一种大口径稠油混相流量测量方法及装置与流程

1.本技术涉及工业混相流体测量技术领域，尤其是涉及一种大口径稠油混相流量测量方法及装置。


背景技术：

2.稠油科学定义是在油层条件下，黏度小于50mpa
·
s或脱气后黏度大于100mpa
·
s的原油。稠油的成因非常复杂，与普通原油最大的区别在于生物降解程度，降解程度越高越容易形成稠油。
3.常用的稠油单井计量方法主要是分离计量法和翻斗量油计量法。分离计量法一般使用传统的测试分离器，对稠油进行油气水三相分离或气水两相分离后再分别进行计量。翻斗法量油计量法是一种机械方法，设备有可动部件。
4.但是，由于稠油自身的特性，分离器对稠油的分离效果比较差，分离后水体中残存的气体对于再用水相流量计或用体积流量计测量流量会造成较大的误差，而且稠油水相中的油、水也不易分离，进行油气水三相彻底分离比较困难，而进行气水两相分离、确定水相中的含水率也是一个挑战，故一般采用离线取样分析方法确定稠油中的含水率，但这并不能实现对含水率的实时在线计量。而翻斗法量油计量法对黏度较高的稠油计量误差较大，效果不理想，故障率高，且需要采用离线取样分析的方法确定稠油中的含水率，来进行油水流量的计算，未能真正实现含水率的实时在线计量和油气水的实时在线计量。因此，分离计量法和翻斗量油计量法都无法满足稠油混相流体中各流体介质的流量在线测量。


技术实现要素：

5.为了实现稠油混相流体中各流体介质的流量在线测量，本技术提供了一种大口径稠油混相流量测量方法及装置。
6.第一方面，本技术提供一种大口径稠油混相流量测量方法，采用如下的技术方案：一种大口径稠油混相流量测量方法，包括：稠油混相流体从油气井通过所述管道流出，所述稠油混相流体包括至少两种流体介质；测量通过所述流线型纺锤体的所述稠油混相流体的节流差压总流量；通过所述多能级组光量子相分仪对所述稠油混相流体进行至少四能级组光量子测量，得到各流体介质的线性质量；根据所述节流差压总流量及各流体介质的线性质量，得到各流体介质的流体介质流量。
7.可选的，所述测量通过所述流线型纺锤体的所述稠油混相流体的节流差压总流量，包括：测量得到通过所述流线型纺锤体的所述稠油混相流体的温度值；获取所述流线型纺锤体的节流参数、节流压差值及节流密度值，所述节流压差值
为所述流线型纺锤体的节流器件上游入口取压口与等效喉径之间的差压值，所述节流密度值为所述节流器件的等效喉径取压口处所述稠油混相流体的混合密度值；根据所述温度值、所述节流参数、所述节流压差值、所述节流密度这及预置节流压差流量计算公式，计算得到节流差压总流量。
8.可选的，所述根据所述温度值、所述节流参数、所述节流压差值、所述节流密度值及预置节流压差流量计算公式，计算得到节流差压总流量，包括：根据所述温度值及预置稠油动力粘度预测公式，得到稠油动力粘度值；获取所述管道的内径值；根据预置雷诺数计算公式、所述稠油动力粘度值及所述内径值，确定雷诺数与节流差压总流量之间的第一关系；根据预置流出系数计算公式，确定所述雷诺数与流出系数之间的第二关系，所述流出系数为所述稠油混相流体通过的实际流量与理论流量的比值；根据预置节流压差流量计算公式、所述节流参数、所述节流压差值及所述节流密度值，验证所述第二关系是否正确；若所述第二关系正确，则基于所述预置节流压差流量计算公式的基础上，根据牛顿迭代法进行迭代计算，得到节流差压总流量。
9.可选的，所述多能级组光量子相分仪为四能级组光量子相分仪，所述通过所述多能级组光量子相分仪对所述稠油混相流体进行至少四能级组光量子测量，得到各流体介质的线性质量，包括：通过所述多能级组光量子相分仪发射第一能级组光量子、第二能级组光量子、第三能级组光量子及第四能级组光量子，所述第一能级组光量子的能量为31kev，所述第二能级组光量子的能量为81kev，所述第三能级组光量子的能量为160kev，所述第四能级组光量子的能量为356kev；探测接收四能级组光量子对应各流体介质的实测透射数量；根据光量子源的特性，获取所述四能级组光量子的无介质透射数量之间的比例关系，所述无介质透射数量为对应能级组光量子在空管无介质时的透射数量；获取所述第一能级组光量子、所述第二能级组光量子和所述第三能级组光量子对应各流体介质的线性质量吸收系数，及所述第四能级组光量子的康普顿散射常数；根据所述实测透射数量、所述无介质透射数量之间的比例关系、所述线性质量吸收系数及所述康普顿散射常数，计算得到各流体介质的线性质量。
10.可选的，所述根据光量子源的特性，获取所述四能级组光量子的无介质透射数量之间的比例关系，包括：根据光量子源的特性，确定第一能级组光量子的无介质透射数量为、第二能级组光量子的无介质透射数量与所述的比例关系为、第三能级组光量子的无介质透射数量与所述的比例关系为及第四能级组光量子的无介质透射数量与所述的比例关系为。
11.可选的，所述根据所述实测透射数量、所述无介质透射数量之间的比例关系、所述
线性质量吸收系数及所述康普顿散射常数，计算得到各流体介质的线性质量，包括：当所述管道内的充满单一流体介质时，控制所述相分仪发射所述第一能级组光量子、所述第二能级组光量子、所述第三能级组光量子及所述第四能级组光量子；探测接收所述第一能级组光量子的单一流体介质透射数量、所述第二能级组光量子的单一流体介质透射数量、所述第三能级组光量子的单一流体介质透射数量及所述第四能级组光量子的单一流体介质透射数量；根据所述第一能级组光量子的单一流体介质的光电吸收方程及无介质透射数量，计算得到所述第一能级组光量子的单一流体介质线性质量吸收系数；根据所述第二能级组光量子的单一流体介质的光电吸收方程及无介质透射数量，计算得到所述第二能级组光量子的单一流体介质线性质量吸收系数；根据所述第三能级组光量子的单一流体介质的光电吸收方程及无介质透射数量，计算得到所述第三能级组光量子的单一流体介质线性质量吸收系数；根据所述第四能级组光量子的康普顿散射特性得到康普顿散射常数。
12.可选的，所述根据所述第一能级组光量子的单一流体介质的光电吸收方程及无介质透射数量，计算得到所述第一能级组光量子的单一流体介质线性质量吸收系数 ，包括：将所述第一能级组光量子的各流体介质的光电吸收总方程变换为单一流体介质的光电吸收方程；将所述无介质透射数量及单一流体介质透射数量带入所述满油光电吸收方程，得到所述第一能级组光量子的单一流体介质线性质量吸收系数。
13.可选的，所述根据所述实测透射数量、所述无介质透射数量之间的比例关系、所述线性质量吸收系数及所述康普顿散射常数，计算得到各流体介质的线性质量，包括：根据所述第一能级组光量子的各流体介质的光电吸收总方程、所述第二能级组光量子的各流体介质的光电吸收总方程、所述第三能级组光量子的各流体介质的光电吸收总方程及所述第四能级组光量子的康普顿吸收方程；将所述实测透射数量、所述无介质透射数量之间的比例关系、所述线性质量吸收系数及所述康普顿散射常数，分别代入以上的方程中，计算得到各流体介质的线性质量。
14.可选的，所述根据所述节流差压总流量及各流体介质的线性质量，得到各流体介
质的流体介质流量，包括：将各流体介质的线性质量分别除以所有流体介质的线性质量之和，得到各流体介质的质量相分率；将各流体介质的质量相分率分别乘以所述节流差压总流量，得到各流体介质对应的流体介质流量。
15.第二方面，本技术提供一种大口径稠油混相流量测量装置，采用如下的技术方案：一种大口径稠油混相流量测量装置，安装在管道上，包括：流线型纺锤体及多能级组光量子相分仪，稠油混相流体从油气井通过所述管道流出；用于执行第一方面中所述的大口径稠油混相流量测量方法得到所述稠油混相流体的各流体介质的流体介质流量。
16.综上所述，本技术包括以下有益技术效果：由于大口径稠油混相流量测量装置设置在管道上，稠油混相流体从油气井流出，测量流线型纺锤体内稠油混相流体的节流差压总流量，再通过多能级组光量子相分仪对稠油混相流体进行至少四能级组光量子测量，得到各流体介质的线性质量，依据所有流体介质的线性质量和节流差压总流量计算得到所有流体介质对应的流体介质流量，不需要对稠油混相流体进行取样和分离化验，就能测量得到所有流体介质对应的流体介质流量，实现了在线测量。
附图说明
17.图1是本技术的大口径稠油混相流量测量方法的流程示意图。
18.图2是本技术的大口径稠油混相流量测量装置的结构示意图。
19.图3是本技术的测量得到节流差压总流量的流程示意图。
20.图4是本技术的计算各流体介质的线性质量的流程示意图。
具体实施方式
21.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
22.本技术实施例公开一种大口径稠油混相流量测量方法。
23.参照图1，该方法的执行步骤包括：101，稠油混相流体从油气井通过管道流出。
24.其中，大口径稠油混相流量测量装置如图2所示，安装在管道201上，在进行石油开采过程中，油气井完成后，通过设置管道201将稠油混相流体从油气井流出，大口径稠油混相流量测量装置包括流线型纺锤体202及多能级组光量子相分仪203，稠油混相流体包括至少两种流体介质，流体介质可以是油、气及水。
25.102，测量通过流线型纺锤体的稠油混相流体的节流差压总流量。
26.其中，流线型纺锤体202是设置在大口径稠油混相流量测量装置中间的，就形成了节流结构，在稠油混相流体通过节流结构时，通过测量多个参数可以得到节流差压总流量。
27.103，通过多能级组光量子相分仪对稠油混相流体进行至少四能级组光量子测量，得到各流体介质的线性质量。
28.其中，多能级组光量子相分仪可以通过发射至少四能级组光量子，对管道中的混相流体进行多能级组光量子测量，得到各流体介质的线性质量。
29.具体的，光量子简称光子（photon），是传递电磁相互作用的基本粒子，是一种规范玻色子。光子是电磁辐射的载体，而在量子场论中光子被认为是电磁相互作用的媒介子。与大多数基本粒子相比，光子的静止质量为零，这意味着其在真空中的传播速度是光速。与其他量子一样，光子具有波粒二象性：光子能够表现出经典波的折射、干涉及衍射等性质；而光子的粒子性可由光电效应证明。光子只能传递量子化的能量，是点阵粒子，是圈量子粒子的质能相态。一个光子能量的多少正比于光波的频率大小， 频率越高, 能量越高。当一个光子被原子吸收时，就有一个电子获得足够的能量从而从内轨道跃迁到外轨道,具有电子跃迁的原子就从基态变成了激发态。
30.在多能级组光量子相分仪中使用ba-133光量子源，发射的多能级组光量子以四组为例，第一能级组光量子的能量为31kev，第二能级组光量子的能量为81kev，第三能级组光量子的能量为160kev，第四能级组光量子的能量为356kev，已知的ba-133光量子源，其放射性活度为25微居，可以每秒发射近一百万个31kev、81kev、160kev和356kev能量组的单个光量子，通过对每一个光量子能量的测量，依据物质与31kev、81kev、160kev的能量的光量子组的光电截面，以及物质与356kev能量的光量子组的康普顿截面，完成稠油混相流体的相分率测量。
31.104，根据节流差压总流量及各流体介质的线性质量，得到各流体介质的流体介质流量。
32.其中，将各流体介质的线性质量分别除以所有流体介质的线性质量之和，得到各流体介质的质量相分率，再将各流体介质的质量相分率分别乘以节流差压总流量，得到各流体介质对应的流体介质流量。
33.本实施例的实施原理为：由于大口径稠油混相流量测量装置设置在管道上，稠油混相流体从油气井流出，测量流线型纺锤体内稠油混相流体的节流差压总流量，再通过多能级组光量子相分仪对稠油混相流体进行至少四能级组光量子测量，得到各流体介质的线性质量，依据所有流体介质的线性质量和节流差压总流量计算得到所有流体介质对应的流体介质流量，不需要对稠油混相流体进行取样和分离化验，就能测量得到所有流体介质对应的流体介质流量，实现了在线测量。
34.在以上图1所示的实施例中，步骤102中测量得到节流差压总流量的方式具体如下：参照图3，测量通过流线型纺锤体的稠油混相流体的节流差压总流量的执行步骤如下：301，测量得到通过流线型纺锤体的稠油混相流体的温度值。
35.其中，具体可以通过设置温度传感器测量，得到稠油混相流体的温度值t。
36.302，获取流线型纺锤体的节流参数、节流压差值及节流密度值。
37.其中，流线型纺锤体的节流参数是由生产工艺决定的，具体包括等效喉径d，等效喉径d为流线型纺锤体的节流结构的环形流通面积的等效直径；直径比为等效喉径与直管
段直径之比；膨胀系数；节流压差值为流线型纺锤体的节流器件上游入口取压口与等效喉径之间的差压值；节流密度值为节流器件的等效喉径取压口处稠油混相流体的混合密度值。
38.303，根据温度值及预置稠油动力粘度预测公式，得到稠油动力粘度值。
39.其中，预置稠油动力粘度预测公式为：其中，预置稠油动力粘度预测公式为：为50摄氏度时的稠油动力粘度，t为摄氏度，在标准大气压下，水的冰点为0度，水的沸点为100度，稠油混相流体在温度值t时，稠油动力粘度值 ，单位为 ， ； 表示截面含气率， 表示截面含水率， 表示截面含油率，为气动力粘度，为水动力粘度，为油动力粘度，根据经验和常识，由于气、水、油，三种介质的粘度明显存在，那么实际上稠油动力粘度值
ꢀꢀ
＝ 。
40.304，获取管道的内径值。
41.其中，管道的内径值d，可以通过管道生产厂商和生产标示获取得到。
42.305，根据预置雷诺数计算公式、稠油动力粘度值及内径值，确定雷诺数与节流差压总流量之间的第一关系。
43.其中，预置雷诺数计算公式为 ，稠油动力粘度值
ꢀꢀ
已经计算得到，内径值d也获取到了，那么雷诺数
ꢀꢀ
和节流差压总流量 之间的第一关系就确定了。
44.306，根据预置流出系数计算公式，确定雷诺数与流出系数之间的第二关系。
45.其中，预置流出系数计算公式为 ，流出系数
ꢀꢀ
为稠油混相流体通过的实际流量与理论流量的比值， 为第一系数， 为第二系数，雷诺数 的取值范围是比较大的，根据不同的取值范围， 和
ꢀꢀ
的系数取值也不同，具体的：如果re 《= 2000，b = 0.0785，e = 0.2945；如果2000 《 re 《= 100000，b = 0.017，e = 0.7859；如果re》100000，b=0，e = 0.995。
46.307，根据预置节流压差流量计算公式、节流参数、节流压差值及节流密度值，验证第二关系是否正确。
47.其中，预置节流压差流量计算公式是 ，其中常数 ，等效喉径d、直径比 、膨胀系数 、节流压差值、节流密度值 都已知了，验证第二关系是
否正确，即只有流出系数
ꢀꢀ
与雷诺数的关联关系验证正确， 的计算才会正确；先考虑
ꢀꢀ
》 100000的情况，此时b=0，稠油流出系数 ＝e＝0.995，计算得到 ，通过 ，计算出雷诺数 ，若值大于100000，那么当前计算正确；2000 《
ꢀꢀ
≤ 100000的情况，如果计算出的 值在这个区间，那么当前计算正确，通过
ꢀꢀ
= 0.017 + 0.7859计算得出稠油流出系数 ； ≤ 2000的情况，如果计算出的
ꢀꢀ
值在这个区间，那么当前计算正确，通过
ꢀꢀ
= 0.0785 + 0.2945计算得出稠油流出系数 ；在以上的验证通过之后，执行步骤308，如果不通过，则可能存在数据错误，不进行后续计算了。
48.308，基于预置节流压差流量计算公式的基础上，根据牛顿迭代法进行迭代计算，得到节流差压总流量。
49.其中，当步骤307中步骤验证通过后，根据牛顿迭代法进行迭代计算主要包括：将预置节流压差流量计算公式变形为 ，为了简化表述，定义了 ，，公式变为了；从而确定了 ；令 ，则进行求导之后，得到 ；根据牛顿迭代法，可以迭代计算出
ꢀꢀ
的数值：流出系数为 ＝0.995，计算出的
ꢀꢀꢀ
；根据之前算出的值代入该迭代表达式，计算出 、、
…
，根据和的接近程度（ 差别是否小于1% ），判断是否进行下一次迭代。具体为如果 大于0.01，继续迭代计算，当小于或等于0.01时，计算结束，得到稠油混相流体的节流差压总流量。
50.本实施例的实施原理为：对于流线型纺锤体所形成的节流器件，通过温度值可以推导出稠油动力粘度值，通过雷诺数与节流差压总流量、雷诺数与流出系数之间的关系，可以进行流量计算，在确定了流量计算与雷诺数的关系验证完之后，就可以使用牛顿迭代法
进行迭代计算，保证了节流差压总流量的计算结果更加精准。
51.在以上图1所示的实施例的步骤103中，多能级组光量子相分仪发射光量子的是ba-133光量子源，以四组光量子为例，第一能级组光量子的能量为31kev，第二能级组光量子的能量为81kev，第三能级组光量子的能量为160kev，第四能级组光量子的能量为356kev，那么各流体介质的线性质量的具体计算如下：参照图4，计算各流体介质的线性质量的执行步骤包括：401，通过多能级组光量子相分仪发射第一能级组光量子、第二能级组光量子、第三能级组光量子及第四能级组光量子。
52.402，探测接收四能级组光量子对应各流体介质的实测透射数量。
53.其中，通过光量子探头探测接收四能级组光量子穿过稠油混相流体的实测透射数量。
54.403，根据光量子源的特性，获取四能级组光量子的无介质透射数量之间的比例关系。
55.其中，ba-133光量子源的固有特性，不同能级组光量子的无介质透射数量、、和存在比例关系，, ，其中是已知的比例系数，系天然恒定的系数，不随任何测量条件而改变，由于比例系数的存在，故三个未知量、、和实际上可以算作一个未知量，从而消除了对 进行测量或标定的需要，由于不需要标定 ，从根本上避免了光量子探头中的温度漂移对测量的影响，也就不需要在光量子探头中设置恒温装置了，节省了设备开支的同时，省去了无介质透射数量的标定。
56.404，获取第一能级组光量子、第二能级组光量子和第三能级组光量子对应各流体介质的线性质量吸收系数，及第四能级组光量子的康普顿散射常数。
57.其中，对于各流体介质的线性质量吸收系数的标定值的计算原理为：（1）、当管道内的充满单一流体介质时，发射第一能级组光量子、第二能级组光量子、第三能级组光量子及第四能级组光量子；（2）、探测接收第一能级组光量子的单一流体介质透射数量、第二能级组光量子的单一流体介质透射数量、第三能级组光量子的单一流体介质透射数量及第四能级组光量子的单一流体介质透射数量；（3）、根据第一能级组光量子的单一流体介质的光电吸收方程及无介质透射数量，计算得到第一能级组光量子的单一流体介质线性质量吸收系数；假设，混相流体中流体介质包括了气、水、油，下标表示气相，下标表示水相，下标表示油相，是气线性质量吸收系数、是水线性质量吸收系数、是油线性质量吸收系数、是气线性质量、是水线性质量、是油线性质量，第一能级组光量子的光电吸
收方程是：，单一流体介质是气相，单一流体介质的光电吸收方程变为，进行变换后，得到，同理，得到和。
58.（4）、根据第二能级组光量子的单一流体介质的光电吸收方程及无介质透射数量，计算得到第二能级组光量子的单一流体介质线性质量吸收系数；与（3）中的描述同理。
59.（5）、根据第三能级组光量子的单一流体介质的光电吸收方程及无介质透射数量，计算得到第三能级组光量子的单一流体介质线性质量吸收系数；与（3）中的描述同理。
60.（6）、根据第四能级组光量子的康普顿散射特性得到康普顿散射常数。
61.由于康普顿散射与散射物的材料无关的特性，那么对于能量为356kev的第四能级组光量子的康普顿散射特性是康普顿散射常数 ，并且第四能级组光量子（ 能量356kev ）混相流体的各流体介质的康普顿吸收方程是：。
62.405，根据实测透射数量、无介质透射数量之间的比例关系、线性质量吸收系数及康普顿散射常数，计算得到各流体介质的线性质量。
63.其中，第一能级组光量子的各流体介质的光电吸收总方程是，第二能级组光量子的各流体介质的光电吸收总方程是 ，第三能级组光量子的各流体介质的光电吸收总方程是及第四能级组光量子的康普顿吸收方程是 ；由于 , ，，那么，，
，计算可以得到 。
64.本实施例的实施原理为：通过以混相流体中包括气、水、油为例子，对混相流体中的流体介质进行线性质量的测量。在计算过程中，所需要的线性质量吸收系数及康普顿散射常数都是标定值，可以通过满水、满气及满油的管道状态分别进行标定计算，将实测透射数量及无介质透射数量之间的比例关系，通过四个不同能级的光量子的光电吸收方程及康普顿吸收方程，就能实现混相流体的气线性质量、水线性质量及油线性质量。
65.在以上图4所示的实施例，计算得到之后，根据节流差压总流量及各流体介质的线性质量，得到各流体介质的流体介质流量，包括：将各流体介质的线性质量分别除以所有流体介质的线性质量之和，得到各流体介质的质量相分率，计算方式为：气相的质量相分率，，水相的质量相分率，油相的质量相分率，，再将各流体介质的质量相分率分别乘以所述节流差压总流量，得到各流体介质对应的流体介质流量，计算方式为：油相的流体介质流量，，气相的流体介质流量，，水相的流体介质流量，。
66.如图2所示，本技术实施例提供了一种大口径稠油混相流量测量装置，包括：流线型纺锤体202及多能级组光量子相分仪203，稠油混相流体从油气井通过管道201流出；用于执行以上实施例中的大口径稠油混相流量测量方法得到稠油混相流体的各流体介质的流体介质流量。
67.以上均为本技术的较佳实施例，并非依此限制本技术的保护范围，本说明书（ 包括摘要和附图 ）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或者具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。