靶式流量计

条形靶式流量计用于油井两相产污水流量出物计量

    条形靶式流量计用于油井两相产污水流量出物计量,不同油井的产液量、含水率、气液比相差很大,混相流动状态下,油气水的物性参数、工作状态、流态和流型对计量的影响非常复杂,单纯研究某一特定情况下的单井计量方法蒸汽流量计没有实际意义。一般情况下,油井单井计量精度要求不是太高。设计开发一种简单、廉价、对油井工况要求低的非分离在线测量仪表是解决目前油井单井计量的有效方法。靶式流量计具有冲量和节流两种效应,靶的受力与压差对流型、流态的变化不敏感,其影响除了流体流量外,主要是流体密度的变化。由于气、液密度相差很大,靶的受力主天然气流量计要取决于液相流量。可用电容法测量混相流体的气液比,间接确定靶上液相作用面积,由此确定两相流量;同时,采用沉液式电容传感器测量液相含水率,即可确定产油量大小。根据以上思路,建立了计量理论数学模型和实验管路系统,通过试验分析靶在不同流型下的差压、冲量特性与两相流体气液比和流量关系,从而建立了一种适用于油井两相产污水流量计出物计量的低成本方法。

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    1 两相流计量理论模型的建立

    1.1 物理模型

    系统物理模型如图1所示。系统由条形靶流量变送器、差压变送器、气液比电容传感器和含水率电容传感器组成。为了使靶上冲量对混相流型不敏感,采用了条形靶。此靶形上旋进旋涡流量计下贯通整个测量管截面,对于一元两相各种流型都能保证有液体冲量作用于靶。由于靶在受力时其位置变化,所以靶前后静压测量采用径距取压方式引到差压变送器上进行测量。

   为了测量气液占空比,即工况下的体积气液比,测量管下游设置气液比电容极板,利用电容极板间气、液介电常数的差异实现气液比测量。为保证液相含水率的测量,消除气相的影响,含水率测量电容极板装在测量管下方凸出部。

    1.2 基于冲量及电容法的数学模型

    流体对靶的作用力主要由三部分力组成:一是流体以一定的流速冲击到靶上产生的动压力;二是靶的节流作用在靶前后产生的静压差作用力,三是流体在流经靶时对靶周边的黏滞摩擦力。忽略靶边缘的流体黏滞摩擦力,靶上测到的作用力为

   (1)式中Ab为靶横截面积;υg、υl分别为靶上气相、液相平均流速;ρg、ρl分别为气相、液相密度;φ为工作状态下体积气液比;Δp为靶前后压力差。

    在数据处理过程中,测量靶式流量变送器与差压变送器输出信号,依据靶式流量变送器输出信号,计算出靶上受力,减去静压差作用力,其差函数包含气液两相流流量信息。影响靶受力的因素主要是气、液两相密度,平均流速和气液比。

    为了使测量简化,消除气液相对速度对流型的影响,靶式流量计前设置混相器,使气体和液体在管道内流速接近。在体积气液比为90%状态下,靶受气、液两相作用力之比大于40.3,忽略气体对靶的作用力,由此所产生的误差将小于2.42%,在设计允许误差范围5%内。

    忽略气体对靶的作用力,测量靶受力f与静压差Δp,按下式计算液相流量

   (2)式中α为流量系数,是考虑到取压位置、摩擦损失等因素的影响而引入的修正系数;是考虑气相受力部分的修正系数。

    如果液相体积含水率为ω,则油井原油流量为

   (3)式中ρl、φ需要分别通过含水率和气液比电容传感器测出。

    气液比电容传感器采用平板电容器,极板C1处于气液混相中,电容量与气液比φ有关,关系式为

   (4) 含水率电容传感器采用平板电容器,极板C2完全处于液体中,电容量与含水率w有关,关系式为

   (5)式中A1A2表示电容C1C2的极板面积;d1d2表示极板间距;εlw、εlo、εg、εl表示水、原油、气相及液相的介电常数。由此推导出其中,。

    2 两相流计量实验

    2.1 系统组成

    实验系统组成如图2所示。采用水-空气两相混输系统进行实验,该系统利用中国石油大学(华东)流量实验装置改造而成。水经过水泵打到高架稳压水箱,经调节阀调节实验流量。水流量由质量流量计测量。空气由空气压缩机加压1MPa,通过缓冲罐、空气稳压阀稳压,经混相器与水均匀混合后,进入靶式流量变送器。气流量由涡轮流量变送器转换为标准电信号输出。由于条件所限,没有进行油、气、水混相实验。     

图2 实验系统组成

1-蓄水池;2-水泵;3-稳压罐;4-压缩机;5-缓冲罐;

6-数据采集器;7-计算机;8-恒压稳流阀;

9-气体涡轮流量计;10-差压变送器;11-电容转换器;

12-标定切换阀;13-标准体积罐;14-电容传感器;

15-靶式流量变送器;16-混相器;17-质量流量计

    实验装置中所采用的靶式流量变送器采用特殊形状的条形靶。由于条形靶贯穿整个测量管断面,在各种不同的流型下,靶上受力均能反映两相流体的作用。特别是在层状流、波浪流、环形流、段塞流型下,比圆形靶有更好的受力分布。

    含水率电容极板、气液比电容极板均采用平行电容的形式,垂直放置。电容传感器两个极板之间的电容量随着极板间流动的两相流体混合物的介电常数的变化而变化,由检测转换电路将其转换为电量即可实现测量。电容传感器由于没有可动元件,具有结构简单,价格便宜,灵敏度高,过载能力强,动态响应特性好等优点。电容测量转换器采用以CAV454电容的测量芯片的测量电路。

    测量前采用静态分层法对气液比、含水率电容传感器进行标定。电容传感器标定数据表明,气液比、含水率电容传感器输出信号与气液比、含水率成正比,静态校验结果测量误差优于0.33%。

    2.2 数据分析

    根据上面建立的数学模型,通过实验系统进行数据的采集处理。水流量从1m3/h逐渐增大到8m3/h,步进值是1m3/h。在水流量固定在某一流量值时,通过减压阀控制气流量由小到大地与水混合,气流量的范围是212m3/h(气涡轮指示的工况流量),气体压力尽量维持在200kPa,便于将工况流量换算为标况下的气体体积流量。

    稳定气体、液体流量,分别通过数据采集器实时记录靶式流量变送器输出信号IF、质量流量计输出信号IL、差压变送器输出信号IP、气液比电容传感器输出信号VΦ。根据各传感器量程计算工况下靶受力f、液相实际流量Qlo、差压Δp、气液比φ等参数。将计算结果代入式(2)计算液相流量Q1,与实际液相流量Q10比较计算测量误差。

   (9)根据空气-水两相流实验数据得到如图3、图4所示曲线。靶受力差按式FKF-ΔpAKA加权计算,液相流量按式(2)拟合计算。

    实验数据分析表明,当气液比高于某一临界值时,模型计算值与实际值有较高的一致性。模型计算结果在液相流量为2~8m3/h、气液比为0.10.9范围内测量误差小于10%,在一定的气液比临界区间内满足测量误差小于5%的要求。基于条形靶式流量计结合电容法的非分离测量方法在一定的气液比内具有较好的适应性,但是该方法也暴露出了适应范围窄的特点。

    对于产生的偏差,原因有以下几点:①模型的建立是基于流体力学模型,对两相流来说内部机理更为复杂,模型是在整体上建立的,没有进一步分段、分区域研究,模型有一定的局限性;②在运算处理中产生的中间量的计算会引入误差,造成对后续结果分析的影响;③管路中阀门的控制精度不够,对水流量的恒定造成影响,尤其是较小的水流量下更难控制,而气体在较高的流量下波动加剧,从而对测量值产生影响。

    对基于靶冲量及电容法的两相流测量数学模型进行分析,得到了在油井工况条件下的简化的数学模型,给出了实验条件下模型参数的求取方法。在数学模型研究的基础上,设计了水-空气两相流实验系统,通过对条形靶受力、差压的实验研究,完成了不同气、液流量及气液比下的测试实验。对提出的数学模型进行了实验验证,给出了在一定的测量条件下拟合的结果,丰富了多相流参数在非分离条件下的检测方法。

点击次数:  更新时间:2017-06-15 15:47:50  【打印此页】  【关闭