具自控装置的油气水流量测量系统.pdf

本发明是一种具自控装置的油气水流量测量系统，包括输送油水气混合物料的计量汇管；设置在计量汇管上的高低压控制装置；，设置在计量汇管上并位于上述高低压控制装置之后的三相不分离流量计；现场二次仪表，与上述的三相不分离流量计相连，用于向该三相不分离流量计提供电源，并采集三相不分离流量计的电信号，计算油气水三相的流量；以及工控机，通过通讯电缆连接于所述的现场二次仪表，实时显示油水气的流量，并将油水气的流量数据进行储存。所述的三相不分离流量计包括：文丘里装置；电导率测量传感器；电容测量传感器；以及伽玛密度计。本流量测量系统能够准确测量高压凝析气井凝析油含水量，实现油气井在线监测，从而更加适于实用。

1、  一种具自控装置的油气水流量测量系统，用于测量单井油气水的流量，其特征在于其包括：
计量汇管，用于输送油水气混合物料；
高低压控制装置，设置在计量汇管上；
三相不分离流量计，设置在计量汇管上并位于上述高低压控制装置之后，用于实时计量油气水瞬时流量；
现场二次仪表，与上述的三相不分离流量计相连，用于向该三相不分离流量计提供电源，并采集三相不分离流量计的电信号，计算油气水三相的流量；以及
工控机，通过通讯电缆连接于所述的现场二次仪表，实时显示油水气的流量，并将油水气的流量数据进行储存。

2、  根据权利要求1所述的具自控装置的油气水流量测量系统，其特征在于其中所述的高低压控制装置包括：依次设置在计量汇管上的第一高压报警器、第二高压报警器、低压报警器和紧急切断阀；所述第一高压报警器的设定压力小于第二高压报警器的设定压力。

3、  根据权利要求1所述的具自控装置的油气水流量测量系统，其特征在于其中所述的三相不分离流量计包括：
主管道；
文丘里装置，设置于主管道上，用于测量主管道内流体的流量；
电导率测量传感器，设置于主管道内，用于计算小气泡的气相分率、油气水各相相分率、气体和液体流速；
电容测量传感器，设置于主管道内，用于计算大、小气泡的气相分率、油气水各相相分率、气体和液体流速；以及
伽玛密度计，设置于主管道内，用于计算流体的密度。

4、  根据权利要求3所述的具自控装置的油气水流量测量系统，其特征在于其中所述的电导率测量传感器包括沿混合物流动方向依次设置的：发射电极、由两个小电极构成的备用电极组、由两个小电极构成的工作电极组以及探测电极。

5、  根据权利要求4所述的具自控装置的油气水流量测量系统，其特征在于其中所述的工作电极组的两个小电极的间距为65mm；所述备用电极组的两个小电极的间距为65mm。

6、  根据权利要求3所述的具自控装置的油气水流量测量系统，其特征在于其中所述的电容测量传感器包括沿混合物流动方向依次设置的：第一大电极、第一小电极、激发线圈、第二小电极、以及第二大电极；其中，第一大电极和第二大电极构成大电极组，第一小电极和第二小电极构成第三小电极组。

7、  根据权利要求6所述的具自控装置的油气水流量测量系统，其特征在于其中所述的大电极组的两个大电极的间距为165mm，所述的第三小电极组的两个小电极间距为65mm，且该第三小电极组设置于该大电极组的两个大电极之间。

8、  根据权利要求3所述的具自控装置的油气水流量测量系统，其特征在于其中所述的伽玛密度计由发射装置和接收装置两部分构成；该发射装置由放射源、铅盒、机械快门和不锈钢板构成；该接收装置由接收晶体、光电倍增管和电子放大部件构成。

9、  根据权利要求8所述的具自控装置的油气水流量测量系统，其特征在于其中所述的接收晶体为碘化钠加铊。

10、  根据权利要求1-9任一相所述的具自控装置的油气水流量测量系统，其特征在于其中所述的现场二次仪表由流量计算机、电源模块、安全栅、密度计界面卡和接线端子组成；所述流量计算机由通讯模块和计算模块组成。

具自控装置的油气水流量测量系统
技术领域
本发明涉及一种石油开采领域的流量测量系统，特别是涉及一种具自控装置的油气水流量测量系统。
背景技术
目前，高压凝析气田开发过程中，一直存在凝析油中的含水量无法准确计量的问题。凝析气集中处理站通常采用气液分离器、流量计和分析化验的方式进行油气水计量。塔里木高压凝析气井气油比大(2000m³/t以上)、油水密度差大(近0.4t/m³)等特点，现有工艺流程难以取到有代表性的油水混合样，不能掌握单井含水率及变化趋势，无法正确进行油藏开发动态分析及开发方案适时调整，严重影响油藏开发效果和油气处理系统的及时配套。同时，由于含水率测定不准确，无法有效采取防腐蚀措施。
由此可见，上述现有的油气水流量测量系统在结构与使用上，显然仍存在有不便与缺陷，而亟待加以进一步改进。本发明人基于从事此类产品设计制造多年丰富的实务经验及专业知识，积极加以研究创新，以期创设一种新型结构的具自控装置的油气水流量测量系统，能够改进一般现有的油气水流量测量系统，使其更具有实用性。
发明内容
本发明的主要目的在于，克服现有的油气水三相流量测量系统存在的缺陷，而提供一种新的具自控装置的油气水流量测量系统，所要解决的技术问题是使其能够准确测量高压凝析气井凝析油含水量，实现油气井在线监测，从而更加适于实用，且具有产业上的利用价值。
本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种具自控装置的油气水流量测量系统，用于测量单井油气水的流量，其包括：计量汇管，用于输送油水气混合物料；高低压控制装置，设置在计量汇管上；三相不分离流量计，设置在计量汇管上并位于上述高低压控制装置之后，用于实时计量油气水瞬时流量；现场二次仪表，与上述的三相不分离流量计相连，用于向该三相不分离流量计提供电源，并采集三相不分离流量计的电信号，计算油气水三相的流量；以及工控机，通过通讯电缆连接于所述的现场二次仪表，实时显示油水气的流量，并将油水气的流量数据进行储存。
本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
前述的具自控装置的油气水流量测量系统，其中所述的高低压控制装置包括：依次设置在计量汇管上的第一高压报警器、第二高压报警器、低压报警器和紧急切断阀；所述第一高压报警器的设定压力小于第二高压报警器的设定压力。
前述的具自控装置的油气水流量测量系统，其中所述的三相不分离流量计包括：主管道；文丘里装置，设置于主管道上，用于测量主管道内流体的流量；电导率测量传感器，设置于主管道内，用于计算小气泡的气相分率、油气水各相相分率、气体和液体流速；电容测量传感器，设置于主管道内，用于计算大、小气泡的气相分率、油气水各相相分率、气体和液体流速；以及伽玛密度计，设置于主管道内，用于计算流体的密度。
前述的具自控装置的油气水流量测量系统，其中所述的电导率测量传感器包括沿混合物流动方向依次设置的：发射电极、由两个小电极构成的备用电极组、由两个小电极构成的工作电极组以及探测电极。
前述的具自控装置的油气水流量测量系统，其中所述的工作电极组的两个小电极的间距为65mm；所述备用电极组的两个小电极的间距为65mm。
前述的具自控装置的油气水流量测量系统，其中所述的电容测量传感器包括沿混合物流动方向依次设置的：第一大电极、第一小电极、激发线圈、第二小电极、以及第二大电极；其中，第一大电极和第二大电极构成大电极组，第一小电极和第二小电极构成第三小电极组。
前述的具自控装置的油气水流量测量系统，其中所述的大电极组的两个大电极的间距为165mm，所述的第三小电极组的两个小电极间距为65mm，且该第三小电极组设置于该大电极组的两个大电极之间。
前述的具自控装置的油气水流量测量系统，其中所述的伽玛密度计由发射装置和接收装置两部分构成；该发射装置由放射源、铅盒、机械快门和不锈钢板构成；该接收装置由接收晶体、光电倍增管和电子放大部件构成。
前述的具自控装置的油气水流量测量系统，其中所述的接收晶体为碘化钠加铊。
前述的具自控装置的油气水流量测量系统，其中所述的现场二次仪表由流量计算机、电源模块、安全栅、密度计界面卡和接线端子组成；所述流量计算机由通讯模块和计算模块组成。
借由上述技术方案，本发明具自控装置的油气水流量测量系统至少具有下列优点：
本发明提出的具自控装置的油气水流量测量系统，能够在线实时计量油气水产量，能准确计量单井含水率及变化趋势，有利于监测油气井生产情况，为病态生产工况的诊断提供准确的数据信息，避免水窜、气窜和严重堵塞等异常情况的发生，符合油田精细化作业的要求。
该具自控装置的油气水流量测量系统，是中国陆上油气田首次成功应用三相流量计计量单井油气水产量，为陆上油气田尤其是高压凝析气田的单井计量拓宽了途径，指明了单井计量的发展方向。
本发明的具自控装置的油气水流量测量系统，由于还具有三相分离的油气水测量设备，从而可以对不分离流量计的测量数据进行相互验证，从而保证测量数据的准确性。
综上所述，本发明特殊结构的具自控装置的油气水流量测量系统，其具有上述诸多的优点及实用价值，并在同类产品中未见有类似的结构设计公开发表或使用而确属创新，其不论在结构上或功能上皆有较大的改进，在技术上有较大的进步，并产生了好用及实用的效果，且较现有的油气水流量测量系统具有增进的多相功效，从而更加适于实用，而具有产业的广泛利用价值，诚为一新颖、进步、实用的新设计。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1是本发明具自控装置的油气水流量测量系统实施例的流程示意图。
图2是现场二次仪表的组成结构示意图。
图3是三相不分离流量计的结构示意图。
图4是所述的电容测量传感器的结构示意图。
图5是电导率测量传感器的结构示意图。
图6是高低压控制装置的组成示意图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的具自控装置的油气水流量测量系统其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。
请参阅图1所示，是本发明的具自控装置的油气水流量测量系统实施例的流程示意图。该具自控装置的油气水流量测量系统，用于测量单井油气水的流量，其包括：计量汇管P1013，用于输送油水气混合物料；高低压控制装置500，设置在计量汇管P1013上；三相不分离流量计100、计量分离器200、以及现场二次仪表300以及工控机400。计量汇管P1013用于输送油水气混合物料，高低压控制装置500和计量分离器200设置在计量汇管P1013上；所述的三相不分离流量计100用于实时测量油水气混合物料中油、水、气的流量。所述的现场二次仪表300连接于上述的三相不分离流量计100，用于向该三相不分离流量计提供电源，并采集三相不分离流量计的电信号，计算油气水三相的流量。所述工控机400，通过通讯电缆连接于所述的现场二次仪表，实时显示油水气的流量，并将油水气的流量数据进行储存。
请参阅图2所示，现场二次仪表300主要由流量计算机301、电源模块302、安全栅303、密度计界面卡304和接线端子305等组成。所述流量计算机301由通讯模块和计算模块组成。通讯模块将三相不分离流量计100的电容传感器和电导率传感器采集到的信号，及密度计界面卡输出的数据导入流量计算机，将计算结果(油气水流量、温度、压力和差压)用数据线远传至工控机400。计算模块负责计算油气水瞬时流量。所述电源模块负责将接入的24V直流电进行分配，为变送器(压力变送器、差压变送器和温度变送器)、电容传感器、电导率传感器、伽玛密度计和流量计算机供电。所述安全栅是本质安全型防爆仪器仪表的关联设备，在正常情况下不影响测量系统的功能。它设置在安全场所的一侧，当本系统发生故障时，能将窜入危险场所的能量(电能)限制在安全值以内，从而保证现场生产安全。所述密度计界面卡收集伽玛密度计采集的信号，通过运算得出流体的瞬时混合密度，将计算结果输入流量计算机。流量计算机输出的数据远传至中控室工控机，工控机接收到数据后用流量显示软件，实现油气水流量瞬时显示、油井计量和仪表标定等功能，并将该数据进行存储以便以后对该数据进行统计和分析。
请参阅图3所示，是三相不分离流量计的结构示意图。该三相不分离流量计100包括：供油水气混合物料流动的主管道110，以及设置在主管道110上的伽马密度计120、电容测量传感器130、电导率测量传感器140以及文丘里装置150。该三相不分离流量计的测量油水气混合物的原理是，单井来油气水混合物假设为四相流体，即油、水、离散气体和游离气体。大气泡流速与气体流速相同(大气泡即为离散气体)，小气泡流速与液体流速相同(小气泡即为游离气体)，竖直测量管段内油相流速和水相流速相同。
设：Q：体积流量率，A：体积相分率，v：流速
Q＝A×V    (1)
体积相分率等于相分率与测量管横截面积的乘积，由于测量管横截面积已知，油气水各相流量率的计算可转换为相分率和各相流速的计算。
所述伽玛密度计120用于计算流体混合密度，其由发射装置和接收装置两部分构成，发射装置主要由放射源、铅盒、机械快门和不锈钢板等部件构成，接收装置主要有接收晶体(碘化钠加铊)、光电倍增管和电子放大部件构成。放射源产生的γ射线撞击接收晶体，每个γ射线粒子撞击后会产生1个电子，电子经过光电倍增管的高压电场获得能量，加速运动，最终被电子放大部件所捕获，并将电脉冲信号通过计数器记录下接收到的电子数量。正常工作时，γ射线通过快门进入管道内，由于管道内有流体流动，油气水会吸收部分γ射线，但吸收的程度各不相同，此时接收装置可测出单位时间内接收到γ射线的数量。利用经验公式，算出流体的混合密度。
请参阅图4所示，是所述的电容测量传感器130的结构示意图。该电容测量传感器130包括沿混合物流动方向依次设置的：第一大电极、第一小电极、激发线圈131、第二小电极、以及第二大电极；其中，第一大电极和第二大电极构成大电极组132，第一小电极和第二小电极构成第三小电极组133。该大电极组132的两个大电极的间距为165mm，所述的第三小电极组133的两个小电极间距为65mm，且该第三小电极组133设置于该大电极组的两个大电极之间，激发线圈131位于第一小电极和第二小电极之间。该激发线圈131激发电压信号，信号依次通过第三小电极组133和大电极组132，第三小电极组133记录小气泡引发的电信号，大电极组132记录大气泡引发的电信号，电压信号经过各电极时被测出并加以记录。根据电压和介电常数的函数关系，可以绘制出介电常数随时间变化的曲线，积分该曲线可算出给定时间大小气泡的平均相分率。
计算油气水各相相分率
电容率方程：ε_混合物＝f(αε_气，βε_水，γε_油)  (2-1)
密度方程：ρ_混合物＝f(αρ_气，βρ_水，γρ_油)    (3)
归一方程：α+β+γ＝1                            (4)
式中：
ε_混合物：混合物电容率(可由电压值算出)
ε_气：气相电容率(已知)
ε_水：水相电容率(已知)
ε_油：油相电容率(已知)
ρ_混合物：混合物密度(伽玛密度计测量值可算出)
ρ_气：气相密度(已知)
ρ_水：水相密度(已知)
ρ_油：油相密度(已知)
α：气相相分率(未知)
β：水相相分率(未知)
γ：油相相分率(未知)
三个方程三个未知数，联立求解即可得到气相相分率、水相相分率和油相相分率。
计算气体和液体流速
激发电极131激发电压信号，由小电极记录并经过互相关运算求得的流速即为小气泡流速，由于小气泡流速和液相流速相同，V_液＝d1/T(d1为两个小电极之间的距离，T为气泡在从第一小电极流动到第二小电极所用的时间)；由大电极记录并经过互相关运算求得的流速即为大气泡流速，由于大气泡流速和气相流速相同，V_气＝d2/T(d2为两个大电极之间的距离，T为该气泡从第一大电极流动到第二大电极所用的时间)。
请参阅图5所示，是电导率测量传感器的结构示意图。该电导率测量传感器140设置于主管道110内，用于计算小气泡的气相分率、油气水各相相分率、气体和液体流速。该电导率测量传感器140包括沿混合物流动方向依次设置的：发射电极141、由两个小电极构成的备用电极组142、由两个小电极构成的工作电极组143以及探测电极144。所述的工作电极组143的两个小电极的间距为65mm；所述备用电极组142的两个小电极的间距为65mm。发射电极141发射电压信号，信号随流体从下至上运动，依次经过备用电极组142、工作电极组143和探测电极144。经过两个电极组时电压信号被测出并加以记录。根据电压和介电常数的函数关系，可以绘制出介电常数随时间变化的曲线，积分该曲线可算出给定时间小气泡的平均相分率。
计算油气水各相相分率
电导率方程：σ_混含物＝f(ασ_气，βσ_水，γσ_油)  (2-2)
密度方程：ρ_混合物＝f(αρ_气，βρ_水，γρ_油)    (3)
归一方程：α+β+γ＝1                            (4)
式中：
σ_混合物：混合物电导率(可由电压值算出)
σ_气：气相电导率(已知)
σ_水：水相电导率(已知)
σ_油：油相电导率(已知)
ρ_混合物：混合物密度(伽玛密度计测量值可算出)
ρ_气：气相密度(已知)
ρ_水：水相密度(已知)
ρ_油：油相密度(已知)
α：气相相分率(未知)
β：水相相分率(未知)
γ：油相相分率(未知)
三个方程三个未知数，联立求解即可得到气相相分率、水相相分率和油相相分率。
计算气体和液体流速
发射电极发射电压信号，经过小电极时电压信号被测出并加以记录。一段时间后，工作电极组的两个小电极各自形成若干条电压随时间变化的曲线，对这些曲线做互相关运算，如果得出极大值时，可认为两个小电极测量的是同一流体。出现极大值这点对应的时间T即认为是同一物流从前一电极移动至后一电极所需的时间，此时V_气(V_液)＝d/T＝0.065/T。(d为小电极之间的距离，已知d＝0.065m)。
电容测量传感器和电导测量传感器的转换
电导率测量传感器有一个探测电极，该电极不间断的测量接收到的电信号，并将它转化为电导率，当电导率达到30左右时(空管道的电导率是1，充满油的管道电导率是2～2.3，充满水的管道电导率为饱和值≥35)，(含水为65％～75％)，电容测量传感器停止工作，电导率测量传感器开始工作。
所述文丘里装置150，用于测量液相流速。该文丘里装置通过测量与流量成一定关系的流体压差来测量流体流量，利用流体节流前后产生的压力变化来进行测量。
M=CEϵA2ρ·dP]]>
式中：
M：液体质量流量
E：补偿系数(E=1/(1-β4))]]>
C：流量系数(c＝f(Re_D，β)
Re_D：雷诺系数
β：文氏管喉管内径/文氏管内径
γ：定压热容/定容热容
ε：扩大系数(ε＝f(dP/P，β，γ)
ρ：液体密度
A：文氏喉管通过面积
dP：流体通过文氏管前后差压
当电容测量传感器或电导率测量传感器互相关计算流速，互相关成功率偏低(即互相关计算成功率低于最小允许值)时，取信文丘里计算的液相流速。
请参阅图1所示，在三相不分离流量计100之后，通过管道连接于计量分离器200。该计量分离器包括以罐体，在罐体的内部设有挡板212和挡板223从而将罐体内部区分为三个腔：油水混合腔210、油腔220以及水腔230。该计量分离器200应用重力分离的原理将油气水分开。油水气混合物进入分离器后经气液重力分离，气相经波纹板和捕雾器除液后，由气相出口排出，并在气相出口安装有气体流量计FT2201。液相在重力作用下油水分离，油溢流进入油腔220，水通过水相连通管240进入水腔230。在油腔220底部设有油相出口，并在该出口上设有油流量计FT2202，用于测量油的流量。在水腔的底部设有水相出口，并在该出口上设有水流量计FT2203，用于测量水的流量。
油水混合腔和水腔连通，根据U型连通器原理，计算公式如下：
ρ₀h₀＝ρ₀h₁+ρ₁(h₂-h₁)
其中：ρ₀：污水密度    h₀水腔水层高度
ρ₁：原油密度
h₁：油水混合腔水层高度
h₂-h₁：油水混合腔油层高度
假设h₂-h₁＝0，由于h₂＝1.5m ρ₀＝1120kg/m³    ρ₁＝720kg/m³求解方程1可得h₀＝1.5m
h₂-h₁＝0，即油水混合腔中全部为水，水腔水层液位的高度为1.5m。但水相最高操作液位为1.22m，小于1.5m。因此，分离器正常操作时，油水混合腔的油层液位高度不可能是0，即油水混合腔内的水不会溢流到油腔。
水腔挡板高度为1.8m，油腔最高操作液位为1.02m。因此，分离器正常操作时，油腔中的油不可能溢过水腔挡板进入水腔。
水腔
ρ₀h₀＝ρ₀h₁+ρ₁(h₂-h₁)
假设h₁＝0，由于h₂＝1.5m    ρ₀＝1120kg/m³    ρ₁＝720kg/m³求解方程1可得h₀＝0.965m
h₁＝0，即油水混合腔中全部为油，水腔水层液位的高度应为0.965m。由于水相最低操作液位为0.98m，大于0.965m。因此，分离器正常操作时，油水混合腔的水层液位高度不可能是0，即油水混合腔内的油不会从水相连通管流到水腔。
水腔挡板高度为1.8m，水腔最高操作液位为1.22m。因此，分离器正常操作时，水腔中的水不可能溢过水腔挡板进入油腔。
请参阅图6所示，是本发明高低压控制装置的组成示意图。该高低压控制装置500包括：依次设置在计量汇管P1013上的第一高压报警器PSH2202(设定压力14MPa)、第二高压报警器PSH2203(设定压力15.8MPa)、低压报警器PSLL2204(设定压力5MPa)、汇管安全阀V2201、汇管安全阀V2202、急放空阀BDV2202和紧急切断阀SDV2201(设定压力7.7MPa)。
当发生火灾或爆炸将引起全站关断时，紧急关闭紧急切断阀SDV2201，与此同时，通过井口RTU远程紧急关井。如果个别凝析气采集井口紧急切断阀关闭不严或失灵时，将继续有井流物流出井口而进入凝析气采集系统，该计量汇管P1013的压力将继续上升，当压力升高至14MPa，第一高压报警器报警，自动打开紧急放空阀BDV2202，将系统压力泄放到事故放空罐。若紧急放空阀BDV2202出现故障打不开，汇管压力升高至15.8MPa第二高压报警器报警，汇管安全阀V2201和汇管安全阀V2202起跳放空。当计量汇管P1013内有水合物形成，三相流量计100冻堵憋压。计量汇管正常压力为6.8MPa，当压力升高至7.2MPa，中控室压力高报；如不采取措施压力将继续升高，当升高至7.7MPa，紧急关断阀SDV2201关闭，此时应立即打开三相流量计旁通阀，如压力仍然升高，则考虑其它易冻堵的阀门是否出现冻堵(如调节阀等)，如没有找到冻堵部位，压力将继续升高，当压力上升至14MPa，系统自动打开紧急放空阀BDV2202，将系统压力泄放到事故放空罐01V-2501。本发明由于具有了高低压控制装置，从而使该测量系统更加便于维护和使用。
本申请未详述的技术内容皆可在现有技术中找到对应方案，故在此不再赘述。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。