流型調(diào)整器在多相流量計(jì)量系統(tǒng)中的研究與應(yīng)用
摘要：基于放射性原理測(cè)量相分率的多相流量計(jì)在極高含氣下的含水測(cè)試精度急劇變差, 某廠家MFM2000型多相流量計(jì)使用流型調(diào)整器保證了含水測(cè)試獨(dú)立于含氣率, 從而保證了含水測(cè)量精度, 進(jìn)而保證了油量精度。該類型的流量計(jì)經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證, 含水測(cè)試應(yīng)用效果顯著。
0、引言：
多相計(jì)量系統(tǒng)自20世紀(jì)末大面積應(yīng)用于單井計(jì)量以來(lái), 經(jīng)過(guò)近30年的應(yīng)用, 市場(chǎng)已篩選出應(yīng)用范圍***廣的產(chǎn)品類型。目前, 國(guó)內(nèi)市場(chǎng)份額較多且應(yīng)用較成熟的多相流量計(jì)產(chǎn)品大都使用放射性原理測(cè)量相分率、使用文丘里測(cè)量總流量。油氣田***為關(guān)注的油量是基于測(cè)試含水率計(jì)算得到。在液流量精度有保障的前提下, 準(zhǔn)確地測(cè)試含水率尤為關(guān)鍵。但對(duì) (極) 高含氣井來(lái)說(shuō), 含水率的測(cè)試精度并不理想, 含水率的偏差超過(guò)了5%甚至更多。而通過(guò)使用流型調(diào)整器, 就很好地解決了這一問(wèn)題。
1、高含氣下含水測(cè)試面臨的挑戰(zhàn)：
大多數(shù)基于放射性原理的流量計(jì)在中低含氣下的含水測(cè)量較好, 但隨著含氣率逐漸升高, 含水測(cè)試精度面臨越來(lái)越大的挑戰(zhàn)。這可以從含水測(cè)試的基本原理中來(lái)觀察。
γ傳感器測(cè)量含水率相關(guān)公式如下:
其中:
λ、η分別表示γ傳感器中的截面含氣率和含水率, 為待測(cè)量。在符號(hào)的右上角帶“’”均指雙能傳感器高能級(jí)有關(guān)的量, 否則是指與低能級(jí)有關(guān)的量或?qū)烧吖餐牧俊?/p>
N0表示空管計(jì)數(shù)率。
Nx表示在線計(jì)數(shù)率。
D表示雙能傳感器管道內(nèi)徑, 為固定值。
ρgρoρw分別表示工況下天然氣、全油、全水的在線密度。
νgνoνw分別表示天然氣、全油、全水的質(zhì)量吸收系數(shù)。
記
圖1 漏斗效應(yīng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the funnel effect
則雙能傳感器處含氣率和含水率的測(cè)量公式可以分別表示為:
通過(guò)公式 (3) 可以看出, 隨著含氣率的升高, 分母逐漸接近零, 在含氣率不確定度不變的情況下, 含水率的不確定度越來(lái)越大, 符合圖1的描述, 因形似漏斗, 稱之為漏斗效應(yīng)。
測(cè)試含水率隨含氣率的漏斗效應(yīng)對(duì)使用放射性原理測(cè)量相分率的流量計(jì)是普遍存在的。這是由其測(cè)量原理決定的, 如何規(guī)避或減少該效應(yīng)是業(yè)內(nèi)的研究方向之一。某廠家的MFM2000型多相流量計(jì)提供了較好的處理方案。
2、MFM2000型多相流量計(jì)的基本原理：
MFM2000型多相流量計(jì)的主要部件包括:文丘里 (和差壓變送器) 、伽馬傳感器、流型調(diào)整器以及相關(guān)的溫度變送器和壓力變送器。其中, 文丘里測(cè)量工況總流量、單能伽馬傳感器測(cè)量含氣率、雙能伽馬傳感器測(cè)量含水率, 并通過(guò)溫度變送器和壓力變送器的數(shù)據(jù)將工況下的油氣水流量轉(zhuǎn)換到標(biāo)況條件下。
典型單液路多相流量計(jì)的P&ID如圖2所示。
區(qū)別于大多數(shù)放射性原理的流量計(jì)同時(shí)測(cè)試含水率和含氣率的情況, MFM2000型多相流量計(jì)使用流型調(diào)整器、雙能傳感器和含水儀閥的組合來(lái)測(cè)量含水率, 保障了含水測(cè)試精度不受含氣率的獨(dú)立性, 這是海默多相流量計(jì)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。其中, 雙能伽馬傳感器和流型調(diào)整器均為專利技術(shù), 流型調(diào)整器共有一個(gè)進(jìn)口和3個(gè)出口。出口1表示氣路出口, 出口2表示溢流口, 出口3指向雙能伽馬傳感器。流體流動(dòng)過(guò)程如下:
當(dāng)高含氣流體進(jìn)入流型調(diào)整器后, 經(jīng)過(guò)內(nèi)部的機(jī)械結(jié)構(gòu)將氣液進(jìn)行部分分離、碰撞和混合后, 優(yōu)先通過(guò)出口3保證雙能伽馬傳感器中的液樣, 多余的流體通過(guò)出口2溢出, 部分分離后的氣體則通過(guò)出口1在流量計(jì)的出口匯合進(jìn)入下游流程。大多數(shù)井況下, 經(jīng)過(guò)流型調(diào)整器處理后進(jìn)入雙能伽馬傳感器的流體的含氣率要明顯低于主管道文丘里處的含氣率;極高含氣情況下, 為保證流體在雙能伽馬傳感器的沉積, 需要適度關(guān)閉雙能伽馬傳感器下游的含水儀閥門, 具體的開(kāi)度因井況而異。這樣就可以有效降低雙能傳感器中的含氣率, 從而極大降低了漏斗效應(yīng)的發(fā)生概率, 保障了在整個(gè)含氣率測(cè)試范圍內(nèi)的含水測(cè)試精度在±2%范圍內(nèi)。
圖2 某一單液路多相流量計(jì)的P&ID Fig.2 The P&ID of a single liquid channel multiphase flowmeter
3、實(shí)驗(yàn)評(píng)估及現(xiàn)場(chǎng)使用情況：
2010年11月, 在第三方機(jī)構(gòu)大慶石油工業(yè)計(jì)量測(cè)試研究所進(jìn)行了配備流型調(diào)整器功能的多相流量計(jì)的性能評(píng)估, 覆蓋了全量程范圍內(nèi)所有的流型流態(tài)。在***高98%的含氣率下, 測(cè)量含水率的均方根誤差為1.3%。在東海某氣田的實(shí)際測(cè)試結(jié)果也比較理想, 東海某氣田勘探項(xiàng)目中含氣率平均高達(dá)98.6%, 經(jīng)過(guò)流型調(diào)整器后, 雙能伽馬傳感器平均測(cè)試含氣率為36.9%, 保障了含水計(jì)量精度?，F(xiàn)場(chǎng)的取樣化驗(yàn)也佐證了含水計(jì)量精度。
4、結(jié)論：
帶有流型調(diào)整器結(jié)構(gòu)的多相流量計(jì)能在全量程含水率、含氣率范圍內(nèi)保障很好的含水率測(cè)試精度, 從而更進(jìn)一步保證油氣量測(cè)量的準(zhǔn)確性, 對(duì)于海洋油氣田的勘探開(kāi)發(fā)具有很好的適用性。