基于管内相分隔的Z型天然气湿气实时测量装置和方法制造方法及图纸

基于管内相分隔的Z型天然气湿气实时测量装置，主要由气液粗分离系统、两级旋流器、两级管道式紧凑气液分离器、消旋器、气体流量计、温度传感器、压力传感器、U型集液管、液体流量计、引射式气液混合器组成；本发明专利技术装置的测量方法是通过利用多相流管内相分隔技术，结合重力分离作用，经过多个分离步骤实现气液的完全分离，然后利用单相流量计测量天然气湿气中气液两相的流量。通过本发明专利技术能够显著高湿气中气液的分离效率，保证气液测量精度，同时也大幅度地减小了分离器的体积，增加了湿气测量的实时性。此外，本发明专利技术所涉及的湿气测量装置和方法还具有适用流动参数范围广、安全性能高、生产制造成本低的优点，非常适合在工程上推广应用。

【技术实现步骤摘要】
基于管内相分隔的Z型天然气湿气实时测量装置和方法
本专利技术属于多相流流量测量
，具体地，本专利技术涉及一种基于管内相分隔的Z型天然气湿气实时测量装置，也涉及一种基于管内相分隔的Z型天然气湿气实时测量方法。
技术介绍
通常情况下，天然气由地下开采到地面时总是会携带一部分的液体，这些液体可能是地层中的原油、开采过程中由于温度和压力降低而产生的凝析油、地层水、注采水或者压裂返排液等。在油气工业中，将这种气井中采出的天然气与液相的混合物称为“湿气”，湿气中气体的体积含气率往往大于90％，大多数的气井的体积含气率在97％以上，而在美国机械工程师协会颁布的《湿气计量指南》中规定，洛-马数(Lockhart-Martinellinumber)小于等于0.3时称为湿气。由此可见，湿气属于多相流的范畴，其实质是一种高体积含气率的多相流形态。海上油气田、页岩气田的采出物均为湿气。目前随着对天然气需求的日益增大，对天然气的生产也提出了精细化管理的要求，而通过湿气测量获得单井产气量和产液量是实现气井监测、气藏管理、生产工艺优化和气井排水采气措施优选以及效果评价等的基础数据，不容缺失。从测量角度讲，天然气湿气测量作为多相流测量的一种特殊情况，气液相之间的速度滑移、管内相分布及流型的随机变化、温度压力等参数的不确定性都决定了湿气测量是一个复杂的多相流问题，并且由于液相所占比例非常小，对于测量误差特别敏感，往往会产生巨大的测量误差。因此，湿气一般不能直接应用传统的单相气体流量计进行测量，需要对其测量装置及方法开展专门的研究。目前常用的湿气测量方法主要可分为气液不分离测量和气液分离测量两大类。气液不分离测量是直接利用单相气体流量计测量湿气，并利用经验公式对测量值进行修正或者同时采用两种传感器相组合的方法测量湿气流量和相含率。中国专利技术专利申请CN103353319A、CN105675070A、CN104266702A、CN105890689A、CN105157766A和CN106979808A等介绍的湿气测量方法都是属于气液不分离测量。如CN103353319A中利用气体超声波流量计测量湿气流量，并根据经验公式对虚高流量进行修正；CN105675070A中利用异形文丘里喷管结合多相流压差与流量和相含率的关系式来测量湿气流量；CN104266702A中利用V锥流量计测量湿气流量并用电容探针测量液相含率；CN105890689A中利用差压流量计测量湿气流量并用伽马射线传感器测量各相含率；CN105157766A利用文丘里流量计和纺锤体流量计相组合的方法测量湿气流量和相含率；CN106979808A利用超声波流量计和靶式流量计组合法测量湿气流量和相含率。此外，美国专利技术专利US7454981B2中介绍了一种声波流量计和伽马射线密度计相结合测量湿气流量和相含率的装置及方法；欧洲专利技术专利EP2775272A1中介绍了利用科氏力流量计和文丘里流量计的组合法测量湿气流量的装置及方法；国际专利技术专利WO2005040732A1中介绍了利用超声波流量计和差压流量计相结合的方法测量湿气流量。以上相关的专利技术专利中湿气都应用常规的气体流量计来进行测量，尽管这种方法具有体积小、便于仪表化安装应用的优点，但是这种测量方法需要依靠常规气体流量计的响应与湿气流量和各相含率的关系模型。由于多相流的复杂性和流场分布的随机性，目前为止对多相流的流动机理的理论研究还很不充分，没能在理论上建立可靠、普适的流动模型，因此往往这种多相流参数与仪表响应的关系模型是通过实验室数据拟合得到的。由于不同气井的流动工况不同，实验室数据得到的表达式缺乏普适性，而如果应用现场工况数据进行关系式的拟合，又受现场条件的限制缺少量值传递标准，基本无法实现。因此利用常规流量计测量气液共存的湿气流，本身的测量模型就有一定的局限性，只在很窄的参数范围内具有较高的测量精度，偏离该参数范围往往就会产生较大的、难以预测的测量误差。气液不分离情况下湿气中的液相含率一般应用电容探针法、γ射线衰减法、微波法等方法进行测量，由于湿气中液相含量极少，电容探针的分辨率很难达到测量要求，会导致较大的液相误差；而射线法和微波法测组分存在着辐射污染及安全问题，其应用会受到国家或地方相关政策法律的限制。湿气的气液分离测量方法是将湿气进行气液分离后再分别应用单相气体流量计和液体流量计进行计量。该测量方法由于气液进行了完全分离，因此用单相流量计测量湿气的各分离相的流量具有较高的测量精度，但是这也对气液分离装置提出了更高的要求。中国专利技术专利申请CN105020585A、CN106996289A，技术专利CN206414929U，以及国际专利技术专利WO2017044538A1等中介绍的湿气测量方法都属于该种类型。这些专利中所涉及的气液分离器依靠旋流分离或者重力分离的方式，对于湿气来说，由于气速较高、液量少，液体随气流流动的跟随性较强，为了完成气液的完全分离，需要增大分离器直径以减小气速，增加分离器的高度以增大湿气在分离器的滞留时间，且往往需要在分离器内部设置一些强化气液分离的结构，因此分离器的体积较大，结构复杂，不便于气井井口测量。此外，大直径的气液分离器属于压力容器，制造成本高，对生产工艺和操作环境都有着要求的较高。综上所述，现有的湿气气液不分离测量方法尽管装置体积小，但是过于依赖经验的多相测量模型，因此具有测量精度低、适用范围窄的缺点；而现有的气液分离后再测量的方法尽管测量精度较高，但是存在着分离器体积大、结构复杂、制造成本高、工艺及操作要求高、不便于井口安装的缺点。
技术实现思路
针对上述现有技术存在的缺陷和不足，本专利技术的目的在于提供一种基于管内相分隔的Z型天然气湿气实时测量装置及方法，通过采用多相流管内相分隔技术，经过多个分离步骤在管道内完成湿气的气液完全分离，提高了气液分离效率，保证了气液测量精度，同时也大大减小了分离器的体积，增加了湿气测量的实时性。为达到以上目的，本专利技术采用如下技术方案：本专利技术的第一目的是提供一种基于管内相分隔的Z型天然气湿气实时测量装置，基于管内相分隔的Z型天然气湿气实时测量装置包括水平进口管、上水平管线、下水平管线、水平出口管，其特征在于：还包括气液粗分离系统、气液分离系统、气计量系统、气液混合系统和液计量系统；所述气液粗分离系统布置在水平进口管和上水平管线之间；所述气液分离系统、气计量系统依次布置在上水平管线、下水平管线之间的垂直管线上；所述气液混合系统布置在下水平管线和水平出口管之间；所述液计量系统并联布置在气液分离系统和气液混合系统之间；所述气液粗分离系统包括偏心套管、筛管；所述偏心套管一端与水平进口管相连，另一端与上水平管线相通；所述筛管穿过偏心套管且与套管相内切；所述偏心套管和筛管之间形成一个排液腔；所述偏心套管两端与筛管之间的间隙封死；所述气液分离系统包括一级旋流器、一级分离器、二级旋流器、二级分离器；所述一级旋流器、一级分离器、二级分离器依次布置在垂直管线上；所述二级旋流器布置在一级分离器内部；所述气计量系统包括消旋器、气体流量计、压力传感器、温度传感器；所述的消旋器、气体流量计依次布置在垂直管线上；所述压力传感器和温度传感器布置在消旋器和气体流量计之间；所述气液混合系统包括引射式气本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于管内相分隔的Z型天然气湿气实时测量装置，包括水平进口管(1)、上水平管线(6)、下水平管线(15)、水平出口管(18)，其特征在于：还包括气液粗分离系统、气液分离系统、气计量系统、气液混合系统和液计量系统；所述气液粗分离系统布置在水平进口管(1)和上水平管线(6)之间；所述气液分离系统、气计量系统依次布置在上水平管线(6)、下水平管线(15)之间的垂直管线上；所述气液混合系统布置在下水平管线(15)和水平出口管(18)之间；所述液计量系统并联布置在气液分离系统和气液混合系统之间；所述气液粗分离系统包括偏心套管(21)、筛管(22)；所述偏心套管(21)一端与水平进口管(1)相连，另一端与上水平管线(6)相通；所述筛管(22)穿过偏心套管(21)且与套管(21)相内切；所述偏心套管(21)和筛管(22)之间形成一个排液腔(211)；所述偏心套管(21)两端与筛管(22)之间的间隙封死；所述气液分离系统包括一级旋流器(7)、一级分离器(8)、二级旋流器(9)、二级分离器(10)；所述一级旋流器(7)、一级分离器(8)、二级分离器(10)依次布置在垂直管线上；所述二级旋流器(9)布置在一级分离器(8)内部；所述气计量系统包括消旋器(11)、气体流量计(12)、压力传感器(13)、温度传感器(14)；所述的消旋器(11)、气体流量计(12)依次布置在垂直管线上；所述压力传感器(13)和温度传感器(14)布置在消旋器(11)和气体流量计(12)之间；所述气液混合系统包括引射式气液混合器(16)；所述液计量系统包括U型集液管(5)、液路弯头(54)、垂直降液管(55)液位计(56)、电控阀(57)、液体流量计(17)；所述U型集液管(5)通过液路弯头(54)和垂直降液管(55)连接引射式气液混合器(16)；有初级导液管(51)连通下倾管(2)与U型集液管(5)；有一级导液管(52)连通一级分离器(8)与U型集液管(5)；有二级导液管(53)连通二级分离器(10)与U型集液管(5)；所述液体流量计(17)安装在垂直降液管(55)上；所述液位计(56)和电控阀(57)安装在U型集液管(5)上；所述液位计(56)和电控阀(57)之间通过控制线(58)相连接。...

【技术特征摘要】
1.基于管内相分隔的Z型天然气湿气实时测量装置，包括水平进口管(1)、上水平管线(6)、下水平管线(15)、水平出口管(18)，其特征在于：还包括气液粗分离系统、气液分离系统、气计量系统、气液混合系统和液计量系统；所述气液粗分离系统布置在水平进口管(1)和上水平管线(6)之间；所述气液分离系统、气计量系统依次布置在上水平管线(6)、下水平管线(15)之间的垂直管线上；所述气液混合系统布置在下水平管线(15)和水平出口管(18)之间；所述液计量系统并联布置在气液分离系统和气液混合系统之间；所述气液粗分离系统包括偏心套管(21)、筛管(22)；所述偏心套管(21)一端与水平进口管(1)相连，另一端与上水平管线(6)相通；所述筛管(22)穿过偏心套管(21)且与套管(21)相内切；所述偏心套管(21)和筛管(22)之间形成一个排液腔(211)；所述偏心套管(21)两端与筛管(22)之间的间隙封死；所述气液分离系统包括一级旋流器(7)、一级分离器(8)、二级旋流器(9)、二级分离器(10)；所述一级旋流器(7)、一级分离器(8)、二级分离器(10)依次布置在垂直管线上；所述二级旋流器(9)布置在一级分离器(8)内部；所述气计量系统包括消旋器(11)、气体流量计(12)、压力传感器(13)、温度传感器(14)；所述的消旋器(11)、气体流量计(12)依次布置在垂直管线上；所述压力传感器(13)和温度传感器(14)布置在消旋器(11)和气体流量计(12)之间；所述气液混合系统包括引射式气液混合器(16)；所述液计量系统包括U型集液管(5)、液路弯头(54)、垂直降液管(55)液位计(56)、电控阀(57)、液体流量计(17)；所述U型集液管(5)通过液路弯头(54)和垂直降液管(55)连接引射式气液混合器(16)；有初级导液管(51)连通下倾管(2)与U型集液管(5)；有一级导液管(52)连通一级分离器(8)与U型集液管(5)；有二级导液管(53)连通二级分离器(10)与U型集液管(5)；所述液体流量计(17)安装在垂直降液管(55)上；所述液位计(56)和电控阀(57)安装在U型集液管(5)上；所述液位计(56)和电控阀(57)之间通过控制线(58)相连接。2.根据权利要求1所述的基于管内相分隔的Z型天然气湿气实时测量装置，其特征在于：所述一级旋流器(7)、二级旋流器(9)由四～八个螺旋叶片或直叶片围绕一个中心轴而成；所述叶片内缘与中心轴连接为一体；所述叶片外缘与管道内壁紧密接触，没有间隙；所述中心轴的直径小于6mm。3.根据权利要求1或2所述的基于管内相分隔的Z型天然气湿气实时测量装置，其特征在于：所述一级分离器(8)由外筒(81)、与外筒同轴的第一薄壁内隔管(82)和第一导气管(83)组成；所述外筒(81)内壁与第一薄壁内隔管(82)的外壁构成了第一环形排液腔(84)；所述第一环形排液腔(84)的底部通过一级排液孔(86)与一级导液管(52)相连通；第一薄壁内隔管(82)的外壁与管道内壁之间形成第一液膜环缝(85)；所述第一导气管(83)为倒L型，其进口与第一环形排液腔(84)的顶部相连通，出口向下且位于第一薄壁内隔管(82)的中心处。4.根据权利要求1所述的基于管内相分隔的Z型天然气湿气实时测量装置，其特征在于：所述二级分离器(10)由管道(101)、与管道(101)同轴的第二薄壁内隔管(102)和第二导气管...

【专利技术属性】
技术研发人员：张兴凯，廖锐全，王旭东，史宝成，伍丽娟，赵辉，王栋，
申请(专利权)人：长江大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42