[发明专利]一种精确测量气液两相混合流体中气相流量和液相流量的方法

说明书

技术领域

本发明涉及流体流量测量领域，更具体地，涉及一种测量气液两相混合流体中的气相流量和液相流量的方法。

背景技术

采油工业中，经常从油井中采出包含液相和气相的气液混合流体，业内常称之为“湿气”。其中所述气相包括例如空气、油田气或任何在常温下不凝的气体，其中该油田气一般为较轻的烷烃甲烷、乙烷、丙烷、丁烷等。所述液相可包括原油本身以及采用过程中注入油井中的水以及其它液体添加剂。实时准确地测量从油井中采出的气液混合流体中气体的体积流量和液体的体积流量，是生产管理和生产优化所必需的基础数据。

当前，已经有一些方法来实现这种气液两相混合流体中气体体积流量和液体体积流量的在线测量。

传统方法是通过分离器将气液两相混合流体分离成气相和水相，然后分别计量它们的体积流量。但由于分离器以及相关附属设施重达数十吨，占地上百平方米，且控制环节多，使得分离器的维护和管理十分复杂，不利于生产过程管理的自动化，尤其不利于在沙漠和海上油田中使用。

另一类方法是不对气液两相进行分离，通过测量气液两相混合流体的总体积流量Q和气相分率GVF来测量气相体积流量和液相体积流量。其中气相分率GVF是指气相流量占气液两相混合流体总流量的百分比，亦可表示为某一横截面处，气相所占据的面积与整个截面面积之比。理想情况下的处理方法是气相体积流Q_g＝Q×GVF，液相体积流量Q_l＝Q×（1-GVF）。但这种测量方法要基于一个前提：气液两相在该截面上具有相同的速度。

但是，实际上，由于气液之间在密度、粘度等性质方面差别巨大，在实际管路中，上述前提并不成立。在实际管路中，由于气体密度较小，气相速度常常大于液相速度，这使得上述理想情况下测量的气相体积流量和液相体积流量出现了一定误差，故需要一种改进的方法来对上述理想情况进行校正。本领域中将气液两相混合流体在同一管路中的气相速度与液相速度之差称为滑差，而将气液两相混合流体在同一管路中的气相速度与液相速度之比称为气液滑差因子，下文中将对气液滑差以及气液滑差因子进行详细介绍。

目前气液两相混合流体的计量技术中对于由于气液滑差引起的计量误差的校正主要有两种方法：

一种方法是基于气液两相的Lockhart-Martinelli参数进行迭代计算，主要用于极高含气的湿气计量中的气量虚高修正，主要代表有ISO湿气模型,例如参见出版物ISO/TR11583:2012，其英文题目是“Measurement of wet gas flow by means of pressure differential devices inserted incircular cross-section conduits”。这种方法都是使用单相仪表将湿气当做单相进行计量，不会使用多相仪表，所以液量需要通过别的途径预先知道，或知道个概值，所以修正都是针对气量的修正。这种方法有三个主要缺点：一是没有明确的动力学机制;二是只修正了气量，没有对液量计量进行修正；第三，该方法的适用范围仅限于极高含气的很窄含气率量程。

另一种方法基于经验模型，比如实验数据拟合模型、或者信号处理模型的两相流流量气液滑差修正。这种方法有两个缺点：经验模型对实验数据和测量条件的依赖性很强，无法做到通用性和精度兼顾。另外因为多相流的流态复杂性，使得经验模型通过对建模参量选择和数学关系作出更合理的假定非常困难。信号处理完全把多相流当作黑箱处理，计量精度和范围都有很大的人为特征和不确定性。

因此，本领域需要一种能够简单地且精确地测量气液两相混合流体中气相体积流量和液相体积流量的方法，且还要能够对气液滑差引起的测量误差进行校正。

发明概述

本发明的第一方面涉及一种精确测量气液两相混合流体中气相体积流量和液相体积流量的方法，包括以下步骤：

a.使气液两相混合流体流过竖直设置的圆管，以形成环状气液两相流；所述环状气液两相流是指这样的一种流型：气体以圆柱状围绕圆管轴线，而液体以环状分布在气体与管壁之间；

b.测量该气液两相混合流体的总体积流量Q、温度T、压力P和气相分率GVF；

c.基于以下公式计算气液滑差因子S和气体体积流量Q_g和液体体积流量Q_l：

S＝2-GVF/(μ_k×（GVF－1）)

Q_g＝Q×GVF×S/(1-GVF+S*GVF)