劉興斌 平 琳 黃春輝 宋純高

(1.大慶油田股份有限公司測試技術(shù)服務(wù)分公司 黑龍江大慶) (2.大慶石油學(xué)院 黑龍江大慶)

渦輪流量計在氣/水兩相流下響應(yīng)規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究

劉興斌1平 琳2黃春輝1宋純高1

(1.大慶油田股份有限公司測試技術(shù)服務(wù)分公司 黑龍江大慶) (2.大慶石油學(xué)院 黑龍江大慶)

文章通過對渦輪流量傳感器在多相流實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行氣/水兩相流實(shí)驗(yàn),總結(jié)出傘集流過環(huán)空渦輪流量計在氣/水兩相流下的響應(yīng)規(guī)律。在氣/水兩相流條件下,渦輪在低流量和高流量時有不同的規(guī)律,在水流量為10 m3/d以上,保持氣量不變,渦輪響應(yīng)與水流量呈線性關(guān)系,并且隨著氣量的增加,渦輪響應(yīng)與水流量關(guān)系直線的斜率(即渦輪K值)增加。在低液量下(<10 m3/d)渦輪更敏感于氣,氣量達(dá)到20方以上時,對水失去了分辨率。在水流量低于10 m3/d時,渦輪響應(yīng)值波動大,水流量10 m3/d以上時,隨著流量增大,波動越來越小。

集流式渦輪流量計;氣/水兩相流;產(chǎn)出剖面測井

0 引 言

渦輪流量計是一類非常重要的流量測量儀表,因其精度高、重復(fù)性好、量程范圍寬、體積小、輸出脈沖信號等優(yōu)點(diǎn),而廣泛應(yīng)用于天然氣計量、油品精確計量和貿(mào)易、工業(yè)生產(chǎn)過程監(jiān)控、測量等領(lǐng)域[1]。渦輪流量計也是生產(chǎn)測井產(chǎn)出剖面流量測量的主要方法。目前大慶油田和國內(nèi)多數(shù)陸相沉積油田的生產(chǎn)井普遍存在脫氣現(xiàn)象,造成油氣水三相流動,產(chǎn)出剖面測井中三相流測量是一個急需解決的難題。針對渦輪流量計在三相流中的響應(yīng)已經(jīng)有人進(jìn)行了研究,鐘興福等[2]對渦輪傳感器進(jìn)行了理論分析,給出了三相流動中渦輪流量計的實(shí)驗(yàn)響應(yīng)特性,最后總結(jié)出用渦輪流量計測量多相流流量的半理論半經(jīng)驗(yàn)公式。金寧德等[3]基于傘集流渦輪流量計與放射性密度-持水率計組合儀在油氣水三相流流動環(huán)中的動態(tài)試驗(yàn)結(jié)果,建立了三相流渦輪流量計統(tǒng)計測量模型。胡金海等[4]對渦輪流量計在水平模擬井中測量油氣水三相流進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果。雖然如此,三相流測量需要進(jìn)行長期艱巨的研究才能解決,本工作在三相流裝置上采用集流式渦輪流量計在氣/水兩相流條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)了集流式渦輪流量計在氣/水兩相流條件下新的性應(yīng)規(guī)律,為三相流測量提供借鑒。

1 實(shí)驗(yàn)條件及準(zhǔn)備[5]

實(shí)驗(yàn)是在大慶油田的多相流模擬實(shí)驗(yàn)室24 m筒進(jìn)行的,透明的有機(jī)玻璃井筒內(nèi)徑為125 mm,實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為自來水和壓縮空氣,實(shí)驗(yàn)中氣、水的流量可以由儀表精確控制和計量。實(shí)驗(yàn)儀器為渦輪流量計,采用傘式集流器集流,集流傘為16根金屬傘筋,傘布采用高強(qiáng)度薄織料,質(zhì)密不透氣,密封效果好,如圖1所示。集流后,井眼內(nèi)所有流體進(jìn)入集流器內(nèi)的進(jìn)液口,經(jīng)過流量計所在的測量通道,然后由出液口流回到井筒。集流后,可以將測量通道內(nèi)的流速提高幾十倍,降低渦輪的啟動排量;還可以使氣/水混合均勻,減少流態(tài)對流量和含水率測量的影響。在與流量計相同高度的井筒上安置了溫度和壓力傳感器以進(jìn)行對氣相的流量進(jìn)行PVT校正。實(shí)驗(yàn)中所采用測井儀器的流量測量范圍為:2 m3/d～80 m3/d,測量精度為±5%,啟動排量:2 m3/d,儀器測量通道內(nèi)徑為19 mm。氣流量的調(diào)節(jié)點(diǎn)依次為3、5、7、10、15、20、30、40、50 m3/d,水流量的調(diào)節(jié)點(diǎn)分別為60、50、40、30、20、15、10、7、5、3、1、0 m3/d。實(shí)驗(yàn)中,先固定某一氣體流量,待氣體流量穩(wěn)定后,按流量遞減的順序調(diào)節(jié)水流量。流量穩(wěn)定后,利用油井綜合參數(shù)測試儀記錄渦輪轉(zhuǎn)數(shù),給儀器供電+ 42 V,電流60 mA。重復(fù)測量時也是按流量遞減的順序測量。記錄渦輪的轉(zhuǎn)速,每一水流量都調(diào)節(jié)完畢后,按遞增的順序調(diào)節(jié)下一氣體流量。對所獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。

圖1 儀器結(jié)構(gòu)示意圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果[6、7]

2.1 渦輪在純水中的響應(yīng)

實(shí)驗(yàn)過程中,初始水流量為80 m3/d,待流量穩(wěn)定后記錄渦輪轉(zhuǎn)數(shù),之后按10 m3/d的流量遞減,測量每一流量點(diǎn)的渦輪轉(zhuǎn)數(shù)。實(shí)驗(yàn)中共對兩支儀器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),兩支渦輪流量計在水中響應(yīng)特性一致。給出了其中一支渦輪流量計在純水中的渦輪響應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,如圖2所示。圖2中橫坐標(biāo)為水流量,縱軸為渦輪轉(zhuǎn)數(shù)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在純水中,渦輪流量計儀器響應(yīng)與流量有很好的線性關(guān)系,重復(fù)性好,規(guī)律一致。擬合得到渦輪轉(zhuǎn)速與流量的關(guān)系為:F=1.2225Q+0.4591;線性相關(guān)系數(shù)為 R2=0.9997。啟動排量:1#儀器的啟動排量為2.5 m3/d,2#儀器的啟動排量為 3.0 m3/d。

圖2 渦輪流量計在單相流(水)中的響應(yīng)

2.2 渦輪在單相氣中的響應(yīng)

1)干氣(井筒中無底水)

本實(shí)驗(yàn)考察流量計對單相氣(干氣)的響應(yīng)規(guī)律。當(dāng)井筒中無底水,流體為單相氣,分別按照流量增加和遞減方向調(diào)節(jié)氣相流量,流量計在氣中的響應(yīng)規(guī)律如圖3所示。由圖3可知,渦輪響應(yīng)與氣相流量近似呈線性規(guī)律,但數(shù)據(jù)的離散性遠(yuǎn)較純水相時大,重復(fù)數(shù)據(jù)的離散性也大得多。而且渦輪轉(zhuǎn)速依賴于氣相流量按增加或減小方向的調(diào)節(jié)。由于渦輪慣性的影響,按流量遞減調(diào)節(jié)時,對應(yīng)于同樣流量時的渦輪轉(zhuǎn)速要大于按遞增方向上的轉(zhuǎn)速。啟動流量強(qiáng)烈地依賴于流量遞增或遞減,按流量遞增調(diào)節(jié)氣流量時,啟動流量為40 m3/d。而按氣量遞減調(diào)節(jié),則截止流量為7 m3/d,這是由于渦輪的慣性所致。本實(shí)驗(yàn)中,氣相流量最大達(dá)到了150 m3/d。

2)靜水中純氣(井筒中充滿靜水)

本實(shí)驗(yàn)考察流量計在井筒內(nèi)有底水情況下對氣相流量的響應(yīng)規(guī)律。將流量計置于充滿靜水井筒中,增加氣相的流量,記錄渦輪的轉(zhuǎn)速。初始?xì)饬髁繛?0 m3/d,每次流量按10 m3/d變化量遞減,待流量穩(wěn)定后記錄渦輪轉(zhuǎn)數(shù)。然后仍按流量遞減的順序重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)過程。實(shí)驗(yàn)獲得的兩支儀器的響應(yīng)規(guī)律一致。本文給出了其中一支渦輪流量計的響應(yīng)曲線,如圖4所示。由圖4可知,渦輪響應(yīng)在靜水中與氣體流量呈非線性關(guān)系。當(dāng)氣相流量低于20 m3/d時,渦輪轉(zhuǎn)速高于相同水流量時的轉(zhuǎn)速,表明此時渦輪對氣更敏感;而當(dāng)氣體流量大于20 m3/d時,渦輪轉(zhuǎn)速小于在相同流量時水中的轉(zhuǎn)速,表明此時渦輪對水更敏感。繼續(xù)增加氣相的流量,渦輪響應(yīng)逐漸趨向于線性。

圖3 渦輪流量計在干氣中的響應(yīng)

圖4 渦輪流量計在單相氣中的響應(yīng)

在井筒內(nèi)充滿靜水的條件下,兩支流量計在氣流量為2.5 m3/d即啟動,渦輪的啟動排量與純水類似,啟動流量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于單相氣的情況。其原因可能是單相氣時,在較低的流速下,氣在經(jīng)過渦輪時,由于氣時可壓縮的,氣更容易繞過渦輪而從葉片與外殼之間的縫隙流過,僅有一部分氣推動渦輪葉片旋轉(zhuǎn);而存在底水的情況下,對于在低流量氣/水為泡狀流,輕質(zhì)相的氣趨于沿管心向上流動,由于液相的水具有不可壓縮性,較大比例的氣泡只能經(jīng)過渦輪葉片,推動渦輪旋轉(zhuǎn),因此啟動流量低于干氣的情況。

2.3 渦輪在氣/水兩相流中的響應(yīng)

本實(shí)驗(yàn)考察流量計在動水中(水相流量不為零)對氣相流量的響應(yīng)規(guī)律。實(shí)驗(yàn)中,氣體流量依次保持為3,5,7,10,15,20,30,40,50 m3/d,對于每一個氣相流量,水流量依次按60,50,40,30,20,15,10,7,5,3,1 m3/d的遞次調(diào)節(jié),穩(wěn)定后記錄渦輪轉(zhuǎn)速。獲得的兩支渦輪流量計在氣/水兩相流中的渦輪響應(yīng)規(guī)律一致。其中1#流量計在氣/水兩相流中的響應(yīng),如圖5所示。渦輪在低液量和高流量時有不同的規(guī)律,在水流量高于10 m3/d時,保持氣量不變,渦輪響應(yīng)與水流量呈線性關(guān)系,但在較高的氣量下具有較高的斜率,或較大的儀表常數(shù)。而在在低液量下,即在水流量低于10 m3/d時,渦輪響應(yīng)與水相流量呈非線性關(guān)系。此時,隨著水流量的增加,渦輪響應(yīng)也增加,但較純水時的響應(yīng)增加緩慢,而且隨著氣量的增加,渦輪響應(yīng)對液相的敏感性越差,當(dāng)氣量達(dá)到20 m3/d時,幾乎呈一個平的臺階,說明此時渦輪對液相流量失去了分辨能力,表明渦輪流量計在高氣相流量時不適合用來測量低液量液相的流量。

圖5 不同氣流量下渦輪轉(zhuǎn)數(shù)與水流量的關(guān)系圖版

保持氣量不變,取水相流量10 m3/d及以上時的數(shù)據(jù),計算渦輪響應(yīng)與水流量關(guān)系直線的斜率(即K值),然后做出氣流量與K值的關(guān)系圖版如圖6所示,隨著氣相流量的增加,K值近似呈線性增加。

3 結(jié) 論

通過對集流式渦輪流量計在多相流實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行氣/水兩相流實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)流量計具有如下響應(yīng)規(guī)律:

1)當(dāng)水流量為10 m3/d以上,保持氣量不變,渦輪響應(yīng)與水相流量呈線性關(guān)系,而且隨著氣量的增加,渦輪響應(yīng)與水流量關(guān)系直線的斜率(即渦輪 K值)明顯增加。

2)在低液相流量下,即水流量10 m3/d內(nèi),隨著水流量的增加,渦輪響應(yīng)增加,但較純水中的響應(yīng)增加緩慢.而且隨著氣量的增加,渦輪響應(yīng)對液相流量敏感性變差。當(dāng)氣相流量充分高時,響應(yīng)曲線幾乎呈一平的臺階,此時渦輪對液相流量失去了分辨能力,表明渦輪流量計在高氣相流量時不適合用來測量低產(chǎn)液井的液相流量。

3)在井筒存在底水的情況下,集流式渦輪流量計對氣相的啟動流量大大低于無底水(干氣)時的啟動流量。

[1] 孫立軍.降低渦輪流量傳感器粘度變化敏感度的研究[D].天津大學(xué),2004

[2] 鐘興福.用渦輪流量計測量多相流流量[J].儀器儀表學(xué)報,2002,23(3)

[3] 金寧德.傘集流油氣水三相流渦輪流量計統(tǒng)計模型研究[J].測井技術(shù),2007,30(1)

[4] 胡金海,劉興斌,薛國民,等.渦輪流量計對水平三相流的實(shí)驗(yàn)響應(yīng)[J].測井技術(shù),2006,30(6)

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[6] 郭海敏.生產(chǎn)測井導(dǎo)論[M].北京:石油工業(yè)出版社, 2003

[7] 金寧德.皮球集流油氣水三相流渦輪流量計測量模型研究[J].測井技術(shù),2006,30(2)

Liu Xingbin,Ping Lin,Huang Chunhui1 and Song Chungao1.The dynamic response of basket turbine flowmeters in a gas-water two-phase flow.PI,2010,24(4):51～53

The experiment of turbine flowmeter is carried out with the simulation multi-phase flow experiment facility under the condition of gas-water two phase flow.The response regulations of turbine flowmeter in the gas-water two-phase flow are summarized.The turbine flowmeter has different response regulations at low flowrate and high flowrate.When the water flowrate is above 10 m3/d and the gas flowrate is constant,the response of turbine flowrate is liner to the water flowrate. Further more,along with the increasing of gas flowrate,the K value of turbine flowmeter increases.Under the low fluid volume(<10 m3/d),the response of turbine flowrate is more sensitive to gas flowrate.When gas flowrate is above 20 m3/d,the turbine flowmeter is not sensitive to water flowrate.When the water flowrate is lower than 10 m3/d,the fluctuation of turbine flowmeter response is large;when the water flowrate is above 10 m3/d,the fluctuation of turbine flowmeter response decreases along with the flowrate increasing.

turbine flowmeter;gas-water two-phase flow;production profile well logging

TH814

B

1004-9134(2010)04-0051-03

劉興斌,男,1964年生,1983年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院石油工程專業(yè),1996年獲得哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士學(xué)位?，F(xiàn)在大慶油田測試技術(shù)服務(wù)分公司任總工程師,曾在國內(nèi)外學(xué)術(shù)期刊發(fā)表論文40余篇,現(xiàn)從事油井多相流測量研究和主持國家及總公司的科研課題10余項(xiàng)的工作。郵編:163412

2010-03-19 編輯:梁保江)

·經(jīng)驗(yàn)交流·