三相不分離流量計量技術(shù)研究

 摘 要： 在吉拉克凝析氣集中處理站現(xiàn)場試驗挪威Roxar公司的三相流量計，將三相流量計安裝在三疊系計量分離器前端匯管上，在線實時計量單井油氣水產(chǎn)量。通過現(xiàn)場測試證明，MPFM1900VI三相流量計的可重復(fù)性和精度能達(dá)到現(xiàn)場試驗驗收依據(jù)中的相關(guān)技術(shù)要求，可適用于高壓凝析氣井計量分析及資料錄取工作。 

關(guān)鍵字： 流量計 測量 相分率 流速 流量率 

1 裝置結(jié)構(gòu) 

Roxar三相不分離流量計主要由伽瑪密度計、電容測量及傳感器、電導(dǎo)率測量及傳感器、文丘里裝置和流量計算機構(gòu)成。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要有溫度變送器、壓力變送器、差壓變送器、伽瑪密度計、電容傳感器、電導(dǎo)傳感器和流量計算系統(tǒng)構(gòu)成。結(jié)構(gòu)見圖1、圖2。

 
圖1Roxar三相不分離流量計結(jié)構(gòu)

 
圖2Roxar三相不分離流量計內(nèi)部視圖

2 測量原理 

Roxar三相不分離流量計測量原理見圖3。

 
圖3Roxar三相不分離流量計測量原理

單井來油氣水混合物假設(shè)為四相流體，即油、水、離散氣體和游離氣體。大氣泡流速與氣體流速相同（大氣泡即為離散氣體)，小氣泡流速與液體流速相同（小氣泡即為游離氣體)，三相流量計豎直測量管段內(nèi)油相流速和水相流速相同。 

設(shè)：Q為體積流量率；A為體積相分率；v為流速 

Q=Av (1) 

體積相分率等于相分率與測量管橫截面積的乘積，由于測量管橫截面積已知，油氣水各相流量率的計算可轉(zhuǎn)換為相分率和各相流速的計算。 

  （1)相分率的計算。設(shè)：ρ油為油相密度；ρ水為水相密度；ρ氣為氣相密度（油相密度、水相密度和氣相密度計量前輸入)；ε油為油相電容率；ε水為水相電容率；ε氣為氣相電容率（油相電容率根據(jù)輸入的流體PVT參數(shù)由流量計算機求得，水相電容率為常數(shù)，約等于70，氣相電容率為常數(shù)，約等于1)；σ油為油相電導(dǎo)率；σ水為水相電導(dǎo)率；σ氣為氣相電導(dǎo)率（水相電導(dǎo)率根據(jù)輸入的流體PVT參數(shù)由流量計算機求得，油相電導(dǎo)率和氣相電導(dǎo)率均為常數(shù)，數(shù)值趨于無窮大)；ρ混合物為混合物密度；ε混合物為混合物電容率；σ混合物為混合物電導(dǎo)率（混合物密度用伽瑪密度計可測得，混合物電容率用電容傳感器可測得，混合物電導(dǎo)率用電導(dǎo)率傳感器可測得)；α為氣相分率；β為水相分率；γ為油相分率（氣相分率為單位時間內(nèi)大氣泡和小氣泡在混合物中占的體積百分?jǐn)?shù)，水相分率為單位時間內(nèi)水相在混合物中占的體積百分?jǐn)?shù)，油相分率為單位時間內(nèi)油相在混合物中占的體積百分?jǐn)?shù)，α、β和γ均為方程中的未知變量)。

混合物低含水期電容率傳感器工作，電容率方程、密度方程和歸一方程三方程聯(lián)立求解油氣水各相相分率；混合物高含水期電導(dǎo)率傳感器工作，電導(dǎo)率方程、密度方程和歸一方程三方程聯(lián)立求解油氣水各相相分率。 

（2)流速和流量率計算。Roxar三相流量計在已知距離的兩點上分布著成對的電容探測電極和電導(dǎo)探測電極。當(dāng)同體依次經(jīng)過探測電極時，探測電極會連續(xù)收集兩組電信號，這兩組電信號所形成的曲線形狀相似，但處于不同的時間區(qū)段。對這兩組電信號曲線進(jìn)行互相關(guān)運算，可得出極大值，該值對應(yīng)的時間為T，即為流體從電極A流至電極B所需的時間。 

假設(shè)：V為流體流速；d為電極位差；T為流體從電極A流至電極B所需的時間。則 

V=d/T (6) 

其中：d為已知量，T可通過互相關(guān)運算得出，求解方程（5)即可求出流速（當(dāng)通過電極的流體為大氣泡時，計算出的流速為氣體流速；當(dāng)通過電極的流體為小氣泡時，計算出的流速為液體流速)。 

有時互相關(guān)運算不能得出極大值，此時認(rèn)為互相關(guān)運算失敗。Roxar三相流量計在計算流速時可以設(shè)定互相關(guān)運算的最小允許成功率，低于設(shè)定值時，不取信互相關(guān)運算的結(jié)果，以文丘里計算的流量為準(zhǔn)。 

文丘里裝置流速計算公式

其中：M為質(zhì)量流速；dp為文丘里差壓；C為流量系數(shù)，C=f（ReD，β)；E為補償系數(shù)，E=1/ ReD為雷諾系數(shù)；β為內(nèi)外徑比，文氏喉管內(nèi)徑/文氏管內(nèi)徑；ε為擴(kuò)大系數(shù)，ε=f（dP/P，β，γ)；γ為定壓熱容與定容熱容的比值，γ=CP/CV；A為文氏喉管通過面積。 

得出油氣水相分率和氣液相流速，求解方程1即可算出油氣水各相的體積流量率。 

（3)主要技術(shù)指標(biāo)。操作范圍：0～99%含水比率（WLR)；0～98%氣體空隙率（GVF)；測量精度：液相相對誤差為3%～6%；含水率（90%置信度)誤差為1.5%～4%；氣相相對誤差為6%～8%；標(biāo)準(zhǔn)速度范圍：低GVF為1.5～15m/s；高GVF為3.5～35m/s；管道尺寸為2～12inch（43～220mm)；設(shè)計壓力為69000kPa；設(shè)計溫度為150℃（3028/)。 

（4)現(xiàn)場試驗。在吉拉克凝析氣集中處理站現(xiàn)場試驗挪威Roxar公司的三相流量計，將三相流量計安裝在三疊系計量分離器前端匯管上，在線實時計量單井油氣水產(chǎn)量。通過現(xiàn)場測試證明，MPFM1900VI三相流量計的可重復(fù)性和精度能達(dá)到現(xiàn)場試驗驗收依據(jù)中的相關(guān)技術(shù)要求，可適用于高壓凝析氣井計量分析及資料錄取工作。 

3結(jié)論 

三相不分離流量計無須分離、混合，沒有活動部件，可準(zhǔn)確地計量高壓凝析氣井的油、氣、水產(chǎn)量。儀表具有的長期穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和可重復(fù)性，可滿足塔里木油田凝析氣井計量的要求。綜上所述，Roxar的三相不分離流量計在塔里木油田具有廣闊的市場前景。