间、所述的螺旋单体与管道的管壁之间相切或近似相切；所述的螺旋单体的螺旋角为180度。

所述的主均质整流混合器包括前置的薄板交叉型混合器、后置的螺旋束型静止混合器。所述的副混合器为螺旋束型静止混合器。所述的螺旋束型静止混合器包括不少于三个的螺旋单体，所述的各个螺旋单体相互固接成螺旋束。所述的常螺旋加速器的端部设有圆环(2-4)，所述的圆环与导入管的端部固定连接。螺旋束型静止混合器的各个螺旋单体的端部设有圆环，各个相邻的圆环固定连接。

本实施例的其余结构与工作过程与实施例1相同。

本发明是运用常螺旋型加旋器将气液混合流体进行加旋、利用向心力对混相流进行初步分离，然后再利用混合流体的密度不同进行自然分离，然后通过特殊的液体收集装置(3-1)，以及气液重新混合结构，再使用特制的静止混合器(3-7)的情况下对混合流体进行混合、细化、均质、整流，从而提供安定均质的多相流动形态。并且因为设有液体收集导管，在此安装油水分率测量装置，可以大幅度提高油水分率的测量精度。并且因具有结构紧凑，各传感器适应密封、耐压、防爆等设计，特别适合于海底在线测量。

实施例3

参照图8，本发明的一个典型应用实例是利用油水分传感器进行测量液体中的油水分率，利用速度传感器进行测量混合流体的体积流量和利用文丘里原理进行液体和气体的分量测量，从而实现对多相流体测量的一种新型流体仪器。此实施例具有结构简单紧凑，体积小，造价低廉，防爆安全简单等优点。并且已经进行了生产验证，达到了设计效果。本实施例由两部分组成，即信号收集***和信号处理***。信号收集***由设置于前述流体导出管内部的特制的静止均质整流混合器(3-7)，测量本静止混合器的压力差的差压计(8)，测量管线压力的压力计(7)，速度传感器(12)以及测量油水分率的传感器(3-5)，信号处理器(6)，测量管线温度的温度计(10)以及用于排气用的液体补充装置(11)所组成。信号处理部分由一台特制的具有信号转换和演算功能的流程控制计算机模块所组成。它可以进行各种信号转换(A/D)，演算各相的流量，油水分率和信号传输、储存等功能。

信号处理器中测量过程为：

(a)对分离后的油水两相流的油水分率或液体的密度的测量，

wc＝C_mpI_mp    (1)

在此，C_mp，I_mp分别为调整系数和电流输出值。

ρ_L＝wc(ρ_w-ρ_o)+ρ_o    (2)

在此，ρ_w，ρ_o分别为水和油的密度。即

ρ_o＝X₂T²+Y₂T+B₂(4)

ρ_w＝X₃T²+Y₃T+B₃    (5)

(b)测定气液多相流体的流速：

$V_{\mathrm{mp}}=\frac{R_m\mathrm{\ω}}{v_{\mathrm{mp}}}---\left(6\right)$

在此，v_mp为速度比。通过试验得到的经验公式。即，

$v_{\mathrm{mp}}=X_1{(\mathrm{wc}+C1)}^2+Y_1{e}^{C_2\mathrm{GVF}}+v_s---\left(7\right)$

在此，v_s为单相流时的速度比。

(c)测定静止均质混合器的压力差：

根据Lockhart-Martinelli⁽¹⁾气液两相流体的分离流模型，即

${(d{P}_j/\mathrm{dx})}_G={\mathrm{\λ}}_G{\mathrm{\ρ}}_G{V}_G^2---\left(8\right)$

${(d{P}_j/\mathrm{dx})}_L={\mathrm{\λ}}_L{\mathrm{\ρ}}_L{V}_L^2---\left(9\right)$

将气液多相流时的压力损失(ΔP_mp)与单相流时的压力损失(ΔP_s)比定义为压力损失比(φ_s ²)，流路的压力损失可以由局部的压力分量通过积分得到。即，

$\frac{\mathrm{\Δ}{P}_{\mathrm{mp}}}{\mathrm{\Δ}{P}_s}=\frac{1}{x_m}{{\∫}_0^{s_m}\mathrm{\φ}}_s^2\mathrm{dx}---\left(10\right)$

在混合器装置于管道内的气液混合的情况下，将(10)式对混和器的长度x_m进行积分可以得到混合器的压力损失比φ_mp ²，即

$\frac{\mathrm{\Δ}{P}_{\mathrm{mp}}}{\mathrm{\Δ}{P}_s}={\mathrm{\φ}}_{\mathrm{mp}}^2---\left(11\right)$

在此，根据试验验证，气液多相流的压力损失和相应混合器长x_m的饱和单相流的压力损失的比是一个和气体容积比成一定关系的物理量，即，

ΔP_mp/ΔP_G＝k_sGVF^z    (12)

将(8)式带入(11)式并进行规整，即可得到在多相流状态下混合器的压力损失比，即

$\mathrm{\ΔP}=k_s{\mathrm{\λ}}_s{\mathrm{\ρ}}_G{V}_{\mathrm{mp}}^2{\mathrm{GVF}}^{2+z}---\left(13\right)$

(d)计算方法：

为了计算多相流体的各流量，在此采用Newton-Raphson反复计算法，即

$m(\mathrm{\ΔP},\mathrm{GVF},V_{\mathrm{mp}})=\mathrm{\ΔP}-k_s{\mathrm{\λ}}_s{\mathrm{\ρ}}_G{V}_{\mathrm{mp}}^2{\mathrm{GVF}}^{2+z}=0---\left(15\right)$

h(wc，ρ_L)＝wcρ_w-(1-wc)ρ_O-ρ_L＝0    (16)

上式中，气体的密度采刚卜式求得，即

${\mathrm{\ρ}}_G={\mathrm{\ρ}}_{G0}\frac{273.15}{273.15+T}\·\frac{P}{P_0}---\left(17\right)$

ρG₀，P₀分别为标准大气压下的气体的密度和标准大气压。

利用(14)，(15)和(16)式可以组成以下的连立方程。

$\left|\begin{array}{ccc}{f}_v& f_{\mathrm{GVF}}& f_{\mathrm{wc}}\\ m_v& m_{\mathrm{GVF}}& m_{\mathrm{wc}}\\ 0& 0& {\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{wc}}-{\mathrm{\ρ}}_0\end{array}\right|\left|\begin{array}{c}V-V_0\\ \mathrm{GVF}-\mathrm{GV}{F}_0\\ \mathrm{wc}-w{c}_0\end{array}\right|=\left|\begin{array}{c}-f\\ -m\\ -h\end{array}\right|---\left(18\right)$

上式中，对各函数进行偏微分可以得到以下各式，

$f_v=X_1{(\mathrm{wc}+C_1)}^2+Y_1{e}^{C_2\mathrm{GVF}}+v_s,f_{\mathrm{GVF}}=C_2{Y}_1{V}_{\mathrm{mp}}\mathrm{GVF}{e}^{C_2\mathrm{GVF}},f_{\mathrm{wc}}=2V_{\mathrm{mp}}{X}_1(\mathrm{wc}+C_1)$

$m_v=-2k_s{\mathrm{\λ}}_s{\mathrm{\ρ}}_G{\mathrm{GVF}}^{2+z}{V}_{\mathrm{mp}},m_{\mathrm{GVF}}=-(2+z)k_s{\mathrm{\λ}}_s{\mathrm{\ρ}}_G{\mathrm{GVF}}^{1+z}{V}_{\mathrm{mp}}^2,m_{\mathrm{wc}}=0$

f≡f(V₀，GVF₀，wc₀)，m≡m(V₀，GVF₀，wc₀)，h≡h(ρ_L0，wc₀)

利用Gauss消去法求的(18)式的解为：

$V_{\mathrm{mp}}^{n+1}=V_{\mathrm{mp}}^n-\frac{1}{J}\left|\begin{array}{ccc}-f& f_{\mathrm{GVF}}& f_{\mathrm{wc}}\\ -m& m_{\mathrm{GVF}}& 0\\ -h& 0& {\mathrm{\ρ}}_w-{\mathrm{\ρ}}_o\end{array}\right|---\left(19\right)$

${\mathrm{GVF}}^{n+1}={\mathrm{GVF}}^n-\frac{1}{J}\left|\begin{array}{ccc}{f}_v& -f& f_{\mathrm{wc}}\\ m_v& -m& 0\\ 0& -h& {{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{WC}}-\mathrm{\ρ}}_O\end{array}\right|---\left(20\right)$

${\mathrm{wc}}^{n+1}={\mathrm{wc}}^n-\frac{1}{J}\left|\begin{array}{ccc}{f}_v& f_{\mathrm{GVF}}& -f\\ m_v& m_{\mathrm{GVF}}& -m\\ 0& 0& -h\end{array}\right|---\left(21\right)$

上式中， $J=\left|\begin{array}{ccc}{f}_v& f_{\mathrm{GVF}}& f_{\mathrm{wc}}\\ m_v& m_{\mathrm{GVF}}& 0\\ 0& 0& {\mathrm{\ρ}}_w-{\mathrm{\ρ}}_o\end{array}\right|$ ，收敛条件为，|wcⁿ⁺¹-wcⁿ|≤10^-6，或者|GVFⁿ⁺¹-GVFⁿ|≤10^-6

参照图9，当收敛条件成立时即可求得油水分率wc，气体容积比GVF以及多相流的平均速度V_mp。

(e)各相流量的计算：

根据以上所求得的结果即可计算出各相流量。即

Q_mp＝V_mp/A               (22)

Q_G＝GVF·Q_mp             (23)

Q_L＝(1-GVF)·Q_mp         (24)

Q_o＝(1-wc)·Q_L           (25)

Q_w＝wc·Q_L               (26)

G_L＝G_w+G_o＝ρ_wQ_w+ρ_oQ_o   (27)

G_G＝ρ_gQ_g                (28)

G_mp＝G_L+G_G               (29)

本实施例主要运用于油田单井计量/测试、油藏动态监测和生产实时监控：(a)单井计量/测试：取代常规的测试分离罐、并提供实时在线多相流量测量、对油井进行测试。(b)油藏动态监测：为油田的作业者提供实时连续的数据、使得对油藏动态监测成为可能。(c)生产实时监控：提供多相流气相、液相流量和水分率的实时变化信息、为生产优化提供重要数据。

本实施例的测量仪器全部的信号是由4-20mA模拟信号所构成。当信号经过信号处理器时，将进行信号A/D转换。然后通过特殊程序计算，最后将算出的流量和油水分率表示在表示面版LED上，或者经过网络传输或无线传输将信号传送到预定地点。

Claims (10)

1、一种气液多相流分离整流装置，其特征在于：包括外壳，所述的外壳内为密闭分离腔，所述分离腔的上部侧面设有水平导入管，所述的导入管通过法兰与导入流体的外管连接；所述的外壳下部设置液体收集导管，所述的液体收集导管通过外壳伸入分离腔内部并与分离腔连通，所述液体收集导管依次包括导入段、液体混合段、气液混合段、出口段；所述的分离腔上部设有气体导管，所述的气体导管与所述液体收集导管的气液混合段连通；所述的分离腔中部连通导流管，所述的导流管中部设有流量调整阀门，所述的导流管与所述气体导管的垂直段相通，所述的液体收集导管出口段内设有主气液均质整流混合器；所述的分离腔底部设有***导管，所述的***导管上设有阀门；所述的液体收集导管的导入段设有流量调节阀门。

2、如权利要求1所述的气液多相流分离整流装置，其特征在于：所述的导入管内安装常螺旋型加旋器，所述的常螺旋型加旋器与管壁密切配合。

3、如权利要求1所述的气液多相流分离整流装置，其特征在于：所述的主气液均质整流混和器包括前置的薄板交叉型混合器、后置的螺旋束型静止混合器。

4、如权利要求1所述的气液多相流分离整流装置，其特征在于：所述的液体混合段内设有均质整流混和器。

5、如权利要求1、3、4之一所述的气液多相流分离整流装置，其特征在于：所述的主气液均质整流混合器包括螺旋束型静止混合器，所述的螺旋束型静止混合器包括三个或三个以上的螺旋单体，所述的螺旋单体的螺旋角为180°，各个螺旋单体大小等同，所述的相邻的螺旋单体固定连接形成螺旋束，所述的螺旋束与管壁密切配合，所述的相邻的螺旋单体之间相切或近似相切，所述的管道的管壁与邻近的螺旋单体之间相切或近似相切。

6、如权利要求1所述的气液多相流分离整流装置，其特征在于：所述的液体收集导管的导入段设有开口朝上的收集器，所述的收集器前端设有过滤装置。

7、如权利要求1所述的气液多相流分离整流装置，其特征在于：所述的液体收集导管的导入段的内径比气液混合段内径小。

8、如权利要求1所述的气液多相流分离整流装置，其特征在于：所述气体导管的出口设有折弯管，所述的折弯管伸入所述气液混合段内并与气液混合流体的流动方向一致。

9、如权利要求1所述的气液多相流分离整流装置，其特征在于：所述的外壳包括壳体、顶部、底座，顶部与壳体固定连接，底座与壳体固定连接，导流管的入口端设有过滤器，所述过滤器安装在壳体内壁；所述的***导管安装在底座上；所述的气体导管包括与分离腔上部连通的折弯管，水平导气管、与水平导气管连通的垂直导气管，所述的垂直导气管穿过所述的气液混合段并与之连通；所述的壳体中部连通导流管，所述的导流管与垂直导气管中部连通，所述的导流管中段设置流量调节阀门并连通垂直气体导管。

10、一种用如权利要求1所述的气液多相流分离整流装置实现的测量装置，其特征在于：所述的测量装置包括多相流分离整流装置、检测设备，检测设备包括测量所述静止混合器的压力损失的差压计、测量管线压力的压力计、排气用的液体补充装置，速度传感器、测量油水分率的传感器、信号处理器以及测量管线温度的温度计，所述的差压计位于所述的气液混合段内，所述的压力计位于出口段内，所述的速度传感器位于出口段内，所述的油水分率传感器位于液体混合段内，所述的温度传感器位于气液混合段内，所述的差压测量管上安装液体补充装置；所述的信号处理器包括：

油水分率计算单元，用于在液体导管中部设置油水分传感器用以测量液体中的油水分率，即

wc＝C_mpI_mp                                                  (1)

上式中，C_mp为水分率系数，I_mp为水分率的电流值。

则液体的密度可用下述公式计算，

ρ_L＝wc(ρ_w-ρ_o)+ρ_o                                        (2)

上式中，ρ_w，ρ_o分别为水和油的密度。即

ρ_o＝X₂T²+Y₂T+ρ_o                                           (4)

ρ_w＝X₃T²+Y₃T+ρ_w0                                          (5)

上式中，X_i，Y_i为温度变化系数(i＝2，3)，T为温度平均速度计算单元，用于在所述气液混合段的下方的速度传感器测量多相流的平均速度，即

$V_{\mathrm{mp}}=K_v\frac{\mathrm{\ω}}{v_{\mathrm{mp}}}---\left(6\right)$

上式中，ω为速度传感器的角速度，K_v为速度损失系数，v_mp为速度比，其公式为，

$v_{\mathrm{mp}}=X_1{(\mathrm{wc}+C1)}^2+Y_1{e}^{c_2\mathrm{GVF}}+v_s---\left(7\right)$

上式中，X₁，Y₁为速度比损失系数，C₁为粘度相关系数，C₂为速度比系数，V_s为单相流的速度比。

气体容积比计算单元，利用文丘里原理通过所述气液混合段的主均质混合器所产生的压力损失和流体动压的关系来推算气体的容积比，即

$\mathrm{\ΔP}=k_s{\mathrm{\λ}}_s{\mathrm{\ρ}}_G{V}_{\mathrm{mp}}^2{\mathrm{GVF}}^{2+z}---\left(13\right)$

上式中，K_s为压力损失比系数，λ_s为压力损失系数，ρ_G为气体的密度，z为混合器的特性系数

为了计算多相流体的各流量，在此采用Newton-Raphson反复计算法，即

$m(\mathrm{\ΔP}.\mathrm{GVF}{,V}_{\mathrm{mp}})=\mathrm{\ΔP}-k_s{\mathrm{\λ}}_s{\mathrm{\ρ}}_G{V}_{\mathrm{mp}}^2{\mathrm{GVF}}^{2+z}---\left(15\right)$

h(wc，ρ_L)＝wcρ_w-(1-wc)ρ_G-ρ_L＝0                          (16)

上式中，气体的密度采用下式求得，即

${\mathrm{\ρ}}_G={\mathrm{\ρ}}_{G0}\frac{273.15}{273.15+T}\·\frac{P}{P_0}---\left(17\right)$

ρ_Go，P₀分别为标准大气压下的气体的密度和标准大气压。利用(14)，(15)和(16)式可以组成以下的连立方程。

$\left|\begin{array}{ccc}{f}_V& f_{\mathrm{GVF}}& f_{\mathrm{wc}}\\ m_V& m_{\mathrm{GVF}}& m_{\mathrm{wc}}\\ 0& 0& {\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{wc}}-{\mathrm{\ρ}}_o\end{array}\right|\left|\begin{array}{c}V-V_0\\ \mathrm{GVF}-{\mathrm{GVF}}_0\\ \mathrm{wc}-{\mathrm{wc}}_0\end{array}\right|=\left|\begin{array}{c}-f\\ -m\\ -h\end{array}\right|---\left(18\right)$

上式中，对各函数进行偏微分可以得到以下各式，

$f_V=X_1{(\mathrm{wc}+C_1)}^2+Y_1{e}^{C_2\mathrm{GVF}}+v_s,$ $f_{\mathrm{GVF}}=C_2{Y}_1{V}_{\mathrm{mp}}{\mathrm{GVFe}}^{C_2\mathrm{GVF}},$ f_wc＝2V_mpX₁(wc+C₁)m_v＝-2k_sλ_sρ_GGVF^2+zV_mp， $m_{\mathrm{GVF}}=-(2+z)k_s{\mathrm{\λ}}_s{\mathrm{\ρ}}_G{\mathrm{GVF}}^{1+z}{V}_{\mathrm{mp}}^2,$ m_wc＝0f≡f(V₀，GVF₀，wc₀)，m≡m(V₀，GVF₀，wc₀)，h≡h(ρ_L0，wc₀)

利用Gauss消去法求的(18)式的解为：

$V_{\mathrm{mp}}^{n+1}=V_{\mathrm{mp}}^n-\frac{1}{J}\left|\begin{array}{ccc}-f& f_{\mathrm{GVF}}& f_{\mathrm{wc}}\\ -m& m_{\mathrm{GVF}}& 0\\ -h& 0& {\mathrm{\ρ}}_w-{\mathrm{\ρ}}_o\end{array}\right|---\left(19\right)$

${\mathrm{GVF}}^{n+1}={\mathrm{GVF}}^n-\frac{1}{J}\left|\begin{array}{ccc}{f}_V& -f& f_{\mathrm{wc}}\\ m_V& -m& 0\\ 0& -h& {\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{wc}}-{\mathrm{\ρ}}_o\end{array}\right|---\left(20\right)$

${\mathrm{wc}}^{n+1}={\mathrm{wc}}^n-\frac{1}{J}\left|\begin{array}{ccc}{f}_V& f_{\mathrm{GVF}}& -f\\ m_V& m_{\mathrm{GVF}}& -m\\ 0& 0& -h\end{array}\right|---\left(21\right)$

上式中， $J=\left|\begin{array}{ccc}{f}_V& f_{\mathrm{GVF}}& f_{\mathrm{wc}}\\ m_V& m_{\mathrm{GVF}}& 0\\ 0& 0& {\mathrm{\ρ}}_w-{\mathrm{\ρ}}_o\end{array}\right|,$ 收敛条件为，|wcⁿ⁺¹-wcⁿ|≤10^-6，|GVFⁿ⁺¹-GVFⁿ|≤10^-6

当收敛条件成立时即可求得气体容积比GVF以及多相流的平均速度V_mp；体积流量计算单元，用于计算得到多相流的总体积流量Q_mp，气体的体积流量Q_G以及液体的体积流量Q₁，可由下列公式求得：

Q_mp＝V_mp/A                                                  (22)

Q_G＝GVF·Q_mp                                                (23)

Q_L＝(1-GVF)·Q_mp                                            (24)

上式中，A为管道的有效面积。

Images