非稳定多相流开放式液体流量计的制作方法

本发明涉及一种特殊流体状态条件下的液体流量计量电子设备，主要用于油气行业页岩气、煤层气压裂返排液现场实时计量及数据采集传输。

背景技术：

油气行业页岩气、煤层气开采多采用水力压裂工艺进行储层改造、增大产能，压裂液返排量是需要及时获取的重要生产数据。页岩气、煤层气压裂液返排特点包括：①可能含杂质，如砂粒、煤屑等，气水分离不充分时可能携气(气液两相流)；②流量波动大、不稳定，低流量时处于管道非充满流动状态；③流量范围宽，返排初期流量很大、可达20～30m³/hr区间，后期流量很小，0.01～0.1m³/hr区间。

目前液体流量现场计量常用四种方法：容积式流量计、涡轮式流量计、体积法和吊桶试验。

容积式水表——容积式水表与家用水表类型相同，但流体中少量的固体颗粒(如煤屑、砂粒或压裂凝胶)容易堵塞仪表导致测量失准；此外，这种水表也不适用气液两相流条件下液体计量。

涡轮式流量计——常安装在泵出口处，也可应用于贮水池或水处理设施中，其读数比容积式流量计精确。该类仪表由涡轮流量变送器、前置放大器和显示仪表组成，流体经过涡轮流量变送器时推动涡轮转子旋转，其转速与液体流量成一定比例并可由此计算出液体流量。该类仪表同样不适用于含杂质、气液两相流及低流量等流体状态。

体积法——通过测量接纳液体的水池或水箱中液体体积的增长(截面积×液面高度增加)来获得液体流量数据；该方法测量结果粗略、效率低，不适合低流量测量且受环境影响大(如降水、蒸发)。

吊桶试验——利用有刻度的容器或吊桶进行试验，计量产出水充满一定体积水桶所需的时间，然后转换成阶段流量，该方法结果粗略、效率低；也有据此原理设计了自动化装置，但一般体积较大(储液箱、缓冲箱)且造价较高。

为此，本发明利用水力冲击原理设计了开放式液体流量计以适应页岩气、煤层气压裂液返排计量需求。

技术实现要素：

流量计装置结构如附图1所示。

原理：测量返排液在转向管道垂直向下出口的液体“水力冲击力”。

技术关键：转向管道(出口垂直向下)及悬挂器(筛网开放式结构)安装坚固稳定；装配有压力传感器的测量台(“电子秤”原理)采样频率及均一算法设置合适、信号响应曲线校正准确；环境条件影响消减。

量程：可划分为两级，0.01～2.0m³/hr(约3～600ml/s)、0.50～50m³/hr(约0.15～1501/s)。

误差：0.01～2.0m³/hr级别不大于5％、0.50～50m³/hr级别不大于2％。

优点：砂粒、煤屑等杂质对测量及设备影响小，少量气体混合对测量影响小、必要时可加装排气三通；可连续自动测量，加装无线通讯模块可实现远程数据传送。

其他：工作环境温度-5～50℃；数据存储空间满足连续记录30天以上，无外接电源时提供电池续航能力30天以上；使用寿命3～5万小时。

附图说明

图1流量计装置结构示意

①转向管道②悬挂器③测量台④排气三通

图2流量计现场安装示意

①水泥墩②固定螺栓

图3测量台结构示意

①锥面盘②压力传感器及模数转换模块③数据采集、计算、存储及通讯模块

具体实施方式

1、流体管道出口首先加装转向管道，确保出口垂直向下(使液体冲击与重力方向一致)；需注意流量较大时转向管道受到水力冲击力较大，必要时可采用适当方式(如水泥墩+螺栓固定)予以固定。

2、若管流中明显含气，可加装向上排气口(三通)；需注意排气管道高度、避免液体从排气口溢出，若气液量均较大、可考虑在转向管道前增加一级气液分离器(不在本发明范围内)。

3、转向管道出口外固定安装悬挂器及测量台(流量较大时水力冲击力也较大，可架设水泥墩支撑测量台)；悬挂器采用15°外斜喇叭口形状不锈钢支架及疏松滤网组合结构(整体高度30～50cm、滤网高度20～30cm，利于气体排出、不对测量台增加气体冲击力)，底部挂接测量台接受并测量水力冲击力。

4、测量台采用“电子秤”原理，核心结构为“5°锥面盘+压力传感器”，测量提供实时流量、累计流量结果数字显示(显示面板须置于悬挂器之上、通过导线连接测量台)和数据输出接口；锥面盘有利于液体快速溢出并适度降低冲击力。

5、根据室内实验，考察传感器信号离散稳定情况，合理设置传感器信号采集频率(2～5次/秒)及阶段(1～5秒)数据平均计算；根据多个流量点(5～8个)响应结果计算响应校正曲线。该项工作内容属测量校正工作，其数据输入、计算程序均固化在测量台内并在提供现场使用前完成校正。

6、现场测量可加装无线数据通信模块及相应数据通讯程序实现远程自动数据采集(不在本发明范围内)。

技术特征：

1.一种可适用于非稳定、多相流态的开放式液体流量计，其特征在于通过直接测量液体垂直向下的“水力冲击力”来间接计算液体流量。

2.如权利要求1所述的液体流量计，其特征在于采用压力传感器来实现“水力冲击力”测量。

技术总结
本发明涉及一种特殊流体状态条件下的液体流量计量电子设备，主要用于油气行业页岩气、煤层气压裂返排液现场实时计量。页岩气、煤层气压裂液返排具有可能含杂质或携气、流量范围宽且不稳定、低流量时管道非充满流动状态等特点，针对这些特点利用水力冲击原理设计了开放式液体流量计以适应压裂液返排计量需求。本发明设计的流量计装置结构如附图所示；其原理是测量返排液在转向管道出口的液体“水力冲击力”；技术关键在于通过转向管道确保水力冲击力垂直向下、采用装配有压力传感器的测量台进行实时测量，要求传感器采样频率及均一算法设置合适、信号响应曲线校正准确。

技术研发人员：杜宏宇
受保护的技术使用者：杜宏宇
技术研发日：2020.04.09
技术公布日：2020.07.10