一种油井产液等动能取样装置及方法与流程

1.本发明涉及一种油井产液多相流体分配、取样测含水装置，尤其涉及一种将主管道内的油气水三相流体按等动能的原理取出标准气相、油相和水相的装置及方法，用于油井井口油水样取样、伴生气取样、油气水组分研究和分析等。


背景技术：

2.油气水多相流广泛存在于石油、化工等许多工业领域。尤其是在油田生产过程中，油井采出液主要含有油、伴生气、水等，产出液在地面管道流动过程中，其流量和相含量在空间管道内的分布都属于典型多相流问题。
3.油井取样是目前油田常规工作，是衡量油田日常产液含水率、含气率主要手段之一，对于原油生产及其后续工艺、操作都起着决定性作用，影响油井的开发管理。其中油井采出液含水率的计量是油田生产开发中的一项重要工作，通过分析油井含水率变化及时分析油井生产动态，为科学制定油井生产措施提供依据。目前，油井含水率测量主要采用人工取样方式从油井井口取出，人工取样采用油田企业标准q/sh 1020 0614-2005《油、气、水井和油水泵站的取样方法》进行。首先，慢慢打开安装在油井产液管道上的取样器阀门，排放取样管线中停驻时间过长的“死油”。其次，在上冲程取样，下冲程停止取样，多次取样直至达到取样量要求，最后将油样送至化验室化验其含水值。为分析人工取样是否能够反映油井真实含水率，选取了一系列不同产液量、不同含水、不同油品的油井开展了实验。
4.油井取样的真实性和准确性主要在于能否真实掌握油井产液在管道内的流体流动状态、取样时长、取样器的结构等关键因素。油井产液在管道内的流动属于油气水多相流动，不同的取样时间，取样器的结构都将影响取样的结果。目前，油气水在管道内的流动状态，研究成果多，认识比较清楚，但是取样器及取样过程发生的流型变化则是难以准确掌握。
5.在多相流取样中，分离法仍然是目前最可靠和精度最高的技术。如中国专利zl200810112558.3,zl200710046862.8等都是采用大型容器作为油气水三相分离系统，然后在取样的方法。因为这种方法是把多相流体中油气水三相流体分离成单相气体和油和水后，再分别取样和化验，因而避免流型变化和流动不稳定等因素对测量的影响。但是实际多相流体测量中，很多流体有时无法做到经济有效的完全分离，这个现场取样带来了很多的麻烦。目前油田井口产液取样器结构，取样时管内流体流动情况以及取样器的安装方式等都对所取样品的代表性和真实性产生影响。
6.在多相流取样中，分离法仍然是目前最可靠和精度最高的技术。如中国专利zl200810112558.3,zl200710046862.8等都是采用大型容器作为油气水三相分离系统，然后在取样的方法。因为这种方法是把多相流体中油气水三相流体分离成单相气体和油和水后，再分别取样和化验，因而避免流型变化和流动不稳定等因素对测量的影响。但是实际多相流体测量中，很多流体有时无法做到经济有效的完全分离，这个现场取样带来了很多的麻烦。另外取样的时长，理论上可以无限延长，取得具有代表性的样品，实际上油田现场无
法为每一口油井都做到如此大的取样容器。取样器的结构目前研究及成果也比较多，都是基于如何安全、方便取到流体样品，对于流型和取样时长的影响都没有进行专门的研究及思考。
7.同时，考虑取样器结构及特点，如何确保取样探头安装位置和取样管径大小以及克服上下游弯管和流型的作用，对取得样品真实性具有重要的影响。另外取样阀门的开启程度是否合理，如开启过小会发生油水分离，太大会导致流体飞溅等问题存在，如王杰写的《油井采出液自动取样器的研制与应用》石油工业技术监督，2016年12月第32卷第12期油井采出液含水率的测量中，设计的取样器通过加大单剖面斜度或多孔道式取样头，增大了取样剖面，提高了取样代表性，防残液回流装置保证了油井采出液取样的真实性，但是本质上没有解决流型波动和取样周期等问题。目前所见报道中多从实验角度取样含水率影响因素进行分析，罗腾跃等人在《山东山东省优秀计量学术论文选集编》中通过实验方法对原油井人工取样含水率影响因素进行了分析，优化了取样工艺参数；徐春亮在油气田地面工程，2014.09《特高含水转油站原油取样方法》中特高含水油的取样进行了实验研究，得出在垂直管段的油水分布较好，取样口尽可能设在垂直段。另外，zl 200910236673.6《一种取样装置及进行油田现场取样的系统方法和应用》针对高含硫化氢和二氧化碳气田设计的密闭金属瓶式取样系统，解决了气体的密闭取样。zl 201910035458.3油井采出流体井口密闭取样装置及其密闭，主要针对油井采出流体井口密闭取样装置及其密闭取样方法，采用取样探针和金属容器相连接的方式进行取样。zl 201820095420.6一种便于使用的油井井口取样装置，该装置能够更好的在石油抽取的过程中将石油流至连接盒和连接筒的内部，解决现有的油井井口取样装置不便于使用的问题。zl 201710776668.9一种油井井口取样装置及减压装置及取样方法，提供一种油井井口取样装置及减压装置及取样方法。zl201510107832.8一种油井井口取样装置，能在完全打开取样阀门情况下，实现液体和气体分离，不会喷溅，避免污染环境或者伤人，速度快、劳动强度小，更安全、更环保。zl201610046145.4一种油气井井口取样方法，该方法需借助取样设备将在水平方向流动的地层流体，通过取样设备变成垂直流动，在垂直方向通过一个过滤混合装置，将不均匀流动的流体实现较为均匀的分布、流动，在均匀流动后，采用可伸缩的取样探针，在流通通道的不同位置各取一定量的样品，直至装满专用样瓶，该专利考虑了取样流体流型对取样真实性的影响，但是采用取样探针的方式，无法保证在大多数情况下都能取得标准的流体样问题。
8.综上所述，针对目前油井采出液人工取样存在的含水率波动大、取样代表性差、取样人员劳动强度大、效率低等问题，需要考虑产液流型、取样时长、取样器的结构等影响，设计一种新型的油井产液取样装置及方法。


技术实现要素：

9.针对现有技术存在的缺陷和不足，本发明目的在于提供一种油井产液多相流体分配及取样装置，尤其涉及一种将主管道内的油气水三相流体按旋流整形、多等分、等动能的方式取出标准气相、油相和水相的装置及方法，用于油井井口油水样取样、伴生气取样、油气水组分研究和分析等，避免产液流型、取样时长等等影响因素造成的取样流体代表性不足的问题。
10.主要包括上接头、旋流器、主管道活接头、密封垫片、等动能分流器、产液出口、取样入口、旋流阀、取样阻力阀、取样分支接头、取样管道活接头、1#取样桶、2#取样桶、取样桶放空浮子结构、取样桶放空闸门、液体电极电容传感器、含水在线计量系统等组成。
11.从上游进来的油井产液三相流流体进入上接头、中心管后，通过旋流叶片整流后，变成气相在中心、油环在中间、水环贴壁的均匀环状流，然后采用多等分的封隔隔板进行劈分，并按照阻力匹配的等动能方式进行管内分隔，保证分配到取样分支和主管的油气水相含率相同，同时其中取样分支管的流量是通过取样阻力阀进行控制，从而在取样桶大小可控的条件下尽可能的提高取样时长，达到取得长周期脉动流情况下的标准样目标。
12.所述的旋流整形的旋流叶片由3-8片结构相同的旋流叶片按照同管道轴向沉15-45
°
夹角方式组合，设有中心轴，旋流叶片为半椭圆形，旋流叶片外缘与管内壁重合，叶片高度小于中心管入口段直径的0.5-0.7倍，固定在圆形管道内。由于叶片外缘与中心管壁之间无缝隙，使得气液两相流体被迫沿着叶片构成的方向产生旋转，在离心力作用下将液体抛向管壁，从而形成气核在中间、液膜贴管壁的环状流型。因此，旋流叶片将来自上游的分层流、波浪流、段塞流等流型整流成液膜厚度均匀的的环状流。
13.所述的取样阻力阀是一种控制取样出口气液两相流量的装置，它采用临界流喷嘴结构对取样的气液两相流进行控制并消除下游参数波动对分配的影响。
14.所述的等动能分流器是指气液两相流体进入各分隔隔板内时仍能保持原来的动能或流速不变，这样在速度和相含率都是关于轴线对称分布的情况下，如果各流道的流通面积也围绕轴向方向的轴线进行分隔，则分配到各流道的各相流量就直接与其划分的流通截面积成比例。按分隔个数分隔成若干对称的12-36个流道，其中一部分对称流道与取样通道相连接，并通过其上的取样阻力阀控制流向取样的流量。其中分隔板厚度壁厚0.5mm-2mm，长度为管道直径3-4倍。
15.所述的等动能分流器是如图3所述，它将主管道分为12个独立的通道，由于来流为环状流，具有轴对称性质，并且用图3中的取样阻力阀来平衡主管路和分流管路的阻力，使得来流均匀地流过12个通道。12个通道中1个通道与环室相连通，其剖面图如图3中所示，其中的流体进入环室后流入，从中再被分流出1/12流体。当流体的流型为轴对称时，分流出的流体能代表总流体的性质，这时只要测量出分流体流量，就可以根据上式推算出主管内被测流体流量。
16.所述的轴对称的均匀环状流两相来流人为整流成沿中心轴对称的环状流型，即沿圆形壁面均匀分布的等厚度液膜环和集中在圆形管道中心的气柱核。
17.所述的取样阻力阀是用来平衡中心管的流动阻力与取样管的阻力，保证在主管流动过程中气液混合物的压差与分支管的气液混合物的压差进行阻力匹配，从而保证中心管与分支管路稳定流动。
18.所述含水数据采集及处理系统是利用产液中水导电，油相不导电原理研制的产液中水相高度的测量系统。在工作原理上属于变面积型电容传感器，电容值比传统方法有了大幅度的增强。
19.本发明从根本上克服了各个取样支路与中心管阻力特性不相同对取样的相含率和流量分配的影响，实现气液两相流体在不同流量下的均匀相含率的分配；取样流量和相含率无调节阀，无需人为干预，能进行自适应调节；整体装置体积小、结构简单紧凑，无运动
部件，无需维护，具有良好的环境适应性。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1是本发明油井井口产液等动能取样装置示意图；
22.图2等动能分流器示意图；
23.图3是取样阻力阀结构示意图；
24.图4是旋流器结构示意图；
25.图5是旋流整形后流型结构示意图；
26.图6含水在线测试系统。
27.附图标记如下：
28.1.上接头 2.旋流器 3.主管道活接头 4.密封垫片 5.等动能分流器 6.产液出口 7.取样入口 8.旋流阀 9.取样阻力阀 10.取样分支接头 11.取样管道活接头 12.1#取样桶 13.2#取样桶 14.取样桶放空浮子结构 15.取样桶放空闸门 16电容式含水传感器 17含水数据采集及处理系统；
29.5-1.分流器主管道 5-2.分流器隔板 5-3.分流通道 5-4.取样通道 5-5.导流锥 5-6取样通道隔板 5-7取样通道；
30.9-1.取样阻力阀入口 9-2.喉口 9-3.取样阻力阀扩散段 9-4.取样阻力阀出口。
具体实施方式
31.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
32.油井井口产液等动能取样装置如图1所示，主要包括上接头、旋流器、主管道活接头、密封垫片、等动能分流器、产液出口、取样入口、旋流阀、取样阻力阀、取样分支接头、取样管道活接头、1#取样桶、2#取样桶、取样桶放空浮子结构、取样桶放空闸门等组成。从上游管道来的油气水产液两相流通过上接头1进入安装有旋流器2后，在旋流器2中的旋流叶片的旋流离心力的作用下，流型发生了转变，由传统的复杂油气水流型转变为气核、油环、水膜贴壁分布的轴对称的均匀环状流，此流型能够在下游管内维持一段距离，并流过主管道活接头4，密封垫片5等结构，一直到进入流入等动能分流器5时还保持该流型，在等动能分流器5内，考虑液膜贴壁、水环和气核在中心的情况下，通过对称流道的划分并按流量的比例选择分支通道与中心管通道个数比，从而实现不同分隔流量下的油气水三相相含率相等。从等动能分流器5流出的三相产液流体按等动能的方式实现的均匀相含率流向两个方向，一部分继续沿着管内的产液出口6流向下游。另一部分流向取样管路的油气水三相流体，通过安装在等动能分流器5上的取样管的取样入口7进入旋流阀8-1和取样阻力阀9流向
取样分支接头10，通过开关分支接头10后的旋流阀8-2或者旋流阀8-3进入全密闭的取样筒中，其中旋流阀8-2和旋流阀8-3通过取样管道活接头11相连接，分别进入1#取样桶12和2#取样桶13中，每个取样桶上部安装有取样桶放空浮子结构14和取样桶放空闸门15，保证取样筒接满的时候，放空浮子结构14自动关闭不会喷出，需要将取样桶卸下拿去化验时，可以通过取样管道活接头11拆开，并通过取样桶放空闸门15放出。其中设置1#取样桶12和2#取样桶13的目的，一是可以延长取样时间，增加取样的代表性，同时减少人工频繁操作带来的取样误差。电容式含水传感器16是采用液体电极电容原理测量产液中水的高度，然后将采集信号传感含水数据采集及处理系统17进行运算，显示此时的体积含水率。
33.其中等动能分流器结构如图2所示，主要包括分流器主管道、分流器隔板、分流通道、取样通道、导流锥、取样通道隔板、取样孔等组成。从上流整形后的均匀环状流流体进入分流器主管道5-1后，首先在导流锥5-5的引导下进入分流器隔板5-2，然后封隔成多等分，每一等分按各自划分的进入分流通道5-3中，其中取样通道5-4是与5-7取样孔想通的，取样通道5-4后端是取样通道隔板5-6进行封闭的，保证流体只能进入取样通道5-4和5-7取样孔中，并流向取样管道。
34.图3为取样阻力阀结构，主要包括取样阻力阀入口、喉口、取样阻力阀扩散段、取样阻力阀出口。取样入口流来流体首先进入取样阻力阀入口9-1，然后通过喉口9-2，在取样阻力阀扩散段9-3中进行压力恢复，然后从取样阻力阀9-4出口流出，其流量控制是通过如下公式：
[0035][0036]
q-质量流量；c-流量系数；a-流通面积；ρ-流体密度；δp-流体压差。
[0037]
取样阻力阀采用的临界流喷嘴方式，由于临界喷嘴喉部直径远小于主管段直径，流过的流体在临界喷嘴喉部达到当地音速，形成临界流动，其后部扩展段为喷嘴流线型，减少阻力损失。
[0038]
图4为旋流整形叶片结构，由3-8片结构相同、交差角大小为30-60
°
的旋流叶片组成，固定在圆形管道内。
[0039]
图5为旋流整形后流型，旋流叶片将来自上游的分层流、波浪流、段塞流、等流型整流成液膜厚度均匀的的环状流。
[0040]
图6为含水在线测试系统，通过液体电极电容方式，可实现现场油水样含水监测。液体电极电容式传感器利用水的导电性，以探针所接触的水体作为电容器的一极来测量持水率。所述含水数据采集及处理系统一方面通过液体电容电极传感器阳极相连接，另一方面与液体电容电极传感器阴极相连接。在工作原理上属于变面积型电容传感器，电容值比传统方法有了一定程度的增强。其测试原理如下：
[0041][0042]
式中ε为绝缘层的介电常数，a为电极片长度，b为电极片宽度，l测为实际水的液位高度，d为涂在阳极上面绝缘层的厚度。由上式可以看出，由于涂在阳极上聚酰亚胺涂层只有0.2-0.5mm，d非常小，所以这种传感器的电容值非常大(纳法数量级)，灵敏度非常高。仪器中含水率传感器的结构参数是经模拟实验和实体实验而优选的，在各种流型下对持水率
的变化响应灵敏，具有很好的重复性和一致性。室内实验情况下，已经建立了不同电容值对应的液位高度，此时根据取样桶的容积和此时水所占的体积比，就可以知道体积含水率，从而能提供可靠的含水率信息，能够满足油田地面产出液含水率的在线测量。
[0043]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。