一种组合式多相流流体测量系统的制作方法

本发明涉及一种组合式多相流流体测量系统。

背景技术：

自二十世纪八十年代早期，如何计量油水气三相流混合物已成为石油工业感兴趣的问题。油气水多相流中的油相是指油井产出液中的液烃相，气相是指天然气、轻烃、非轻烃气体，水相主要是指矿化水，同时还有极少量的固相(砂、蜡和水合物等)。多相流测量在石油生产、输送过程中具有重要意义。

为了实现最佳化的油田/气田生产能力和寿命，操作者需要能够定期监测油田中每一口井的输出，从而进行最优化生产操作。石油工业对储油层的最优化生产操作依赖于油井流出液的流量和组分(各相的比例)的参数获取。然而，如何测量石油流出液流量和组分的问题是复杂的，这是由于石油流出液通常由三相(油相，气相和水相)组成，并且由于流量、流体摩擦力、压力、上游管的几何形状等因素造成采出液的流动状态发生改变，包括某些极不均匀和不稳定特性的状况，在流动的方向上和垂直于流动的方向上，流体混合物中各相比例可能会有相当大的变化，这种对于测量带来了极大的挑战。

传统的流量计量方式是使用计量分离器，计量分离器昂贵，占用较大空间，该区块的众多油/气井的产量只能定期轮流进行计量，不能用于单井连续的监测，对于指导优化生产操作，提高油井寿命效果微弱。

为了解决传统分离器计量带来的问题，在上世纪八十年代，油田现场工程师提出了多相流量计(multi-phaseflowmeter,简称mpfm)的概念。多相流量计按照工作原理可分为两大类：基于预分离的流量计和无需任何预处理的流量计。

基于预分离的流量计尺寸仍然较大，结构复杂，分离后大多采用传统单相流量表进行计量方式，存在分离不完全时单相流量表计量误差大的问题，计量效率低，如专利202252857u中提出，通过对多相流体进行混合和加速，形成对称的环状流后，再对其进行两级分流：将环状流分成十六个对称分布的独立流道，取其中间隔均匀的四股为一路，然后再分离、分别计量的方法。由于其技术的核心还是分离计量，因此存在结构复杂压损较大以及计量效率有限等弱点。

无需任何预处理的流量计是在不作任何分离的情况下直接在线测量，实现油、气、水多相流量计量，具有线实时检测、体积小等优点，是多相流量计发展的主要方向。

目前具有成熟的不分离的多相流量计的国内外公司主要有艾默生、海默、联恒星科技等。其中艾默生、海默都使用了gamma射线用于油-气-水多相的含水率分析，结合文丘里管、v锥、孔板等节流装置进行气液流量计量。如专利103076057b中提出一种通过x射线的衰减信息对油-气-水多相进行含水率分析的计量方法。该方法虽可对多相流中的液相有较高的识别率，但其缺陷在于所使用的放射性方案是存在较大的安全隐患，在我国的工业界还鲜有运用。

技术实现要素：

为解决上述背景技术中存在的问题，本发明提出一种组合式多相流流体测量系统，该测量系统将电磁层析成像技术、微波检测技术与文丘里相结合，利用各传感器的信号联合对多相流量和含水率进行求解；整个测量系统无侵入管道内部的零部件，无放射源，具有实现安全环保，非侵入非接触式，不影响流型，不受结垢影响的特点。

本发明解决上述问题的技术方案是：一种组合式多相流流体测量系统，其特殊之处在于:

包括文丘里和微波传感器一体化模块、电磁层析成像模块和数据采集与处理模块；

所述文丘里和微波传感器一体化模块包括文丘里部分和微波传感器部分；

所述文丘里部分包括文丘里管，以及，设置在文丘里管上的取压模块、压力感应模块和温度感应模块；文丘里管包括上游管路、收缩段、喉部、扩张段以及下游管路；

所述电磁层析成像模块位于文丘里管的喉部，靠近上游管路的位置；微波传感器模块设置在文丘里管的喉部，靠近下游管路的位置；

数据采集与处理模块与取压模块、压力感应模块、温度感应模块、电磁层析成像模块、微波传感器模块电连接，用于采集并处理各功能模块的数据。

优先地，所述文丘里管的内径在50-250mm之间；喉部与上游管路或者下游管路的直径比在0.4-0.75之间；收缩段的收缩角范围为16-25°；扩张段的扩张角在7-15°之间；喉部的长度范围在300-600mm。

优先地，所述取压模块包括第一取压模块、第二取压模块、第三取压模块、第四取压模块；

第一取压模块设置在上游管路处，第二取压模块设置在靠近上游管路的喉部，第三取压模块靠近下游管路的喉部，第四取压模块设置在下游管路处，

第一取压模块、第二取压模块之间连接差压变送器，用于测量收缩段的压降；第三取压模块、第四取压模块之间连接差压变送器，用于测量扩张段的差压。

优先地，第二取压模块、第三取压模块之间的间距不小于200mm。

优先地，第一取压模块与收缩段起始端距离大于0.5d；第四取压模块与扩张段的末端距离大于6d，其中，d为上游管路或者下游管路的内直径，上游管路和下游管路的内直径相等。

优先地，压力感应模块用于检测文丘里管上游位置处的压力值，温度感应模块用于检测文丘里管下游位置处的温度值，两感应模块位置可调换。

优先地，微波传感器模块包括内部填充非导电材质(非导电材质可以是特氟龙，亚克力，peek等材质)的金属腔体、与金属腔体一端相连且同轴的金属圆柱体、发射天线和接收天线；

金属腔体为圆柱形，文丘里管喉部位于腔体内部；

金属圆柱体作为微波传感器的一部分，主要影响微波传感器工作频率和信号强度，金属圆柱体直径尺寸在0.2dr-0.6dr之间，其中，dr为金属腔体的内直径；

发射天线和接收天线垂直于腔体放置，发射和接收天线采用单偶极子天线，其横截面为圆形、方形、或长方形；两个天线共地。每个天线都具有用于传输电磁波信号的连接口；每个天线能够辐射电磁波或者接收电磁波，天线沿金属圆柱体垂直方向移动，影响微波传感器的信号强度。

优选地，发射天线和接收天线垂直于腔体放置，在金属圆柱体末端附近的信号强度最佳。

本发明的优点：

本发明提供的组合式多相流测量系统，将电磁层析成像技术、文丘里、微波测量技术相结合，流量测量与含水率测量一体化非侵入结构，利用各传感器的信号联合对多相流量进行求解；并将各传感器设计为标准化模块形式，使其在文丘里上的位置可灵活变动，通过调整测量位置对不同流型的多相流动提供精确测量；文丘里管和微波传感器一体化模块有效缩短设备尺寸，具有便携性，安装简单的优势。整个测量系统无侵入管道内部的零部件，无放射源，具有实现安全环保，信号提取稳定，响应频率高，不影响流型，不受结垢影响等优点。

附图说明

图1为本发明组合式多相流流体测量系统的结构示意图；

图2为本发明中微波传感器模块结构的剖面图；

图3是本发明的工作原理图。

其中：1、上游管路；2、收缩段；3、喉部；4、扩张段；5、下游管路；6、第一取压模块；7、第二取压模块；8、第三取压模块；9、第四取压模块；10、压力感应模块；11、温度感应模块；12、电磁层析成像模块；13、金属圆柱体；14、发射天线；15、接收天线；16、数据采集与处理模块；67、第一差压变送器；89、第二差压变送器；90、金属腔体；100、微波传感器模块。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。

本发明提出了一种基于文丘里和微波传感器一体化模块、电磁层析成像模块和数据采集与处理模块的多相流流体测量系统，参见图1。

其中文丘里和微波传感器一体化模块包括文丘里部分和微波传感器模块100。

文丘里部分包括文丘里管、取压模块、压力、温度感应模块；

具体而言，文丘里管包括上游管路1、收缩段2、喉部3、扩张段4以及下游管路5。其中，收缩段2设于上游管路1和喉部3之间，扩张段4设于喉部3和下游管路5之间。上游管路1、收缩段2、喉部3、扩张段4以及下游管路5之间通过法兰结构连接。文丘里管的内径在50-250mm之间；喉部3与上游管路1或者下游管路5的直径比在0.4-0.75之间；收缩段2的收缩角范围为16-25°；扩张段4的扩张角在7-15°之间；喉部3的长度范围在300-600mm。

文丘里管的上游管路1、喉部3以及下游管路5分别设置有取压模块、压力感应模块10和温度感应模块11、微波传感器模块100、电磁层析成像模块12；

文丘里管的喉部设有第二取压模块7、第三取压模8，该两个取压模块沿上游至下游的方向设置，且两个取压模块之间的间距不小于200mm。取压模块之间用差压变送器连接，用以测量不同位置取压模块之间的压力差值。设置在上游管路的第一取压模块6与设置在喉部的、靠近上游管路的取压模块7之间连接的差压变送器67用于测量收缩段2的压降；设置在喉部的、靠近下游管路5的取压模块8与设置在下游管路的取压模块9之间连接的差压变送器89用于测量扩张段4的差压。上游设置的第一取压模块6与收缩段起始端距离大于0.5d；下游设置的第四取压模块9与扩张段的末端距离大于6d，其中，d为上游管路1或者下游管路5的内直径。

压力感应模块10用于检测文丘里管上游位置处的压力值，温度感应模块11用于检测文丘里管下游位置处的温度值，两感应模块位置可调换。

电磁层析成像模块12位于文丘里管喉部3上靠近上游管路1的位置，采用法兰结构与文丘里管的收缩段2、喉部3连接。

参见图2，微波传感器模块100位于文丘里管喉部3的，靠近下游管路5的位置，包括内部填充非导电材质(非导电材质可以是特氟龙，亚克力，peek等材质)的金属腔体90、与金属腔体90一端相连且同轴的金属圆柱体13、发射天线14和接收天线15；金属腔体90为圆柱形，文丘里管喉3部位于腔体内部。

金属圆柱体13作为微波传感器模块100的一部分，主要影响微波传感器工作频率和信号强度，金属圆柱体13直径尺寸在0.2dr-0.6dr之间，其中，dr为金属腔体90的内直径。

发射天线14和接收天线15垂直于腔体放置，发射和接收天线采用单偶极子天线，其横截面为圆形、方形、或长方形；两个天线共地。每个天线都具有用于传输电磁波信号的连接口；每个天线能够辐射电磁波或者接收电磁波，天线沿金属圆柱体13垂直方向移动，影响微波传感器的信号强度，优选地，发射天线14和接收天线15垂直于腔体放置，在金属圆柱体13末端附近的信号强度最佳。

由于三相流中同时存在油，气，水三种介质，气体会对含水率测量存在一定影响，为排除气体的影响，本发明中引入了电磁层析成像模块12，能够得到实时气液分布情况，通过判断管道内瞬时满液时刻，从而实现微波传感器仅测量油水两相流，排除了气体的影响。在满液时刻，由于原油和水分别对高频电磁波的能量吸收程度不同，水的介电常数远远大于原油，参考文献nyfors,e.,p.vainikainen,"industrialmicrowavesensors",artechhouse,1989,350p(nyfors,e.,p.vainikainen,工业微波传感器，artechhouse出版社，1989年第350页)中，提出了根据测量得到微波传感器信号的相位、功率、频率信息来推导出介电常数。经过数据处理和分析得到此时对应的介电常数，根据介电常数和含水率的关系方程(bruggeman方程)得到含水率，由于原油和水混合物中主要存在混合状态，分别是油包水和水包油，两种情况下相同介电常数对应的含水率不同，需要分开进行计算，对于水包油来说，bruggeman方程可以表述为：

其中，为含水率，εo，εw，εmix分别为油，水和油水混合物的介电常数。

对于油包水来说，bruggeman方程可以表述为：

由于微波传感器模块100本身不容易判断出混合物是油包水还是水包油的状态，引入了电磁层析成像模块12来判断油包水还是水包油的状态，根据不同的混合状态，切换含水率计算公式，从而推导得出当前含水率情况。

数据采集与处理模块16与取压模块、压力和温度感应模块、电磁层析成像模块12、微波传感器模块100通过电连接，用于采集并处理各功能模块的数据。

需要说明的是，文丘里管的上游管路1、喉部3以及下游管路5分别设置的取压模块、压力和温度感应模块、电磁层析成像模块12的排布形式以及位置关系并不限于图中所示的情况，可以根据需求调换位置及排布顺序。也就是说文丘里管喉部3的电磁层析成像模块12、取压模块可相互交换位置，用以选取合适的稳定的取压位置与成像位置。同样，在文丘里的上游管路1与下游管路5的各模块也可互换位置。

在电磁层析成像模块12提供的流型识别基础上，测量气液截面分布，文丘里测量气相和液相流量的原理可参考专利cn106092236b中的描述，通过微波传感器模块100对液相中的含水率进行检测，结合文丘里测量得到的气相和液相流量，即可获得液相中的水流量从而求出油-气-水三相流量。具体计算流程请参阅图3。

以上所述仅为本发明的实施例，并非以此限制本发明的保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的系统领域，均同理包括在本发明的保护范围内。