本发明涉及流体流量测量领域， 更具体地， 涉及一种测量气液两 相混合流体中的气相流量和液相流量的方法。 背景技术

采油工业中，经常从油井中采出包含液相和气 相的气液混合流体， 业内常称之为 "湿气" 。 其中所述气相包括例如空气、 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甲烷、 乙烷、 丙烷、 丁烷等。 所述液相可包括原油本身以及采用过程中注入 油井中 的水以及其它液体添加剂。 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 必需的羞^数据。

当前， 已经有一些方法来实现这种气液两相混合流体 中气体体积 流量和液体体积流量的在线测量。

传统方法是通过分离器将气液两相混合流体分 离成气相和水相， 然后分别计量它们的体积流量。 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。

另一类方法是不对气液两相进行分离， 通过测量气液两相混合流 体的总体积流量 Q和气相分率 GVF来测量气相体积流量和液相体积流 量。 其中气相分率 GVF是指气相流量占气液两相混合流体总流量的 百 分比， 亦可表示为某一横截面处， 气相所占据的面积与整个截面面积 之比。 理想情况下的处理方法是气相体积流 Q _g = Q x GVF， 液相体积流 量 Q^ Q x ( 1-GVF ) 。 但这种测量方法要基于一个前提： 气液两相在 该截面上具有相同的速度。

但是， 实际上， 由于气液之间在密度、 粘度等性质方面差别巨大， 在实际管路中， 上述前提并不成立。 在实际管路中， 由于气体密度较 小， 气相速度常常大于液相速度， 这使得上述理想情况下测量的气相 体积流量和液相体积流量出现了一定误差， 故需要一种改进的方法来 对上述理想情况进行校正。 本领域中将气液两相混合流体在同一管路 中的气相速度与液相速度之差称为滑差， 而将气液两相混合流体在同 一管路中的气相速度与液相速度之比称为气液 滑差因子， 下文中将对 气液滑差以及气液滑差因子进行详细介绍。

目前气液两相混合流体的计量技术中对于由于 气液滑差引起的计 量误差的校正主要有两种方法：

一种方法是基于气液两相的 Lockhart- Martinel l i参数进行迭代 计算， 主要用于极高含气的湿气计量中的气量虚高修 正， 主要代表有 ISO 湿气模型，例如参见出版物 IS0/TR 11583: 2012 , 其英文题目是 "Measurement of wet gas f low by means of pressure differential devices inserted in circular cross-section condui ts " 。 这种 方法都是使用单相仪表将湿气当做单相进行计 量，不会使用多相仪表， 所以液量需要通过别的途径预先知道， 或知道个概值， 所以修正都是 针对气量的修正。 这种方法有三个主要缺点：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 。

另一种方法基于经验模型， 比如实验数据拟合模型、 或者信号处 理模型的两相流流量气液滑差修正。 这种方法有两个缺点： 经验模型 对实验数据和测量条件的依赖性很强， 无法做到通用性和精度兼顾。 另外因为多相流的流态复杂性， 使得经验模型通过对建模参量选择和 数学关系作出更合理的假定非常困难。 信号处理完全把多相流当作黑 箱处理， 计量精度和范围都有很大的人为特征和不确定 性。

因此， 本领域需要一种能够简单地且精确地测量气液 两相混合流 体中气相体积流量和液相体积流量的方法， 且还要能够对气液滑差引 起的测量误差进行校正。 发明概述

本发明的第一方面涉及一种精确测量气液两相 混合流体中气相体 积流量和液相体积流量的方法， 包括以下步骤：

a. 使气液两相混合流体流过竖直设置的圆管，以 形成环状气液两 相流； 所述环状气液两相流是指这样的一种流型： 气体以圆柱状围绕 圆管轴线， 而液体以环状分布在气体与管壁之间；

b. 测量该气液两相混合流体的总体积流量 Q、 温度 T、 压力 Ρ和 气相分率 GVF;

c 基于以下公式计算气液滑差因子 S和气体体积流量 Q _g 和液体 体积流量 (ίΰ

S = 2-GVF/ ( μ _k X ( GVF - 1 ) )

Q _g = Q x GVF S/ (1-GVF+S*GVF)

Qi = Q x (1-GVF) I (1-GVF+S*GVF)

其中，

Q为总体积流量， 单位为 m7s;

S为以 m/s计的气相速度与以 m/s计的液相速度之比， 无量纲； GVF为气相分率， 无量纲；

μ _k 为在气液两相混合流的测量温度 T和测量压力 P下以任何粘度 单位例如 Pa · s计的气体粘度 4 ₈ 与以任何粘度单位例如 Pa · s计的液 体粘度 之比， 无量纲。 本发明的第二方面涉及一种精确测量气液两相 混合流体中气相体 积流量和液相体积流量的方法， 包括以下步骤：

a. 使气液两相混合流体流过竖直设置的圆管，以 形成环状气液两 相流； 所述环状气液两相流是指这样的一种流型： 气体以圆柱状围绕 圆管轴线， 而液体以环状分布在气体与管壁之间；

b. 测量该气液两相混合流体中的液相平均速度 Π、温度 Τ、压力 Ρ和气相分率 GVF;

c 基于以下公式计算气液滑差因子 S和气体体积流量 Q _g 和液体 体积流量（ίΰ

S = 2-GVF/ ( μ _k x ( GVF - 1 ) )

Q _g = VI x A x GVF S

其中，

Π为液相平均速度， 单位为 m/s;

S为以 m/s计的气相速度与以 m/s计的液相速度之比， 无量纲； GVF为气相分率， 无量纲；

μ _k 为在气液两相混合流的测量温度 T和测量压力 P下以任何粘度 单位例如 Pa · s计的气体粘度 4 ₈ 与以任何粘度单位例如 Pa · s计的液 体粘度 μ ΐ之比， 无量纲；

Α为圆管的横截面积， 单位为 m ² 。 本发明的第三方面涉及一种精确测量气液两相 混合流体中气相体 积流量和液相体积流量的方法， 包括以下步骤：

a. 使气液两相混合流体流过竖直设置的圆管，以 形成环状气液两 相流； 所述环状气液两相流是指这样的一种流型： 气体以圆柱状围绕 圆管轴线， 而液体以环状分布在气体与管壁之间；

b. 测量该气液两相混合流体中的气相平均速度 Vg、温度 T、压力 Ρ和气相分率 GVF;

c 基于以下公式计算气液滑差因子 S和气体体积流量 Q _g 和液体 体积流量 (ίΰ

S = 2-GVF/ ( μ _k x ( GVF - 1 ) )

Q _g = Vg A x GVF

其中，

Vg为气相平均速度， 单位为 m/s

S为以 m/s计的气相速度与以 m/s计的液相速度之比， 无量纲； GVF为气相分率， 无量纲； μ _k 为在气液两相混合流的测量温度 T和测量压力 P下以任何粘度 单位例如 Pa · s计的气体粘度 4 ₈ 与以任何粘度单位例如 Pa · s计的液 体粘度 μ ΐ之比， 无量纲；

Α为圆管的横截面积， 单位为 m ² 。 附图简述

图 1是气液两相混合流体在竖直管路内形成环状� �后的截面示意 图。 其中， 中心白色部分为气相， 环状阴影部分为液相。

图 2是气液两相混合流体在竖直管路内形成环状� �后， 在某一截 面处， 气体速度和液体速度沿径向分布的示意图。

图 3是气液两相混合流体在竖直管路内形成环雾� �流后的截面示 意图。 其中， 中心白色部分为雾， 由气相和散布其中的液滴组成， 环 状阴影部分为液相。

图 4为本发明的实施例中使用的测量方法的流程� �意图。

图 5是采用本发明环状流模型修正后的气相流量� �真值相比的相 对误差以及未进行修正的气相流量与真值相比 的相对误差图。

图 6是采用本发明环状流模型修正后的液相流量� �真值相比的绝 对误差以及未进行修正的液相流量与真值相比 的绝对误差图。

以上附图仅仅是为了举例说明而提供， 不打算以任何意图来限制 本发明。 本发明的保护范围仅由权利要求确定。 发明详述

本发明中使用的术语的定义如下：

"气液两相混合流体" 是指运动中的气液混合物， 其中气相与液 相可以以任何方式混合。 例如， 气液两相可以具有连续的边界， 形成 所谓的 "分层流" ； 或者液相悬浮于气体中， 形成所谓的 "液滴流" ； 或者气相悬浮于液相中， 形成所谓的 "气泡流" ； 或者管路内某一段 是气体， 另某一段为液体， 形成所谓的 "栓塞流" ， 等等。

"流量" 是指单位时间内流过某截面的流体的体积。 流量有多种 计算方式， 按时间分， 有瞬间流量和积分流量之分， 瞬间流量是指在 某一时刻即时间点时的流量， 积分流量是指在某一时间段内的流量， 可以认为是瞬间流量在该时间段内的积分值， 故此得名。 生产上关心 的是积分流量。 故本发明中， 除非另有专门说明， 所提及的 "流量" 均是指积分流量。

"速度" ， 也称作 "流速" ， 是指流体单位时间内流过的路程。 "速度"这一术语在物理学和流体力学中本来是� ��量，但在本发明中， 将其作为标量来处理， 认为管路中所有的流体的速度都是平行于管路 轴线方向并指向流体前进方向的， 故仅考虑其大小即可， 而忽略其方 向。 这也是符合采油工业的实际需要的， 因为人们通常只关心速度的 大小， 不关心其方向如何。 "速度" 又可细分为在截面上某一点处的 速度和在整个截面上的平均速度， 前者称为点速度， 后者一般简称为 截面平均速度。 从概念上讲， 截面平均速度是点速度在截面上的面积 分值。 本发明在使用速度的概念时， 除非专门说明是点速度， 否则都 是指截面平均速度。 在多相流中， 某一相的速度， 通常应该是指该相 在其自己截面上的平均速度， 本专利中的速度比也是各相的 "平均速 度" 之比。

"气液滑差" 是指气液两相混合流体在同一管路中的气相速 度与 液相速度之差。 "气液滑差因子" 是指气液两相混合流体在同一管路 中的气相速度与液相速度之比， 无量纲。

"相分率" ， 是指在多相流的某一流通横截面（在管道中流 动时， 即为管道横截面）上， 某一相所占据的面积与该流通横截面面积的比 例。 根据所指称的相的不同， 该术语又可分为 "气相分率" （简称为

GVF, 又称截面含气率）和 "液相分率" （又称截面含液率）， 分别指 气相和液相在某一流通横截面上的所占据的面 积与该流通横截面面积 的比例。 相分率可以用相分率计来测量。

"稳态流" 是指流体的流型在宏观上不随时间变化， 即达到所谓 的 "稳态" 。 在本发明的第一方面的步骤 a中， 使气液两相混合流体流过竖直 设置的圆管， 以形成环状气液两相流； 所述环状气液两相流是指这样 的一种流型： 气体以圆柱状围绕圆管轴线， 而液体以环状分布在气体 与管壁之间。 一般认为， 当气液两相混合流体在水平或倾斜管道中流 动时， 由于液相的密度要大于气相的密度， 故液相会更多地分布在管 道的中下部位置， 这给气液两相各自的体积流量的计量以及校正 气液 滑差代来的误差造成了困难。 为避免这种情况， 本发明使使气液两相 混合流体流过竖直设置的圆管， 以形成气体在管中心流动而且液体在 管壁和气体之间流动的流型， 本发明中将其称作环状气液两相流。 这 样的环状气液两相流在测量上的优势是在稳态 下气液速度场是围绕圆 形管道的轴线对称分布的， 这给气液滑差的校正带来了便利。 本发明 人通过大量的实验发现， 通过控制以下条件： 表观气 it > 15m/s， 可以 在竖直圆管内稳定且可重现地实现这种环状气 液两相流， 其中表观气 速的测量可通过其它传统的测量方式加以粗略 地测定， 例如通过将气 相和液相进行分离后测量气相的体积流量， 再除以管路横截面积得到 表观气速。

在本发明的第一方面的步骤 b中， 测量该气液两相混合流体的总 体积流量(¾、 温度 T、 压力 Ρ和气相分率 GVF。 其中， 通过使用相分率 计来在线测量所述气相分率 GVF， 所述相分率计选自单能伽马射线相 分率计或默能伽马射线相分率计。 这些相分率计都是可商购得到的成 熟产品， 本领域技术人员知晓去何处购买以及如何使用 ， 故在此不再 赘述。 通常认为， 所测得的气相分率 GVF就是某一截面处气体所占据 的面积与截面总面积之比。在本发明的环状流 的情况下，气相分率 GVF = r。7R ² ，其中 r。是如图 1所示的圆柱状气体的半径， R是指圆形管的 内径。 温度 T可以通过任何常规测温手段获得， 例如通过热电偶或温 度计来测量。 压力 P可以使用任何常规测压设备例如压力传感器� �压 力表来测得。 总体积流量 Q可以通过使用任何常规体积流量测量方法 来测量， 例如使用文丘里流量计、 孔板流量计、 转子流量计来测量， 这些设备和方法都是已知的， 且所使用的设备均可商购得到。 具体来 说， 在本方面的一种实施方法中， 使用文丘里流量计来计量总体积流 量。 该文丘里流量计可安装在管路任何位置， 但优选安装在该竖直圆 管中的某一段上， 最优选安装在该竖直圆管中部， 并距离该竖直圆管 的入口和出口都有一定距离，例如大于该圆管 直径的 6倍以上的距离， 以使得测得的流量比较准确。 一般地， 文丘里流量计都配有差压变送 器， 用于测量该流量计入口处与其喉部的压差， 该压差可用于计算总 体积流量 Q， 具体计算公式可从任何一本流体力学教科书或 从流量计 的使用说明书中查找。 使用直接测量体积流量的流量计也是可以的。

在本发明的第一方面的步骤 c中， 基于以下公式计算气液滑差 S 和气体体积流量 Q _g 和液体体积流量 Q _{1 :}

S = 2-GVF/ ( μ _k X ( GVF - 1 ) )

Q _g = Q x GVF S/ (1-GVF+S*GVF)

Qi = Q x (1-GVF) I (1-GVF+S*GVF)

其中，

Q为总体积流量， 单位为 m7s; 已经由步骤 b测得。

S为以 m/s计的气相速度与以 m/s计的液相速度之比， 无量纲；

GVF为气相分率， 无量纲； 已经由步骤 b测得。

k为在气液两相混合流的温度 T 下气体粘度 μ ₈ 与液体粘度 μ ΐ 之比， 无量纲。 认为气体粘度 μ ₈ 与液体粘度 i在本发明中是容易获 得的物理量， 且可以以任何粘度单位例如 Pa · s计来表示。 例如， 测 定温度 T后， 通过常规的气液组成通过查表或数值计算获得 气体粘度 μ ₈ 和液体粘度 μ 或者， 通过任何常规方法将液体和气体分开后， 分别用相应的仪器例如粘度计来进行测定。

值得一提的是， 本发明中对气液滑差因子 S的计算采用了现有技 术中从未采用的方法。 其具体计算过程如下：

本发明充分利用了步骤 a中在圆形管道中得到的气液两相环状流 的对称性和稳态性， 并结合牛顿流体等特征（采油工业中所遇到的 流 体均为牛顿流体， 关于牛顿流体的概念， 可参见任何一本流体力学教 科书）， 简化描气液述两相流体的普适公式 Navier- Stokes动量方程， 求出管道截面中的气液两相的速度分布的解析 解， 然后对气液各自的 截面域积分后求出气液两相的流量， 再利用气液两相体积流量和气液 两相面积计算出气液两相各自在某一截面上的 真实平均速度， 二者的 比值即为气液滑差因子的精确解析解表达式 s。 具体推导过程如下：

I. 求解环状流中气液两相在柱坐标系下轴向速度 沿径向分布的 速度流场解析解形式， 如图 1所示：

首先， 可以列出沿直的圆形管流动的环状流的 Navier- Stokes方 程在柱坐标系下的表示形式如下 （ 这里只列出动量守恒方程，对所有 流体状态及物性量通过下标 g 或 1以区分气相或液相，其余各符号的

根据气液两相的动量方程、 对称性、 牛顿流体假设、 稳态、 绝热、 相间界面的连续性、 管壁处的无滑移， 并且忽略重力， 对 N- S方程进 行简化， 上述的方程退化为如下的常微分方程组， 边界值问题也转化 成了初值问题，初始条件、求解域由嵌套圆环 退化为线性 1维区间套， 如图 1所示：

d , 1 1 dp

dr r μ _ι dz

r < [r ₀ , R]

re[0 ， ^r o]

( ^r ; =。 (6) d _gz

dr dr

¾W = ^W = °U ( ⁸ ) 对上述方程组进行积分求解， 可得到环状流中气液两相在柱坐标 系下轴向速度沿径向分布的速度流场解析解形 式如下：

II. 通过对上述步碌得到的气液两相速度流场积分 求出气液体积 流量， 即对 ， ^分别在对应的截面域求积分计算气体积流量 和液 体积流量 如下：

III.通过上述步碌得到的气液体积流量计算出� �液速度比的解析 表达式， 此表达式即为气液滑差精确解析解。 在此， 对环状流引入两 个无量纲量： 气柱与管径的半径平方比 = ^/W ² ， 前已论述， 该气 柱与管径的半径平方比等于气相分率 GVF; 在测量温度和测量压力下 的气液粘度比 = _g / A。并对气量与液量做各自对应截面的平均速 度比， 则压力梯度和部分几何因子等同类项可以约掉 ， 得到如下的气 液速度比， 即气液滑差精确解析解： 在更一般的情况下， 在所述环状气液两相流中， 气芯部分会或多 或少地携带有一些液滴， 形成所谓的雾状流， 而液体仍以环状分布在 气体与管壁之间， 这种流型流态被称之为 "环雾状气液两相流" ， 为 了描述这种环雾状两相流的气液滑差规律， 引入变量 ε， 相应地， 滑差 因子 S的解析解为：

其中 se ", 1]， 在环雾状流的情况下， k仍代表截面含气率 GVF, 但此时的截面含气率 GVF 应表述为： GVF = s *(r。 ² /W ² ) ， s + l。 此公式中， 当 8¾近1£时， 表明流型流态为没有液膜的 纯雾状流， 气液不存在滑差， S=l， 当 ε趋近 1时， 该公式退化为前述 的理想气液环状流模型。

IV. 将上述气液滑差精确解析解代入以下公式：

= Q * GW

¾ - Q * (1 - GVF )

并做必要的简化和代数运算后， 得到最终计算公式

S = 2-GVF/ ( μ _k X ( GVF - 1 ) )

Q _g = Q x GVF S/ (1-GVF+S*GVF)

Qi = Q x (1-GVF) I (1-GVF+S*GVF)

由此， 通过本发明的第一方面的方法， 仅通过测量气液两相混合 流体的总体积流量 Q、温度 T以及相分率 GVF, 即可精准地测量气液两 相各自的体积流量， 且对气液滑差的影响进行了校正。 在本发明的第二方面中，步骤 a与本发明第一方面的步骤 a相同。 在本发明的第二方面的步骤 b中， 测量该气液两相混合流体中的 液相平均速度 V 温度 T、 压力 Ρ和气相分率 GVF。 其中温度！"、 压力 P和气相分率 GVF的测量如同本发明第一方面的步骤 b所述， 在此不 再赘述。 而液相平均速度的测量， 可以采用本领域常规测量方法， 例 如采用本领域常用的 "互相关法" 来测量。 其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 MULTIPHASE FLOW METERING))， 2005年 3月， 第二版。

在本发明的第二方面的步骤 c中， 基于以下公式计算气液滑差因 子 S和气体体积流量 (^和液体体积流量 Qi:

S = 2-GVF/ ( μ _k X ( GVF - 1 ) )

其中，

为液相平均速度， 单位为 m/s;

S为以 m/s计的气相速度与以 m/s计的液相速度之比， 无量纲； GVF为气相分率， 无量纲；

μ _k 为在气液两相混合流的测量温度 T和测量压力 P下以任何粘度 单位例如 Pa · s计的气体粘度 4 ₈ 与以任何粘度单位例如 Pa · s计的液 体粘度 μ ΐ之比， 无量纲；

Α为圆管的横截面积， 单位为 m ² 。 在本发明的第三方面中，步骤 a与本发明第一方面的步骤 a相同。 在本发明的第三方面的步骤 b中， 测量该气液两相混合流体中的 气相平均速度 V _g 、 温度 T、 压力 Ρ和气相分率 GVF。 其中温度！"、 压力 P和气相分率 GVF的测量如同本发明第一方面的步骤 b所述， 在此不 再赘述。 而气相平均速度的测量， 可以采用本领域常规测量方法， 例 如采用本领域常用的 "互相关法" 来测量。 其基本原理是沿着气体流 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， 然后用特定的公式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 《HANDB00K OF MULTIPHASE FLOW METERING》， 2005 年 3月， 第二版。

在本发明的第三方面的步骤 c中， 基于以下公式计算气液滑差因 子 S和气体体积流量 (^和液体体积流量 Qi:

S = 2-GVF/ ( μ _k X ( GVF - 1 ) )

Q _g = V _g x A χ GVF

其中，

V _g 为气相平均速度， 单位为 m/s

S为以 m/s计的气相速度与以 m/s计的液相速度之比， 无量纲； GVF为气相分率， 无量纲；

μ _k 为在气液两相混合流的测量温度 T和测量压力 P下以任何粘度 单位例如 Pa · s计的气体粘度 4 ₈ 与以任何粘度单位例如 Pa · s计的液 体粘度 μ ΐ之比， 无量纲；

Α为圆管的横截面积， 单位为 m ² 。

可以理解的是， 本文提到的公式中各个变量的物理量尽量采用 国 际单位制即 SI单位制， 以确保没有单位换算的麻烦，还确保有些作为 其它物理量的比值的物理量不会因为单位制的 选取而造成数值的不 同。 但是， 如果希望的话， 也可以使用任何其它单位制， 例如英制单 位等， 但要注意对所有单位进行自洽性统一。 实施例

提供以下实施例以更好地说明本发明及其优势 。 实施例是说明性 的， 而非限制性的。 参照附图 4， 来说明本申请的实施例。 在常温下， 使用液泵 1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 2 (例如用于测量液体流量的容积式流量计 )送入气液混合器 6 中，其中由该标准液相流量计量系统 2测得液相的体积流量 Q 液。与此 同时， 使用气泵 3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） 经过稳压器 4稳压后， 再经过标准气相流量计 量系统 5 (例如用于测量气体流量的速度式流量计）送� �气液混合器 6 中，其中由该标准气体流量计量系统 5测得气体的体积流量 Q 气。液体 与气体在气液混合器 6中充分混合， 形成气液两相流混合物， 然后经 过阀门 7调节流速后流入竖直管路 8中， 其中根据已经测量的气体体 积流量 Q 和管道横截面积 A并结合阀门开度百分比来进行控制竖直管 路 8中的表观气速 V 表气 >15m/s， 以在竖直圆管 8中建立稳态的气液两 相环状流。

用设置在竖直圆管 8上的文丘里流量计 9测量气液两相混合流的 总体积流量 Q。用与竖直管路 8的轴线正交设置的相分率计 10测量气 相分率 GVF。 用温度表 11和压力表 12分别测量混合流体的温度 T和 压力 P。 实验中， 系统的工作压力小于 2. 5MPa， 液相和气相的最高温 度不超过 80 。 实验中测量液相和气相的标准流量计量系统的 精确度 如下表 1所示：

表 1

也可以根据初步测得的 Q、 GVF以及管路横截面积用以下公式来初 步计算表观气速 V 表气： V 表气 = Q x GVF/A， 并根据此初步计算结果是否 大于 15m/s来判断管路中是否已经建立起稳态的气液� ��相环状流。 可 调节阀门开度来调节表观气速， 使之达到上述建立稳态气液两相环状 流的临界状态。 在达到稳态的气液两相环状流后， 以 10分钟为时间间隔，分别在 在不同的时间点处对上述物理量独立进行多次 测量， 以考察本发明的 方法的可重复实施性。 测量结果见表 2。

在测得温度 T后， 气相粘度 μ _g 和液体粘度 μ i分别通过相关技术 手册查表获得， 或者根据物性数据由热力学计算获得， 这些都是常规 方法， 不再资述。 真值的确定

认为上述经标准流量计量系统测得的 Q 和 Q 为液体体积流量和 气体流量的真值。将各种测量方法得到的测量 值 (^和 Q _g 与该真值进行 比较。 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 _g - Q 气 ） /Q 气 x l 00%; 而液相流量的误差则以绝对误差表示。

E1 = Q Q 液。 对比例

各物理量的测量过程如上所述， 但计算时不考虑气液滑差因子的 影响， 直接使用下列公式计算每次测量时气相体积流 量 Q _g 和液相体积 流量 Qi:

Q _g = Q x GVF,

并分别计算 El和 Eg, 分别列于表 3中， 并根据表 2绘图， 示于 图 5和图 6中。 实施例 1

各物理量的测量过程如上所述，计算时考虑气 液滑差因子的影响， 采用以下公式计算每次测量时气相体积流量（ ^和液相体积流量

S = 2-GVF/ ( μ _k X ( GVF - 1 ) )

Q _g = Q x GVF S/ (1-GVF+S*GVF)

Qi = Q x (1-GVF) I (1-GVF+S*GVF) 其中，

Q为总体积流量， 单位为 m7s;

S为以 m/s计的气相速度与以 m/s计的液相速度之比， 无量纲； GVF为气相分率， 无量纲；

μ _k 为在气液两相混合流的测量温度 T和测量压力 P下以任何粘度 单位例如 Pa · s计的气体粘度 4 ₈ 与以任何粘度单位例如 Pa · s计的液 体粘度 μ ΐ之比， 无量纲

并分别计算 E1和 Eg , 也列于表 2中。 并根据表 2绘图， 示于图 5 和图 6中。

从上述实施例以及附图 5和 6可见， 本发明相对于传统技术， 对 于气液两相混合流中的气相流量和液相流量的 测量结果， 能够获得更 小的测量误差。

值得指出的是， 以上实施例中标准液相流量计量系统和标准气 相 流量计量系统并不是实施本发明的方法所必须 的， 实施例中使用它们 仅仅是为了获取液相流量和气相流量的真值， 以便验证根据本发明的 方法测得的液相流量和气相流量的测量精确度 。 相应地， 将气液混合 物分离成单独的液相和气相也不是实施本发明 所必须的。 本发明的方 法可以直接对油井中采出的已经是气液混合物 的气液两相流进行测 量。 并且在环状流流型的判定上， 可以根据首次测量结果， 先初步计 算 V 表气， 看其是否大于 15m/s， 然后结合阀门开度的调节， 采用试差 法或迭代法， 逐步以每次测量的 V表气作为判据， 来判断竖直圆管内是 否已经形成环状流。

本发明的第二方面与第三方面的实施例与第一 方面的实施例之间 的区别仅仅在于测量总体积流量 Q的方法有所不同， 但采用的对滑差 进行修正的方法是完全相同的。 故不再举例说明。 本发明的创新性在于， 通过使气液两相流在竖直圆管内形成气液 环状流， 简化了流型的计算， 并基于该环状流流型， 首次给出了气液 滑差因子的解析解， 使得气相流量和液相流量的计算更加精准， 测量 过程也更加便捷迅速。 且本发明的方法适用条件宽， 摆脱了传统的基 于经验模型计算流量时对既往实验数据和测量 条件的强烈依赖性。 在 更一般的情况下， 本发明还可以在环雾状流流型的情况下进行测 量， 这进一步扩大了本发明的适用范围。 符号含义说明 z 柱坐标中的柱中心轴方向坐标

r 柱坐标中的径向坐标

φ 柱坐标中的纬方向角坐标

P 流体密度

g 重力加速度

φ 柱坐标中的纬方向角坐标

液相速度沿 z轴方向分量， 也是沿管线轴向分 量

u _gz 气相速度沿 z轴方向分量， 也是沿管线轴向分

量

气相粘度

i 液相粘度

r c 待定积分常数

Q _g 气相流量

Q, 液相流量

z 柱坐标中的柱中心轴方向坐标