氣體對傘集流渦輪流量計(jì)流量測量影響實(shí)驗(yàn)研究

在三相流實(shí)驗(yàn)裝置上采用傘式集流器對渦輪流量計(jì)在氣/水兩相流及油/氣/水三相流中進(jìn)行實(shí)驗(yàn),獲得了渦輪流量計(jì)在氣/水兩相流及油/氣/水三相流條件下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),分析氣體對渦輪流量計(jì)測量流量的影響。在氣體流量較低時(shí),渦輪流量計(jì)與液相流量的響應(yīng)關(guān)系受油水兩相含水率的影響較小,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。氣體會對渦輪流量計(jì)產(chǎn)生較大的測量誤差,當(dāng)氣體流量為3m3/d、液相流量小于10m3/d的條件下以及氣體流量大于3m3/d的條件下,液相流量測量誤差大于10%。

引 言

渦輪流量計(jì)已廣泛應(yīng)用于井下油／水兩相流流量測量，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。渦輪流量計(jì)通常在油／水兩相流條件下進(jìn)行標(biāo)定，對渦輪流量計(jì)的實(shí)驗(yàn)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(jì)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?yàn)樵诘彤a(chǎn)井中容易出現(xiàn)高含氣率情況，有必要研究渦輪流量計(jì)在油井中產(chǎn)氣時(shí)的響應(yīng)特性。

渦輪流量計(jì)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?；趥慵鳒u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裝置中的動態(tài)試驗(yàn)結(jié)果，建立了三相流渦輪流量計(jì)統(tǒng)計(jì)測量模型。對渦輪流量計(jì)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。

在多相流模擬實(shí)驗(yàn)裝置上采用渦輪流量計(jì)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(shí)驗(yàn)，研究渦輪流量計(jì)在油／氣／水三相流及氣／水兩相流低產(chǎn)氣（氣體流量不大于１５ｍ３／ｄ）條件下的響應(yīng)特性，計(jì)算氣體對渦輪流量計(jì)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(shí)驗(yàn)條件及實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)在大慶油田測井試井檢測實(shí)驗(yàn)中心多相流實(shí)驗(yàn)室２４ｍ 模擬井中進(jìn)行。透明的有機(jī)玻璃井筒內(nèi)徑為１２５ｍｍ，實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為自來水、柴油和壓縮空氣，實(shí)驗(yàn)中油、氣、水的流量可以由儀表控制和計(jì)量。實(shí)驗(yàn)儀器采用安裝有傘式集流器的渦輪流量計(jì)。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(jì)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(jì)測量流量，再由出液口流回到井筒（見圖１）。

渦輪流量計(jì)位于傘式集流器上部，傳感器內(nèi)徑為１９ｍｍ。渦輪測量流量范圍為３～８０ｍ３／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(shí)驗(yàn)時(shí)氣體流量范圍為３～１５ｍ３／ｄ，流量調(diào)節(jié)分別為３、５、７、１０、１５ｍ３／ｄ；油水液相流量范圍為３～８０ｍ３／ｄ，流量調(diào)節(jié)分別為３、５、７、１０、１５、２０、３０、４０、６０、８０ｍ３／ｄ，含水率調(diào)節(jié)范圍５０％～１００％。實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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

在不同氣體流量下標(biāo)定了渦輪流量計(jì)在油／氣／水三相流中不同氣相流量不同液相含水率時(shí)的響應(yīng)曲線。圖２為固定氣體流量５ｍ３／ｄ、液相流量及液相含水率變化時(shí)測量的渦輪響應(yīng)曲線，液相流量從

６０ｍ３／ｄ逐漸遞減到５ｍ３／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(shí)的測量結(jié)果與１０ｍ３／ｄ的測量結(jié)果一致，即當(dāng)固定氣體流量５ｍ３／ｄ時(shí)，在同一液相流量下，當(dāng)含水率從１００％變化到５０％時(shí)，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５ｍ３／ｄ時(shí)，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(jì)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(jì)響應(yīng)的主要因素。

圖３為固定氣體流量５ｍ３／ｄ標(biāo)定的渦輪流量計(jì)響應(yīng)圖版。實(shí)驗(yàn)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(shí)，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１０ｍ３／ｄ及１５ｍ３／ｄ標(biāo)定的渦輪流量計(jì)響應(yīng)規(guī)律同圖３。

２．２ 氣／水兩相條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果及誤差分析

圖４為傘式集流器渦輪流量計(jì)在氣／水兩相流中的響應(yīng)圖版。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１５ｍ３／ｄ時(shí)，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１５ｍ３／ｄ時(shí)，渦輪響應(yīng)與水相流量呈非線性關(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)對液相的敏感性越差。當(dāng)氣量達(dá)到１０ｍ３／ｄ時(shí)，幾乎呈平的臺階，說明此時(shí)渦輪對液相流量失去了分辨能力，渦輪流量計(jì)在高氣量時(shí)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１５ｍ３／ｄ）時(shí)，在集流測量通道內(nèi)，當(dāng)氣量較少時(shí)，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１０ｍ３／ｄ、氣流量１．４４ｍ３／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１０ｍ３／ｄ、氣相流量４．８ｍ３／ｄ時(shí)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(shí)采集的渦輪響應(yīng)實(shí)時(shí)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，***高幅度可達(dá)４０Ｈｚ，渦輪響應(yīng)的平均值增加，導(dǎo)致渦輪流量計(jì)測量流量明顯偏高。尤其是氣相流量較高

（大于９．６ｍ３／ｄ）時(shí)，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(jì)產(chǎn)生了較大的測量誤差。

２．３ 測量誤差分析

在實(shí)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(shí)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(jì)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增加值，即加入氣相流量產(chǎn)生的測量誤差（見表１）。計(jì)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(shí)，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

１ｍ３／ｄ的氣量產(chǎn)生的測量誤差大約相當(dāng)于５ｍ３／ｄ（增加值）。

８０ｍ３／ｄ，得到氣體對流量測量的滿量程誤差（見圖７）。計(jì)算結(jié)果表明，只有氣體流量為３ｍ３／ｄ以下液相流量１０ｍ３／ｄ以上時(shí)，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(shí)，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(shí)，渦輪流量計(jì)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(shí)有不同的響應(yīng)規(guī)律，在水流量高于１５ｍ３／ｄ時(shí)，渦輪響應(yīng)與水流量呈線性關(guān)系。在水流量低于

１５ｍ３／ｄ時(shí)，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１０ｍ３／ｄ時(shí)，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(shí)，渦輪流量計(jì)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(jì)產(chǎn)生較大的測量誤差。當(dāng)氣體流量為３ｍ３／ｄ、液相流量小于１０ｍ３／ｄ的條件下以及氣體流量大于３ｍ３／ｄ的條件下，液相流量測量誤差均大于１０％。