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電磁流量計

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採用電磁流量計與差壓方法相結合測量高含水油水兩相流總流量

來源▩•↟:作者▩•↟:發表時間▩•↟:2021-12-27 08:48:34

 隨著能源問題成為世界關注的焦點◕✘·▩₪,石油作為世界三大主要能源之一◕✘·▩₪,其儲量及生產能力具有越來越重要的戰略意義↟◕·。由於長期注水開採◕✘·▩₪,我國80%油田已經進入高含水期◕✘·▩₪,其中含水率大於97%的油井數量超過一半◕✘·▩₪,油井產液具有高含水特徵[1]↟◕·。因此研究高含水油水兩相流引數線上測量方法對於掌握油井產量及最佳化油藏管理具有重要意義↟◕·。

 
       目前油田在測量精度上基本能滿足生產需要的油水總流量和含水率測量的主要方法有大罐量油法和人工取樣測量法◕✘·▩₪,兩種方法均存在勞動強度大▩•▩✘•、效率低▩•▩✘•、人為因素大▩•▩✘•、無法實現線上實時測量等缺點[2]◕✘·▩₪,而廣泛使用的線上測量方法——電容法無法滿足在高含水情況下的測量精度[3]↟◕·。傳統的兩相流線上測量研究方法有兩種↟◕·。一種是沿用多個單相流量計的組合法◕✘·▩₪,如Li等[4]使用橢圓齒輪流量計與文丘裡流量計結合測量油水兩相流;馬龍博[5]提出了文丘裡管和Coriolis 流量計相結合的油水兩相流雙引數測量方法;黃志堯等[6]提出了一種基於標準文丘裡管與渦輪流量計的油水兩相流測量裝置◕✘·▩₪,另外也提出了一種基於文丘裡管和彈性刮板流量計的油水兩相流測量裝置[7]↟◕·。另一種線上測量研究方法是單相流量計與相含率計的組合法◕✘·▩₪,如 Liu 等[8]採用文丘裡流量計與電學層析成像技術結合測量油水兩相流;Tan 等[9]利用 V 形內椎流量計和電導法組合測量水平管油水兩相流;嚴正國等[10]利用電導感測器並結合相關流量測量方法測量高含水油水兩相流;Liu 等[11]利用超聲多普勒測速儀和電學感測器測量分散型油水兩相流等↟◕·。傳統的測量方法精度一般會受到測量範圍或流型種類的影響◕✘·▩₪,有些測量儀表甚至在一定流型下無法工作↟◕·。
 
       電磁流量計具有不受流體密度▩•▩✘•、溫度▩•▩✘•、壓力▩•▩✘•、黏度等物理引數影響的優點◕✘·▩₪,在 20 世紀 80 年代◕✘·▩₪,人們就開始不斷探索其在兩相流中的應用↟◕·。在理論方面◕✘·▩₪,Bernier 和 Brennen[12]討論了使用電磁流量計進行兩相流的測量方法↟◕·。隨後 Wyatt[13]和 Bevir[14]透過研究認為◕✘·▩₪,Bernier 和 Brennen[12]的結論只對於各向同性且均勻的懸浮液來說嚴格有效↟◕·。Krafft等[15-16]透過研究電磁流量計對氣液兩相泡狀流中非導電相的響應來測量氣泡和水相的流速◕✘·▩₪,並建立了相應的數學模型↟◕·。Zhang[17-18]研究了在二維同心環域和偏心環域上非導電相的分佈對電磁流量計權重函式的影響以及氣泡在管道不同軸向位置時對電磁流量計權重函式的影響↟◕·。Deng等[19]提出了使用電磁流量計與電阻層析成像相結合來測量垂直管氣液兩相流彈狀流的方法◕✘·▩₪,但由於流型的複雜性◕✘·▩₪,文獻並沒有進行兩相流實驗↟◕·。在實驗方面◕✘·▩₪,Heineman等[20]shou次實驗研究了電磁流量計測量兩相流方法↟◕·。Hori等[21]進一步證明了該方法在一定範圍內的可靠性↟◕·。Cha等[22]進行了一系列使用電磁流量計測量垂直管泡狀流的實驗◕✘·▩₪,發現由於實際兩相流缺乏均勻性◕✘·▩₪,測量結果與理論的偏差隨著相含率和折算液速的增加而增加↟◕·。電磁流量計應用於兩相流的難點是其對非軸對稱相分佈場和速度場都很敏感↟◕·。相分佈的複雜多變◕✘·▩₪,會不斷影響權重函式的分佈◕✘·▩₪,而非軸對稱的速度分佈與複雜多變的權重函式分佈又會最終影響電磁流量計的輸出電勢◕✘·▩₪,當非導電相接觸電極時◕✘·▩₪,更會導致電磁流量無法正常工作↟◕·。因此◕✘·▩₪,如果能使兩相流內速度場和相分佈場軸對稱分佈◕✘·▩₪,那麼電磁流量計測量兩相流的範圍就會大大增加↟◕·。
 
       近年來◕✘·▩₪,Wang等[23-26]提出了使用管內相分隔改善兩相流測量的思路◕✘·▩₪,即利用兩相流體物性差異對流體施加一定外力◕✘·▩₪,實現相與相之間的隔離◕✘·▩₪,從而使原本隨機分佈的兩相分別聚集在管道特定的連續空間內◕✘·▩₪,形成相分佈與速度分佈軸對稱的流動狀態◕✘·▩₪,從而大大降低流型對測量的影響◕✘·▩₪,提高測量方法的適用範圍↟◕·。在高含水油水兩相流中◕✘·▩₪,利用旋流
法實現的管內相分隔如圖1所示◕✘·▩₪,可以看出原本細小而分散的油滴◕✘·▩₪,全部聚集到了管道中心↟◕·。尤其在特低含油工況◕✘·▩₪,相分隔前幾乎不能觀察到油滴◕✘·▩₪,而相分隔後能明顯看到油柱的存在↟◕·。
 
       本文提出了一種基於管內相分隔的高含水油水兩相流雙引數線上測量方法◕✘·▩₪,先將難以測量的分散細小油滴集中到管道中心◕✘·▩₪,實現管內相分隔◕✘·▩₪,再採用電磁流量計和差壓方法相結合◕✘·▩₪,對油水兩相流中的總流量和含水率進行測量◕✘·▩₪,從而為高含水油水兩相流線上測量提供新的測量方法和理論指導↟◕·。 
 
1 測量裝置與原理
1.1 測量裝置
       實驗系統與測量裝置如圖2所示↟◕·。實驗迴路系統的工作流程為▩•↟:水箱中的水由水泵送入電磁流量計中進行測量◕✘·▩₪,結合水路流量調節閥和變頻器將水的流量調至目標值↟◕·。油箱中的油經過濾器過濾◕✘·▩₪,由油泵送入到科里奧利質量流量計中進行測量◕✘·▩₪,結合油路中的流量調節閥和變頻器將油的流量調至目標值↟◕·。水相和油相進入混合器後充分混合◕✘·▩₪,最終流經內徑為23.1mm的實驗段進行實驗↟◕·。實驗段出口的油水兩相流體進入油水分離器◕✘·▩₪,透過波紋板的重力沉降和聚結分離作用◕✘·▩₪,將密度不同的油水兩相分離至油箱和水箱迴圈利用↟◕·。實驗介質具體物理引數見表1◕✘·▩₪,實驗段結構如圖3所示↟◕·。旋流器由螺旋導流葉片組成◕✘·▩₪,升角為30°◕✘·▩₪,纏繞的圈數為0.5↟◕·。分別取徑向差壓訊號和軸向差壓訊號◕✘·▩₪,其中徑向差壓為旋流器下游截面處中心到壁面的靜壓差◕✘·▩₪,主要由離心力產生;軸向差壓為旋流器上游和旋流器下游的壁面靜壓差◕✘·▩₪,主要為旋流器的區域性阻力壓降↟◕·。電磁流量計採用電極不與流體直接接觸的電容式電磁流量 計◕✘·▩₪,其電極面積遠大於點電極式電磁流量計◕✘·▩₪,在油水兩相流測量中的表現更好[29]↟◕·。實驗中相對壓力範圍為19~104kPa◕✘·▩₪,溫度範圍為16.4~17.7℃↟◕·。
管內相分隔高含水油水兩相流雙引數測量實驗系統
實驗介質的物理引數
1.2 測量原理
1.2.1 電磁流量計
       電磁流量計測量液體流速的工作原理是法拉第電磁感應定律[30]↟◕·。液體在做切割磁力線運動時◕✘·▩₪,壁面上的電極能夠感應出相應的電動勢◕✘·▩₪,由電磁感應定律可得式(1)↟◕·。 EAB = BDvˉ (1)式中◕✘·▩₪,EAB為感應電動勢◕✘·▩₪,V;B為磁感應強度◕✘·▩₪, T;D為管道內徑◕✘·▩₪,m;vˉ為液體的平均速度◕✘·▩₪,m/s↟◕·。在理想環狀流中◕✘·▩₪,如果非導電流體分佈在中心◕✘·▩₪,導電流體分佈在環域中◕✘·▩₪,且速度為軸對稱分佈時◕✘·▩₪,有式(2)[13]↟◕·。 EAB = BDvW (2)
 
       式中◕✘·▩₪,vW為導電相流體平均速度◕✘·▩₪,m/s↟◕·。 式(2)表明◕✘·▩₪,在環狀流中電磁流量計的感應電動勢與導電相流體平均速度的關係和單相流相同↟◕·。油水兩相流實現管內相分隔後◕✘·▩₪,油相集中到管道中心◕✘·▩₪,水相分佈在環域中◕✘·▩₪,速度為軸對稱分佈且旋流對電磁流量計的影響可以忽略不計[23-24]◕✘·▩₪,所以式(2)在油水兩相流管內相分隔中仍然成立↟◕·。另外由於油水密度差異較小◕✘·▩₪,可忽略油水之間的滑移速度◕✘·▩₪,即電磁流量計的感應電動勢與油水平均流速的關係和單相流相同◕✘·▩₪,電磁流量計輸出的流速即為油水平均流速測量值◕✘·▩₪,電磁流量計輸出的流量則為油水總流量測量值↟◕·。 
實驗段結構
 結果與討論
       實驗中油水兩相流的總流量範圍為1.0~2.6m3/h◕✘·▩₪,含水率範圍為 84%~100%◕✘·▩₪,共出現兩種流型◕✘·▩₪,一種是水包油和水層分散流(D&W)◕✘·▩₪,另一種是水包油分散流(DO/W)◕✘·▩₪,如圖10所示↟◕·。 3.1 油水兩相流總流量電磁流量計測量油水兩相流總流量QTP的實驗結果如圖11所示↟◕·。由圖可以看出◕✘·▩₪,總流量QTP測量的相對誤差都在±5% 以內◕✘·▩₪,其平均很好誤差為1.8%◕✘·▩₪,說明在油水兩相流管內相分隔下電磁流量計能夠實現總流量的測量◕✘·▩₪,在實驗範圍內幾乎不受含水率和總流量大小的影響↟◕·。
 
       總流量誤差主要由以下兩個因素產生↟◕·。很好◕✘·▩₪,Yang等[24]利用電磁流量計測量了氣水兩相流中的水速◕✘·▩₪,發現電磁流量計的輸出流速小於水速◕✘·▩₪,故引入了大於1的儀器因子進行校正↟◕·。在本文的研究中未引入儀器修正因子◕✘·▩₪,因此會引起負誤差↟◕·。第二◕✘·▩₪,在旋流下◕✘·▩₪,橫截面速度分佈會由倒U形變為M形◕✘·▩₪,即中心速度偏低◕✘·▩₪,油芯速度會小於水環速度(相分隔後產生明顯油柱的原因◕✘·▩₪,除了旋流的聚集作用◕✘·▩₪,還有油速降低的原因)◕✘·▩₪,從而引起正誤差↟◕·。從測量結果來看◕✘·▩₪,絕大部分實驗資料產生正誤差◕✘·▩₪,可能是因為油速偏低引起的誤差佔主導作用↟◕·。
不同工況下軸向壓差變化率隨軸向位置的變化
       透過電磁流量計得到兩相流總流量QTP◕✘·▩₪,進而可以得到油水平均流速UM◕✘·▩₪,油水兩相流流過時的徑向壓差 ΔpTP,R和軸向差壓 ΔpTP,Z可直接用差壓表測得◕✘·▩₪,再根據上述關聯式◕✘·▩₪,得到含水率測量值◕✘·▩₪,測量結果如圖13所示↟◕·。實驗結果表明◕✘·▩₪,在高含水油水兩相流中◕✘·▩₪,此方法測量含水率βW的平均很好誤差為2.2%◕✘·▩₪,相對誤差幾乎都在±5%以內◕✘·▩₪,測量精度幾乎不受流型影響↟◕·。誤差的產生一方面取決於擬合曲面的精度◕✘·▩₪,另一方面◕✘·▩₪,室內實驗計量儀表的不確定度及試驗檯的不穩定性也可能帶來系統誤差↟◕·。 
 
4 結論
 
       本文提出了一種基於管內相分隔的高含水油水兩相流雙引數測量方法↟◕·。利用旋流器實現管內相分隔◕✘·▩₪,將分散的油滴集中到管道中心後◕✘·▩₪,再採用電磁流量計與差壓方法相結合◕✘·▩₪,測量高含水油水兩相流總流量和含水率↟◕·。在管內相分隔下引入軸向差壓與徑向差壓◕✘·▩₪,建立了軸向差壓與徑向差壓比實驗關聯式◕✘·▩₪,並透過數值模擬方法優化了兩種差壓的取壓位置↟◕·。實驗研究結果表明◕✘·▩₪,在油水兩相流實現管內相分隔後◕✘·▩₪,利用電磁流量計可以測量油水兩相流總流量◕✘·▩₪,誤差在±5% 以內↟◕·。透過建立軸向差壓與徑向差壓比實驗關聯式◕✘·▩₪,結合總流量測量結果◕✘·▩₪,可以得到含水率◕✘·▩₪,測量誤差幾乎都在±5%以內↟◕·。
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