涡轮流量计在气/水两相流下响应规律的实验研究

刘兴斌 平 琳 黄春辉 宋纯高

(1.大庆油田股份有限公司测试技术服务分公司 黑龙江大庆) (2.大庆石油学院 黑龙江大庆)

涡轮流量计在气/水两相流下响应规律的实验研究

刘兴斌1平 琳2黄春辉1宋纯高1

(1.大庆油田股份有限公司测试技术服务分公司 黑龙江大庆) (2.大庆石油学院 黑龙江大庆)

文章通过对涡轮流量传感器在多相流实验装置进行气/水两相流实验,总结出伞集流过环空涡轮流量计在气/水两相流下的响应规律。在气/水两相流条件下,涡轮在低流量和高流量时有不同的规律,在水流量为10 m3/d以上,保持气量不变,涡轮响应与水流量呈线性关系,并且随着气量的增加,涡轮响应与水流量关系直线的斜率(即涡轮K值)增加。在低液量下(<10 m3/d)涡轮更敏感于气,气量达到20方以上时,对水失去了分辨率。在水流量低于10 m3/d时,涡轮响应值波动大,水流量10 m3/d以上时,随着流量增大,波动越来越小。

集流式涡轮流量计;气/水两相流;产出剖面测井

0 引 言

涡轮流量计是一类非常重要的流量测量仪表,因其精度高、重复性好、量程范围宽、体积小、输出脉冲信号等优点,而广泛应用于天然气计量、油品精确计量和贸易、工业生产过程监控、测量等领域[1]。涡轮流量计也是生产测井产出剖面流量测量的主要方法。目前大庆油田和国内多数陆相沉积油田的生产井普遍存在脱气现象,造成油气水三相流动,产出剖面测井中三相流测量是一个急需解决的难题。针对涡轮流量计在三相流中的响应已经有人进行了研究,钟兴福等[2]对涡轮传感器进行了理论分析,给出了三相流动中涡轮流量计的实验响应特性,最后总结出用涡轮流量计测量多相流流量的半理论半经验公式。金宁德等[3]基于伞集流涡轮流量计与放射性密度-持水率计组合仪在油气水三相流流动环中的动态试验结果,建立了三相流涡轮流量计统计测量模型。胡金海等[4]对涡轮流量计在水平模拟井中测量油气水三相流进行了实验研究结果。虽然如此,三相流测量需要进行长期艰巨的研究才能解决,本工作在三相流装置上采用集流式涡轮流量计在气/水两相流条件下进行实验,发现了集流式涡轮流量计在气/水两相流条件下新的性应规律,为三相流测量提供借鉴。

1 实验条件及准备[5]

实验是在大庆油田的多相流模拟实验室24 m筒进行的,透明的有机玻璃井筒内径为125 mm,实验介质为自来水和压缩空气,实验中气、水的流量可以由仪表精确控制和计量。实验仪器为涡轮流量计,采用伞式集流器集流,集流伞为16根金属伞筋,伞布采用高强度薄织料,质密不透气,密封效果好,如图1所示。集流后,井眼内所有流体进入集流器内的进液口,经过流量计所在的测量通道,然后由出液口流回到井筒。集流后,可以将测量通道内的流速提高几十倍,降低涡轮的启动排量;还可以使气/水混合均匀,减少流态对流量和含水率测量的影响。在与流量计相同高度的井筒上安置了温度和压力传感器以进行对气相的流量进行PVT校正。实验中所采用测井仪器的流量测量范围为:2 m3/d～80 m3/d,测量精度为±5%,启动排量:2 m3/d,仪器测量通道内径为19 mm。气流量的调节点依次为3、5、7、10、15、20、30、40、50 m3/d,水流量的调节点分别为60、50、40、30、20、15、10、7、5、3、1、0 m3/d。实验中,先固定某一气体流量,待气体流量稳定后,按流量递减的顺序调节水流量。流量稳定后,利用油井综合参数测试仪记录涡轮转数,给仪器供电+ 42 V,电流60 mA。重复测量时也是按流量递减的顺序测量。记录涡轮的转速,每一水流量都调节完毕后,按递增的顺序调节下一气体流量。对所获取的数据进行处理和分析。

图1 仪器结构示意图

2 实验结果[6、7]

2.1 涡轮在纯水中的响应

实验过程中,初始水流量为80 m3/d,待流量稳定后记录涡轮转数,之后按10 m3/d的流量递减,测量每一流量点的涡轮转数。实验中共对两支仪器进行了实验,两支涡轮流量计在水中响应特性一致。给出了其中一支涡轮流量计在纯水中的涡轮响应的实验结果,如图2所示。图2中横坐标为水流量,纵轴为涡轮转数。

实验结果表明,在纯水中,涡轮流量计仪器响应与流量有很好的线性关系,重复性好,规律一致。拟合得到涡轮转速与流量的关系为:F=1.2225Q+0.4591;线性相关系数为 R2=0.9997。启动排量:1#仪器的启动排量为2.5 m3/d,2#仪器的启动排量为 3.0 m3/d。

图2 涡轮流量计在单相流(水)中的响应

2.2 涡轮在单相气中的响应

1)干气(井筒中无底水)

本实验考察流量计对单相气(干气)的响应规律。当井筒中无底水,流体为单相气,分别按照流量增加和递减方向调节气相流量,流量计在气中的响应规律如图3所示。由图3可知,涡轮响应与气相流量近似呈线性规律,但数据的离散性远较纯水相时大,重复数据的离散性也大得多。而且涡轮转速依赖于气相流量按增加或减小方向的调节。由于涡轮惯性的影响,按流量递减调节时,对应于同样流量时的涡轮转速要大于按递增方向上的转速。启动流量强烈地依赖于流量递增或递减,按流量递增调节气流量时,启动流量为40 m3/d。而按气量递减调节,则截止流量为7 m3/d,这是由于涡轮的惯性所致。本实验中,气相流量最大达到了150 m3/d。

2)静水中纯气(井筒中充满静水)

本实验考察流量计在井筒内有底水情况下对气相流量的响应规律。将流量计置于充满静水井筒中,增加气相的流量,记录涡轮的转速。初始气流量为60 m3/d,每次流量按10 m3/d变化量递减,待流量稳定后记录涡轮转数。然后仍按流量递减的顺序重复上述实验过程。实验获得的两支仪器的响应规律一致。本文给出了其中一支涡轮流量计的响应曲线,如图4所示。由图4可知,涡轮响应在静水中与气体流量呈非线性关系。当气相流量低于20 m3/d时,涡轮转速高于相同水流量时的转速,表明此时涡轮对气更敏感;而当气体流量大于20 m3/d时,涡轮转速小于在相同流量时水中的转速,表明此时涡轮对水更敏感。继续增加气相的流量,涡轮响应逐渐趋向于线性。

图3 涡轮流量计在干气中的响应

图4 涡轮流量计在单相气中的响应

在井筒内充满静水的条件下,两支流量计在气流量为2.5 m3/d即启动,涡轮的启动排量与纯水类似,启动流量远远低于单相气的情况。其原因可能是单相气时,在较低的流速下,气在经过涡轮时,由于气时可压缩的,气更容易绕过涡轮而从叶片与外壳之间的缝隙流过,仅有一部分气推动涡轮叶片旋转;而存在底水的情况下,对于在低流量气/水为泡状流,轻质相的气趋于沿管心向上流动,由于液相的水具有不可压缩性,较大比例的气泡只能经过涡轮叶片,推动涡轮旋转,因此启动流量低于干气的情况。

2.3 涡轮在气/水两相流中的响应

本实验考察流量计在动水中(水相流量不为零)对气相流量的响应规律。实验中,气体流量依次保持为3,5,7,10,15,20,30,40,50 m3/d,对于每一个气相流量,水流量依次按60,50,40,30,20,15,10,7,5,3,1 m3/d的递次调节,稳定后记录涡轮转速。获得的两支涡轮流量计在气/水两相流中的涡轮响应规律一致。其中1#流量计在气/水两相流中的响应,如图5所示。涡轮在低液量和高流量时有不同的规律,在水流量高于10 m3/d时,保持气量不变,涡轮响应与水流量呈线性关系,但在较高的气量下具有较高的斜率,或较大的仪表常数。而在在低液量下,即在水流量低于10 m3/d时,涡轮响应与水相流量呈非线性关系。此时,随着水流量的增加,涡轮响应也增加,但较纯水时的响应增加缓慢,而且随着气量的增加,涡轮响应对液相的敏感性越差,当气量达到20 m3/d时,几乎呈一个平的台阶,说明此时涡轮对液相流量失去了分辨能力,表明涡轮流量计在高气相流量时不适合用来测量低液量液相的流量。

图5 不同气流量下涡轮转数与水流量的关系图版

保持气量不变,取水相流量10 m3/d及以上时的数据,计算涡轮响应与水流量关系直线的斜率(即K值),然后做出气流量与K值的关系图版如图6所示,随着气相流量的增加,K值近似呈线性增加。

3 结 论

通过对集流式涡轮流量计在多相流实验装置进行气/水两相流实验,发现流量计具有如下响应规律:

1)当水流量为10 m3/d以上,保持气量不变,涡轮响应与水相流量呈线性关系,而且随着气量的增加,涡轮响应与水流量关系直线的斜率(即涡轮 K值)明显增加。

2)在低液相流量下,即水流量10 m3/d内,随着水流量的增加,涡轮响应增加,但较纯水中的响应增加缓慢.而且随着气量的增加,涡轮响应对液相流量敏感性变差。当气相流量充分高时,响应曲线几乎呈一平的台阶,此时涡轮对液相流量失去了分辨能力,表明涡轮流量计在高气相流量时不适合用来测量低产液井的液相流量。

3)在井筒存在底水的情况下,集流式涡轮流量计对气相的启动流量大大低于无底水(干气)时的启动流量。

[1] 孙立军.降低涡轮流量传感器粘度变化敏感度的研究[D].天津大学,2004

[2] 钟兴福.用涡轮流量计测量多相流流量[J].仪器仪表学报,2002,23(3)

[3] 金宁德.伞集流油气水三相流涡轮流量计统计模型研究[J].测井技术,2007,30(1)

[4] 胡金海,刘兴斌,薛国民,等.涡轮流量计对水平三相流的实验响应[J].测井技术,2006,30(6)

[5] 陈景霞,郑 华.遥测三相流产出剖面组合测井仪[J].测井技术,2001,25(5)

[6] 郭海敏.生产测井导论[M].北京:石油工业出版社, 2003

[7] 金宁德.皮球集流油气水三相流涡轮流量计测量模型研究[J].测井技术,2006,30(2)

Liu Xingbin,Ping Lin,Huang Chunhui1 and Song Chungao1.The dynamic response of basket turbine flowmeters in a gas-water two-phase flow.PI,2010,24(4):51～53

The experiment of turbine flowmeter is carried out with the simulation multi-phase flow experiment facility under the condition of gas-water two phase flow.The response regulations of turbine flowmeter in the gas-water two-phase flow are summarized.The turbine flowmeter has different response regulations at low flowrate and high flowrate.When the water flowrate is above 10 m3/d and the gas flowrate is constant,the response of turbine flowrate is liner to the water flowrate. Further more,along with the increasing of gas flowrate,the K value of turbine flowmeter increases.Under the low fluid volume(<10 m3/d),the response of turbine flowrate is more sensitive to gas flowrate.When gas flowrate is above 20 m3/d,the turbine flowmeter is not sensitive to water flowrate.When the water flowrate is lower than 10 m3/d,the fluctuation of turbine flowmeter response is large;when the water flowrate is above 10 m3/d,the fluctuation of turbine flowmeter response decreases along with the flowrate increasing.

turbine flowmeter;gas-water two-phase flow;production profile well logging

TH814

B

1004-9134(2010)04-0051-03

刘兴斌,男,1964年生,1983年毕业于大庆石油学院石油工程专业,1996年获得哈尔滨工业大学博士学位。现在大庆油田测试技术服务分公司任总工程师,曾在国内外学术期刊发表论文40余篇,现从事油井多相流测量研究和主持国家及总公司的科研课题10余项的工作。邮编:163412

2010-03-19 编辑:梁保江)

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