一种测量多相流中气液两相各自流量的临界流喷嘴流量计及测量方法技术领域
本发明属于多相流流量计量领域。具体地，本发明涉及一种用于测量多相流中气
液两相各自流量的临界流喷嘴流量计和测量方法。
背景技术
油气工业中，油气井产物同时包含液相原油/水和气相天然气的气液混合流体，业
内称之为多相流。其中所述气相包括例如油气田气或任何在常温下不凝的气体，具体地有
如甲烷、乙烷、丙烷、丁烷等；所述液相可包括：油相，例如原油本身以及在原油开采过程中
溶解在原油中的液体添加剂，以及水相，例如地层水、采用过程中注入油气井中的水以及溶
解在水相中的其它液体添加剂。在实践中，油相和水相可能发生相分离，也可能油相和水相
混合在一起，或是完全乳化的。如何实时准确地测量从油气井中采出的气液混合流体中气
体的流量和液体的流量，以及如何更进一步地测量油相、气相和水相三相各自的流量，是油
气藏管理和生产优化所必需的基础数据。当多相流中的气相质量含量高于80％时，通常称
为湿气。海底油气田和页岩气开采中，采出物均为湿气。
当油气井为高压井时，井口压力为十兆帕量级，为了控制气井产量及井口压力，油
嘴作为一种节流装置被广泛地应用于石油工业。现实中，油嘴不仅仅是作为控制油井产量
的装置，客户对油嘴还有计量的要求。
现有技术中用于测量多相流中气液两相各自流量的一种方法是文丘里流量计+伽
马射线法，其原理是利用文丘里管测量湿气的总体积流量，并用单能伽马射线探测器测量
气液两相各自的相分率，然后用总体积流量乘以气液两相各自的相分率，得到气液两相各
自的体积流量。然而，油嘴喉部为音速流动，文丘里差压法的原理不适合用于音速流动的计
量。
现有的油田中，在井筒口处已经存在着喷嘴，地下原油经过该喷嘴喷出。人们通过
长期的生产实践，已经认识到这些喷嘴处的原油流量与喷嘴入口处压力P1(油田上称为“油
压”)与喷嘴出口处压力P2(油田上称为“回压”)之间的压差ΔP存在着一些定量关系以及经
验关系式，可用于粗略估算原有流量，但这种计量方法误差很大；另一种方法是试井时的实
测，试井时通过试量压力、温度，再通过对油井产物进行分离后分别计量气相和液相，对数
据进行拟合。这种方法不适合长期使用，因为油井的压力和原油中的气相质量相含率在生
命周期内是动态变化的，如果采用一成不变的计量公式将带来很大误差，甚至误判油井的
产量。
此外，人们发现，在油压P1基本不变的前提下，当差压ΔP逐渐升高时，总流量Q也
逐渐增大；但当差压ΔP达到并超过某临界值ΔPc后，流量Q不再随差压ΔP而变化，而是保
持某一稳定值不再增加，将这种状态称为临界流状态。
因此，人们利用油嘴控制气井产量、控制井口压力，同时希望油嘴能够对产物进行
计量。但是，目前的油嘴计量功能十分有限，并不能精确实时计量多相流中气液两相各自质
量流量。
发明内容
本发明的第一方面提供了一种测量多相流中气液两相各自流量的临界流喷嘴流
量计，其包括以下构件：
节流型喷嘴(1)，其具有入口、出口和喉部，其中喉部处流体的流通面积最小；
伽马射线探测器，其包括伽马射线发射器(2)和伽马射线接收器(3)，其布置方式
使得伽马射线发射器发出的伽马射线沿直径方向穿过所述节流型喷嘴的入口处截面，到达
所述伽马射线接收器；
压力传感器，分别用于测量所述节流型喷嘴的入口处压力P1与出口处压力P2。
温度传感器，用于测量所述节流型喷嘴的入口处温度T1。
优选地，所述节流型喷嘴的喉部截面积为其入口截面积的1/10-1/2。
其中，所述伽马射线探测器为单能伽马射线探测器。
本发明的第二方面涉及一种测量多相流中气液两相各自流量的测量方法，其使用
本发明第一方面所述的临界流喷嘴流量计，该方法包括以下步骤：
a)通过压力传感器测量节流型喷嘴的入口处的压力P1和出口处的压力P2，通过温
度传感器测量节流型喷嘴的入口处的温度T1；
b)使所述多相流以临界流方式流过所述临界流喷嘴流量计，其中通过以下方式判断
多相流已达到临界流：设r为油嘴出口处压力与入口处压力之比通过测量值P1、T1确
定气相密度ρg1；通过单能伽马测量混合密度值ρm，可知气相质量相含率
再定义根据多相流流动达到临界流时气相为音速流动的特点，可以定
义临界压比该公式通过迭代求解可得到临界压比rc，当实测
压比时，则判定多相流的流动为临界流；临界流时通过公式
计算气液相间速度滑移比s；通常，
由于井口上游压力很高，大于2Mpa、甚至高达数十MPa，而下游生产管线压力一般小于1Mpa
(通常为500kPa-1Mpa，)，因此压比的数值很小，因而一旦安装好本发明的临界流
喷嘴，打开阀门，则多相流的流动状态即处于临界流状态。尽管如此，仍有必要在正式测量
前用上述判定方法进行判定，以确保流量计算适用的前提条件是符合的；如果经验证多相
流流动状态不处于临界流状态，则不建议用本发明的设备和公式去测量，这时可改用其他
方法进行计量。
d)通过以下公式来分别计算多相流的总质量流量Qm、气相质量流量Qm,g和液相质
量流量Qm,l：
总质量流量：
气相质量流量：Qm,g＝Qm GMF
液相质量流量：Qm,l＝Qm(1-GM F)
其中：
Qm 为总质量流量，kg/s
ρg1 为气相在节流型喷嘴入口处状态下的密度，kg/m3
ρl 为液体密度，kg/m3
GMF 为气体质量相含率
A 为节流型喷嘴的喉部处横截面积，m2
C 为节流型喷嘴流出系数，为常数
k 为气体的绝热指数
r 为油嘴出口处压力与入口处压力之比
s 为气液相间速度滑移比，
本发明的优点如下：
1、本发明创造性地使用了单能伽马射线探测器结合临界流喷嘴来测量多相流中
的气液两相各自的质量流量，其中单能伽马射线探测器实时测量气液混合密度。现有技术
中也有临界流喷嘴流量计，但都只是用于粗略估算气液混合物总流量的，无法实时精确测
量多相流中的气液两相各自的质量流量。
2、本发明针对上述独创性计量设备，专门采用了独创性公式去计算临界流喷嘴状
态下气液两相各自的质量流量。
附图说明
图1是本发明的临界流喷嘴流量计的示意图。
图中，附图标记含义如下：
1、油嘴连接端口；2、压力、温度复合传感器；3、伽马射线发射器；4、压力传感器；5、
伽马射线接收器；6、油嘴喉部；7、油嘴出口。
以上附图仅用于示例性地说明本发明的技术构思和技术方案，而不以任何方式限
制本发明。
具体实施方式
下面描述使用本发明的临界流喷嘴流量计测量多相流中气液两相各自流量的测
量方法，该方法包括以下步骤：
a)通过压力传感器测量节流型喷嘴的入口处的压力P1和出口处的压力P2，通过温
度传感器测量节流型喷嘴的入口处的温度T1；
b)使所述多相流以临界流方式流过所述临界流喷嘴流量计，其中通过以下方式判
断多相流已达到临界流：设r为油嘴出口处压力与入口处压力之比通过测量值P1、
T1确定气相密度ρg1；通过单能伽马测量混合密度值ρm，可知气相质量相含率
再定义根据多相流流动达到临界流时气相为
音速流动的特点，可以定义临界压比该公式通过迭代求解可
得到临界压比rc，当实测压比时，则判定多相流的流动为临界流；临界流时
通过公式计算气液相间速度滑移
比s；
d)通过以下公式来分别计算多相流的总质量流量Qm、气相质量流量Qm,g和液相质
量流量Qm,l：
总质量流量：
气相质量流量：Qm,g＝Qm GMF
液相质量流量：Qm,l＝Qm(1-GMF)
其中：
Qm 为总质量流量，kg/s
ρg1 为气相在节流型喷嘴入口处状态下的密度，kg/m3
ρl 为液体密度，kg/m3
GMF 为气体质量相含率
A 为节流型喷嘴的喉部处横截面积，m2
C 为节流型喷嘴流出系数，为常数
k 为气体的绝热指数
r 为油嘴出口处压力与入口处压力之比
s 为气液相间速度滑移比，