《油气水三相流测量仪的研制》由会员分享，可在线阅读，更多相关《油气水三相流测量仪的研制（61页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第一章绪论第一章绪论 1 1 研究三相流测量仪的目的和意义多相流体力学是一门新兴学科，是流体力学的一个重要分支，仅有数十年的历史，在动力、化工、石油、制冷和宇航等领域都有着重要应用。多相流计量技术属于国际前沿课题，有着广阔的发展空间。在石油工业领域，油气分离后计量是目前普遍采用的计量手段。但是，随着油田开发环境的变化，如边远油田、海上油田，以及所开发油田油藏特征的日趋复杂，以多相流计量技术为代表的新的开发和输送技术的需求日益迫切“1 。那么什么是三相流? 在异质物体或系统中，各种存在着分界面的独立物质称为相。3 。气体、液体和固体颗粒混合在一起的流动称为气液固三相流。气体与两种不能均匀混合、互
2、不相溶的液体混合物在一起共同流动称为气液液三相流。后一种三相流就石油工业而言是指含有气相、油相和水相的- l e e 混合物。在三相流中，三相之间不仅存在着分界面，而且这分界面是随着流动在不断变化的。当原油从几千米深的油井中喷出时，很少是单一的液态或者气态的碳氢化合物，大多为原油、水和天然气的三相混合物。地质家为了操作油田开发，必须掌握单口油井的产量，当然这包括每I ：1 油井的产油量、产水量和产气量0 1 。现今，世界上的许多石油生产国，包括中国在内，常常把多口油井的产物交替输入计量分离器，由分离器将油井产物分离成为油、气、水- = l e e ( 或气、液两种) 单相流体，然后，在分离器的
3、油、气、水各自的出口管线上分别安装油、气、水单相流量汁、温度计等仪表来计量三种流体的产量，从而获得总流量。但是这样做存在着诸多显著的问题：( 1 ) 由于多口油井使用同一分离器，对于单口油井无法实现连续计量，导致计量结果的代表性差。( 2 ) 实际上，现有技术的计量分离器很难做到将油井产物完全分离成油、气、水- l e o 单相流体。一般的，分离器只能将油井产物分离成伴生天然气和油水混合液两种流体。要想知道纯油产量和纯水产量，还需要对油水混合液进行含水分析。如果分离器的分离效果差，将增大单相流量仪表和含水分析仪表的测量误差。( 3 ) 由于计量闻内的三相分离器的结构和流程复杂，需要控制的环节较
4、多，因而导致建站、运行、维护费用高，而且不利于现实生产过程和管理的自动化。如果能开发出- l e e 多相流测量装嚣，不需要分离，直接获得油气水三组分各自含量，这对油田传统的工艺设计将是一场重大的革新。因此多相流计量技术孕育而生。多相流量计就是一种油井产出物不需分离就可直接进行计量的装置。它吸引人们的显著特点就是无人值守的操作和不用相分离，流量计远没有常规测试分离器那么笨重，其测量为实时测量，这种流量计可以迅速地测量流量，具有较好的准确度和可重复性，且不用人员干预。其在石油工业界的应用前途广泛。 1 2 三相流测量仪的发展历程及国内外现状早在7 0 、8 0 年代国外的T U L S A 大学
5、在其流体流动工程测试环通上就丌始了研究。最早的有关多相流计量的文章是由B P 和T E X A C O 在8 0 年代中期发农的。E U R O M A T I C 、西安石油大学硕士学位论文T E X A C O 、B P 等人研制了第一代多相流量计，最早进行现场试验的流量计是E U R O M A T I C “1 。1 9 9 3 年5 月在伦敦召开了多相流量计及其在海上应用研讨会。美国、英国、德国等国家，投入了大量的财力、人力进行多相流量计的研制和开发。但由于当时的技术条件限制，未获得可供应用的成果。大多数的测试技术仅局限于实验室研究，为数不多的商品化的多相流量计在工业中也存在着很大的
6、局限性，并且造价昂贵。我国在1 9 8 6 年召开了第一届全国多相流测试技术讨论会，随后在1 9 8 8 、1 9 9 0 、1 9 9 2和1 9 9 6 年分别召开了第二、第三、第四和第五届多相流测试技术讨论会，1 9 9 5 年在南京召开了首届国际多相流测试技术学术会议。近年来，相关流量测量技术、计算机自动控制和数掘处理机技术促进了多相流流量技术的发展，美国、挪威、法国、英国、俄罗斯和中国等都投入了大量的人力、物力研制出一批多相流量计，并建立了一批多相流鉴定装置，使得这一技术获得了实质性的进展，研制出一批可供生产应用的试验样机。在国外，挪威K V A E R N E R 公司、英国K V
7、 A E R N E R 公司、日本国家石油公司、美国石油自动系统公司、俄国鸟林郭依联合体。”等从事着相关研究工作并且已经开发出一些产品应用于市场，例如：F f a m o 公司的M P F M型多相流量计；K O S 公司的M C F 3 5 1 型多相流量计；A G A R 公司的M P F M - 3 0 1 型多相流量计等6 1 。在国内，西安交通大学、浙江大学、清华大学、大庆油田、兰州海默公司、北京石油大学先后开展了这方面的研究，取得了一定的进展。目前，兰州海默公司制造的多相流量计己在工业现场累计安装了5 0 余台”1 。任何一种多相流量计在成为商品推向油田应用市场之前，都必须对其性
8、能进行综合测试和评价，标定出其准确度，并在现场运行期间定期地进行检定。这种需要推动了多相流检定技术的发展。国外投入巨大的资金建立多相流检定装置。具有代表性的有英国国家工程试验室( N E L ) 多相流标定装置、挪威K O S 公司多相流标定装置，法国石油研究院的I F P 油气水多相流测试装置、英国S C H L u M B E R G E R 油气水三相流测试装置、挪威H Y D R O 石油公司研究中一I i , 的高压多相流实液测试标定装置、挪威F R A M O 公司的油气水多相流量测试装置、美国C O N O C O 多相流校验装置”。国内也相继建立了一些规模较小的测试装置，如中国
9、西安交通大学多相流测试装置、浙江大学两相流测试装置等。这些检定装置建设规模不等，各具自家特色，但总的来讲基本上都是由五个部分组成。”：( 1 ) 油气水单相供应系统：大多采用柴油、矿化水和氮气为介质，但H Y D R O 研究中心却是采用原油、天然气和产出水实液作为测试介质，大多都具有稳压和调压功能，H Y D R O 研究中心还可以变温。( 2 ) 油气水单项计量、混合系统：油水流量计量多采用速度式或容积式流量计，气体计量大多采用差压式流量计。( 3 ) 流态测试或透明管观察段：流态测试是一很困难的问题，H Y D R O 研究中心的高压多相流实液测试标定装置使用了v 射线仪测量气液组分和流
10、型，用电导仪测量油水流型。使用柴油或煤油介质的装置大多安装了透明管直管段，S c H L U M B E R G E R 公司的油第一章绪论气水三相流测试装置安装了1 5 m 长的透明管，借以观察系统的流型变化。( 4 ) 多相流水平、垂直、倾斜试验管：如W P 多相流装置的试验管的倾角可以从一5 。9 0 。变化。( 5 ) 油气水两相( 缓冲) 、三相分离：经测试段的三相流，每次测试标定后进入分离器进行油气水分离和缓冲，油水分离后可重复利用，空气放空，如介质是氮气天然气再净化循环使用。这样一套装置投资是比较昂贵的，国内西安交通大学、浙江大学基本上都具有上述五个部分的功能，但在规模上、功能上
11、、测试仪表配置、系统自动化水平和系统数据处理都有一定的差距。目前的三相测量仪还存在着以下几个问题“1 ：( i ) 计量准确度。在合适的流态条件下，流量、相分率在多相流量计的工作范围内，各项流量计量准确度为1 0 1 5 。因此目前所用的技术方案都属于间接测量，即需要先测出若干个数据，再经过数学公式推算出各相的体积流量，要得到诸如密度、粘度、介电常数和质量吸收系数等等，只有精确掌握这些系数，才能进行精确计量。当流体特性发生变化时，如果有关系数不能做出相应改变，计量准确度将受很大影响。另外，各项流量测量的准确度受相分率的影响很大；某相在测量管道截面所占的百分比较低，该相测量的不确定度就越大。(
12、2 ) 标定问题。多相流量计的标定问题尚未得到很好解决。现有标定装置只能对其组分测量仪器进行较好标定，对流速测量的标定只是通过分离器计量系统作准确度对L t N 试，但由于计量分离器本身误差也较大，这种标定没有多大实际意义。另外，当改变计算公式中的系数时，需要重新标定。如果计量流体特性变化较大时，标定工作就要频繁进行。尽管存在着这些问题，三相流测量仪仍有着很大的发展前景。未来三相仪有着以下几个发展趋势”1 ：( 1 ) 成熟的单相流参数测试技术与测量仪表在多相流检测领域的应用仍然是重要的研究方向。( 2 ) 借助于各种现代高新技术的发展，研制灵敏度、准确度和。丁靠度高的多相流传感器和参数测试仪
13、表势在必行。( 3 ) 利用汁算机技术和图像处理技术，获取多相流体系统二维或三维时一空分布信息。应用过程层析成像技术，对多相流局部空间区域进行微观和瞬念测量。( 4 ) 完善与推广目前已有相当基础的相关法等测试技术。( 5 ) 随着随机过程理论和信号处理技术的不断完善和发展，应用数理统计、过程识别参数估计和模式识别等理论和技术，进行多相流参数估计的软测量方法将会成为重要的研究方向。( 6 ) 对多相流动过程中参数测量系统的建模、特征参量的选取、时变性的自适应功能和动态跟踪能力等基础理论的研究，阻及对多相流参数的校验标定方法和误差分析等基础方法的研究将同益受到关注。 1 3 论文主要工作本课题的
14、目的在于研制一种能够在线实时测量、监控的油气水三相不分离测量装置；论交的主要工作是：了解y 射线与物质的艟I 匾作用以及N a I ( T I ) 闪烁探测器探测原理；了解备种流态对混合流体的影响；了解温度、压力对混合流体的影响；了解文R 利管的流西安彳i 油大学硕士学位论文量测量：在这些基础上设计、制做出下位机电子仪器，用C 语言编写单片机程序，用V i s u a lc 十十6 0 编写数据获取处理程序，实现对下位机传送上来的数据进行处理、存储、动态显示等。第二章三相流洲量仪的总体构成第二章三相流测量仪的总体构成 2 1 常用计量方法不分离多相流量计主要采用“混合液总流量+ 各相百分比”以
15、及“各相流速+ 各相在测量管道截面所占百分比”两种方法来实现。( 1 ) “混合液总流量+ 各相百分比”式。应用流体力学、重力法、热扩散原理及多相流理论建立数学模型。在结构上采用倒u 型管和前后测量直管段工艺流程。在入口直管段上有静态混合器和文丘利管，出口直管段上有压力变送器，倒u 型管的上升段和下降段分别装有差压变送器，下降段还有利用热扩散法测油水比的温差测量传感器( 图2 1 ) 。多相流经过流态调整，各相均匀 匿合，处于同一流速。现场仪表对压力差、温度差、流体压力和流体温度等7 个参数进行检测，数据采集器每5 m s 采集一次数据，利用数学模型由计算机得到各相的体积流量。囤2 1 “混合
16、液总流量+ 各相百分比”式( 2 ) “各相流速+ 各相在测量管道截面所占的百分比”式。在垂直测量管段上装有测量多相流介电常数的微波传感器，测量流体密度的Y 密度计以及测量流体各相流速的微波相关传感器( 图2 2 ) 。数据采集器每秒采集一次数据，利用数学模型计算出油、气、水各相的流速以及各相所占的体积百分数，再结合密度值得到各相的质量流量。晡安石油大学硕士学位论文出玎传痔器一人艮B 翔e 我舍琏i j 速覆褪4 蟹 鞫8 联台进行飒丹耩最图2 - 2 “各相流速+ 各相在测量管道截面所占的百分比”式目前开发应用的多相流量计，都不同程度的用到了流型干预技术、组分测量技术和相流速测量技术：( 1 ) 流型干预技术。流型是影响多相流量计测量范围和准确度的主要因素。欲对每种流型的流动规律进行定量研究，建立精确的流型数学模型是很难实现的。采用流型干预技术则能使流型简单化、单一化，从而找到解决问题的办法。例如：挪威F r a m o 公司、T E A 公司、西安交大等使用的静态混合器；兰州海默仪器制造有限公司采用的流型调整器都利用了流型干预技术。( 2 ) 组
