CN103292849A - 一种在线测量水平管中湿气的气相流量和液相流量的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在线测量水平管中的湿气的气相流量和液相流量的装置，其包括以下构件：水平文丘里管，其包括截面积渐小的圆台形入口管道，圆筒形喉部管道和截面积渐大的圆台形出口管道；伽马射线探测器，其包括伽马射线发射器和伽马射线检测器，二者的布置方式使得伽马射线发射器所发出的伽马射线能够以径向方向沿所述喉部管道的横截面穿过，到达伽马射线接收器。本发明还涉及使用上述装置测量水平管中的湿气中气相流量和液相流量的方法。

Description

一种在线测量水平管中湿气的气相流量和液相流量的装置及方法

技术领域

本发明属于多相流流量计量领域。具体地，本发明涉及一种在线测量水平管中的湿气的气相流量和液相流量的装置，并涉及一种在线测量水平管中的湿气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”。湿气在本质上属于一种多相流，即气相和液相的混合流体。其中所述气相包括例如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例如甲烷、乙烷、丙烷、丁烷等。所述液相可包括：油相，例如原油本身以及在原油开采过程中溶解在原油中的液体添加剂，以及水相，例如地层水、采用过程中注入油井中的水以及溶解在水相中的其它液体添加剂。如何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。

第一类测量多相流中气液相体积流量装置工作原理如下：通过分离器将气液两相混合流体分离成气相和液相，这种分离器一般是通过重力实现气液分离，或通过旋流分离器实现气液分离，然后分别计量气相和液相的体积流量。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。这种先分离后测量的方法也并非在线测量方法，存在测量的滞后性。

第二类在线测量湿气的气相流量和液相流量的方法如下：沿着湿气的生产管线水平安装一单相仪表，将湿气当做单相进行计量。由于没有使用多相仪表，所以液量需要通过别的途径预先知道，或知道个概值。单相仪表的计量结果被当作气量，但往往虚高，需要进行修正。业内通常采用的修正方法是基于气液两相的Lockhart-Martinelli参数进行迭代计算，主要代表有ISO湿气模型，例如参见出版物ISO/TR 11583：2012，其英文题目是“Measurementof wet gas flow by means of pressure differential devices inserted incircular cross-section conduits”，所有修正都是针对气量的修正。但这种方法存在三个主要缺点：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计量或修正；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。

第三类测量方法是是沿着湿气的生产管线水平安装一总流量计量设备和相分率计，分别测量流体的总体积流量Q_t和水平管某一径向的气相线性相分率α_g，并使用以下公式进行计算：

Q_g＝Q_t×α_g

Q_l＝Q_t×(1-α_g)

Q_t是总体积流量；

Q_g是气相体积流量；

Q_l是液相体积流量；

α_g是气相线性相分率；

这种方法一般假设水平管线中的湿气为雾状流，即在水平管线中液相以小液滴形式均匀分布在气相中的状态，且气相和液相之间不存在滑差。而且这种方法中的相分率计一般都安装在水平管的某一径向位置，其测得的气体相分率为该径向位置的气体线性相分率α_g，由于上述“均相”和“无滑差”假设的存在，所以所测量的气体线性相分率α_g等同于气相面积相分率α_sg和气体体积相分率GVF。这种方法假设水平管线中的湿气为均相雾状流且气液之间没有滑差，这和湿气流动的实际情况不太符合，在水平管线中，由于重力、系统压力和温度的影响，以及湿气“湿”的程度，湿气在水平管线中并非是一种理想的均相状态，使用水平管线径向的气相线性相分率α_g替代气体体积相分率GVF是存在误差的，而这对液相的测量精度影响更为明显。在湿气中，GVF是个很接近1的数，GVF的些许变化，可引起LVF极大的相对误差，也就造成了极大的液相测量误差。所以，这种方法中，液相的测量精度往往比较差。

第四类测量方法是在竖直管道中进行上述测量，以避免因液相沉积在管道底部而造成偏离上述“雾状流”的假设。其中，所有的测量管道均要竖直安装。但油田中湿气的生产管线通常是水平的，故需要将管道的方向从水平取向改变成竖直取向才能进行上述测量，这需要变向管道，以及为使流型稳定而设置的过渡管道，造成测量装置占用较大的空间，这不利于在对布局紧凑性要求较高的海上油气平台上安装。

因此，本领域需要一种能够对水平管线中的湿气的气相流量和液相流量进行在线测量的装置和方法，这样可以不需要改变流体流向，使用短管结构的测量装置即可进行测量，可极大的减少测量设备所占据的空间并简化安装工作，同时尽可能实现较高的测量精度。

上述目标通过本发明的装置和方法实现。

发明内容

第一方面，本发明涉及一种在线测量水平管中的湿气的气相流量和液相流量的装置，其包括以下构件：

水平文丘里管，其包括截面积渐小的圆台形入口管道，圆筒形喉部管道和截面积渐大的圆台形出口管道；

伽马射线探测器，其包括伽马射线发射器和伽马射线检测器，二者的布置方式使得伽马射线发射器所发出的伽马射线能够以径向方向沿所述喉部管道的横截面穿过，到达伽马射线接收器。

第二方面，本发明涉及一种在线测量水平管中的湿气的气相流量和液相流量的方法，包括：

a.使湿气流过一段水平文丘里管，该文丘里管包括截面积渐小的圆台形入口管道，圆筒形喉部管道和截面积渐大的圆台形出口管道；

b.通过伽马射线探测器测定沿所述喉部管道的横截面上的径向方向的气相线性相分率α_{g_θ}，其中伽马射线探测器包括伽马射线发射器和伽马射线检测器，其中伽马射线发射器所发出的伽马射线以径向方向穿过气液两相，到达伽马射线接收器；

c.根据等径偏心圆模型，由总体积流量Q_t以及上述径向气相线性相分率α_{g_θ}，计算气相流量Q_g和液相流量Q_l，具体公式如下：

-计算偏心距d：

$d=(R-2R{\mathrm{\α}}_{g\_\mathrm{\θ}})\sin \mathrm{\θ}+\sqrt{R^2-{(R-2R{\mathrm{\α}}_{g\_\mathrm{\θ}})}^2{\cos }^2\mathrm{\θ}}$

其中R为所述喉部管道的半径，其中θ为测量时采用的径向方向与水平径向方向的夹角；

-计算气相面积相分率α_sg：

${\mathrm{\α}}_{\mathrm{sg}}=\frac{{4R}^2{\cos }^{-1}\left(\frac{d}{2R}\right)-\sqrt{({4R}^2-d^2)d^2}}{2\mathrm{\π}{R}^2}$

-计算气相体积相分率GVF：

$\mathrm{GVF}=\frac{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{sg}}\×S}{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{sg}}\×S+1-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{sg}}}$

其中S为气液两相之间的滑差；当考虑滑差时，S由经验公式计算得到；当不考虑滑差时，S＝1，则GVF＝α_sg；

-计算水平管中湿气的气相流量和液相流量：

Q_g＝Q_t×GVF

Q_l＝Q_t×(1-GVF)。

附图说明

图1是本发明的装置的示意图。其中各附图标记含义如下：1.文丘里管入口管道；2.文丘里管喉部管道；3.文丘里管出口管道；4和4’.伽玛射线发射器；5和5’.伽玛射线检测器；6.总体积流量计量设备；7.压差测量元件；8.温度测量元件；9.压力测量元件。其中右图为左图喉部处的剖面视图。其中4和4’以及5和5’只是示意性地示出了两种可能的伽玛射线发射器和伽玛射线检测器的位置，实际上只需要有一套伽玛射线发射器和伽玛射线检测器即可。

图2是本发明的等径偏心圆模型的示意图；其中图2-1中的实线所绘成的圆形表示水平文丘里管的横截面；虚线所绘成的圆形表示等径偏心圆，弧线B1-B2-B3-…-Bn为气液相界面的轮廓线，阴影部分为液相所占据的截面积。图2-2以B1、B2和B3三点为例示意出气液相界面的轮廓线的点的位置的确定办法；图2-3为常规的平直气液相界面轮廓线，其中弓形的阴影部分为液相所占据的横截面。

图3是本发明的实验装置的流程示意图。其中图3-A和3-B示出了两种可能的伽玛射线发射器和伽玛射线检测器的工作位置。

图4是本发明的装置和方法所实现的气相流量相对测量误差。

图5是本发明的装置和方法所实现的液相流量相对测量误差。

图6是本发明的装置的样机在英国国家工程实验室(NEL实验室)中进行测试时的现场照片。

以上附图仅用于示例性地说明本发明的技术构思和技术方案，而不以任何方式限制本发明。

发明详述

为了便于理解本发明，首先对多相流计量领域中的一些术语简单介绍如下：

“多相流”是指由气相和液相构成的混合流体。其中液相又可分为油相和水相，油相和水相可以混溶在一起作为单一的液相，也可以不可混溶作为两种独立的液相。

“湿气”是一种具体的多相流，其中将油相和水相作为单一的液相来对待，即湿气是基本上由气相和液相组成的多相流，其中气相体积占多相流的总体积之比大于90％，优选大于95％，更优选大于98％。

“体积流量”是指单位时间内流过的流体的体积，在SI单位制中，其量纲可以为m³/s。根据流体所处的温度和压力的不同，体积流量又分为工况体积流量和标准体积流量。前者是在工作条件的实际温度压力下实际测得的体积流量，而后者是将前者进行PVT换算后折算成在标准状况(298K，101.325kPa)下的体积流量。

“相分率”是指多相流中各相所占的百分比。按照计量基准区分，相分率可分为线性相分率、面积相分率和体积相分率。其中线性相分率是指在一条线性上，例如沿伽玛射线透射方向上，气相和液相各自的吸收路径长度占气液两相总吸收路径长度的比例，分别称为气相线性相分率α_g和液相线性相分率α_l，其中下标g表示气体，下标l表示液体。而面积相分率是指在某一横截面上，气液或液相所占据的面积占总横截面积的百分比，也可分别称为气相面积相分率α_g和液相面积相分率α_l。而体积相分率则是指气液两相各自的体积流量占多相流总体积流量的百分比。所有相分率，无论是线性相分率、面积相分率和体积相分率，均为无量纲的百分比，且满足以下条件：α_g+α_l＝1。为了清晰起见，在提到相分率这一术语时，本发明会特别注明是线性相分率、面积相分率还是体积相分率。

“含气率”是指气相的体积相分率，用GVF表示；“含液率”是指液相的体积相分率，用LVF表示；显然在湿气的情况下，GVF+LVF＝1。

“径向”是指沿着圆的直径方向。

“竖直”是指与重力加速度方向同向或反向。

“水平”是指与重力加速度方向垂直的方向。

“滑差”是指气液两相混合流体在同一管路中流动时的气相速度与液相速度之差，其量纲就是速度的量纲；“气液滑差因子”是气液两相混合流体在同一管路中流动时的气相速度与液相速度之比，无量纲。造成滑差的因素有很多，其中主要是由于气液之间在密度、粘度、可压缩性等性质方面差别巨大，在实际管路中，由于气体密度和粘度较小，气相速度常常大于液相速度，造成滑差。滑差现象的存在给湿气中气相流量和液相流量的测量带来误差。

“稳态流”是指流体的流型在宏观上不随时间变化，即达到所谓的“稳态”。

下文将对本发明所公开的在线测量水平管中的湿气的气相流量和液相流量的装置以及方法进行详细介绍。

本发明的第一方面涉及在线测量水平管中的湿气的气相流量和液相流量的装置，其包括以下构件：水平文丘里管和伽马射线探测器。以下将分别介绍。

水平文丘里管

文丘里管是流量计量领域的常见设备，其能使得流体发生“节流”作用。文丘里管的最基本的组件包括截面积渐小的圆台形入口管道，圆筒形喉部管道和截面积渐大的圆台形出口管道。流体从上游管道流入文丘里管的截面积渐小的圆台形入口管道，随着流动面积的渐小，发生节流作用，即流体流速增加但静压降低，当流体并到达文丘里管的截面积最小的圆筒形喉部管道时，流速达到最大，静压降到最低，然后流体沿着文丘里管的截面积渐大的圆台形出口管道流出该文丘里管，进入下游管道。通过测量文丘里管上游管道或上游管道与其入口管道交界处(即未发生节流作用之处)的压力P1，以及测量文丘里管的喉部管道处的压力P2，计算压力差ΔP，并结合文丘里管的结构参数，能够计算流体的流量或者流速。有关文丘里管的更多具体结构以及计算流体流量或流速的公式，可参见任何一本流体力学教科书。这里不再赘述。本发明中，要求文丘里管以水平方式布置，亦即文丘里管的中轴线呈水平方向。

伽马射线探测器

伽玛射线探测器是多相流流量计领域中常用的一种探测器，其一般包括伽马射线发射器和伽马射线检测器，本发明中要求二者的布置方式要使得伽马射线发射器所发出的伽马射线能够以径向方向沿所述喉部管道的横截面穿过，到达伽马射线接收器。伽玛射线探测器工作原理是，由位于管道一侧的伽马射线发射器中的放射源发出具有一定初始强度即发射强度N₀的伽玛射线，优选为经过准直的伽玛射线，该伽玛射线穿过吸收介质时，会因与吸收介质发生光电效应、康普顿散射和电子对产生等相互作用，而发生强度衰减，即被吸收介质吸收掉至少一部分，然后位于管道另一侧的伽马射线检测器检测衰减后的伽玛射线强度即透射强度N，并基于一定的公式计算出吸收介质的吸收系数。其中所述放射源可以采用各种合适的放射源。在多相流体作为吸收介质的情况下，由于气相和液相对于伽玛射线具有不同的吸收系数，因此，对于具有不同的气相-液相比例的多相流来说，将具有不同的吸收系数。可通过对由传统的气液分离设备(例如旋流分离器或者冷凝分离器)分开的气相和液相分别进行测量，来事先获得气相和液相各自的吸收系数，作为本发明测量中重要的常数来使用。据此，对测得的气液混合物的吸收系数进行分析计算，将有可能提供各相的相分率的信息。

本发明中使用的伽玛射线探测器是已知的，关于其更多工作原理和设备细节，可参见相关的专著。本文不再赘述。

本发明中要求，伽马射线发射器所发出的伽马射线能够以径向方向沿所述喉部管道的横截面穿过，到达伽马射线接收器。径向布置要使得伽玛射线能够穿过气液两相。一种很确定的能穿过气液两相的径向布置方式是竖直径向，因为即便湿气中的液量再少，在发生液相沉降后，在水平管最底部也能有存液。然而，这本领域技术人员也可以根据具体情况选择非竖直径向即倾斜径向的方向，并用该倾斜径向水平方向之间的夹角θ(0°≤θ≤90°)来表示该倾斜径向的具体方向。技术人员不难通过对湿气含气率的历史经验值的简单估算来选择该倾斜径向的具体方向以确保沿此倾斜径向伽玛射线仍能穿过气液两相。实践中，技术人员还可以通过简单的试错法来选择该倾斜径向的具体方向，因为一旦伽玛射线仅能穿过气相时，则伽玛射线检测器的读数将迅速下降一个数量级，则测量时排除这种情况即可确保伽马射线穿过气液两相。此外，在本发明的实施方案中，所述伽玛射线探测器能以固定的径向方向或者变化的径向方向进行测量。优选使用竖直径向方向。但也可以使用任意倾斜径向方式，例如所述径向方向与水平径向之间的夹角可以为以下选择之一：θ≥10度，θ≥15度，θ≥30度，θ≥45度，θ≥60度，θ≥75度，θ≥80度，θ≥85度或θ＝90度。只要能确保伽玛射线穿过气液两相，则采用各角度时的测量结果在测量误差方面是彼此相当的。如下所述，这将使得伽玛射线探测器的布置角度可以根据油气输送管道的具体现场空间条件进行灵活布置，而不影响测量精度。

本发明的气液两相流量计量装置还可以任选地包括位于所述水平文丘里管上游或下游的用于测量多相流总体积流量的总体积流量计量设备。这些总体积流量计量设备的作用是测量多相流的总体积流量，且可以采用流体流量计量领域已知的任何适合于计量流体总体积流量的流量计。例如，但不限于，弯管流量计、文丘里流量计、转子流量计、浮子流量计、孔板流量计等等。关于总体积流量计量设备的工作原理和设备细节，也可参见相关教科书或者设备厂家的产品说明书。本文不再赘述。或者，所述总体积流量计量设备也可以选自流体流速计量设备，这种流速计量设备能够测出多相流的平均流速，然后通过乘以管道截面积而得到总体积流量。一种示例性的流体流速计量设备可以是通过互相关法测量流体流速的设备。互相关法的基本原理是沿着液体流动方向在距离已知的两点处设置两个传感器，该传感器可以是基于微波、射线、差压或电阻抗的传感器，可用于检测流体的密度、电导率或电感。工作时，两个传感器检测同一信号经过此已知距离所需要的时间，然后计算出流体的平均速度。该“互相关法”的原理及其所使用的计算公式是现有技术已知的，例如参见挪威油气计量协会出版的《Handbook ofmultiphase flow metering》，2005年3月，第二版。

然而，优选地，本发明的多相流量计量装置不使用单独的上述位于所述水平文丘里管上游或下游的用于测量多相流总体积流量的总体积流量计量设备，而是就使用本发明中所述的水平文丘里管完成总流量的测量。即，本发明的多相流量计量装置还可以包括测量所述文丘里管的上游与其喉部之间的压差的压差测量元件、测量文丘里管上游的湿气压力的压力测量元件以及测量湿气温度的温度测量元件。由此，则可以根据常规文丘里管测量流量的原理使用该水平文丘里管来完成总体积流量的测量，而不必使用单独的总体积流量计量设备。

本发明的第二方面涉及一种在线测量水平管中的湿气的气相流量和液相流量的方法，其所包括的步骤如发明概述部分所述。下面就各步骤进行更详细地阐述。

在其中的步骤a中，使湿气流过一段水平文丘里管，其中在所述喉部管道处，在重力作用下，湿气中的液相和气相发生至少部分分层，因此在水平文丘里管的喉部处就存在着气液分层现象。气液至少部分分层现象在水平管道中是容易发生的，甚至是难以避免的。例如，在水平文丘里管上下游的水平管道中，也存在气液至少部分分层现象。气液至少部分分层后产生的气液相界面可以是清晰的界面也可以是模糊的界面，这取决于分层是否完全以及流体的湍动程度。本申请的发明人经过长期实验发现，在所述水平文丘里管的喉部处的气液分层比该文丘里管上下游的水平管道中的气液分层更有利用价值，其可以用于测量气液相流量。

在其中的步骤b中，通过伽马射线探测器测定沿所述喉部管道的横截面上的径向方向的气相线性相分率α_{g_θ}，其中伽马射线探测器包括伽马射线发射器和伽马射线检测器，其中伽马射线发射器所发出的伽马射线以径向方向穿过气液两相，到达伽马射线接收器。其中伽玛射线探测器的布置方式如本发明的第一方面中所述，可以采用任何径向方向，只要能确保伽玛射线穿过气液两相即可。

在其中的步骤c中，根据等径偏心圆模型，由总体积流量Q_t以及上述径向气相线性相分率α_{g_θ}，计算气相流量Q_g和液相流量Q_l，具体公式以下将详细说明。总体积流量计量设备，如果选用的话，其选择和布置方式等也如同本发明的第一方面中所述。现在，重点对“等径偏心圆模型”进行介绍，正是本申请人独创性地采用该模型，才使得在线测量水平管中的湿气的气相流量和液相流量在技术上成为可能和可行的。

所谓“等径偏心圆模型”，就是假设气液相在水平圆管道中因液相沉降作用而发生完全分层后，液相的存在区域会是这样的一个区域：一个原本与水平管道的圆形横截面(不妨将水平管道的圆形横截面称为“截面圆”)完全重合的圆在竖直径向上向上偏移一段距离d(不妨称d为偏心矩)后得到一个“等径偏心圆”，该“截面圆”内的不与该“等径偏心圆”重合的那一块弯月形区域，即为假设气液完全分层时液相所占据的区域。圆形管道内的其余区域则为气相所占据。如图2-1所示，其中圆O为截面圆，圆O’为偏心圆，则假定弯月形的阴影部分区域就是气液相完全分层后液相所占据的区域，管道内其余区域则认为被气相所占据。二者之间的交界线被认为是气液相界面。在该等径偏心圆模型下，该气液相截面是一个清晰的界面，这给本发明的气液相流量计算带来便利。但值得指出的是，实际上的气液相界面可能并不是如此清晰的界面，而是有可能为一个模糊的界面，尤其是在气液不完全分层的情况下；且即便气液完全分层，其实际气液界面也只能是非常接近上述清晰的界面，而很难真正完全达到上述清晰的界面。但本发明中，无论气液相界面的真实情况如何，均可由气相线性相分率α_{g_θ}数据出发，通过归一化方法来计算出名义上的气液相界面点，结合图2-2所示，将该归一化方法介绍如下：在某一径向方向上，伽玛射线穿过的气相长度与截面圆的直径之比即为气相线性相分率α_{g_θ}，例如在图2-2中，当伽玛射线沿直径AC穿过时，认为线段BC代表伽玛射线穿过的气相长度，而线段AB代表伽玛射线穿过的液相长度，AC即为截面圆直径，则根据气相线性相分率α_{g_θ}的定义可知：α_{g_θ}＝BC/AC＝BC/2R。当通过伽马射线探测器测得α_{g_θ}后，可通过BC＝2R×α_{g_θ}来计算BC的长度，进而确定B点位置，认为该B点即为沿直径AC方向上的归一化后的气液相界面点，也可以称为名义上的气液相界面点。注意，之所以称为“名义上”，是因为其只是在归一化计算中假设的气液相界面点，不一定是真实的气液相界面点。改变直径的方向例如分别沿着直径A1C1、A2C2、A3C3、……AnCn测量一系列的α_{g_θ}来，则可通过上述归一化方法计算得出一系列气液相界面点B1、B2、B3、……Bn，连接这些点B1、B2、B3、……Bn，则可得到归一化的气液相界面。并进行后续计算。因此，换句话说，“等径偏心圆模型”也可以做如下等效表述：在水平圆管内的穿过气液两相的任一径向方向上，认为气相长度等于2R×α_{g_θ}，液相长度等于2R×(1-α_{g_θ})，并将据此所计算出的气液交界点的位置作为名义上的气液相分界点的位置，连接所有名义上的气液相分界点的位置，则得到名义上的气液相界面，该名义上的气液相界面可用上述等径偏心圆仍留在截面圆内的那段圆弧来表示，故将上述确定名义上的气液相界面的过程之为“等径偏心圆模型”。

尽管上述等径偏心圆模型建立的前提是气液完全分层，但申请人在实践中惊讶地发现，即便气液不完全分层而只是发生部分分层，按照上述“等径偏心圆模型”进行测量和计算，仍能得到同气液完全分层一样的测量精度。换句话说，实践中按照该模型进行测量和计算时，气液是否完全分层并不会影响测量和计算结果的精度。这一令人惊讶的发现在对于测量实践的指导意义非常重大：一是在测量实践中，可以完全省略掉对于气液是否完全分层的判断，进而可省略掉测量装置中用于保证气液完全分层的物理设备；二是，基于此发现，有可能实现在水平管中对湿气进行气液相流量的精确测量，因为不再要求湿气必须以均相的“雾状流”形式存在，即气液分层是否分层以及是否分层完全，都不再干扰气液相流量的测量，这使得原本只能在竖直管道中进行的湿气流量测量也可以在水平管道中进行。

上述“等径偏心圆模型”也大大出乎本领域技术人员预料，因为传统上，基于液体的流平性，技术人员会认为，在圆形管道内气液完全分层后，气液相之间的界面是一条水平直线，即液相所占据的面积是几何学上的“弓形”，如图2-3所示。技术人员从未想到该气液相界面可以用上述“等径偏心圆模型”来描述。

在创造性地建立该等径偏心圆模型后，则在测量实践中就可以根据该等径偏心圆模型来从水平文丘里管喉部的任意径向方向上测得的线性α_{g_θ}数据出发计算气液相各自的体积流量，而不必非得使用从竖直径向方向测得的线性α_{g_θ}数据出发进行计算，这也为伽马射线探测器的布置角度提供了极大的灵活性，在空间有限的海上石油平台上使用或者在对现有湿气管道进行改装性流量计安装时，这尤其方便。

采用该等径偏心圆模型，则可以根据总体积流量Q_t以及上述径向气相线性相分率α_{g_θ}，计算气相流量Q_g和液相流量Q_l，具体公式以下：

-计算偏心距d：

$d=(R-2R{\mathrm{\α}}_{g\_\mathrm{\θ}})\sin \mathrm{\θ}+\sqrt{R^2-{(R-2R{\mathrm{\α}}_{g\_\mathrm{\θ}})}^2{\cos }^2\mathrm{\θ}}$

其中R为所述喉部管道的半径，其中θ为测量时采用的径向方向与水平径向方向的夹角；

-计算气相面积相分率α_sg：

${\mathrm{\α}}_{\mathrm{sg}}=\frac{{4R}^2{\cos }^{-1}\left(\frac{d}{2R}\right)-\sqrt{({4R}^2-d^2)d^2}}{2\mathrm{\π}{R}^2}$

-计算气相体积相分率GVF：

$\mathrm{GVF}=\frac{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{sg}}\×S}{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{sg}}\×S+1-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{sg}}}$

其中S为气液两相之间的滑差因子；当考虑滑差时，S由经验公式计算得到；当不考虑滑差时，S＝1，则GVF＝α_sg；

-计算水平管中湿气的气相流量和液相流量：

Q_g＝Q_t×GVF

Q_l＝Q_t×(1-GVF)。

其中总体积流量Q_t可以由位于所述水平文丘里管上游或下游的总体积流量计量设备测得。或者，也可以通过本发明的第一方面压差测量元件所述的测量所述文丘里管的上游与其喉部之间的压差、压力测量元件所测量的湿气的压力以及温度测量元件所测量的湿气温度，来根据常规文丘里流量计计算公式进行计算，公式如下：

$Q_t=C\·\frac{{\mathrm{\πd}}^2}{4}\·\frac{1}{\sqrt{1-{\mathrm{\β}}^4}}\·\sqrt{2\·(\mathrm{\ΔP}/{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{mix}})},$ m³/s

其中C为流体的流出系数，无量纲；d为文丘里管喉部处的内管径；β为文丘里管喉部处内管径与其入口处内管径的比值；ΔP为所述压差测量元件测得的压力差；ρ_mix湿气的混合密度，各物理量的单位，如果有的话，均采用国际单位制。

其中滑差因子的计算可以采用文献中已经发表的任何模型，一些可供选用的模型如下：

(1)动量通量模型(Momentum Flux Model)

$S={\left(\frac{{\mathrm{\ρ}}_g}{{\mathrm{\ρ}}_l}\right)}^{0.5}$

其中ρ_g为气相密度

ρ_l为液相密度

关于该模型的更多细节，请参见以下文献：J.R.Thome“Void Fraction inTwo-Phase Flows”，Engineering Data Book III(Wolverine Tube Inc)，Chapter17，2004。

(2)Smith模型(Smith Model)

$S=\mathrm{\ϵ}+(1-\mathrm{\ϵ}){[\frac{\left(\frac{{\mathrm{\ρ}}_l}{{\mathrm{\ρ}}_g}\right)+\mathrm{\ϵ}\left(\frac{1-x}{x}\right)}{1+\mathrm{\ϵ}\left(\frac{1-x}{x}\right)}]}^{0.5}$

其中ρ_g为气相密度

ρ_l为液相密度

ε为夹带因子

x为干度

关于该模型的更多细节，请参见以下文献：S.L.Smith，Void Fractions inTwo-Phase Flow：A Correlatioin Based Upon an Equal Velocity Head Model，Proceedings of th institution of mechanical Engineers，Vol.184，No.36，pp647-664，1969。

(3)Chisholm模型(Chisholm Model)

$S={[1-x(1-\frac{{\mathrm{\ρ}}_g}{{\mathrm{\ρ}}_l})]}^{0.5}$

其中ρ_g为气相密度

ρ_l为液相密度

x为干度

关于该模型的更多细节，请参见以下文献：D.Chisholm，PressureGradients due to Friction During the Evaporating Two-Phase Mixtures inSmooth Tubes and Channels，Heat Mass Transfer，Vol.16，pp347-358，1973.Pergamon Press.

(4)海默滑差模型(Haimo Model)

$S=\frac{(1-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{sg}})(\frac{1}{{\mathrm{\μ}}_k^{\′}}\frac{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{sg}}}{1-\mathrm{\ϵ}}-2(\frac{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{sg}}}{1-\mathrm{\ϵ}}-1))}{{(1-\frac{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{sg}}}{1-\mathrm{\ϵ}})}^2+\mathrm{\ϵ}(\frac{1}{{\mathrm{\μ}}_k^{\′}}{\left(\frac{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{sg}}}{1-\mathrm{\ϵ}}\right)}^2-2({\left(\frac{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{sg}}}{1-\mathrm{\ϵ}}\right)}^2-\frac{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{sg}}}{1-\mathrm{\ϵ}}))}$

其中α_sg为气相面积相分率，μ′_k＝(1-ε)μ_k+ε，μ_k为气液两相粘度比，ε为夹带因子，其可以根据经验取值，或者通过以下方法得到：用本发明的装置与标准气相流量计量设备和标准液相流量计量设备共同测量同一湿气的气相流量和液相流量，进行有限次实验，分别得到一组气相流量和液相流量的实验值和真值后，然后对实验数据进行数据回归而得到夹带因子的实验值，进而将该回归得到的夹带因子实验值作为已知常数应用到仅单独使用本发明的测量装置的场合中。其中数据回归技术是本领域技术人员已知的，不再赘述。

其中该海默模型为本申请人根据大量实验数据自行建模而得出的模型。

具体实施方式

提供以下实施例以说明本发明的技术方案，其仅仅为举例说明性的，而不以任何方式限制本发明。

1、实验装置及其简介

关于本发明的装置和测量方法的验证性实验在英国国家工程实验室(National Engineering Laboratory，简称NEL实验室)中进行，NEL是目前世界公认的多相流计量设备评估和测试的权威机构，素以客观、权威和严格著称，故目前国际主流油气生产商均要求其多相流量计供应商所供应的多相流量计必须通过该实验室的测试。本发明的测量装置如图1所示，其中各元件均可商购得到。图3是本发明的整套实验装置的示意图。在常温下，使用气泵10将经过净化的某一气相(例如空气、氮气、天然气或油田伴生气，等等)经过标准气相流量计量系统11(例如用于测量气体流量的速度式流量计)送入水平测试管线中，其中由该标准气体流量计量系统11测得气体的流量Q_气。与此同时使用液泵12将某一液体(例如原油、水或油水混合物，等等)经过标准液相流量计量系统13(例如用于测量液体流量的容积式流量计)送入水平湿气管线中，其中由该标准液相流量计量系统13测得液相的流量Q_液。上述气相流量和液相流量均可独立调整，以便在水平测试管线中建立不同的湿气流量条件，并在不同的湿气流量条件下进行测量。液体与气体在测试管线中混合形成湿气。上述湿气流经图3中虚线所示的本发明的测量装置进行测量。

实施例中，未使用单独的总体积流量计量设备，而是就用设置在水平测试管线上的如图1中所示的文丘里流量管并结合对湿气温度、压力以及文丘里管上游与喉部压差的测量，来计算气液两相混合流的总流量Q_t。其中用径向布置在上述水平文丘里管喉部两侧的伽玛射线发射器4和伽玛射线检测器5来测量气相线性相分率α_g。各实施例中，伽玛射线发射器4和伽玛射线检测器5的测量方向可以是竖直径向或倾斜径向。用温度表8和压力表9分别测量上述混合流体在进入水平文丘里管前的温度T和压力P。实验中，系统的工作压力稳定在6MPa，液相和气相的温度稳定在20℃。

2.真值的确定以及误差的表示

实验中测量标准气相流量计量系统11和标准液相流量计量系统13的计量精度如下表1所示：

表1.标准气液相流量计量系统极其计量精度

	类型	计量精度
			标准液相流量计量系统	涡轮流量计	±0.2％
标准气相流量计量系统	超声波流量计	±0.3％

认为上述经标准流量计量系统测得的Q_液和Q_气为液体和气体流量的真值。将经过本发明的测量装置和测量方法测得的测量值Q_l和Q_g与该真值进行比较，以进行评价。按照本领域的习惯性做法，气相流量的误差以相对误差表示：Eg＝(Q_g-Q_气)/Q_气×100％；液相流量的误差以相对误差表示：El＝(Q_l-Q_液)/Q_液×100％。

3、气液相体积流量的测量和计算

通过上述实验装置，直接测得的物理量是总体积流量Q_t和测得的文丘里管喉部处的线性气相相分率α_{g_θ}，以及湿气的温度T和压力P。其中关于气体、液体以及湿气的诸多物性参数，例如粘度、密度、干度和压缩因子等，可根据上述T和P用任何流体状态方程计算得到，这些计算是热力学以及流体力学中的常规计算方法，可参见任何一本热力学教科书和流体力学教科书，在此不再赘述。气体和液体本身的组成可以另行单独测得。此外，计算中若需要本发明的装置的任何具体物理尺寸和几何特征，则认为这些都是已知的，因为这不难通过实测而得到。

在最终的气液体积流量计算过程中，采用以下两种计算方法：

3.1直接采用上述测得的气液两相的总体积流量Q_t和测得的文丘里管喉部处的线性气相相分率α_{g_θ}，按照以下公式计算气液相体积流量：

Q_g＝Q_t×α_{g_θ}

Q_l＝Q_t×(1-α_{g_θ})

并将气液相体积流量结果列于表2和表3中的第H列和第I列，并将它们与真值之间的相对误差列在第L和第M列。

3.2采用本发明的计算方法，利用上述“等径偏心圆模型”和“滑差模型”计算气液相体积流量，将结果分别列于表2和表3中的第J列和第K列，并将它们与真值之间的相对误差列在第N和第O列。其中滑差模型采用上述海默滑差模型。

4.实施例1

采用图3-A所示的装置，其中伽玛射线探测器的测量方向为竖直径向。具体测量方法和计算方法如上所述，测得的实验数据列于表2中。

5.实施例2

采用图3-B所示的装置，其中伽玛射线探测器的测量方向与水平径向成30°角。具体测量方法和计算方法如上所述，测得的实验数据列于表3中。

6.气液相流量的相对误差

为了清楚体现气液相流量的测量相对误差，申请人还对上述表2和表3中的误差数据进行做图，如图4和图5所示。

从上述表2和表3以及图4和图5中的数据可见，采用本发明的装置和方法，不仅能够实现在水平管道中对湿气的气液相流量进行测量，而且取得了非常高的测量精度，在采用上述“等径偏心圆模型”和“滑差模型”进一步修正后，气液相体积流量的相对误差都大大减少，尤以液相的相对误差减少地更为明显。这是传统的湿气流量测量装置和方法所难以比拟的。湿气测量领域中一个巨大困难就是液相体积流量的测量误差非常大，因为液相流量在湿气中所占比例非常小，例如根据湿气的“湿”的程度不同，小于10％，或小于5％，或小于2％，因其基数小，故其对于测量误差特别敏感。按照一般油气生产商的规格要求，认为液相体积流量的相对误差小于20％就算是可接受的，因此传统的湿气流量测量装置和方法中对于液相体积流量的设计测量误差也在±20％以内。图4和图5中的校正前的误差曲线也说明了这一点。而在本发明的方法中，无论是以竖直径向测量还是以倾斜径向测量，都能较好地实现±20％以内的液相流量相对误差，这首先证明了本发明的装置和方法能替代现有技术的装置和方法。此外，本申请人还以相对于水平径向成45°、60°等方向进行了更多的实验，结果均显示，液相流量的相对误差都大大降低，若以最大相对误差计，可以达到在±14％以内，若以平均误差计，可以达到在±7％以内。

以上实施例体现了本发明的装置和方法测量湿气中气液两相各自流量的可行性以及大大降低液相流量测量的相对误差的巨大优势。

需要指出的是，尽管实施例中示例性地使用了“等径偏心圆模型”与“海默滑差模型”的组合进行了测量和数据处理，但实际中，由于本发明中已经创造性地用“等径偏心圆模型”将测得的气相线性相分率转化为更接近实际情况的气相的面积相分率，在后续的使用滑差模型将面积相分率转化为体积相分率的过程中，显然也使用其他滑差模型，亦即，本发明中也可以根据需要将上述“等径偏心圆模型”与其他滑差模型组合使用，都能实现本发明的根本目的：在水平管中对湿气中的气液相流量进行在线和高精度测量。

相对于传统流量计，本发明的测量装置以及测量方法具有以下优点：

1.对湿气中气液两相流量的测量可以在水平文丘里管中进行，这突破了传统的必须在竖直管道中进行测量的技术偏见。

2.伽马射线探测器可以沿着水平文丘里管喉部的任何径向进行布置，而不必限于竖直径向方向。

3.测量精度提高，例如对于液相流量，若以最大相对误差计，可以达到在±14％以内，若以平均误差计，可以达到在±7％以内；对于气相流量，若以最大相对误差计，可以达到在±3.6％以内，若以平均误差计，可以达到在±2.9％以内。该精度创造了国内外湿气流量计测量的最高精度水平。

以上仅仅出于举例说明的目的说明了本发明，本领域技术人员将会理解，实施例中所列出的布置方式、具体数字等仅仅是示意性的，本领域技术人员可以在不背离权利要求所限定的本发明的保护范围的情况下，根据具体实际情况对本发明的诸多细节进行变化。本发明的保护范围以权利要求中的表述为准。

Claims (10)

1.一种在线测量水平管中的湿气的气相流量和液相流量的装置，其包括以下构件：

水平文丘里管，其包括截面积渐小的圆台形入口管道，圆筒形喉部管道和截面积渐大的圆台形出口管道；

伽马射线探测器，其包括伽马射线发射器和伽马射线检测器，二者的布置方式使得伽马射线发射器所发出的伽马射线能够以径向方向沿所述喉部管道的横截面穿过，到达伽马射线接收器。

2.根据权利要求1的装置，还包括位于所述水平文丘里管上游或下游的总体积流量计量设备；或者，还包括测量所述文丘里管的上游与其喉部之间的压差的压差测量元件、测量文丘里管上游的流体压力的压力测量元件以及测量湿气温度的温度测量元件。

3.根据权利要求1的装置，其中所述伽玛射线探测器能以固定的径向方向或者变化的径向方向进行测量。

4.根据权利要求1的装置，其中所述径向方向与水平径向之间的夹角θ选自以下任一种情况：θ≥10度，θ≥15度，θ≥30度，0≥45度，θ≥60度，θ≥75度，θ≥80度，≥85度，或θ＝90度。

5.根据权利要求1的装置，其中所述总体积流量计量设备选自弯管流量计、文丘里流量计、转子流量计、浮子流量计、孔板流量计，或者，其中所述总体积流量计量设备选自流体流速测量设备。

6.一种在线测量水平管中的湿气的气相流量和液相流量的方法，包括：

a.使湿气流过一段水平文丘里管，该文丘里管包括截面积渐小的圆台形入口管道，圆筒形喉部管道和截面积渐大的圆台形出口管道；

b.通过伽马射线探测器测定沿所述喉部管道的横截面上的径向方向的气相线性相分率α_{g_θ}，其中伽马射线探测器包括伽马射线发射器和伽马射线检测器，其中伽马射线发射器所发出的伽马射线以径向方向穿过气液两相，到达伽马射线接收器；

c.根据等径偏心圆模型，由总体积流量Q_t以及上述径向气相线性相分率α_{g_θ}，计算气相流量Q_g和液相流量Q_l，具体公式如下：

-计算偏心距d：

$d=(R-2R{\mathrm{\α}}_{g\_\mathrm{\θ}})\sin \mathrm{\θ}+\sqrt{R^2-{(R-2R{\mathrm{\α}}_{g\_\mathrm{\θ}})}^2{\cos }^2\mathrm{\θ}}$

其中R为所述喉部管道的半径，其中θ为测量时采用的径向方向与水平径向方向的夹角；

-计算气相面积相分率α_sg：

${\mathrm{\α}}_{\mathrm{sg}}=\frac{{4R}^2{\cos }^{-1}\left(\frac{d}{2R}\right)-\sqrt{({4R}^2-d^2)d^2}}{2\mathrm{\π}{R}^2}$

-计算气相体积相分率GVF：

$\mathrm{GVF}=\frac{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{sg}}\×S}{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{sg}}\×S+1-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{sg}}}$

其中S为气液两相之间的滑差因子；当考虑滑差时，S由经验公式计算得到；当不考虑滑差时，S＝1，则GVF＝α_sg；

-计算水平管中湿气的气相流量和液相流量：

Q_g＝Q_t×GVF

Q_l＝Q_t×(1-GVF)。

7.权利要求6的方法，其中总体积流量Q_t由位于所述水平文丘里管上游或下游的总体积流量计量设备测得。

8.权利要求6的方法，其中当使用测量所述文丘里管的上游与其喉部之间的压差的压差测量元件、测量文丘里管上游的流体压力的压力测量元件以及测量湿气温度的温度测量元件时，总体积流量Q_t由以下公式计算得到：

$Q_t=C\·\frac{{\mathrm{\πd}}^2}{4}\·\frac{1}{\sqrt{1-{\mathrm{\β}}^4}}\·\sqrt{2\·(\mathrm{\ΔP}/{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{mix}})},$ m³/s

其中C为流体的流出系数，无量纲；d为文丘里管喉部处的内管径；β为文丘里管喉部处内管径与其入口处内管径的比值；ΔP为所述压差测量元件测得的压力差；ρ_mix湿气的混合密度，各物理量的单位，均采用国际单位制。

9.权利要求6的方法，其中用于计算滑差因子S的所述经验公式选自以下模型之一：动量通量模型、Smith模型、Chrisholm模型或海默滑差模型。

10.权利要求6的方法，其中用于计算滑差因子S的所述经验公式为海默滑差模型。

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