一种基于抽油机的油气流量计量装置和方法

本发明属于流体计量领域，具体涉及用于计量油井采出的气相和液相流量的装置和方法。

背景技术：

1、在石油行业中，通常需要对井口采出的气液流量进行计量。由于油井采出物通常为气、液混合物，传统的单相计量方法无法适用，需要采用多相计量技术。目前对于多相计量的研究主要有三种方法：气液分离计量、气液混相计量以及分流取样计量。

2、完全分离法是应用分离设备将气液混合物分离成单相气体和单相液体后，再通过普通单相流量计进行计量。该方法把两相流量的测量转化为单相流量的测量，具有工作可靠、测量精度高、测量范围宽且不会受到气液两相流流型变化影响等优点。气液分离计量存在以下难点：①分离设备体积庞大，价格昂贵；②由于存在较大的缓冲容积，存在计量延迟，实时性差；③需要建立专门的计量站和测试管线，这在很大程度上增加了计量成本。

3、气液混相计量是当前工业现场多相计量的主流方式，该方法无需采用分离装置，因此体积小、结构紧凑。气液总流量通常采用文丘里等节流装置来测量，而相分率则采用电容、电导、射线等相分率传感器进行测量。气液混相流量计量存在以下难点：①直接面向气液两相流体，受气液两相流动复杂性的影响，误差甚至超过10％；②采用文丘里等节流件进行气液混相计量，存在较大的阻力损失；③相分率传感器受管道流型以及流体介质含盐量等因素影响，需要定期标定，射线类方法还存在放射性污染的风险。

4、气液两相分流取样计量原理是成比例地从多相流中分流出一小部分有代表性的多相混合物(分流体)，然后将其分离成单相气体和液体，并用常规流量计测量其各相流量，最后再根据比例关系确定总流量。当前存在的技术难点是：①气液两相混合物通过取样装置时通常会发生相分离，造成取样流体失去代表性；②取样比受上游流型以及下游压力波动影响，很难维持稳定；③转轮等具有运动部件的取样器难以在恶劣的现场工况下长期稳定运行。

5、抽油机是油气田采油的常用设备，通过井下柱塞的往复运动，将井筒油气提升到地面集输管网。现在油田广泛采用示功图法进行油气计量，通过安装在井口的传感器实时监测抽油杆的载荷，来构建示功图，从而预测流量。但示功图和油量关系复杂，难以计量采出的气体流量，同时由于泵泄漏等原因，液量计量误差很大。

6、为了克服现有技术的缺陷，本发明在抽油机基础上，提出一种基于抽油机的油气流量计量装置和方法，通过在抽油杆顶部发射超声波，测量泵筒内液面高度，结合泵冲程特性，实现油气流量的准确计量。

技术实现思路

1、本发明涉及一种基于抽油机的油气流量计量装置，主要包括套管头、套管、泵筒、抽油杆、柱塞、浮盘、超声探头、校准反射板、油气出口管等，套管头安装在套管的顶部，泵筒安装在套管的底部，抽油杆通过套管头中心孔深入到套管内，柱塞安装在抽油杆的末端，且位于泵筒内。

2、所述的套管、泵筒、柱塞均为圆筒型结构，泵筒外壁固定在套管的内壁上，柱塞外壁与泵筒内壁紧密接触，柱塞能沿泵筒内壁自由上下滑动。

3、抽油杆贯穿柱塞中心，抽油杆底部伸出柱塞底板约5～10mm，柱塞顶部设有出流孔；校准反射板通过支架安装在柱塞的底板上，校准反射板为金属材质，它的位置距离抽油杆末端约30～50mm。

4、在柱塞底板上，抽油杆两侧各安装一个游动阀，抽油杆上行时游动阀关闭，抽油杆下行时游动阀开启；泵筒底部安装有固定阀，抽油杆上行时固定阀开启，抽油杆下行时固定阀关闭；泵筒底部和柱塞底部之间有安装浮盘，浮盘中心为实心结构，周围均匀布设若干穿透浮盘的漏气孔，浮盘下方气体能通过漏气孔进入浮盘上方；浮盘外径比泵筒内径小3～5mm，浮盘密度小于油品密度，所以浮盘能漂浮在泵筒气液界面上，并能沿泵筒上下自由浮动。

5、所述的抽油杆为实心金属圆杆，内部无裂纹、气泡等缺陷，以便于超声波传递。抽油杆顶部安装有超声探头，超声探头能同时发射和接收超声波；抽油杆的首端与抽油机的驴头相连，通过外部动力能够驱动抽油杆在泵筒内做上下往复运动，从而带动柱塞在泵筒内上下运动，将油气提取到油气出口管。

6、本发明涉及一种基于抽油机的油气流量计量方法，具体实施如下：

7、(1)t0时刻，由安装在抽油杆顶部的超声探头向抽油杆内发射超声波，称之为发射波；

8、(2)发射波沿着抽油杆传播，到达抽油杆底部时一部分会发生反射，此时反射回波称之为抽油杆底部回波，抽油杆底部回波向抽油杆顶部传递，并被超声探头接收，采集并记录该时刻t1；

9、(3)发射波到达抽油杆底部时，另一部分超声波会发生透射，在柱塞底部和浮盘之间形成的气相空间中传递，透射声波中一小部分声波在传播到校准反射板时发生反射，此时反射回波称之为反射板回波，反射板回波沿着抽油杆向抽油杆顶部传递，并被超声探头接收，采集并记录该接收时刻t2；

10、(4)另一部分透射波继续在气相空间内传播，直至到达浮盘，声波在浮盘中心处发生反射，此时反射波称之为浮盘回波，浮盘回波沿着抽油杆向抽油杆顶部传播，并被位于抽油杆顶部的超声探头接收，采集并记录该接收时刻t3；

11、(5)t1和t2之间的时间间隔记为δt12，t1和t3之间的时间间隔记为δt13，l为反射板距离抽油杆底部的距离，则泵筒内气相空间的高度

12、(6)已知柱塞截面面积为f，抽油杆冲程为s，抽油杆冲数为n，则泵筒内气相分率为油井每天产液量为ql＝1440·f·n·s(1-φ)，油井每天产气量为qg＝1440·f·n·s·φ。

13、与现有技术相比，本发明具有如下优势：

14、(1)抽油机的抽油杆既是动力传递设备又是信号传输设备，不需要额外设备、仪表投入，在抽油杆顶部安装超声探头即可实现对泵筒气体空间高度的测量，从而能够准确获得泵筒内的气、液实际容积；

15、(2)采用反射板对声速进行实时校正，通体内气相的温度压力不会影响到泵筒内气相分率测量结果，精度高；

16、(3)本发明结构简单，通过对现有抽油机的柱塞进行少量改造即可实现油气流量的精准测量，操作方便，具有广阔的推广应用前景。

技术特征：

1.一种基于抽油机的油气流量计量装置和方法，其特征在于，主要包括：套管头(1)、套管(2)、泵筒(3)、抽油杆(4)、柱塞(5)、浮盘(6)、超声探头(7)、校准反射板(8)、油气出口管(9)等，套管头(1)安装在套管(2)的顶部，泵筒(3)安装在套管(2)的底部，抽油杆(4)通过套管头(1)的中心孔深入到套管(2)内，柱塞(5)安装在抽油杆(4)的末端，且位于泵筒(3)内；

2.一种基于抽油机的油气流量计量方法，其特征在于，具体实施步骤如下：

技术总结一种基于抽油机的油气流量计量装置和方法，发明主要包括套管头、套管、泵筒、抽油杆、柱塞，浮盘、超声探头、校准反射板、油气出口管等。通过超声探头沿抽油杆发射超声波，获得泵筒内气相空间高度，进而获得泵筒含气率。本发明特征和优势在于：抽油机的抽油杆既是动力传递设备又是超声信号传输设备，不需要额外设备、仪表投入；利用反射板对声速进行实时校正，测量结果不受通体内气相的温度压力不会影响到测量结果，精度高；结构简单，操作方便，具有广阔的应用前景。技术研发人员：梁法春,王赫男,陈婧,时海涛,杨婷受保护的技术使用者：中国石油大学（华东）技术研发日：技术公布日：2024/6/26