一种针对小流量的油-气-水多相流检测系统的制作方法

一种针对小流量的油
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气
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水多相流检测系统
技术领域
1.本实用新型涉及多相流测试技术领域，尤其涉及一种针对小流量的油
‑
气
‑
水多相流检测系统。


背景技术：

2.石油和天然气作为支撑国计民生的重要战略资源，其勘探、开采、输送和加工等技术工艺都涉及到多相流量的计量问题，因此能够准确的对多相流进行计量具有十分重要的意义。在新一代非分离的多相流计量技术中，国内外厂商均采用了多传感融合的技术解决方案。但现有技术的主要适用范围是产量较大的单井或汇井计量，对于小产量井目前还未出现有效解决方案。其原因主要是在小流量流动时，各类型的传感器均无法产生稳定可靠的信号。我国陆上油气田的大多数单井产量不大，因此亟需适用于小产量单井的针对不同流型的多相流计量技术。


技术实现要素：

3.本实用新型提出一种针对小流量的油
‑
气
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水多相流检测系统，以解决现有的检测系统很难对不同流型的多相流进行检测的问题。
4.本实用新型解决上述问题的技术方案是：一种针对小流量的油
‑
气
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水多相流检测系统，包括文丘里管、传感系统和数据采集与处理单元，
5.所述文丘里管的上游、喉部以及下游均设置有传感系统，所述传感系统包括电容层析成像模块、电阻层析成像模块、微波检测模块以及至少一个取压模块，相邻所述取压模块之间连接有差压变送器，用以测量不同位置取压模块之间的压力差值；
6.所述数据采集与处理单元分别与所述取压模块、电容层析成像模块、电阻层析成像模块、微波检测模块以及差压变送器电连接，用于采集并处理各功能模块的数据。
7.优选的是，所述文丘里管的上游设置有压力变送器，所述文丘里管的下游安装有温度变送器。
8.优选的是，所述文丘里管的喉部设有两个取压模块，且两个取压模块之间的间距不小于100mm。
9.优选的是，所述文丘里管的管径小于50mm，内径为20
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49mm。
10.优选的是，所述文丘里管的喉部与上游管路、喉部与下游管路的直径比均为0.3
‑
0.7。
11.优选的是，所述文丘里管的收缩段的收缩角范围为16
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25
°
，扩张段的扩张角为5
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15
°
。
12.优选的是，所述文丘里管的喉部的长度范围为150
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500mm。
13.优选的是，所述文丘里管上游设置的取压模块与收缩段的起始端距离大于0.5d；下游设置的取压模块与扩张段的末端距离大于2d，其中，d为上游管路或者下游管路的内直径。
14.相比于现有技术，本实用新型的有益效果在于：
15.1)本实用新型可以对不同流型的多相流动提供精确测量。
16.2)本实用新型将可对管道截面上的多相分布信息进行直接检测的电学层析成像技术与文丘里流量计相结合，同时辅以可测量含水率的微波检测技术对油
‑
气
‑
水多相流量进行计量。
17.3)本实用新型可通过设置在文丘里管不同关键位置的电学成像传感器与微波传感器对当地的截面相分布与含水率进行识别，判断多相流在文丘里中压降产生原因。
附图说明
18.图1为本实用新型检测系统结构示意图。
19.图2为检测方法的流程示意图。
20.图中：100
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文丘里管，2
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第一取压模块，3
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第一电容层析成像模块，4
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第一电阻层析成像模块，5
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第一微波检测模块，6
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第二取压模块，7
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第二电容层析成像模块，8
‑
第二电阻层析成像模块，9
‑
第二微波检测模块，10
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第三取压模块，11
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第四取压模块，12
‑
第三电容层析成像模块，13
‑
第三电阻层析成像模块，14
‑
第三微波检测模块，15
‑
压力变送器，16
‑
第一差压变送器，17第二差压变送器，18
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第三差压变送器，19
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温度变送器，21
‑
上游管路，1
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收缩段，22
‑
喉部，23
‑
扩张段，24
‑
下游管路。
具体实施方式
21.为使本实用新型实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施方式中的附图，对本实用新型实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本实用新型一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本实用新型中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本实用新型保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施方式。
22.实施例1：如图1所示一种针对小流量的油
‑
气
‑
水多相流检测系统，包括文丘里管100、第一取压模块2、第一电容层析成像模块3、第一电阻层析成像模块4、第一微波检测模块5、第二取压模块6、第二电容层析成像模块7、第二电阻层析成像模块8、第二微波检测模块9、第三取压模块10、第四取压模块11、第三电容层析成像模块12、第三电阻层析成像模块13、第三微波检测模块14和数据采集与处理单元。
23.文丘里管100包括上游管路21、收缩段1、喉部22、扩张段23以及下游管路24。其中，收缩段1设于上游管路21和喉部22之间，扩张段23设于喉部22和下游管路24之间。上游管路21、收缩段1、喉部22、扩张段23以及下游管路24之间通过法兰结构连接。
24.文丘里管100的内径在20
‑
49mm之间；喉部22与上游管路21或者下游管路24的直径比在0.3
‑
0.7之间；收缩段1的收缩角范围为16
‑
25
°
；扩张段23的扩张角在5
‑
15
°
之间；喉部22的长度范围在150
‑
500mm。
25.第一取压模块2、第一电容层析成像模块3、第一电阻层析成像模块4、第一微波检测模块5从左至右依次设置在文丘里管100的上游管路21；第二取压模块6、第二电容层析成
像模块7、第二电阻层析成像模块8、第二微波检测模块9、第三取压模块10从左至右依次设置在文丘里管100的喉部22；第四取压模块11、第三电容层析成像模块12、第三电阻层析成像模块13、第三微波检测模块14依次设置在文丘里管100的下游管路24。文丘里管的上游管路21、喉部22以及下游管路24连接。上述所有模块均通过法兰结构连接在文丘里管100的内部，各个模块可以根据需求调换位置及排布顺序。
26.检测系统还包括压力变送器15和温度变送器19，该压力变送器15设于文丘里管上游管路21上，用于检测文丘里管100上游位置处的压力值。温度变送器19具体设于文丘里管100的下游管路24上，用于检测文丘里管100下游位置处的温度值。通过文丘里管100上游的压力变送器15与文丘里管100下游的温度变送器19测量流体的压力与温度，通过该信息可以计算得到多相流中的气相密度。
27.数据采集与处理单元分别与第一取压模块2、第一电容层析成像模块、第一电阻层析成像模块4、第一微波检测模块5、第二取压模块6、第二电容层析成像模块7、第二电阻层析成像模块8、第二微波检测模块9、第三取压模块10、第四取压模块11、第三电容层析成像模块12、第三电阻层析成像模块13、第三微波检测模块14、压力变送器15、第一差压变送器16、第二差压变送器17、第三差压变送器18、温度变送器19电连接，用于采集并处理各功能模块的数据。
28.油
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气
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水多相流经过文丘里管100的收缩段1后，油
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水两相将在加速作用下形成乳化液，导致多相流变为环状或段塞型的气
‑
液两相流动。在此状态下，气
‑
液两相的动量微分方程可由式(1)与(2)表示。
[0029][0030][0031]
其中，气相密度通过压力变送器15所测的管道压力计算；液相为水和油的混合物，其密度可通过电容层析成像模块与电阻层析成像模块所测量的含水率与含油率获得。由于实际测量中在管道截面上仅有唯一的静压测量值，因此可将液相与气相的静压值视为相等。此时将(1)(2)两式合并后可得：
[0032][0033]
其中a为气相流通面积，ag是气相流通面积，al是液相流通面积，ug为气相真实流速，τgw为气相与管壁间的剪切应力，τlw为气相与液膜间的剪切应力，τi是液相与管壁间的剪切应力，sgw为管道截面上气相与管壁接触的长度，slw是液相与管壁的接触长度，si为管道截面上气相与液膜接触的长度，角度θ是指管道与水平面间所成的锐角；x是流体的流向长度，dx是流向空间步长；g是重力加速度；ρ是密度，下标(g/l)表示气相或液相。
[0034]
上式中，除了气相与液相质量流量wg与wl外，其余参数均第二电容层析成像模块7、第二电阻层析成像模块8、第二微波检测模块9、第三取压模块10、第三电容层析成像模块12，第三电阻层析成像模块13，第三微波检测模块14的测量信号获得。将上式用来描述喉部22以及扩张段23的压降，可得到两个关于wg与wl独立的方程。同时，使用第二差压变送器17对加长后的喉部22压降进行测量，得到流体在直管中的不可恢复压降；使用第三差压变送
器18对文丘里100的扩张段21的差压进行测量。求解该方程组即可获得气相流量与液相流量的值。
[0035]
在此基础上，使用喉部的第二电容层析成像模块7、第二电阻层析成像模块8、第二微波检测模块9与文丘里管100下游的第三电容层析成像模块12、第三电阻层析成像模块13、第三微波检测模块14对液相中的含水率进行检测，即可获得液相中的水流量从而求出油
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气
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水三相流量。
[0036]
不同的流型将在文丘里管100的收缩段1产生不同的压降。本实用新型通过第一差压变送器16对文丘里管收缩段1的压降进行测量可得到流体在该部分产生的总压降。通过文丘里管1上游管路21的第一电容层析成像模块3、第一电阻层析成像模块4、第一微波检测模块5与文丘里管100的收缩段1的压降测量可对多相流的来流情况进行准确判断，从而对流量计算模型进行有针对性的优化。
[0037]
由于电容层析成像模块与电阻层析成像模块的信号覆盖范围不同，需要用含水率信息来区分。因此第一微波检测模块5、第二微波检测模块9、第三微波检测模块14所检测的平均含水率信息用来判断使用哪类层析传感器。具体而言，当平均含水率低于40％时使用电容层析成像模块进行层析成像，否则使用电阻层析成像模块进行层析成像。
[0038]
文丘里管100上游管路21设置的第一取压模块2与收缩段1的起始端距离大于0.5d；下游管路24设置的第四取压模块11与扩张段23的末端距离大于2d，其中，d为上游管路21或者下游管路24的内直径。文丘里管100的喉部22设有第二取压模块6和第三取压模块10，且第二取压模块6和第三取压模块10之间的间距不小于100mm。
[0039]
实施例2：如图2所示的一种针对小流量的油
‑
气
‑
水多相流检测方法，包括以下步骤：
[0040]
1、采用第一微波检测模块5、第二微波检测模块9和第三微波检测模块14对多相流中的液相含水率均值进行测量，并将结果传递给数据处理单元，数据处理单元判断含水率均值是否低于40％，若是则选用第一电容层析成像模块3、第二电容层析成像模块7、第三电容层析成像模块12对介质进行检测，若否则选用第一电阻层析成像模块4、第二电阻层析成像模块8、第三电阻层析成像模块13对介质进行检测；
[0041]
2、第一微波检测模块5、第二微波检测模块9、第三微波检测模块14将测量的原始信号(微波的幅值和相位信息)传递给数据处理单元中的流型识别子模型，再结合层析信号，判断当前管道中多相流的流动形态，同时获得文丘里管100的喉部22和下游管路24的液膜平均厚度；
[0042]
3、压力变送器15和温度变送器19将管道中的实时温度与压力信息传递给数据处理单元中的气相密度计算子模型，该气相密度计算子模型同时接收当前管道内的气体组分信息计算气相的实时密度；
[0043]
4、将气相密度信息、文丘里管100各个部位的差压信息、流型识别结果传递到数据处理单元的文丘里综合模型中，通过流动形态将当前的流动分为“单相液流动”、“单相气流动”、“含气率(gvf)高于95％的多相流”以及“含气率(gvf)低于95％的湿气流动”四种情况，分别使用对应的流量计量子模型计算其气
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液实时流量；
[0044]
5、将流型识别结果、气
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液流量计算结果、含水率信息以及液膜厚度信息导入多传感融合的优化模型，获得油
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气
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水三相流量。
[0045]
实施例3，一种针对小流量的油
‑
气
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水多相流检测方法，包括文丘里管100以及设置在文丘里管100的上游管路21、喉部22以及下游管路24的传感系统，传感系统包括电容层析成像模块、电阻层析成像模块、微波检测模块以及至少一个取压模块。方法包括以下步骤：
[0046]
步骤1：实时接收微波原始信号，微波原始信号包括微波的幅值和相位信息；
[0047]
将微波原始信号传输至微波含水率子模型得到含水率结果信息。
[0048]
步骤2：判断含水率是否低于40％，若是，则选用电容层析成像模块检测文丘里管内的多相流并发送层析信号，若否则选用电阻层析成像模块检测文丘里管内的多相流并发送层析信号。
[0049]
步骤3：接收传感系统传输的传感信息，其中
[0050]
传感信息包括微波原始信号、含水率结果信息、层析信号、温度信号、压力信号、气体组分信息和文丘里管100各个部位的差压信息。
[0051]
步骤4：将传感信息导入预设模型进行处理，确定处理信息；预设模型包括流型识别子模型、气相密度计算子模型、文丘里综合模型；
[0052]
将微波原始信号和层析信号传输至流型识别子模型中得到流型识别结果信息和文丘里管喉部和下游的液膜厚度信息；将温度信号、压力信号和气体组分信息传输至气相密度计算子模型中得到气相密度信息；将气相密度信息、文丘里管各部位的差压信息和流型识别结果信息传输至文丘里综合模型中得到气体和液体瞬时流量信息；
[0053]
处理信息包括文丘里管喉部和下游的液膜厚度信息、流型识别结果信息、气体和液体瞬时流量信息。
[0054]
步骤5：将处理信息传输至多传感融合的优化模型得到修正后的油、气、水三相流量。
[0055]
以上所述仅为本实用新型的实施例，并非以此限制本实用新型的保护范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的系统领域，均同理包括在本实用新型的保护范围内。