专利名称：多相流计量方法及多相流质量流量计的制作方法
技术领域：
本发明属于油田中使用的多相流计量方法及多相流质量流量计，具体地 说，是测量油、水、气多相流的各相流量、含水率和气液比等参量的计量方 法及质量流量计。
背景技术：
目前，国内外大型石油公司和相关机构都致力于多相流计量方法和装置 的研究和应用。已开发出的商业化计量装置基本上可分为如下两大类
一类是对待测油、水、气多相流预先进行气液相分离，然后再对分离后的 气相和液相分别进行计量。这种计量原理简单，可达一定精度，已在油田得到
较广泛应用，例如美国专利US6， 338， 276Bl。由于气液相分离通常采用重 力分离法或旋流分离法，分离器结构十分庞大，且造价高、安装难度大。况且， 计量精度直接受到气液相分离效率以及气液相分别计量有效控制的制约，要继 续提高计量精度有较大的困难。
另一类是无需对气液相进行预先分离，而直接对多相流的参数进行计量。 由于待计量参数包括液质量流量/体积流量和含水率，以及气流量和气液比等 众多参数，往往需要在采用孔板(或Venturi)流量计的同时，还必须采用伽 马射线、微波或电容(对油包水成油连续相)/电导(对水包油成水连续相) 等计量方法对相比参数进行单独测量。这种方法可在线计量，精度较高，在石 油工业的计量检测中占有相当的份额，例如Framo Phase Watch VX或美国专 利US 6,935,189 B2。但由于这种计量结果直接受三相流的流型和流态的影响， 计量结果不易稳定，计量装置结构与原理十分复杂，价格昂贵，标定、安装与 维修相当麻烦。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多相流计量方法及多相流质量流量计，无需对 气、液相预先分离处理，也无需对相比参量用其它技术独立检测，可对各相流 量和相比的一次性同时计量，且流量计结构轻巧，精度较高，安装与维修方 便。
为了达到上述目的，本发明的技术方案如下
一种多相流计量方法，包括如下步骤在内直径为D的均匀直管内的三 相流体的流动方向上间隔设置两个内直径分别为dl和d2的孔板；检测两个孔 板处的压差dpp dp2;检测两孔板之间的液相流量Qu;根据以下公式计算含
水率WR,和气液比n1:
<formula>formula see original document page 5</formula>
其中G表示两个孔板对应压差比dp2/dpl和几何尺寸dl、 d2及均匀管直 径D的函数；系数a、 b、 c分别表示纯油、纯水、纯气态G值；其中的
<formula>formula see original document page 5</formula>
根据下式得到气、水、油三相的体积流量
<formula>formula see original document page 5</formula>
其中Q^为气相体积流量，Qw为水相体积流量，Q。,为油相体积流量。 本发明与现有相关技术相比，优点在于该计量方法既无需气液相预先分 离，也无需对三相流中的相比(如气液比和含水率等)另外添加专门技术单独 检测，方法简单，且精度高，重复性好，操作方便，易于推广应用。
相应地，对应上述计量方法的多相流质量流量计，包括两个孔板流量计，
安装在均匀直圆管内的两孔板处；超声多普勒流量计，安装在均匀直圆管上， 且位于所述两个孔板流量计之间；分别与两个孔板流量计对应的差压变送器， 安装在均匀直圆管内的两孔板处；以及在均匀直圆管的管壁上安装压力传感器
和温度传感器各一个。
本发明提供的多相流质量流量计主要部件是孔板流量计和超声多普勒流 量计，原理成熟，工艺规范，造价低廉。无需像其他多相流检测中需要采用价 格昂贵的伽马射线或其他电磁影象技术，或者采用分离器对气液相预先分离处 理。该装置精度高，重复性好，操作方便，易于安装与维修，在油田(特别是 对海上油田)的采油计量中更显示其独特的优越性，因为对于油田特别是海上 油田采油平台，计量装置的小型化和轻巧化是至关重要的。
优选地，该流量计还包括一个智能化二次仪表，接收来自差压变送器检测 的差压dpl、 dp2，超声多普勒流量计检测的流量QS，以及传感器所检测的压 力P和温度T，计算得到油水气三相流中各相的流量和相比。
优选地，该流量计还包括一个计量结果显示装置，与所述智能化二次仪表 相连，接收由智能化二次仪表计算得到的油水气三相流中各相的流量和相比数 据并显示。
图r是本发明的多相流质量流量计的结构示意图2是本发明的多相流质量流量计的原理示意图3是本发明的多相流质量流量计的工作流程示意图。
图中标号说明 10-均匀直圆管
1- 上游孔板流量计
11-第一检测孔板
2- 下游孔板流量计
21-第二检测孔板
3- 第一差压变送器
4- 第二差压变送器
5- 超声多普勒流量计
6- 压力传感器
7- 温度传感器
8- 二次仪表
9- 计量结果显示装置 X-流动方向
具体实施例方式
下面根据图1至图3，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述，使能 更好地理解本发明的功能、特点。
本发明的差压式多相流质量流量计的结构示意图表示在图1中，相应的原 理示意图表示在图2中。
本发明的差压式质量流量计，其特征是在一根内直径为D的圆管10内， 安装一定间距的两个孔板流量计1和2，其中上游孔板11的内直径为dl，下 游孔板21的内直径为d2。在孔板11和21之间安装超声多普勒流量计5。压 力及温度传感器6和7在同一管线上的安装位置可随意。
当油水气三相流体在圆管10内以箭头X所指方向流动，在孔板11处由 于管截面局部狭窄，产生压力降，经差压变送器3检测为压差dpl。同样，在 孔板21处，局部狭窄产生压力降经差压变送器4检测为压差dp2。与此同时， 超声多普勒流量计5将检测到相应流量Qs以及压力和温度传感器6和7将检 测到三相流的压力P和温度T，下面将给出如何通过上述直接检测的参数计算 三相流中的相比(含水率和气液比等)和各相流量的方法和相应数学表达式。
油水气三相流体经孔板11和21的质量流]
<formula>formula see original document page 7</formula>式中
4
Q,和^为孔板11和孔板21的流量系数， A和A为孔板11和21处的三相流体密度，
记
<formula>formula see original document page 7</formula>
(2)
由质:
:流量守恒知
Qm1=Qm2将式(1)代入上式，整体后得
G = ^ = A = ^ (3)式中
Q =^和込=^分别表示经孔板11和21的体积流量。 现在若以下标o、 w和g表示油、水和气，即
22=a2+ew2+&2 (4)
从孔板11到孔板21，三相流中油、水和气的体积流量之间分别成线性关
系，
由式(3)得
记经孔板11后的含水率WR,和气液比n,为
=gwl ， a = ggl (6)
则由式(5)进一步得
p &伞2a(l - ,0 + 6附,+ ,，、
1 + w，
显然上式中的系数a、 b和c可分别由纯油、纯水和纯气态的G值表示为
a=G
纯油态 b=G
纯水态
c=G
纯气态
另一方面，超声多普勒流量计检测体积流量(^与液相流量01,之间关系为
a-丄a, (8)
因而
^^-H (10)
a, 屯
联合关系式(7)和(9)，可确定气液比n,和含水率WR,分别用超声多普 勒流量计检测流量Q.,和不同相态所对应的G值表示出来。
特别地，对于纯液态(油水两相)流，Qgl=0，或气液比n产0，由式(7) 可直接得到含水率WR,用G值表出的关系式
G = ^^ = (6-fl)附,+a (11) 夂电
最后，由式(8)确定液相体积流量Qu后，气、水和油各相的体积流量 可分别表为<formula>formula see original document page 9</formula>图3给出差压式三相流质量流量计的工作流程示意图。将差压变送器3 和4检测的压差dp,和dp2以及超声多普勒流量计测得体积流量Ql (=sQs)， 输入智能化二次仪表8，由式(10)和(7)的相应软件可算得气液比m和含 水率WR1Q最后，由式(12)的相应软件可算得气、水、油各相流量。表示 图3中的传感器6和7检测压力P和温度T可对上述检测的气相流量变换为 标准状态下的气相流量。图3中的计量结果由显示装置9显示结果，包括相比 (含水率、气液比和各相流流量等)。
本发明与现有相关技术相比有如下优点
(1) 本发明提供的多相流质量流量计既无需气液相预先分离，也无需对 三相流中的相比(如气液比和含水率等)另外添加专门技术单独检测，结构简 单、轻巧，安装和维修方便。
(2) 本发明提供的多相流质量流量计主要部件是孔板流量计(2个)和 超声多普勒流量计，原理成熟，工艺规范，造价低廉。无需象其他多相流检测 中需要采用价格昂贵的伽马射线或其他电磁影象技术，或者采用分离器对气液 相预先分离处理。
(3) 本发明提供差压式质量流量计精度高，重复性好，操作方便，易于 推广应用。
(4) 本发明提供的多相流质量计在油田(特别是对海上油田)的采油计 量中更显示其独特的优越性，因为对于油田特别是海上油田采油平台，计量装 置的小型化和轻巧化是至关重要的。
前面提供了对较佳实施例的描述，以使本领域内的任何技术人员可使用或 利用本发明。对该较佳实施例，本领域内的技术人员在不脱离本发明原理的基 础上，可以作出各种修改或者变换。应当理解，这些修改或者变换都不脱离本 发明的保护范围。
权利要求
1、一种多相流计量方法，包括如下步骤在内直径为D的均匀直管内的三相流体的流动方向上间隔设置两个内直径分别为d1和d2的孔板；检测两个孔板处的压差dp1，dp2；检测两孔板之间的液相流量QL1；根据以下公式计算含水率WR1和气液比n1其中G表示两个孔板对应压差比dp2/dpl和几何尺寸d1、d2及均匀管直径D的函数；系数a、b、c分别表示纯油、纯水、纯气态G值；其中的根据下式得到气、水、油三相的体积流量Qg1＝n1QL1Qw1＝WR1·QL1Qo1＝(1-WR1)QL1其中Qg1为气相体积流量，Qw1为水相体积流量，Qo1为油相体积流量。
2、 如权利要求1所述的多相流计量方法，其特征在于，还包括检测管内 三相流体的压力P和温度T的步骤，并根据压力P和温度T，将算得的三相体 积流量变换为标准状态下的气相流量后显示。
3、 一种采用如权利要求1或2所述的多相流计量方法的多相流质量流量 计，包括两个孔板流量计，安装在均匀直圆管内的两孔板处； 超声多普勒流量计，安装在均匀直圆管上，且位于所述两个孔板流量计之间；分别与两个孔板流量计对应的差压变送器，安装在均匀直圆管内的两孔板处；以及在均匀直圆管的管壁上安装压力传感器和温度传感器各一个。
4、 如权利要求3所述的多相流质量流量计，其特征在于，该流量计还包 括一个智能化二次仪表，接收来自差压变送器检测的差压dpl、 dp2，超声多 普勒流量计检测的流量Qs，以及传感器所检测的压力P和温度T，计算得到 油水气三相流中各相的流量和相比。
5、 如权利要求4所述的多相流质量流量计，其特征在于，该流量计还包 括一个计量结果显示装置，与所述智能化二次仪表相连，接收由智能化二次仪 表计算得到的油水气三相流中各相的流量和相比数据并显示。
全文摘要
本发明公开了一种多相流计量方法及多相流质量流量计。由差压变送器检测的压差dp<sub>1</sub>和dp<sub>2</sub>，超声多普勒流量计测得体积流量Q<sub>L</sub>，输入智能化二次仪表8，以算得气液比n<sub>1</sub>和含水率WR<sub>1</sub>，以及气、水、油各相流量；对上述检测的气相流量变换为标准状态下的气相流量。本发明与现有相关技术相比，优点在于该计量方法既无需气液相预先分离，也无需对三相流中的相比(如气液比和含水率等)另外添加专门技术单独检测，方法简单，且精度高，重复性好，操作方便，易于推广应用。
文档编号G01F15/00GK101363745SQ20071004462
公开日2009年2月11日 申请日期2007年8月7日 优先权日2007年8月7日
发明者竹 柳, 柳兆荣 申请人:上海麦登电子设备有限公司