一種多相流計(jì)量系統(tǒng)及方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種多相流計(jì)量系統(tǒng)及方法，計(jì)量系統(tǒng)包括初級(jí)分離器、取樣器、取樣流體分離器、取樣流體流量計(jì)和液路流量計(jì)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的積極效果是：氣液等混合流體通過(guò)多相流分離器初步分離后，液相流量通過(guò)流量計(jì)進(jìn)行測(cè)量；經(jīng)過(guò)初步分離后的氣液混合流體通過(guò)取樣，然后對(duì)取樣的氣液混合流體進(jìn)一步分離后計(jì)量。通過(guò)對(duì)取樣流體流量的精確測(cè)量，以及取樣比例進(jìn)行換算，可以使用較小的分離器和流量計(jì)高精度測(cè)量流量較大的多相流體總體各相流量。試驗(yàn)數(shù)據(jù)證明取樣系數(shù)穩(wěn)定可靠，依據(jù)本發(fā)明的計(jì)量裝置相對(duì)傳統(tǒng)分離計(jì)量裝置體積大大縮小，成本大幅降低。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種多相流計(jì)量系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及流量測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于多相流體的分離取樣測(cè)量的系 統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 油氣田開(kāi)采集輸過(guò)程中涉及到大量氣液等混合多相流體的輸送計(jì)量。傳統(tǒng)計(jì)量?jī)x 表僅適用于單相流體測(cè)量，無(wú)法直接對(duì)多相流體進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量。目前對(duì)多相流體進(jìn)行計(jì)量 的成熟方法大都采用先對(duì)多相流體進(jìn)行分離，再單獨(dú)對(duì)分相采用傳統(tǒng)計(jì)量?jī)x表進(jìn)行測(cè)量的 方法進(jìn)行計(jì)量。這種方法需要配置巨大的分離器件，導(dǎo)致分離計(jì)量裝置龐大，費(fèi)用高昂。
[0003] 為節(jié)省資金，減小多相流裝置體積，通過(guò)對(duì)多相流體取樣，僅對(duì)取樣部分多相流體 進(jìn)行完全分離，然后采用傳統(tǒng)流量計(jì)進(jìn)行單相測(cè)量，并通過(guò)標(biāo)定的取樣比例系數(shù)換算得到 總體流量。由于僅對(duì)取樣部分流體進(jìn)行分離，分離器件可以大大縮小，總體裝置較小。但對(duì) 油氣田等復(fù)雜流體狀況下對(duì)多相流體的穩(wěn)定取樣是目前的技術(shù)難題，使其難以廣泛應(yīng)用在 多相流計(jì)量領(lǐng)域。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明提供了一種多相流計(jì)量系統(tǒng)及方法，可以在較 小的體積下實(shí)現(xiàn)較高的計(jì)量精度，提高了多相流體取樣的穩(wěn)定性及計(jì)量精度。
[0005] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:一種多相流計(jì)量系統(tǒng)，包括初級(jí)分離器、取樣器、取 樣流體分離器、取樣流體流量計(jì)和液路流量計(jì);其中，所述初級(jí)分離器的氣體出口與分流取 樣器的進(jìn)口連接;分流取樣器的取樣流體出口與取樣流體分離器的進(jìn)口連接;取樣流體分 離器的氣體出口與取樣流體流量計(jì)連接，取樣流體分離器的液體出口匯入初級(jí)分離器的液 體出口后與液路流量計(jì)連接;流經(jīng)取樣流體流量計(jì)的支路和流經(jīng)液路流量計(jì)的支路的流體 最終匯入主流路。
[0006] 本發(fā)明還提供了一種多相流計(jì)量方法，包括如下步驟：
[0007] 步驟一、采用初級(jí)分離器對(duì)多相流體進(jìn)行初級(jí)分離，得到氣相為主混合有霧狀液 滴的均相混合流體；
[0008] 步驟二、采用取樣器對(duì)初級(jí)分離后的氣相進(jìn)行取樣；
[0009] 步驟三、采用取樣流體分離器對(duì)取樣流體進(jìn)行高精度分離，得到滿足單相流量計(jì) 計(jì)量條件的氣相；
[0010] 步驟四、采用取樣流體流量計(jì)對(duì)步驟三分離后的氣相進(jìn)行計(jì)量得到取樣氣體流量 Qgs；
[0011] 步驟五、按如下公式計(jì)算多相流體中總氣體流量：
[0012] Qg = N*Qgs，其中N為取樣器的標(biāo)定比例系數(shù)；
[0013] 步驟六、采用液路流量計(jì)對(duì)步驟一和步驟三分離后的液相進(jìn)行計(jì)量。
[0014] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的積極效果是：
[0015] 氣液等混合流體通過(guò)多相流分離器初步分離后，液相流量通過(guò)流量計(jì)進(jìn)行測(cè)量； 經(jīng)過(guò)初步分離后的氣液混合流體通過(guò)取樣，然后對(duì)取樣的氣液混合流體進(jìn)一步分離后計(jì) 量;通過(guò)對(duì)取樣流體流量的精確測(cè)量，以及取樣比例進(jìn)行換算，可以使用較小的分離器和流 量計(jì)高精度測(cè)量流量較大的多相流體總體各相流量。試驗(yàn)數(shù)據(jù)證明取樣系數(shù)穩(wěn)定可靠，依 據(jù)本發(fā)明設(shè)計(jì)的計(jì)量裝置相對(duì)傳統(tǒng)分離計(jì)量裝置體積大大縮小，成本大幅降低。
【附圖說(shuō)明】
[0016] 本發(fā)明將通過(guò)例子并參照附圖的方式說(shuō)明，其中：
[0017] 圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)原理圖；
[0018] 圖2為本發(fā)明具體實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019] 圖3為取樣原理圖；
[0020] 圖4為取樣試驗(yàn)數(shù)據(jù)。
【具體實(shí)施方式】
[0021] -種多相流計(jì)量系統(tǒng)，如圖1所示，包括初級(jí)分離器1、取樣器2、取樣流體分離器3、 取樣流體流量計(jì)4、液路流量計(jì)5等，其中：
[0022] 所述初級(jí)分離器1的氣體出口與分流取樣器2的進(jìn)口連接;分流取樣器2的取樣流 體出口與取樣流體分離器3的進(jìn)口連接;取樣流體分離器3的氣體出口與取樣流體流量計(jì)4 連接，取樣流體分離器3的液體出口匯入初級(jí)分離器1的液體出口后與液路流量計(jì)5連接，流 經(jīng)分流取樣器2的支路、流經(jīng)取樣流體流量4的支路和流經(jīng)液路流量計(jì)5的支路匯入主流路。
[0023] 所述初級(jí)分離器1采用較小尺寸較低分離精度氣液分離器，氣液混合流體通過(guò)初 級(jí)分離器后，含霧狀液滴氣體向上流動(dòng)，液體流向下方；
[0024] 所述取樣器2按取樣比例及管道壓阻確定兩個(gè)回路取樣點(diǎn)入口通徑；
[0025] 所述取樣流體分離器3采用高分離精度氣液分離器，以提高分離效率，使取樣氣體 達(dá)到單相流量計(jì)計(jì)量條件；
[0026] 所述取樣流體流量計(jì)4采用通用單相氣體流量計(jì)；
[0027] 所述液路流量計(jì)5采用通用單相液體流量計(jì)。
[0028] 如圖2所示，所述初級(jí)分離器1、取樣器2、取樣流體分離器3集成在立式筒體6內(nèi)，使 得本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更緊湊，尺寸更小。
[0029] 本發(fā)明還提供了在一種多相流計(jì)量方法，包括如下步驟：
[0030] 步驟一、采用初級(jí)分離器1對(duì)多相流體進(jìn)行初級(jí)分離，得到以氣體為主的帶有少量 霧狀液體的氣相，使混合流體達(dá)到均相狀態(tài)；
[0031] 步驟二、采用取樣器2對(duì)初級(jí)分離后的氣相進(jìn)行取樣：
[0032] 專(zhuān)利98113068.2及98251787.4通過(guò)分配器內(nèi)通過(guò)若干均等的空間結(jié)構(gòu)分配成相 等的若干份兩相流體，然后取少份數(shù)空間內(nèi)的流體作為取樣流體進(jìn)行下一步的分離。
[0033] 本專(zhuān)利的取樣方式及原理不同于上述專(zhuān)利。通過(guò)后述的理論推導(dǎo)，可以得出結(jié)論： 在某種特定工況下，單一流體在管道流動(dòng)時(shí)，管道物理結(jié)構(gòu)不變，管道兩端的壓差與流速的 平方比為常數(shù)，與壓力及流量值無(wú)關(guān)。本專(zhuān)利利用此結(jié)論對(duì)流體進(jìn)行取樣。取樣管路和主管 路在取樣點(diǎn)和匯合點(diǎn)處壓力相同，其壓差相同，其流速比值也就為常數(shù)，對(duì)應(yīng)流量比值也為 常數(shù)。本專(zhuān)利通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)這個(gè)常數(shù)進(jìn)行確定，通過(guò)測(cè)量主路和取樣回路的流量比值， 計(jì)算出這個(gè)常數(shù)。則取樣的系數(shù)確定為此常數(shù)。不需要單獨(dú)設(shè)計(jì)若干均等空間結(jié)構(gòu)的分配 器。
[0034]上述方法僅對(duì)單一流體或者均相的多相流體成立，對(duì)多相流體進(jìn)行粗分離后得到 霧狀均相混合流體是利用本專(zhuān)利方法進(jìn)行取樣的必要步驟。
[0035]試驗(yàn)數(shù)據(jù)也證明該方法結(jié)論正確。
[0036] 理論推導(dǎo)：
[0037] 根據(jù)粘性流體流動(dòng)的伯努利方程
[0039] 若ul =u2，忽略高度勢(shì)能差，則入口與出口間壓差為損失水頭hw
[0040] hw=Ehf+Ehj
[0041] 損失水頭hw包括兩個(gè)部分，即沿程損失水頭和局部損失水頭
[0044] 當(dāng)Re很大時(shí)，對(duì)于同一管路可以推導(dǎo)結(jié)論
[0045] hw = kV2 k為壓阻系數(shù)，近似為常數(shù)。
[0046] 可見(jiàn)，當(dāng)Re較大時(shí)，單一流體取樣管路和主管路流量比例為常數(shù)。
[0047] 對(duì)主管路進(jìn)行取樣計(jì)量，如圖3所示，其流程如下： VI取樣管路流速 主管路流速 J1取樣管路截面積 42主管路截面積
[0048] Μ取樣管路壓阻系數(shù) 忽主管路壓阻系數(shù) Ρ1 入口壓力 Ρ2 出口壓力 (21取樣管路流量 Q2主管路流量
[0049] 由前述可以得到以下公式：
[0050] Qi = viAi
[0051 ] q2 = V2A2
[0052 ] P1-P2 = kivi2 = k2V22
[0053] 推導(dǎo)
[0055] 則取樣管路與主管路流量比值在雷諾數(shù)較大時(shí)為由物理結(jié)構(gòu)確定的近似常數(shù)，不 受流量及壓力改變而改變。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量標(biāo)定的方法可以確定取樣比值。
[0056] 對(duì)于氣液混合多相流體，由于取樣前經(jīng)過(guò)粗分離，可以認(rèn)為取樣流體為含有少量 霧狀液滴的均相混合流體，可以按照均相法進(jìn)行計(jì)算，得到與單一流體相同的結(jié)論。
[0057] 步驟三、采用取樣流體分離器3對(duì)取樣流體通過(guò)高分離精度分離器進(jìn)行高精度分 離，使得分離后的氣相滿足單相流量計(jì)計(jì)量條件；
[0058] 步驟四、采用取樣流體流量計(jì)4對(duì)步驟三分離后的氣相進(jìn)行計(jì)量得到取樣氣體流 量 Qgs;
[0059] 步驟五、按如下公式計(jì)算多相流體中總氣體流量：
[0000] Qg = N*Qgs，其中N為取樣器的標(biāo)定比例系數(shù)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量的方法確定；
[0061] 步驟六、采用液路流量計(jì)5對(duì)步驟一和步驟三分離后的液相進(jìn)行計(jì)量。
[0062] 本專(zhuān)利應(yīng)用于大流量多相流體計(jì)量時(shí)，由于初級(jí)分離精度要求低，遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)分 離器的氣液分離結(jié)構(gòu)可完成工作;取樣流體較少，可以利用較小分離器實(shí)現(xiàn)高精度分離。此 時(shí)取樣氣體可以使用傳統(tǒng)單相流量計(jì)進(jìn)行高精度測(cè)量，分離器和流量計(jì)尺寸和成本都可以 大幅縮減。
[0063] 圖4為一組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，水氣混合的多相流體通過(guò)本系統(tǒng)后，對(duì)取樣回路流體流量及 主路流體流量測(cè)量后進(jìn)行比較。試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，盡管多相流體的流量及液體比例不斷變化， 但其取樣比例保持穩(wěn)定。因此，決定了本發(fā)明取樣計(jì)量結(jié)果的精確性。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種多相流計(jì)量系統(tǒng)，其特征在于:包括初級(jí)分離器、取樣器、取樣流體分離器、取樣 流體流量計(jì)和液路流量計(jì);其中，所述初級(jí)分離器的氣體出口與分流取樣器的進(jìn)口連接;分 流取樣器的取樣流體出口與取樣流體分離器的進(jìn)口連接;取樣流體分離器的氣體出口與取 樣流體流量計(jì)連接，取樣流體分離器的液體出口匯入初級(jí)分離器的液體出口后與液路流量 計(jì)連接;流經(jīng)取樣流體流量計(jì)的支路和流經(jīng)液路流量計(jì)的支路的流體最終匯入主流路。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多相流計(jì)量系統(tǒng)，其特征在于:所述初級(jí)分離器、取樣器 和取樣流體分離器集成在立式筒體內(nèi)。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多相流計(jì)量系統(tǒng)，其特征在于:所述初級(jí)分離器為分離效 率小于96 %的低分離精度氣液分離器。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多相流計(jì)量系統(tǒng)，其特征在于:所述取樣流體分離器為分 離效率高于99%的高分離精度氣液分離器。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多相流計(jì)量系統(tǒng)，其特征在于:所述取樣流體流量計(jì)為單 相氣體流量計(jì)。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多相流計(jì)量系統(tǒng)，其特征在于:所述液路流量計(jì)為單相液 體流量計(jì)。7. -種多相流計(jì)量方法，其特征在于:包括如下步驟： 步驟一、采用初級(jí)分離器對(duì)多相流體進(jìn)行初級(jí)分離，得到氣相為主混合有霧狀液滴的 均相混合流體，體積含氣率>95% ; 步驟二、采用取樣器對(duì)初級(jí)分離后的氣相進(jìn)行取樣； 步驟三、采用取樣流體分離器對(duì)取樣流體進(jìn)行高精度分離，得到滿足單相流量計(jì)計(jì)量 條件的氣相； 步驟四、采用取樣流體流量計(jì)對(duì)步驟三分離后的氣相進(jìn)行計(jì)量得到取樣氣體流量Qgs; 步驟五、按如下公式計(jì)算多相流體中總氣體流量： Qg = N*Qgs，其中N為取樣器的標(biāo)定比例系數(shù)； 步驟六、采用液路流量計(jì)對(duì)步驟一和步驟三分離后的液相進(jìn)行計(jì)量。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種多相流計(jì)量方法，其特征在于:氣液混合流體經(jīng)過(guò)步驟一 的初級(jí)分離后，氣相為主混合有霧狀液滴的均相混合流體向上流動(dòng)，液體流向下方。9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種多相流計(jì)量方法，其特征在于:所述取樣器的標(biāo)定比例系 數(shù)N按如下方法計(jì)算： Qi = ViAi Q2 = V2A2 P「P? = kivi2 =k?v?2 5：干：vi、v2分別73耿砰官跟和主管路的流速，Al、A2分別為取樣管路和主管路的截面 積，kl、k2分別為取樣管路和主管路壓阻系數(shù)，P1、P2分別為入口和出口的壓力，Q1、Q2分別 為取樣管路和主管路的流量10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種多相流計(jì)量方法，其特征在于:所述取樣器的標(biāo)定比例 系數(shù)N通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量的方法確定。
【文檔編號(hào)】G01F7/00GK106017588SQ201610533555
【公開(kāi)日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年7月8日
【發(fā)明人】黃林川, 陳彰兵, 黃和, 賈曉林, 陳宇波, 昝林峰, 肖靜, 關(guān)越, 黃翼翔, 劉俊, 郭艷林, 胡倩, 楊勇
【申請(qǐng)人】成都匯川新能科技有限公司, 中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司