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Title:
DEVICE AND METHOD FOR ONLINE MEASUREMENT OF GAS-PHASE FLUX AND LIQUID-PHASE FLUX OF MOISTURE IN HORIZONTAL PIPE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2014/194729
Kind Code:
A1
Abstract:
A device for online measurement of gas-phase flux and liquid-phase flux of moisture in a horizontal pipe comprises a horizontal venturi pipe and a gamma ray detector. The horizontal venturi pipe comprises a truncated cone-shaped inlet channel (1) with section area reduced gradually, a cylindrical throat channel (2) and a truncated cone-shaped outlet channel (3) with section area increased gradually. The gamma ray detector comprises a gamma ray emitter (4) and a gamma ray inspection device (5) arranged in a manner that gamma rays emitted by the gamma ray emitter (4) can radially penetrate through the cross section of the throat channel (2) to reach the gamma ray receiver (5). A method for measuring the gas-phase flux and the liquid-phase flux of the moisture in the horizontal pipe by using the device is also provided.

Inventors:
CHEN JIGE (CN)
XIE JIANHUA (CN)
WU GUODONG (CN)
HU BO (CN)
CHEN JIE (CN)
YE JUNJIE (CN)
Application Number:
PCT/CN2014/076254
Publication Date:
December 11, 2014
Filing Date:
April 25, 2014
Export Citation:
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Assignee:
LANZHOU HAIMO TECHNOLOGIES CO LTD (CN)
International Classes:
G01F5/00; G01F7/00
Foreign References:
CN103292849A2013-09-11
CN102435245A2012-05-02
CN202471152U2012-10-03
US20070144268A12007-06-28
CN1731105A2006-02-08
CN102087298A2011-06-08
EP2551648A12013-01-30
US6776054B12004-08-17
JPH1164067A1999-03-05
CN102749104A2012-10-24
US20060236779A12006-10-26
Other References:
BAI, LINHAI.: "RESEARCH OF MEASUREMENT METHOD OF OIL-WATER AND GAS MULTI PHASE FLOW", CHINESE DOCTORAL DISSERTATIONS & MASTER'S THESES FULL-TEXT DATABASE (MASTER, 15 August 2006 (2006-08-15), pages 14, ISSN: 1671-6779
Attorney, Agent or Firm:
BEIJING PANTECH INTELLECTUAL PROPRETY LAW FIRM (CN)
北京权泰知识产权代理事务所(普通合伙) (CN)
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Claims:
权 利 要 求

1. 一种在线测量水平管中的湿气的气相流量和液相流量的装置, 其包括以下构 件:

水平文丘里管, 其包括截面积渐小的圃台形入口管道, 圆筒形喉部管道和截面积 渐大的圆台形出口管道;

伽马射线探测器, 其包括伽马射线发射器和伽马射线检测器, 二者的布置方式使 得伽马射线发射器所发出的伽马射线能够以径向方向沿所述喉部管道的横截面穿过, 到达伽马射线接收器。

2. 根据权利要求 1的装置,还包括位于所述水平文丘里管上游或下游的总体积流 量计量设备; 或者, 还包括测量所述文丘里管的上游与其喉部之间的压差的压差测量 元件、 测量文丘里管上游的流体压力的压力测量元件以及测量湿气温度的温度测量元 件.

3. 根据权利要求 1的装置,其中所述枷玛射线探测器能以固定的径向方向或者变 化的径向方向进行测量。

4. 根据权利要求 1的装置,其中所述径向方向与水平径向之间的夹角 Θ选自以下 任一种情况: θ >10度, θ >15度, θ >30度, θ >45度, θ >60度, Θ > 75度, Θ >80度, >85度, 或 Θ =90度。

5. 根据权利要求 1的装置, 其中所述总体积流量计量设备选自弯管流量计、文丘 里流量计、 转子流量计、 浮子流量计、 孔板流量计, 或者, 其中所述总体积流量计量 设备选自流体流速测量设备。

6. 一种在线测量水平管中的湿气的气相流量和液相流量的方法, 包括:

a. 使湿气流过一段水平文丘里管, 该文丘里管包括截面积渐小的圆台形入口管 道, 圆筒形喉部管道和截面积渐大的圆台形出口管道;

b.通过伽马射线探测器测定沿所述喉部管道的橫截面上的径向方向的气相线性相 分率 ase, 其中伽马射线探测器包括伽马射线发射器和伽马射线检测器, 其中伽马射 线发射器所发出的伽马射线以径向方向穿过气液两相, 到达伽马射线接收器; c 根据等径偏心圆模型, 由总体积流量 以及上述径向气相线性相分率 ag_e,计 算气相流量 和液相流量 β', 具体公式如下: -计算偏心距 d: d = (R- 2R g e)sm0 + ^R2 -(R-2R g θ)2 cos,1 Θ 其中 R为所述喉部管道的半径, 其中 Θ为测量时采用的径向方向与水平径向方向 的夹角;

-计算气相面积相分率0^:

-计算气相体积相分率 GVF:

a„ xS

GVF

asgxS + l-asg

其中 S为气液两相之间的滑差因子; 当考虑滑差时, S 由经验公式计算得到; 当 不考虑滑差时, S=l, 则 GVF= aw;

-计算水平管中湿气的气相流量和液相流量:

Qg =Q,xGVF

¾ = ¾x(l-G )e

7. 权利要求 6的方法,其中总体积流量2'由位于所述水平文丘里管上游或下游的 总体积流量计量设备测得。

8.权利要求 6的方法, 其中当使用测量所述文丘里管的上游与其喉部之间的压差 的压差测量元件、 测量文丘里管上游的流体压力的压力测量元件以及测量湿气温度的 温度测量元件时, 总体积流量 由以下公式计算得到:

Qt= C i . ^ ^J, m7s

44

其中 C为流体的流出系数, 无量纲; if为文丘里管喉部处的内管径; ?为文丘里 管喉部处内管径与其入口处内管径的比值; ΔΡ为所述压差测量元件测得的压力差; p mix湿气的混合密度, 各物理量的单位, 均采用国际单位制。

9. 权利要求 6的方法,其中用于计算滑差因子 S的所述经验公式选自以下模型之 一: 动量通量模型、 Smith模型、 Chrisholm模型或海默滑差模型。

10. 权利要求 6的方法, 其中用于计算滑差因子 S的所述经验公式为海默滑差模 型。

Description:
一种在线测量水平管中湿气的气相流量和液相 流量的装置及方法

技术领域

本发明属于多相流流量计量领域。 具体地, 本发明涉及一种在线测量水平 管中的湿气的气相流量和液相流量的装置, 并涉及一种在线测量水平管中的湿 气的气相流量和液相流量的方法。 采油工业中, 经常从油井中采出包含 和气相的气液混合流体, 业内常称之 为 "湿气" . 湿气在本廣上属于一种多相流, 即气相和液相的混合流体。 其中所述 气相包括例如油田气或任何在常温下不凝的气 体, 其中该油田气一般为较轻的烷烃 例如甲烷、 乙烷、 丙烷、 丁烷等。 所述液相可包括: 油相, 例如原油本身以及在原 油开采过程中溶解在原油中的液体添加剂, 以及水相, 例如地层水、 采用过程中注 入油井中的水以及溶解在水相中的其它液体添 加剂。 如何实时准确地测量从油井中 采出的气液混合流体中气体的体积流量和液体 的体积流量, 是生产管理和生产优化 所必需的基础数据。

第一类测量多相流中气液相体积流量装置工作 原理如下: 通过分离器将气液两 相混合流体分离成气相和液相, 这种分离器一般是通过重力实现气液分离, 或通过 旋流分离器实现气液分离, 然后分别计量气相和液相的体积流量。 但由于分离器以 及相关附属设施重达数十吨, 占地上百平方米, 且控制环节多, 使得分离器的维护 和管理十分复杂, 不利于生产过程管理的自动化, 尤其不利于在沙漠和海上油田中 使用。 这种先分离后测量的方法也并非在线测量方法 , 存在测量的滞后性。

第二类在线测量湿气的气相流量和液相流量的 方法如下: 沿着湿气的生产管 线水平安装一单相仪表, 将湿气当做单相进行计量。 由于没有使用多相仪表, 所以 液量需要通过别的途径预先知道, 或知道个概值。 单相仪表的计量结果被当作气 量, 但往往虚高, 需要进行修正。 业内通常采用的修正方法是基于气液两相的

Lockhart-Martlnel l i ^ t进行迭代计算, 主 有 ISO湿气模型,例如参见出版 物 IS0/TR 11583: 2012 , 其英 J¾目是 "Measurement of wet gas flow by means of pressure differential devices inserted in circular cross-section conduits" , 所有修正都是针对气量的修正。 但这种方法存在三个主要缺点: 一是 没有明确的动力学机制; 二是只修正了气量, 没有对液量计量进行计量或修正; 第 三, 该方法的适用范围仅限于极高含气的很窄含气 率量程。

第三类测量方法是是沿着湿气的生产管线水平 安装一总流量计量设备和相分 率计, 分别测量流体的总体积流量 β '和水平管某一径向的气相线性相分率 , 并 使用以下公式进行计算:

¾ = ¾ χ (1 - ) 是总体积流量;

是气相体积流量.

是液相体积流量;

是气相线性相分率. 这种方法一般假设水平管线中的湿气为雾状流 , 即在水平管线中液相以小液滴 形式均匀分布在气相中的状态, 且气相和液相之间不存在滑差。 而且这种方法中的 相分率计一般都安装在水平管的某一径向位置 , 其测得的气体相分率为该径向位置 的气体线性相分率 , 由于上述 "均相"和 "无滑差"假设的存在, 所以所测量的 气体线性相分率 等同于气相面积相分率 0 ^和气体体积相分率 GVF。 这种方法假 设水平管线中的湿气为均相雾状流且气液之间 没有滑差, 这和湿气流动的实际情况 不太符合, 在水平管线中, 由于重力、 系统压力和温度的影响, 以及湿气 "湿" 的 程度, 湿气在水平管线中并非是一种理想的均相状态 , 使用水平管线径向的气相线 性相分率 ^ f¾气体体积相分率 GVF是存在误差的, 而这对 '液相的测量精度影响更 为明显。 在湿气中, GVF是个很接近 1的数, GVF的些许变化, 可引起 LVF极大的相 对误差, 也就造成了极大的液相测量误差。 所以, 这种方法中, 液相的测量精度往 往比较差。

第四类测量方法是在竖直管道中进行上述测量 , 以避免因 目沉积在管道底部 而造成偏离上述 "雾状流" 的假设。 其中, 所有的测量管道均要竖直安装。 但油田 中湿气的生产管线通常是水平的, 故需要将管道的方向从水平取向改变成竖直取 向 才能进行上述测量, 这需要变向管道, 以及为使流型稳定而设置的过渡管道, 造成 测量装置占用较大的空间, 这不利于在对布局紧凑性要求较高的海上油气 平台上安 装。

因此, 本领域需要一种能够对水平管线中的湿气的气 相流量和液相流量进行在 线测量的装置和方法, 这样可以不需要改变流体流向, 使用短管结构的测量装置即 可进行测量, 可极大的减少测量设备所占据的空间并简化安 装工作, 同时尽可能实 现较高的测量精度。

上述目标通过本发明的装置和方法实现。

发明内容

第一方面, 本发明涉及一种在线测量水平管中的湿气的气 相流量和液相流 量的装置, 其包括以下构件:

水平文丘里管, 其包括截面积渐小的圆台形入口管道, 圆筒形喉部管道和 截面积渐大的圆台形出口管道; 伽马射线探测器, 其包括伽马射线发射器和伽马射线检测器, 二者的布置 方式使得伽马射线发射器所发出的伽马射线能 够以径向方向沿所述喉部管道的 横截面穿过, 到达伽马射线接收器。

第二方面, 本发明涉及一种在线测量水平管中的湿气的气 相流量和液相流 量的方法, 包括:

a.使湿气流过一段水平文丘里管, 该文丘里管包括截面积渐小的圆台形入 口管道, 圆筒形喉部管道和截面积渐大的圃台形出口管 道;

b.通过伽马射线探测器测定沿所述喉部管道的 截面上的径向方向的气相 线性相分率 a g e , 其中伽马射线探测器包括伽马射线发射器和伽 马射线检测 器, 其中伽马射线发射器所发出的伽马射线以径向 方向穿过气液两相, 到达伽 马射线接收器;

c 根据等径偏心圆模型, 由总体积流量 2 '以及上述径向气相线性相分率 α g _e, 计算气相流量 和液相流量 β ', 具体公式如下:

-计算偏心距 d:

d = (R- 2R g

其中 R 为所述喉部管道的半径, 其中 Θ为测量时采用的径向方向与水平径 向方向的夹角;

-计 0 ^:

-计算气相体积相分率 GVF:

„ xS

GVF 其中 S为气液两相之间的滑差; 当考虑滑差时, S由经验公式计算得到; 当 不考虑滑差时, S = l, 则 GVF= a w;

-计算水平管中湿气的气相流量和液相流量:

Q g =Q,xGVF

¾ = ¾x(i-G ) e

附图说明

图 1是本发明的装置的示意图。其中各附图标记 义如下: 1.文丘里管入口 管道; 2. 文丘里管喉部管道; 3.文丘里管出口管道; 4和 4, .伽玛射线发射器; 5和 5' ,伽玛射线检测器; 6.总体积流量计量设备; 7.压差测量元件; 8. 温度 测量元件; 9.压力测量元件。 其中右图为左图喉部处的剖面视图。 其中 4和 4, 以及 5和 5, 只是示意性地示出了两种可能的伽玛射线发射 器和伽玛射线检测器 的位置, 实际上只需要有一套伽玛射线发射器和伽玛射 线检测器即可。

图 2是本发明的等径偏心圆模型的示意图; 其中图 2 - 1中的实线所绘成的 圆形表示水平文丘里管的横截面; 虚线所绘成的圆形表示等径偏心圃, 弧线 B1 - B2 - B3 -…- Bn为气液相界面的轮廓线, 阴影部分为液相所占据的截面积。 图 2 - 2以 Bl、 B2和 B3三点为例示意出气液相界面的轮廓线的点的 置的确定 办法; 图 2 - 3为常规的平直气液相界面轮廓线, 其中弓形的阴影部分为液相所 占据的横截面。

图 3是本发明的实验装置的流程示意图。其中图 3 - A和 3 - B示出了两种可 能的伽玛射线发射器和伽玛射线检测器的工作 位置。

图 4是本发明的装置和方法所实现的气相流量相 测量误差。

图 5是本发明的装置和方法所实现的液相流量相 测量误差。

图 6是本发明的装置的样机在英国国家工程实验 (NEL实验室) 中进行测 试时的现场照片。

以上附图仅用于示例性地说明本发明的技术构 思和技术方案,而不以任何方 式限制本发明。

发明详述

为了便于理解本发明, 首先对多相流计量领域中的一些术语简单介绍 如下:

"多相流"是指由气相和液相构成的混合流体 其中液相又可分为油相和水 相, 油相和水相可以混溶在一起作为单一的液相, 也可以不可混溶作为两种独立 的液相,

"湿气" 是一种具体的多相流, 其中将油相和水相作为单一的液相来对待, 即湿气是基本上由气相和液相组成的多相流, 其中气相体积占多相流的总体积之 比大于 90 %, 优选大于 95 % , 更优选大于 98 %。

"体积流量" 是指单位时间内流过的流体的体积, 在 SI单位制中, 其量纲 可以为 mVs。根据流体所处的温度和压力的不同,体积 流量又分为工况体积流量 和标准体积流量。 前者是在工作条件的实际温度压力下实际测得 的体积流量, 而 后者是将前者进行 PVT换算后折算成在标准状况( 298K, 101. 325kPa )下的体积 流量。

"相分率"是指多相流中各相所占的百分比。 按照计量基准区分, 相分率可 分为线性相分率、面积相分率和体积相分率。 其中线性相分率是指在一条线性上, 例如沿伽玛射线透射方向上,气相和液相各自 的吸收路径长度占气液两相总吸收 路径长度的比例,分别称为气相线性相分率 和液相线性相分率" ',其中下标 g 表示气体, 下标 1表示液体。 而面积相分率是指在某一横截面上, 气液或液相所 占据的面积占总横截面积的百分比, 也可分别称为气相面积相分率 a s和液相面 积相分率"'。而体积相分率则是指气液两相各 的体积流量占多相流总体积流量 的百分比。 所有相分率, 无论是线性相分率、 面积相分率和体积相分率, 均为无 量纲的百分比, 且满足以下条件: α , + α ι = ί ο 为了清晰起见, 在提到相分率这 一术语时, 本发明会特别注明是线性相分率、 面积相分率还是体积相分率。

"含气率"是指气相的体积相分率, 用 GVF表示; "含液率"是指液相的体 积相分率, 用 LVF表示; 显然在湿气的情况下, GVF+LVF=1。

"径向" 是指沿着圃的直径方向。

"竖直" 是指与重力加速度方向同向或反向。

"水平" 是指与重力加速度方向垂直的方向。

"滑差"是指气液两相混合流体在同一管路中流 时的气相速度与液相速度 之差, 其量纲就是速度的量纲; "气液滑差因子"是气液两相混合流体在同一管 路中流动时的气相速度与液相速度之比, 无量纲。 造成滑差的因素有很多, 其中 主要是由于气液之间在密度、 粘度、 可压缩性等性质方面差别巨大, 在实际管路 中, 由于气体密度和粘度较小, 气相速度常常大于液相速度, 造成滑差。 滑差现 象的存在给湿气中气相流量和液相流量的测量 带来误差。

"稳态流"是指流体的流型在宏观上不随时间变 , 即达到所谓的 "稳态"。 下文将对本发明所公开的在线测量水平管中的 湿气的气相流量和液相流量 的装置以及方法进行详细介绍。

本发明的第一方面涉及在线测量水平管中的湿 气的气相流量和液相流量的 装置, 其包括以下构件: 水平文丘里管和伽马射线探测器。 以下将分别介绍。

水平文丘里管

文丘里管是流量计量领域的常见设备, 其能使得流体发生 "节流"作用。 文 丘里管的最基本的組件包括截面积渐小的圃台 形入口管道, 圆筒形喉部管道和截 面积渐大的圆台形出口管道。流体从上游管道 流入文丘里管的截面积渐小的圆台 形入口管道,随着流动面积的渐小,发生节流 作用,即流体流速增加但静压降低, 当流体并到达文丘里管的截面积最小的圆筒形 喉部管道时, 流速达到最大,静压 降到最低,然后流体沿着文丘里管的截面积渐 大的圃台形出口管道流出该文丘里 管, 进入下游管道。通过测量文丘里管上游管道或 上游管道与其入口管道交界处 (即未发生节流作用之处)的压力 Pl, 以及测量文丘里管的喉部管道处的压力 P2, 计算压力差 Δ Ρ, 并结合文丘里管的结构参数, 能够计算流体的流量或者流 速。有关文丘里管的更多具体结构以及计算流 体流量或流速的公式, 可参见任何 一本流体力学教科书。这里不再赘述。本发明 中,要求文丘里管以水平方式布置, 亦即文丘里管的中轴线呈水平方向。

伽马射线探测器

伽玛射线探测器是多相流流量计领域中常用的 一种探测器,其一般包括伽马 射线发射器和伽马射线检测器,本发明中要求 二者的布置方式要使得伽马射线发 射器所发出的伽马射线能够以径向方向沿所述 喉部管道的横截面穿过,到达伽马 射线接收器。伽玛射线探测器工作原理是, 由位于管道一侧的伽马射线发射器中 的放射源发出具有一定初始强度即发射强度 N。的伽玛射线,优选为经过准直的伽 玛射线, 该伽玛射线穿过吸收介质时, 会因与吸收介盾发生光电效应、 康普顿散 射和电子对产生等相互作用,而发生强度衰减 ,即被吸收介质吸收掉至少一部分, 然后位于管道另一侧的伽马射线检测器检测衰 减后的伽玛射线强度即透射强度 N, 并基于一定的公式计算出吸收介质的吸收系数 。 其中所述放射源可以采用各 种合适的放射源。在多相流体作为吸收介质的 情况下, 由于气相和液相对于伽玛 射线具有不同的吸收系数,因此,对于具有不 同的气相 -液相比例的多相流来说, 将具有不同的吸收系数。 可通过对由传统的气液分离设备(例如旋流分 离器或者 冷凝分离器)分开的气相和液相分别进行测量 , 来事先获得气相和液相各自的吸 收系数, 作为本发明测量中重要的常数来使用。 据此, 对测得的气液混合物的吸 收系数进行分析计算, 将有可能提供各相的相分率的信息。

本发明中使用的伽玛射线探测器是已知的, 关于其更多工作原理和设备细 节, 可参见相关的专著。 本文不再赘述。

本发明中要求,伽马射线发射器所发出的伽马 射线能够以径向方向沿所述喉 部管道的橫截面穿过, 到达枷马射线接收器。径向布置要使得伽玛射 线能够穿过 气液两相。 一种很确定的能穿过气液两相的径向布置方式 是竖直径向, 因为即便 湿气中的液量再少, 在发生液相沉降后, 在水平管最底部也能有存液。 然而, 这 本领域技术人员也可以根据具体情况选择非竖 直径向即倾斜径向的方向,并用该 倾斜径向水平方向之间的夹角 Θ ( 0° < Θ < 90° )来表示该倾斜径向的具体方 向。技术人员不难通过对湿气含气率的历史经 验值的筒单估算来选择该倾斜径向 的具体方向以确保沿此倾斜径向伽玛射线仍能 穿过气液两相。 实践中, 技术人员 还可以通过简单的试锗法来选择该倾斜径向的 具体方向, 因为一旦伽玛射线仅能 穿过气相时, 则伽玛射线检测器的读数将迅速下降一个数量 级, 则测量时排除这 种情况即可确保伽马射线穿过气液两相。 此外, 在本发明的实施方案中, 所述伽 玛射线探测器能以固定的径向方向或者变化的 径向方向进行测量。优选使用竖直 径向方向。但也可以使用任意倾斜径向方式, 例如所述径向方向与水平径向之间 的夹角可以为以下选择之一: θ > 10度, θ > 15度, θ > 30度, θ > 45度, Θ > 60度, θ > 75度, θ > 80度, Θ > 85度或 Θ = 90度。 只要能确保伽玛射线 穿过气液两相, 则采用各角度时的测量结果在测量误差方面是 彼此相当的。如下 所述,这将使得伽玛射线探测器的布置角度可 以根据油气输送管道的具体现场空 间条件进行灵活布置, 而不影响测量精度。

本发明的气液两相流量计量装置还可以任选地 包括位于所述水平文丘里管 上游或下游的用于测量多相流总体积流量的总 体积流量计量设备。这些总体积流 量计量设备的作用是测量多相流的总体积流量 ,且可以采用流体流量计量领域已 知的任何适合于计量流体总体积流量的流量计 。 例如, 但不限于, 弯管流量计、 文丘里流量计、 转子流量计、 浮子流量计、 孔板流量计等等。 关于总体积流量计 量设备的工作原理和设备细节, 也可参见相关教科书或者设备厂家的产品说明 书。 本文不再赘述。 或者, 所述总体积流量计量设备也可以选自流体流速 计量设 备, 这种流速计量设备能够测出多相流的平均流速 , 然后通过乘以管道截面积而 得到总体积流量。一种示例性的流体流速计量 设备可以是通过互相关法测量流体 流速的设备。互相关法的基本原理是沿着液体 流动方向在距离已知的两点处设置 两个传感器, 该传感器可以是基于微波、 射线、 差压或电阻抗的传感器, 可用于 检测流体的密度、 电导率或电感。 工作时, 两个传感器检测同一信号经过此已知 距离所需要的时间, 然后计算出流体的平均速度。 该 "互相关法" 的原理及其所 使用的计算公式是现有技术已知的, 例如参见挪威油气计量协会出版的

《Handbook of mul t iphase f low meter ing》, 2005年 3月, 第二版。

然而, 优选地, 本发明的多相流量计量装置不使用单独的上述 位于所述水平 文丘里管上游或下游的用于测量多相流总体积 流量的总体积流量计量设备,而是 就使用本发明中所述的水平文丘里管完成总流 量的测量。 即, 本发明的多相流量 计量装置还可以包括测量所述文丘里管的上游 与其喉部之间的压差的压差测量 元件、测量文丘里管上游的湿气压力的压力测 量元件以及测量湿气温度的温度测 量元件。 由此, 则可以根据常规文丘里管测量流量的原理使用 该水平文丘里管来 完成总体积流量的测量, 而不必使用单独的总体积流量计量设备。

本发明的第二方面涉及一种在线测量水平管中 的湿气的气相流量和液相流 量的方法, 其所包括的步骤如发明概述部分所述。 下面就各步骤进行更详细地阐 述。

在其中的步骤 a中,使湿气流过一段水平文丘里管,其中在 述喉部管道处, 在重力作用下, 湿气中的液相和气相发生至少部分分层, 因此在水平文丘里管的 喉部处就存在着气液分层现象。气液至少部分 分层现象在水平管道中是容易发生 的, 甚至是难以避免的。 例如, 在水平文丘里管上下游的水平管道中, 也存在气 液至少部分分层现象。气液至少部分分层后产 生的气液相界面可以是清晰的界面 也可以是模糊的界面, 这取决于分层是否完全以及流体的瑞动程度。 本申请的发 明人经过长期实臉发现,在所述水平文丘里管 的喉部处的气液分层比该文丘里管 上下游的水平管道中的气液分层更有利用价值 , 其可以用于测量气液相流量。

在其中的步骤 b中,通过枷马射线探测器测定沿所述喉部管 的横截面上的 径向方向的气相线性相分率 α 8 _ θ ,其中伽马射线探测器包括伽马射线发射 器和伽 马射线检测器, 其中伽马射线发射器所发出的伽马射线以径向 方向穿过气液两 相, 到达枷马射线接收器。 其中伽玛射线探测器的布置方式如本发明的笫 一方面 中所述, 可以采用任何径向方向, 只要能确保伽玛射线穿过气液两相即可。

在其中的步骤 c中,根据等径偏心圃模型, 由总体积流量 以及上述径向气 相线性相分率 a g _ e , 计算气相流量 和液相流量 β ' , 具体公式以下将评细说明。 总体积流量计量设备, 如果选用的话, 其选择和布置方式等也如同本发明的第一 方面中所述。 现在, 重点对 "等径偏心圆模型" 进行介绍, 正是本申请人独创性 地采用该模型,才使得在线测量水平管中的湿 气的气相流量和液相流量在技术上 成为可能和可行的。

所谓 "等径偏心圆模型" , 就是假设气液相在水平圆管道中因液相沉降作 用 而发生完全分层后, 液相的存在区域会是这样的一个区域: 一个原本与水平管道 的圆形横截面(不妨将水平管道的圆形横截面 称为 "截面困" )完全重合的圆在 竖直径向上向上偏移一段距离 d(不妨称 d为偏心矩)后得到一个"等径偏心圃", 该 "截面囷" 内的不与该 "等径偏心圆" 重合的那一块弯月形区域, 即为假设气 液完全分层时液相所占据的区域。 圆形管道内的其余区域则为气相所占据。如图

2 - 1所示, 其中囫 0为截面囷, 圃 0' 为偏心圆, 则假定弯月形的阴影部分区域 就是气液相完全分层后液相所占据的区域, 管道内其余区域则认为被气相所占 据。 二者之间的交界线被认为是气液相界面。 在该等径偏心圆模型下, 该气液相 截面是一个清晰的界面, 这给本发明的气液相流量计算带来便利。但值 得指出的 是, 实际上的气液相界面可能并不是如此清晰的界 面, 而是有可能为一个模糊的 界面, 尤其是在气液不完全分层的情况下; 且即便气液完全分层, 其实际气液界 面也只能是非常接近上述清晰的界面, 而很难真正完全达到上述清晰的界面。但 本发明中, 无论气液相界面的真实情况如何, 均可由气相线性相分率 a g e 数据出 发, 通过归一化方法来计算出名义上的气液相界面 点, 结合图 2- 2所示, 将该归 一化方法介绍如下: 在某一径向方向上, 伽玛射线穿过的气相长度与截面圆的直 径之比即为气相线性相分率 oc s _ e ,例如在图 2 - 2中, 当伽玛射线沿直径 AC穿过 时,认为线段 BC代表枷玛射线穿过的气相长度, 而线段 AB代表枷玛射线穿过的 液相长度, AC 即为截面圃直径, 则根据气相线性相分率 a s e 的定义可知: a s e = BC/AC = BC/2R. 当通过伽马射线探测器测得 a s _ e后, 可通过 BC=2R x a s e 来计 算 BC的长度, 进而确定 B点位置,认为该 B点即为沿直径 AC方向上的归一化后 的气液相界面点, 也可以称为名义上的气液相界面点。 注意, 之所以称为 "名义 上" , 是因为其只是在归一化计算中假设的气液相界 面点, 不一定是真实的气液 相界面点。 改变直径的方向例如分别沿着直径 A1C1、 A2C2、 A3C3 AnCn测 量一系列的 a g e 来, 则可通过上述归一化方法计算得出一系列气液 相界面点 B1、

B2、 B3 Bn, 连接这些点 Bl、 B2、 B3 Bn, 则可得到归一化的气液相 界面。 并进行后续计算。 因此, 换句话说, "等径偏心圆模型"也可以做如下等 效表述: 在水平困管内的穿过气液两相的任一径向方向 上, 认为气相长度等于 2R a g _ e , 液相长度等于 2R x ( 1 - α 8 θ ) , 并将据此所计算出的气液交界点的 位置作为名义上的气液相分界点的位置, 连接所有名义上的气液相分界点的位 置, 则得到名义上的气液相界面, 该名义上的气液相界面可用上述等径偏心圆仍 留在截面圆内的那段圆弧来表示,故将上述确 定名义上的气液相界面的过程之为 "等径偏心圆模型" 。

尽管上述等径偏心圃模型建立的前提是气液完 全分层,但申请人在实践中惊 讶地发现, 即便气液不完全分层而只是发生部分分层, 按照上述 "等径偏心圃模 型"进行测量和计算, 仍能得到同气液完全分层一样的测量精度。 换句话说, 实 践中按照该模型进行测量和计算时,气液是否 完全分层并不会影响测量和计算结 果的精度。 这一令人惊讶的发现在对于测量实践的指导意 义非常重大:一是在测 量实践中, 可以完全省略掉对于气液是否完全分层的判断 , 进而可省略掉测量装 置中用于保证气液完全分层的物理设备; 二是, 基于此发现, 有可能实现在水平 管中对湿气进行气液相流量的精确测量, 因为不再要求湿气必须以均相的 "雾状 流"形式存在, 即气液分层是否分层以及是否分层完全, 都不再干扰气液相流量 的测量,这使得原本只能在竖直管道中进行的 湿气流量测量也可以在水平管道中 进行。 上述 "等径偏心圆模型"也大大出乎本领域技术人员 料, 因为传统上, 基 于液体的流平性, 技术人员会认为, 在圆形管道内气液完全分层后, 气液相之间 的界面是一条水平直线, 即液相所占据的面积是几何学上的 "弓形" , 如图 2- 3所示。技术人员从未想到该气液相界面可以 上述 "等径偏心囷模型"来描述。

在创造性地建立该等径偏心圆模型后,则在测 量实践中就可以根据该等径偏 心圆模型来从水平文丘里管喉部的任意径向方 向上测得的线性 oc s e 数据出发计 算气液相各自的体积流量,而不必非得使用从 竖直径向方向测得的线性 ct g e 数据 出发进行计算, 这也为伽马射线探测器的布置角度提供了极大 的灵活性, 在空间 有限的海上石油平台上使用或者在对现有湿气 管道进行改装性流量计安装时,这 尤其方便。

采用该等径偏心 1¾模型,则可以根据总体积流量 2 '以及上述径向气相线性相 分率 a s _ e , 计算气相流量 和液相流量 β ', 具体公式以下:

-计算偏心距 d:

d = (R-2R g e )sin0 + ^R 2 -(R-2R g θ ) 2 cos 2 θ

其中 R为所述喉部管道的半径,其中 Θ为测量时采用的径向方向与水平径向 方向的夹角;

a

-计算气相面积相分率

-计算气相体积相分率 GVF:

„ χ S

GVF

a sg xS+l-a sg

其中 S为气液两相之间的滑差因子; 当考虑滑差时, S由经验公式计算得到; 当不考虑滑差时, S = l, 则 GVF= a w;

-计算水平管中湿气的气相流量和液相流量:

Q g =Q t xGVF

其中总体积流量 可以由位于所述水平文丘里管上游或下游的总 体积流量 计量设备测得。或者, 也可以通过本发明的第一方面压差测量元件所 述的测量所 述文丘里管的上游与其喉部之间的压差、压力 测量元件所测量的湿气的压力以及 温度测量元件所测量的湿气温度, 来根据常规文丘里流量计计算公式进行计算, 公式如下: Q= ' '(AP/ Pm j, m 3 /s

其中 C为流体的流出系数, 无量纲; if为文丘里管喉部处的内管径; 为文 丘里管喉部处内管径与其入口处内管径的比值 ; ΔΡ 为所述压差测量元件测得的 压力差; 湿气的混合密度, 各物理量的单位, 如果有的话, 均采用国际单位 制。

其中滑差因子的计算可以采用文献中已经发表 的任何模型,一些可供选用的 模型如下:

( 1 )动量通量模型 (Momentum Flux Model ) 其中 为气相密度

' 为液相密度

关于该模型的更多细节, 请参见以下文献: J.R. Thome "Void Fraction in Two-Phase Flows" , Engineering Data Book ΙΠ ( Wolverine Tube Inc ), Chapter 17, 2004.

(2) Smith模型 (Smith Model)

其中 P,. 为气相密度

' 为液相密度

ε 为夹带因子

χ 为干度

关于该模型的更多细节, 请参见以下文献: S.L.Smith, Void Fractions in Two-Phase Flow: A Correlatioin Based Upon an Equal Velocity Head Model, Proceedings of th institution of mechanical Engineers, Vol.184, No.36, pp 647-664, 1969。

( 3 ) Chisholm模型 ( Chisholm Model ) 其中 为气相密度

Pl 为液相密度

x 为干度

关于该模型的更多细节,请参见以下文献: D. Chi sholm, Pres sure Gradients due to Fr ict ion Dur ing the Evaporat ing Two-Phase Mixtures in Smooth Tubes and Channel s , Heat Mas s Transfer , Vol. 16, pp 347-358 , 1973. Pergamon Pres s.

( 4 )海默滑差模型 ( Ha ifflo Model )

其中 为气相面积相分率, A为气液两相粘度比, ε 为 夹带因子, 其可以根据经验取值, 或者通过以下方法得到: 用本发明的装置与标 准气相流量计量设备和标准液相流量计量设备 共同测量同一湿气的气相流量和 液相流量, 进行有限次实验, 分别得到一组气相流量和液相流量的实验值和 真值 后, 然后对实验数据进行数据回归而得到夹带因子 的实验值, 进而将该回归得到 的夹带因子实验值作为已知常数应用到仅单独 使用本发明的测量装置的场合中。 其中数据回归技术是本领域技术人员已知的, 不再赘述。

其中该海默模型为本申请人根据大量实验数据 自行建模而得出的模型。 具体实施方式

提供以下实施例以说明本发明的技术方案, 其仅仅为举例说明性的, 而不 以任何方式限制本发明。

1、 实验装置及其简介

关于本发明的装置和测量方法的验证性实验在 英国国家工程实验室 ( Nat ional Engineer ing Laboratory, 简称 NEL实验室) 中进行, NEL是目前 世界公认的多相流计量设备评估和测试的权威 机构, 素以客观、 权威和严格著 称, 故目前国际主流油气生产商均要求其多相流量 计供应商所供应的多相流量 计必须通过该实验室的测试。 本发明的测量装置如图 1 所示, 其中各元件均可 商购得到。 图 3是本发明的整套实验装置的示意图。 在常温下, 使用气泵 10将 经过净化的某一气相(例如空气、 氮气、 天然气或油田伴生气, 等等)经过标准 气相流量计量系统 11 (例如用于测量气体流量的速度式流量计)送 水平测试管 线中, 其中由该标准气体流量计量系统 11测得气体的流量 Q气。 与此同时使用液 泵 12将某一液体(例如原油、 水或油水混合物, 等等)经过标准液相流量计量 系统 13 (例如用于测量液体流量的容积式流量计)送 水平湿气管线中, 其中 由该标准液相流量计量系统 13测得液相的流量 Q ft 。 上述气相流量和液相流量均 可独立调整, 以便在水平测试管线中建立不同的湿气流量条 件, 并在不同的湿 气流量条件下进行测量。 液体与气体在测试管线中混合形成湿气。 上述湿气流 经图 3中虚线所示的本发明的测量装置进行测量。

实施例中, 未使用单独的总体积流量计量设备, 而是就用设置在水平测试 管线上的如图 1 中所示的文丘里流量管并结合对湿气温度、 压力以及文丘里管 上游与喉部压差的测量, 来计算气液两相混合流的总流量 Q t 。 其中用径向布置 在上述水平文丘里管喉部两侧的伽玛射线发射 器 4和伽玛射线检测器 5来测量气 相线性相分率 。 各实施例中, 伽玛射线发射器 4和伽玛射线检测器 5的测量 方向可以是竖直径向或倾斜径向。 用温度表 8和压力表 9分别测量上述混合流体 在进入水平文丘里管前的温度 T 和压力 P。 实验中, 系统的工作压力稳定在 6MPa , 液相和气相的温度稳定在 20 TC。

2. 真值的确定以及误差的表示

实验中测量标准气相流量计量系统 11和标准液相流量计量系统 13的计量精 度如下表 1所示:

表 1. 标准气液相流量计量系统极其计量精度

认为上述经标准流量计量系统测得的 Q ¾ 和 ( 为液体和气体流量的真值。 将 经过本发明的测量装置和测量方法测得的测量 值(^和 Q g 与该真值进行比较, 以 进行评价。 按照本领域的习惯性做法, 气相流量的误差以相对误差表示: Eg = ( Q s - Q /Q χ 100¾; 液相流量的误差以相对误差表示: El = ( Qr Q /Q 嶋。

3、 气液相体积流量的测量和计算

通过上述实验装置, 直接测得的物理量是总体积流量 Q t 和测得的文丘里管 喉部处的线性气相相分率 oc g — e , 以及湿气的温度 T和压力 P。 其中关于气体、 液 体以及湿气的诸多物性参数, 例如粘度、 密度、 干度和压缩因子等, 可根据上 述 T和 P用任何流体状态方程计算得到, 这些计算是热力学以及流体力学中的常 规计算方法, 可参见任何一本热力学教科书和流体力学教科 书, 在此不再赘 述。 气体和液体本身的組成可以另行单独测得。 此外, 计算中若需要本发明的 装置的任何具体物理尺寸和几何特征, 则认为这些都是已知的, 因为这不难通 过实测而得到。

在最终的气液体积流量计算过程中, 采用以下两种计算方法:

3. 1直接采用上述测得的气液两相的总体积流量 Q t 和测得的文丘里管喉部处 的线性气相相分率 α g e , 按照以下公式计算气液相体积流量: 并将气液相体积流量结果列于表 2和表 3中的第 H列和第 I列, 并将它们与 真值之间的相对误差列在第 L和第 M列。

3. 2 采用本发明的计算方法, 利用上述 "等径偏心圆模型" 和 "滑差模 型" 计算气液相体积流量, 将结果分别列于表 2和表 3中的第 J列和笫 I [列, 并 将它们与真值之间的相对误差列在笫 N和笫 0列。 其中滑差模型采用上述海默滑 差模型。

4. 实施例 1

采用图 3 - A所示的装置, 其中伽玛射线探测器的测量方向为竖直径向。 具 体测量方法和计算方法如上所述, 测得的实验数据列于表 2中。

5. 实施例 2

采用图 3 - B 所示的装置, 其中伽玛射线探测器的测量方向与水平径向成 30° 角。 具体测量方法和计算方法如上所述, 测得的实验数据列于表 3中。

6. 气液相流量的相对误差

为了清楚体现气液相流量的测量相对误差, 申请人还对上述表 2和表 3中的 误差数据进行做图, 如图 4和图 5所示。

从上述表 2和表 3以及图 4和图 5中的数据可见, 采用本发明的装置和方 法, 不仅能够实现在水平管道中对湿气的气液相流 量进行测量, 而且取得了非 常高的测量精度, 在采用上述 "等径偏心圃模型" 和 "滑差模型" 进一步修正 后, 气液相体积流量的相对误差都大大减少, 尤以液相的相对误差减少地更为 明显。 这是传统的湿气流量测量装置和方法所难以比 拟的。 湿气测量领域中一 个巨大困难就是液相体积流量的测量误差非常 大, 因为液相流量在湿气中所占 比例非常小, 例如根据湿气的 "湿" 的程度不同, 小于 10 % , 或小于 5 % , 或 小于 2 %, 因其基数小, 故其对于测量误差特别敏感。 按照一般油气生产商的规 格要求, 认为液相体积流量的相对误差小于 20 %就算是可接受的, 因此传统的 湿气流量测量装置和方法中对于液相体积流量 的设计测量误差也在 ± 20 %以 内。 图 4和图 5中的校正前的误差曲线也说明了这一点。 而在本发明的方法中, 无论是以竖直径向测量还是以倾斜径向测量, 都能较好地实现 ± 20 %以内的液 相流量相对误差, 这首先证明了本发明的装置和方法能替代现有 技术的装置和 方法。 此外, 本申请人还以相对于水平径向成 45° 、 60° 等方向进行了更多的 实验, 结果均显示, 液相流量的相对误差都大大降低, 若以最大相对误差计, 可以达到在 ± 14 %以内, 若以平均误差计, 可以达到在 ± 7 %以内。

以上实施例体现了本发明的装置和方法测量湿 气中气液两相各自流量的可 行性以及大大降低液相流量测量的相对误差的 巨大优势。

需要指出的是, 尽管实施例中示例性地使用了 "等径偏心圆模型" 与 "海 默滑差模型" 的组合进行了测量和数据处理, 但实际中, 由于本发明中已经创 造性地用 "等径偏心圆模型" 将测得的气相线性相分率转化为更接近实际情 况 的气相的面积相分率, 在后续的使用滑差模型将面积相分率转化为体 积相分率 的过程中, 显然也使用其他滑差模型, 亦即, 本发明中也可以根据需要将上述

"等径偏心圆模型" 与其他滑差模型組合使用, 都能实现本发明的根本目的: 在水平管中对湿气中的气液相流量进行在线和 高精度测量。

相对于传统流量计, 本发明的测量装置以及测量方法具有以下优点 : 1. 对湿气中气液两相流量的测量可以在水平文丘 里管中进行, 这突破了传 统的必须在竖直管道中进行测量的技术偏见。

2. 伽马射线探测器可以沿着水平文丘里管喉部的 任何径向进行布置, 而不 必限于竖直径向方向。

3. 测量精度提高, 例如对于液相流量, 若以最大相对误差计, 可以达到在

± 14 %以内, 若以平均误差计, 可以达到在 ± 7 %以内; 对于气相流量, 若以最 大相对误差计, 可以达到在 ± 3. 6 %以内, 若以平均误差计, 可以达到在土 2. 9 %以内。 该精度创造了国内外湿气流量计测量的最高精 度水平。

以上仅仅出于举例说明的目的说明了本发明, 本领域技术人员将会理解, 实施例中所列出的布置方式、 具体数字等仅仅是示意性的, 本领域技术人员可 以在不背离权利要求所限定的本发明的保护范 围的情况下, 根据具体实际情况 对本发明的诸多细节进行变化。 本发明的保护范围以权利要求中的表述为准。

表 2. 伽玛射线探测器竖直径向测量(即 Θ = 90° )时, 气液相流量的测量结果以及相对误差

表 3. 伽玛射线探测器倾斜径向测量( Θ = 30° )时, 气液相流量的测量结果以及相对误差