气液两相流量计量的湿气孔板流量计、控制方法及应用与流程

1.本发明属于湿气流量计量设备技术领域，尤其涉及一种气液两相流量计量的湿气孔板流量计、控制方法及应用。


背景技术：

2.目前，在气田开采与集输生产管理过程中，为监测气井生产流量实施动态变化情况，需要在生产管线上安装在线流量计，用于实时计量天然气的产量，获得气井连续生产的实时数据，用于动态监控气井生产、优化生产工艺。依据天然气井开采工艺设计，在生产管线上都会安装标准气体计量仪表，如涡街流量计、超声波流量计、孔板流量计等，用于测量每口天然气井的产量。但是，随着天然气井生产、地层储量与条件发生变化后，地层中的水等液体会伴随天然气进入生产管线，形成湿气流体，经过标准计量仪表。由于标准气体计量仪表只能计量单相气体介质，当气液混合经过气体计量仪表后，会直接影响气体计量仪表的测量精度，测量误差远远超出生产计量监控所需的精度，得到的数据不能用于实时监测与分析。在天然气井处理站上，会选用分离后计量的测试分离器技术，即让天然气井产出流体先通过两相分离器进行气、液分离后，再分别由单相仪表进行计量。但由于分离器体积庞大、造价较高，只能用于处理站计量，不能进行单井实时计量。
3.例：现有技术中的专利：一种用于湿气流量计量的湿气孔板流量计(专利号：zl 2017 2 0724330.4)，通过伽马射线吸收技术实时测量气体与液体的混合比例，以及孔板流量计实时测量的数值，并通过专用数学模型对孔板流量计测量的数值进行修正，补偿由于液体导致孔板流量计的测量误差，最终可以获得天然气单井的天然气和液体的实时产量。但是现有技术在在气液混相的情况，由于液体导致孔板流量计的测量误差，无法获得天然井的天然气和液体的实时产量。
4.通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有技术由于分离器体积庞大、造价较高，只能用于处理站计量，不能进行单井实时计量。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种气液两相流量计量的湿气孔板流量计、控制方法及应用。本发明在气液混相的情况，通过实时测量气体与液体的混合比例，以及孔板流量计实时测量的数值，并通过专用数学模型对孔板流量计测量的数值进行修正，补偿由于液体导致孔板流量计的测量误差，最终可以获得天然井的天然气和液体的实时产量。
6.本发明是这样实现的，一种用于气液两相流量计量的湿气孔板流量计，所述用于气液两相流量计量的湿气孔板流量计设置有工艺管线；
7.工艺管线上设置有孔板，孔板上端安装有差压变送器；
8.工艺管线上端安装有温度变送器、压力变送器、差压变送器、微波传感器；
9.温度变送器、压力变送器、差压变送器、微波传感器分别与流量计算机连接。
10.进一步，所述工艺管线水平放置，工艺管线通过上下游连接法兰与天然气井生产管线连接，导入生产流体。
11.进一步，所述孔板为标准差压式流量计的节流原件，安装在测量管线上。
12.进一步，所述差压变送器设置有高低压取压口，高低压取压口安装在孔板的上下游，用以测量流体通过孔板时产生的上下游压力差。
13.进一步，所述流量计算机安装在防爆盒内。
14.进一步，所述压力变送器位于孔板上游的工艺管线上，用以测量工艺管线内部流体的实时压力。
15.进一步，所述温度变送器位于孔板上游的工艺管线上，用以测量工艺管线内部流体的实时温度。
16.本发明另一目的在于提供一种所述用于气液两相流量计量的湿气孔板流量计的用于气液两相流量计量的湿气孔板流量计控制方法，所述用于气液两相流量计量的湿气孔板流量计控制方法，包括：
17.工艺管线水平放置并与天然气井生产管线直接连接，当天然气井生产时，天然气或气液两相混合流体进入工艺管线，通过孔板，在孔板的上下游之间产生一定的差压，由差压变送器测量出此差压；
18.之后流体通过微波传感器，由微波传感器利用天然和液体对微波相位差值，实现天然气与液体比例的测量，温度变送器和压力变送器安装在孔板上游工艺管线上，直接测量工艺管线内部流体的温度和压力，流量计算机实时采集温度变送器、压力变送器、差压变送器和微波传感器的信号，利用专用数学模型计算后，得到天然气生产流体中天然气、液体的流量及压力和温度数据，并将数据传输给用户的采集系统，做最终的生产管理评价。
19.进一步，所述微波传感器利用天然和液体对微波相位差值，实现天然气与液体比例的测量，具体过程为：
20.依据微波传输理论，微波在介质中的传输速度公式为：
[0021][0022]
式中：v为微波在介质中的传输速度m/s，c为真空光速m/s；ε为介电常数，μ为磁导率；其中，磁导率1可以忽略，微波的传输速度与介质的介电常数相关；即天然气和水的介电常数不同，微波的传输速度也就不同，设备投入运行之前，对微波传感器进行纯气和全水标定，分别得到微波在气体中的速度vg和在水中的速度vw；
[0023]
微波传感器信号发生天线与接收天线之间距离固定，通过集成微电路系统可实时得到微波穿过被测气液两相混合介质传输速度v，通过计算可得到实时的含气率gvf，gvf计算公式：
[0024][0025]
孔板为标准差压式流量计，遵循标准公式：
[0026][0027]
式中：qv为体积流量，m3/h；c为流出系数；d为孔板直径，mm；ε为流束膨胀系数；ρ为
流体工况下的密度,kg/m3；δp为压差，pa；β为孔板喉径比β＝d/d； d为孔板上游测量管内径,mm；
[0028]
上述参量中，c、d、ε、β均与孔板的几何尺寸相关，为定值；在气液两相流体中，混合流体的密度公式：
[0029]
ρ
mix
＝ρg·
gvf+ρ1·
(1-gvf)
ꢀꢀ
(4)
[0030]
δp由差压变送器实时测量获得,结合公式(1)(2)(3)(4)，得到气液两相流体的总流量v；
[0031]
天然气流量公式：
[0032]vg
＝v
·
gvf
ꢀꢀ
(5)
[0033]
液体流量公式：
[0034]v1
＝v
·
(1-gvf)
ꢀꢀ
(6)。
[0035]
本发明另一目的在于提供一种所述用于气液两相流量计量的湿气孔板流量计在油田生产在线不分离计量产品中湿气流量计量中的应用。
[0036]
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明用于湿气计量的孔板流量计安装在天然气井的生产管线上，既能实现纯天然气生产计量，也能完成湿气条件下天然气井产量的实时计量，天然气计量精度不受液体的影响。本发明即克服了两相分离器结构庞大、复杂等缺点，又有效解决液体对单相气体仪表测量精度的影响。本发明具有设计新颖、结构简单、尺寸紧凑、安全可靠、安装方便、成本低廉，能够有效的解决油气开采与集输过程中气液两相不分离、实时计量问题。
附图说明
[0037]
为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对本技术实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0038]
图1是本发明实施例提供的用于气液两相流量计量的湿气孔板流量计结构示意图。
[0039]
图中：1、工艺管线；2、孔板；3、温度变送器；4、压力变送器；5、差压变送器；6、流量计算机；7、微波传感器。
具体实施方式
[0040]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0041]
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种气液两相流量计量的湿气孔板流量计、控制方法及应用，下面结合附图对本发明作详细的描述。
[0042]
如图1所述，本发明实施例提供的用于气液两相流量计量的湿气孔板流量计设置有工艺管线1，工艺管线水平放置，并通过上下游连接法兰与天然气井生产管线直接连接，导入生产流体。工艺管线1上设置有孔板2，孔板2上端安装有差压变送器5；工艺管线1上端
安装有温度变送器3、压力变送器4、差压变送器5、微波传感器7；温度变送器3、压力变送器4、差压变送器5、微波传感器7分别与流量计算机6连接。
[0043]
其中，孔板2为标准差压式流量计的节流原件，安装在测量管线上，被测流体通过孔板2时会在孔板的上下游产生一定的压力差，该压力差与孔板的参数和流量相关。差压变送器5的高低压取压口安装在孔板的上下游，用于测量流体通过孔板时产生的上下游压力差。
[0044]
微波传感器7安装在孔板下的管线上，通过测量微波穿过固定距离内介质后的传输速度，结合纯气纯液标定的微波传输速度，计算得到被测介质的气液比例。压力变送器4位于孔板上游的工艺管线上，用于测量工艺管线内部流体的实时压力。温度变送器3位于孔板上游的工艺管线上，用于测量工艺管线内部流体的实时温度。流量计算机6安装在防爆盒内，用于采集微波传感器、压力变送器、温度变送器、差压变送器的信号，经由内置专用数学模型计算后，对外输出被测天然气井的实时气体流量、液体流量及温度和压力。
[0045]
所述依据微波传输理论，微波在介质中的传输速度公式为：
[0046][0047]
式中：v为微波在介质中的传输速度m/s，c为真空光速m/s；ε为介电常数，μ为磁导率；其中，磁导率1可以忽略，这样微波的传输速度与介质的介电常数相关。即天然气和水的介电常数不同，微波的传输速度也就不同，设备投入运行之前，对微波传感器进行纯气和全水标定，分别得到微波在气体中的速度vg和在水中的速度vw。
[0048]
微波传感器信号发生天线与接收天线之间距离固定，通过集成微电路系统可实时得到微波穿过被测气液两相混合介质传输速度v，通过计算可得到实时的含气率gvf，gvf计算公式：
[0049][0050]
孔板为标准差压式流量计，遵循标准公式：
[0051][0052]
式中：qv为体积流量，m3/h；c为流出系数；d为孔板直径，mm；ε为流束膨胀系数；ρ为流体工况下的密度,kg/m3；δp为压差，pa；β为孔板喉径比β＝d/d； d为孔板上游测量管内径,mm。
[0053]
上述参量中，c、d、ε、β均与孔板的几何尺寸相关，为定值；在气液两相流体中，混合流体的密度公式：
[0054]
ρ
mix
＝ρg·
gvf+ρ1·
(1-gvf)
ꢀꢀ
(4)
[0055]
δp由差压变送器实时测量获得,结合公式(1)(2)(3)(4)，得到气液两相流体的总流量v；
[0056]
天然气流量公式：
[0057]vg
＝v
·
gvf
ꢀꢀ
(5)
[0058]
液体流量公式：
[0059]v1
＝v
·
(1-gvf)
ꢀꢀ
(6)。
[0060]
本发明的湿气孔板流量计工作过程：工艺管线1水平放置并与天然气井生产管线直接连接，当天然气井生产时，天然气或气液两相混合流体进入工艺管线1，通过孔板2，在孔板2的上下游之间产生一定的差压，由差压变送器5测量出此差压；之后流体通过微波传感器7，由微波传感器7利用天然和液体对微波相位差值，实现天然气与液体比例的测量，温度变送器3和压力变送器4安装在孔板上游工艺管线1上，直接测量工艺管线1内部流体的温度和压力，流量计算机6实时采集温度变送器3、压力变送器4、差压变送器5和微波传感器 7的信号，利用专用数学模型计算后，得到天然气生产流体中天然气、液体的流量及压力和温度数据，并将数据传输给用户的采集系统，做最终的生产管理评价。
[0061]
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0062]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。