摘要:文章通過(guò)對(duì)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(guò)環(huán)空渦輪流量計(jì)在氣1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(shí)有不同的規(guī)律,在水流量為10m³/d以上，保持氣量不變,渦輪響應(yīng)與水流量呈線(xiàn)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(xiàn)的斜率(即渦輪K值)增加。在低液量下(<10m2/d)渦輪更敏感于氣，氣量達(dá)到20方以上時(shí)對(duì)水失去了分辨率。在水流量低于10m³/d時(shí),渦輪響應(yīng)值波動(dòng)大,水流量10m³/d以上時(shí),隨著流量增大,波動(dòng)越來(lái)越小。.
0引言
渦輪流量計(jì)是一類(lèi)非常重要的流量測(cè)量?jī)x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(hào)等優(yōu)點(diǎn),而廣泛應(yīng)用于天然氣計(jì)量油品正確計(jì)量和貿(mào)易工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控測(cè)量等領(lǐng)域[1。渦輪流量計(jì)也是生產(chǎn)測(cè)井產(chǎn)出剖面流量測(cè)量的主要方法。目前大慶油田和國(guó)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(dòng),產(chǎn)出剖面測(cè)井中三相流測(cè)量是一個(gè)急需解決的難題。針對(duì)渦輪流量計(jì)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(duì)渦輪傳感器進(jìn)行了理論分析,給出了三相流動(dòng)中渦輪流量計(jì)的實(shí)驗(yàn)響應(yīng)特性，最后總結(jié)出用渦輪流量計(jì)測(cè)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(jì)與放射性密度.持水率計(jì)組合儀在油氣水三相流流動(dòng)環(huán)中的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)結(jié)果,建立了三相流渦輪流量計(jì)統(tǒng)計(jì)測(cè)量模型。胡金海等[4]對(duì)渦輪流量計(jì)在.水平模擬井中測(cè)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(cè)量需要進(jìn)行長(zhǎng)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(jì)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(jì)在氣/水兩相流條件下新的性應(yīng)規(guī)律,為三相流測(cè)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24m筒進(jìn)行的，透明的有機(jī)玻璃井筒內(nèi)徑為125mm,實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為自來(lái)水和壓縮空氣,實(shí)驗(yàn)中氣水的流量可以由儀表正確控制和計(jì)量。實(shí)驗(yàn)儀器為渦輪流量計(jì),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(guò)流量計(jì)所在的測(cè)量通道,然后由出液口流回到井筒。集流后,可以將測(cè)量通道內(nèi).的流速提高幾十倍,降低渦輪的啟動(dòng)排量;還可以使氣/水混合均勻,減少流態(tài)對(duì)流量和含水率測(cè)量的影響。在與流量計(jì)相同高度的井筒上安置了溫度和壓力傳感器以進(jìn)行對(duì)氣相的流量進(jìn)行PVT校正。實(shí)驗(yàn)中所采用測(cè)井儀器的流量測(cè)量范圍為:2m³/d~80m³/d,測(cè)量精度為±5%,啟動(dòng)排.量:2m³/d,儀器測(cè)量通道內(nèi)徑為19mm。氣流量的調(diào)節(jié)點(diǎn)依次為3、5、7、10、15、20、30、40、50m³/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、0m³/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(cè)試儀記錄渦輪轉(zhuǎn)數(shù),給儀器供電+42V,電流60mA。重復(fù)測(cè)量時(shí)也是按流量遞減的順序測(cè)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(duì)所獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。
2實(shí)驗(yàn)結(jié)果[67]
2.1渦輪在純水中的響應(yīng).
實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,初始水流量為80m³/d,待流量穩(wěn)定后記錄渦輪轉(zhuǎn)數(shù),之后按10m³/d的流量遞減,測(cè)量每一流量點(diǎn)的渦輪轉(zhuǎn)數(shù)。實(shí)驗(yàn)中共對(duì)兩支儀器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),兩支渦輪流量計(jì)在水中響應(yīng)特性一致。給出了其中一支渦輪流量計(jì)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(jì)儀器響應(yīng)與流量有很好的線(xiàn)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(xiàn)性相關(guān)系數(shù)為R2=0.9997。啟動(dòng)排量:1#儀器的啟動(dòng)排量為2.5m³/d,2#儀器的啟動(dòng)排量為3.0m³/d.
2.2渦輪在單相氣中的響應(yīng)
1)干氣(井筒中無(wú)底水)
本實(shí)驗(yàn)考察流量計(jì)對(duì)單相氣(干氣)的響應(yīng)規(guī)律。當(dāng)井筒中無(wú)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(jì)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(xiàn)性規(guī)律,但數(shù)據(jù)的離散性遠(yuǎn)較純水相時(shí)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(lài)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(shí),對(duì)應(yīng)于同樣流量時(shí)的渦輪轉(zhuǎn)速要大于按遞增方向上的轉(zhuǎn)速。啟動(dòng)流量強(qiáng)烈地依賴(lài)于流量遞增或遞減,按流量遞增調(diào)節(jié)氣流量時(shí),啟動(dòng)流量為40m³/d.而按氣量遞減調(diào)節(jié),則截止流量為7m³/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150m³/d。
2)靜水中純氣(井筒中充滿(mǎn)靜水)
本實(shí)驗(yàn)考察流量計(jì)在井筒內(nèi)有底水情況下對(duì)氣相.流量的響應(yīng)規(guī)律。將流量計(jì)置于充滿(mǎn)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?0m³/d,每次流量按10m³/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(guò)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(jì)的響應(yīng)曲線(xiàn),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(xiàn)性關(guān)系。當(dāng)氣相流量低于20m³/d時(shí),渦輪轉(zhuǎn)速高于相同水流量時(shí)的轉(zhuǎn)速,表明此時(shí)渦輪對(duì)氣更敏感;而當(dāng)氣體流量大于20m³/d時(shí),渦輪轉(zhuǎn)速小于在相同流量時(shí)水中的轉(zhuǎn)速,表明此時(shí)渦輪對(duì)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(xiàn)性。
在井筒內(nèi)充滿(mǎn)靜水的條件下,兩支流量計(jì)在氣流量為2.5m³/d即啟動(dòng),渦輪的啟動(dòng)排量與純水類(lèi)似,啟動(dòng)流量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于單相氣的情況。其原因可能是單相氣時(shí),在較低的流速下，氣在經(jīng)過(guò)渦輪時(shí),由于氣時(shí)可壓縮的，，氣更容易繞過(guò)渦輪而從葉片與外殼之間的縫隙流過(guò),僅有一部分氣推動(dòng)渦輪葉片旋轉(zhuǎn);而存在底水的情況下，,對(duì)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(dòng),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(guò)渦輪葉片,推動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn),因此啟動(dòng)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(jì)在動(dòng)水中(水相流量不為零)對(duì)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.3,5,7,10,15,20,30,40,50m³/d,對(duì)于每一個(gè)氣相流量,水流量依次按60,50,40,30,20,15,10,7,5,3,1m³/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(jì)在氣/水兩相流中的渦輪響應(yīng)規(guī)律一致。其中1#流量計(jì)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(shí)有不同的規(guī)律,在水流.量高于10m³/d時(shí),保持氣量不變，渦輪響應(yīng)與水流量呈線(xiàn)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10m³/d時(shí),渦輪響應(yīng)與水相流量呈非線(xiàn)性關(guān)系。此時(shí),隨著水流量的增加，渦輪響應(yīng)也增加,但較純水時(shí)的響;應(yīng)增加緩慢,而且隨著氣量的增加,渦輪響應(yīng)對(duì)液相的敏感性越差,當(dāng)氣量達(dá)到20m³/d時(shí),幾乎呈一個(gè)平的.臺(tái)階,說(shuō)明此時(shí)渦輪對(duì)液相流量失去了分辨能力,表明渦輪流量計(jì)在高氣相流量時(shí)不適合用來(lái)測(cè)量低液量液相的流量。
保持氣量不變,取水相流量10m³/d及以上時(shí)的數(shù)據(jù),計(jì)算渦輪響應(yīng)與水流量關(guān)系直線(xiàn)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5隨著氣相流量的增加，K值近似呈線(xiàn)性增加。
結(jié)論
通過(guò)對(duì)集流式渦輪流量計(jì)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(jì)具有如下響應(yīng)規(guī)律:
1)當(dāng)水流量為10m³/d以上,保持氣量不變,渦輪響應(yīng)與水相流量呈線(xiàn)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(xiàn)的斜率(即渦輪K值)明顯增加。
2)在低液相流量下,即水流量10m³/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(duì)液相流量敏感性變差。當(dāng)氣相流量充分高時(shí),響應(yīng)曲線(xiàn)幾乎呈一平的臺(tái)階,此時(shí)渦輪對(duì)液相流量失去了分辨能力,表明渦輪流量計(jì)在高氣相流量時(shí)不適合用來(lái)測(cè)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(jì)對(duì)氣相的啟動(dòng)流量大大低于無(wú)底水(干氣)時(shí)的啟動(dòng)流量。
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