黃春輝, 李軍, 胡金海, 劉興斌, 熊夢迪

(1.大慶油田有限責(zé)任公司測試技術(shù)服務(wù)分公司, 黑龍江 大慶 163453; 2.大慶油田有限責(zé)任公司第六采油廠, 黑龍江 大慶 163114)

0 引 言

渦輪流量計已廣泛應(yīng)用于井下油/水兩相流流量測量[1],它具有儀表常數(shù)穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn),在油水兩相流條件下可以準(zhǔn)確測量流量,并取得良好的應(yīng)用效果[2]。渦輪流量計通常在油/水兩相流條件下進(jìn)行標(biāo)定,對渦輪流量計的實驗研究也主要在油/水兩相流下進(jìn)行。大慶油田及中國多數(shù)陸相油田的生產(chǎn)井普遍存在產(chǎn)氣、脫氣現(xiàn)象,在測試井段存在油氣水三相流的情況。氣相的加入使渦輪流量計的響應(yīng)特性發(fā)生了明顯的變化,對產(chǎn)出剖面的測量產(chǎn)生了影響,氣體對低產(chǎn)井的測量影響尤為嚴(yán)重,因為在低產(chǎn)井中容易出現(xiàn)高含氣率情況,有必要研究渦輪流量計在油井中產(chǎn)氣時的響應(yīng)特性。

渦輪流量計在油/氣/水三相流下的響應(yīng)已有人針對不同的測井儀器進(jìn)行了研究。金寧德等[3-4]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裝置中的動態(tài)試驗結(jié)果,建立了三相流渦輪流量計統(tǒng)計測量模型。胡金海等[5]對渦輪流量計在水平模擬井中測量油氣水三相流進(jìn)行了實驗研究。

在多相流模擬實驗裝置上采用渦輪流量計在油/氣/水三相流及氣/水兩相流條件下開展室內(nèi)動態(tài)實驗,研究渦輪流量計在油/氣/水三相流及氣/水兩相流低產(chǎn)氣(氣體流量不大于15 m3/d)條件下的響應(yīng)特性,計算氣體對渦輪流量計測量液相流量產(chǎn)生的測量誤差,為該儀器應(yīng)用到三相流的生產(chǎn)測井中提供借鑒。

1 實驗條件及實驗方案

實驗在大慶油田測井試井檢測實驗中心多相流實驗室24 m模擬井中進(jìn)行。透明的有機(jī)玻璃井筒內(nèi)徑為125 mm,實驗介質(zhì)為自來水、柴油和壓縮空氣,實驗中油、氣、水的流量可以由儀表精確控制和計量。實驗儀器采用安裝有傘式集流器的渦輪流量計。傘式集流器具有16根金屬傘筋,傘布采用高強(qiáng)度薄織料,質(zhì)密不透氣,集流效果好。采用傘式集流器可以使測量通道內(nèi)的流體流速提高幾十倍,并且使被測流體混合更加均勻。渦輪流量計安裝在集流傘上部,油/氣/水混合流體被集流傘集流后,從進(jìn)液口流入測量通道,流經(jīng)渦輪流量計測量流量,再由出液口流回到井筒(見圖1)。

圖1 儀器結(jié)構(gòu)示意圖

渦輪流量計位于傘式集流器上部,傳感器內(nèi)徑為19 mm。渦輪測量流量范圍為3～80 m3/d,測量精度為±5%。根據(jù)儀器的工作原理及儀器結(jié)構(gòu)等條件,實驗時氣體流量范圍為3～15 m3/d,流量調(diào)節(jié)分別為3、5、7、10、15 m3/d;油水液相流量范圍為3～80 m3/d,流量調(diào)節(jié)分別為3、5、7、10、15、20、30、40、60、80 m3/d,含水率調(diào)節(jié)范圍50%～100%。實驗中,先固定某一氣體流量,待氣體流量穩(wěn)定后分別調(diào)節(jié)油水兩相含水率和流量,待流動穩(wěn)定后,進(jìn)行測量。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 油氣水三相條件下含水率對流量測量的影響

圖2 固定氣體流量5 m3/d渦輪流量計標(biāo)定曲線

在不同氣體流量下標(biāo)定了渦輪流量計在油/氣/水三相流中不同氣相流量不同液相含水率時的響應(yīng)曲線。圖2為固定氣體流量5 m3/d、液相流量及液相含水率變化時測量的渦輪響應(yīng)曲線,液相流量從60 m3/d逐漸遞減到5 m3/d,含水率從100%逐漸遞減到50%。測量數(shù)據(jù)表明,當(dāng)改變不同液相流量時的測量結(jié)果與10 m3/d的測量結(jié)果一致,即當(dāng)固定氣體流量5 m3/d時,在同一液相流量下,當(dāng)含水率從100%變化到50%時,渦輪響應(yīng)數(shù)值基本不變,保持在同一數(shù)值,即渦輪響應(yīng)受油水比例變化的影響較小。分析認(rèn)為,當(dāng)液相流量大于5 m3/d時,由于集流傘的集流作用,使測量通道內(nèi)的流體流速提高,油水兩相以泡狀流流動,并且使被測流體油水混合更加均勻,減小了油水相間的滑脫效應(yīng);氣相的擾動也減小了油水相間的滑脫,使得渦輪流量計響應(yīng)受油水兩相含水率變化影響較小,氣相成為影響渦輪流量計響應(yīng)的主要因素。

圖3為固定氣體流量5 m3/d標(biāo)定的渦輪流量計響應(yīng)圖版。實驗數(shù)據(jù)表明,對于固定的氣相流量、不同含水率下的測量曲線近于重合,說明對于固定的氣相流量渦輪響應(yīng)與液相流量的響應(yīng)關(guān)系受油水兩相含水率的影響很小。因此,在氣體流量較低時,油/氣/水三相的流量測量問題可以簡化成氣/水兩相的流量測量問題。固定氣體流量10 m3/d及15 m3/d標(biāo)定的渦輪流量計響應(yīng)規(guī)律同圖3。

圖3 氣體流量5 m3/d渦輪流量度計標(biāo)定圖版

2.2 氣/水兩相條件下的實驗結(jié)果及誤差分析

圖4 渦輪流量計氣水兩相流標(biāo)定圖版

圖5 氣/水兩相流高速攝像圖片

圖6 水流量10 m3/d氣相流量4.8 m3/d渦輪實時波動信號

圖4為傘式集流器渦輪流量計在氣/水兩相流中的響應(yīng)圖版。渦輪在低液量和高流量時有不同的規(guī)律,在水流量高于15 m3/d時,保持氣量不變,渦輪響應(yīng)與水流量呈線性關(guān)系。在低液量下,即在水流量低于15 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10 m3/d時,幾乎呈平的臺階,說明此時渦輪對液相流量失去了分辨能力,渦輪流量計在高氣量時測量低液相流量會有較大誤差。分析認(rèn)為,當(dāng)水流量較低(水流量小于15 m3/d)時,在集流測量通道內(nèi),當(dāng)氣量較少時,氣相滑脫明顯,氣相以較大的氣泡向上流動[如圖5(a)所示,水流量10 m3/d、氣流量1.44 m3/d],氣相對渦輪起主導(dǎo)作用,使渦輪響應(yīng)明顯偏高;隨著氣相流量的增加,持氣率不斷增加,更多的氣泡在集流傘頂端聚集形成段塞進(jìn)入集流通道。圖5(b)為水流量10 m3/d、氣相流量4.8 m3/d時拍攝的高速攝像圖片,圖片顯示測量通道內(nèi)氣/水兩相流為段塞流。圖6為此時采集的渦輪響應(yīng)實時波動信號,隨大塊氣體段塞的出現(xiàn),渦輪響應(yīng)頻率劇烈波動,最高幅度可達(dá)40 Hz,渦輪響應(yīng)的平均值增加,導(dǎo)致渦輪流量計測量流量明顯偏高。尤其是氣相流量較高(大于9.6 m3/d)時,在集流傘頂部形成氣頂,集流測量通道內(nèi)的氣段塞更加嚴(yán)重,較多的水流量被迫從集流傘與井壁之間的縫隙漏失,渦輪對液相流量變化失去了分辨能力,使渦輪流量計產(chǎn)生了較大的測量誤差。

2.3 測量誤差分析

在實際的產(chǎn)出剖面測量中,儀器通常在液相中標(biāo)定刻度圖版。測井時不知道井下是否有氣,如果存在氣體,仍然使用液相圖版解釋,會產(chǎn)生很多誤差。

利用清水中渦輪的刻度方程計算加入不同氣體流量后渦輪響應(yīng)頻率所對應(yīng)的流量,即為加入氣體后的測量流量,再用所得測量流量減去配比的標(biāo)準(zhǔn)水流量,得到氣相加入后測量的絕對增加值,即加入氣相流量產(chǎn)生的測量誤差(見表1)。計算結(jié)果表明,加入氣體流量后,渦輪的測量流量明顯增加,尤其是液相流量較低時,增加的測量流量更高,氣體對流量測量產(chǎn)生了較大的測量誤差。低氣量下,平均1 m3/d的氣量產(chǎn)生的測量誤差大約相當(dāng)于5 m3/d(絕對增加值)。

表1 加入氣相流量產(chǎn)生的流量測量絕對增加值

圖7 渦輪流量計氣水兩相流標(biāo)定圖版

利用測量的絕對增加值除以滿量程流量80 m3/d,得到氣體對流量測量的滿量程誤差(見圖7)。計算結(jié)果表明,只有氣體流量為3 m3/d以下液相流量10 m3/d以上時,滿量程測量誤差在10%以內(nèi),其他測點(diǎn)滿量程誤差均大于10%。

3 結(jié) 論

(1) 氣體流量較低時,在同一氣體流量下保持液相流量不變、液相含水率從100%變化到50%時,渦輪流量計與液相流量的響應(yīng)關(guān)系不受油水兩相含水率的影響或受油水兩相含水率的影響很小,可以將油/氣/水三相的流量測量問題簡化成氣/水兩相的流量測量問題。

(2) 在不同含氣量條件下,渦輪在低液量和高液量時有不同的響應(yīng)規(guī)律,在水流量高于15 m3/d時,渦輪響應(yīng)與水流量呈線性關(guān)系。在水流量低于15 m3/d時,渦輪響應(yīng)與水相流量呈非線性關(guān)系,當(dāng)含氣量達(dá)到10 m3/d時,渦輪響應(yīng)呈水平的臺階狀,渦輪對液相流量失去了分辨能力。

(3) 液相流量較低時,渦輪流量計測量流量明顯高于標(biāo)準(zhǔn)流量,即使是較低的氣體流量也會對渦輪流量計產(chǎn)生較大的測量誤差。當(dāng)氣體流量為3 m3/d、液相流量小于10 m3/d的條件下以及氣體流量大于3 m3/d的條件下,液相流量測量誤差均大于10%。

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