CN101666770A - 低含气率原油测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低含气率原油测量装置及方法，属于流体测量技术领域。低含气率原油测量装置包括计量管道、计量管道前端的电容传感器、计量管道中部的混流器、计量管道后端的科氏质量流量计和压力传感器、A/D转换卡和计算机。电容传感器、科氏质量流量计、压力传感器均经A/D转换卡接计算机。本发明还提供一种该种装置采用的测量方法。本发明具有体积小，结构简单，安装方便，可获测量参数多，参数检测精度高，实时性好，可靠，易于实现等优点。适用于油田低含气率原油的测量。

Description

低含气率原油测量装置及方法

技术领域

本发明属于流体测量技术领域，具体涉及到一个低含气率原油的相含率及每相流量测量的装置和方法。

背景技术

原油是典型的多相流，一般包括油、气、水三相物质。油、气、水三相在流动过程中相互作用，分相流量的检测难度很大。然而，为了油田的合理开发，必须掌握每口油井的产油量、产水量和产气量。目前，大多油田采用分离计量法计量原油的分相流量。分离计量法一般分为完全分离法和部分分离法。

完全分离法是油田传统的计量方法，该方法应用高效计量分离器将原油分离成油相、水相和气相，再采用各单相测量仪表或装置获得三组分的各自含量，然后再混合输送到泵站进行生产处理。完全分离法把原油分相流量测量转化成了单相流体流量测量，具有工作可靠、测量精度高、测量范围宽且不受原油流动状态变化的影响等优点。但该种方法涉及的油、水分离效果容易受多种因素影响，很难做到高度分离，这将影响单相计量精度。并且，该方法采用的分离设备体积庞大，分离需要一定的时间，不能在线测量，从而大大制约了生产效率。

部分分离法包括分流分相法和简单分离器法。分流分相法首先通过分配器分流出一部分流体，然后使用分离器将这部分三相流体分离成单相气体和单相液体，再分别用单相气体流量计和单相液体流量计进行计量，并根据比例关系换算成被测流体的流量和组分，最后分别将这部分单相气体和单相液体返回流动管道中。这种方法存在的问题是取样部分的流体气液比例往往与原流动中气液比例存在一定差异，取样比例易受流型、流量波动等影响。简单分离器法是利用小型气液分离器将三相流进行预分离，得到以气相为主的一路和以液相为主的一路，每一路分别用组合仪表及修正关联式进行计量，求解出油、气、水三相流量，计量后的流体再混合到一起送回到原管道。这种分离法在一定程度上缩小了设备的体积，提高了计量的实时性，因此，近年来推出的多相流量计产品大部分都是采用部分分离法。但是，部分分离法的气液分离效果较差，往往在液相中混有一定量的气体，混有的气体对液相流量的计量精度有很大影响，同时也影响到气体流量的准确测量。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的上述不足，提供一种低含气率原油的测量装置和方法。本发明提供的装置体积小，结构简单，安装方便，可获测量参数多，参数检测精度高，实时性好，可靠，易于实现。适用于油田原油分离后低含气率原油的测量。

为此，本发明采用如下的技术方案：

一种低含气率原油测量装置，包括计量管道(1)、电容传感器(2)、混流器(3)、科氏质量流量计(4)、压力传感器(5)、A/D转换卡(6)、计算机(7)，在计量管道(1)上依次设有电容传感器(2)、混流器(3)、科氏质量流量计(4)、压力传感器(5)，A/D转换卡(6)与电容传感器(2)、科氏质量流量计(4)、压力传感器(5)相连，计算机(7)与A/D转换卡(6)相连。

本发明同时提供一种上述低含气率原油测量装置所采用的测量方法，包括下列步骤：

将管截面划分为N个像素，电容传感器测量管截面上的电容分布，并根据

确定管截面上第j个像素的灰度值，式中，f_j-第j个像素的灰度值，N-电容传感器提供的测量一个管截面上电容分布时的电容个数(例如，对于具有n个电极的电容传感器，

c_i-第i个测量电容的归一化值，由电容传感器测量得到，s_ij-第j个像素相对于第i个测量电容值的权重系数(即灵敏度)，具体数值通过有限元分析并辅助实际测量校正获得。然后，根据

计算低含气率原油的体积含气率，式中，φ_g-低含气率原油的体积含气率，A_j-第j个像素的面积，A-测量管道的截面面积。

根据科氏质量流量计测得的温度T和压力传感器测得的压力P计算气体密度ρ_g，并根据

计算液体的密度，式中，ρ_l-液体的密度，ρ_m-低含气率原油的混合密度，由科氏质量流量计测量得到。然后，根据

计算体积含油率，根据φ_w＝1-φ_o计算体积含水率，式中，φ_o、φ_w-分别为低含气率原油的体积含油率和体积含水率，ρ_o、ρ_w-分别为温度T和压力P下纯原油、纯水的密度。

根据

计算低含气率原油的体积流量，式中，Q_v-低含气率原油的体积流量，Q_m-低含气率原油的质量流量，由科氏质量流量计测量得到。

根据Q_vg＝Q_vφ_g、Q_vo＝Q_vφ_o、Q_vw＝Q_vφ_w分别计算气、油、水的体积流量，根据Q_mg＝Q_vgρ_g、Q_mo＝Q_voρ_o、Q_mw＝Q_vwρ_w分别计算气、油、水的质量流量。

本发明的有益效果及优点是，无需采用高效气液分离器进行气液分离，采用混流器将低含气率原油搅拌成均相流，采用混流器与科氏质量流量计组合测量低含气率原油的含油率与油、气、水各分相流量。利用科氏质量流量计测量质量流量、混合密度和含油率，不需要进行油水两相的完全分离，解决了基于完全分离法的油、气、水三相流测量中油水两相难于完全分离的难题。利用混流器将待测流体搅拌成均相流，使得科氏质量流量计能够测量低含气介质，解决了气液分离器分离效果差的难题。该装置结构简单，参数检测精度高，易于实现。适用于油田采出液分离后低含气率原油的测量。

附图说明

附图是低含气率原油测量装置结构示意图。

具体实施方式

低含气率原油测量装置具有计量管道(1)，在计量管道(1)上依次设有电容传感器(2)、混流器(3)、科氏质量流量计(4)、压力传感器(5)，A/D转换卡(6)与电容传感器(2)、科氏质量流量计(4)、压力传感器(5)相连，计算机(7)与A/D转换卡(6)相连。

下面通过实施例对本发明做进一步的说明。

油田采出液经过气液分离器初步分离后，低含气率原油进入计量管道1，电容传感器2采集管道截面上的电容分布，并将电容测量信号经A/D转换卡6送入计算机7。由于待测介质含有气体，气体在管道中容易形成较大的气泡或气弹，从而降低科氏质量流量计的测量精度，同时，由于油水分离效果较差，因此，原油中一般含有一定量的水。含水的原油有可能存在相界面，从而，油、水两相处于分离流动状态，这种流动状态降低科氏质量流量计的密度测量精度，从而降低含油率的计算精度，因此，在本发明中，流体先通过混流器3，混流器3使流体混合均匀变成均相流。科氏质量流量计4测量流体的质量流量、混合密度和温度，测得的质量流量、混合密度和温度信号经A/D转换卡6送入计算机7。压力传感器5用来检测流体的压力并将压力信号转变为标准电信号经A/D转换卡6送入计算机7。在计算机7中设有存储模块，存储纯油、气、纯水在不同温度和不同压力下的密度值以及电容传感器测得的各电容值的权重系数(即灵敏度)等数据。计算机7进行实时处理，获取低含气率原油的分相含率和分相流量。

需要特别指出的是，原油的流动状态比较复杂，虽经过气液分离器进行了初步的分离，但分离后的液体仍含有部分气体。当待测液体含气率小于5％时，液体中气泡较小且较少，气泡对科氏质量流量计的测量精度影响较小。但是，当待测液体含气率超过5％时，液体中气泡变大，质量流量计测量精度明显下降。同时，流体中的原油(即液相介质，或称为油水混合物)也以不同的状态存在。当液体的含水率较低时，液体处于分散流型(即水以气泡的形式存在于油的连续相中)下，此时，根据科氏质量流量计的密度测量值计算的含水率较准确，但是，当液体的含水率与含油率相差不大时，液体处于分离流型(即油、水以不同的速度分离流动)下，此时，根据科氏质量流量计的密度测量值计算的含水率精度下降。设计时，采用混流器将低含气率原油搅拌成均相流。

另外，科氏质量流量计是一种直接式质量流量计，能直接对质量流量、密度和温度进行测量，具有精度高、重复性好、量程比宽、内部结构简单、无活动部件等优点。

具体测量模型及求解方案如下：

1、含气率测量模型

${\mathrm{\φ}}_g=[1-\left(\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{f}_j\frac{A_j}{A}\right)]\×100\%---\left(1\right)$

$f_j=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{c}_i{s}_{\mathrm{ij}}/\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{s}_{\mathrm{ij}}---\left(2\right)$

上述各式中，φ_g-低含气率原油的体积含气率，N-电容传感器提供的测量一个管截面上电容分布时的电容个数(例如，对于具有n个电极的电容传感器，

A_j-第j个像素的面积，A-测量管道的截面面积，f_j-第j个像素的灰度值，c_i-第i个测量电容的归一化值，由电容传感器测量得到，s_ij-第j个像素相对于第i个测量电容值的权重系数(即灵敏度)，具体数值通过有限元分析并辅助实际测量校正获得。

2、含油率测量模型

${\mathrm{\φ}}_o=\frac{{\mathrm{\ρ}}_l-{\mathrm{\ρ}}_w}{{\mathrm{\ρ}}_o-{\mathrm{\ρ}}_w}---\left(3\right)$

${\mathrm{\ρ}}_l=\frac{{\mathrm{\ρ}}_m-{\mathrm{\ρ}}_g{\mathrm{\φ}}_g}{1-{\mathrm{\φ}}_g}---\left(4\right)$

上述各式中，φ_o-低含气率原油的体积含油率，ρ_o、ρ_g、ρ_w-分别为温度T和压力P下纯原油、气、纯水的密度，ρ_l-液体的密度，ρ_m-低含气率原油的混合密度，由科氏质量流量计测量得到。

3、含水率测量模型

φ_w＝1-φ_o                         (5)

式中，φ_w-低含气率原油的体积含水率。

4、分相流量测量模型

$Q_v=\frac{Q_m}{{\mathrm{\ρ}}_m}---\left(6\right)$

Q_vg＝Q_vφ_g         (7)

Q_vo＝Q_vφ_o         (8)

Q_vw＝Q_vφ_w         (9)

Q_mg＝Q_vgρ_g        (10)

Q_mo＝Q_voρ_o        (11)

Q_mw＝Q_vwρ_w        (12)

上述各式中，Q_v-低含气率原油的体积流量，Q_m-低含气率原油的质量流量，由科氏质量流量计测量得到，Q_vg、Q_vo、Q_vw-分别为气、纯原油、纯水的体积流量，Q_mg、Q_mo、Q_mw-分别为气、纯原油、纯水的质量流量。

Claims (2)

1、一种低含气率原油测量装置，其特征在于：它具有计量管道(1)，在计量管道(1)上依次设有电容传感器(2)、混流器(3)、科氏质量流量计(4)、压力传感器(5)，A/D转换卡(6)与电容传感器(2)、科氏质量流量计(4)、压力传感器(5)相连，计算机(7)与A/D转换卡(6)相连。

2、一种权利要求1所述的低含气率原油测量装置所采用的测量方法，其特征在于，包括下列步骤：

(1)将管截面划分为N个像素，电容传感器测量管截面上的电容分布，并根据 $f_j=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{c}_i{s}_{\mathrm{ij}}/\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{s}_{\mathrm{ij}}$ 确定管截面上第j个像素的灰度值，式中，f_j-第j个像素的灰度值，N-电容传感器提供的测量一个管截面上电容分布时的电容个数(例如，对于具有n个电极的电容传感器， $N=\frac{n(n-1)}{2}),$ c_i-第i个测量电容的归一化值，由电容传感器测量得到，s_ij-第j个像素相对于第i个测量电容值的权重系数(即灵敏度)，具体数值通过有限元分析并辅助实际测量校正获得。然后，根据 ${\mathrm{\φ}}_g=[1-\left(\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{f}_j\frac{A_j}{A}\right)]\×100\%$ 计算低含气率原油的体积含气率，式中，φ_g-低含气率原油的体积含气率，A_j-第j个像素的面积，A上测量管道的截面面积。

(2)根据科氏质量流量计测得的温度T和压力传感器测得的压力P计算气体密度ρ_g，并根据 ${\mathrm{\ρ}}_i=\frac{{\mathrm{\ρ}}_m-{\mathrm{\ρ}}_g{\mathrm{\φ}}_g}{1-{\mathrm{\φ}}_g}$ 计算液体的密度，式中，ρ_l-液体的密度，ρ_m-低含气率原油的混合密度，由科氏质量流量计测量得到。然后，根据 ${\mathrm{\φ}}_o=\frac{{\mathrm{\ρ}}_i-{\mathrm{\ρ}}_w}{{\mathrm{\ρ}}_o-{\mathrm{\ρ}}_w}$ 计算体积含油率，根据φ_w＝1-φ_o计算体积含水率，式中，φ_o、φ_w-分别为低含气率原油的体积含油率和体积含水率，ρ_o、ρ_w-分别为温度T和压力P下纯原油、纯水的密度。

(3)根据 $Q_v=\frac{Q_m}{{\mathrm{\ρ}}_m}$ 计算低含气率原油的体积流量，式中，Q_v-低含气率原油的体积流量，Q_m-低含气率原油的质量流量，由科氏质量流量计测量得到。

(4)根据Q_vg＝Q_vφ_g、Q_vo＝Q_vφ_o、Q_vw＝Q_vφ_w分别计算气、纯原油、纯水的体积流量，根据Q_mg＝Q_vgρ_g、Q_mo＝Q_voρ_o、Q_mw＝Q_vwρ_w分别计算气、纯原油、纯水的质量流量。