一種正排量型多相流質量流量計的製作方法

2023-09-15 07:50:25

本發明屬於多相流質量流量計量領域。具體地，本發明涉及一種正排量型多相流質量流量計和使用該流量計測量多相流中油、氣、水三相各自質量流量的測量方法。

背景技術：

油氣工業中，油氣井產物同時包含液相原油和水，氣相天然氣的氣液混合流體，業內稱之為多相流。其中所述氣相包括例如油氣井所產天然氣或任何在常溫下不凝的氣體，具體地有如甲烷、乙烷、丙烷、丁烷等；所述液相可包括：油相，例如原油本身以及在原油開採過程中溶解在原油中的液體添加劑，以及水相，例如地層水、開採過程中注入油氣井中的水以及溶解在水相中的其它液體添加劑。

現有技術中用於測量多相流中氣液兩相各自流量的一種方法是文丘裡流量計+伽馬射線法，其原理是利用文丘裡管測量多相流的總流量，並用伽馬射線探測器測量氣液兩相各自的相分率，然後用總流量乘以氣液兩相各自的相分率，得到氣液兩相各自的流量。但由於文丘裡為動量型流量計，這樣的多相流量計往往流量下限較高，不能計量較低產量的油氣井，尤其是對於時斷時續的間歇型多相流來說，該方法則完全不能適用，無法準確計量間歇型多相流的流量。

油田用戶更希望獲得多相流中油、氣、水各相的質量流量，且也希望能有不同於基於文丘裡多相流量計量程比的間歇型多相流的計量設備和方法。

本發明提供了一種正排量型多相流質量流量計。

技術實現要素：

本發明的第一方面提供了一種正排量型多相流質量流量計，其包括以下構件：伽馬射線質量相分率計1，其位於多相流輸送主管線2上；

分流切換閥3，所述多相流輸送主管線經其分為兩個分支管線；

兩個全同並聯的多相流體質量測量容器4，各自位於每一分支管線下遊，且在每一分支管線和測量容器之間設有氣液分離器5，每一測量容器上安裝有一個差壓傳感器6，每個差壓傳感器都有一個引壓口位於容器底，每一測量容器頂部具有氣體出口管線7，底部具有排放出口管線8和排放切換閥9；所述氣體出口管線和排放出口管線在測量容器外匯合成多相流輸送主管線；

所述分流切換閥3或排放切換閥9上具有計數器，用於對測量容器排空液體的次數進行計數。

其中，所述伽馬射線質量相分率計包括伽馬射線發射器和伽馬射線接收器，其布置方式使得伽馬射線發射器發出的伽馬射線沿多相流輸送主管線直徑方向穿過到達所述伽馬射線接收器，所述伽馬射線發射器中的放射源為雙能放射源或多能放射源，如鋇-133/Ba-133。

其中，兩個並聯的多相流質量測量容器中的差壓傳感器彼此布置方式完全相同。

優選地，所述氣液分離器5為氣液碰撞分離裝置。當然也可以使用其他類型的氣液分離裝置，例如氣液旋流分離器等。

本發明的第二方面涉及一種測量多相流中油、氣、水三相各自流量的測量方法，其使用本發明第一方面所述的正排量型多相流質量流量計，該方法包括以下步驟：

a)使多相流流過所述正排量型多相流質量流量計，其中在伽馬射線質量相分率計處測量該多相流的質量含油率OMF，質量含水率WMF和質量含氣率GMF，並通過分流切換閥的切換動作使得該多相流每次只能沿著某一分支管線行進，並經氣液分離器分離為氣相和液相，液相落入某一測量容器內，氣相從該測量容器的氣體出口管線排走；

b)使所述液相在該某一測量容器內累積，並使用所述差壓傳感器監測測量容器內的差壓ΔP,當該壓差達到某一設定壓差閾值時，啟動與該測量容器對應的排放切換閥開始排空該測量容器內的液體，該設定壓差閾值對應於固定的液體排放質量，與此同時，分流切換閥進行切換操作，使得多相流沿另一分支管線行進，並經氣液分離器分離為氣相和液相，液相落入該另一測量容器內，氣相從該另一測量容器的氣體出口管線排走；同時使得所述分流切換閥或排放切換閥上的計數器增加一個計數；

c)在一段時間內重複所述步驟b,並用所述計數器計算排放次數，再乘以每次固定排放的液體質量，由此得到該段時間內的液體質量流量Ql；

d)根據液體質量流量Ql和所述氣相質量相分率GMF、質量含水率WMF和質量含油率OMF，推算多相流總質量流量Qm、氣體質量流量Qg、油相質量流量Qo和水相質量流量Qw，其中Qm＝Ql/(1-GMF)，Qg＝Ql*GMF/(1-GMF)，Qw＝Qm*WMF，Qo＝Qm*OMF。

本發明的優點如下：

1、本發明實現了多相流質量流量的簡便測量。

2、本發明可避免使用文丘裡流量計，提供了測量低產油氣井多相流中油、氣、水三相各相質量流量的計量設備和方法，尤其適合於時斷時續的間歇型多相流的測量。

附圖說明

圖1是本發明的正排量型多相流質量流量計的示意圖。

圖中，附圖標記含義如下：

1、伽馬射線質量相分率計；2、多相流輸送主管線；3、分流切換閥；4、測量容器；5、氣液分離器；6、差壓傳感器；7、氣體出口管線；8、排放出口管線；9、排放切換閥。

以上附圖僅用於示例性地說明本發明的技術構思和技術方案，而不以任何方式限制本發明。

具體實施方式

下面首先給出各術語定義，然後結合附圖來描述使用本發明的正排量型質量流量計測量多相流中油、氣、水三相各自質量流量的測量方法。

「質量流量」是指單位時間內流過的流體的質量，在SI單位制中，其量綱可以為kg/s。

「質量相分率」是指多相流中各相所佔的質量百分比，且滿足以下條件：OMF+WMF+GMF＝1，其中OMF表示質量含油率，WMF表示質量含水率，GMF表示質量含氣率。

「伽馬射線質量相分率計」是本領域已知的設備，包含伽馬發射器、接收器、運算模塊和顯示/輸出的組合結構，其中伽馬射線發射器中的放射源可為雙能放射源(放出兩種能量的伽馬射線)或多能放射源(放出三種以上能量的伽馬射線)。由於伽馬射線透過物質時強度衰減與物質密度之間存在定量規律，通過伽馬射線初始值和穿過被測物後的強度值，並且根據事先標定的純油密度、純水密度和純氣密度、純油質量吸收係數、純水質量吸收係數、純氣質量吸收係數，就可以唯一確定被測多相流的油、氣、水各相質量相分率。具體過程如下，伽馬射線發射器發出伽馬射線，其初始強度為N0，經過多相流吸收後，到達伽馬射線接收器，檢測到透射後的強度Nx，且二者之間存在公式

Nxl＝N0l*exp(-μl*X)----(1)

Nxh＝N0h*exp(-μh*X)----(2)

其中下標l代表較低能量的伽馬射線，h代表較高能量的伽馬射線；μ為被測物的線性質量吸收係數，X為伽馬射線沿被測物的透射距離，即為管道直徑D。其中線性質量吸收係數μ又與純氣相的線性質量吸收係數μg(可事先經分離後對純氣相進行標定得到)、純油相的線性質量吸收係數μo(可事先經分離後對純油相進行標定得到)和純水相的線性質量吸收係數μw(可事先經分離後對純水相進行標定得到)存在以下關係：

μl＝OMF*μol+WMF*μwl+GMF*μgl，

μh＝OMF*μoh+WMF*μwh+GMF*μgh，

其中OMF、WMF和GMF分別為油、氣、水三相的線性質量相分率，且根據質量相分率的定義，又存在以下約束：

GMF+OMF+WMF＝1----(3)

上述三個方程中，μgl、μgh、μol、μoh、μwl和μwh為已知值，X為管道直徑，也是已知值，Nx是測量值，而N0雖然理論上是伽馬射線「初始強度」，但實際上一般使用「空管計數值」來代替它，即管道內沒有任何多相流體時由伽馬射線接收器測得的透射強度值，將此視為伽馬射線「初始強度」，也為已知值。由此，上述方程中僅有OMF、WMF和GMF三個未知數，故可通過聯立求解上述方程(1)(2)(3)就可以求解出OMF、WMF和GMF，又假設多相流油、氣、水三相是均勻混合的，則此線性質量相分率可認為是總質量相分率，進而推算出油、氣、水三相各自的質量相分率。

多相流流經輸送主管線2時，靠伽馬射線質量相分率計1來測量多相流中的液體質量相分率OMF、WMF和GMF，然後該多相流流經所述分流切換閥3並通過分流切換閥的切換動作使得該多相流每次只能沿著某一分支管線行進，並經氣液分離器5分離為氣相和液相，液相落入某一測量容器4內，氣相從該測量容器的氣體出口管線7排走；使所述液相在該某一測量容器內累積，並使用所述差壓傳感器監測測量容器內的壓差ΔP,其中差壓傳感器的一個測壓探頭位於容器底，另一個測壓探頭位於容器頂部或者位於容器體上部(確保使之位於液面之上即可)。隨著流體的累積，測量的差壓與容器內累積的液體質量成正比，當該差壓達到某一設定壓差閾值(即排液質量閾值)時，啟動與該測量容器對應的排放切換閥9開始排空液體，與此同時，分流切換閥3進行切換操作，使得多相流沿另一分支管線行進，並經氣液分離器5分離為氣相和液相，液相落入該另一測量容器內4，氣相從該另一測量容器的氣體出口管線7排走；同時使得所述分流切換閥或排放切換閥上的計數器增加一個計數。在一段時間內重複所述步驟b,並用所述計數計算排放次數，再乘以每次固定排放的液體質量，由此得到該段時間內的液體質量流量Ql。根據液體質量流量Ql和所述氣相質量相分率GMF、質量含水率WMF和質量含油率OMF，推算多相流總質量流量Qm、氣體質量流量Qg、油相質量流量Qo和水相質量流量Qw，其中Qm＝Ql/(1-GMF)，Q g＝Ql*GMF/(1-GMF)，Qw＝Qm*WMF，Qo＝Qm*OMF。。