PhaseWatcher Vx多相流量計原理和應用

摘要：文章針對南海某氣田項目使用的PhaseWatcher Vx多相流測量技術的發展概況進行了調研，說明了多相流量計的基本結構和測量原理；分析了PhaseWatcher Vx多相流量計的功能特性，指出了該流量計具有較高的測試精度和可靠性，在實際生產中多相流量計將逐步取代傳統分離器，具有較高的應用價值。

關鍵詞：PhaseWatcher Vx；多相流量計；測試精度；可靠性；氣田項目 文獻標識碼：A

中圖分類號：TE54 文章編號：1009-2374（2016）24-0045-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.24.022

1 PhaseWatcher Vx多相流測量技術概述

1998年，斯倫貝謝公司和Framo公司通過其合資公司（3-Phase測量公司）開發出了PhaseWatcher Vx多相流測量技術。該多相流量計系統可通過水下ROV安裝和回收，具備靈活性、可維修性。它們在5個獨立測試設施上進行了1500多次流動環路實驗，得到了5000個流動狀態測試點的數據，結果表明Vx技術非常可靠。PhaseWatcher Vx系統2004年10月交付并投入使用。現場驗收流程包括多次現場測試，以便評估流量計的性能。到目前為止，實際應用表明PhaseWatcher Vx系統測試結果非常準確（誤差精度在3%），具有出色的測量可重復性。

2 PhaseWatcher Vx多相流量計的基本結構

PhaseWatcher Vx多相流量測量裝置的基本結構如圖1所示：

PhaseWatcher Vx多相流量測量系統主要包括四個部分：帶有壓力和差壓測量的文氏管、高性能的伽馬持相率測量系統、集成的數據采集流量計算機、三相流模型。本系統是一個完整的、獨立的內聯多相流量測量系統，用于測量三個階段性的分相流速（油、水和氣）。PhaseWatcher Vx技術無須使用上游流動混合裝置，從而減小了設備的尺寸和重量。該系統沒有運動部件，基本上無須維護保養。管內流體經過入口進入一段短的直管線，直管線通向一個倒T形管，該倒T形管的一個水平端被封閉。該倒T形管預先調節并將液流向上導入流量計中的文氏管，在流體開始進入文氏管流量計之前，流體流過文氏管喉管，根據流量的不同，該系統可提供29毫米（1.1英寸）、52毫米（2英寸）和88毫米（3.5英寸）的文氏管喉管尺寸。高性能的伽馬持相率測量系統配有單個低強度放射性化學源的雙能譜伽馬射線探測器，以測量總的質量流量以及氣、油和水的持率。

3 PhaseWatcher Vx多相流量計的測量原理

3.1 流量測量原理

PhaseWatcher Vx多相流量計利用文氏管測量流量，測量原理是基于文氏效應，該效應表現在受限流動在通過縮小的過流斷面時，流體出現流速增大的現象，其流速與過流斷面成反比。而由伯努利定律知流速的增大伴隨流體壓力的降低，即常見的文丘里現象。通俗地講，這種效應是指在高速流動的流體附近會產生低壓，從而產生吸附作用。利用這種效應可以制作出文氏管。

3.2 持相率測量原理

PhaseWatcher Vx多相流量測量系統采用高性能的伽馬持相率測量系統測量分相持率，瞬時的油、水和氣體組分計算測定是基于兩個不同的伽瑪放射性同位素的能量水平的衰減。伽瑪射線包含了不同的能級，這些能級的衰減可以由物理方程表示。

γ射線的衰減取決于滲透材料的密度和質量衰減系數，如式（1）：

（1）

式中：表示伽馬射線探測器的計數率；表示“空管”的計數率；表示伽瑪路徑長度；表示滲透材料的密度；表示滲透材料的質量衰減系數。

在多相流情況下，油、水和氣混合為均質混合物，此時式（1）可表示為：

（2）

式中：，下標、和分別表示油、水和氣；表示持油率；表示持氣率；表示持水率；表示路徑長度[文丘里喉道半徑（D）]。

由于、和未知，需要兩個方程來解決系統。雙能量伽瑪分數計利用放射源發射輻射在不同能量水平上的放射進行測量。PhaseWatcher Vx利用來自鋇源的兩個能級進行多相流分數測量。式（3）與式（2）每兩個能級建立一個方程類似，因為源和探測器之間的數量完全由三組分混合物占據，式（3）用來解決系統的直線前進特性：

（3）

從式（2），每個階段的輸入參數：質量衰減系數和密度，在分數計算時是已知的。質量衰減系數是由一個特定的材料（液體）的化學成分給定的常數。石油和天然氣（碳氫化合物）的質量衰減系數不受到壓力或溫度影響，并能夠在大多數穩定的野外場景下應用。石油和天然氣的密度為溫度和壓力的函數。水的質量衰減系數和密度是稍微依賴鹽含量，因此可能隨著時間的推移產生良好的變化。水的化學成分被稱為固定的（因為它在大多數情況下，經常用于抽樣測試壓力-體積-溫度分析的目的），和送入計算機軟件時進行調整，并不需要一個重新校驗傳感器。還有一個圖形化的方式能夠獲得三個持相率。100%的石油、100%的水和100%的氣為一個三角形的角落。沿x和y軸分別給出了探測器計數率在能級1號和2號。在測量中的油、水和氣體的任意組合，得到的點均在三角形的內部，因此稱為“解三角形”，如圖2所示：

從圖2中很容易得出持氣率和水液比（WLR）。當WLR=，能夠得出的值。重要的是需要強調一下，雙能伽馬技術僅依賴于γ射線的衰減。衰減測量階段的分布是完全獨立的，無論是液體油連續狀態（通常0%～40%的WLR）、水的連續狀態（通常為70%～100%的WLR）或在擴散正常的過渡區。

4 PhaseWatcher Vx多相流量計的功能特性

4.1 系統輸出參數

PhaseWatcher Vx多相流量計中具有如下輸出參數：標準和線路條件下的水、油和氣體的體積流速；標準和線路條件下的水、油和氣體的相份額；總質量流率；水液比；氣體積分率；油氣比；基本的泥沙和水；油、水和氣體的累積質量/體積值；油的質量流率；氣體質量流量；丘差壓力；線壓力；線溫度；選定文件系數。

4.2 可靠性

Framo工程公司采用系統級的PhaseWatcher Vx MTBF數據（遠超過MIL-HDBK 217-F模型的指標）。經測試分析PhaseWatcher Vx的可靠性、可用性和可維護性，得出PhaseWatcher Vx運作經驗的MTBF=21.7年的結論。如果所有海底冗余儀表安裝符合PhaseWatcher Vx標準的儀表（DAFC和變送器），那么MTBF值將超過30年以上。

4.3 數據采集、流量計算機DAFC

系統中主DAFC被激活，備份DAFC斷電（“睡眠”）。當主DAFC失效，然后備份DAFC被激活，而失效的DAFC則關機。Vx傳感器（傳送器和伽馬射線探測器）可能只能連接到一個DAFC一段時間。中繼板默認情況下將連接發射機的主DAFC，如果二次DAFC通電后，然后傳感器會自動切換。

4.4 傳送器

所有的傳送器（差壓傳送器、線壓傳送器和線溫傳送器）成對的安裝，每個類型傳送器獲得同樣良好的運行條件，所有傳送器同時供電和運行。正是因此，可以從主傳送器查看和記錄數據（用于計量和流量計算），并在同一時間在備份傳送器上備份。如果一個主傳送器出故障，那么Vx安裝文件必須修改，例如備份傳送器將成為新的計量傳送器。安裝文件的修改是由操作員使用服務管理器應用程序完成。當修改后的文件上傳到Vx，新設置被激活后，軟啟動命令發送到Vx。在多點HART變送器的功耗是非常溫和的，大約為發射機的0.1%。所有傳送器任何時候都處于工作狀態，這并不會對儀器室中的溫度增加或整體系統的生命周期的惡化有明顯不同。

4.5 中繼臺

中繼臺包括冗余的儀器。這個設備的目的是確保發射機和伽馬射線探測器將自動連接到DAFC。該設備是由一系列簡單的高度可靠的單穩態繼電器組成。只要繼電器控制電壓產生電源DAFC/B或DAFC/B是未通電的，所有的繼電器被動連接到傳感器DAFC/A。

5 結語

隨著PhaseWatcher Vx系統應用的增加，在許多試井作業中多相流量計將取代傳統分離器，無需在一些生產站點安裝昂貴、體積龐大的設施。將來對傳統測試分離器的需求將日益來自流體取樣要求。然而流體取樣，特別是用于壓力-體積-溫度（PVT）分析的取樣，將由多相流量計來完成。隨著技術革新將有望將多相流量計用于溫度和壓力更高的環境中，這將顯著擴大Vx技術在海底的應用，并在陸上稠油熱采和天然氣市場中催生大量其他方面的應用。

參考文獻

[1] AI-Asimi M，Butler G，Brown G，Hartog A，Clancy T，Casad C，Fitzgerald J，Navarro J，Gabb A，Ingham J，Kimminau S，Smith J，Stephenson K.油井和油藏監測技術新進展[J].油田新技術，2003，14（4）.

作者簡介：丘濼霏，供職于中海油深圳分公司，在職研究生，研究方向：深水油氣田開發。

（責任編輯：蔣建華）