插拔式變比例均勻取樣器及氣液兩相流量計(jì)量

梁法春, 陳 婧, 陳俊文, 何振楠, 孟 佳

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東)儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院,山東青島 266580; 2.中國(guó)石油工程建設(shè)有限公司西南分公司,四川成都 610041)

單井計(jì)量是掌握油田的生產(chǎn)動(dòng)態(tài)、制定科學(xué)開(kāi)發(fā)調(diào)整方案的依據(jù),采出油氣往往需要計(jì)量后方能進(jìn)入下游的集輸和處理流程[1]。井口采出介質(zhì)為氣液混合物,常規(guī)的單相計(jì)量?jī)x表難以適用,需要采用多相計(jì)量裝置[2]。根據(jù)測(cè)量過(guò)程中是否進(jìn)行分離處理,多相計(jì)量方法可分為分離型和不分離型兩大類[3-4]。分離型計(jì)量方法采用分離器將氣液兩相來(lái)流完全分開(kāi),再采用單相儀表計(jì)量各自流量,其優(yōu)點(diǎn)是計(jì)量精度高,可用于流量標(biāo)定,但由于需要分離全部流體,裝置體積龐大,計(jì)量成本高[1,5];不分離方法通常采用文丘里管類節(jié)流原件和伽馬密度儀等相分率儀組合測(cè)量[6-9],由于無(wú)需氣液分離操作,裝置體積小、結(jié)構(gòu)緊湊,但直接面對(duì)兩相流體,受氣液兩相流波動(dòng)影響,精度通常難以保障。此外,采用射線的多相計(jì)量裝置存在放射源泄漏風(fēng)險(xiǎn),限制了其推廣應(yīng)用[10]。分流取樣法融合了傳統(tǒng)分離和非分離計(jì)量方法的優(yōu)點(diǎn),近年來(lái)引起廣泛關(guān)注[11-13]。其計(jì)量原理是采用取樣器從主流體中分流出一小部分作為取樣流體,對(duì)其分離計(jì)量后重新返回主管路,被測(cè)氣液相流量由取樣流體氣、液流量和相應(yīng)的取樣比換算獲得。由于需要分離的體積僅為總流體的1/10甚至更小,與完全分離相比裝置體積大幅縮小;由于氣液相分離后計(jì)量,不受氣液界面波動(dòng)影響[14-15]。保障取樣流體的代表性是取樣計(jì)量方法成功的關(guān)鍵,近年來(lái)研究者提出了三通管、轉(zhuǎn)鼓、轉(zhuǎn)輪等多種類型的取樣結(jié)構(gòu)。三通管是最為簡(jiǎn)單的取樣器,但在取樣過(guò)程中通常會(huì)發(fā)生相分離,導(dǎo)致取樣流體和被測(cè)流體出現(xiàn)偏差[16-17]。轉(zhuǎn)鼓型取樣器通過(guò)旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)分流取樣,但研究表明分流系數(shù)受轉(zhuǎn)鼓運(yùn)動(dòng)間隙影響顯著,間隙越大,測(cè)量誤差越大[18]。轉(zhuǎn)輪型取樣器利用流體采樣原理,以一定的時(shí)間間隔將全部流體導(dǎo)入取樣回路,從而降低相分離程度提高取樣代表性[19]。但和轉(zhuǎn)鼓型取樣器一樣,其存在運(yùn)動(dòng)部件,易出現(xiàn)卡堵,難以適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)工況。取樣比是取樣型計(jì)量方法的關(guān)鍵參數(shù),決定了要分離處理的油氣流量。取樣比受控于取樣器結(jié)構(gòu),當(dāng)前取樣方法難以實(shí)現(xiàn)取樣比例的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié),而在實(shí)際油氣生產(chǎn)中,隨開(kāi)發(fā)的推進(jìn)井口油氣產(chǎn)量逐漸發(fā)生變化。如果產(chǎn)量持續(xù)降低而分流比維持不變,將導(dǎo)致進(jìn)入取樣流體回路的氣液流量降低,從而降低了取樣流體計(jì)量準(zhǔn)確度。筆者提出一種新型取樣器,通過(guò)插拔取樣管改變?nèi)涌椎倪B通方式,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)取樣比的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。

1 取樣器結(jié)構(gòu)及工作原理

圖1 取樣器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic of experimental sampler structure

氣液兩相分流取樣計(jì)量原理如圖1(a)所示。當(dāng)氣液兩相流通過(guò)試驗(yàn)取樣器,流體被分為主流體和取樣流體兩部分。主流體繼續(xù)進(jìn)入下游管路,而取樣流體進(jìn)入一小型計(jì)量分離器完成氣液分離,分別測(cè)量出取樣流體中氣相質(zhì)量流量M3G和液相質(zhì)量流量M3L。管內(nèi)氣、液相總流量由取樣流體中氣液相流量和相應(yīng)的取樣比確定。

M1G=M3G/KG.

(1)

M1L=M3L/KL.

(2)

式中,M1G和M1L分別為待測(cè)氣、液相質(zhì)量流量,kg/s;KG和KL分別為氣、液相分流比;M3G和M1G分別為取樣流體氣、液相質(zhì)量流量,kg/s。。

為了實(shí)現(xiàn)取樣比的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié),提出了一種新型取樣器,主要由旋流器、主管路、主流腔、取樣腔組成。試驗(yàn)主管路內(nèi)徑為32 mm,主管路內(nèi)安裝有旋流器,旋流器下游沿管壁周向均勻布置20個(gè)分流孔,分流孔直徑為3 mm。其中3個(gè)分流孔出口設(shè)置有取樣管,主管路末端由盲板封閉。旋流器為螺旋葉片沿中心軸繞制而成,氣液兩相流來(lái)流進(jìn)入取樣器在螺旋葉片作用下形成氣液螺旋流。密度較大的液相在離心力作用下被甩向管壁形成液膜,而密度低的氣相聚集在管中心形成氣芯。由于主管端部由盲板封閉,上游流體必須經(jīng)過(guò)設(shè)置在管壁上的分流孔方能進(jìn)入下游通道。

根據(jù)分流孔和取樣腔、主流腔的連通關(guān)系,可將其分為兩類:取樣孔和主流孔。取樣管的作用是建立取樣管和取樣腔的連通關(guān)系,為實(shí)現(xiàn)取樣比可調(diào),取樣管采用插拔式設(shè)計(jì)。如圖1(b)所示,取樣管由內(nèi)塞體、外塞體兩部分組成,外塞體為中空?qǐng)A管,其中部設(shè)有連通孔,圓筒壁內(nèi)外均布置有螺紋。內(nèi)塞體為實(shí)心圓柱體結(jié)構(gòu),安裝在外塞體內(nèi)部,設(shè)置有外螺紋,可在外塞體內(nèi)上下移動(dòng)。通過(guò)改變?nèi)庸軆?nèi)、外塞體位置,可改變分流孔功能。如圖1(c)所示,當(dāng)旋緊取樣管外塞體螺紋,保持外塞體與主管管壁緊密貼合,同時(shí)內(nèi)塞體旋至連通孔下游,此時(shí)主管內(nèi)流體與取樣室保持連通,分流孔承擔(dān)取樣功能；而當(dāng)外塞體脫離主管壁,內(nèi)塞體封堵連通孔時(shí),此時(shí)分流孔與主流腔保持連通,取樣功能關(guān)閉。因此通過(guò)調(diào)節(jié)取樣管可改變進(jìn)入取樣腔的分流體流量,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)所期望的分流比。

2 分流比理論關(guān)系式推導(dǎo)

氣、液相分流比理論公式可由取樣孔和主流孔阻力關(guān)系獲得。取樣流體經(jīng)分離計(jì)量后重新返回主管路,根據(jù)并聯(lián)管路特性,取樣回路和主回路具有相同壓降(圖2)。同時(shí)由于分流孔取樣孔直徑(3 mm)非常小,可認(rèn)為取樣回路和主回路通道阻力損失主要集中于分流孔,因此有

Δp13=Δp12.

(3)

式中，Δp13和Δp12分別為取樣孔和主流孔壓降,Pa。

氣液兩相流通過(guò)分流孔阻力損失可以用兩相流孔板壓降方程描述[20],對(duì)于取樣孔,則有

(4)

同樣,對(duì)于主流孔,則有

(5)

將方程(4)、(5)帶入方程(3)得

(6)

式中,M3、M2分別為取樣流體和主流體質(zhì)量流量,kg/s;N3、N2分別為取樣孔和主流孔數(shù);X2、X3分別為主流體和取樣流體質(zhì)量含氣率;a2、b2、a3、b3為常數(shù),與取樣孔和主流孔結(jié)構(gòu)有關(guān)。

圖2 取樣孔和主流孔分配示意圖Fig.2 Phase split between sampling and main holes

根據(jù)分配影響區(qū)理論,取樣流體和主流體的干度主要取決于其分流孔入口附近氣液相分布[21]。如圖2所示,氣液兩相流到達(dá)分配截面前進(jìn)行了流型調(diào)整,在旋流器作用下,流型轉(zhuǎn)換為液膜均勻分布的螺旋環(huán)狀流,各個(gè)分流孔分配影響區(qū)相同,從而氣、液兩相進(jìn)入各個(gè)取樣孔的幾率相同,使得取樣流體和主流體具有相同的質(zhì)量含氣率,即X3=X2。對(duì)于試驗(yàn)取樣器,分流孔和主流孔結(jié)構(gòu)完全相同,則有a2=a3,b2=b3。從而方程(6)可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為

(7)

根據(jù)總流體、主流體及取樣流體之間質(zhì)量守恒:

M1=M2+M3.

(8)

式中，M1為入口總流體質(zhì)量流量,kg/s。

氣相取樣比定義為取樣流體氣相質(zhì)量流量占總氣相質(zhì)量流量的比值,即

KG=M3G/M1G.

(9)

聯(lián)合式(7)～(9)可知,氣相分流系數(shù)KG為

(10)

式中，X1為入口流體質(zhì)量含氣率。

同樣,液相取樣比為取樣液相質(zhì)量流量占總液相質(zhì)量流量的比值,即

KL=M3L/M1L.

(11)

聯(lián)合式(7)、(8)、(11)可得液相分流系數(shù)理論關(guān)系式:

(12)

對(duì)比式(10)、(12)可知,氣、液相理論取樣比相同,僅取決于取樣孔數(shù)目和主流孔數(shù)目。因此通過(guò)取樣管調(diào)整取樣孔數(shù)可獲得期望的取樣比。

3 試驗(yàn)系統(tǒng)

圖3 試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.3 Experimental setup

為驗(yàn)證試驗(yàn)取樣器工作效果,在氣液兩相流試驗(yàn)環(huán)道上開(kāi)展了試驗(yàn)測(cè)試。試驗(yàn)環(huán)道內(nèi)徑為32 mm,試驗(yàn)介質(zhì)分別采用空氣和自來(lái)水(圖3)。單相氣、液分別計(jì)量流量后在混合器中混合,隨后進(jìn)入氣液兩相管路?；旌掀鞒隹诰嚯x測(cè)試段為管徑的150倍,以保障流動(dòng)充分發(fā)展。試驗(yàn)取樣器水平安裝于測(cè)試段,其上游設(shè)置有透明有機(jī)玻璃管用于觀察流型。氣液兩相流體通過(guò)試驗(yàn)分配器時(shí),一小部分流體進(jìn)入取樣回路,經(jīng)小型計(jì)量分離器分離后分別計(jì)量氣液相流量,隨后氣液重新混合返回主管路。

上游主管路氣相質(zhì)量流量M1G由橫河旋渦流量計(jì)測(cè)量,液相質(zhì)量流量M1L由橫河電磁流量計(jì)測(cè)量,取樣流體氣相質(zhì)量流量M3G由文丘里噴嘴流量計(jì)測(cè)量,液相質(zhì)量流量M3L由艾默生質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量。根據(jù)公式(9)、(11)可獲得氣、液相分流系數(shù)。

為考察取樣管分流系數(shù)調(diào)節(jié)性能,分別測(cè)試了取樣孔數(shù)為1、2和3時(shí)的取樣特性。氣相折算速度范圍為3.5～17.5 m/s,液相折算速度范圍為0.015～0.170 m/s。出現(xiàn)的流型為波浪流、段塞流以及半環(huán)狀流。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 氣液相流速影響

對(duì)于試驗(yàn)取樣器,總分流孔數(shù)為20,當(dāng)取樣孔數(shù)為1,主流孔數(shù)為19時(shí),根據(jù)公式(10)、(12),理論氣液相分流系數(shù)均為0.05;總分流孔數(shù)保持不變,取樣孔分別為2和3時(shí),相應(yīng)的分流系數(shù)分別為0.10和0.15。實(shí)際氣、液相取樣比(KG、KL)通過(guò)分別測(cè)量入口總氣、液相質(zhì)量流量(M1G、M1L)和取樣流體氣液相質(zhì)量流量(M3G、M3L)后,由公式(9)、(11)確定。圖4為氣相折算速度對(duì)氣、液相取樣比的影響,圖5為液相折算速度對(duì)氣、液相取樣比的影響?？梢园l(fā)現(xiàn),對(duì)于這兩種取樣結(jié)構(gòu),氣、液相取樣比的試驗(yàn)值和理論值均吻合很好,基本不受氣液相流速的影響。圖6為取樣流體質(zhì)量含氣率與入口質(zhì)量含氣率對(duì)比。由圖6可知,取樣流體和主流體質(zhì)量含氣率基本一致,表明取樣流體和主流體組成基本一致,取樣流體具有代表性。

圖4 氣相折算速度對(duì)取樣比影響Fig.4 Effect of gas superficial velocity on split ratio

圖5 液相折算速度對(duì)取樣比影響Fig.5 Effect of liquid superficial velocity on split ratio

圖6 取樣流體質(zhì)量含氣率與入口質(zhì)量含氣率對(duì)比Fig.6 Comparison of gas quality between inlet stream and sample fluid

主要原因是,進(jìn)入各個(gè)分流孔的氣、液流量主要取決于入口氣液相分布和出口壓力。由于采用螺旋器進(jìn)行了流型整改,不對(duì)稱來(lái)流都轉(zhuǎn)變成了液膜均勻分布的環(huán)狀流型,各個(gè)分流孔的分配影響區(qū)范圍基本一致。此外,取樣流體計(jì)量后重新返回主管路,忽略計(jì)量回路壓降,根據(jù)并聯(lián)管路特性,可認(rèn)為各個(gè)分流孔具有相同的出口壓力。各個(gè)分流孔結(jié)構(gòu)完全一致,又具有相同的進(jìn)出口條件,故流動(dòng)特性基本相同,實(shí)現(xiàn)了上游氣液混合物的均勻分流。從而,取樣比只取決于取樣孔和主流孔數(shù)目,通過(guò)取樣管改變?nèi)涌讛?shù)目可以實(shí)現(xiàn)所期望的取樣比。

需要指出的是,在氣液相流量很低時(shí),氣相分流系數(shù)高于理論值,而液相分流系數(shù)則低于理論值(圖4、5)。主要原因是在極低氣液相流速下來(lái)流動(dòng)量很小,通過(guò)旋流器時(shí)難以形成均勻的環(huán)狀液膜。液相密度高,傾向于沉積在管道底部,因此底部液膜厚而上部液膜較薄。對(duì)于單孔取樣器,取樣孔位于管道3點(diǎn)鐘位置,液膜較薄,影響區(qū)內(nèi)液相少、氣相多,更多的氣相進(jìn)入取樣回路,導(dǎo)致氣相分流系數(shù)偏高,液相分流系數(shù)偏低。

4.2 流型影響

圖7、8為流型對(duì)氣、液相分流系數(shù)的影響。由圖7、8可知,氣液相分流系數(shù)基本不受流型的影響,在波浪流、段塞流和半環(huán)狀流下均能保持恒定。其原因是所述的流型為取樣器入口流型,而對(duì)于分配截面,在旋流器作用下流型已發(fā)生改變。入口的波浪流、段塞流和半環(huán)狀流型在螺旋葉片產(chǎn)生的離心力作用下已轉(zhuǎn)換為液膜均勻分布的環(huán)狀流型。在分流截面上,各個(gè)分流孔氣液相分布基本相同,從而保障了取樣的代表性。

圖7 流型對(duì)氣相分流系數(shù)影響Fig.7 Effect of flow pattern on fraction of gas taken off

圖8 流型對(duì)液相分流系數(shù)的影響Fig.8 Effect of flow pattern on fraction of liquid taken off

當(dāng)旋流器結(jié)構(gòu)一定時(shí),誘發(fā)形成的環(huán)狀液膜質(zhì)量主要取決于來(lái)流動(dòng)量。對(duì)于波浪流,在氣、液相流速較低時(shí)均勻環(huán)狀液膜難以形成,從而引發(fā)取樣過(guò)程相分離,造成氣液相分流系數(shù)出現(xiàn)偏差;而對(duì)于環(huán)狀流和段塞流,氣液相流速高、動(dòng)量大,更易形成均勻螺旋流,從而實(shí)現(xiàn)等比例取樣。

4.3 壓力損失特征

取樣孔兩側(cè)差壓Δp13、取樣流體質(zhì)量流量M3以及質(zhì)量含氣率X3之間關(guān)系可以用方程(4)描述。

試驗(yàn)也證明,(Δp13)1/2/M3與取樣流體質(zhì)量含氣率X3之間存在線性關(guān)系(圖9)。

分流孔處阻力損失最大,因此取樣孔阻力損失可視為計(jì)量回路壓力損失。圖9顯示,當(dāng)取樣質(zhì)量流量相同時(shí),取樣孔數(shù)為3時(shí)阻力損失遠(yuǎn)小于取樣孔數(shù)為1時(shí)。主要原因是進(jìn)入3個(gè)取樣孔的流量為單取樣孔流量的1/3,而當(dāng)取樣流體氣液比一定時(shí),壓力損失與質(zhì)量流量的平方成正比。因此對(duì)阻力損失要求高的工況,可通過(guò)增加取樣孔數(shù)目降低壓降。

圖9 試驗(yàn)取樣器壓降特征Fig.9 Pressure drop behavior of experimental sampler

4.4 流量計(jì)量精度

當(dāng)測(cè)量出取樣流體氣相和液相質(zhì)量流量后,總氣相質(zhì)量流量M1G和液相質(zhì)量流量M1L分別采用式(1)、(2)計(jì)算。其中取樣比采用式(10)、(12)給出的理論取樣比。氣液相流量計(jì)量精度見(jiàn)圖10,由圖10可以看出,取樣孔數(shù)分別為1、3時(shí),氣、液相流量最大測(cè)量誤差均在±5%以內(nèi),遠(yuǎn)低于井口計(jì)量最大測(cè)量誤差±10%的計(jì)量要求。在實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況確定合適的取樣比。與單孔取樣器相比,三孔取樣器由于多點(diǎn)取樣,在一定程度上彌補(bǔ)了低氣液流速下液膜不均勻所造成的相分離,具有更高的精度。同時(shí)三孔取樣器壓力損失較小,在分流體計(jì)量分離器容許情況下應(yīng)優(yōu)先選擇增加取樣孔數(shù)目。

圖10 氣液相流量計(jì)量精度Fig.10 Accuracy of gas and liquid flow metering

采用空氣、水兩相作為工作介質(zhì),實(shí)際生產(chǎn)中井口產(chǎn)物通常為油氣水三相流體,但根據(jù)新提出的取樣原理可知,分流系數(shù)不受介質(zhì)影響,通過(guò)在取樣管路增加含水率測(cè)量裝置,亦可應(yīng)用于三相流量計(jì)量。

5 結(jié) 論

(1)提出的插拔式取樣器可以通過(guò)調(diào)節(jié)取樣管改變分流孔的連接狀態(tài)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)取樣孔和主流孔的自由切換。取樣比取決于取樣孔和主流孔數(shù)目,通過(guò)調(diào)節(jié)取樣管可以實(shí)現(xiàn)所期望的分流比。

(2)當(dāng)分配截面為均勻螺旋環(huán)狀流時(shí),氣液相分流系數(shù)不受氣液相折算速度、入口流型影響,能夠在寬廣的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)等比例取樣。但當(dāng)氣液相流速極低時(shí),由于來(lái)流缺乏足夠動(dòng)量,均勻環(huán)狀流液膜難以形成,頂部液膜較薄,更多氣相進(jìn)入管道上部取樣孔,從而導(dǎo)致氣相分流系數(shù)偏高。

(3)基于該新型取樣器的氣液流量計(jì)量誤差小于5%,在井口油氣計(jì)量中潛力巨大。在實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)井口氣液產(chǎn)量的變化調(diào)整取樣孔數(shù)目,以降低阻力損失,擴(kuò)大適用范圍,而其他部件無(wú)需更換,從而大幅降低計(jì)量成本。