极高含水三相流流量测量装置及测量方法 技术领域

本发明涉及一种安装在油田输油管线上油气水 三相流除水装 置， 特别是一种使用该装置的适用于油田输油管道 内油气水三相 流流量测量装置和测量方法。 背景技术

目前世界许多陆地油田已经陆续进入特高含水 期，.正确的每 一口特高含水油井中油气水三相产物的流量数 据是油田采油工作 中的基础数据， 是优化生产和优化油藏管理的主要依据。

为获取上述数据， 近年来出现的多相流计量系统， 由于不需 要对油气水进行分离即可对油气水三相流混合 物进行连续实时的 测量、 占地面积小、 安装维护简单、 精度高等优点已被广泛的应 用于单井计量， 在数字化智能油田系统中扮演重要的角色。 现有 的多相流量计系统对油气水三相流混合物的测 量过程一般如下：

1 ) 测量总流量率 2 , 含水率 WC和含气率 GVF;

2 ) 计算气流量率 = 2*GVF

3 ) 计算液流量率 ¾ = ( 1-GVF )

4 ) 计算油流量率 β。=¾ * ( 1-WC )

5 ) 计算水流量率 2 _w =a *WC

但是油井产出物中油、 气、 水各个组分的相对份额会有大幅 的变化： 它可能是高含气（含气率接近 100% ),也可能是全液（含 气率 0。/。）； 在液相中， 可能全是油（含水率 0% ); 也可能是高含 水（含水率接近 100% )， 以及上述极端值之间的任意组合。 对于 极高含水（含水率 95%以上） 情况， 如附图 1所示， 在不同的含 水率水平，由含水率的测量误差引起的油流量 率误差具有"漏斗效 应"， 含水率水平越高， 纯油流量率的误差越大； 而现有的多相流 量计系统的含水率测量精度一般在 2%左右， 因此在极高含水水 平下， 含水率的测量误差会造成純油测量极大的误差 ， 这就在很 大程度上限制了现有多相流量计在这种场合的 应用。

传统的分离式多相计量系统是将油井产物分离 成油、 气、 水 三种单相流体， 然后在各自的出口分别进行计量。 但它的购置和 运行成本太高， 对于单口井无法实现连续实时计量， 且分离效果 受诸多因素影响， 尤其在极高含水的情况下， 系统在正式开始计 量之前需要的稳定时间长， 纯油油路中的油水分离效果差， 纯油 的计量结果的代表性较差， 误差大。 其次由于油气水三相分离器 的结构和流程复杂， 一般计量分离器以及相关辅助设施重达几十 吨， 占地面积大， 系统维护管理繁杂， 需要控制的环节多， 导致 建站运行、 维护费用高， 不利于实现生产过程和管理的自动化， 这些缺点对经济效益低的油田 （如特高含水期油田） 尤为突出。 发明内容

因此，为了提高极高含水情况下含水测量和纯 油测量的精度， 满足油田生产计量的需求， 本发明的笫一个目的在于提供一种安 装在极高含水率油气水三相流输油管道上的除 水装置， 以降低油 气水三相流的含水率， 满足纯油的测量精度要求。

本发明的第二个目的在于提供一种安装在输油 管道上采用本 发明的极高含水油气水三相流除水装置而对极 高含水油气水三相 流进行连续测量的油气水流量测量装置。

本发明的第三个目的在于提供一种采用极高含 水油气水三相 流流量测量装置对油气水三相流流量进行测量 的测量方法。

为了实现第一个目的， 本发明提供的极高含水油气水三相流 除水装置可以自动有效地分离出大部分的游离 水， 从而降低余下 油水混合液中的含水率， 这样就可以在较低的含水率水平进行含 水率的测量， 从而提高纯油流量率测量的精度。 本发明的除水装 置包括壳体、 集液腔、 入口连接管段、 气体出口连接管段、 游离 水出口连接管段、 混合液出口连接管段、 除雾器、 流体整流器、 沥油器、 带有挡板的排油导流管， 以及安装在壳体侧面的用于液 位控制的差压变送器（或其它类型的液位计） 。从入口进入除水装 置的极高含水油气水多相流在重力的作用下进 行气液分离， 气体 经由除雾器除雾后从上部的气路出口排出， 液体经由流体整流器 进入除水容器下部， 游离水经由沥油器从水路出口排出， 液体部 分上部的油水混合物或油气水混合物通过排油 导流管排出， 在游 离水除水的过程中， 差压变送器或液位计可以检测除水装置内液 面的高度， 为控制系统提供调整信号。

为了实现第二个目的， 本发明提供了一种安装在输油管线上 的极高含水油气水三相流流量测量装置， 该装置使用了本发明的 极高含水油气水三相流除水装置， 还包括： 和所述除水装置入口 连接管段连接的总流量计量管段、 和所述除水装置气体出口连接 管段连接的排气管段、 和所述除水装置混合液出口连接管段连接 的排油管段、 和所述除水装置游离水出口连接管段连接的排 水管 段、 汇流管段， 以及计算机计算系统 /流量计算机。 总流量计量管 段包括： 密度计 （如单能伽玛密度计 /相分率计）、 差压式流量测 量器件（如文丘里管）、 盲三通混合装置、 以及安装在计量管段上 的温度变送器、 压力变送器、 差压变送器。 排气管段上有一控制 阀。 排水管段包括： 用于水流量计量的单相流量计 （如电磁流量 计），控制阀和止回阀。排油管段安装有油气 水三相含水分析仪（如 能伽玛含水分析仪）。计算机系统用于计算极 高含水油气水三相 流的总体积流量率 2， 纯油体积流量率 ， 气体体积流量率 , 水体积流量率 。

为了实现第三个目的， 本发明提供了一种测量极高含水油气 水三相流流量测量方法， 包括下列步骤：

1 ) 使输油管道内的极高含水油气水三相流进入盲 三通混合 管段， 盲三通混合管段将极高含水油气水三相流进行 混合。

2 ) 使流经盲三通混合段的极高含水油气水三相流 进入有密 度计 （如单能伽玛密度计 /相分率计）， 差压式流量测量装置 （如 文丘里管）， 温度变送器， 压力变送器组成的计量管段， 计量管段 对极高含水油气水三相流的总流量差压值 Δ？、含气率 GVF、温度 和压力进行测定。

3 ) 使极高含水油气水三相流进入装置的除水容器 。

4 ) 使极高含水油气水三相流在除水容器内进行气 液分离， 液体整流， 游离水分离， 使气体从气路出口排出， 大部分的游离 水从水路出口排出， 并在排水管段进行游离水流量 ά的计量， 剩 余的油水混合液经由导流管从油路出口排出， 并在排油管段上安 装的含水分析仪处进行此混合液的含水率 wc测量。

5 ) 在排液过程中， 除水容器上安装的差压变送器或液位计 实时检测除水容器内液面的高度， 装置的控制系统根据这一测量 结果来调整游离水排水管段控制阀门和排气管 段控制阀门的开 度， 将除水容器内的液位控制在合适的高度， 使得游离水排水管 段中不含任何的油， 并防止气体进入排水管段， 或过多的气体进 入排油管段， 或液体进入气路。

6 ) 计算

计算极高含水油气水三相流的体积流量率， 本文所指流量率 均为体积流量率， 以下简称流量率。

计算公式为： 总流量率： Q

气流量率： =2* GVF

液流量率： Q,=g* ( l-GVF )

油流量率： ρ。= ( Q Q _w ' ) * ( 1-WC )

水流量率： β _Μ ,=β + ( Q _r Q _w ) *WC

使用本发明的极高含水油气水三相流流量测量 装置可以自动 有效地分离出大部分的游离水， 降低油气水混合液中的含水率， 在极高含水的条件下， 可以较精确地测量纯油流量率。 附图说明

图 1描述了不同含水率水平下含水率的测量误差� �纯油流量 率测量误差的关系。

图 2是本发明极高含水油气水三相流除水装置的� �个实施例 的示意图。

图 3是本发明极高含水油气水三相流除水装置的� �一个实施 例的示意图。

图 4是本发明极高含水油气水三相流流量测量装� �中的一个 实施例的示意图。

图 5是本发明的使用极高含水油气水三相流流量� �量装置的 油气水三相流流量测量方法的主要流程图。 具体实施方式

下面结合附图详细描述本发明的实施例。

图 2示出了本发明的极高含水油气水三相流除水� �置的一个 实施例。

在图 2中， 标号 1代表游离水出口连接管段， 2代表集液腔， 3代表沥油器， 4代表混合液出口连接管段， 5代表导流管， 6代 表挡板， 7代表流体整流器， 8代表除雾器， 9代表气体出口连接 管段， 10代表入口连接管段， 11代表液位计， 12代表差压变送 器。

其过程为极高含水率油气水三相流经入口连接 管段 10 进入 除水装置后， 气液首先进行重力分离， 除水装置上方安装有除雾 器 8, 除水装置顶端有气体出口连接管段 9, 分离后的气体经除雾 器 8除雾后从气体出口连接管段 9排出； 为了消除不稳定流动状 态， 进一步提高游离水分离的效果， 提高计量精度， 装置的入口 连接管段 10的下方有一个水平安装的流体整流器 7。 在流体整流 器 7下方有一导流管 5和混合液出口连接管段 4相连， 气液分离 后的液体经过流体整流器 7整流后，游离水进入除水装置的底部， 含油液体在液体的上方， 经由导流管 5从混合液出口连接管段 4 排出， 导流管 5的顶部有一挡板 6， 用于阻挡来自上游的杂盾等； 为了增加混合液在除水装置内的滞留时间， 进一步提高游离水分 离效果， 除水装置的底部有一外扩的集液腔 2, 并在集液腔 2上 方安装有沥油器 3, 游离水经过沥油器 3进入集液腔 1从游离水 出口连接管段 1排出。

图 3示出了本发明的极高含水油气水三相流除水� �置的另一 个实施例。

在图 3中， 标号 1代表游离水出口连接管段， 4代表混合液 出口连接管段， 9代表气体出口连接管段， 10代表入口连接管段， 40代表实心浮子， 41代表节流活瓣， 42代表腔体间隔板， 43代 表游离水出口， 44代表间歇排液管， 45代表容器分离腔， 46代 表气体返回口， 47代表集油腔， 48代表排油管入口， 49代表容 器緩冲腔。

其过程为极高含水率油气水三相流进入容器緩 沖腔 49后，气 体从排气口排出， 液体下沉到容器缓冲腔 49底部后， 其中少量游 离水经游离水出口 43进入分离腔 45的底部； 大部分液体积聚到 緩冲腔 49底部， 随着液位上升实心浮子 40上浮， 带动节流活瓣 41上滑， 间歇排液管 44打开后液体才会大量流入到分离腔 45。 随着大量液体进入分离腔 45， 緩冲腔 49的液位持续下降， 当液 位下降到一定高度后， 节流活瓣 41关闭， 这时液体的流阻变大， 限制了分离腔 45 中液体的排出速度， 避免了分离腔进入大量气 体， 降低了排油管入口 48进入气体的几率。 节流活瓣 41关闭后， 緩冲腔的液体只能通过游离水出口 43进入分离腔。进入分离腔的 液体在重力作用下产生分离， 大量的游离水经过游离水出口连接 管段 1排出； 少量的油水混合物上浮到分离腔 43的顶部， 在集油 腔 47处汇聚后从排油管入口 48排出； 极少量的气体经由气体返 回口 46返回到緩冲腔 49, 降低了分离腔 45液位的下降和油路走 气的几率。

图 4示出了本发明的极高含水油气水三相流流量� �量装置中 的一个实施例。

在图 4中， 1代表游离水出口连接管段， 4代表混合液出口连 接管段， 9代表气体出口连接管段， 10代表入口连接管段， 20输 油管道计量出口端， 21代表汇流管段， 22代表止回阀， 23代表 用于水流量计量的单相流量计 （如电磁流量计）， 24 代表水路控 制阀或流量控制阀， 25代表排油管段， 26代表排油管段控制阀， 27代表三相含水分析仪（如双能伽玛含水分析� ��）， 28代表排气 管段， 29 代表气路控制阀或流量控制阀， 30 代表除水装置， 31 代表差压式测量流量器件 （如文丘里管）， 32 代表差压变送器， 33代表密度计（如单能伽玛密度计 /相分率计）， 34代表总管取样 口， 35 代表输油管道计量入口端， 36 代表盲三通混合装置， 37 代表温度变送器， 38代表压力变送器， 39代表排水管段。 其测量过程， 从输油管道来的极高含水率油气水三相流首先 进入盲三通混合装置 36, 使三相流原流态改变， 并将其混合； 密 度计（如单能伽玛密度计 /相分率计） 33测定多相流的混合密度和 含气率 GVF, 差压式测量流量器件 （如文丘里管） 31 及差压变 送器 32 通过测定总流量差压值 Δ , 测总流量率 β ; 压力变送器 38, 温度变送器 37分别测量管道内压力和温度； 极高含水率油气 水三相流进入除水装置 30进行气液分离和游离水除水后，气体从 排气管段 28排出， 进入汇流管段 21; 含油的混合液从排油管段 25排出， 排油管段 25上安装了三相含水分析仪（如双能伽玛含 水分析仪） 27, 测量此含油混合液的含水率 WC, 同时根据三相 含水分析仪 27所测得的的含气水平， 排油管段控制阀 26可自行 调节开度， 控制排油管道内的含气水平， 以保证含水率 WC的测 量精度， 排油管段 25末端与汇流管段 21相连； 游离水从游离水 出口连接管段 1排出， 进入用于水流量计量的单相流量计 （如电 磁流量计） 23， 测量游离水流量率 ά， 再经汇流管段排 21 进入 输油管道， 同时根据除水装置 30 中差压变送器 12或液位计 11 所检测的液位高度结果， 水路控制阀 24和气路控制阀 29可自行 调节开度， 将液位控制在合适的位置， 防止气体进入排水管段， 或过多的气体进入排油管段 25，或液体进入气路，或油进入水路。

所有测定数据经计算机处理系统进行计算， 然后输出油气水 三相流的各相流量率等测量结果。

图 5是本发明的使用极高含水油气水三相流流量� �量装置的 油气水三相流流量测量方法的主要流程图。

其步骤为：

5-1调整改变原油气水三相流流型流态， 并使其混合均匀； 5-2 用差压式流量计 （如文丘里管） 测量混合均匀的油气水 三相总流量差压值 Δ ; 5-3 用密度计 （如单能伽玛密度计 /相分率计） 测量油气水三 相流的混合密度和含气率 GVF;

5-4分离油气水三相流中的气体；

5-5 分离液体中的大部分游离水， 计量排水管段上的游离水 ;

5-6测量排油管段上油气水三相混合液体的含水 率 WC; 5-7测量管道压力和油气水三相流的温度

5-8 对测量的数据通过计算系统进行计算， 求得总流量率； 油流量率； 气流: -率； 计算公式为：

总

气流量率 Q _g =Q* GVF

液流 2 _; =β* ( 1-GVF )

( Q _r Q _w ' ) * ( 1-WC )

流量率 Q _W =Q _W ' + ( QrQ ) *WC