CN110501045B - 一种可变截面通道的流量测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可变截面通道的流量测量装置，包括：测量模块(1)，用于检测流量信息；压力传感器(2)，用于检测压力信息；控制电路(3)，连接所述测量模块(1)和所述压力传感器(2)，用于根据所述压力信息控制所述测量模块(1)进行流量测量，并将所述流量信息通过通信电缆(4)发送给地面系统；其中，所述测量模块(1)包括开关阀片(11)。本发明提供的可变截面通道的流量测量装置具有较强的抗污能力、大的量程比和适应多种井况的优点。

Description

一种可变截面通道的流量测量装置及方法

技术领域

本发明属于流体测量技术领域，具体涉及一种可变截面通道的流量测量装置及方法。

背景技术

随着油气田的不断开发，油层压力和含油量不断减小，油井产量也持续降低。为了弥补由于原油开采而导致的地层亏空，提高原油产量和估计剩余油藏含量，所以必须给油层进行注水。油田注水是油田开发过程中向地层补充能量、保持地层压力、提高油田采收率和保持油田稳产高产的重要手段。在注水过程中，需要对各层的注水量和油层产出量进行精确控制，这样可以有效的对油层情况进行估计，从而达到提高产油率的目的。

目前石油天然气领域常用的流量测量方法主要有孔板流量测量、电磁式流量测量、涡街式流量测量、超声流量测量以及容积式流量测量。

然而，孔板流量测量方法量程比较小，同时受电子元器件的影响较大；电磁式流量测量方法对井况的要求较高，抗污性较差；涡街式流量测量对井况和液体流速要求比较高；超声流量测量对井况要求高，抗污性较差；容积式流量测量方法要求设备体积大，一般只适用于地面设备。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种可变截面通道的流量测量装置及方法。

本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

一种可变截面通道的流量测量装置，包括：

流量调整模块，其内部设置有流量调整件，所述流量调整件用于调节流过该流量调整件的流体截面面积；

压力测量模块，用于检测所述流量测量装置外部流体压力值；

控制模块，连接所述压力测量模块和所述流量调整模块，用于当检测到所述外部流体压力值与预设压力值一致时，控制所述流量调整件停止调节该截面面积；

流量测量模块，用于当所述流量调整件停止调节时，获取当前流体截面面积，以及所述当前流体截面面积对应的所述流量调整件两侧压力差值，并根据所述当前流体截面面积和所述压力差值得到流量值。

在本发明的一个实施例中，所述流量调整模块还包括用于安装所述流量调整件的过流通道。

在本发明的一个实施例中，流量调整件包括相互贴合的动阀片和定阀片；所述定阀片上设置有至少一个过流孔。

在本发明的一个实施例中，所述流量调整模块还包括驱动机构，所述驱动机构连接所述动阀片，用于控制所述动阀片运动，以调节流过所述过流通道的流体截面面积。

在本发明的一个实施例中，所述流量测量模块包括压差检测器和处理器，所述压差检测器连接所述处理器，用于检测所述当前流体截面面积对应的所述流量调整件两侧压力差值；所述处理器用于获取当前流体截面面积。

在本发明的一个实施例中，还包括通信模块，所述通信模块连接所述压力测量模块、控制模块和所述流量测量模块，用于将所述外部流体压力值发送到所述控制模块，以及将所述流量值发送到地面设备。

一种可变截面通道的流量测量方法，包括以下步骤：

将过流通道截面的面积调至最大；

检测仪器外部流体压力值；

根据所述仪器外部流体压力值将过流通道截面面积调节至固定值；

获取流量信息并上传至地面系统。

在本发明的一个实施例中，根据所述仪器外部流体压力值调节过流通道截面的面积包括：

实时检测所述仪器外部流体压力值，同时调节过流通道截面面积；

当检测到所述外部流体压力值与预设压力值一致时，停止调节所述过流通道截面面积。

在本发明的一个实施例中，所述获取流量信息并上传至地面系统包括：

获取当前过流通道截面面积和对应的过流通道截面前后压力差值；

根据所述过流通道截面面积和所述压力差值得到当前流量信息；

读取所述流量信息并上传至地面设备。

本发明的有益效果：

1、本发明提供的可变截面通道的流量测量装置通过多个截面的拓展叠加，使得整个仪器的量程比得到扩展，能够满足大量程比的测量需求；

2、本发明提供的可变截面通道的流量测量装置采用运动部件进行过流通道截面面积的调整，相对于静止部件，运动件更不易结垢、沉积杂质和堵塞，具有很好的抗污性能；

3、本发明提供的可变截面通道的流量测量装置结构精简，可以满足不同井况的使用要求，尤其是不同介质压力等条件下的井况要求；

4、本发明提供的可变截面通道的流量测量装置及方法具有更好的调控性能，能够使仪器测量调控变得更有效、更准确。

以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种可变截面通道的流量测量装置结构示意图；

图2是本发明实施例提供的另一种可变截面通道的流量测量装置结构示意图；

图3是本发明实施例提供的流量调整件结构示意图；

图4是本发明实施例提供的流量调整模块和流量测量模块结构示意图；

图5是本发明实施例提供的流体通过截面能量变化示意图；

图6是本发明实施例提供的流体通过不同截面的流量变化示意图；

图7是本发明实施例提供的多个截面特性曲线图。

附图说明：1-流量调整模块，2-压力测量模块，3-控制模块，4-流量测量模块，5-通信模块，11-流量调整件，12-过流通道，13-驱动机构，41-差压检测器，111-动阀片，112-定阀片。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例一

请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种可变截面通道的流量测量装置结构示意图，包括，

流量调整模块1，其内部设置有流量调整件11，所述流量调整件11用于调节流过该流量调整件11的流体截面面积；

压力测量模块2，用于检测所述流量测量装置外部流体压力值；

控制模块3，连接所述压力测量模块2和所述流量调整模块1，用于当检测到所述外部流体压力值与初始压力值一致时，控制所述流量调整件11停止调节该截面面积；

流量测量模块4，用于当所述流量调整件11停止调节时，获取当前流体截面面积，以及所述当前流体截面面积对应的所述流量调整件11侧压力差值，并根据所述当前流体截面面积和所述压力差值得到流量值。

在本实施例中，流量调整模块1在控制模块3的控制下，根据压力测量模块2测得的外部流体压力值来调节调节过流通道的截面面积。压力测量模块2主要是测量本测量装置的内部过流通道总压力和本测量装置外部的总压力，而外部总压力与通过被测仪器的内压一致。

控制模块3是仪器与地面进行信息交互的电路软件集成，其用于对压力测量模块2测得的仪器内外压信息进行读取，同时控制流量测量模块4进行流量的测量计算，并读取测量结果上传至地面系统。

请参见图2，图2是本发明实施例提供的另一种可变截面通道的流量测量装置结构示意图；

在本实施例中，流量调整模块1还包括用于安装所述流量调整件11的过流通道12。

测量时，将测量装置放入被测仪器内部，液体从仪器内部通道流过过流通道12及流量调整模块1后，流出测量装置，然后流入被测仪器，最后流入地层。

在本实施例中，流量调整件11包括相互贴合的动阀片111和定阀片112；定阀片112上设置有至少一个过流孔。

请参见图3，图3是本发明实施例提供的流量调整件结构示意图；

在本实施例中，流量调整件设计为开关阀片，其中，动阀片111和定阀片112上设有形状尺寸相同的过流孔。在仪器进行测量时，需将开关阀片11开到最大，即全开状态，此时，动阀片111和定阀片112的过流孔完全重合，这样由大到小改变截面面积，有利于测量过程调控。

请参见图4，图4是本发明实施例提供的流量调整模块和流量测量模块结构示意图。

在本实施例中，流量调整模块1还包括驱动机构13，所述驱动机构13连接所述动阀片111，用于控制所述动阀片111运动，以调节流过所述过流通道12的流体截面面积。

在本实施例中，控制模块3控制驱动机构13带动动阀片111，使其与定阀片112产生相对位移，这样使动阀片111和定阀片112之间的过流截面发生改变，进而改变过流通道的过流特性。

在本实施例中，流量测量模块4包括压差检测器41和处理器，所述压差检测器41连接所述处理器，用于检测所述当前流体截面面积对应的所述流量调整件11两侧压力差值；所述处理器用于获取当前流体截面面积并计算流量值。

在本实施例中，处理器通过测量两阀片的相对相位角，并结合阀片流量通道的内外直径获得截面积。

在本实施例中，流量测量装置还包括通信模块5，所述通信模块5连接所述压力测量模块2、控制模块3和所述流量测量模块4，用于将所述外部流体压力值发送到所述控制模块3，以及将所述流量值发送到地面设备。

在本实施例中，通信模块5设计为通信电缆，与地面进行信息进行交互并控制井下设备。

在本实施例中，先将差压检测器41装入流量测量模块4，再将动阀片111和定阀片112装入过流通道12，将过流通道12与流量调整模块1和驱动机构13相连，接着将流量测量模块4与过流通道12相连，然后将组件装入仪器内腔，最后连接控制模块3与通信模块5，并将压力测量模块2和控制模块3装入仪器内腔。

本发明提供的流量测量装置采用取样测量的方式，仅需结构尺寸很小的取样管道便实现大过流通道的流量测量，这使得仪器结构精简，能够满足不同井况的使用要求。

本发明采用运动部件进行过流通道截面面积的调整，相对于静止部件，运动件更不易结垢、沉积杂质和堵塞，具有很好的抗污性能。此外，本发明通过多个不同的过流截面的拓展叠加使得整个装置的量程比得到了扩展，能够满足大量程比的测量需求，增加了仪器的适用范围。

在本实施例中，流量测量模块1中的差压检测器41测量开关阀片11前后的压力差，数据处理器根据测得的压力差再结合当前开关阀片11的状态，即过流截面面积情况得出当前通过过流通道的流量值。

具体地，将测量装置放入被测仪器内部，首先将阀片开到最大，并检测仪器的内外压，此时获取的装置内压为Pn，即公称压力，外压为Pw，将该外压值作为初始压力值；接着提高注液压力，然后控制模块3控制驱动机构13带动动阀片111进行闭合，此时当阀片关小时，测量装置的外压在减小，当检测到测量装置外压值与初始压力值Pw一致时，驱动机构13停止动作，此时，通过过流通道12的流量与通过被测仪器的流量大小相同。接着流量测量模块4通过读取阀片前后压差，再读取阀片的状态值，即过流截面面积，并通过数据处理器中的内置算法就可以获得当前的流量值。控制模块3将获得的流量读取后，通过通信电缆5返还给地面。

在本实施例中，压力测量模块2，控制模块3以及处理器采用高精度，高可靠性的器件和集成电路，使得仪器测量调控变得更准确、更有效。

本发明还提供了一种可变截面通道的流量测量方法，基于以下原理实现：

流体在通过一个截面后会产生一个能量损耗，即动能损失，而对于不可压缩流体来说，能量的损耗，即压损，表现为截面前后压力的变化。通过测量这个差压可以得到流体通过这个截面的流量。而截面不变时，流体的流量与压损之间的关系特性是不变的，这样获得其关系特性后，可以通过压损就可以获得流量的大小。而在相同压损情况下，当截面变化时，关系特性会发生相应的变化，这种变化规律可能是线性的，也可能是非线性的。通过获得关系特性的值，进而可以获得相应的流量值。请参见图5，图5是本发明实施例提供的流体通过截面能量变化示意图；图中P1为截面前压力；P2为截面后压力；Q为通过截面流量。不可压损流体流过截面时，截面的前后会有一个压力梯度，其中截面前压力P1大于截面后压力P2。

当截面的面积，形状等发生变化时，如果不可压损液体在截面前后的压差保持不变，则通过截面的流量会随之变化。请参见图6，图6是本发明实施例提供的流体通过不同截面的流量变化示意图；图中P1为截面前压力，P2、P2`、P2``为截面后压力；A、A`、A``为三个面积不同的截面，Q2、Q2`、Q2``分别为通过对应三个截面的流量。例如在相等的截面前压力P1和截面后压力P2且P1>P2＝P2`＝P2``情况下，当截面面积变化A>A`>A``，且截面前后的压力差相等P1>P2＝P2`＝P2``时，不可压缩流体流过截面后，截面前后的流量变化为Q2>Q2`>Q2``。

通过获取当前截面前后的压力差、截面的面积，就可以获得通过截面的流量。当截面的面积、截面前后的压差发生变化时，通过截面的流量也发生改变。这样通过相关设备和方法获得截面相关两个变量的值就可以得到相应的流量值。这样通过合理改变截面时，就能将各个截面的流量范围进行叠加，进而获得更大量程比的流量测量范围。

本发明提供的一种可变截面通道的流量测量方法主要包括以下步骤：

将过流通道截面的面积调至最大，并检测仪器外部流体压力值得到初始压力值；

提高注液压力，同时调节过流通道截面面积以改变外部流体压力值；

提高注液压力后，外部流体压力值会变大。根据所述外部流体压力值将过流通道截面面积调节至固定值；

在本实施例中，需对测量装置外部流体压力值实时检测并与前期测量装置获得的外部初始压力值进行比较，同时调节过流通道截面面积；

调节阀片改变过流通道面积时，外部流体压力值会变小。当检测到外部流体压力值减小到和前期不改变阀片时获得的外压值即初始压力值大小一致时，阀片停止，即停止调节所述过流通道截面的面积，然后保持过流通道截面的面积不变，开始进行测量。

在本实施例中，过流通道截面的面积由控制模块控制驱动机构调整流量调整件，测量装置的内外压由压力检测模块的内压传感器和外压传感器测得，控制模块读取压力测量模块的测量信息，当控制模块检测到测量装置外压与前期检测获得的初始外部压力一致时，驱动机构停止工作，过流通道截面的面积保持不变，这样可以保证通过过流通道的流量与前期通过仪器的流量大小相同。

获取流量信息并上传至地面系统。

在本实施例中，差压检测器检测过流通道截面前后的压力差信息，同时，数据处理器获取过该压力差信息以及过流通道截面面积信息，然后进行流量计算。

在本实施例中，需要先根据过流通道截面的流量特性，对多个截面描绘不同的特性曲线，保存在处理器中。请参见图7，图7是本发明实施例提供的多个截面特性曲线图，图中，Q表示流量，ΔP表示阀片M的前后压差。从图7中可以看出，单个截面的流量范围分别为Q₁₁～Q₁₂，……Q_j1～Q_j2，……Q_e1～Q_e2，但通过将多个截面的流量范围合并优化后，获得的流量范围变为Q₁₁～Q_e2，这样大大的拓宽了设备的流量测量范围，也提高了仪器的量程比。

根据获取的截面面积信息确定界面的特性曲线N_M，再结合压力差信息ΔP，得到当前的流量信息Q_M。

读取所述流量信息并上传至地面设备。

在本实施例中，通过控制模块来读取流量信息，并经过通信电缆传至地面系统。

本发明是在流体压损原理的基础上，提供了一种大量程比的流量测量装置及方法，具有较强的抗污能力，大的量程比和适应多种井况的优点，任何不可压缩流体利用压损来测量流量的装置都适用此方法。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种可变截面通道的流量测量装置，其特征在于，包括：

流量调整模块(1)，其内部设置有流量调整件(11)，所述流量调整件(11)用于调节流过该流量调整件(11)的流体截面面积；所述流量调整模块(1)还包括用于安装所述流量调整件(11)的过流通道(12)；

压力测量模块(2)，用于检测所述流量测量装置外部流体压力值；

控制模块(3)，连接所述压力测量模块(2)和所述流量调整模块(1)，用于当检测到所述外部流体压力值与初始压力值一致时，控制所述流量调整件(11)停止调节该截面面积；

流量测量模块(4)，用于当所述流量调整件(11)停止调节时，获取当前流体截面面积，以及所述当前流体截面面积对应的所述流量调整件(11)两侧压力差值，并根据所述当前流体截面面积和所述压力差值得到流量值；所述流量测量模块(4)包括压差检测器(41)和处理器，所述压差检测器(41)连接所述处理器，用于检测所述当前流体截面面积对应的所述流量调整件(11)两侧压力差值；所述处理器用于获取当前流体截面面积并根据过流通道截面的流量特性，对多个截面描绘不同的特性曲线，保存在处理器中，根据获取的当前流体截面确定截面的特性曲线，再结合压力差值，得到当前的流量值。

2.根据权利要求1所述的可变截面通道的流量测量装置，其特征在于，所述流量调整件(11)包括相互贴合的动阀片(111)和定阀片(112)；所述定阀片(112)上设置有至少一个过流孔。

3.根据权利要求2所述的可变截面通道的流量测量装置，其特征在于，所述流量调整模块(1)还包括驱动机构(13)，所述驱动机构(13)连接所述动阀片(111)，用于控制所述动阀片(111)运动，以调节流过所述过流通道(12)的流体截面面积。

4.根据权利要求1所述的可变截面通道的流量测量装置，其特征在于，还包括通信模块(5)，所述通信模块(5)连接所述压力测量模块(2)、控制模块(3)和所述流量测量模块(4)，用于将所述外部流体压力值发送到所述控制模块(3)，以及将所述流量值发送到地面设备。