CN106092236A - 一种多相流计量检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多相流计量检测系统，系统包括文丘里管、取压模块、电容层析成像模块、电阻层析成像模块、超声检测模块以及数据采集与处理单元；文丘里管的上游、喉部以及下游分别设置有上述模块；数据采集与处理单元与取压模块、电容层析成像模块、电阻层析成像模块、超声检测模块以及差压变送器电连接，用于采集并处理各功能模块的数据。该检测系统将电容层析成像技术、电阻层析成像技术、超声检测技术与文丘里相结合，利用各传感器的信号联合对多相流量进行求解；并将各传感器设计为标准化模块形式，使其在文丘里上的位置可灵活变动，通过调整测量位置对不同流型的多相流动提供精确测量；具有结构简单，信号提取稳定，响应频率高等优点。

Description

一种多相流计量检测系统

技术领域

本发明涉及油气工业中油-气-水等多相流计量测量设备的技术领域，特别是涉及一种多相流计量检测系统。

背景技术

据勘测，整个南海盆地群石油地质资源量约在230亿至300亿吨之间，天然气总地质资源量约为16万亿立方米，占中国油气总资源量的三分之一，其中70％蕴藏于153.7万平方公里的深海区域。随着陆上油气剩余资源的不断消耗，工业界对海洋油气开采的需求日益提高，水下多相流计量技术也成为业界关注的焦点。

而我国海上油气工业中，长期使用传统的集气站对凝析天然气(两相)进行分离，再采用单相流量仪表对分离后的介质进行计量。这一做法虽可保证一定计量精度，但其弊端也十分明显。分离计量站的建设不仅费用昂贵，更重要的是一个开采区块一般仅能搭建一个分离计量站，该区块中的众多天然气井的产量只能定期轮流进行计量，进而无法满足石油公司对每一口井的产量信息进行实时监测的需求。

专利103076057A中提出一种通过X射线的衰减信息对油-气-水多相进行含率分析的计量方法。该方法虽可对多相流中的液相有较高的识别率，但其缺陷在于所使用的放射性方案是存在较大的安全隐患，在我国的工业界还鲜有运用。

专利202252857U中提出，通过对多相流体进行混合和加速，形成对称的环状流后，再对其进行两级分流：将环状流分成十六个对称分布的独立流道，取其中间隔均匀的四股为一路，然后再分离、分别计量的方法。由于其技术的核心还是分离计量，因此存在结构复杂压损较大以及计量效率有限等弱点。

发明内容

本发明提供了一种多相流计量检测系统，能够解决现有技术中检测多相流计量的设备及方法过程复杂的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种多相流计量检测系统，所述系统包括文丘里管、取压模块、电容层析成像模块、电阻层析成像模块、超声检测模块以及数据采集与处理单元；所述文丘里管的上游、喉部以及下游分别设置有所述取压模块、所述电容层析成像模块、所述电阻层析成像模块以及所述超声检测模块，相邻所述取压模块之间连接有差压变送器，用以测量不同位置取压模块之间的压力差值；所述数据采集与处理单元与所述取压模块、所述电容层析成像模块、所述电阻层析成像模块、所述超声检测模块以及所述差压变送器电连接，用于采集并处理各功能模块的数据。

根据本发明一优选实施例，所述检测系统还包括设于文丘里管上游的压力变送器，所述压力变送器用于检测文丘里管上游位置处的压力值。

根据本发明一优选实施例，检测系统还包括设于文丘里管下游的温度变送器，所述温度变送器用于检测文丘里管下游位置处的温度值。

根据本发明一优选实施例，所述文丘里管的喉部设有两个取压模块，且两个取压模块之间的间距不小于200mm。

根据本发明一优选实施例，所述文丘里管的上游管路与喉部之间设有收缩段，喉部与下游管路之间设有扩张段；所述上游管路、所述收缩段、所述喉部、所述扩张段以及所述下游管路之间通过法兰结构连接。

根据本发明一优选实施例，上游设置的取压模块与收缩段的起始端距离大于0.5D；下游设置的取压模块与扩张段的末端距离大于6D，其中，D为上游管路或者下游管路的内直径。

根据本发明一优选实施例，所述取压模块、所述电容层析成像模块、所述电阻层析成像模块以及所述超声检测模块均采用法兰结构与所述文丘里管的上游管路、喉部以及下游管路连接。

根据本发明一优选实施例，各功能模块测量的参数满足以下方程式：其中，W_G为气相质量流量，A为气相流通面积，A_G是气相流通面积，A_L是液相流通面积，U_G为气相真实流速，τ_GW为气相与管壁间的剪切应力，τ_i为气相与液膜间的剪切应力，τ_LW是液相与管壁间的剪切应力，S_GW为管道截面上气相与管壁接触的长度，S_LW是液相与管壁的接触长度，S_i为管道截面上气相与液膜接触的长度，角度θ是指管道与水平面间所成的锐角；x是流体的流向长度，dx是流向空间步长；g是重力加速度；ρ是密度，下标(G\L)表示气相或液相。

根据本发明一优选实施例，所述文丘里管的内径在50-250mm之间；喉部与上游管路或者下游管路的直径比在0.4-0.75之间；收缩段的收缩角范围为16-25°；扩张段的扩张角在7-15°之间；喉部的长度范围在300-600mm。

本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明提供的多相流计量检测系统，将电容层析成像(ECT)技术、电阻层析成像(ERT)技术、超声检测技术与文丘里相结合，利用各传感器的信号联合对多相流量进行求解；并将各传感器设计为标准化模块形式，使其在文丘里上的位置可灵活变动，通过调整测量位置对不同流型的多相流动提供精确测量；具有结构简单，信号提取稳定，响应频率高等优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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。

图1是本发明多相流计量检测系统一优选实施例的结构示意图；以及

图2是图1实施例中检测系统的工作原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明作进一步的详细描述。特别指出的是，以下实施例仅用于说明本发明，但不对本发明的范围进行限定。同样的，以下实施例仅为本发明的部分实施例而非全部实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，图1是本发明多相流计量检测系统一优选实施例的结构示意图，该检测系统包括但不限于以下结构组成：文丘里管100、取压模块(2、6、10、11)、电容层析成像模块(3、7、12)、电阻层析成像模块(4、8、13)、超声检测模块(5、9、14)以及数据采集与处理单元20。

具体而言，文丘里管100包括上游管路21、收缩段1、喉部22、扩张段23以及下游管路24。其中，收缩段1设于上游管路21和喉部22之间，扩张段23设于喉部22和下游管路24之间。上游管路21、收缩段1、喉部22、扩张段23以及下游管路24之间通过法兰结构连接。

文丘里管的内径在50-250mm之间；喉部22与上游管路21或者下游管路24的直径比在0.4-0.75之间；收缩段1的收缩角范围为16-25°；扩张段23的扩张角在7-15°之间；喉部的长度范围在300-600mm。

文丘里管100的上游、喉部以及下游分别设置有取压模块、电容层析成像模块、电阻层析成像模块以及超声检测模块。优选地，该取压模块、电容层析成像模块、电阻层析成像模块以及超声检测模块均采用法兰结构与文丘里管的上游管路21、喉部22以及下游管路24连接。需要说明的是，文丘里管100的上游、喉部以及下游分别设置的取压模块、电容层析成像模块、电阻层析成像模块以及超声检测模块的排布形式以及位置关系并不限于图中所示的情况，可以根据需求调换位置及排布顺序。也就是说文丘里管喉部22的ECT模块7，ERT模块8，超声传感器模块9以及取压模块(6、10)可相互交换位置，用以选取合适的稳定的取压位置与成像位置。同样，在文丘里的上游与下游的各模块也可互换位置。

相邻取压模块之间连接有差压变送器(16、17、18)，用以测量不同位置取压模块之间的压力差值。数据采集与处理单元20与取压模块(2、6、10、11)、电容层析成像模块(3、7、12)、电阻层析成像模块(4、8、13)、超声检测模块(5、9、14)以及差压变送器(16、17、18)电连接，用于采集并处理各功能模块的数据。

文丘里管喉部22位置处优选设置两个取压模块(6、10)，且两个取压模块(6、10)之间的间距不小于200mm。优选地，上游设置的取压模块2与收缩段1的起始端距离大于0.5D；下游设置的取压模块11与扩张段23的末端距离大于6D，其中，D为上游管路21或者下游管路24的内直径。

进一步优选地，该检测系统还包括压力变送器15和温度变送器19，该压力变送器15具体设于文丘里管上游管路21上，用于检测文丘里管上游位置处的压力值。温度变送器19具体设于文丘里管下游管路24上，用于检测文丘里管下游位置处的温度值。通过文丘里管100上游的压力变送器15与文丘里管100下游的温度变送器19测量流体的压力与温度，通过该信息可以计算得到多相流中的气相密度。

油-气-水多相流经过文丘里管的收缩段1后，油-水两相将在加速作用下形成乳化液，导致多相流变为环状或段塞型的气-液两相流动。在此状态下，气-液两相的动量微分方程可由式(1)与(2)表示。

$-{\mathrm{dp}}_G=\frac{W_G}{A_G}{\mathrm{dU}}_G+\frac{{\mathrm{\τ}}_{GW}{S}_{GW}}{A_G}dx-\frac{{\mathrm{\τ}}_i{S}_i}{A_G}dx+{\mathrm{g\ρ}}_{G}dx\·sin\mathrm{\θ}---\left(2\right)$

$-{\mathrm{dp}}_L=\frac{W_L}{A_L}{\mathrm{dU}}_L+\frac{{\mathrm{\τ}}_{LW}{S}_{LW}}{A_L}dx-\frac{{\mathrm{\τ}}_i{S}_i}{A_L}dx+{\mathrm{g\ρ}}_{L}dx\·sin\mathrm{\θ}---\left(2\right)$

其中，气相密度通过压力变送器15所测的管道压力计算；液相为水和油的混合物，其密度可通过ECT与ERT传感器(即电容层析成像模块和电阻层析成像模块)所测量的含水率与含油率获得。由于实际测量中在管道截面上仅有唯一的静压测量值，因此可将液相与气相的静压值视为相等。此时将(1)(2)两式合并后可得：

$-A\left(\frac{dp}{dx}\right)=W_G\frac{{\mathrm{dU}}_G}{dx}+W_L\frac{{\mathrm{dU}}_L}{dx}+{\mathrm{\τ}}_{GW}{S}_{GW}+{\mathrm{\τ}}_{LW}{S}_{LW}+(A_G{\mathrm{\ρ}}_G+A_L{\mathrm{\ρ}}_L)sin\mathrm{\θ}---\left(3\right)$

其中，W_G为气相质量流量，A为气相流通面积，A_G是气相流通面积，A_L是液相流通面积，U_G为气相真实流速，τ_GW为气相与管壁间的剪切应力，τ_i为气相与液膜间的剪切应力，τ_LW是液相与管壁间的剪切应力，S_GW为管道截面上气相与管壁接触的长度，S_LW是液相与管壁的接触长度，S_i为管道截面上气相与液膜接触的长度，角度θ是指管道与水平面间所成的锐角；x是流体的流向长度，dx是流向空间步长；g是重力加速度；p是密度，下标(G\L)表示气相或液相。

上式中，除了气相与液相质量流量W_G与W_L外，其余参数均可通过ECT模块(7、12)，ERT模块(8、13)以及超声模块(9、14)的测量信号获得。将上式用来描述喉部22以及扩张段23的压降，可得到两个关于W_G与W_L独立的方程。同时，使用差压变送器17对加长后的喉部压降进行测量，得到流体在直管中的不可恢复压降；使用差压变送器18对文丘里扩张段23的差压进行测量。求解该方程组即可获得气相流量与液相流量的值。

在此基础上，使用喉部的传感模块(电容层析成像模块7、电阻层析成像模块8、超声检测模块9)与文丘里下游的传感模块(电容层析成像模块12、电阻层析成像模块13、超声检测模块14)对液相中的含水率进行检测，即可获得液相中的水流量从而求出油-气-水三相流量。具体计算流程请参阅图2，图2是图1实施例中检测系统的工作原理图。

不同的流型将在文丘里的收缩段1产生不同的压降。本发明通过差压变送器16对文丘里收缩段1压降进行测量可得到流体在该部分产生的总压降。通过文丘里上游的传感器集群(电容层析成像模块3、电阻层析成像模块4、超声检测模块5)与文丘里收缩段1的压降测量装置(差压变送器16)可对多相流的来流情况，进行准确判断从而对流量计算模型进行有针对性的优化。

该实施例中，将电容层析成像(ECT)技术、电阻层析成像(ERT)技术与文丘里相结合，同时辅以可测量液膜厚度的超声检测技术对油-气-水多相流量进行计量。本发明可通过设置在文丘里不同关键位置的电学成像传感器与超声传感器对当地的截面相分布与液膜厚度进行识别，这些信息可帮助判断多相流在文丘里中压降产生原因。进而可通过多级差压信号建立方程组解出油-气-水三相的流量。另外，该发明实施例中还将各传感器设计为标准化模块形式，使其在文丘里上的位置可灵活变动，通过调整测量位置对不同流型的多相流动提供精确测量。该检测系统具有结构简单，信号提取稳定，响应频率高等优点。

以上所述仅为本发明的部分实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种多相流计量检测系统，其特征在于，所述系统包括文丘里管、取压模块、电容层析成像模块、电阻层析成像模块、超声检测模块以及数据采集与处理单元；所述文丘里管的上游、喉部以及下游分别设置有所述取压模块、所述电容层析成像模块、所述电阻层析成像模块以及所述超声检测模块，相邻所述取压模块之间连接有差压变送器，用以测量不同位置取压模块之间的压力差值；所述数据采集与处理单元与所述取压模块、所述电容层析成像模块、所述电阻层析成像模块、所述超声检测模块以及所述差压变送器电连接，用于采集并处理各功能模块的数据。

2.根据权利要求1所述的检测系统，其特征在于，所述检测系统还包括设于文丘里管上游的压力变送器，所述压力变送器用于检测文丘里管上游位置处的压力值。

3.根据权利要求2所述的检测系统，其特征在于，检测系统还包括设于文丘里管下游的温度变送器，所述温度变送器用于检测文丘里管下游位置处的温度值。

4.根据权利要求1所述的检测系统，其特征在于，所述文丘里管的喉部设有两个取压模块，且两个取压模块之间的间距不小于200mm。

5.根据权利要求1所述的检测系统，其特征在于，所述文丘里管的上游管路与喉部之间设有收缩段，喉部与下游管路之间设有扩张段；所述上游管路、所述收缩段、所述喉部、所述扩张段以及所述下游管路之间通过法兰结构连接。

6.根据权利要求5所述的检测系统，其特征在于，上游设置的取压模块与收缩段的起始端距离大于0.5D；下游设置的取压模块与扩张段的末端距离大于6D，其中，D为上游管路或者下游管路的内直径。

7.根据权利要求5所述的检测系统，其特征在于，所述取压模块、所述电容层析成像模块、所述电阻层析成像模块以及所述超声检测模块均采用法兰结构与所述文丘里管的上游管路、喉部以及下游管路连接。

8.根据权利要求1所述的检测系统，其特征在于，各功能模块测量的参数满足以下方程式：其中，W_G为气相质量流量，A为气相流通面积，A_G是气相流通面积，A_L是液相流通面积，U_G为气相真实流速，τ_GW为气相与管壁间的剪切应力，τ_i为气相与液膜间的剪切应力，τ_LW是液相与管壁间的剪切应力，S_GW为管道截面上气相与管壁接触的长度，S_LW是液相与管壁的接触长度，S_i为管道截面上气相与液膜接触的长度，角度θ是指管道与水平面间所成的锐角；x是流体的流向长度，dx是流向空间步长；g是重力加速度；ρ是密度，下标(G\L)表示气相或液相。

9.根据权利要求5所述的检测系统，其特征在于，所述文丘里管的内径在50-250mm之间；喉部与上游管路或者下游管路的直径比在0.4-0.75之间；收缩段的收缩角范围为16-25°；扩张段的扩张角在7-15°之间；喉部的长度范围在300-600mm。