空气钻井中多相流体的水、砂、空气测量装置及其方法 技术领域
本发明属于石油生产技术领域的测量仪器，涉及一种流量测量方法和装置，特别涉及一种空气钻井中多相流体的水、砂、空气测量装置及其方法。
背景技术
用空气冷却钻头方法钻井是用于天然气开采的一项新技术，新方法，这种新技术与泥浆冷却钻头相比，具有钻井速度高、成本低的优点。而应用这项新方法的一个关键技术是对钻井排出物---气体、水、砂的流量进行测量，监测，以随时监测钻井过程中的地质状态。目前还没有有效方法可对气体、水和砂的流量进行监测，只能是估算、定性的测算，还没有精确的方法可以应用。到目前为止，国内外还没有可以在线测量气水砂这种气液固三相流量设备。应用气/水/砂气液固态三相流量的方法及装置可以了解钻井过程中气、水、砂的瞬时流量和累积流量，对于气体钻井有着极其重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种在线连续测量多项流体中水、砂、空气流量的测量装置并且给出测量方法。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：一种空气钻井中多相流体的水、砂、空气测量装置，包括气-液固分离器，其特征在于，该气-液固分离器的一端与多相流体地管路连接，另一端与一倒U型管连接，倒U型管的上升段有第一压差传感器，其下降段设有第二压差传感器；倒U型管通过管路上设置的文丘里管和混合器与排出物管路的出口连接；
气-液固分离器上依次设有单向阀门、压力计和文丘里喷嘴，并通过管路与混合器连通；
压力计、文丘里管喷口、文丘里管、第一压差传感器、第二压差传感器还分别与计算机相连接。
上述测量装置的测量方法，其特征在于，包括下列步骤：
1)多相流体先进入气-液固分离器，在气-液固分离器中气体与水、砂分离，气体向上流动通过气体单向阀门、压力计和文丘里管喷嘴测量气体流量后气体进入混合器，并由压力计修正气体密度，气体单向阀门只允许气体流过，防止水、砂混合物流出；
2)而水、砂混合物则通过倒U型管，经过倒U型管的上升段和下降段设置的压差传感器，由文丘里管测量该倒U型管两侧的压力差，得到水、砂的相比率；
3)计算机根据多项流体理论联立求解，即可得到水和砂的体积或重量流量。
本发明的空气钻井中空气钻井中多相流体的水、砂、空气测量装置及其方法解决了空气钻井中水、砂、空气排出物流量测量的难题，测量精度高，数据可靠，整个测量过程由计算机控制，能够在线测量。
附图说明
附图1为本发明的结构原理图。
下面结合附图对本发明作进一步的说明
具体实施方式
参见附图，本发明的空气钻井中多相流体的水、砂、空气的测量装置，包括气-液固分离器1，该气-液固分离器1的一端与多相流体的管路连接，另一端与一倒U型管4连接，倒U型管4的上升段有第一压差传感器9，其下降段设有第二压差传感器10；倒U型管4通过管路上设置的文丘里管5和混合器6与排出物管路的出口连接；
气-液固分离器1上依次设有单向阀门2、压力计8和文丘里喷嘴3，并通过管路与混合器6连通；
压力计8、文丘里喷嘴3、文丘里管5、第一压差传感器9、第二压差传感器10还分别与计算机7相连接。
多相流体先进入一紧凑结构高效气-液固分离器1，将气体与水砂分离气体向上流动通过气体单向阀门2，阀门2只允许气体流过，防止水砂混合物流出。气体以单相流量计文丘里喷嘴3测量气体流量。压力计8用来修正气体密度。
Qg=C·A·Δρρg---(1)]]>
式中，C为流量系数，Q为工况下气体密度，通过压力p进行修正，A为文丘里喷嘴喉口面积；
倒U型管4，用于测量水砂混合物密度，当水、砂混合物流过倒U型管(4)的上升段，在两测垂直管处上升段的第一压差传感器9测量到压差ρ1，下降段的第二压差传感器10测量到压差ρ2，这压差是混合物重位压差和摩擦压差之和。其公式如下：
Δρ1＝ρf+Δρmgh (2)
Δρ2＝Δρf-Δρmgh (3)
式中，ρ为水砂混合物密度，h为压差测量高度，ρf为摩擦阻力压差，ρm为水砂混合物密度；
由式(2)、(3)可得到：
Δρm＝(Δρ1-Δρ2)/2gh (4)
另外，Δρm＝kw×ρs+kw×ρw (5)
式中，Ks、Kw为砂、水的相比率，ρs、、ρs为砂、水的密度。
由于：
ks+kw＝1 (6)
由式(5)、(6)可得到水、砂的相比率kw、ks。
水砂混合物以文丘里管5测量水砂体积流量：
Qt=C×S×ΔρΔρm---(7)]]>
式中：Δρ为压差传感器9和压差传感器10的压差，C为流量系数，S为文丘里管的喉口面积。
由混合物密度和水砂混合物体积流量可得到水和砂的体积或重量流量：
Qw＝kw×Qt (8)
Qw＝ks×Qt (9)
整个测量过程由计算机7控制与处理，全部自动化。