氣體對傘集流渦輪流量計流量測量影響實驗研究

黃春輝, 李軍, 胡金海, 劉興斌, 熊夢迪

(1.大慶油田有限責任公司測試技術服務分公司, 黑龍江 大慶 163453; 2.大慶油田有限責任公司第六采油廠, 黑龍江 大慶 163114)

0 引 言

渦輪流量計已廣泛應用于井下油/水兩相流流量測量[1],它具有儀表常數(shù)穩(wěn)定的優(yōu)點,在油水兩相流條件下可以準確測量流量,并取得良好的應用效果[2]。渦輪流量計通常在油/水兩相流條件下進行標定,對渦輪流量計的實驗研究也主要在油/水兩相流下進行。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的響應特性發(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重,因為在低產(chǎn)井中容易出現(xiàn)高含氣率情況,有必要研究渦輪流量計在油井中產(chǎn)氣時的響應特性。

渦輪流量計在油/氣/水三相流下的響應已有人針對不同的測井儀器進行了研究。金寧德等[3-4]基于傘集流渦輪流量計與放射性密度-持水率計組合儀在油氣水三相流流動裝置中的動態(tài)試驗結(jié)果,建立了三相流渦輪流量計統(tǒng)計測量模型。胡金海等[5]對渦輪流量計在水平模擬井中測量油氣水三相流進行了實驗研究。

在多相流模擬實驗裝置上采用渦輪流量計在油/氣/水三相流及氣/水兩相流條件下開展室內(nèi)動態(tài)實驗,研究渦輪流量計在油/氣/水三相流及氣/水兩相流低產(chǎn)氣(氣體流量不大于15 m3/d)條件下的響應特性,計算氣體對渦輪流量計測量液相流量產(chǎn)生的測量誤差,為該儀器應用到三相流的生產(chǎn)測井中提供借鑒。

1 實驗條件及實驗方案

實驗在大慶油田測井試井檢測實驗中心多相流實驗室24 m模擬井中進行。透明的有機玻璃井筒內(nèi)徑為125 mm,實驗介質(zhì)為自來水、柴油和壓縮空氣,實驗中油、氣、水的流量可以由儀表精確控制和計量。實驗儀器采用安裝有傘式集流器的渦輪流量計。傘式集流器具有16根金屬傘筋,傘布采用高強度薄織料,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。渦輪流量計安裝在集流傘上部,油/氣/水混合流體被集流傘集流后,從進液口流入測量通道,流經(jīng)渦輪流量計測量流量,再由出液口流回到井筒(見圖1)。

圖1 儀器結(jié)構(gòu)示意圖

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

2 實驗結(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

圖2 固定氣體流量5 m3/d渦輪流量計標定曲線

在不同氣體流量下標定了渦輪流量計在油/氣/水三相流中不同氣相流量不同液相含水率時的響應曲線。圖2為固定氣體流量5 m3/d、液相流量及液相含水率變化時測量的渦輪響應曲線,液相流量從60 m3/d逐漸遞減到5 m3/d,含水率從100%逐漸遞減到50%。測量數(shù)據(jù)表明,當改變不同液相流量時的測量結(jié)果與10 m3/d的測量結(jié)果一致,即當固定氣體流量5 m3/d時,在同一液相流量下,當含水率從100%變化到50%時,渦輪響應數(shù)值基本不變,保持在同一數(shù)值,即渦輪響應受油水比例變化的影響較小。分析認為,當液相流量大于5 m3/d時,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;氣相的擾動也減小了油水相間的滑脫,使得渦輪流量計響應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響應的主要因素。

圖3為固定氣體流量5 m3/d標定的渦輪流量計響應圖版。實驗數(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與液相流量的響應關系受油水兩相含水率的影響很小。因此,在氣體流量較低時,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10 m3/d及15 m3/d標定的渦輪流量計響應規(guī)律同圖3。

圖3 氣體流量5 m3/d渦輪流量度計標定圖版

2.2 氣/水兩相條件下的實驗結(jié)果及誤差分析

圖4 渦輪流量計氣水兩相流標定圖版

圖5 氣/水兩相流高速攝像圖片

圖6 水流量10 m3/d氣相流量4.8 m3/d渦輪實時波動信號

圖4為傘式集流器渦輪流量計在氣/水兩相流中的響應圖版。渦輪在低液量和高流量時有不同的規(guī)律,在水流量高于15 m3/d時,保持氣量不變,渦輪響應與水流量呈線性關系。在低液量下,即在水流量低于15 m3/d時,渦輪響應與水相流量呈非線性關系。此時隨著水流量的增加,渦輪響應也增加,但較純水時的響應增加緩慢,而且隨著氣量的增加,渦輪響應對液相的敏感性越差。當氣量達到10 m3/d時,幾乎呈平的臺階,說明此時渦輪對液相流量失去了分辨能力,渦輪流量計在高氣量時測量低液相流量會有較大誤差。分析認為,當水流量較低(水流量小于15 m3/d)時,在集流測量通道內(nèi),當氣量較少時,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10 m3/d、氣流量1.44 m3/d],氣相對渦輪起主導作用,使渦輪響應明顯偏高;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入集流通道。圖5(b)為水流量10 m3/d、氣相流量4.8 m3/d時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為此時采集的渦輪響應實時波動信號,隨大塊氣體段塞的出現(xiàn),渦輪響應頻率劇烈波動,最高幅度可達40 Hz,渦輪響應的平均值增加,導致渦輪流量計測量流量明顯偏高。尤其是氣相流量較高(大于9.6 m3/d)時,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,使渦輪流量計產(chǎn)生了較大的測量誤差。

2.3 測量誤差分析

在實際的產(chǎn)出剖面測量中,儀器通常在液相中標定刻度圖版。測井時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算加入不同氣體流量后渦輪響應頻率所對應的流量,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準水流量,得到氣相加入后測量的絕對增加值,即加入氣相流量產(chǎn)生的測量誤差(見表1)。計算結(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,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1 m3/d的氣量產(chǎn)生的測量誤差大約相當于5 m3/d(絕對增加值)。

表1 加入氣相流量產(chǎn)生的流量測量絕對增加值

圖7 渦輪流量計氣水兩相流標定圖版

利用測量的絕對增加值除以滿量程流量80 m3/d,得到氣體對流量測量的滿量程誤差(見圖7)。計算結(jié)果表明,只有氣體流量為3 m3/d以下液相流量10 m3/d以上時,滿量程測量誤差在10%以內(nèi),其他測點滿量程誤差均大于10%。

3 結(jié) 論

(1) 氣體流量較低時,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,渦輪流量計與液相流量的響應關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有不同的響應規(guī)律,在水流量高于15 m3/d時,渦輪響應與水流量呈線性關系。在水流量低于15 m3/d時,渦輪響應與水相流量呈非線性關系,當含氣量達到10 m3/d時,渦輪響應呈水平的臺階狀,渦輪對液相流量失去了分辨能力。

(3) 液相流量較低時,渦輪流量計測量流量明顯高于標準流量,即使是較低的氣體流量也會對渦輪流量計產(chǎn)生較大的測量誤差。當氣體流量為3 m3/d、液相流量小于10 m3/d的條件下以及氣體流量大于3 m3/d的條件下,液相流量測量誤差均大于10%。

參考文獻:

[1] 郭海敏. 生產(chǎn)測井導論 [M]. 北京: 石油工業(yè)出版社, 2003: 130-153.

[2] 鐘興福, 吳應湘, 田樹祥, 等. 用渦輪流量計測量多相流流量 [J]. 儀器儀表學報, 2002, 23(3): 858-859.

[3] 金寧德, 周勇桂, 王微微, 等. 傘集流油氣水三相流渦輪流量計統(tǒng)計模型研究 [J]. 測井技術, 2007, 30(1): 858-859.

[4] 金寧德, 胡凌云, 鄭華, 等. 皮球集流油氣水三相流渦輪流量計測量模型研究 [J]. 測井技術, 2006, 30(2): 105-109.

[5] 胡金海, 劉興斌, 薛國民, 等. 渦輪流量計對水平三相流的實驗響應 [J]. 測井技術, 2006, 30(6): 497-499.