基于管内相分隔技术的天然气湿气实时测量装置和方法与流程

本发明属于多相流流量测量技术领域，具体地，本发明涉及一种基于管内相分隔技术的天然气湿气实时测量装置，也涉及一种基于管内相分隔技术的天然气湿气实时测量方法。

背景技术：

通常情况下，天然气由地下开采到地面时总是会携带一部分的液体，这些液体可能是地层中的原油、开采过程中由于温度和压力降低而产生的凝析油、地层水、注采水或者压裂返排液等。在油气工业中，将这种气井中采出的天然气与液相的混合物称为“湿气”，湿气中气体的体积含气率往往大于90％，大多数的气井的体积含气率在97％以上，而在美国机械工程师协会颁布的《湿气计量指南》中规定，洛-马数(lockhart-martinellinumber)小于等于0.3时称为湿气。由此可见，湿气属于多相流的范畴，其实质是一种高体积含气率的多相流形态。海上油气田、页岩气田的采出物均为湿气。

目前随着对天然气需求的日益增大，对天然气的生产也提出了精细化管理的要求，而通过湿气测量获得单井产气量和产液量是实现气井监测、气藏管理、生产工艺优化和气井排水采气措施优选以及效果评价等的基础数据，不容缺失。从测量角度讲，天然气湿气测量作为多相流测量的一种特殊情况，气液相之间的速度滑移、管内相分布及流型的随机变化、温度压力等参数的不确定性都决定了湿气测量是一个复杂的多相流问题，并且由于液相所占比例非常小，对于测量误差特别敏感，往往会产生巨大的测量误差。因此，湿气一般不能直接应用传统的单相气体流量计进行测量，需要对其测量装置及方法开展专门的研究。

目前常用的湿气测量方法主要可分为气液不分离测量和气液分离测量两大类。气液不分离测量是直接利用单相气体流量计测量湿气，并利用经验公式对测量值进行修正或者同时采用两种传感器相组合的方法测量湿气流量和相含率。中国发明专利申请cn103353319a、cn105675070a、cn104266702a、cn105890689a、cn105157766a和cn106979808a等介绍的湿气测量方法都是属于气液不分离测量。如cn103353319a中利用气体超声波流量计测量湿气流量，并根据经验公式对虚高流量进行修正；cn105675070a中利用异形文丘里喷管结合多相流压差与流量和相含率的关系式来测量湿气流量；cn104266702a中利用v锥流量计测量湿气流量并用电容探针测量液相含率；cn105890689a中利用差压流量计测量湿气流量并用伽马射线传感器测量各相含率；cn105157766a利用文丘里流量计和纺锤体流量计相组合的方法测量湿气流量和相含率；cn106979808a利用超声波流量计和靶式流量计组合法测量湿气流量和相含率。此外，美国发明专利us7454981b2中介绍了一种声波流量计和伽马射线密度计相结合测量湿气流量和相含率的装置及方法；欧洲发明专利ep2775272a1中介绍了利用科氏力流量计和文丘里流量计的组合法测量湿气流量的装置及方法；国际发明专利wo2005040732a1中介绍了利用超声波流量计和差压流量计相结合的方法测量湿气流量。以上相关的发明专利中湿气都应用常规的气体流量计来进行测量，尽管这种方法具有体积小、便于仪表化安装应用的优点，但是这种测量方法需要依靠常规气体流量计的响应与湿气流量和各相含率的关系模型。由于多相流的复杂性和流场分布的随机性，目前为止对多相流的流动机理的理论研究还很不充分，没能在理论上建立可靠、普适的流动模型，因此往往这种多相流参数与仪表响应的关系模型是通过实验室数据拟合得到的。由于不同气井的流动工况不同，实验室数据得到的表达式缺乏普适性，而如果应用现场工况数据进行关系式的拟合，又受现场条件的限制缺少量值传递标准，基本无法实现。因此利用常规流量计测量气液共存的湿气流，本身的测量模型就有一定的局限性，只在很窄的参数范围内具有较高的测量精度，偏离该参数范围往往就会产生较大的、难以预测的测量误差。气液不分离情况下湿气中的液相含率一般应用电容探针法、γ射线衰减法、微波法等方法进行测量，由于湿气中液相含量极少，电容探针的分辨率很难达到测量要求，会导致较大的液相误差；而射线法和微波法测组分存在着辐射污染及安全问题，其应用会受到国家或地方相关政策法律的限制。

湿气的气液分离测量方法是将湿气进行气液分离后再分别应用单相气体流量计和液体流量计进行计量。该测量方法由于气液进行了完全分离，因此用单相流量计测量湿气的各分离相的流量具有较高的测量精度，但是这也对气液分离装置提出了更高的要求。中国发明专利申请cn105020585a、cn106996289a，实用新型专利cn206414929u，以及国际发明专利wo2017044538a1等中介绍的湿气测量方法都属于该种类型。这些专利中所涉及的气液分离器依靠旋流分离或者重力分离的方式，对于湿气来说，由于气速较高、液量少，液体随气流流动的跟随性较强，为了完成气液的完全分离，需要增大分离器直径以减小气速，增加分离器的高度以增大湿气在分离器的滞留时间，且往往需要在分离器内部设置一些强化气液分离的结构，因此分离器的体积较大，结构复杂，不便于气井井口测量。此外，大直径的气液分离器属于压力容器，制造成本高，对生产工艺和操作环境都有着要求的较高。

综上所述，现有的湿气气液不分离测量方法尽管装置体积小，但是过于依赖经验的多相测量模型，因此具有测量精度低、适用范围窄的缺点；而现有的气液分离后再测量的方法尽管测量精度较高，但是存在着分离器体积大、结构复杂、制造成本高、工艺及操作要求高、不便于井口安装的缺点。

技术实现要素：

针对上述现有技术存在的缺陷和不足，本发明的目的在于提供一种基于管内相分隔技术的天然气湿气实时测量装置及方法，通过采用多相流管内相分隔技术，经过多个分离步骤在管道内完成湿气的气液完全分离，提高了气液分离效率，保证了气液测量精度，同时也大大减小了分离器的体积，增加了湿气测量的实时性。

为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的第一目的是提供一种基于管内相分隔技术的天然气湿气实时测量装置，基于管内相分隔技术的天然气湿气实时测量装置包括水平进口管、上水平管线、下水平管线、水平出口管，其特征在于：还包括气液粗分离系统、气液分离系统、气计量系统、气液混合系统和液计量系统；所述气液粗分离系统布置在水平进口管和上水平管线之间；所述气液分离系统、气计量系统依次布置在上水平管线、下水平管线之间的垂直管线上；所述气液混合系统布置在下水平管线和水平出口管之间；所述液计量系统并联布置在气液分离系统和气液混合系统之间；

所述气液粗分离系统包括下倾管、上倾管、钢丝网组件；所述下倾管一端封闭，另一端与水平进口管相连；所述上倾管一端位于下倾管进口侧与下倾管相连通，另一端与上水平管线相通；所述钢丝网组件位于上倾管进口侧内；

所述气液分离系统包括一级旋流器、一级分离器、二级旋流器、二级分离器；所述一级旋流器、一级分离器、二级分离器依次布置在垂直管线上；所述二级旋流器布置在一级分离器内部；

所述气计量系统包括消旋器、气体流量计、压力传感器、温度传感器；所述的消旋器、气体流量计依次布置在垂直管线上；所述压力传感器和温度传感器布置在消旋器和气体流量计之间；

所述气液混合系统包括引射式气液混合器；

所述液计量系统包括u型集液管、液路弯头、垂直降液管液位计、电控阀、液体流量计；所述u型集液管通过液路弯头和垂直降液管连接引射式气液混合器；有初级导液管连通下倾管与u型集液管；有一级导液管连通一级分离器与u型集液管；有二级导液管连通二级分离器与u型集液管；所述液体流量计安装在垂直降液管上；所述液位计和电控阀安装在u型集液管上；所述液位计和电控阀之间通过控制线相连接。

进一步的，所述下倾管的倾角为15°～40°；所述上倾管的倾角大于30°。

进一步的，所述一级旋流器、二级旋流器由四～八个螺旋叶片或直叶片围绕一个中心轴而成；所述叶片内缘与中心轴连接为一体；所述叶片外缘与管道内壁紧密接触，没有间隙；所述中心轴的直径小于6mm。

进一步的，所述一级分离器由外筒、与外筒同轴的第一薄壁内隔管和第一导气管组成；所述外筒内壁与第一薄壁内隔管的外壁构成了第一环形排液腔；所述第一环形排液腔的底部通过一级排液孔与一级导液管相连通；第一薄壁内隔管的外壁与管道内壁之间形成第一液膜环缝；所述第一导气管为倒l型，其进口与第一环形排液腔的顶部相连通，出口向下且位于第一薄壁内隔管的中心处。

进一步的，所述二级分离器由管道、与管道同轴的第二薄壁内隔管和第二导气管组成；所述管道的内壁与第二薄壁内隔管的外壁构成了第二环形排液腔；所述第二环形排液腔的底部通过二级排液孔与二级导液管相连通；第二薄壁内隔管的外壁与第一薄壁内隔管内壁之间形成第二液膜环缝；所述第二导气管为倒l型，其进口与第二环形排液腔的顶部相连通，出口向下且位于第二薄壁内隔管的中心处。

进一步的，所述消旋器为一组与管道内管轴线平行布置的薄平板；所述薄平板之间间距相等。

进一步的，所述引射式气液混合器为文丘里喷管型，其外径与管道外径相等，且与管道通过焊接或法兰等方式固定连接，由上游收缩段、下游扩散段和平直的喉部组成；所述喉部的内壁与外壁之间有一环形空腔，环形空腔的外侧通过喉部外壁上的孔与垂直降液管相连通，内侧通过与喉部内壁上的孔与文丘里喉部流道相连通；所述喉部内壁上的孔沿周向等间距分布，至少布置一圈，每圈至少布置有两个孔。

本发明的第二目的是提供基于管内相分隔技术的天然气湿气实时测量装置的测量方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步，气液粗分离：

当天然气湿气流由装置的进口经过水平进口管进入下倾管后，在重力作用下大部分的液相或者段塞流型中的液弹会流入下倾管的底部通过初级导液管进入u型集液管，而湿气中的气相会携带少量的液会经过钢丝网组件的脱液作用进一步去湿后进入上倾管，这样就完成了湿气流的气液的初步粗分离。

第二步，气液完全相分离：

上倾管中的湿气流经水平进口管后进入一级旋流器，在离心力的作用下，绝大多数的液相以液膜的形式贴管壁流动，而气相在管道中间流动；经一级旋流器后形成的液膜和少量的气相经第一液膜环缝落入第一环形排液腔，液相从一级排液孔经一级导液管进入u型集液管，而进入第一环形排液腔的少量气体则通过第一导气管排入第一薄壁内隔管中与主气流汇合；第一薄壁内隔管中的气流流经二级旋流器，在进一步的离心力作用下，将粒径更小的液滴从气流中脱离出来，使其以液膜的形式沿第一薄壁内隔管的内壁流动，然后携带少量的气体经第二液膜环缝落入第二环形排液腔中，液相从二级排液孔经二级导液管进入u型集液管，而少量的气体则通过第二导气管排入第二薄壁内隔管中与主气流汇合；

第三步，气、液计量：

从第二薄壁内隔管中出来的干气经消旋器的消旋作用后，流经气体流量计进行计量，气流的压力和温度则分别通过压力传感器和温度传感器进行测量；

u型集液管中的液体经垂直降液管上的液体流量计计量；

第四步，气液混合：

经过计量以后的气流经过下水平管线进入文丘里喷管型的引射式气液混合器，在喉部产生低压；计量以后的液体在气流产生的喉部低压作用下流入气液混合器中，气液两相重新混合后经水平出口管流出测量装置。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)湿气测量精度高。由于采用了基于管内相分隔技术的两级分离，并结合气液粗分离系统，能够实现气液的完全分离，保证了单相流量计测量的精度。

(2)分离器体积小，装置结构紧凑。基于管内相分隔技术的气液分离效率高，分离器直径与管道直径相近，分离器最大直径仅比管道外径大15～20mm，与传统的气液分离罐相比体积大大减小，结构也更加的紧凑，占地面积小，非常适用于对气井的井口计量。

(3)适用范围广。装置的粗分离系统考虑了湿气流的段塞流动情况，能够将液弹消除，而基于管内相分隔技术的两级旋流和两级分离结构能够将气体携带的液滴脱离出来，实现气液完全分离，因此本发明所涉及的装置和方法对多相流动工况的适用范围更广。

(4)安全性能好。本发明所涉及的装置的气液分离器直径小，耐压能力强，操作安全性能高；无需采用微波或伽马射线等方法测量相含率，也不存着辐射安全问题。

(5)经济性好。采用紧凑的管道式气液分离结构，装置不属于压力容器，对加工工艺和生产要求较低；同时与传统大型气液分离器相比，结构也更加简单，生产制造成本较低。

附图说明

图1为本发明所涉及的基于管内相分隔技术的天然气湿气实时测量装置的结构示意图，其中箭头表示流体的流动方向；

图2为两级管道式紧凑分离器的局部放大图，其中箭头表示流体的流动方向；

图3为引射式气液混合器的结构示意图，其中箭头表示流体的流动方向；

其中：1、水平进口管；2、下倾管；3、上倾管；4、钢丝网组件；5、u型集液管；6、上水平管线；7、一级旋流器；8、一级分离器；9、二级旋流器；10、二级分离器；11、消旋器；12、气体流量计；13、压力传感器；14、温度传感器；15、下水平管线；16、引射式气液混合器；17、液体流量计；18、水平出口管；19、进口法兰；20、出口法兰；51、初级导液管；52、一级导液管；53、二级导液管；54、液路弯头；55、垂直降液管；56、液位计；57、电控阀；58、控制线；81、外筒；82、第一薄壁内隔管；83、第一导气管；84、第一环形排液腔；85、第一液膜环缝；86、一级排液孔；101、管道；102、第二薄壁内隔管；103、第二导气管；104、第二环形排液腔；105、第二液膜环缝；106、二级排液孔；161、上游收缩段；162、下游扩散段；163、平直的喉部；1631、环形空腔；1632、外壁上的孔；1633、内壁上的孔。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例，同时通过说明本发明将变得更加清楚和容易理解。

如图1所示，基于管内相分隔技术的天然气湿气实时测量装置，包括水平进口管1、上水平管线6、下水平管线15、水平出口管18，其特征在于还包括气液粗分离系统、气液分离系统、气计量系统、气液混合系统和液计量系统；所述气液粗分离系统布置在水平进口管1和上水平管线6之间；所述气液分离系统、气计量系统依次布置在上水平管线6、下水平管线15之间的垂直管线上；所述气液混合系统布置在下水平管线15和水平出口管18之间；所述液计量系统并联布置在气液分离系统和气液混合系统之间；湿气测量装置通过进口法兰19和出口法兰20与天然气管道相连接；

所述气液粗分离系统包括下倾管2、上倾管3、钢丝网组件4；所述下倾管2一端封闭，另一端与水平进口管1相连；所述上倾管3一端位于下倾管2进口侧与下倾管2相连通，另一端与上水平管线6相通；所述钢丝网组件4位于上倾管3进口侧内；

所述气液分离系统包括一级旋流器7、一级分离器8、二级旋流器9、二级分离器10；所述一级旋流器7、一级分离器8、二级分离器10依次布置在垂直管线上；所述二级旋流器9布置在一级分离器8内部；

所述气计量系统包括消旋器11、气体流量计12、压力传感器13、温度传感器14；所述的消旋器11、气体流量计12依次布置在垂直管线上；所述压力传感器13和温度传感器14布置在消旋器11和气体流量计12之间；

所述气液混合系统包括引射式气液混合器16；

所述液计量系统包括u型集液管5、液路弯头54、垂直降液管55液位计56、电控阀57、液体流量计17；所述u型集液管5通过液路弯头54和垂直降液管55连接引射式气液混合器16；有初级导液管51连通下倾管2与u型集液管5；有一级导液管52连通一级分离器8与u型集液管5；有二级导液管53连通二级分离器10与u型集液管5；所述液体流量计17安装在垂直降液管55上；所述液位计56和电控阀57安装在u型集液管5上；所述液位计56和电控阀57之间通过控制线58相连接。

所述下倾管2的倾角为15°～40°；所述上倾管3的倾角大于30°。

当所述液位计56显示u型集液管5中液位低于设定值时，则电动阀57开度关小，以防止气体串入液路；而当液位计56显示u型集液管5中液位高于设定值时，则电动阀开度变大，以减小液路阻力，使得分离的液体顺利排出。

所述一级旋流器7、二级旋流器9由四～八个螺旋叶片或直叶片围绕一个中心轴而成；所述叶片内缘与中心轴连接为一体；所述叶片外缘与管道内壁紧密接触，没有间隙；所述中心轴的直径小于6mm。

如图2所示，所述一级分离器8由外筒81、与外筒同轴的第一薄壁内隔管82和第一导气管83组成；所述外筒81的内直径大于管道外直径8～10mm；所述外筒81内壁与第一薄壁内隔管82的外壁构成了第一环形排液腔84；所述第一环形排液腔84的底部通过一级排液孔86与一级导液管52相连通；所述第一薄壁内隔管82外径小于管道内径3～5mm，且入口段深入上游管道5～8mm；所述第一薄壁内隔管82的外壁与管道内壁之间形成第一液膜环缝85；所述第一导气管83为倒l型，其进口与第一环形排液腔84的顶部相连通，出口向下且位于第一薄壁内隔管82的中心处。

所述二级分离器10由管道101、与管道101同轴的第二薄壁内隔管102和第二导气管103组成；所述管道101的内壁与第二薄壁内隔管102的外壁构成了第二环形排液腔104；所述第二环形排液腔104的底部通过二级排液孔106与二级导液管53相连通；所述第二薄壁内隔管102外径小于第一薄壁内隔管82内径2～3mm，且入口段深入第一薄壁内隔管82中5～8mm；所述第二薄壁内隔管102的外壁与第一薄壁内隔管82内壁之间形成第二液膜环缝105；所述第二导气管103为倒l型，其进口与第二环形排液腔104的顶部相连通，出口向下且位于第二薄壁内隔管102的中心处。

所述消旋器11为一组与管道内管轴线平行布置的薄平板，这些薄平板之间保持间距相等。

所述气体流量计12为常规的单相气体流量计，可为涡街流量计、差压流量计、热式质量流量计、超声波流量计。

所述液体流量计17为常规的单相液体流量计，可为涡街流量计、差压流量计、科氏力流量计、超声波流量计、电磁流量计。

如图3所示，所述引射式气液混合器16为文丘里喷管型，其外径与管道外径相等，且与管道通过焊接或法兰等方式固定连接；所述引射式气液混合器16由上游收缩段161、下游扩散段162和平直的喉部163组成。作为本发明的优选实施方式，所述上游收缩段161为一圆锥形管，其入口直径大于出口直径，其内壁与轴线之间的夹角为10°～23°；所述下游扩散段162为一圆锥形管，其入口直径小于出口直径，其内壁与轴线的夹角为3°～7°；所述喉部163为一段直圆管，其长度约为其内径的1～4倍；所述喉部163的内壁与外壁之间有一环形空腔1631；所述环形空腔1631的外侧通过喉部163外壁上的孔1632与垂直降液管55相连通，内侧通过与喉部163内壁上的孔1633与文丘里喉部流道相连通；所述喉部163内壁上的孔1633沿周向等间距分布，至少布置一圈，每圈至少布置有两个孔。

基于管内相分隔技术的天然气湿气实时测量装置的测量方法：

第一步，气液粗分离：

当天然气湿气流由装置的进口经过水平进口管1进入下倾管2后，在重力作用下大部分的液相或者段塞流型中的液弹会流入下倾管2的底部通过初级导液管51进入u型集液管5，而湿气中的气相会携带少量的液会经过钢丝网组件4的脱液作用进一步去湿后进入上倾管3，这样就完成了湿气流的气液的初步粗分离。

第二步，气液完全相分离：

上倾管3中的湿气流经水平进口管6后进入一级旋流器7，在离心力的作用下，绝大多数的液相以液膜的形式贴管壁流动，而气相在管道中间流动，实现了管内相分隔状态；经一级旋流器7后形成的液膜和少量的气相经第一液膜环缝85落入第一环形排液腔84，液相从一级排液孔86经一级导液管52进入u型集液管5，而进入第一环形排液腔84的少量气体则通过第一导气管83排入第一薄壁内隔管82中与主气流汇合；第一薄壁内隔管82中的气流流经二级旋流器9，在进一步的离心力作用下，将粒径更小的液滴从气流中脱离出来，使其以液膜的形式沿第一薄壁内隔管82的内壁流动，然后携带少量的气体经第二液膜环缝105落入第二环形排液腔104中，液相从二级排液孔106经二级导液管53进入u型集液管5，而少量的气体则通过第二导气管103排入第二薄壁内隔管102中与主气流汇合；

第三步，气、液计量：

从第二薄壁内隔管102中出来的干气经消旋器11的消旋作用后，流经气体流量计12进行计量，气流的压力和温度则分别通过压力传感器13和温度传感器14进行测量，以补充气体流量计的测量值，提高测量精度；

u型集液管5中的液体经垂直降液管55上的液体流量计17计量；

第四步，气液混合：

经过计量以后的气流经过下水平管线15进入文丘里喷管型的引射式气液混合器16，在喉部产生低压；计量以后的液体在气流产生的喉部低压作用下流入气液混合器16中，气液两相重新混合后经水平出口管18流出测量装置。

本发明采用了基于管内相分隔技术的两级分离，并结合气液粗分离系统，能显著高湿气中气液的分离效率，实现气液的完全分离，进而保证了用单相流量计测量气液各相流量的测量精度。同时分离器的体积也大大减小，增加了湿气测量的实时性。此外，本发明所涉及的湿气测量装置和方法还具有适用流动参数范围广、安全性能高、生产制造成本低的优点，非常适合在工程上推广应用，尤其是应用于石油与天然气工程领域的天然气井口测量。当然在其他工程领域，当涉及到高体积含气率的多相流动问题时，也可以采用本发明所述的装置和方法对其各相流量进行测量。

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。