气体对伞集流涡轮流量计流量测量影响实验研究

黄春辉, 李军, 胡金海, 刘兴斌, 熊梦迪

(1.大庆油田有限责任公司测试技术服务分公司, 黑龙江 大庆 163453; 2.大庆油田有限责任公司第六采油厂, 黑龙江 大庆 163114)

0 引 言

涡轮流量计已广泛应用于井下油/水两相流流量测量[1],它具有仪表常数稳定的优点,在油水两相流条件下可以准确测量流量,并取得良好的应用效果[2]。涡轮流量计通常在油/水两相流条件下进行标定,对涡轮流量计的实验研究也主要在油/水两相流下进行。大庆油田及中国多数陆相油田的生产井普遍存在产气、脱气现象,在测试井段存在油气水三相流的情况。气相的加入使涡轮流量计的响应特性发生了明显的变化,对产出剖面的测量产生了影响,气体对低产井的测量影响尤为严重,因为在低产井中容易出现高含气率情况,有必要研究涡轮流量计在油井中产气时的响应特性。

涡轮流量计在油/气/水三相流下的响应已有人针对不同的测井仪器进行了研究。金宁德等[3-4]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装置中的动态试验结果,建立了三相流涡轮流量计统计测量模型。胡金海等[5]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。

在多相流模拟实验装置上采用涡轮流量计在油/气/水三相流及气/水两相流条件下开展室内动态实验,研究涡轮流量计在油/气/水三相流及气/水两相流低产气(气体流量不大于15 m3/d)条件下的响应特性,计算气体对涡轮流量计测量液相流量产生的测量误差,为该仪器应用到三相流的生产测井中提供借鉴。

1 实验条件及实验方案

实验在大庆油田测井试井检测实验中心多相流实验室24 m模拟井中进行。透明的有机玻璃井筒内径为125 mm,实验介质为自来水、柴油和压缩空气,实验中油、气、水的流量可以由仪表精确控制和计量。实验仪器采用安装有伞式集流器的涡轮流量计。伞式集流器具有16根金属伞筋,伞布采用高强度薄织料,质密不透气,集流效果好。采用伞式集流器可以使测量通道内的流体流速提高几十倍,并且使被测流体混合更加均匀。涡轮流量计安装在集流伞上部,油/气/水混合流体被集流伞集流后,从进液口流入测量通道,流经涡轮流量计测量流量,再由出液口流回到井筒(见图1)。

图1 仪器结构示意图

涡轮流量计位于伞式集流器上部,传感器内径为19 mm。涡轮测量流量范围为3～80 m3/d,测量精度为±5%。根据仪器的工作原理及仪器结构等条件,实验时气体流量范围为3～15 m3/d,流量调节分别为3、5、7、10、15 m3/d;油水液相流量范围为3～80 m3/d,流量调节分别为3、5、7、10、15、20、30、40、60、80 m3/d,含水率调节范围50%～100%。实验中,先固定某一气体流量,待气体流量稳定后分别调节油水两相含水率和流量,待流动稳定后,进行测量。

2 实验结果及分析

2.1 油气水三相条件下含水率对流量测量的影响

图2 固定气体流量5 m3/d涡轮流量计标定曲线

在不同气体流量下标定了涡轮流量计在油/气/水三相流中不同气相流量不同液相含水率时的响应曲线。图2为固定气体流量5 m3/d、液相流量及液相含水率变化时测量的涡轮响应曲线,液相流量从60 m3/d逐渐递减到5 m3/d,含水率从100%逐渐递减到50%。测量数据表明,当改变不同液相流量时的测量结果与10 m3/d的测量结果一致,即当固定气体流量5 m3/d时,在同一液相流量下,当含水率从100%变化到50%时,涡轮响应数值基本不变,保持在同一数值,即涡轮响应受油水比例变化的影响较小。分析认为,当液相流量大于5 m3/d时,由于集流伞的集流作用,使测量通道内的流体流速提高,油水两相以泡状流流动,并且使被测流体油水混合更加均匀,减小了油水相间的滑脱效应;气相的扰动也减小了油水相间的滑脱,使得涡轮流量计响应受油水两相含水率变化影响较小,气相成为影响涡轮流量计响应的主要因素。

图3为固定气体流量5 m3/d标定的涡轮流量计响应图版。实验数据表明,对于固定的气相流量、不同含水率下的测量曲线近于重合,说明对于固定的气相流量涡轮响应与液相流量的响应关系受油水两相含水率的影响很小。因此,在气体流量较低时,油/气/水三相的流量测量问题可以简化成气/水两相的流量测量问题。固定气体流量10 m3/d及15 m3/d标定的涡轮流量计响应规律同图3。

图3 气体流量5 m3/d涡轮流量度计标定图版

2.2 气/水两相条件下的实验结果及误差分析

图4 涡轮流量计气水两相流标定图版

图5 气/水两相流高速摄像图片

图6 水流量10 m3/d气相流量4.8 m3/d涡轮实时波动信号

图4为伞式集流器涡轮流量计在气/水两相流中的响应图版。涡轮在低液量和高流量时有不同的规律,在水流量高于15 m3/d时,保持气量不变,涡轮响应与水流量呈线性关系。在低液量下,即在水流量低于15 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10 m3/d时,几乎呈平的台阶,说明此时涡轮对液相流量失去了分辨能力,涡轮流量计在高气量时测量低液相流量会有较大误差。分析认为,当水流量较低(水流量小于15 m3/d)时,在集流测量通道内,当气量较少时,气相滑脱明显,气相以较大的气泡向上流动[如图5(a)所示,水流量10 m3/d、气流量1.44 m3/d],气相对涡轮起主导作用,使涡轮响应明显偏高;随着气相流量的增加,持气率不断增加,更多的气泡在集流伞顶端聚集形成段塞进入集流通道。图5(b)为水流量10 m3/d、气相流量4.8 m3/d时拍摄的高速摄像图片,图片显示测量通道内气/水两相流为段塞流。图6为此时采集的涡轮响应实时波动信号,随大块气体段塞的出现,涡轮响应频率剧烈波动,最高幅度可达40 Hz,涡轮响应的平均值增加,导致涡轮流量计测量流量明显偏高。尤其是气相流量较高(大于9.6 m3/d)时,在集流伞顶部形成气顶,集流测量通道内的气段塞更加严重,较多的水流量被迫从集流伞与井壁之间的缝隙漏失,涡轮对液相流量变化失去了分辨能力,使涡轮流量计产生了较大的测量误差。

2.3 测量误差分析

在实际的产出剖面测量中,仪器通常在液相中标定刻度图版。测井时不知道井下是否有气,如果存在气体,仍然使用液相图版解释,会产生很多误差。

利用清水中涡轮的刻度方程计算加入不同气体流量后涡轮响应频率所对应的流量,即为加入气体后的测量流量,再用所得测量流量减去配比的标准水流量,得到气相加入后测量的绝对增加值,即加入气相流量产生的测量误差(见表1)。计算结果表明,加入气体流量后,涡轮的测量流量明显增加,尤其是液相流量较低时,增加的测量流量更高,气体对流量测量产生了较大的测量误差。低气量下,平均1 m3/d的气量产生的测量误差大约相当于5 m3/d(绝对增加值)。

表1 加入气相流量产生的流量测量绝对增加值

图7 涡轮流量计气水两相流标定图版

利用测量的绝对增加值除以满量程流量80 m3/d,得到气体对流量测量的满量程误差(见图7)。计算结果表明,只有气体流量为3 m3/d以下液相流量10 m3/d以上时,满量程测量误差在10%以内,其他测点满量程误差均大于10%。

3 结 论

(1) 气体流量较低时,在同一气体流量下保持液相流量不变、液相含水率从100%变化到50%时,涡轮流量计与液相流量的响应关系不受油水两相含水率的影响或受油水两相含水率的影响很小,可以将油/气/水三相的流量测量问题简化成气/水两相的流量测量问题。

(2) 在不同含气量条件下,涡轮在低液量和高液量时有不同的响应规律,在水流量高于15 m3/d时,涡轮响应与水流量呈线性关系。在水流量低于15 m3/d时,涡轮响应与水相流量呈非线性关系,当含气量达到10 m3/d时,涡轮响应呈水平的台阶状,涡轮对液相流量失去了分辨能力。

(3) 液相流量较低时,涡轮流量计测量流量明显高于标准流量,即使是较低的气体流量也会对涡轮流量计产生较大的测量误差。当气体流量为3 m3/d、液相流量小于10 m3/d的条件下以及气体流量大于3 m3/d的条件下,液相流量测量误差均大于10%。

参考文献:

[1] 郭海敏. 生产测井导论 [M]. 北京: 石油工业出版社, 2003: 130-153.

[2] 钟兴福, 吴应湘, 田树祥, 等. 用涡轮流量计测量多相流流量 [J]. 仪器仪表学报, 2002, 23(3): 858-859.

[3] 金宁德, 周勇桂, 王微微, 等. 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): 858-859.

[4] 金宁德, 胡凌云, 郑华, 等. 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): 105-109.

[5] 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): 497-499.