[发明专利]一种低含液率气液两相流测量方法及测量系统

说明书

技术领域

本发明属于低含液率气液两相流测量技术领域，尤其涉及的是一种基于科氏效应与超声测速原理组合的低含液率气液两相流测量方法及测量系统。

背景技术

在石油、天然气工业中，凝析天然气一般是指在工作条件下气相体积含率大于90%，液相与其它组分体积含率小于10%的气井产出物。其中液相成份可能是由携带的和由于地面生产系统温度降低而凝析生成的烷烃类轻组分、饱和水以及为防止水合物形成而人工加入的注剂等组成；有时还有部分沙粒、铁屑等固相成份，所以凝析天然气计量属于特殊的多相流测量范畴，现有的计量技术一般将它简化为低含液率气液两相流的测量问题。

凝析天然气的气相体积含率高于90%，其中液体的存在使得常规的单相气体测量仪表无法可靠工作；在传统的分离法计量中，分离器也无法实现气液两相的完全分离，从而分离后的气体中仍然含有少量液体。自20世纪80年代后期开始，国内外不少的研究机构针对湿气的计量开展了大量的研究。到目前为止，虽然已有声称能够计量湿气的流量计，但是由于性价比低且缺少第三方检验等原因，并没有被石油公司所认可和接受，油田现场仍采用测试分离器配以单相流测量仪表的计量方式。基于测试分离器的计量方式存在工艺复杂、占据空间大、成本高等缺点，而且计量为间歇式（如测试频率为1次/天），从而无法对气藏、气井以及天然气处理设备进行实时的监控和及时的操作优化，大大限制了天然气生产管理水平和经济效益的提高。

现有的计量技术研究中通常把凝析天然气简化为低含液率气液两相流，并将其计量问题归结为低含液率气液两相流的双参数测量问题，其中双参数为气液分相流量或者某一相的流量和相含率。气液两相流动中存在着复杂多变的相界面，对流动机理的研究难度较大，两相流参数检测技术仍然属于一个亟待探索开发的领域。

针对气液两相流的参数检测，国内外研究人员所采取的技术路线主要有以下三类：（1）采用传统的单相流仪表与两相流参数测量模型相结合；（2）采用近代新技术，如激光多普勒测速技术、过程层析成像技术、全息技术等；（3）采用现代信息处理技术，如状态估计、参数辨识、模型识别、人工神经网络等建立软测量模型。

以上技术路线（1）将成熟的单相流测量原理和方法与气液两相流理论相结合，通过建立气液两相流参数测量模型对单相流测量结果进行修正，实现气液两相流的双参数测量。以上技术路线（2）和（3）所涉及的新型检测技术和信息处理方法在气液两相流参数检测方面的优势在于能够提供更丰富的流场信息，在特定的流动条件下能够达到较高的测量精度；但是其劣势在于这些新技术和新方法所需要的设备复杂且价格较高，软测量模型适用范围有限且模型参数往往需要在线标定。

依据所直接测量的参数的不同，常规的单相流流量测量仪表分为：速度式、质量式和容积式。速度式流量计包括：直接测量流速的电磁流量计、超声波流量计、相关流量计等和将流速变换为差压、位移、转速、频率等信号的差压式流量计、浮子流量计、涡轮流量计、涡街流量计等。质量式流量计能够直接测量流体的质量，如科氏流量计。

应用差压式流量计时所采用的节流元件主要有孔板、槽式孔板、文丘里管及改进的文丘里管和V型内锥等，气液两相同时流过节流元件时所产生的差压相对于等量的单相气体流过时会有所不同，从而使单相流量计对气相流量产生“过读”，研究中通常建立基于“过读”相关式的气液两相流参数测量模型来实现对气相流量测量值的修正。目前所提出的“过读”相关式均为在一定理论假设和实验条件下得到的半经验模型，因此在实际应用中需要依据实际工作条件作进一步修正，可见模型的通用性较差。

涡轮流量计具有可移动的部件——涡轮，在气液两相流条件下液体有时会在涡轮处产生“液塞”，对涡轮叶片产生断续的冲击，使得涡轮叶片的磨损非常严重。对应用涡街流量计进行气液两相流测量的研究主要集中在较低的液相含率条件下，此时涡街流量计能够产生稳定的、重复性较好“过读”，而在液相含率较高时，实验数据表明流量计的“过读”重复性很差，难以建立稳定的“过读”模型。

基于单相流测量原理，采用传统的单相流仪表仅能获得气液两相流双参数中的一个，而另一参数仍需要通过其他手段获得。因此，“组合测量”的方法，即基于两个不同的单相流测量原理有机组合以实现对双参数的测量是一有效途径。