具体实施方式

在下文中，将参考附图对本申请的具体实施例进行详细地描述，依照这些详细的描述，所属领域技术人员能够清楚地理解本申请，并能够实施本申请。在不违背本申请原理的情况下，各个不同的实施例中的特征可以进行组合以获得新的实施方式，或者替代某些实施例中的某些特征，获得其它优选的实施方式。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“项”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

参见图1～14，本申请提供一种基于立管差压的多相流流体测量系统，包括流量计模块、密度计模块和数据采集处理模块，所述流量计模块与所述密度计模块连接，所述流量计模块与所述数据采集处理模块进行数据通讯，所述密度计模块与所述数据采集处理模块进行数据通讯；所述流量计模块，用于测量流体的虚高流量；所述密度计模块，用于测量流体的混合密度以及体积含液率；所述数据采集处理模块，用于采集数据后计算得到各相流量。

检测系统通过差压式流量计模块测量三相流的虚高流量Q_tp，立管差压密度计模块测量体积含液率LVF，最后经数据采集处理模块进行分析处理，经显示模块进行输出显示，从而实现了油气水三相流量的实时在线测量。同时该检测系统对传感器进行模块化设计，方便针对不同计量需求对传感器位置进行调整，亦可结合已有的传感器采用类似虚拟流量计的设计，能够为不同工况的油井提供快速、稳定、可靠的计量检测结果。对高含气采气井中的气、液两相流量进行测量。

也可以为包括流量计模块、密度计模块、含水率模块和数据采集处理模块，所述流量计模块与所述数据采集处理模块连接；所述流量计模块，用于测量流体的虚高流量；所述密度计模块，用于测量体积含液率；所述含水率模块，用于测量体积含水率WVF或液中含水率WLR；所述数据采集处理模块，用于采集数据后计算得到各相流量。检测系统通过差压式流量计模块测量三相流的虚高流量Q_tp，立管差压密度计模块测量体积含液率LVF，含水率模块测量体积含水率WVF或液中含水率WLR，最后经数据采集处理模块进行分析处理，经显示模块进行输出显示，从而实现了油气水三相流量的实时在线测量。同时该检测系统对传感器进行模块化设计，方便针对不同计量需求对传感器位置进行调整，亦可结合已有的传感器采用类似虚拟流量计的设计，能够为不同工况的油井提供快速、稳定、可靠的计量检测结果。用以实现对一般油、气井油气水三相流量的实时在线测量。

进一步地，所述流量计模块为差压式流量计模块1，所述差压式流量计模块1包括文丘里管，所述文丘里管上设置有差压传感器5、压力传感器6和温度传感器7，所述差压传感器5与所述数据采集处理模块连接，所述压力传感器6与所述数据采集处理模块连接，所述温度传感器7与所述数据采集处理模块连接。所述数据采集处理模块能够根据所述差压式流量计模块采集到的压力、温度信号和油气水三相流中气相的组分，计算出工况气相密度。同时，所述数据采集处理模块还能够接收所述差压式流量计模块输出的差压信号dp_tp，并结合多相流经验模型，建立差压信号dp_tp与气、液两相流量之间的函数对应关系，以及气相虚高系数φ_g与Lockhart-Martinelli参数X之间的对应关系。

进一步地，所述文丘里管包括依次连接的上游管路、收缩段、喉部、扩张段和下游管路，所述差压传感器设置于所述收缩段入口处与所述喉部之间，所述压力传感器设置于所述上游管路，所述温度传感器设置于所述下游管路。

进一步地，还包括含水率模块，所述含水率模块为微波含水率模块2，所述微波含水率模块2包括若干微波传感器，每个所述微波传感器空间位置方向和角度不同。所述微波含水率模块既可以布置在油气水三相流主干道中，并利用微波幅值、相位的平均值测量体积含水率WVF；也可以与混流器、集液器等设备结合，布置在液相积聚的地点，并结合微波幅值、相位的最大值测量液中含水率WLR。WVF和WLR之间满足以下函数关系：WVF＝LVF·WLR，两者之间可以通过立管差压计算得到的LVF进行相互转换。所述含水率模块，用于测量体积含水率WVF或液中含水率WLR，测量所述体积含水率WVF时利用微波相位的平均值，测量所述液中含水率WLR时则利用微波相位的最大值，此外测量液中含水率WLR时一般多配有相应的聚液装置。

进一步地，所述微波传感器包括传输线、密封圈和绝缘介质，所述传输线设置于所述密封圈内，所述密封圈设置于所述绝缘介质内，所述绝缘介质设置于管体内。

参照图2，本申请实施例提供的油气水三相流实时在线检测系统，其利用了气的密度远低于油和水，而水的介电常数远高于气和油这些特点，尽可能直接地求得了体积含液率LVF和体积含水率WVF(或液中含水率WLR)等关键参数，从而避免了误差间的相互耦合，

参照图3，微波含水率模块2有多种可以实现的实施方式，在一些实施例中，微波含水率模块2采用两根间隔一定距离且相互垂直的微波传输线，从而保证的测量得到的体积含水率WVF具有空间上的代表性。在另一些实施例中，参考图4，微波含水率模块2采用多根间隔布置或者交错一定角度的微波传输线。当然也可以采用其它原理的装置对三相流中的体积含水率进行测量WVF，从而提高设备的适用性，此处不做限制。

参照图2，微波含水率模块2是利用水的介电常数(ε_w＝78)远高于油(ε_o＝2.18)、气(ε_g＝1)这一特性来测量三相流中的体积含水率WVF的。参照图5，微波含水率模块2中的微波传感器由信号发生器、功分器、鉴幅鉴相器、移相电路、微波传输线和ARM处理器构成。其中，信号发生器发出的微波信号经功分器分为两路，其中一路经微波传输线进入鉴幅鉴相器，另外一路经移相电路进入鉴幅鉴相器。由于微波信号的工作频率f恒定，且水的介电常数远大于油、气，因此通过传输线的微波波长λ会发生如下改变：

式中，ε为介质的介电常数，λ为微波波长，f为工作频率，c为光速。而通过移相电路的微波波长不会发生改变，因此鉴幅鉴相器通过比较两路微波信号幅值、相位之间的差异，经ARM处理器计算得到三相流中的体积含水率WVF。

三相流中的体积含水率WVF的定义为：

式中，Q_w、Q_o、Q_g分别代表水、油、气各自的体积流量。WVF可以通过微波传感器的相位拟合得到，拟合效果参考图9，其中左图代表两组传输线相位与体积含水率WVF之间的对应关系，右图代表两组传输线体积含水率WVF的预测效果。

进一步地，所述传输线间隔布置或者交错布置。每组微波传感器的空间位置、方向角度各有不同，从而保证微波含水率模块测量得到的含水率具有代表性。传输线间保持有一定间距以避免电磁干扰。

所述数据采集处理模块能够接收所述微波含水率模块2输出的微波幅值、相位信号，并结合其与介电常数之间的经验模型，以及介电常数与含水率之间的理论模型，从而建立起微波幅值、相位信号与含水率之间的函数对应关系。

进一步地，所述密度计模块为立管差压密度计模块3，所述立管差压密度计模块3包括立管，所述立管上设置有立管差压传感器8，所述立管差压传感器8用于获得三相流体流经该长度立管所产生的重力压降和摩擦压降。所述数据采集处理模块能够接收所述立管差压密度计模块1输出的压差信号dp_vert，并结合其与体积含液率LVF之间的理论模型或经验模型，从而建立起立管差压平均值dp_vert与体积含液率LVF之间的函数对应关系。所述数据采集处理模块能够根据实时测量得到的立管差压dp_vert，计算得到流体的体积含液率LVF，并将其转换为Lockhart-Martinelli参数X，代入气相虚高公式得到气相虚高系数φ_g之后，结合文丘里管的差压信号dp_rp，计算得到工况气相体积流量Q_g。随后结合体积含液率LVF，计算得到液相体积流量Q_l。最后结合微波含水率模块测得的体积含水率WVF或液相含水率WLR，计算得到水流量Q_w和油流量Q_o。

数据采集处理模块能够接收差压式流量计模块1、微波含水率模块2和立管差压密度计模块3采集的信息并进行分析处理得到油气水三相流的计量数据，显示模块能够将油气水三相流的计量数据进行显示。

参照图1，当单相流体(例如纯气)流经差压式流量计模块1时，差压式流量计(例如经典文丘里管)所产生的差压dp_g与体积流量Q_g之间成正比，两者之间的对应关系如下式所示：

式中，A为文丘里喉部的流通面积，β＝d/D为文丘里喉部直径与入口处直径的比值，C_d为流出系数，ε为膨胀系数，C_d和ε均可通过查表得出。dp_g为纯气流经文丘里管所产生的差压，ρ_g为气相的密度，可以根据天然气的组分按照国家标准根据测得的压力p、温度T进行计算。

当气、液两相流或油气水三相流流经差压式流量计模块1时，差压式流量计(例如经典文丘里管)所产生的差压dp_tp按照公式(3)计算得到的流量Q_tp被称为气相虚高流量，其与真实气相流量Q_g的比值φ_g被称为气相虚高系数，即φ_g＝Q_tp/Q_g。气相虚高系数φ_g和Lockhart-Martinelli参数X(即无量纲化的液、气流量比值，)之间存在下述对应关系：

式中，S＝u_g/u_l为气、液相间的滑速比，其既可通过经验关联式计算得到，也可通过实验数据拟合得到。X为Lockhart-Martinelli参数，其和体积含液率LVF之间存在下述对应关系：

油气水三相流中虚高系数φ_g与L-M参数X之间的对应关系可以参考图6，从中可以看出φ_g和X之间存在单调、唯一的对应关系。

参照图1，当油气水三相流流经立管差压密度计模块3时，根据分相流模型，立管差压dp_vert在理论上可以按照下式进行计算：

式中，L为立管差压密度计两个取压口之间的距离，D为立管的直径，λ为气相和管壁之间的摩擦系数，u_gs为气相的折算速度，即u_gs＝Q_g/A_D，A_D＝πD²/4，ρ_g为气相的密度，可以根据天然气的组分按照国家标准根据测得的压力p、温度T进行计算。

公式(6)中等号的右侧第一项为重力压降，第二项为摩擦压降。其中，摩擦压降的气相虚高系数φ_g可以按照公式(4)进行计算，而重力压降的气相虚高系数则需要按照下式进行计算：

式中，S＝u_g/u_l为气、液相间的滑速比，其即可通过经验关联式计算得到，也可通过实验数据拟合得到。特别地，若S＝1，则公式(6)可以写成：

理论分析表明，若滑速比S增大，dp_vert会在公式(8)的基础上显著增大。

油气水三相流中立管差压dp_vert与体积含液率LVF之间的对应关系可以参考图7，从中可以看出油连续相和水连续相下dp_vert和LVF之间函数关系有所差异。这可能是因为随着液中含水率WLR的增大，油气水三相流中的液相逐渐由“油包水”的油连续相过渡为“水包油”的水连续相，其等效黏度也显著减小，从而导致气液间的滑速比S增大升高，最终导致立管差压dp_vert增大。因此在实际应用过程中，可以先根据液中含水率WLR把测量数据分为油连续相和水连续相两类，然后分别针对每一类数据进行拟合，参考图7中的蓝线和红线，最后分别求出其对应的体积含液率LVF。

参考图1，数据采集与处理模块可以根据立管差压密度计模块3测得的立管差压dp_vert，结合公式(6)计算得到油气水三相流的体积含液率LVF，并将其转换为Lockhart-Martinelli参数X，代入文丘里管气相虚高公式(4)得到气相虚高系数φ_g之后，结合文丘里管的差压信号dp_tp，计算得到工况气相体积流量Q_g＝Q_tp/φ_g。最后结合体积含液率LVF或X，计算得到液相体积流量

油气水三相流工况下气、液两相流量的预测效果可以参考图8，图中红色虚线代表±10％的误差带，黑色虚线代表±20％的误差带，黑色实线代表标准值。通过对气、液两相流量进行求和：Q_tot＝Q_g+Q_l，并结合体积含水率WVF的预测值、体积含液率的预测值LVF，可以计算得到水、油两相流量的预测效果如图10所示，图中红色虚线代表±10％的误差带，黑色虚线代表±20％的误差带，黑色实线代表标准值。

进一步地，还包括集液器9和混流器4，所述集液器9为旋风分离器结构或者盲T型混流器结构，或者其它常见的方便聚液的结构。

进一步地，所述密度计模块、所述流量计模块、所述集液器9和所述含水率模块依次连接。但各模块之间的相对位置和空间布置可以根据用户的需求而调整，也可以充分利用现场已有的结构和传感器，甚至将流量计虚拟化，从而降低产品的硬件成本。

进一步地，所述数据采集处理模块可以根据所述含水率模块和密度计模块采集到的原始信号，计算出体积含液率、体积含水率和液中含水率等关键参数，并结合所述流量计模块采集到的原始信号，计算出油气水三相各自的流量；还包括显示模块，所述显示模块与所述数据采集处理模块连接，用来显示输出所述数据采集处理模块的流量计算结果。

实施例

参照图11，本申请另一个实施例提供了一种基于油田现场已有传感器的油气水三相流虚拟计量装置，图11中各编号的意义与图1相同，但该实施例中差压式流量计模块1中的文丘里管被替换为现场已有的、类似阀门的节流件，压力传感器6、温度传感器7，以及立管差压流量计模块3中的立管差压传感器8，也尽可能地由现场已有的传感器数据进行替代，从而尽可能地降低现场硬件成本和安装成本。数据处理与采集模块和显示模块也可以由现场已有的微型计算机替代。通过结合上述差压式流量计模块1和立管差压密度计模块3提供的数据，即可利用现场设备计算出气、液两相各自的流量，从而用于采气井高含气、高含水湿气工况的计量。若现场可以提供含水率WLR数据，或者通过加装微波含水率模块2测量得到WLR，还可以继续计算得到油和水各自的流量，从而用于一般油气井油气水三相流的计量。

参考图12，本申请的另一个实施例提供了一种带有集液器的油气水三相流实时在线检测系统，图12中编号的意义与图1基本相同，但图1中的盲T型混流器4被替换为类似旋风分离器的集液器9，从而保证的分离后的液路含气率较低，当然也可以采用其它原理的装置降低三相流中的体积含气率，从而提高设备的适用性，此处不做限制。此外，微波含水率模块2被放置在集液器的液路，因此微波含水率模块2能够利用微波幅值、相位信号最大值，直接建立其与液中含水率WLR之间的函数关系。液中含水率的定义为：

由于气相的介电常数在油气水三相中最小，因此利用微波幅值、相位信号的最大值可以尽可能地避免残余气体对液中含水率WLR拟合的影响。在另一些实施例中，参考图1，微波含水率模块2被布置在了盲T型混流器4的盲端处，此处含气率也较低，因此微波含水率模块2也能够利用微波幅值、相位信号最大值，直接建立其与液中含水率WLR之间的函数关系。当然也可以将微波含水率模块模块2布置在其他含气率较低的地点，从而提高设备的适用性，此处不做限制。

根据液中含水率WLR的不同，油水两相流又可以分为“油包水”和“水包油”两种不同的流态。不同流态下液中含水率WLR与混合介电常数ε_mix之间的对应关系也有所不同，其中在油连续相下(“油包水”)：

而在水连续相下(“水包油”)：

因此液中含水率WLR多采用分段标定、拟合的方法进行测定，实际拟合效果参考图13，其中左图代表两组传输线相位最大值与液中含水率WLR之间的对应关系，右图代表两组传输线液中含水率WLR的预测效果。

带有集液器9的油气水三相流实时在线检测系统(图12)的气液流量预测结果和油气水三相流实时在线检测系统(图1)的气液流量预测结果相同，其计算得到的气、液两相流量如图8所示。但用过结合集液后利用微波相位最大值计算得到的WLR，其计算得到的油、水两相流量如图14所示，从中可以看出其油、水流量的测量精度较利用WVF计算得到的图10有较大的提升。

尽管在上文中参考特定的实施例对本申请进行了描述，但是所属领域技术人员应当理解，在本申请公开的原理和范围内，可以针对本申请公开的配置和细节做出许多修改。本申请的保护范围由所附的权利要求来确定，并且权利要求意在涵盖权利要求中技术特征的等同物文字意义或范围所包含的全部修改。