流型调整器在多相流量计量系统中的研究与应用

  大多数基于放射性原理的流量计在中低含气下的含水测量较好, 但随着含气率逐渐升高, 含水测试精度面临越来越大的挑战。这可以从含水测试的基本原理中来观察。

γ传感器测量含水率相关公式如下:

其中:

λ、η分别表示γ传感器中的截面含气率和含水率, 为待测量。在符号的右上角带“’”均指双能传感器高能级有关的量, 否则是指与低能级有关的量或对两者共同的量。

N0表示空管计数率。

Nx表示在线计数率。

D表示双能传感器管道内径, 为固定值。

ρgρoρw分别表示工况下天然气、全油、全水的在线密度。

νgνoνw分别表示天然气、全油、全水的质量吸收系数。

记

图1 漏斗效应示意图Fig.1 Schematic diagram of the funnel effect

则双能传感器处含气率和含水率的测量公式可以分别表示为: 

  通过公式 (3) 可以看出, 随着含气率的升高, 分母逐渐接近零, 在含气率不确定度不变的情况下, 含水率的不确定度越来越大, 符合图1的描述, 因形似漏斗, 称之为漏斗效应。

  测试含水率随含气率的漏斗效应对使用放射性原理测量相分率的流量计是普遍存在的。这是由其测量原理决定的, 如何规避或减少该效应是业内的研究方向之一。某厂家的MFM2000型多相流量计提供了较好的处理方案。

  MFM2000型多相流量计的主要部件包括:文丘里 (和差压变送器) 、伽马传感器、流型调整器以及相关的温度变送器和压力变送器。其中, 文丘里测量工况总流量、单能伽马传感器测量含气率、双能伽马传感器测量含水率, 并通过温度变送器和压力变送器的数据将工况下的油气水流量转换到标况条件下。

  典型单液路多相流量计的P&ID如图2所示。

  区别于大多数放射性原理的流量计同时测试含水率和含气率的情况, MFM2000型多相流量计使用流型调整器、双能传感器和含水仪阀的组合来测量含水率, 保障了含水测试精度不受含气率的独立性, 这是海默多相流量计的独特优势。其中, 双能伽马传感器和流型调整器均为专利技术, 流型调整器共有一个进口和3个出口。出口1表示气路出口, 出口2表示溢流口, 出口3指向双能伽马传感器。流体流动过程如下:

  当高含气流体进入流型调整器后, 经过内部的机械结构将气液进行部分分离、碰撞和混合后, 优先通过出口3保证双能伽马传感器中的液样, 多余的流体通过出口2溢出, 部分分离后的气体则通过出口1在流量计的出口汇合进入下游流程。大多数井况下, 经过流型调整器处理后进入双能伽马传感器的流体的含气率要明显低于主管道文丘里处的含气率;极高含气情况下, 为保证流体在双能伽马传感器的沉积, 需要适度关闭双能伽马传感器下游的含水仪阀门, 具体的开度因井况而异。这样就可以有效降低双能传感器中的含气率, 从而极大降低了漏斗效应的发生概率, 保障了在整个含气率测试范围内的含水测试精度在±2%范围内。

图2 某一单液路多相流量计的P&ID Fig.2 The P&ID of a single liquid channel multiphase flowmeter 

  2010年11月, 在第三方机构大庆石油工业计量测试研究所进行了配备流型调整器功能的多相流量计的性能评估, 覆盖了全量程范围内所有的流型流态。在***高98%的含气率下, 测量含水率的均方根误差为1.3%。在东海某气田的实际测试结果也比较理想, 东海某气田勘探项目中含气率平均高达98.6%, 经过流型调整器后, 双能伽马传感器平均测试含气率为36.9%, 保障了含水计量精度。现场的取样化验也佐证了含水计量精度。