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電磁流量計

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采用電磁流量計与差压方法相结合测量高含水油水两相流总流量

來源:作者:发表时间:2021-12-27 08:48:34

 隨著能源問題成爲世界關注的焦點,石油作爲世界三大主要能源之一,其儲量及生産能力具有越來越重要的戰略意義。由于長期注水開采,我國80%油田已經進入高含水期,其中含水率大于97%的油井數量超過一半,油井産液具有高含水特征[1]。因此研究高含水油水兩相流參數在線測量方法對于掌握油井産量及優化油藏管理具有重要意義。

 
       目前油田在测量精度上基本能满足生产需要的油水总流量和含水率测量的主要方法有大罐量油法和人工取样测量法,两种方法均存在劳动强度大、效率低、人为因素大、无法实现在线实时测量等缺点[2],而广泛使用的在线测量方法——电容法无法满足在高含水情况下的测量精度[3]。传统的两相流在线测量研究方法有两种。一种是沿用多个单相流量计的组合法,如Li等[4]使用椭圆齿轮流量计与文丘里流量计结合测量油水两相流;马龙博[5]提出了文丘里管和Coriolis 流量计相结合的油水两相流双参数测量方法;黄志尧等[6]提出了一种基于标准文丘里管与涡轮流量计的油水两相流测量装置,另外也提出了一种基于文丘里管和弹性刮板流量计的油水两相流测量装置[7]。另一种在线测量研究方法是单相流量计与相含率计的组合法,如 Liu 等[8]采用文丘里流量计与电学层析成像技术结合测量油水两相流;Tan 等[9]利用 V 形内椎流量计和电导法组合测量水平管油水两相流;严正国等[10]利用电导传感器并结合相关流量测量方法测量高含水油水两相流;Liu 等[11]利用超声多普勒测速仪和电学传感器测量分散型油水两相流等。传统的测量方法精度一般会受到测量范围或流型种类的影响,有些测量仪表甚至在一定流型下无法工作。
 
       電磁流量計具有不受流体密度、温度、压力、黏度等物理参数影响的优点,在 20 世纪 80 年代,人们就开始不断探索其在两相流中的应用。在理论方面,Bernier 和 Brennen[12]讨论了使用電磁流量計进行两相流的测量方法。随后 Wyatt[13]和 Bevir[14]通过研究认为,Bernier 和 Brennen[12]的结论只对于各向同性且均匀的悬浮液来说严格有效。Krafft等[15-16]通过研究電磁流量計对气液两相泡状流中非导电相的响应来测量气泡和水相的流速,并建立了相应的数学模型。Zhang[17-18]研究了在二维同心环域和偏心环域上非导电相的分布对電磁流量計权重函数的影响以及气泡在管道不同轴向位置时对電磁流量計权重函数的影响。Deng等[19]提出了使用電磁流量計与电阻层析成像相结合来测量垂直管气液两相流弹状流的方法,但由于流型的复杂性,文献并没有进行两相流实验。在实验方面,Heineman等[20]首次实验研究了電磁流量計测量两相流方法。Hori等[21]进一步证明了该方法在一定范围内的可靠性。Cha等[22]进行了一系列使用電磁流量計测量垂直管泡状流的实验,发现由于实际两相流缺乏均匀性,测量结果与理论的偏差随着相含率和折算液速的增加而增加。電磁流量計应用于两相流的难点是其对非轴对称相分布场和速度场都很敏感。相分布的复杂多变,会不断影响权重函数的分布,而非轴对称的速度分布与复杂多变的权重函数分布又会最终影响電磁流量計的输出电势,当非导电相接触电极时,更会导致电磁流量无法正常工作。因此,如果能使两相流内速度场和相分布场轴对称分布,那么電磁流量計测量两相流的范围就会大大增加。
 
       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,從而使原本隨機分布的兩相分別聚集在管道特定的連續空間內,形成相分布與速度分布軸對稱的流動狀態,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。
 
       本文提出了一种基于管内相分隔的高含水油水两相流双参数在线测量方法,先将难以测量的分散细小油滴集中到管道中心,实现管内相分隔,再采用電磁流量計和差压方法相结合,对油水两相流中的总流量和含水率进行测量,从而为高含水油水两相流在线测量提供新的测量方法和理论指导。 
 
1 测量装置与原理
1.1 测量装置
       实验系统与测量装置如图2所示。实验回路系统的工作流程为:水箱中的水由水泵送入電磁流量計中进行测量,结合水路流量调节阀和变频器将水的流量调至目标值。油箱中的油经过滤器过滤,由油泵送入到科里奥利质量流量计中进行测量,结合油路中的流量调节阀和变频器将油的流量调至目标值。水相和油相进入混合器后充分混合,最终流经内径为23.1mm的实验段进行实验。实验段出口的油水两相流体进入油水分离器,通过波纹板的重力沉降和聚结分离作用,将密度不同的油水两相分离至油箱和水箱循环利用。实验介质具体物理参数见表1,实验段结构如图3所示。旋流器由螺旋导流叶片组成,升角为30°,缠绕的圈数为0.5。分别取径向差压信号和轴向差压信号,其中径向差压为旋流器下游截面处中心到壁面的静压差,主要由离心力产生;轴向差压为旋流器上游和旋流器下游的壁面静压差,主要为旋流器的局部阻力压降。電磁流量計采用电极不与流体直接接触的电容式电磁流量 计,其电极面积远大于点电极式電磁流量計,在油水两相流测量中的表现更好[29]。实验中相对压力范围为19~104kPa,温度范围为16.4~17.7℃。
管内相分隔高含水油水两相流双参数测量实验系统
实验介质的物理参数
1.2 测量原理
1.2.1 電磁流量計
       電磁流量計测量液体流速的工作原理是法拉第电磁感应定律[30]。液体在做切割磁力线运动时,壁面上的电极能够感应出相应的电动势,由电磁感应定律可得式(1)。 EAB = BDvˉ (1)式中,EAB为感应电动势,V;B为磁感应强度, T;D为管道内径,m;vˉ为液体的平均速度,m/s。在理想环状流中,如果非导电流体分布在中心,导电流体分布在环域中,且速度为轴对称分布时,有式(2)[13]。 EAB = BDvW (2)
 
       式中,vW为导电相流体平均速度,m/s。 式(2)表明,在环状流中電磁流量計的感应电动势与导电相流体平均速度的关系和单相流相同。油水两相流实现管内相分隔后,油相集中到管道中心,水相分布在环域中,速度为轴对称分布且旋流对電磁流量計的影响可以忽略不计[23-24],所以式(2)在油水两相流管内相分隔中仍然成立。另外由于油水密度差异较小,可忽略油水之间的滑移速度,即電磁流量計的感应电动势与油水平均流速的关系和单相流相同,電磁流量計输出的流速即为油水平均流速测量值,電磁流量計输出的流量则为油水总流量测量值。 
实验段结构
 結果與討論
       实验中油水两相流的总流量范围为1.0~2.6m3/h,含水率范围为 84%~100%,共出现两种流型,一种是水包油和水层分散流(D&W),另一种是水包油分散流(DO/W),如图10所示。 3.1 油水两相流总流量電磁流量計测量油水两相流总流量QTP的实验结果如图11所示。由图可以看出,总流量QTP测量的相对误差都在±5% 以内,其平均很好误差为1.8%,说明在油水两相流管内相分隔下電磁流量計能够实现总流量的测量,在实验范围内几乎不受含水率和总流量大小的影响。
 
       总流量误差主要由以下两个因素产生。很好,Yang等[24]利用電磁流量計测量了气水两相流中的水速,发现電磁流量計的输出流速小于水速,故引入了大于1的仪器因子进行校正。在本文的研究中未引入仪器修正因子,因此会引起负误差。第二,在旋流下,横截面速度分布会由倒U形变为M形,即中心速度偏低,油芯速度会小于水环速度(相分隔后产生明显油柱的原因,除了旋流的聚集作用,还有油速降低的原因),从而引起正误差。从测量结果来看,绝大部分实验数据产生正误差,可能是因为油速偏低引起的误差占主导作用。
不同工况下轴向压差变化率随轴向位置的变化
       通过電磁流量計得到两相流总流量QTP,进而可以得到油水平均流速UM,油水两相流流过时的径向压差 ΔpTP,R和轴向差压 ΔpTP,Z可直接用差压表测得,再根据上述关联式,得到含水率测量值,测量结果如图13所示。实验结果表明,在高含水油水两相流中,此方法测量含水率βW的平均很好误差为2.2%,相对误差几乎都在±5%以内,测量精度几乎不受流型影响。误差的产生一方面取决于拟合曲面的精度,另一方面,室内实验计量仪表的不确定度及试验台的不稳定性也可能带来系统误差。 
 
4 结论
 
       本文提出了一种基于管内相分隔的高含水油水两相流双参数测量方法。利用旋流器实现管内相分隔,将分散的油滴集中到管道中心后,再采用電磁流量計与差压方法相结合,测量高含水油水两相流总流量和含水率。在管内相分隔下引入轴向差压与径向差压,建立了轴向差压与径向差压比实验关联式,并通过数值模拟方法优化了两种差压的取压位置。实验研究结果表明,在油水两相流实现管内相分隔后,利用電磁流量計可以测量油水两相流总流量,误差在±5% 以内。通过建立轴向差压与径向差压比实验关联式,结合总流量测量结果,可以得到含水率,测量误差几乎都在±5%以内。