基于質(zhì)量流量計(jì)測(cè)定的溶解氣對(duì)相含率測(cè)量的影響

韋紅術(shù)，張俊斌，魏裕森，吳旬偉

（1.中海石油（中國(guó)）有限公司 深圳分公司，廣東 深圳 518067；2.西安石油大學(xué)，西安 710065）

0 引言

油井的產(chǎn)出流體多為油氣水三相流，其中伴生氣的存在是難以對(duì)流量進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量的主要因素[1]，其原因一是產(chǎn)出物中伴生氣時(shí)有時(shí)無，二是含量不固定[2]，三是現(xiàn)有的渦街流量計(jì)等很難準(zhǔn)確測(cè)量氣液兩相流的流量[3]，另外一些測(cè)量方法則受到氣體含率的影響，如超聲波流量計(jì)在含氣率超過一定比例時(shí)就可能接收不到回波信號(hào)[4]。鑒于上述原因，目前在井口開展的流量測(cè)量多采用一種簡(jiǎn)易的旋流式氣體分離裝置，對(duì)分離氣體后的油水混合流體，通過質(zhì)量流量計(jì)進(jìn)一步檢測(cè)含油量和含水量。在這種測(cè)量方法中，旋流式氣體分離裝置不需要供電，僅依靠流體的動(dòng)能通過多級(jí)旋流器實(shí)現(xiàn)氣液分離，在結(jié)構(gòu)參靈敏設(shè)計(jì)合理的情況下，證實(shí)了這種分離方法可以達(dá)到很好的分離效果；另外，質(zhì)量流量計(jì)也有很高的測(cè)量精度，但由測(cè)量結(jié)果得到的含油率這一最終關(guān)心的重要被測(cè)量卻有很大的誤差，甚至超過10%。通過理論研究和試驗(yàn)驗(yàn)證，證實(shí)了這種測(cè)量誤差產(chǎn)生的原因是由溶解氣引起的，即少量的溶解氣可以引起很大的測(cè)量誤差。在此基礎(chǔ)上，提出了一種改進(jìn)的測(cè)量方法。

圖1 流量測(cè)量系統(tǒng)示意圖Fig.1 Flow measurement system schematic

1 氣體分離效果

1.1 測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

帶有旋流式分離器和質(zhì)量流量計(jì)的流量測(cè)量系統(tǒng)如圖1 所示。該系統(tǒng)作為一個(gè)整體，串接在生產(chǎn)管線上，即測(cè)量系統(tǒng)的入口和出口分別與生產(chǎn)管線的來流和去流管線相連。被測(cè)的氣液混合流體由來流管道-7 進(jìn)入多級(jí)旋流分離器-2，分離后的氣體由排氣管-1 排出，油水混合流體經(jīng)液體墊-3 進(jìn)入液體排出管-4，并由質(zhì)量流量計(jì)-5 測(cè)量混合液體的質(zhì)量，對(duì)已知的油水密度可由質(zhì)量計(jì)計(jì)直接得到油和水的體積含量和質(zhì)量流量。測(cè)量過程完成后，被計(jì)量過的液體和分離后的氣體在測(cè)量裝置內(nèi)部匯合，從測(cè)量系統(tǒng)的出口-6 排出并進(jìn)入到生產(chǎn)管線的去流管道。測(cè)量系統(tǒng)中液體墊的作用是使液體的出口高于分離器的底部，使氣體不易通過液體墊而進(jìn)入到液體管道中。

表1 典型的氣水兩相流測(cè)量結(jié)果Table 1 Typical gas-water two-phase flow measurements

1.2 氣水分離效果

為了驗(yàn)證氣體的分離效果，分別對(duì)純水和氣水兩種情況進(jìn)行了測(cè)量。通過質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量流量，在純水時(shí)質(zhì)量流量測(cè)量出的水的密度為0.979g/ml。對(duì)氣水兩相流試驗(yàn)時(shí)，將圖1 所示測(cè)量系統(tǒng)接入到圖2 所示的試驗(yàn)流程中，試驗(yàn)時(shí)，考慮到氣體相對(duì)于水的流量越大，氣液分離難度也越大，也更難保證測(cè)量精度。為了加嚴(yán)考核，試驗(yàn)時(shí)采用的水流量為5.7lm3/d，加入的氣體體積流量為水的90%，質(zhì)量流量計(jì)輸出的質(zhì)量流量、體積流量、質(zhì)量、體積、密度，見表1。表1 中密度誤差是指加氣前后流量計(jì)所測(cè)密度的相對(duì)誤差。

對(duì)表1 給出的試驗(yàn)結(jié)果分析如下：

1）加氣后，質(zhì)量流量計(jì)給出的流量是不恒定的，其中質(zhì)量流量的最大值是最小值的2.7 倍，說明在含氣率較高的情況下，流體的流量是不穩(wěn)定的。流量時(shí)大時(shí)小，類似于泡狀流，這與純水情況下的穩(wěn)定流量有著明顯的差異。這種差異體現(xiàn)了高含氣率的特征，也充分說明了氣體與液體是不可能完全均勻地混合到一起的。

2）在含氣率為90%的情況下，相對(duì)于純水情況而言，流體密度的平均測(cè)量誤差為1.01%。這說明即使在氣體流量很大情況下，分離系統(tǒng)仍然是比較好的，存在誤差的原因認(rèn)為是水中有一定的溶解度引起的，但這種溶解度對(duì)測(cè)量結(jié)影響不大。

2 油水混合流體中相比例測(cè)量

將水和購(gòu)置的機(jī)械白油分別經(jīng)電子秤稱量后，注入到試驗(yàn)系統(tǒng)的攪拌罐內(nèi)，其中含水率為60%，含油率為40%。在攪拌均勻的情況下，啟動(dòng)流體泵及測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，其中泵的排量為4.8m3/ d。由于這種試驗(yàn)不含氣體，流體的流動(dòng)非常穩(wěn)定，多次試驗(yàn)結(jié)果的一致性也很好，表2 給出了一組典型的試驗(yàn)結(jié)果。

表2 油水兩相流的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 2 Experimental data on two phases of oil and water flow

表3 油氣水測(cè)量結(jié)果Table 3 Measurement results of oil, gas and water

對(duì)表2 所示試驗(yàn)結(jié)果分析如下：

1）表2 中給出的流速是穩(wěn)定的，且混合密度也是均勻的，這一現(xiàn)象體現(xiàn)了流體中不含氣體時(shí)流體流動(dòng)的穩(wěn)定性，同時(shí)也說明油水兩相流經(jīng)過合理地?cái)嚢韬螅旌鲜蔷鶆虻摹?/p>

2）雖然瞬時(shí)含水率有一定誤差，但一段時(shí)間內(nèi)的平均含水率為60.17%，與60%的實(shí)際含水率非常接近。瞬時(shí)值波動(dòng)的原因認(rèn)為是油包水造成的局部混合不均勻所致。

3 油氣水三相流的測(cè)量

前述油水混合液體試驗(yàn)的結(jié)果表明，如果氣液分離效果較好，即氣體能夠被充分分離，采用質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量含水率或含油率是可行的。為此開展了油氣水三相流的試驗(yàn)，結(jié)果見表3。表3 中匯總了加氣與不加氣的測(cè)量結(jié)果，以形成對(duì)比。試驗(yàn)用液體的體積仍然是含水率60%，含油率40%，加入的氣體是液體體積流量的90%。

表3 中所述標(biāo)定結(jié)果是指：對(duì)圖1 所示測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量后的流體，由電子稱和計(jì)量管分別計(jì)量質(zhì)量和體積而得到的結(jié)果。由于電子稱的分辨率為10g，計(jì)量管的橫截面積較小，由讀取液面高度得出的體積誤差也很小，所以認(rèn)為這種標(biāo)定結(jié)果是比較準(zhǔn)確的。由表3 可知，不加氣時(shí)，就質(zhì)量和體積而言，標(biāo)定的結(jié)果與質(zhì)量流量計(jì)的結(jié)果非常接近，進(jìn)一步證實(shí)了標(biāo)定結(jié)果是準(zhǔn)確的。

加氣前后，質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量到的質(zhì)量分別為：46.005kg和46.363kg；體積分別為49.116L 和50.262L，質(zhì)量和體積的相對(duì)誤差為：0.52%和0.67%，這說明不論加氣與否，質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量的體積和質(zhì)量與標(biāo)定結(jié)果是基本相同的。但含油率則由加氣前的39.2%變?yōu)榧託夂蟮?9.4%，與40%的實(shí)際含油率產(chǎn)生了很大的誤差。

需要說明的是：表3 所述加氣后的體積是對(duì)取樣流體靜置一段時(shí)間后計(jì)量的，靜置的原因是流體中有大量的溶解氣，目測(cè)就可到氣泡逸出。靜置后溶解氣將逐步逸出，假定質(zhì)量流量計(jì)的計(jì)量結(jié)果是準(zhǔn)確的，則逸出的氣體為：

氣體逸出量＝流量計(jì)體積-取樣體積＝50.26-48.15 ＝2.11（L）。

事實(shí)上，在常溫常壓下，白油對(duì)氣體的體積溶解度可達(dá)5.6%，上述體積的變化量在溶解度范圍內(nèi)并小于理論上的溶解度。這就說明：溶解氣的存在并不會(huì)引起體積的明顯變化，但會(huì)對(duì)相含率產(chǎn)生很大的誤差。

由第二次加氣后的結(jié)果再次說明了相同的現(xiàn)象，但得到的含油率誤差更大，其原因是靜置時(shí)間相對(duì)較短，氣體逸出量更少。

4 溶解氣引起相含率誤差的驗(yàn)證

由取出的樣品計(jì)算相含率時(shí)，可認(rèn)為樣品中的大部分氣體已經(jīng)逸出。設(shè)油水兩相流中體積、質(zhì)量、相含率分別為V、m、α，并用下標(biāo)O 和W 分別表示油和水，不帶下標(biāo)的V 和m 分別表示總體積和總質(zhì)量，則有：

其中，αo和αw為體積比。

上式中油和水的密度均為已知量且恒定，只有混合密度為變量，以表中質(zhì)量流量計(jì)的測(cè)量結(jié)果為例，由質(zhì)量和體積之比可分別計(jì)算出加氣和不加氣的混合密度為：

如果取水的試驗(yàn)溫度下的實(shí)際密度0.99 代入式（8），可得加氣和不加氣的含油率為：

上述計(jì)算結(jié)果與流量計(jì)的測(cè)量結(jié)果符合地很好，通過以上計(jì)算可知，在加氣與不加氣的情況下，雖然混合密度相差僅0.014kg/L，但是含油率卻相差10.5%。由此可見，少量的溶解氣對(duì)含油率的測(cè)量產(chǎn)生很大的誤差。如果以標(biāo)定的混合密度計(jì)算，則含油率相差3.5%，其原因是因?yàn)槿硬㈧o置后已有氣體逸出。

5 結(jié)束語

1）質(zhì)量流量計(jì)對(duì)油水兩相流的相比例測(cè)量有很高的準(zhǔn)確度。

2）多級(jí)旋流式分離器對(duì)氣體有很好的分離效果，但無法消除油中的溶解氣。

3）氣體分離后，溶解在油品中的氣體即使很少，采用質(zhì)量流量測(cè)量到的相比例仍然會(huì)產(chǎn)生很大的誤差。