一种三相流体比例和流量测试装置及计算方法

1.一种三相流体比例和流量测试装置，其特征在于，包括管线及七个压力传感器，所述管线包括九段管道及扩径分流器；
所述第一、三、五、七、九管道均为水平设置管道，第二、四、六、八管道均为竖直设置的管道，且其中：第一管道的后端与第二管道的顶端连通，第二管道的底端与第三管道的前端连通，第三管道的后端与第四管道的底端连通，第四管道的顶端与第五管道的前端连通，第五管道的后端与扩径分流器的前端连通，第六管道的顶端与扩径分流器前端底部连通，第六管道的底端与第七管道的前端连通，第七管道的后端与第八管道的底端连通，第八管道的顶端与第九管道连通，且第九管道的前端与扩径分流器的后端也连通；所述第二、三、四管道口径相同，第六、七、八管道口径相同；
所述扩径分流器包括水平设置的筒体及水平向上卷起、设置在筒体内的分流板；其中第一至五管道流过整体油、气、水三相，经过所述筒体及分流板后，第六、七、八管道流过油、水二相，再共同流过第九管道；
所述第一压力传感器设置在第二管道的底端面，第二压力传感器设置在第三管道的后端面，第三压力传感器设置在第四管道的底端面，第四压力传感器设置在第四管道的顶端面，第五压力传感器设置在第六管道的底端面，第六压力传感器设置在第七管道的后端面，第七压力传感器设置在第八管道的顶端，在第一、二、四、五、六、七压力传感器的位置，使流体直角转向，原有的流动矢量变为零；
所述测试装置采用连续测压法进行三相流体比例和流量的测试，进行测试时，按如下推导公式计算相关参数：
①
②
③
④ (1)
⑤
⑥
⑦
式中：
P1、P21、P22、P2、P3、P31、P4分别是第一至第七压力传感器的测试压力；
是作用在对应压力传感器上的流动压力；ρ0是三相流体
1
密度，ρ是油、水二相流体密度；H是第四管道顶端到底端的高度，其与第二管道顶端到底端的高度相同；H1是第八管道顶端的第七压力传感器到第八管道底端的高度，其与第六管道上方的分流板到第六管道底端的高度相同；L是第三管道前端到后端的长度，数值上等于H；L1第七管道前端到后端的长度，数值上等于H1；a是三相流体流动方向发生90度变化时的流体平均加速度；a1是油、水二相流体流动方向发生90度变化时的流体平均加速度；
(A)三相流体的比例计算：
由所述公式(1)的①、④式可以计算出：
式中：
1
ρ0是计算出的三相流体密度，ρ 是计算出的油、水二相流体密度；n是第三、四管道的总长度与第三管道长度的比值，按设计等于2；n1是第七、八管道的总长度与第七管道长度的比值，按设计等于2；
1
△P是第三管道的压差，对应地，第四管道的压差也为△P；△P是第七管道的压差，对
1 1
应地，第八管道的压差也是△P；△P、△P 的计算写在(3)式中；
1
(2)式中的△P、△P由下式给出：
ΔP＝P1-P21 (3)
1
ΔP＝p3-p31
依据(2)式可以计算出三相流体的比例：
式中，V0是三相流体的体积，V1、V2、V3分别是油、水、气的体积；(4)式中右侧的参数是已知的，或可以计算出，ρ1、ρ2、ρ3分别是油、水、气密度，是可以在测试前测定的已知量；
计算直接给出各单相在三相流中的比例；
(B)三相流体的体积流量计算：
由(1)式的②、③式得出三相流体平均加速度：
α是流体平均加速度，由距离、速度、加速度的关系，可以计算出管道中管道的流体平均速度：
由(6)式得：
q＝V·S (7)
(7)式中，q是体积流量，S是管道的横截面积。
2.根据权利要求1所述的三相流体比例和流量测试装置，其特征在于，所述所有水平设置的管道与竖直设置的管道均分布于同一平面。
3.根据权利要求1所述的三相流体比例和流量测试装置，其特征在于，所述第二管道顶端到底端的高度与第四管道顶端到底端的高度以及第三管道前端到后端的长度相同；且所述第六管道上方的分流板到第六管道底端的高度与第八管道顶端的第七压力传感器到第八管道底端的高度及第七管道前端到后端的长度相同。
4.根据权利要求1所述的三相流体比例和流量测试装置，其特征在于，还包括两个测温传感器，所述第一测温传感器为输入端测温传感器，设置在第一管道内，第二测温传感器为输出端测温传感器，设置在第九管道内，用于根据流体温度调整单相流体密度。
5.根据权利要求1-4任一项所述的三相流体比例和流量测试装置，其特征在于，还包括与各传感器连接的单片机，用于即时给出、显示测试结果。
6.一种三相流体比例和流量计算方法，其特征在于，采用权利要求1-5任一项所述的测试装置进行测试，并按如下推导公式计算相关参数：
①
②
③
④ (1)
⑤
⑥
⑦
式中：
P1、P21、P22、P2、P3、P31、P4分别是第一至第七压力传感器的测试压力；
是作用在对应压力传感器上的流动压力；ρ0是三相流体
1
密度，ρ是油、水二相流体密度；H是第四管道顶端到底端的高度，其与第二管道顶端到底端的高度相同；H1是第八管道顶端的第七压力传感器到第八管道底端的高度，其与第六管道上方的分流板到第六管道底端的高度相同；L是第三管道前端到后端的长度，数值上等于H；L1第七管道前端到后端的长度，数值上等于H1；a是三相流体流动方向发生90度变化时的流体平均加速度；a1是油、水二相流体流动方向发生90度变化时的流体平均加速度；
(A)三相流体的比例计算：
由所述公式(1)的①、④式可以计算出：
式中：
ρ0是计算出的三相流体密度，ρ1是计算出的油、水二相流体密度；n是第三、四管道的总长度与第三管道长度的比值，按设计等于2；n1是第七、八管道的总长度与第七管道长度的比值，按设计等于2；
1
△P是第三管道的压差，对应地，第四管道的压差也为△P；△P是第七管道的压差，对
1 1
应地，第八管道的压差也是△P；△P、△P 的计算写在(3)式中；
1
(2)式中的△P、△P由下式给出：
ΔP＝P1-P21 (3)
1
ΔP＝p3-p31
依据(2)式可以计算出三相流体的比例：
式中，V0是三相流体的体积，V1、V2、V3分别是油、水、气的体积；(4)式中右侧的参数是已知的，或可以计算出，ρ1、ρ2、ρ3分别是油、水、气密度，是可以在测试前测定的已知量；
计算直接给出各单相在三相流中的比例；
(B)三相流体的体积流量计算：
由(1)式的②、③式得出三相流体平均加速度：
α是流体平均加速度，由距离、速度、加速度的关系，可以计算出管道中管道的流体平均速度：
由(6)式得：
q=V·S (7)
(7)式中，q是体积流量，S是管道的横截面积。
7.根据权利要求6所述的三相流体比例和流量计算方法，其特征在于，替换的，在已知三相流体粘滞系数的情况下，使用泊萧叶公式计算体积流量：
式中，q是体积流量，R是圆管道半径，△P是压差，L是与压差对应的水平管道长度，η是三相流体粘滞系数。
8.根据权利要求6所述的三相流体比例和流量计算方法，其特征在于，所述三相流体各相的密度按如下方法计算得出：
三相流体比例和流量测试装置的各段温度由温度梯度计算出来，以温度变化确定三相流体各自的密度变化，参照密度-温度曲线给出各相流体的当前密度；
并以P1、P2二个测试压力的平均值，确定气体密度随压力的变化，参照气体密度-压力曲线给出当前密度。
9.根据权利要求6所述的三相流体比例和流量计算方法，其特征在于，所述计算方法由单片机控制。

一种三相流体比例和流量测试装置及计算方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及原油测量领域，具体地，涉及一种三相流体比例和流量测试方法、装置及计算方法。\n背景技术\n[0002] 油田生产的原油通常有三种组分：油、气、水三相；直接计量体积流量、及各相比例是油田生产中亟待解决的问题。\n[0003] 由于三相流量计的使用在油田生产开发方面节约成本，而且有利于油田管理的决策和对流程的有效控制。这些因素的存在极大程度地推动了三相流量计在石油工业中的发展。而现有的流量计均是近年来刚刚问世的，由于在线测试环境极其恶劣，三相流量计的测量范围受到很多限制，如受含气率、含油率、含水率、黏度、盐度等不同程度的影响，因此在技术上还没有进行过统一的试验评价。此类流量计的体积均较为庞大，且市场上大多流量计的误差几乎都在10％左右。要实现在线实时计量，还要满足信号的连续采集，并达到小体积、高强度、抗腐蚀、长寿命的要求。流体的物性对流量计的选型也有着极大的影响，流体物性对三相流量计选型的影响见表1。\n[0004] 表1流体物性对三相流量计选型的影响\n[0005] \n[0006] 目前，即时给出三相流的测试设备有二类：一是直接测试三相流量；二是仅测试三相比例、另测试整体流量。对环境、测试对象均有比较严格的要求。\n发明内容\n[0007] 本发明的目的在于提供一种三相流体比例和流量测试方法及装置，使其可以同时测试三相流比例及流体体积流量，结构简单，没有动态部件，易于适应不同环境，测试结果稳定、可靠。\n[0008] 本发明的另一个目的在于提供采用测试装置的三相流体比例和流量的计算方法。\n[0009] 为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：\n[0010] 一种三相流体比例和流量测试方法，采用连续测压法进行测试。\n[0011] 一种三相流体比例和流量测试装置，包括管线及七个压力传感器，所述管线包括九段管道及扩径分流器；所述第一、三、五、七、九管道均为水平设置管道，第二、四、六、八管道均为竖直设置的管道，且其中：第一管道的后端与第二管道的顶端连通，第二管道的底端与第三管道的前端连通，第三管道的后端与第四管道的底端连通，第四管道的顶端与第五管道的前端连通，第五管道的后端与扩径分流器的前端连通，第六管道的顶端与扩径分流器前端底部连通，第六管道的底端与第七管道的前端连通，第七管道的后端与第八管道的底端连通，第八管道的顶端与第九管道连通，且第九管道的前端与扩径分流器的后端也连通；所述第二、三、四管道口径相同，第六、七、八管道口径相同；所述扩径分流器包括水平设置的筒体及水平向上卷起、设置在筒体内的分流板；其中第一至五管道流过整体油、气、水三相，经过所述筒体及分流板后，第六、七、八管道流过油、水二相，再共同流过第九管道；\n所述第一压力传感器设置在第二管道的底端面，第二压力传感器设置在第三管道的后端面，第三压力传感器设置在第四管道的底端面，第四压力传感器设置在第四管道的顶端面，第五压力传感器设置在第六管道的底端面，第六压力传感器设置在第七管道的后端面，第七压力传感器设置在第八管道的顶端，在第一、二、四、五、六、七压力传感器的位置，使流体直角转向，原有的流动矢量变为零。\n[0012] 进一步地，所述所有水平设置的管道与竖直设置的管道均分布于同一平面。\n[0013] 进一步地，所述第二管道顶端到底端的高度与第四管道顶端到底端的高度以及第三管道前端到后端的长度相同；且所述第六管道上方的分流板到第六管道底端的高度与第八管道顶端的第七压力传感器到第八管道底端的高度及第七管道前端到后端的长度相同。\n[0014] 进一步地，还包括两个测温传感器，所述第一测温传感器为输入端测温传感器，设置在第一管道内，第二测温传感器为输出端测温传感器，设置在第九管道内，用于根据流体温度调整单相流体密度。\n[0015] 进一步地，还包括与各传感器连接的单片机，用于即时给出、显示测试结果。\n[0016] 一种三相流体比例和流量计算方法，采用上述的测试装置进行测试，并按如下推导公式计算相关参数：\n[0017] \n[0018] \n[0019] \n[0020] \n[0021] \n[0022] \n[0023] \n[0024] 式中：\n[0025] P1、P21、P22、P2、P3、P31、P4分别是第一至第七压力传感器的测试压力；\n是作用在对应压力传感器上的流动压力；ρ0是三\n1\n相流体密度，ρ是油、水二相流体密度；H是第四管道顶端到底端的高度，其与第二管道顶端到底端的高度相同；H1是第八管道顶端的第七压力传感器到第八管道底端的高度，其与第六管道上方的分流板到第六管道底端的高度相同；L是第三管道前端到后端的长度，数值上等于H；L1第七管道前端到后端的长度，数值上等于H1；a是三相流体流动方向发生90度变化时的流体平均加速度；a1是油、水二相流体流动方向发生90度变化时的流体平均加速度；\n[0026] (A)三相流体的比例计算：\n[0027] 由所述公式(1)的1、4式可以计算出：\n[0028] \n[0029] \n[0030] 式中：\n[0031] ρ0是计算出的三相流体密度，ρ1是计算出的油、水二相流体密度；n是第三、四管道的总长度与第三管道长度的比值，按设计等于2；n1是第七、八管道的总长度与第七管道长度的比值，按设计等于2；\n[0032] △P是第三管道的摩擦阻力，对应地，第四管道的摩擦阻力也为△P；△P1是第七管道的摩擦阻力，对应地，第八管道的摩擦阻力也是△P1；△P、△P1的计算写在(3)式中；\n[0033] (2)式中的△P、△P1由下式给出：\n[0034] ΔP＝P1-P21 (3)\n[0035] ΔP1＝p3-p31\n[0036] 依据(2)式可以计算出三相流体的比例：\n[0037] \n[0038] \n[0039] \n[0040] 式中，V0是三相流体的体积，V1、V2、V3分别是油、水、气的体积；(4)式中右侧的参数是已知的，或可以计算出，ρ1、ρ2、ρ3分别是油、水、气密度，是可以在测试前测定的已知量；计算直接给出各单相在三相流中的比例；\n[0041] (B)三相流体的体积流量计算：\n[0042] 由(1)式的2、3式得出三相流体平均加速度：\n[0043] \n[0044] α是流体平均加速度，由距离、速度、加速度的关系，可以计算出管道中管道的流体平均速度：\n[0045] \n[0046] 由(6)式得：\n[0047] q＝V·S (7)\n[0048] (7)式中，q是体积流量，S是管道的横截面积。\n[0049] 进一步地，在已知三相流体粘滞系数的情况下，使用泊萧叶公式计算体积流量：\n[0050] \n[0051] 式中，q是体积流量，R是圆管道半径，△P是压差，L是与压差对应的管道长度，η是三相流体粘滞系数。\n[0052] 进一步地，所述三相流体各相的密度可按如下方法计算得出：\n[0053] 三相流体比例和流量测试装置的各段温度可以由温度梯度计算出来，以温度变化确定三相流体各自的密度变化，参照密度-温度曲线给出各相流体的当前密度；并以P1、P2二个压力传感器测试压力的平均值，确定气体密度随压力的变化，参照气体密度-压力曲线给出当前密度。\n[0054] 进一步地，所述计算方法由单片机控制。\n[0055] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：\n[0056] 1、可以同时测试三相流体的比例及体积流量，结构简单，易于适应不同环境，测量范围受限少，无可动部件，适于推广应用。\n[0057] 2、体积及误差均相对较小。\n[0058] 3、可实现在线实时计量。\n[0059] 下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。\n附图说明\n[0060] 图1为本发明的三相流体比例和流量测试装置结构示意图。\n具体实施方式\n[0061] 以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。\n[0062] 实施例1\n[0063] 本发明的一种三相流体比例和流量测试方法，提出了采用连续测压方式在线测量流体三相流比例、流量的理论，采用了与他人完全不同的思路和全新的设计理念；在复杂流体情况下，压力测试结果较现有其它测试方法更有代表性，可靠性更高。\n[0064] 基于上述理论方法，本发明提供了一种三相流体比例和流量测试装置，可以同时测试三相流体的比例及整体体积流量。该测试装置的结构示意图如图1所示，包括管线及七个压力传感器1、21、22、2、3、31、4，管线包括九段管道101-109及扩径分流器110。\n[0065] 第一、三、五、七、九管道101、103、105、107、109均为水平设置的管道，第二、四、六、八管道102、104、106、108均为竖直设置的管道，且其中：第一管道101的后端与第二管道102的顶端连通，第二管道102的底端与第三管道103的前端连通，第三管道103的后端与第四管道104的底端连通，第四管道104的顶端与第五管道105的前端连通，第五管道\n105的后端与扩径分流器110的前端连通，第六管道106的顶端与扩径分流器110前端底部连通，第六管道106的底端与第七管道107的前端连通，第七管道107的后端与第八管道\n108的底端连通，第八管道108的顶端与第九管道109的底部连通，且第九管道109的前端与扩径分流器110的后端连通；第二、三、四管道102、103、104口径相同，第六、七、八管道\n106、107、108管道口径相同。\n[0066] 扩径分流器110包括水平设置的筒体1101及水平向上卷起、设置在筒体1101内的分流板1102；其中第一至五管道101-105流过整体油、气、水三相，经过筒体1101及分流板1102后，第六、七、八管道106-108流过油、水二相，再共同流过第九管道109。\n[0067] 第一压力传感器1设置在第二管道102的底端面，第二压力传感器21设置第三管道103的后端面，第三压力传感器22设置在第四管道104的底端面，第四压力传感器2设置在第四管道104的顶端面，第五压力传感器3设置在第六管道106的底端面，第六压力传感器31设置在第七管道107的后端面，第七压力传感器4设置在第八管道108的顶端，结构要求在第一、二、四、五、六、七压力传感器1、21、2、3、31、4的位置均为直角，原有的流动矢量变为零。\n[0068] 上述三相流体比例和流量测试装置摆放时，优选方式为所有水平设置的管道与竖直设置的管道均在同一平面内。\n[0069] 上述第二管道102顶端到底端的高度与第四管道104顶端到底端的高度以及第三管道103前端到后端的长度相同；且第六管道106上方的分流板1102到第六管道106底端的高度与第八管道108顶端的第七压力传感器4到第八管道108底端的高度及第七管道\n107前端到后端的长度相同。\n[0070] 上述测试装置还可包括两个测温传感器，第一测温传感器A为输入端测温传感器，设置在第一管道101内，第二测温传感器B为输出端测温传感器，设置在第九管道109内。通过设置上述测温传感器，可以在测试装置进行测量前，首先获得油、气、水三相的各自密度。\n[0071] 为了实现在线即时测量，上述测试装置还包括与各传感器连接的单片机。\n[0072] 实施例2\n[0073] 利用实施例1中的测试装置进行测量并计算可以得出三相流体的比例和三相流体的体积流量，同时参考图1，1-22-21-2段管线流过整体三相流量，经过扩径分流器110及分流板1102后，3-31-4段管线流过油、水二相。由于扩径、分流、及回旋流动，使气体难以流入3-31-4段管线。A、B是流量计输入端、输出端测温传感器，流量计各段温度可以由温度梯度计算出来，以温度变化确定三相流体各自的密度变化，参照密度-温度曲线给出各相流体的当前密度。以P1、P2二个压力传感器测试压力的平均值，确定气体密度随压力的变化，参照气体密度-压力曲线给出当前密度。密度-温度、压力曲线可以在一幅图中给出，由测试前的物性实验给定。7个压力传感器的测试压力可以写为：\n[0074] \n[0075] \n[0076] \n[0077] \n[0078] \n[0079] \n[0080] \n[0081] 式中：\n[0082] P1、P21、P22、P2、P3、P31、P4分别是第一至第七个压力传感器的测试压力；\n是作用在对应压力传感器上的流动压力；ρ0是三\n1\n相流体密度，ρ是油、水二相流体密度，ρ1是油单相密度，实际上应在测试前测出油、水、气各自的密度、温度曲线；H是第四管道104顶端到底端(2-22段管线)的高度，其与第二管道102顶端到底端的高度相同；H1是第八管道108顶端的第7传感器4到第八管道108底端(4-31段管线)的高度，其与第六管道106上方的分流板1102到第六管道106底端的高度相同；L是第三管道103前端到后端(1-21段管线)的长度；a是三相流体流动方向发生\n90度变化时的流体平均加速度；a1是油、水二相流体流动方向发生90度变化时的流体平均加速度；\n[0083] (A)三相流体的比例计算：\n[0084] 由所述公式(1)的1、4式可以计算出：\n[0085] \n[0086] \n[0087] 式中：\n1\n[0088] ρ0是计算出的三相流体密度，ρ 是计算出的油、水二相流体密度；n是第三、四管道的总长度与第三管道长度的比值，按设计等于2；n1是第七、八管道的总长度与第七管道长度的比值，按设计等于2；\n1\n[0089] △P、△P是管线流动摩擦阻力，对于同种流体，是一个仅与管线口径、尺度、流动速度有关的压力损失。流体流动经过103、104二段，在103段的流动是水平流动，没有势能变化，又均在直角转弯处、减速距离相同，P1、P21二个压力传感器测试的压力差应该是103段的摩擦阻力△P；104段与103段管线口径、尺度、流动速度相同，摩擦阻力也应该为△P；\n1\n这是(2)式中△P、n的来源。同样，△P是107段的摩擦阻力；108段的摩擦阻力也应该\n1 1 1\n是△P；这是(2)式中△P 、n1的来源。△P、△P 的计算写在(3)式中；\n1\n[0090] (2)式中的△P、△P由下式给出：\n[0091] ΔP＝P1-P21 (3)\n1\n[0092] ΔP＝p3-p31\n[0093] 依据(2)式可以计算出三相流体的比例：\n[0094] \n[0095] \n[0096] \n[0097] 式中，V0是三相流体的体积，V1、V2、V3分别是油、水、气的体积；(4)式中右侧的参数是已知的，或可以计算出，ρ1、ρ2、ρ3分别是油、水、气密度，是可以在测试前测定的已知量。计算直接给出各单相在三相流中的比例。\n[0098] (B)三相流体的体积流量计算：\n[0099] 由(1)式得出流体平均加速度：\n[0100] \n[0101] α是是三相流体方向发生90度变化时的流体平均加速度，由距离、速度、加速度的关系，可以计算出管道中流体平均速度：\n[0102] \n[0103] 由(6)式得：\n[0104] q＝V·S (7)\n[0105] (7)式中，q是体积流量，S是管道的横截面积。\n[0106] 如果在已知三相流体粘滞系数的情况下，也可使用泊萧叶公式计算体积流量：\n[0107] \n[0108] 式中，q是体积流量，R是圆管道半径，△P是压差，L是与压差对应的管道长度，η是三相流体粘滞系数。\n[0109] 液体粘度越大，(7)、(8)式计算结果的差别也越大。如果知道三相流体的粘滞系数，建议使用(8)式。\n[0110] 由以上过程，上述装置也可以测试体积流量。\n[0111] 由单片机控制，每秒可以采集1000组以上数据，适应流态的激烈变化，给出即时三相流量。\n[0112] 要求管线中三相流体流动速度不低于1米/秒，流动速度偏小影响压力传感器测试可靠性；可以通过选择流量计口径保持足够大的流速。\n[0113] 如果没有三相流体粘滞系数，不能测试粘度过大的流体。\n[0114] 最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。