PhaseWatcher Vx多相流量計(jì)原理和應(yīng)用

摘要：文章針對(duì)南海某氣田項(xiàng)目使用的PhaseWatcher Vx多相流測(cè)量技術(shù)的發(fā)展概況進(jìn)行了調(diào)研，說(shuō)明了多相流量計(jì)的基本結(jié)構(gòu)和測(cè)量原理；分析了PhaseWatcher Vx多相流量計(jì)的功能特性，指出了該流量計(jì)具有較高的測(cè)試精度和可靠性，在實(shí)際生產(chǎn)中多相流量計(jì)將逐步取代傳統(tǒng)分離器，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：PhaseWatcher Vx；多相流量計(jì)；測(cè)試精度；可靠性；氣田項(xiàng)目 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類(lèi)號(hào)：TE54 文章編號(hào)：1009-2374（2016）24-0045-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.24.022

1 PhaseWatcher Vx多相流測(cè)量技術(shù)概述

1998年，斯倫貝謝公司和Framo公司通過(guò)其合資公司（3-Phase測(cè)量公司）開(kāi)發(fā)出了PhaseWatcher Vx多相流測(cè)量技術(shù)。該多相流量計(jì)系統(tǒng)可通過(guò)水下ROV安裝和回收，具備靈活性、可維修性。它們?cè)?個(gè)獨(dú)立測(cè)試設(shè)施上進(jìn)行了1500多次流動(dòng)環(huán)路實(shí)驗(yàn)，得到了5000個(gè)流動(dòng)狀態(tài)測(cè)試點(diǎn)的數(shù)據(jù)，結(jié)果表明Vx技術(shù)非?？煽?。PhaseWatcher Vx系統(tǒng)2004年10月交付并投入使用?，F(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收流程包括多次現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，以便評(píng)估流量計(jì)的性能。到目前為止，實(shí)際應(yīng)用表明PhaseWatcher Vx系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果非常準(zhǔn)確（誤差精度在3%），具有出色的測(cè)量可重復(fù)性。

2 PhaseWatcher Vx多相流量計(jì)的基本結(jié)構(gòu)

PhaseWatcher Vx多相流量測(cè)量裝置的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示：

PhaseWatcher Vx多相流量測(cè)量系統(tǒng)主要包括四個(gè)部分：帶有壓力和差壓測(cè)量的文氏管、高性能的伽馬持相率測(cè)量系統(tǒng)、集成的數(shù)據(jù)采集流量計(jì)算機(jī)、三相流模型。本系統(tǒng)是一個(gè)完整的、獨(dú)立的內(nèi)聯(lián)多相流量測(cè)量系統(tǒng)，用于測(cè)量三個(gè)階段性的分相流速（油、水和氣）。PhaseWatcher Vx技術(shù)無(wú)須使用上游流動(dòng)混合裝置，從而減小了設(shè)備的尺寸和重量。該系統(tǒng)沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件，基本上無(wú)須維護(hù)保養(yǎng)。管內(nèi)流體經(jīng)過(guò)入口進(jìn)入一段短的直管線，直管線通向一個(gè)倒T形管，該倒T形管的一個(gè)水平端被封閉。該倒T形管預(yù)先調(diào)節(jié)并將液流向上導(dǎo)入流量計(jì)中的文氏管，在流體開(kāi)始進(jìn)入文氏管流量計(jì)之前，流體流過(guò)文氏管喉管，根據(jù)流量的不同，該系統(tǒng)可提供29毫米（1.1英寸）、52毫米（2英寸）和88毫米（3.5英寸）的文氏管喉管尺寸。高性能的伽馬持相率測(cè)量系統(tǒng)配有單個(gè)低強(qiáng)度放射性化學(xué)源的雙能譜伽馬射線探測(cè)器，以測(cè)量總的質(zhì)量流量以及氣、油和水的持率。

3 PhaseWatcher Vx多相流量計(jì)的測(cè)量原理

3.1 流量測(cè)量原理

PhaseWatcher Vx多相流量計(jì)利用文氏管測(cè)量流量，測(cè)量原理是基于文氏效應(yīng)，該效應(yīng)表現(xiàn)在受限流動(dòng)在通過(guò)縮小的過(guò)流斷面時(shí)，流體出現(xiàn)流速增大的現(xiàn)象，其流速與過(guò)流斷面成反比。而由伯努利定律知流速的增大伴隨流體壓力的降低，即常見(jiàn)的文丘里現(xiàn)象。通俗地講，這種效應(yīng)是指在高速流動(dòng)的流體附近會(huì)產(chǎn)生低壓，從而產(chǎn)生吸附作用。利用這種效應(yīng)可以制作出文氏管。

3.2 持相率測(cè)量原理

PhaseWatcher Vx多相流量測(cè)量系統(tǒng)采用高性能的伽馬持相率測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量分相持率，瞬時(shí)的油、水和氣體組分計(jì)算測(cè)定是基于兩個(gè)不同的伽瑪放射性同位素的能量水平的衰減。伽瑪射線包含了不同的能級(jí)，這些能級(jí)的衰減可以由物理方程表示。

γ射線的衰減取決于滲透材料的密度和質(zhì)量衰減系數(shù)，如式（1）：

（1）

式中：表示伽馬射線探測(cè)器的計(jì)數(shù)率；表示“空管”的計(jì)數(shù)率；表示伽瑪路徑長(zhǎng)度；表示滲透材料的密度；表示滲透材料的質(zhì)量衰減系數(shù)。

在多相流情況下，油、水和氣混合為均質(zhì)混合物，此時(shí)式（1）可表示為：

（2）

式中：，下標(biāo)、和分別表示油、水和氣；表示持油率；表示持氣率；表示持水率；表示路徑長(zhǎng)度[文丘里喉道半徑（D）]。

由于、和未知，需要兩個(gè)方程來(lái)解決系統(tǒng)。雙能量伽瑪分?jǐn)?shù)計(jì)利用放射源發(fā)射輻射在不同能量水平上的放射進(jìn)行測(cè)量。PhaseWatcher Vx利用來(lái)自鋇源的兩個(gè)能級(jí)進(jìn)行多相流分?jǐn)?shù)測(cè)量。式（3）與式（2）每?jī)蓚€(gè)能級(jí)建立一個(gè)方程類(lèi)似，因?yàn)樵春吞綔y(cè)器之間的數(shù)量完全由三組分混合物占據(jù)，式（3）用來(lái)解決系統(tǒng)的直線前進(jìn)特性：

（3）

從式（2），每個(gè)階段的輸入?yún)?shù)：質(zhì)量衰減系數(shù)和密度，在分?jǐn)?shù)計(jì)算時(shí)是已知的。質(zhì)量衰減系數(shù)是由一個(gè)特定的材料（液體）的化學(xué)成分給定的常數(shù)。石油和天然氣（碳?xì)浠衔铮┑馁|(zhì)量衰減系數(shù)不受到壓力或溫度影響，并能夠在大多數(shù)穩(wěn)定的野外場(chǎng)景下應(yīng)用。石油和天然氣的密度為溫度和壓力的函數(shù)。水的質(zhì)量衰減系數(shù)和密度是稍微依賴鹽含量，因此可能隨著時(shí)間的推移產(chǎn)生良好的變化。水的化學(xué)成分被稱為固定的（因?yàn)樗诖蠖鄶?shù)情況下，經(jīng)常用于抽樣測(cè)試壓力-體積-溫度分析的目的），和送入計(jì)算機(jī)軟件時(shí)進(jìn)行調(diào)整，并不需要一個(gè)重新校驗(yàn)傳感器。還有一個(gè)圖形化的方式能夠獲得三個(gè)持相率。100%的石油、100%的水和100%的氣為一個(gè)三角形的角落。沿x和y軸分別給出了探測(cè)器計(jì)數(shù)率在能級(jí)1號(hào)和2號(hào)。在測(cè)量中的油、水和氣體的任意組合，得到的點(diǎn)均在三角形的內(nèi)部，因此稱為“解三角形”，如圖2所示：

從圖2中很容易得出持氣率和水液比（WLR）。當(dāng)WLR=，能夠得出的值。重要的是需要強(qiáng)調(diào)一下，雙能伽馬技術(shù)僅依賴于γ射線的衰減。衰減測(cè)量階段的分布是完全獨(dú)立的，無(wú)論是液體油連續(xù)狀態(tài)（通常0%～40%的WLR）、水的連續(xù)狀態(tài)（通常為70%～100%的WLR）或在擴(kuò)散正常的過(guò)渡區(qū)。

4 PhaseWatcher Vx多相流量計(jì)的功能特性

4.1 系統(tǒng)輸出參數(shù)

PhaseWatcher Vx多相流量計(jì)中具有如下輸出參數(shù)：標(biāo)準(zhǔn)和線路條件下的水、油和氣體的體積流速；標(biāo)準(zhǔn)和線路條件下的水、油和氣體的相份額；總質(zhì)量流率；水液比；氣體積分率；油氣比；基本的泥沙和水；油、水和氣體的累積質(zhì)量/體積值；油的質(zhì)量流率；氣體質(zhì)量流量；丘差壓力；線壓力；線溫度；選定文件系數(shù)。

4.2 可靠性

Framo工程公司采用系統(tǒng)級(jí)的PhaseWatcher Vx MTBF數(shù)據(jù)（遠(yuǎn)超過(guò)MIL-HDBK 217-F模型的指標(biāo)）。經(jīng)測(cè)試分析PhaseWatcher Vx的可靠性、可用性和可維護(hù)性，得出PhaseWatcher Vx運(yùn)作經(jīng)驗(yàn)的MTBF=21.7年的結(jié)論。如果所有海底冗余儀表安裝符合PhaseWatcher Vx標(biāo)準(zhǔn)的儀表（DAFC和變送器），那么MTBF值將超過(guò)30年以上。

4.3 數(shù)據(jù)采集、流量計(jì)算機(jī)DAFC

系統(tǒng)中主DAFC被激活，備份DAFC斷電（“睡眠”）。當(dāng)主DAFC失效，然后備份DAFC被激活，而失效的DAFC則關(guān)機(jī)。Vx傳感器（傳送器和伽馬射線探測(cè)器）可能只能連接到一個(gè)DAFC一段時(shí)間。中繼板默認(rèn)情況下將連接發(fā)射機(jī)的主DAFC，如果二次DAFC通電后，然后傳感器會(huì)自動(dòng)切換。

4.4 傳送器

所有的傳送器（差壓傳送器、線壓傳送器和線溫傳送器）成對(duì)的安裝，每個(gè)類(lèi)型傳送器獲得同樣良好的運(yùn)行條件，所有傳送器同時(shí)供電和運(yùn)行。正是因此，可以從主傳送器查看和記錄數(shù)據(jù)（用于計(jì)量和流量計(jì)算），并在同一時(shí)間在備份傳送器上備份。如果一個(gè)主傳送器出故障，那么Vx安裝文件必須修改，例如備份傳送器將成為新的計(jì)量傳送器。安裝文件的修改是由操作員使用服務(wù)管理器應(yīng)用程序完成。當(dāng)修改后的文件上傳到Vx，新設(shè)置被激活后，軟啟動(dòng)命令發(fā)送到Vx。在多點(diǎn)HART變送器的功耗是非常溫和的，大約為發(fā)射機(jī)的0.1%。所有傳送器任何時(shí)候都處于工作狀態(tài)，這并不會(huì)對(duì)儀器室中的溫度增加或整體系統(tǒng)的生命周期的惡化有明顯不同。

4.5 中繼臺(tái)

中繼臺(tái)包括冗余的儀器。這個(gè)設(shè)備的目的是確保發(fā)射機(jī)和伽馬射線探測(cè)器將自動(dòng)連接到DAFC。該設(shè)備是由一系列簡(jiǎn)單的高度可靠的單穩(wěn)態(tài)繼電器組成。只要繼電器控制電壓產(chǎn)生電源DAFC/B或DAFC/B是未通電的，所有的繼電器被動(dòng)連接到傳感器DAFC/A。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著PhaseWatcher Vx系統(tǒng)應(yīng)用的增加，在許多試井作業(yè)中多相流量計(jì)將取代傳統(tǒng)分離器，無(wú)需在一些生產(chǎn)站點(diǎn)安裝昂貴、體積龐大的設(shè)施。將來(lái)對(duì)傳統(tǒng)測(cè)試分離器的需求將日益來(lái)自流體取樣要求。然而流體取樣，特別是用于壓力-體積-溫度（PVT）分析的取樣，將由多相流量計(jì)來(lái)完成。隨著技術(shù)革新將有望將多相流量計(jì)用于溫度和壓力更高的環(huán)境中，這將顯著擴(kuò)大Vx技術(shù)在海底的應(yīng)用，并在陸上稠油熱采和天然氣市場(chǎng)中催生大量其他方面的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：丘濼霏，供職于中海油深圳分公司，在職研究生，研究方向：深水油氣田開(kāi)發(fā)。

（責(zé)任編輯：蔣建華）