技术领域
[0001] 本
发明涉及多相流量测量技术领域，特别是指一种利用压力波动测量气液多相流流量的方法。
背景技术
[0002] 油井井上油、气、
水三相产物中各相流量的分布是油田采油工作中的
基础数据，是检测控制油井和油藏动态特性的主要依据，对生产方案的制定具有重要的意义。
[0003] 目前，油井井上油、气、水的计量大多采用三相分离器进行分离，分离出来的乳化油、游离水和
天然气进各自的管路系统，由计量监测仪表计量后，再汇集在一起，同其它未经计量油井三相混合物一起进入外输管线。该方法自动化程度低，而且计量周期长、投资大、系统维护复杂，尤其不适用于大量井口的情况。
[0004] 另一种分离测量方法是，仅把气体和液体分离，而油水不分离，通常用取样化验、平均
密度法、密度计和流量计来测量
混合液中的油水比率，得到各项流量。由于分离器排液不彻底，不同配比的油水混合液相互掺杂，导致油水混合液密度测量不准确。
[0005] 近年来，也出现了一些不需相分离的测量方法。这些方法不使用分离器，直接通过电容法(CN 101162163A，CN 1140772C)、
放射性法(CN 1087715)压差法(CN2602346Y，CN 1120981C)测量三相的流量。但是现有的这些技术均存在一定
缺陷。电容法只适用于油气水混合液中油为连续相的情况，当含水率较高的油气水混合液中水为连续相时，就不再适用；
目前，中国的油田开发已经进入高含水期，限制了电容法的应用。利用放射线衰减仪测量气液比和油水比，仪
表带有放射性，体积大，价格昂贵。现有的非分离压差法“压差式全自动油气水三相流量计(CN2602346Y)”中，油、气、水需要在N型玻璃管中收集、分离到管中不同部位进行测量，并通过电磁
阀控制排进和排出，装置及操作较为复杂；“
原油气水多相流流量测量方法及其装置(CN 1120981C)”中，除了测量压力差外还利用了文丘里管测量
流体总流量，利用热扩散原理测量气液比，测量元件较多。
[0006] 随着技术的进步，油田越来越需要体积小、功能强、可靠性及自动化程度高和精确型号的油井计量设备，以降低成本、提高劳动生产率和油田的管理水平。
[0007] 参考文献：
[0008] [1]向宇,郭烈锦,陈学俊.气液两相弹状流动中气弹及其尾流气泡参数的瞬态测量[J].西安交通大学学报,1998(10):22-25.
[0009] [2]Nicklin,D.J.,Wilkes,J.O.,Davidson,J.F.Two-phase flow in vertical tubes[J].Trans.Inst.Chem.Eng.1962,40,61–68.
[0010] [3]D.T.Dumitrescu, an einer Luftblase im senkrechten Rohr,ZAMM-Journal of Applied Mathematics and Mechanics/Zeitschrift für Angewandte Mathematik und Mechanik,23(1943)139-149.
[0011] [4] M R,Chen J C,Stenning A H.Local liquid film thickness around Taylor bubbles[J].Journal of Heat Transfer,1973,95(3):425.
[0012] [5]Mori K,Miwa M.Structure and void fraction in a liquid slug for gas–liquid two-phase slug flow[J].Heat Transfer—Asian Research,2002,31(4):257-271.
发明内容
[0013] 本发明要解决的技术问题是提供一种利用压力波动测量气液多相流流量的方法。通过合适的管道布置使气液多相流充分发展为弹状流，当混合流体从竖直圆管内通过时，Taylor气泡和液塞交替经过装置，会引起管内壁面处压力的动态变化，通过利用压力
传感器检测管内壁处压力的动态变化并对所测的电
信号进行处理，获得管内多相流的流动速度、气液相体积流量以及液相组分体积分数。该方法能够实时在线对气-液双组分多相流、气-液-液三组分多相流的流量进行测量，尤其是对油井井上油、气、水流量进行自动测量，以解决前述目前油井中高含水、组分流量测量
精度低等技术难题。本发明装置简单，相对于前述测量多相流流量的
专利，无需利用N型玻璃管收集来进行测量，也无需将油、气、水分层后进行测量，同时没有阀
门等控制元件，可靠性高；另外，该方法测量元件只有4个
压力传感器，无需文丘里管、放射线衰减仪等其它测量元件，不会因为使用文丘里管等原件给流体流动带来压力损失，也不会因为使用射线法而来带
辐射方面的安全问题。
[0014] 该方法涉及的装置包括光滑直管、连
接口、压力传感器、信号放大
电路、A/D转换电路、计算机
数据处理系统和LCD显示屏，压力传感器通过连接口安装于光滑直管外壁上，压力传感器通过信号放大电路、A/D转换电路连接计算机
数据处理系统，计算机数据处理系统处理结果通过LCD显示屏显示，其中，压力传感器有四个，其中两个布置在光滑直管上方，另外两个布置在光滑直管下方，上方两个和下方两个压力传感器各自组成一个压差传感器；该方法通过这两个压差传感器所采集的信号位移差，测得多相流流速；通过对任何一个压差传感器压差信号的波动情况进行分析，判定压差传感器测量区间管内流体的气液相组成分布随时间的变化，得到多相流气液相体积流量；通过测量液塞中的压力降，得到多相流中液相组成体积分数。
[0015] 文献[1]中，虽然也使用压差法测量弹状流，但是其与该方法不同，主要有以下三个方面：(1)测量对象不同。文献[1]中，测量针对的对象是管内没有静液相流动的弹状流中的单个Taylor气泡；而本方法测量针对的对象是管内液相同步向上流动的弹状流中的整个混合流体，Taylor气泡和液塞交替经过，管内Taylor气泡和液膜的运动规律和文献[1]中不同。(2)测量目的不同。文献[1]中，只是为了测量单个Taylor气泡的速度、长度以及尾部气泡群的尺寸；而本方法是为了测量气液多相流各相的流量，其思路是通过测量管内气液相组成分布随时间的变化来进行计算，除了测量每一个Taylor气泡的速度、长度值外，还测量了每一个液塞的速度和长度值、液膜厚度、液塞的平均含气率以及液塞中液相组份体积分数等。(3)测量装置不同。文献[1]中两个压差传感器安装
位置有交叉，上方压差传感器的一个测量端口位于下方压差传感器的两个测量端口之间，同时压差传感器的两个端口间距离较大；而本方法中的两个压差传感器端口安装位置没有交叉，压差传感器的两个端口间距离较小。这是因为当经过传感器的液塞长度较短时，如果压差传感器的两个端口间距离大于液塞长度，则压差传感器测量区间内除了有液塞外还有部分Taylor气泡存在，无法通过测量液塞中的压力降计算平均密度来测量液塞中液相组成体积分数。所以，压差传感器两个端口间距离需要小一些，此时如果两个压差传感器安装位置有交叉，则两压差传感器间距离会很近，会增大利用相关法测量Taylor气泡速度的误差。
[0016] 该方法具体包括步骤如下：
[0017] S1：多相流流速测量
[0018] 在光滑直管管壁轴向上的两个压差传感器所检测到的信号曲线
相位差即为同一个Taylor
气泡流经两个检测点的时间差，由两个监测点的实际距离除以该时间差得到Taylor气泡的上升速度UTB，进一步由Taylor气泡的上升速度UTB得到液塞速度ULS：
[0019] ULS＝(UTB-U0)/C0
[0020] 其中，C0为流动分布系数，对于充分发展的紊流，C0＝1.2，对于充分发展的
层流，C0＝2.0；U0为单个Taylor气泡在静止液体中的浮升速度：
[0021]
[0022] 式中，g为重力
加速度；D为圆管内径；ρg，ρl分别为气相、液相密度；k为系数，对于空气-水气液多相流，k＝0.35，对于油气水等其它非空气-水组分的气液多相流，k值可通过实验数据拟合求得。
[0023] S2：多相流气相、液相体积流量测量
[0024] 根据其中一个压差传感器采集的信号做出压差随时间变化的P－t曲线，由P－t曲线判定出Taylor气泡经过的时刻、时长tTB以及液塞经过的时刻、时长tLS，联立S1中获得的速度值得到管内Taylor气泡长度LTB和液塞长度LLS，进而得到Taylor气泡周围液膜的厚度分布η(ξ)、液塞中的平均含气率Cg以及流经液膜被Taylor气泡从气泡前面排挤到后面的流体体积VLR；由光滑直管横截面面积S和液塞长度LLS相乘求得液塞体积VLS，由Taylor气泡周围液膜的厚度分布通过积分求出Taylor气泡的体积VTB和Taylor气泡周围液膜的体积VLF；在t2-t1时间内统计气相、液相体积，即得到气相的平均体积流量Qg和液相的平均体积流量Ql；
[0025] S3：多相流中液相组分测量
[0026] 利用P-t曲线，在t2-t1时间内，计算压差P处于高位时的平均压差，得到液塞中混合流体平均密度ρm，联立S2中液塞中的平均含气率值分别求得液塞中液相组分液体1和液体2的体积分数Cl1和Cl2。
[0027] 所述S2中，在P－t中，当压差P处于低位时，表示测量区间所对应的管内流体为Taylor气泡；当压差P处于高位时，表示测量区间所对应的管内流体为液塞；压差P处于高低位之间的过渡部分时，表示Taylor气泡与液塞的交界面经过测量区间。
[0028] 所述S2中Taylor气泡周围液膜的厚度分布η(ξ)为：
[0029] λ1(η/R)-[λ1(η/R)]2/2＝λ2(ξ/R)-0.5
[0030] 其中，η为液膜厚度；ξ为液膜距离Taylor气泡头部的距离；R为光滑直管内半径；λ1为系数，当液膜流动为层流时，λ1＝0.667，当液膜流动为紊流时，λ1＝0.656；λ2为系数，对于空气-水气液多相流，λ2＝0.165，对于非空气-水组分的气液多相流，λ2通过实验数据拟合求得。
[0031] 所述S2中液塞中的平均含气率为：
[0032]
[0033] 其中，k1，k2为系数，对于空气-水气液多相流，k1＝0.108，k2＝0.347；对于油气水等其它非空气-水组分的气液多相流，k1，k2可通过实验数据拟合求得。hm*为无量纲量：
[0034]
[0035] 为Taylor气泡末端的截面含气率：
[0036]
[0037] ηE为Taylor气泡末端液膜的厚度：
[0038] ηE＝η(ξ＝LTB)；
[0039] 为Taylor气泡末端液膜的速度：
[0040]
[0041] 所述S2中气相的平均体积流量Qg为：
[0042]
[0043] 其中：
[0044] VLR＝(UTB-ULS)·tTB·S
[0045] VLS＝LLS·S
[0046]
[0047]
[0048] 液相的平均体积流量Ql为：
[0049]
[0050] 所述S3中液塞中混合流体平均密度ρm计算公式为：
[0051]
[0052] 其中，h为两个压力传感器的垂直距离，为平均压差；
[0053] 对于液相为单组分的气液多相流，液塞内液相体积分数为1-Cg；对于类似油气水等液相为双组分的气液多相流，液塞中液相组分液体1、液体2体积分数由下式求得：
[0054] ρm＝ρl1Cl1+ρgCg+ρl2Cl2，且Cl1+Cg+Cl2＝1；
[0055] 其中，ρl1，ρg，ρl2分别表示液塞中液体1、气体、液体2的密度，为已知量；Cl1，Cl2分别表示液塞中液体1、液体2的体积分数，Cg为所述S2中的液塞平均含气率。
[0056] 所述压力传感器，嵌入光滑直管管壁上的连接口中，并通过在光滑直管(1)上打上小孔来测量管内流体压力的变化。四个压力传感器可以由两个压差传感器代替。
[0057] 该方法所用传感器不局限于压力或压差传感器，也可由其它能够测量Taylor气泡上升的速度和时间的传感器代替。
[0058] 本发明的上述技术方案的有益效果如下：
[0059] 1、气、液采用非分离计量方法，流量计体积小，能够实时在线对气-液双组分多相流、气-液-液三组分多相流的流量进行测量，可用于油井井上油、气、水的流量在线测量。
[0060] 2、测量简单，使用方便、兼具电磁流量计的优点，流量值可以直接通过流量计面板读取，也可由计算机自动存储和传输，同时，还可
输出电压信号供调节和控制使用。
[0061] 3、测量管为与运输管道等径的光滑直壁，内无阻流件，不易堵塞，不影响管内流体的流动，不产生因检测流量所形成的压力损失，仪表的阻力仅是同一长度管道的沿程阻力，节能效果显著，适合于要求低阻力的大管径管道。
[0062] 4、价格便宜，使用寿命长，可广泛适用于油气田、石油化工、普通化工、
冶金、污
水处理等行业。
附图说明
[0063] 图1为本发明的利用压力波动测量气液多相流流量的方法所涉及的气液多相流流量测量装置的结构示意图；
[0064] 图2为本发明的利用压力波动测量气液多相流流量的方法所涉及的气液多相流流量测量装置的压力传感器布置方式的结构示意图；
[0065] 图3为本发明的利用压力波动测量气液多相流流量的方法应用中压力传感器信号曲线示意图。
[0066] 其中：1-光滑直管；2-连接口；3-压力传感器；4-信号放大电路；5-A/D转换电路；6-计算机数据处理系统；7-LCD显示屏。
具体实施方式
[0067] 为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体
实施例进行详细描述。
[0068] 本发明提供一种利用压力波动测量气液多相流流量的方法。
[0069] 如图1和图2所示，该方法涉及的装置包括光滑直管1、连接口2、压力传感器3、信号放大电路4、A/D转换电路5、计算机数据处理系统6和LCD显示屏7，压力传感器3通过连接口2安装于光滑直管1外壁上，压力传感器3通过信号放大电路4、A/D转换电路5连接计算机数据处理系统6，计算机数据处理系统6处理结果通过LCD显示屏7显示，其中，压力传感器3有四个，其中两个布置在光滑直管1上方，另外两个布置在光滑直管1下方，上方两个和下方两个压力传感器3各自组成一个压差传感器；该方法通过这两个压差传感器所采集的信号位移差，测得多相流流速；通过对任何一个压差传感器压差信号的波动情况进行分析，判定压差传感器测量区间管内流体的气液相组成分布随时间的变化，得到多相流气液相体积流量；通过测量液塞中的压力降，得到多相流中液相组成体积分数。
[0070] 在具体应用中，步骤如下：
[0071] (1)多相流流速测量
[0072] 在管壁轴向上的两个压差传感器所检测到的信号曲线
相位差即为同一个Taylor气泡流经两个检测点的时间差Δt，而两个监测点的实际距离为Δs，得到Taylor气泡的上升速度UTB：
[0073] UTB＝Δs/Δt (1)
[0074] 液塞速度ULS可根据文献[2]由经验关系式求得：
[0075] ULS＝(UTB-U0)/C0 (2)
[0076] 其中，C0为流动分布系数，对于充分发展的紊流，C0＝1.2，对于充分发展的层流，C0＝2.0；U0为单个Taylor气泡在静止液体中的浮升速度，可根据文献[3]得到：
[0077]
[0078] 式中，g为
重力加速度；D为圆管内径；ρg，ρl分别为气相、液相密度；k为系数，对于空气-水气液多相流，k＝0.35，对于油气水等其它非空气-水组分的气液多相流，k值可通过实验数据拟合求得。
[0079] (2)多相流气相、液相体积流量测量
[0080] 根据其中一个压差传感器采集的信号做出压差曲线P－t。当压差P处于低位时，表示测量区间所对应的管内流体为Taylor气泡；反之，压差P处于高位时，表示测量区间所对应的管内流体为液塞；压差P处于高低位之间的过渡部分时，表示Taylor气泡与液塞的交界面经过测量区间。由压差曲线可判定出Taylor气泡经过的时刻、时长tTB以及液塞经过的时刻、时长tLS，得到管内Taylor气泡长度LTB和液塞长度LLS，进一步由文献[4]可得到Taylor气泡周围液膜厚度的表达式η(ξ)：
[0081] λ1(η/R)-[λ1(η/R)]2/2＝λ2(ξ/R)-0.5 (4)
[0082] 式中，η为液膜厚度；ξ为液膜距离Taylor气泡头部的距离；R为圆管内半径；λ1为系数，当液膜流动为层流时，λ1＝0.667，当液膜流动为紊流时，λ1＝0.656；λ2为系数，对于空气-水气液多相流，λ2＝0.165，对于非空气-水组分的气液多相流，λ2通过实验数据拟合求得。
[0083] 由文献[5]可得到气液多相弹状流中液塞中的平均含气率Cg：
[0084]
[0085] 其中，k1，k2为系数，对于空气-水气液多相流，k1＝0.108，k2＝0.347；对于非空气-水组分的气液多相流，k1，k2可通过实验数据拟合求得。h*m为文献[5]中定义的无量纲量：
[0086]
[0087] 为Taylor气泡末端的截面含气率：
[0088]
[0089] ηE为Taylor气泡末端液膜的厚度：
[0090] ηE＝η(ξ＝LTB) (8)
[0091] 为Taylor气泡末端液膜的速度：
[0092]
[0093] 流经液膜被Taylor气泡从气泡前面排挤到后面的流体体积VLR为：
[0094] VLR＝(UTB-ULS)·tTB·S (10)
[0095] 液塞体积VLS由管横截面面积S和液塞长度LLS相乘求得：
[0096] VLS＝LLS·S (11)
[0097] Taylor气泡体积VTB和液膜体积VLF由Taylor气泡周围液膜的厚度分布η(ξ)通过积分求出：
[0098]
[0099]
[0100] 在一段时间(t2-t1)内：
[0101] 统计气相体积，即可得到气相的体积流量Qg：
[0102]
[0103] 统计液相体积，即可得到液相的体积流量Ql：
[0104]
[0105] (3)多相流中液相组分测量
[0106] 对于液相为单组分的气液多相流，液塞内液相体积分数为1-Cg；对于类似油气水等液相为双组分的气液多相流，其液相组分测量方法如下：
[0107] 在压差曲线P－t上，压差P处于高位时，该压差计测量区间对应的管内流体为液塞。在一段时间(t2-t1)内，压差P处于高位的总时间为tH,tH时间内的平均压差为：
[0108]
[0109] 是一个统计值，其大小只与混合流体的各项组分有关。假设混合流体平均密度为ρm：
[0110]
[0111] ρm＝ρl1Cl1+ρgCg+ρl2Cl2 (18)
[0112] 其中，h为两个压力传感器的垂直距离，ρl1，ρg，ρl2分别表示液塞中液体1、气体、液体2的密度，为已知量。Cl1，Cg，Cl2分别表示混合流体中液体1、气体、液体2的体积分数，Cg为步骤(2)中推得的量。同时：
[0113] Cl1+Cg+Cl2＝1 (19)
[0114] 结合式(16)-(19)，求出Cl1和Cl2。
[0115] 测试管上安装的4个压力传感器通过采集电路与计算机相连接，将压力信号采集到计算机，根据方程(1)-(19)求解，即可得到气-液双组分或者气-液-液三组分多相流各相的体积流量，或再现多相流流动过程。
[0116] 参阅图1所示，是本发明的多相流流量测量装置实施的结构示意图。该流量装置可用于测量气-液双组分或者气-液-液三组分多相流的流量，尤其是适用于测量油井井上油、气、水三相流量。该装置包括一段光滑的光滑直管1、压力传感器3、信号放大电路4、A/D转换电路5、计算机数据处理系统6和LCD显示屏7。根据压力及
腐蚀情况，光滑直管1可采用不同材料制成，压力传感器3安装在光滑直管1外壁上，在轴向方向上布置两对(4个)。压力传感器通过采集电路与计算机相连，将压力信号采集到计算机。
[0117] 为提高压力传感器信号的波动灵敏性，在实施过程中，可在管壁上先打上一定直径的圆孔，将压力传感器3通过连接口2固定使传感器
探头紧贴小孔；同时，为避免对管内流体的干扰，小孔的孔径应该尽量小，足以传递流体的压力波动即可，如图2所示。
[0118] 实际测量中，采用一段标准油管DN25×5mm×1000mm作为测试管，在该测试管距顶端100mm、125mm、300mm、325mm处的轴向上布置4个压力传感器，上方两个和下方两个压力传感器可各组成一个压差传感器，两压差传感器距离Δs＝200mm。在管壁上打上直径1-3mm的小孔，压力传感器探头通过接头固定与小孔紧贴。通过轴向压力传感器所采集的信号可测量管内Taylor气泡和液塞的速度、长度以及液塞中液相组分体积分数等流动特性。进而求得气-液双组分或者气-液-液三组分多相流各相的流量。
[0119] 测量过程如下：
[0120] 将测量装置通过
法兰安装在垂直管道上。为提高测量结果的精准性，在实施过程中，将流量计垂直放置，以保证管内气液多相流的流动特性为垂直管中的流动特性。测量装置上游应有足够长的垂直管段以保证管内气液弹状流已充分发展，Taylor气泡间不再发生合并，气泡与液塞的运动都相对稳定。
[0121] 当未知组成的气液多相流从管内通过时，液塞中混合流体均匀混合并夹杂着少量小气泡，而大部分气相合并形成Taylor大气泡。Taylor气泡和液塞交替经过压力传感器，这会引起管壁处压力传感器信号的动态变化：当Taylor气泡流经测量点时，由于气体的可压缩性以及可以忽略的低密度，压差传感器中两个压力传感器的测量值基本相等，压差近乎为零；而Taylor气泡离开后，主要由液体组成的液塞开始经过传感器，由于液相的密度远大于气相，压差传感器中下方的压力传感器的示数大于上方的示数，压差迅速增大到一定值。当下一个Taylor气泡开始经过时，压差又迅速减小到零。这种波动使得压差传感器所检测的信号曲线成
时钟信号状，如图3所示。曲线存在一系列高电平和低电平。高电平对应液塞的经过，低电平对应Taylor气泡的经过。高电平、低电平间过渡部分对应气液相交界面的经过。压力传感器产生的
电信号在信号
放大器4进行放大，送至A/D转换电路5，经A/D转换后的数据，进入计算机数据处理系统6。
[0122] 计算机数据处理系统6根据式(1)-(15)计算得到混合流体中气相、液相的体积流量，根据式(16)-(19)计算得到液相中液体1、液体2比例，从而得到气液多相流各相的体积流量。最终将这些计算值进行储存并显示在LCD屏7上，由压力传感器3采集的电信号也可以直接输出，用于调节和控制使用。
[0123] 以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
