一种基于喷嘴的湿气两相在线计量装置的制作方法

1.本发明属于天然气多相流计量技术领域，特别涉及一种基于喷嘴的湿气两相在线计量装置。


背景技术：

2.天然气井在开发过程中需要通过计产掌握每口气井运行状态，进而优化开采方案和经济性评估。天然气井开采出的介质中除天然气，还携带少量液体，这种状态气体称为湿气，但不是所有的气液混合相均称为湿气，目前较为认可的湿气定义方法包括lm参数法、气体体积含率法(gvf法)和气体质量含率法(干度法)；其中，lm参数是管道中单独液体流动条件下的液体惯性与管道中单独气体流动条件下的气体惯性之比的平方根，lm参数小于0.3的天然气、烃、水组成的混合流体称为湿气；gvf法是气体体积含率大于95％称为湿气；干度法是气体质量含率大于0.5称为湿气。
3.气液两相混合使得湿气的计量不同于传统单相气体的计量，传统单相气体流量计无法适用于湿气的计量。现今开发现场多采用大型分离设备，在气液分离后再进行单相气计量。但是分离设备体积大，运行成本高，不适用于单井。关于多相流计量，在20世纪70年代就有学者开始研究，近些年国内外能源和仪表类企业也开始投入，希望能够打造计量精准的多相流产品，已经有很多的研究成果，但多数只能在一定工况条件下计量准确，且各方法均存在一定的短板。比如放射法计量相对精准，但造价高、结构复杂、存在安全顾虑，单井从成本和安装空间上都不具备条件；文丘里节流法受硬件结构内径不能太小的影响，对于低产气井无法测量，且文丘里设备的尺寸较长，安装对井口空间有更严格的要求。


技术实现要素：

4.针对现有技术中的问题，本发明的目的在于提供一种基于喷嘴的湿气两相在线计量装置，尤其针对低产气井湿气计量的难题，实现低产气井产量的准确计量。
5.为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
6.一种基于喷嘴的湿气两相在线计量装置，包括：
7.设备管道，其两端通过连接法兰串联至待计量湿气两相的管道中，所述设备管道中安装有喷嘴节流件；
8.压力传感器，设置在所述设备管道中，用于测量进入喷嘴节流件前的待计量湿气两相的压力；
9.温度传感器，设置在所述设备管道中，用于测量进入喷嘴节流件前的待计量湿气两相的温度；
10.差压传感器组，设置在所述设备管道中，用于测量待计量湿气进入喷嘴节流件前后的差压；
11.主电路组件，设置在所述设备管道外部，用于数据采集、参数解析、液晶显示和数据传输。
12.在进一步的技术方案中，所述压力传感器、温度传感器、喷嘴节流件和差压传感器组沿湿气两相的流动方向依次布置。
13.在进一步的技术方案中，所述计量装置还包括电源电路板，用于供电。
14.在进一步的技术方案中，所述主电路组件包括主电路板和计算电路板，其中，所述主电路板与所述压力传感器、温度传感器和差压传感器组电性连接，用于数据采集、参数解析、液晶显示和数据传输；
15.所述计算电路板与所述主电路板电性连接，用于接收采集到的温度数据和压力数据，经计算得到湿气两相流量后反馈至主电路板，进行存储、显示和传输。
16.在进一步的技术方案中，所述设备管道上开设有排污口，所述排污口上设有排污阀用于清理设备管道内杂物。
17.在进一步的技术方案中，所述计量装置还包括护罩外壳，其罩射在所述设备管道外部，用于防护主电路组件。
18.在进一步的技术方案中，所述计量装置还包括液晶显示器，用于实时显示待计量湿气的采集参数和计量结果。
19.与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：
20.1、本发明提供的在线计量装置相对于现有分离式设备进行湿气两相流量的计量，具有硬件设备结构简单，安装方便，对井口空间要求低的优点。
21.2、基于本发明提供的在线计量装置所采用的是技术成熟的差压测量法，不存在射线法的安全隐患。
22.3、在本发明提供的在线计量装置中，喷嘴节流件不同于文丘里管，可以实时测量低产气井的产气量和产液量。
23.本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式中予以详细说明。
附图说明
24.图1示出为根据本发明具体实施方式提供的一种基于喷嘴的湿气两相流量计量装置的结构示意图；
25.图2示出为图1中计量装置的侧视图；
26.图3示出为图1中k1-k1截面的剖视图；
27.图4示出为图1中计量装置的俯视图；
28.图5示出为图1中k2-k2截面的剖视图；
29.图中标号说明：10、设备管道；11、连接法兰；12、排污口；13、排污阀；14、护罩外壳；20、压力传感器；30、温度传感器；40、差压传感器组；50、主电路组件；60、电源电路板；70、液晶显示器。
具体实施方式
30.为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体附图，进一步阐明本发明。
31.需要说明的是，在本发明中，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以
是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。
32.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
33.如前所述，结合图1-5所示，本发明提供了一种基于喷嘴的湿气两相在线计量装置，所述计量装置包括设备管道10、压力传感器20、温度传感器30、差压传感器组40和主电路组件50。
34.其中，所述设备管道10的两端通过连接法兰11串联至待计量湿气两相的管道中，所述设备管道10中安装有喷嘴节流件；所述压力传感器20设置在所述设备管道10中，用于测量进入喷嘴节流件前的待计量湿气两相的压力；所述温度传感器30设置在所述设备管道10中，用于测量进入喷嘴节流件前的待计量湿气两相的温度；所述差压传感器组40设置在所述设备管道10中，用于测量待计量湿气进入喷嘴节流件前后的差压；所述主电路组件50设置在所述设备管道10外部，用于数据采集、参数解析、液晶显示和数据传输。
35.进一步地，根据本发明提供的计量装置，所述压力传感器20、温度传感器30、喷嘴节流件和差压传感器组40沿湿气两相的流动方向依次布置。
36.也即，压力传感器20设置在最上游，温度传感器30设置在压力传感器20的下游，喷嘴节流件的上游；差压传感器组40设置在下游，如此，避免了温度传感器30对压力传感器20的测量产生影响。
37.作为优选地，所述压力传感器20在设备管道10上水平安装，所述温度传感器30在设备管道10上垂直安装，所述差压传感器组40在设备管道10上呈45
°
安装，如此，确保了整个计量装置结构紧凑，满足多数现场井口的安装要求。
38.进一步的，本发明提供的计量装置还包括有电源电路板60用于供电。
39.所述主电路组件50包括主电路板和计算电路板，其中，所述主电路板与所述压力传感器20、温度传感器30和差压传感器组40电性连接，用于数据采集、参数解析、液晶显示和数据传输；所述计算电路板与所述主电路板电性连接，用于接收采集到的温度数据和压力数据，经计算得到湿气两相流量后反馈至主电路板，进行存储、显示和传输。
40.进一步地，根据本发明提供的计量装置，所述设备管道10上开设有排污口12，所述排污口12上设有排污阀13用于清理设备管道10内杂物。作为优选地，所述排污口12和排污阀13设置在设备管道10的垂直下方，便于后续维修维护。
41.本发明中，所述计量装置还包括护罩外壳14，所述护罩外壳14罩射在所述设备管道10外部，用于防护主电路组件50。
42.本发明中，所述计量装置还包括液晶显示器70，所述液晶显示器70用于实时显示待计量湿气的采集参数和计量结果。作为优选地，该液晶显示器70嵌入都护罩外壳14中，省去了仪表表头，美观且保护了显示模块。
43.本发明中，所述温度传感器30可选用本领域人员所常用的，具体如铂电阻温度传感器。
44.本发明提供的计量装置，在具体使用时，将气井井口的工作管道切割，焊接配对法兰，通过配套螺栓即可实现连接，简单方便；并且计量装置整体结构紧凑，高度集成，在本发
明的一个具体实施例中，dn50计量装置全长仅为360mm，进而对井口空间的要求较低，可满足多数现场井口的安装要求。
45.从井场电源引线24v连接设备，所述线路按防爆要求封装，在设备通电后，配置参数，检查设备，开井运行，温度、压力、差压采集实时数据，计算流量，液晶显示；并且，本发明提供的计量装置还可依据现场要求，可应用有线或无线技术将数据远传。
46.本发明还提出了一种基于上述计量装置进行湿气两相流量计量的方法，所述方法包括以下步骤：
47.s1：采集管道内待计量湿气的温度t和压力p，利用经验公式计算待计量湿气中气相密度ρg和粘度μg；
48.ρg＝f(t，p)
49.μg＝f(t，p)
50.s2：以一定时间为一个区间，在该一定时间内采集1个待计量湿气的温度值t，30个压力值p[30]，3000个差压值
△
p[3000]；对以上数据进行滤波处理，剔除掉过高过低的异常值，然后进行均值计算得到压力p
tp
，差压
△
p
tp
；
[0051]
p
tp
＝average(p[30])
[0052]
△
p
tp
＝average(
△
p[3000])；
[0053]
根据本发明提供的计量方法，本发明中，所述的一定时间可以在一定范围内进行选择，作为优选的，所述一定时间为10～30s，更优选为15s。
[0054]
s3：使用差压
△
p
tp
计算产气量qg：
[0055][0056]
其中，qg是产气量；c是喷嘴流出系数；β＝d/d，其中d为喷嘴内径，d为管道内径；ε是可膨胀系数；ρg是待计量湿气中气相密度；
[0057]
s4：计算
△
p[3000]的标准差
△
p
st
：
[0058]
△
p
st
＝stdev(
△
p[3000])
[0059]
s5：设气相单独流过节流件的差压为
△
pg；建立
△
pg与
△
p
tp
、
△
p
st
的关系式：
[0060][0061][0062]
δpg＝δp
tp-θδp
st
[0063]
δpg＝δp
tp-(az2+bz+c)δp
st
[0064]
其中，a，b，c均为实验拟合系数；
[0065]
ρg是待计量湿气中气相密度，ρ
l
待计量湿气中液相密度；z是设定的中间参数，无量纲变量；
[0066]
s6：修正后的气相流量为：
[0067]
[0093]
μg＝f(t，p)＝0.22mpa.s
[0094]
(3)使用差压
△
p
tp
计算产气量qg：
[0095][0096]
其中，qg是气相流量；c是喷嘴流出系数＝0.98；β＝d/d＝0.24，其中d为喷嘴内径＝12mm，d为管道内径＝50mm；ε是可膨胀系数＝0.99；ρg是待计量湿气中气相密度＝11.06kg/m3；
[0097]
(4)求气相单独流过节流件的差压为
△
pg；
[0098][0099]
θ＝f(z)＝az2+bz+c＝0.86
[0100]
δpg＝δp
tp-θδp
st
＝19.81-0.86*3.46＝16.83kpa
[0101]
(5)求修正后的气相流量为：
[0102][0103]
其中，q
gx
是修正后的气相流量；c是喷嘴流出系数＝0.98；β＝d/d＝0.24，其中d为喷嘴内径＝12mm，d为管道内径＝50mm；ε是可膨胀系数＝0.99；
[0104]
(6)气相弗劳德数表示重力对流动影响的程度，与表观速度、密度相关，即受流量与压力的影响，气相弗劳德函数定义为气相表观惯性力与液相重力之比的均方根；
[0105][0106][0107]
其中，v
sg
为气相表观速度；g为重力加速度；d为管道内径；
[0108]
s为设备管道横截面积。q
gx
是修正后的气相流量；frg是气相弗劳德数；
[0109]
(7)求液相单独流过节流件的差压为
△
p
l
；
[0110]
δp
l
＝(d*frg2+f*frg+g)δp
tp
＝0.0056*19.81＝0.11kpa
[0111][0112]ql
是液相流量，c是喷嘴流出系数＝0.98；β＝d/d＝0.24，其中d为喷嘴内径＝12mm，d为管道内径＝50mm；ε是可膨胀系数＝0.99；
[0113]
(8)求质量含气率为：
[0114][0115]
(9)求湿气两相体积流量分别为：
[0116]
[0117][0118]
其中，ρ
gb
为标况下天然气密度＝0.75kg/m3。
[0119]
(10)油田现场分离设备计量该气井的产气量为8012.7nm3/d，产液量为4.28m3/d。与计量设备对比分析：
[0120]
气相误差＝(7689.6-8012.7)/8012.7＝-4.03％
[0121]
液相误差＝(4.5-4.28)/4.28＝5.14％
[0122]
对于气井井口计量，气相和液相计量偏差控制在10％以内，可接受。
[0123]
现有技术中，油气开发现场仍以分离式设备进行湿气两相流量的计量，但分离式设备体积大、成本高，更多的适用于场站计量，而对于单气井计量，现主要有文丘里节流法和射线加节流法两种；其中，文丘里节流尺寸不能过小，对日产量在1.5万以下的气井几乎无法计量，且文丘里节流设备长度较长，现场要求条件高；射线法存在放射性，不符合现场安全规范，且射线法成本较高，对于低产量气井成本效益低。
[0124]
本发明提供的计量方法中通过采用高频差压采集方式，快速采集差压数据，更好捕捉管道内湿气的流动和波动情况，使得数据更能体现真实流体变化，流量计算更加精准。
[0125]
以采集的差压数据和计算得到的差压标准差为基础，建立气相差压和液相差压修正模型，进而进行气液两相流量计算，方法新颖独特，实践证明具有较高的稳定性、可靠性和精准度。
[0126]
本发明中，通过采用喷嘴作为节流件，在工艺上可以将喷嘴尺寸制造的更小，即节流件与管道内径的比值范围更宽，可以实现对日产量低于1.5万方的气井进行计量，也即，本发明特别适用于低产气井的湿气两相流量的计量。
[0127]
此外，喷嘴节流件拆卸灵活，前后直管段更短，使得计量设备整体结构紧凑，对现场井口安装空间要求低。本发明提供的计量装置属于节流法，相较于射线法设备的成本可控，更符合低气井的现场成本效益要求。
[0128]
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的特点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求保护的范围由所附的权利要求书及其等效物界定。