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摘要：在三相流實(shí)驗(yàn)裝置上采用傘式集流器對(duì)渦輪流量計(jì)在氣/水兩相流及油、氣、水三相流中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，獲得了渦輪流量計(jì)在氣/水兩相流及油/氣/水三相流條件下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析氣體對(duì)渦輪流量計(jì)測(cè)量流量的影響。在氣體流量較低時(shí)，渦輪流量計(jì)與液相流量的響應(yīng)關(guān)系受油水兩相含水率的影響較小，可以將油/氣/水三相的流量測(cè)量問題簡(jiǎn)化成氣/水兩相的流量測(cè)量問題。氣體會(huì)對(duì)渦輪流量計(jì)產(chǎn)生較大的測(cè)量誤差，當(dāng)氣體流量為3m3/d、液相流量小于10m3/d的條件下以及氣體流量大于3m3/d的條件下，液相流量測(cè)量誤差大于10%。
0引言
　　渦輪流量計(jì)已廣泛應(yīng)用于井下油、水兩相流流量測(cè)量，它具有儀表常數(shù)穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，在油水兩相流條件下可以正確測(cè)量流量，并取得良好的應(yīng)用效果。渦輪流量計(jì)通常在油/水兩相流條件下進(jìn)行標(biāo)定，對(duì)渦輪流量計(jì)的也主要在油/水兩相流下進(jìn)行。大慶油田及中國(guó)多數(shù)陸相油田的生產(chǎn)井普遍存在產(chǎn)氣、脫氣現(xiàn)象，在測(cè)試井段存在油氣水三相流的情況。氣相的加入使渦輪流量計(jì)的響應(yīng)特性發(fā)生了明顯的變化，對(duì)產(chǎn)出剖面的測(cè)量產(chǎn)生了影響，氣體對(duì)低產(chǎn)井的測(cè)量影響尤為嚴(yán)重，因?yàn)樵诘彤a(chǎn)井中容易出現(xiàn)高含氣率情況，有必要渦輪流量計(jì)在油井中產(chǎn)氣時(shí)的響應(yīng)特性。
　　渦輪流量計(jì)在油/氣/水三相流下的響應(yīng)已有人針對(duì)不同的測(cè)井儀器�；�于傘集流渦輪流量計(jì)與放射性密度－持水率計(jì)組合儀在油氣水三相流流動(dòng)裝置中的動(dòng)態(tài)結(jié)果，建立了三相流渦輪流量計(jì)統(tǒng)計(jì)測(cè)量模型。對(duì)渦輪流量計(jì)在水平模擬井中測(cè)量油氣水三相流進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。
　　在多相流模擬實(shí)驗(yàn)裝置上采用渦輪流量計(jì)在油/氣/水三相流及氣/水兩相流條件下開展室內(nèi)動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)，渦輪流量計(jì)在油、氣、水三相流及氣/水兩相流低產(chǎn)氣（氣體流量不大于15m3/d）條件下的響應(yīng)特性，計(jì)算氣體對(duì)渦輪流量計(jì)測(cè)量液相流量產(chǎn)生的測(cè)量誤差，為該儀器應(yīng)用到三相流的生產(chǎn)測(cè)井中提供借鑒。
1實(shí)驗(yàn)條件及實(shí)驗(yàn)方案
　　實(shí)驗(yàn)在大慶油田測(cè)井試井檢測(cè)實(shí)驗(yàn)中心多相流實(shí)驗(yàn)室24ｍ模擬井中進(jìn)行。透明的有機(jī)玻璃井筒內(nèi)徑為125ｍｍ，實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為自來(lái)水、柴油和壓縮空氣，實(shí)驗(yàn)中油、氣、水的流量可以由儀表正確控制和計(jì)量。實(shí)驗(yàn)儀器采用安裝有傘式集流器的渦輪流量計(jì)。傘式集流器具有16根金屬傘筋，傘布采用高強(qiáng)度薄織料，質(zhì)密不透氣，集流效果好。采用傘式集流器可以使測(cè)量通道內(nèi)的流體流速提高幾十倍，并且使被測(cè)流體混合更加均勻。渦輪流量計(jì)安裝在集流傘上部，油/氣/水混合流體被集流傘集流后，從進(jìn)液口流入測(cè)量通道，流經(jīng)渦輪流量計(jì)測(cè)量流量，再由出液口流回到井筒（見圖1）。
　　渦輪流量計(jì)位于傘式集流器上部，傳感器內(nèi)徑為19mm。渦輪測(cè)量流量范圍為3～80m3/d，測(cè)量精度為±5%。根據(jù)儀器的工作原理及儀器結(jié)構(gòu)等條件，實(shí)驗(yàn)時(shí)氣體流量范圍為3～15m3/d，流量調(diào)節(jié)分別為3、5、7、10、15m3/d；油水液相流量范圍為3～80m3/d，流量調(diào)節(jié)分別為3、5、7、10、15、20、30、40、60、80m3/d，含水率調(diào)節(jié)范圍50%～100%。實(shí)驗(yàn)中，先固定某一氣體流量，待氣體流量穩(wěn)定后分別調(diào)節(jié)油水兩相含水率和流量，待流動(dòng)穩(wěn)定后，進(jìn)行測(cè)量。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
2．1油氣水三相條件下含水率對(duì)流量測(cè)量的影響
　　在不同氣體流量下標(biāo)定了渦輪流量計(jì)在油、氣、水三相流中不同氣相流量不同液相含水率時(shí)的響應(yīng)圖2固定氣體流量5m3/d渦輪流量計(jì)標(biāo)定曲線曲線。圖2為固定氣體流量5m3/d、液相流量及液相含水率變化時(shí)測(cè)量的渦輪響應(yīng)曲線，液相流量從60m3/d逐漸遞減到5m3/d，含水率從100%逐漸遞減到50%。測(cè)量數(shù)據(jù)表明，當(dāng)改變不同液相流量時(shí)的測(cè)量結(jié)果與10m3/d的測(cè)量結(jié)果一致，即當(dāng)固定氣體流量5m3/d時(shí)，在同一液相流量下，當(dāng)含水率從100%變化到50%時(shí)，渦輪響應(yīng)數(shù)值基本不變，保持在同一數(shù)值，即渦輪響應(yīng)受油水比例變化的影響較小。分析認(rèn)為，當(dāng)液相流量大于5m3/d時(shí)，由于集流傘的集流作用，使測(cè)量通道內(nèi)的流體流速提高，油水兩相以泡狀流流動(dòng)，并且使被測(cè)流體油水混合更加均勻，減小了油水相間的滑脫效應(yīng)；氣相的擾動(dòng)也減小了油水相間的滑脫，使得渦輪流量計(jì)響應(yīng)受油水兩相含水率變化影響較小，氣相成為影響渦輪流量計(jì)響應(yīng)的主要因素。

　　圖3為固定氣體流量5m3/d標(biāo)定的渦輪流量計(jì)響應(yīng)圖版。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，對(duì)于固定的氣相流量、不同含水率下的測(cè)量曲線近于重合，說明對(duì)于固定的氣相流量渦輪響應(yīng)與液相流量的響應(yīng)關(guān)系受油水兩相含水率的影響很小。因此，在氣體流量較低時(shí)，油/氣/水三相的流量測(cè)量問題可以簡(jiǎn)化成氣/水兩相的流量測(cè)量問題。固定氣體流量10m3/d及15m3/d標(biāo)定的渦輪流量計(jì)響應(yīng)規(guī)律同圖3。

2．2氣/水兩相條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果及誤差分析
　　圖4為傘式集流器渦輪流量計(jì)在氣/水兩相流圖4渦輪流量計(jì)氣水兩相流標(biāo)定圖版中的響應(yīng)圖版。渦輪在低液量和高流量時(shí)有不同的規(guī)律，在水流量高于15m3/d時(shí)，保持氣量不變，渦輪響應(yīng)與水流量呈線性關(guān)系。在低液量下，即在水流量低于15m3/d時(shí)，渦輪響應(yīng)與水相流量呈非線性關(guān)系。此時(shí)隨著水流量的增加，渦輪響應(yīng)也增加，但較純水時(shí)的響應(yīng)增加緩慢，而且隨著氣量的增加，渦輪響應(yīng)對(duì)液相的敏感性越差。當(dāng)氣量達(dá)到10m3/d時(shí)，幾乎呈平的臺(tái)階，說明此時(shí)渦輪對(duì)液相流量失去了分辨能力，渦輪流量計(jì)在高氣量時(shí)測(cè)量低液相流量會(huì)有較大誤差。分析認(rèn)為，當(dāng)水流量較低（水流量小于15m3/d）時(shí)，在集流測(cè)量通道內(nèi)，當(dāng)氣量較少時(shí)，氣相滑脫明顯，氣相以較大的氣泡向上流動(dòng)［如圖5（ａ）所示，水流量10m3/d、氣流量1．44m3/d］，氣相對(duì)渦輪起主導(dǎo)作用，使渦輪響應(yīng)明顯偏高；隨著氣相流量的增加，持氣率不斷增加，更多的氣泡在集流傘頂端聚集形成段塞進(jìn)入集流通道。圖5（ｂ）為水流量10m3/d、氣相流量4．8m3/d時(shí)拍攝的高速攝像圖片，圖片顯示測(cè)量通道內(nèi)氣/水兩相流為段塞流。圖6為此時(shí)采集的渦輪響應(yīng)實(shí)時(shí)波動(dòng)信號(hào)，隨大塊氣體段塞的出現(xiàn)，渦輪響應(yīng)頻率劇烈波動(dòng)，最高幅度可達(dá)40Ｈｚ，渦輪響應(yīng)的平均值增加，導(dǎo)致渦輪流量計(jì)測(cè)量流量明顯偏高。尤其是氣相流量較高（大于９．6m3/d）時(shí)，在集流傘頂部形成氣頂，集流測(cè)量通道內(nèi)的氣段塞更加嚴(yán)重，較多的水流量被迫從集流傘與井壁之間的縫隙漏失，渦輪對(duì)液相流量變化失去了分辨能力，使渦輪流量計(jì)產(chǎn)生了較大的測(cè)量誤差。



2．3測(cè)量誤差分析
　　在實(shí)際的產(chǎn)出剖面測(cè)量中，儀器通常在液相中標(biāo)定刻度圖版。測(cè)井時(shí)不知道井下是否有氣，如果存在氣體，仍然使用液相圖版解釋，會(huì)產(chǎn)生很多誤差。
　　利用清水中渦輪的刻度方程計(jì)算加入不同氣體流量后渦輪響應(yīng)頻率所對(duì)應(yīng)的流量，即為加入氣體后的測(cè)量流量，再用所得測(cè)量流量減去配比的標(biāo)準(zhǔn)水流量，得到氣相加入后測(cè)量的絕對(duì)增加值，即加入氣相流量產(chǎn)生的測(cè)量誤差（見表1）。計(jì)算結(jié)果表明，加入氣體流量后，渦輪的測(cè)量流量明顯增加，尤其是液相流量較低時(shí)，增加的測(cè)量流量更高，氣體對(duì)流量測(cè)量產(chǎn)生了較大的測(cè)量誤差。低氣量下，平均1m3/d的氣量產(chǎn)生的測(cè)量誤差大約相當(dāng)于5m3/d（絕對(duì)增加值）。


　　利用測(cè)量的絕對(duì)增加值除以滿量程流量80m3/d，得到氣體對(duì)流量測(cè)量的滿量程誤差（見圖7）。計(jì)算結(jié)果表明，只有氣體流量為3m3/d以下液相流量10m3/d以上時(shí)，滿量程測(cè)量誤差在10%以內(nèi)，其他測(cè)點(diǎn)滿量程誤差均大于10%。
3結(jié)論
（1）氣體流量較低時(shí)，在同一氣體流量下保持液相流量不變、液相含水率從100%變化到50%時(shí)，渦輪流量計(jì)與液相流量的響應(yīng)關(guān)系不受油水兩相含水率的影響或受油水兩相含水率的影響很小，可以將油/氣/水三相的流量測(cè)量問題簡(jiǎn)化成氣/水兩相的流量測(cè)量問題。
（2）在不同含氣量條件下，渦輪在低液量和高液量時(shí)有不同的響應(yīng)規(guī)律，在水流量高于15m3/d時(shí)，渦輪響應(yīng)與水流量呈線性關(guān)系。在水流量低于15m3/d時(shí)，渦輪響應(yīng)與水相流量呈非線性關(guān)系，當(dāng)含氣量達(dá)到10m3/d時(shí)，渦輪響應(yīng)呈水平的臺(tái)階狀，渦輪對(duì)液相流量失去了分辨能力。
（3）液相流量較低時(shí)，渦輪流量計(jì)測(cè)量流量明顯高于標(biāo)準(zhǔn)流量，即使是較低的氣體流量也會(huì)對(duì)渦輪流量計(jì)產(chǎn)生較大的測(cè)量誤差。當(dāng)氣體流量為3m3/d、液相流量小于10m3/d的條件下以及氣體流量大于3m3/d的條件下，液相流量測(cè)量誤差均大于10%。

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