CN105675070A - 异型文丘里流量计和用其测量多相流中气液相流量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种异型文丘里流量计，包括文丘里管和至少3个压力探头，所述文丘里管由依次相连的前直管段、收缩段、喉部段、扩张段和后直管段构成，前直管段和后直管段的内径为D，喉部段的内径为d，收缩段和扩张端均呈锥形，文丘里管的结构参数β=d/D=0.45-0.75，喉部段长度为2d-8d，收缩段锥度10.5°，扩张段锥度7.5°。本发明还涉及使用该异型文丘里流量计测量湿气中气相流量和液相流量的方法。该异型文丘里流量计尤其适合于井下湿气流量的测量，特别是在关联油气***工运移开发过程中用于实时监测连通主气藏与关联气藏的地下连通井内的气、液两相各自的流量。

Description

异型文丘里流量计和用其测量多相流中气液相流量的方法

技术领域

本发明涉及湿气计量设备和计量方法领域，尤其是一种异型文丘里流量计和用其测量多相流中气液相流量的方法。

背景技术

在多相流计量领域涉及的一些基础概念如下：“总质量流量”是指单位时间内流量测量段管道截面的气相和液相的质量之和。“气质量流量”是指单位时间内流过测量段管道截面的气相的质量。“液质量流量”是指单位时间内流过测量段管道截面的液相的质量。“滑移比”指气相流体的速度和液相的流体速度之比，用S表示。“前差压”是指文丘里喉部上游的直管段取压点与喉部取压点之间的压力差。“后差压”是指文丘里喉部下游的直管段取压点与喉部取压点之间的压力差。“干度”是指湿气中气相的质量流量与气液总质量流量的比。“质量含液率”是指液相质量流量占总质量流量的百分比，数值上与干度的和为1。

文丘里流量计是最常规的一类流体流量计量设备，其利用文丘里管上游与文丘里管喉部处的压差（即所谓的文丘里效应）来测量流体流量，但常规文丘里流量计只能测量流体总流量。天然气开采过程中，从地下采出的天然气往往是包含气、液两相的湿气，为了生产管理，需要对气液两相各自的流量进行准确计量。因此，传统的文丘里流量计并不能完成在线测量湿气气液两相各自流量的作用。

一种解决方法是使用相分率计与传统文丘里流量计组合使用，靠传统文丘里流量计测量气液两相总流量，靠相分率计在线测量气液相分率，然后计算气液两相各自的流量。这样的相分率计例如伽马射线相分率计，但使用相分率计要引入放射源，石油生产商对此有所顾虑。另外，使用相分率计会增加流量计量设备的体积，在某些苛刻、恶劣测量条件下，例如在井下测量的情况下，需要将流量计安装在空间很有限的地下井筒内，体积过大的流量计将无法深入到地下井筒中。

一种改进的做法同时测量文丘里管的前后两个差压值，并基于以下假定的理论模型来计算，即假定前后差压只跟2个参数有关，这2个参数分别反映流体的气质量流量和干度（质量含气率）。通过实验数据拟合前后差压与这2个参数的关系，并联立求解，即可求的测量条件下的气液质量流量。但事实上，影响前后差压的因素很多，上述假定与真实情况相差较多，致使测量结果准确度很低，最重要的是这种方法的普适性较差，当井况和介质性质发生变化时，测量精度会大打折扣。

现有技术认为，文丘里管的前差压和后差压的值同时受流体性质、工况条件和文丘里结构三大方面的影响。目前使用双差压文丘里测量湿气两相流的方法主要有两种。一种方法认为文丘里前后差压的大小只跟气液相的质量流量（具体表现为气相质量流量与干度，液相质量流量与干度，或总质量流量与干度的参数组合）以及喉部压力有关，而前后差压对这些参数组合（如气相质量流量、干度、压力组合；液相质量流量、干度、喉部压力组合；总质量流量、干度、喉部压力组合）的反映不一样。通过拟合前后差压与上述参数组合的函数关系，联立方程组求解可以得到气液相的质量流量。另一种方法认为湿气流过文丘里时，由于液相引入，使得文丘里收缩段差压高于纯干气流过时产生的差压，从而导致气相的高估，即所谓的“虚高”。通过前后差压建立一定的“虚高”模型，采用迭代求解的方法得到气液质量流量。需要说明的是该“虚高”模型的表达式也是通过实验室数据拟合得到的。由于不同气井的流体性质和工况条件都有所不同，采用实验室数据拟合方法得到的表达式普适性很差，但是如果采用现场介质和现场工况来拟合，又受到现场条件限制（无参照标准）几乎是无法实现的。因此这两种方法在普适性上存在较大的问题。

因此，人们希望能开发不使用相分率计也能在线测量多相流中气液两相各自流量的设备，且越小巧越好，便于在例如空间很有限的井下使用，并希望有更准确的计算方法来计算气液两相流量。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提供一种结构简单、体积小、适用于井下使用的异型文丘里流量计。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种异型文丘里流量计，包括文丘里管和压力监测器，其特征在于：所述文丘里管由依次相连的前直管段、收缩段、喉部段、扩张段和后直管段构成，前直管段和后直管段的内径为D，喉部段的内径为d，收缩段和扩张端均呈锥形，文丘里管的结构参数β=d/D=0.45-0.75，喉部段长度为2d-8d，收缩段锥度为10.5°，扩张段锥度为7.5°。

进一步地，所述压力监测器为至少3个压力探头或者至少2个压差传感器。

具体的，所述压力监测器可以为3个压力探头，分别为第一压力探头、第二压力探头和第三压力探头，第一压力探头置于前直管段上距离收缩段入口1D距离处，第二压力探头置于喉部段上距离收缩段出口1d距离处，第三压力探头置于后直管段上距离扩张段出口6D距离处，其中第一压力探头与第二压力探头之间的压差为前差压ΔP1，第二压力探头与第三压力探头之间的差压为后差压ΔP2。

所述压力监测器也可以为2个压差传感器，分别为第一压差传感器和第二压差传感器，第一压差传感器用于测量前直管段上距离收缩段入口1D距离处与喉部段上距离收缩段出口1d距离处的压差，为前差压ΔP1，第二压差传感器用于测量喉部段上距离收缩段出口1d距离处与后直管段上距离扩张段出口6D距离处的压差，为后差压ΔP2。

进一步地，所述异型文丘里流量计还包含温度探头，该温度探头用于测量介质温度。

本发明还提供一种测量多相流中气相质量流量和液相质量流量的方法，其使用上述结构的异型文丘里流量计，并根据以下公式来计算气相质量流量Q_g和总质量流量Q_m：

其中，分别是前差压值和后差压值；D为前直管段直径，β为喉部段直径d与前直管段直径D之比，即β=d/D；为热膨胀系数；分别为工况下气相密度和液相密度，由气相和液相各自的标况密度值经PVT换算到工况下而得到，作为常数使用；分别为收缩段和扩张段的流出系数，通过实验标定的方法来获得其关于雷诺数Re的表达式，上述方程组中未知数只有四个，分别是气相质量流量，总质量流量，工况混和密度，干度x，联立求解上面四个等式组成的方程组即可得到气相质量流量Q_g和总质量流量Q_m，进而得到液相质量流量Q_l=Q_m-Q_g。

本发明的有益效果是：结构简单，改变常规文丘里管的上下游对称式结构设计，采用上述结构的文丘里管，可以使得后差压不随质量含液率的变化而变化，给测量和模型计算带来了极大的便利性，也大大提高了测量准确度。

具体的优点如下：a.无需使用相分率计，仅仅靠独特设计的文丘里管结构以及独特设计的前后差压取压点位置的选取，就能在线实时测量气液两相流体各自的流量。b.体积非常小巧，适合于在诸如井下的狭窄空间内使用。c.流量算法独特而简单。d.由于模型中不含拟合公式，大大提高了模型的普适性。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

图1是本发明的异型文丘里流量计的结构示意图。

图2是使用本发明的异型文丘里流量计测得的前后差压随干度的变化图。

图3是本发明的异型文丘里流量计测量不同干度和不同气体质量流量下的湿气时的后差压与干度的关系图。

具体实施方式

如图1所示，本发明一种异型文丘里流量计，包括文丘里管和压力监测器，其中，文丘里管由依次相连的前直管段1、收缩段2、喉部段3、扩张段4和后直管段5构成，前直管段1和后直管段5的内径为D，喉部段3的内径为d，收缩段2和扩张端4均呈锥形，文丘里管的结构参数β=d/D=0.45-0.75，喉部段3长度为2d-8d，收缩段2锥度为10.5°，扩张段4锥度为7.5°。

进一步地，上述压力监测器为至少3个压力探头或者2个压差传感器。本实施例图1所示为压力监测器为3个压力探头的方案，3个压力探头分别为第一压力探头P1、第二压力探头P2和第三压力探头P3，第一压力探头置于前直管段上距离收缩段入口1D距离处，第二压力探头置于喉部段上距离收缩段出口1d距离处，第三压力探头置于后直管段上距离扩张段出口6D距离处，其中第一压力探头与第二压力探头之间的压差为前差压ΔP1，第二压力探头与第三压力探头之间的差压为后差压ΔP2。

当然，上述压力监测器也可以为2个压差传感器的方案，2个压差传感器分别为第一压差传感器和第二压差传感器，第一压差传感器用于测量前直管段上距离收缩段入口1D距离处与喉部段上距离收缩段出口1d距离处的压差，为前差压ΔP1，第二压差传感器用于测量喉部段上距离收缩段出口1d距离处与后直管段上距离扩张段出口6D距离处的压差，为后差压ΔP2。

进一步地，所述异型文丘里流量计还包含温度探头，该温度探头用于测量介质温度，

本发明还提供一种测量多相流中气相质量流量和液相质量流量的方法，其使用上述结构的异型文丘里流量计，并根据以下公式来计算气相质量流量Q_g和总质量流量Q_m：

其中，分别是前差压值和后差压值；D为前直管段直径，β为喉部段直径d与前直管段直径D之比，即β=d/D；为热膨胀系数；分别为工况下气相密度和液相密度，由气相和液相各自的标况密度值经PVT换算到工况下而得到，作为常数使用；分别为收缩段和扩张段的流出系数，通过实验标定的方法来获得其关于雷诺数Re的表达式，上述方程组中未知数只有四个，分别是气相质量流量，总质量流量，工况混和密度，干度x，联立求解上面四个等式组成的方程组即可得到气相质量流量Q_g和总质量流量Q_m，进而得到液相质量流量Q_l=Q_m-Q_g。

下面详细介绍如何利用本发明的异型文丘里管所测得的数据进行流量计算。

首先，进行该异型文丘里流量计的标定，以标定出收缩段和扩张段的流出系数C1和C2，具体标定方法是使用标准环路数据（已知气相质量流量Qg、液相质量流量Q_l、干度x、介质性质等参数），结合本发明的异型文丘里流量计所测得的前后差压值ΔP1和ΔP2，以及其他基础数据D，β，ρ_g和ρ_l，代入上述方程组中计算得到C1和C2值，再结合标准环线计算得到的雷诺数使用线性回归或非线性回归的方法拟合得到C1、C2关于雷诺数Re的表达式。标定后，计算模型将根据实际介质条件（粘度）和工况条件（如介质流速、文丘里尺寸）实时计算收缩段和扩张段的流出系数C1和C2.由于此处的拟合综合考虑了介质条件和工况参数，使得拟合公式具有非常高的普适性。这种方法对不同井况的适应性已经得到现场多年的验证。

然后，就可以使用该异型文丘里流量计进行测量了。测量中直接给出的数据是流体温度T、压力P、前后差压值ΔP1和ΔP2，而测量条件下的气液工况密度ρ_g和ρ_l可通过各自的标况密度值经过PVT换算而得到。将上述已知量和D、β、ε和C1和C2各参数代入如本发明第二方面所述的方程组中，联立求解即可得到四个未知量气相流量Q_g，总流量Q_m、干度x和混合密度ρ_m，则液相流量Q_l=Q_m-Q_g，求解过程简单快捷。

下面通过一组数据来说明本发明的异型文丘里管的测量精度。

根据所述方法，以南海某气田的介质和工况条件进行了CFD模拟。模拟输入条件如下：

实验中使用的文丘里管的前直管段内径D=63mm，文丘里喉部直径35mm，收缩段锥度10.5度，后端角度7.5度，取压点分别在文丘里收缩段之前1D处，喉部1d处，及文丘里扩张段出口后6D处。

1.网格化：为计算的准确性，分为约815万网格。

2.计算设置条件：气密度：176.7kg/m³；液密度：921.8kg/m³；气体粘度：0.0244cP；液体粘度：3.9202cP；出口压力设置20Mpa；计算步长1000步。

模拟矩阵（设计实验点）

实验结果

注：上表中干度（GMF）为1的即为纯干气时的差压。

在实际测试中，流量计测得的后差压为湿气流过时的，将这个差压计算得出的湿气的量近似认为是纯干气的量。根据之前所述，在特定文丘里结构下，湿气中的液量对后差压影响有限，这个差压可以近似认为是纯干气流过文丘里时产生的差压。为了评估这种近似计算的精度，对模拟数据进行如下分析：

根据文丘里计算公式，流过文丘里的介质的流量与文丘里产生的差压的平方根成正比，由此可以粗略分析这种近似计算对气量测量产生的影响。其误差可以用下式表示：

式中为后差压，为纯干气流过文丘里时产生的后差压。对模拟数据按照上式进行计算，得到误差范围如下表所示：

从上述数据可见，在本发明的特定结构的异型文丘里流量计下，确实能做到后差压与质量持液率基本无关，这样就可以用本发明所述的算法来计算气相和液相各自的质量流量。

最后应当说明的是，以上内容仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，本领域的普通技术人员对本发明的技术方案进行的简单修改或者等同替换，均不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (7)

1.一种异型文丘里流量计，包括文丘里管和压力监测器，其特征在于：所述文丘里管由依次相连的前直管段、收缩段、喉部段、扩张段和后直管段构成，前直管段和后直管段的内径为D，喉部段的内径为d，收缩段和扩张端均呈锥形，文丘里管的结构参数β=d/D=0.45-0.75，喉部段长度为2d-8d。

2.根据权利要求1所述的异型文丘里流量计，其特征在于：所述收缩段锥度10.5°，扩张段锥度7.5°。

3.根据权利要求1所述的异型文丘里流量计，其特征在于：所述压力监测器为至少3个压力探头或者至少2个压差传感器。

4.根据权利要求3所述的异型文丘里流量计，其特征在于：所述压力监测器为3个压力探头，分别为第一压力探头、第二压力探头和第三压力探头，第一压力探头置于前直管段上距离收缩段入口1D距离处，第二压力探头置于喉部段上距离收缩段出口1d距离处，第三压力探头置于后直管段上距离扩张段出口6D距离处，其中第一压力探头与第二压力探头之间的压差为前差压ΔP1，第二压力探头与第三压力探头之间的差压为后差压ΔP2。

5.根据权利要求3所述的异型文丘里流量计，其特征在于：所述压力监测器为2个压差传感器，分别为第一压差传感器和第二压差传感器，第一压差传感器用于测量前直管段上距离收缩段入口1D距离处与喉部段上距离收缩段出口1d距离处的压差，为前差压ΔP1，第二压差传感器用于测量喉部段上距离收缩段出口1d距离处与后直管段上距离扩张段出口6D距离处的压差，为后差压ΔP2。

6.根据权利要求1-5任一项权利要求所述的异型文丘里流量计，其特征在于：所述异型文丘里流量计还包含温度探头，该温度探头用于测量介质温度。

7.一种测量多相流中气相质量流量和液相质量流量的方法，其使用如权利要求4或5所述的异型文丘里流量计，并根据以下公式来计算气相质量流量Q_g和总质量流量Q_m：

其中，分别是前差压值和后差压值；D为前直管段直径，β为喉部段直径d与前直管段直径D之比，即β=d/D；为热膨胀系数；分别为工况下气相密度和液相密度，由气相和液相各自的标况密度值经PVT换算到工况下而得到，作为常数使用；分别为收缩段和扩张段的流出系数，通过实验标定的方法来获得其关于雷诺数Re的表达式，上述方程组中未知数只有四个，分别是气相质量流量，总质量流量，工况混和密度，干度x，联立求解上面四个等式组成的方程组即可得到气相质量流量Q_g和总质量流量Q_m，进而得到液相质量流量Q_l=Q_m-Q_g。