流型調整器在多相流量計量系統中的研究與應用
摘要：基于放射性原理測量相分率的多相流量計在極高含氣下的含水測試精度急劇變差, 某廠家MFM2000型多相流量計使用流型調整器保證了含水測試獨立于含氣率, 從而保證了含水測量精度, 進而保證了油量精度。該類型的流量計經過多次實驗與現場驗證, 含水測試應用效果顯著。
0、引言：
多相計量系統自20世紀末大面積應用于單井計量以來, 經過近30年的應用, 市場已篩選出應用范圍***廣的產品類型。目前, 國內市場份額較多且應用較成熟的多相流量計產品大都使用放射性原理測量相分率、使用文丘里測量總流量。油氣田***為關注的油量是基于測試含水率計算得到。在液流量精度有保障的前提下, 準確地測試含水率尤為關鍵。但對 (極) 高含氣井來說, 含水率的測試精度并不理想, 含水率的偏差超過了5%甚至更多。而通過使用流型調整器, 就很好地解決了這一問題。
1、高含氣下含水測試面臨的挑戰：
大多數基于放射性原理的流量計在中低含氣下的含水測量較好, 但隨著含氣率逐漸升高, 含水測試精度面臨越來越大的挑戰。這可以從含水測試的基本原理中來觀察。
γ傳感器測量含水率相關公式如下:
其中:
λ、η分別表示γ傳感器中的截面含氣率和含水率, 為待測量。在符號的右上角帶“’”均指雙能傳感器高能級有關的量, 否則是指與低能級有關的量或對兩者共同的量。
N0表示空管計數率。
Nx表示在線計數率。
D表示雙能傳感器管道內徑, 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、全水的質量吸收系數。
記
圖1 漏斗效應示意圖Fig.1 Schematic diagram of the funnel effect
則雙能傳感器處含氣率和含水率的測量公式可以分別表示為:
通過公式 (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越大, 符合圖1的描述, 因形似漏斗, 稱之為漏斗效應。
測試含水率隨含氣率的漏斗效應對使用放射性原理測量相分率的流量計是普遍存在的。這是由其測量原理決定的, 如何規避或減少該效應是業內的研究方向之一。某廠家的MFM2000型多相流量計提供了較好的處理方案。
2、MFM2000型多相流量計的基本原理：
MFM2000型多相流量計的主要部件包括:文丘里 (和差壓變送器) 、伽馬傳感器、流型調整器以及相關的溫度變送器和壓力變送器。其中, 文丘里測量工況總流量、單能伽馬傳感器測量含氣率、雙能伽馬傳感器測量含水率, 并通過溫度變送器和壓力變送器的數據將工況下的油氣水流量轉換到標況條件下。
典型單液路多相流量計的P&ID如圖2所示。
區別于大多數放射性原理的流量計同時測試含水率和含氣率的情況, MFM2000型多相流量計使用流型調整器、雙能傳感器和含水儀閥的組合來測量含水率, 保障了含水測試精度不受含氣率的獨立性, 這是海默多相流量計的獨特優勢。其中, 雙能伽馬傳感器和流型調整器均為專利技術, 流型調整器共有一個進口和3個出口。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。流體流動過程如下:
當高含氣流體進入流型調整器后, 經過內部的機械結構將氣液進行部分分離、碰撞和混合后, 優先通過出口3保證雙能伽馬傳感器中的液樣, 多余的流體通過出口2溢出, 部分分離后的氣體則通過出口1在流量計的出口匯合進入下游流程。大多數井況下, 經過流型調整器處理后進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, 需要適度關閉雙能伽馬傳感器下游的含水儀閥門, 具體的開度因井況而異。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的發生概率, 保障了在整個含氣率測試范圍內的含水測試精度在±2%范圍內。
圖2 某一單液路多相流量計的P&ID Fig.2 The P&ID of a single liquid channel multiphase flowmeter
3、實驗評估及現場使用情況：
2010年11月, 在第三方機構大慶石油工業計量測試研究所進行了配備流型調整器功能的多相流量計的性能評估, 覆蓋了全量程范圍內所有的流型流態。在***高98%的含氣率下, 測量含水率的均方根誤差為1.3%。在東海某氣田的實際測試結果也比較理想, 東海某氣田勘探項目中含氣率平均高達98.6%, 經過流型調整器后, 雙能伽馬傳感器平均測試含氣率為36.9%, 保障了含水計量精度。現場的取樣化驗也佐證了含水計量精度。
4、結論：
帶有流型調整器結構的多相流量計能在全量程含水率、含氣率范圍內保障很好的含水率測試精度, 從而更進一步保證油氣量測量的準確性, 對于海洋油氣田的勘探開發具有很好的適用性。