一种油井油气水三相流计量装置和计量方法
阅读说明：本技术 一种油井油气水三相流计量装置和计量方法 (Oil well oil-gas-water three-phase flow metering device and metering method ) 是由 范者正 田云峰 任鹏宇 佟磊 李维亮 于 2021-01-06 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种油井油气水三相流计量装置和计量方法,所述的计量装置包括智能控制器、双向油缸、称重传感器、电子尺、限位霍尔开关、电磁阀、液位传感器、温度传感器、电加热保温装置、截止阀、安全阀、单向阀、气体流量计、连接管和底座,本油井油气水三相流计量装置,能够在线自动计量、结构简单、安装和操作方便、成本低,安全环保,本油井油气水三相流计量方法采用称重方法计量产出液,采用体积法计量产出气和含水率,同时套管气通过单独的温压一套流量计计量,减少了产出液的含气量和气体对泵工况以及对计量精度的影响,通过对不同温度压力下液位测量值的实时修正,计算油气水三相流量,计量精度高。(The invention discloses an oil well oil gas water three-phase flow metering device and a metering method, wherein the metering device comprises an intelligent controller, a two-way oil cylinder, a weighing sensor, an electronic ruler, a limit Hall switch, an electromagnetic valve, a liquid level sensor, a temperature sensor, an electric heating and heat preserving device, a stop valve, a safety valve, a one-way valve, a gas flowmeter, a connecting pipe and a base, the oil well oil gas water three-phase flow metering device can automatically meter on line, has simple structure, convenient installation and operation, low cost, safety and environmental protection, the oil well oil gas water three-phase flow metering method adopts the weighing method to meter the output liquid, adopts the volume method to meter the output gas and the water content, simultaneously adopts a single temperature and pressure set of flowmeter to meter the casing gas, reduces the gas content of the output liquid and the influence of the gas on the working condition of a pump and the metering precision, and adopts the real-, the flow of three phases of oil, gas and water is calculated, and the metering precision is high.)
技术领域
本发明属于油田采油技术领域，尤其涉及一种油井油气水三相流计量装置和计量方法。
背景技术
油井产量计量在油田的开发生产和经营管理过程中非常重要。油井产量计量的主要目的是了解单井的产油情况，从而掌握油田开采运行动态，分析地下储油情况的变化，以便制定合理的开发和调整方案，实现油藏采收率的提高、油田管理的科学化和开发效益的最大化。
单井产量计量涉及油气水三相流，目前所有的多相流量计所采用的技术都有较大不足，对于不分离多相流计量技术主要采用γ射线、微波等技术测量多相流中的各相分量，存在安全问题，从大量的试验数据分析，没有一种多相流量计能在所有流量组分和流态条件下对多相流准确计量，可靠性和适用性都不理想。
只有精确地掌握三相流各项实时数据，及时调整开采运输方案，才能最大化降低开采、运输成本，最大程度上保证系统运行的安全。
因此，设计一种新型的具有计量精度高、结构简单、体积小、安装和操作方便、费用低、应用范围广的一种油井油气水三相流计量装置和计量方法成为本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
为了解决现有的油气水三相流量计量装置精度低、结构复杂、适用性差的问题，本申请提供了一种体积小巧、造价低、适用性强、精度高的油井油气水三相流计量装置。
本发明提供的技术方案是：一种油井油气水三相流计量装置，包括智能控制器、双向油缸、称重传感器和底座，所述的双向油缸通过称重传感器和底座连接，所述的双向油缸侧面设置有拉杆式的电子尺，所述电子尺的拉杆上端固接有横梁，横梁和所述的双向油缸的活塞杆固定连接，从而拉杆与活塞同步移动，所述的横梁的另一端设置永久磁铁，永久磁铁所在相位角的双向油缸上方分别设置有下限位霍尔开关和上限位霍尔开关，所述的称重传感器、电子尺、上限位霍尔开关和下限位霍尔开关分别与所述的智能控制器电连接；所述的双向油缸下部开有连通内外的A口，上部开有连通内外的B口，A口通过管路与井口来油端口连接，管路上设置有来油控制电磁阀A，B口通过管路与井口来油端连接，管路上设置有来油控制电磁阀B，A口通过管路与井口回油端口连接，管路上设置有回油控制电磁阀A，B口通过管路与井口回油端口连接，管路上设置有回油控制电磁阀B；所述的来油控制电磁阀A、来油控制电磁阀B、回油控制电磁阀A和回油控制电磁阀B分别与智能控制器电连接；所述的A口连接有液位传感器A，B口连接有液位传感器B，所述的双向油缸外部设置有缸体温度传感器、校准液位传感器C和具有温度控制的电加热保温装置，液位传感器A、液位传感器B、缸体温度传感器、校准液位传感器C和电加热保温装置分别与所述的智能控制器电连接；来油控制电磁阀A与来油控制电磁阀B的上游设置有用于测试来油压力的来油压力传感器，来油压力传感器上游设置有来油控制截止阀，回油控制电磁阀A与回油控制电磁阀B的下游依次设置有用于测试回油温度的回油温度传感器以及用于测试回油压力的回油压力传感器，回油压力传感器下游设置有回油控制截止阀所述的来油压力传感器、回油压力传感器和回油温度传感器分别与所述的智能控制器电连接。
进一步的技术方案是，所述的油井来油端口和油井回油端口之间设置有安全阀和来油旁路控制截止阀。
进一步的技术方案是，所述的计量装置还包括套管来气管，套管来气管的一端与油井套管连通，另一端与井口回油端口连通，套管来气管上设置有集套管气温度传感器、套管气压力传感器于一体的气体流量计、套管气控制电磁阀和单向阀，所述的气体流量计和套管气控制电磁阀分别与所述的智能控制器电连接。
一种采用油井油气水三相流计量装置测量油井油气水三相流量的计量方法，包括以下步骤：
S1，初始状态下，所有控制阀、电磁阀处于常开状态，井口来油端口的来油、来气直接进入井口回油端口；
S2，智能控制器上电初始化，关闭套管气控制电磁阀，检测油井套管压力和温度，如果套管压力大于设定值则打开套管气控制电磁阀，让套管气进入井口回油端口，同时气体流量计测量气体流量数据，反之，则关闭套管气控制电磁阀，使套压处于设置值的范围；
S3，智能控制器记录当前时间为t1、气体流量计的底数Q1；
S4，智能控制器打开连接双向油缸A口的来油控制电磁阀A、连接B口的回油控制电磁阀B，关闭连接A口的回油控制电磁阀A、连接B口的来油控制电磁阀B，来液进入A口，随着产量的增加，双向油缸活塞向上运动，电子尺测量活塞的位置，智能控制器实时记录所有传感器的数据；
S5，随着油井不断地产出气液，双向油缸活塞持续地向上运动，当到达顶点时，上限位霍尔开关给出信号，智能控制器记录这个时刻的时间为t2、称重传感器的读数为W1、来油压力传感器的压力为PA、电子尺的读数为LA、液位传感器A的液位值为HA、校准液位传感器C的液位值为H校、回油压力传感器的压力为PB、回油温度传感器的温度值为T，气体流量计的底数Q2；
S6，打开连接双向油缸B口的来油控制电磁阀B、连接A口的回油控制电磁阀A，关闭连接B口的回油控制电磁阀B、连接A口的来油控制电磁阀A，产出液进入双向油缸B口，活塞向下运行；
S7，设双向油缸皮重为W0、半径为r，校准液位传感器C的实际值为H0、原油的密度为ρ、长度单位采用米(m)、重量单位采用吨(t)：
液位修正系数k＝H0/H校
液体的体积：V液＝kπr2 HA
液体重量：W＝W1-W0
因为：W＝(V液-V油)*1+V油*ρ
所以：V油＝(V液-W)/(1-ρ)
W油＝V油*ρ
W水＝W-W油
含水率＝W水/W*100％
气体的体积是：V气＝πr2(LA-kHA)
折算成标准气体为：Q标＝μ*V气
μ为天然气在T温度、PA压力下的体积系数；
流量计瞬时流量：Δt＝(t2-t1)
Q液方＝V液/Δt(m3/h)
Q液吨＝W/Δt(t/h)
Q油方＝V油/Δt(m3/h)
Q油吨＝W油/Δt(m3/h)
Q气方＝(Q2-Q1+Q标)/Δt(m3/h)
Q含水率＝W水/W*100％
流量计累积值：
总液量方：Vs＝Vs+V液(m3)
总液量吨：Ws＝Ws+W(t)
总水量吨：W水S＝W水S+W水(t)
总油量吨：W油S＝W油S+W油(t)
总气量方：V气S＝V气S+Q2-Q1+Q标(m3)
S8，切换到下行程后，油井产出的气液进入双向油缸B口，t1到t2时刻产出进入回油管线，下行程计量方法，需要减去活塞杆的体积，其他与上行程计量方法相同；
S9，智能控制器通过记录每个油井冲次对应的液位和电子尺数据可以统计出单个冲次的产量，据此能够分析判断出抽油机的工况。
本发明的有益效果是：本发明安装在油井井口能够在线自动计量油井油气水三相流量，结构简单、安装和操作方便，成本低，安全环保，由于采用称重法测量，因此影响因素少，计量精度高。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图中：11、井口来油端口；12、井口回油端口；13、套管来气管；21、来油控制截止阀；22、来油旁路控制截止阀；23、安全阀；24、回油控制截止阀；25、单向阀；31、来油控制电磁阀B；32、回油控制电磁阀B；33、来油控制电磁阀A；34、回油控制电磁阀A；35、套管气控制电磁阀；41、双向油缸；42、气体流量计；43、称重传感器；51、电子尺；52、拉杆；53、横梁；54、永久磁铁；55、下限位霍尔开关；56、上限位霍尔开关；61、来油压力传感器；62、回油压力传感器；63、套管气压力传感器；71、回油温度传感器；72、套管气温度传感器；73、缸体温度传感器；81、液位传感器B；82、液位传感器A；83、校准液位传感器C；91、底座；92、电加热保温装置；99、智能控制器。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
本实施例包括智能控制器99、双向油缸41、称重传感器43和底座91，所述的双向油缸41通过称重传感器43和底座91连接，所述的双向油缸41侧面设置有拉杆式的电子尺51，所述电子尺51的拉杆52上端固接有横梁53，横梁53和所述的双向油缸41的活塞杆固定连接，从而拉杆52与活塞同步移动，所述的横梁53的另一端设置永久磁铁54，永久磁铁54所在相位角的双向油缸41上方分别设置有下限位霍尔开关55和上限位霍尔开关56，所述的称重传感器43、电子尺51、上限位霍尔开关56和下限位霍尔开关55分别与所述的智能控制器99电连接。
所述的双向油缸41下部开有连通内外的A口，上部开有连通内外的B口，A口通过管路与井口来油端口11连接，管路上设置有来油控制电磁阀A33，B口通过管路与井口来油端连接，管路上设置有来油控制电磁阀B31，A口通过管路与井口回油端口12连接，管路上设置有回油控制电磁阀A34，B口通过管路与井口回油端口12连接，管路上设置有回油控制电磁阀B32；所述的来油控制电磁阀A33、来油控制电磁阀B31、回油控制电磁阀A34和回油控制电磁阀B32分别与智能控制器电连接。
所述的A口连接有液位传感器A82，B口连接有液位传感器B81，所述的双向油缸41外部设置有缸体温度传感器73、校准液位传感器C83和具有温度控制的电加热保温装置93，液位传感器A82、液位传感器B81、缸体温度传感器73、校准液位传感器C83和电加热保温装置93分别与所述的智能控制器99电连接。
来油控制电磁阀A33与来油控制电磁阀B31的上游设置有用于测试来油压力的来油压力传感器61，来油压力传感器61上游设置有来油控制截止阀21，回油控制电磁阀A34与回油控制电磁阀B32的下游依次设置有用于测试回油温度的回油温度传感器71以及用于测试回油压力的回油压力传感器62，回油压力传感器62下游设置有回油控制截止阀24所述的来油压力传感器61、回油压力传感器62和回油温度传感器71分别与所述的智能控制器99电连接。
进一步的技术方案是，所述的油井来油端口11和油井回油端口12之间设置有安全阀23和来油旁路控制截止阀22。
进一步的技术方案是，本申请还包括套管来气管13，套管来气管13的一端与油井套管连通，另一端与井口回油端口12连通，套管来气管13上设置有集套管气温度传感器72、套管气压力传感器63于一体的气体流量计42、套管气控制电磁阀35和单向阀25所述的气体流量计42和套管气控制电磁阀35分别与所述的智能控制器99电连接。
本发明中设长度单位采用米(m)、重量单位采用吨(t)，累积值初值为0；
双向油缸41直径：D＝250mm＝0.25m
双向油缸41行程：S＝400mm＝0.4m
双向油缸41活塞杆直径：D＝32mm＝0.032m
装置皮重：W0＝80.000Kg＝0.08t
原油密度：ρ＝0.8900
校准液位传感器C83的实际值为：H0＝D＝250mm＝0.25m
一种采用油井油气水三相流计量装置测量油井油气水三相流量的计量方法,包括以下步骤：
S1，初始状态下，所有控制阀、电磁阀处于常开状态，来油、来气直接进入井口回油端口12。
S2，智能控制器99上电初始化，关闭套管气控制电磁阀35，检测油井套管压力和温度，如果套管压力大于设定值则打开套管气控制电磁阀35，让套管气进入回油管12，同时气体流量计42测量气体流量数据，反之，则关闭套管气控制电磁阀35，使套压处于设置的范围。
S3，智能控制器99记录当前时间为：
t1＝2020年12月1日12:00:00
气体流量计42的底数：Q1＝0.000m3
S4，智能控制器99打开连接双向油缸41A口的来油控制电磁阀A33、连接B口的回油控制电磁阀B32，关闭连接A口的回油控制电磁阀A34、连接B口的来油控制电磁阀B31，来液进入A口，随着产量的增加，双向油缸41活塞向上运动，电子尺51测量活塞的位置，智能控制器99实时记录所有传感器的数据。
S5，随着油井不断地产出气液，双向油缸41活塞持续地向上运动，当到达顶点时，上限位霍尔开关56给出信号，智能控制器99记录这个时刻的时间为：
t2＝2020年12月1日12:01:30
称重传感器43的读数为：W1＝89.000(kg)＝0.089(t)
来油压力传感器61的压力为：PA＝1.000(MPa)
电子尺51的读数为：LA＝399(mm)＝0.399(m)
液位传感器A82的液位值为：HA＝200(mm)＝0.2(m)
校准液位传感器C83的液位值为：H校＝255(mm)＝.255(m)
回油压力传感器62的压力为：PB＝0.400(MPa)
回油温度传感器71的温度值为：T＝42.00℃
气体流量计42的底数：Q2＝0.200m3
S6，打开连接双向油缸41B口的来油控制电磁阀B31、连接A口的回油控制电磁阀A34，关闭连接B口的回油控制电磁阀B32、连接A口的来油控制电磁阀A33，产出液进入双向油缸41B、口活塞向下运行。
S7，计算过程如下：
液位修正系数：k＝H0/H校＝250/255＝0.98039216
液体的体积：V液＝kπr2 HA＝250/255*3.1415926*0.252/4*0.2＝0.009624977(m3)
液体重量：W＝W1-W0＝89-80＝9(Kg)
因为：W＝(V液-V油)*1+V油*ρ
所以：V油＝(V液-W)/(1-ρ)＝(0.009624977-0.009)/(1-0.8900)＝0.00568161(m3)
W油＝V油*ρ＝0.00568161*0.89000＝0.0050566329(t)
W水＝W-W油＝0.009-0.0050566329＝0.0039433671(t)
含水率＝W水/W*100％＝0.0039433671/0.009*100％＝43.8152％
气体的体积是：
V气＝πr2(LA-kHA)＝3.1415926*(0.25*0.25/4)*(0.399-250/255*0.399)＝0.000384(m3)
忽略温度因素，折算成标准气体为：Q标＝μ*V气＝(PA*10+1)*0.000384＝0.004224(m3)
流量计瞬时流量：Δt＝(t2-t1)＝(12:01:30-12:00:00)＝0.025(小时)
Q液方＝V液/Δt＝0.009624977/0.025＝0.384999(m3/h)
Q液吨＝W/Δt＝0.009000/0.025＝0.36(t/h)
Q油方＝V油/Δt＝0.00568161/0.025＝0.227264(m3/h)
Q油吨＝W油/Δt＝0.0050566329/0.025＝0.202265(m3/h)
Q气方＝(Q2-Q1+Q标)/Δt＝(0.200-0.000+0.004224)/0.025＝8.16896(m3/h)
Q含水率＝W水/W*100％＝43.8152％
流量计累积值：
总液量方：Vs＝Vs+V液(m3)＝0+0.009624977＝0.009624977(m3)
总液量吨：Ws＝Ws+W(t)＝0+0.009＝0.009(t)
总水量吨：W水S＝W水S+W水(m3)＝0+0.0039433671＝0.0039433671(t)
总油量吨：W油S＝W油S+W油(t)＝0+0.0050566329＝0.0050566329(t)
总气量方：V气S＝V气S+Q2-Q1+Q标(m3)＝0.000+0.200-0.000+0.004224＝0.204224(m3)
S8，切换到下行程后，油井产出的气液进入双向油缸41B口，t1到t2时刻产出进入回油管线，下行程计量方法，需要减去活塞杆的体积，其他与上行程计量方法相同。
S9，智能控制器99通过记录每个油井冲次对应的液位和电子尺51数据可以统计出单个冲次的产量，据此能够分析判断出抽油机的工况。
与现有技术相比较，首先本发明结构简单，安装、操作、维护都很方便；其次本发明采用称重方法计量产出液，采用体积法计量产出气和含水率，同时套管气通过单独流量计计量，减少了产出液的含气量和气体对泵工况以及对计量精度的影响，设置校正液位传感器通过对不同温度压力下液位测量值的实时修正，计算油气水三相流量，计量精度高；采用称重计量不用具有放射性、辐射性的器件及设备，安全环保、适用范围广；最后套管气通过单独通道计量，既保证了计量精度又避免了气体对液体计量精度和泵工况的影响，同时通过对每个冲次的产量计量可以对工况进行分析判断。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求保护的范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
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