一種計量稠油中油氣水三相流的方法和裝置研究

潘艷芝,王棟,鞏大利,鞠朋朋

(1.西安交通大學動力工程多相流國家重點實驗室,710049,西安;2.蘭州海默科技股份有限公司,730000,蘭州;3.大慶油田設計院,163712,黑龍江大慶;4.海洋石油工程股份有限公司,300461,天津)

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一種計量稠油中油氣水三相流的方法和裝置研究

潘艷芝1,2,王棟1,鞏大利3,鞠朋朋4

(1.西安交通大學動力工程多相流國家重點實驗室,710049,西安;2.蘭州海默科技股份有限公司,730000,蘭州;3.大慶油田設計院,163712,黑龍江大慶;4.海洋石油工程股份有限公司,300461,天津)

油田現場稠油井黏度大、流動性差,傳統的分離計量方法很難對其準確計量;另外,稠油油井的流量范圍較寬,每天產油量可以從幾桶到1 000多桶,可以從不含氣到含氣率高達80%,一般計量設備難以覆蓋這樣的井況條件。為了解決這些難題,研究了一種計量稠油中油氣水三相流的方法,可以適應較寬的油井產量范圍,該方法包含一個文丘里流量計、雙能伽馬傳感器和配備差壓傳感器的小型分離器。當稠油多相流流量較高處于文丘里流量計的計量范圍內時,采用文丘里流量計和雙能伽馬傳感器來測量稠油中的油氣水流量,同時考慮低雷諾數流動條件下對文丘里流出系數的實時動態計算,建立了適當的模型。當稠油多相流流量處于文丘里流量計的下限或呈間歇流時,利用小型分離器內累積的液相差壓對液相進行稱重式計量,結合伽馬傳感器測得的相分率,可得油氣水流量。該方法利用伽馬射線技術測量稠油的相分率,使得稠油的相分率計量更精確,不受稠油形態的影響;同時,結合準確的稱重計量原理,真正實現了對稠油進行油氣水三相的在線實時計量。實驗結果表明,液相流量、含水率、氣流量標準偏差分別為4.2%、1.5%、6.3%。

多相流;稠油;文丘里流量計;雷諾數;伽馬傳感器;小型分離器

在石油工業中,多相流量計已經被越來越多的人認可,并且逐步作為傳統設備的替代品得到快速發展。此外,石油生產越來越關心較高API導致的對氣藏凝析油的處理方法和較低API的情況,即稠油兩種極端情況。稠油井具有流量小、含氣率低、原油黏度高、流動性差、原油極易形成乳化原油或發泡原油的特點。常用的稠油開采單井計量方法大多為使分離計量和翻斗量油計量法。分離計量法一般使用傳統的測試分離器,對稠油進行油氣水三相分離或氣液兩相分離后再分別進行計量。由于稠油自身的特性,分離器對稠油的分離效果比較差,分離后液體中殘存的氣體對于再用液相流量計或用體積流量計測量流量會造成較大的誤差,而且稠油液相中的油、水也不易分離,進行油氣水三相徹底分離比較困難,而進行氣液兩相分離、確定液相中的含水率也是一個挑戰,故一般采用離線取樣分析方法確定稠油中的含水率,但這并不能實現對含水率的實時在線計量。翻斗法量油是一種機械方法,設備有可動部件,對黏度較高的稠油計量誤差較大,效果不理想,故障率高,且需要采用離線取樣分析的方法確定稠油中的含水率,來進行油水流量的計算,未能真正實現含水率的實時在線計量和油水的實時在線計量。

傳統型的測試分離器基于重力分離的原理,但稠油一般存在油水乳化嚴重或液中帶氣的問題,所以用測試分離器測試稠油會有較大誤差。在過去30年里,已有各種類型的用于稠油在線計量的非分離型多相流計量設備。節流式流量計量裝置,如孔板或文丘里,因其結構簡單且可靠性高的優點而廣受研究[1]。流體黏度對流量計計量的影響體現在流出系數(discharge coefficient)上,在計量低雷諾數的流體時,對于流出系數受到的影響已有一些研究[2]。一般情況下,一個單相流量計無法計量氣液兩相流體,需要和其他計量裝置一起完成計量。SUN利用文丘里流量計(簡稱文丘里)、渦街流量計結合的方法測量油、氣兩相流量[3]。ZHANG等利用雙V錐流量計測量高含氣率的氣液兩相流量[4]。Meribout等利用聲學測量結合阻抗原理的方法測量氣液兩相流體中每個單相流體的流量[5]。Oliveria等研制了利用文丘里或結合空隙率傳感器裝置的孔板測量氣液兩相質量流量[6]。Reis等利用文丘里噴嘴、電容相分儀的方法測量空氣、水混合物的流量[7]。

對于稠油,流量范圍通常變化較大,很難使用單一的多相流量計測量所有的流量。因此,本文提出了一種準確、寬量程的方法來解決這個問題,該方法結合了伽馬、文丘里及分離器技術,其中伽馬技術用來測量相分率,文丘里用來測量較高的流量,微型分離器用來測量較低或間歇性油井的液流量。

1 測量裝置和原理

本文的稠油測試裝置包含一個合適尺寸的文丘里、雙能伽馬傳感器和小型的分離器,如圖1所示。在稠油流量較高時使用文丘里對稠油進行油氣水總流量在線計量;在稠油流量較低時使用小型分離器對稠油進行氣液分離,利用分離器罐體上配備的差壓變送器,對稠油液相進行稱重計量。結合雙能伽馬測得的稠油的相分率,即含氣率GVF、含水率WLR,可計算得到高、低流量下油氣水的各相流量。為了增強流經裝置稠油的流動性,設備外部可纏繞電伴熱并包覆保溫層,分離器底部可安裝直接或間接電加熱器對稠油進行加熱,分離器的液相出口可安裝稠油齒輪泵,在排液階段加速排液。

1:溫度變送器;2:雙能伽馬相分率計;3:文丘里管;4:氣路控制閥;5:小型分離器;6:差壓變送器;7、12:手動閥門;8:液路控制閥;9:稠油齒輪泵;10:油浴加熱罐;11:加熱器圖1 稠油流量計計量原理圖

當稠油流量較高時,使用文丘里和伽馬相分率計對稠油的油氣水三相進行計量。氣路控制閥、液路控制閥、關斷閥設置為全開狀態,分離器對流體不進行任何處理。由于稠油含氣率通常比較低,且大部分氣體溶解在原油中,在豎直管線中多為泡狀流,加上乳化嚴重,氣、液速度接近,可近似為均相流。文丘里測得的稠油的油氣水三相總體積、總質量流量、系統參數和混合密度

(1)

式中:ΔP為文丘里差壓值;C為文丘里流出系數。

文丘里流出系數C只有在雷諾數較高的情況下才近似為一個常數。對于稠油計量,由于稠油黏度較大,加上流量較低,故屬于低雷諾數流動范圍。本文基于大量不同黏度介質(25#變壓器油、32#油、150#齒輪油、切削液、API 17°油和自來水)的環線實驗,得到文丘里流出系數和雷諾數的關系,如圖2所示。擬合得到雷諾數和文丘里流出系數的經驗關系式

(2)

圖2 文丘里流出系數和雷諾數的關系

雷諾數是表征流體流動特性的一個重要參數,跟油氣水三相流體的混合黏度、流速、文丘里入口尺寸相關,即

(3)

式中:D為文丘里入口內徑;μmix為流體混合黏度;k為單位換算系數。

在式(1)～(3)中,油氣水總質量流量、流出系數和雷諾數均未知,要想計算這3個量,需進行迭代計算。計算步驟為:①假定流出系數初始值C0為1,通過式(1)可求得qm;②通過式(3)計算得到雷諾數Re;③通過式(2)計算得到流出系數C1;④如果C1-C0≤0.001,結束計算,否則令C0=C1重新執行步驟①～④,直到兩個流出系數相減不大于0.001。

得到流出系數后,結合雙能伽馬測得的GVF和WLR,可得稠油中氣液水油各相體積流量

(4)

流量均為工況下流量,需通過恰當的稠油模型得到標況下各相流量。

為了保證文丘里測量精度,流過文丘里產生的差壓通常不小于3 kPa。當稠油流量較低時,通常會超出文丘里的測量下限,故文中測量方法將不再使用文丘里對稠油流量進行計量,而采用小型分離器、相分率計的組合對稠油流量進行計量。計量過程為:首先在分離器進行積液,此時氣路控制閥全開,液路控制閥全閉;關斷閥關閉,在積液過程中,相分率計實時測量GVF、WLR,分離器上安裝的差壓變送器實時記錄差壓變化。對差壓變送器通過自來水進行事先標定系數M,M為1 kPa差壓變化對應的質量,可作為一個常數系數用于該裝置。由于采用稱重方法計量液體流量,含水率由上游的伽馬相分率儀給出,故小型分離器中油水的混合狀態對測量結果無任何影響。

在分離器積液的過程中,t1、t2時刻差壓變送器的值分別為ΔP1、ΔP2,則可計算出稠油中液體的質量流量、液相的工況混合密度

(5)

(6)

結合伽馬相分率計測得的GVF、WLR,可得稠油中液水油氣各相流量

(7)

總之,當稠油流量較低時,采用分離器和相分率計的組合對稠油流量進行計量,分離器按照積液、排液的順序循環工作。在積液過程中裝置進行稠油流量的計量,排液的過程不進行計量,但可將積液過程的流量平均值表示為排液過程的流量。這種計量方式的特點為取樣計量,在流量較低時,積液的時間段遠大于排液的時間段,即使是一種取樣方式,也不失計量的準確性。

本文測量裝置真正實現了對產量從大到小的稠油進行油氣水三相的在線實時計量。利用伽馬射線技術測量稠油的相分率,使得稠油的相分率計量更精確,不受稠油形態的影響。在低流量條件下,利用分離器的差壓對稠油液相的流量進行質量計量,而非采用傳統的正排量體積流量計在液路出口對稠油液相進行體積流量計量,可避免稠油形態(如發泡稠油)對計量結果的影響。發泡稠油中的氣相對差壓變化的貢獻可忽略不計,差壓的變化主要由發泡稠油中液相的重量變化引起,所以差壓的變化能實時準確反映液相的質量或體積流量。若在液路出口使用正排量體積流量計對發泡稠油液相體積進行計量,則其中裹挾的大量氣體對液相的體積計量會造成很大的誤差。分離器的氣路和液路出口處不需再安裝氣相和液相流量計進行計量,節省了成本,省卻了儀表的安裝、維護等工作。此測量裝置可配備加熱器、電伴熱,對流體進行加熱來增強稠油流體的流動性,也可配備泵,在低流量使用分離器計量條件下用于排液階段來加速排液速度,從而使積液時段在一個積液、排液周期中占比更大,縮短排液周期,這樣計量時段也更長,能更好實現實時計量。

2 實驗方法

實驗樣機采用文丘里管的測量范圍如圖3所示。液量測量范圍為0～400 m3/d,含氣率為0～95%,含水率為0～100%。實驗在海默科技多相流環線上進行,實驗介質為空氣、變壓器油、水。雙能傳感器安裝于文丘里的喉部。文丘里和小型分離器配備的差壓、壓力和溫度采集均采用ROSEMOUNT公司的高精度傳感器。流態穩定后,每個實驗點測試時間均為15～20 min。操作壓力為0.15～0.4 MPa,液體流量范圍為1.0～17.0 m3/h,含氣率范圍為0～75%,含水率范圍為0～100%。實驗環線的油路、水路單相標準表精度為0.2%,氣路單相標準表精度為1%～2%。

實驗過程中根據測得的文丘里差壓選擇測量模式。當文丘里差壓小于等于3 kPa時,采用小型分離器和相分率儀進行油氣水三相計量,否則使用文丘里和相分率儀進行計量。

圖3 稠油流量計測量范圍

3 實驗結果及分析

基于環線的處理能力,在用文中方法制造出的樣機的測量范圍內一共選取了30個測試點。通過流體經過文丘里產生的差壓來選擇測量模式,其中14個測試點用小型分離器和相分率儀來測量的,剩余的16個測試點由文丘里和相分率儀來測量。測試結果證明液流量、氣流量和含水率標準偏差分別為4.2%、6.3%和1.5%。圖4～圖6分別詳細展示了液流量、氣流量和含水率誤差。

圖4 不同含氣率下液流量誤差

圖5 不同含氣率下氣流量誤差

圖6 不同含氣率下含水率誤差

4 結 論

基于稠油多相流黏度高、流動性差、液體流量范圍跨度大等特點,且常伴隨乳化和發泡的現象,本文提出了一種計量稠油中油氣水三相流的新方法。當稠油流量較小時,通過小型分離器的取樣稱重方法確保了稠油中液體的測量精度;當稠油流量較高時,建立的低雷諾數文丘里流出系數模型保證了文丘里總流量的測量精度。使用伽馬相分率儀測量稠油中含氣率和含水率,由于伽馬光子和物質之間的作用在分子尺寸上,不受宏觀因素稠油形態(乳化、發泡、溶解氣)的影響,是當前最準確的測量稠油中相分率技術。

根據文中測量方法制造的樣機在多相流環線進行實驗,證明此方法測量的液流量、氣流量、含水率標準偏差分別為4.2%,1.5%和6.3%,其精度和測量范圍可滿足現場大部分稠油井計量。

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[2] 馬躍, 鄭舉, 唐曉旭, 等. 多相流量計在渤海稠油油田的應用研究 [J]. 石油規劃設計, 2012, 23(1): 36-41. MA Yue, ZHENG Ju, TANG Xiaoxu, et al. Application of the MPFM to the Heavy Oil Field of Bohai Sea [J]. Petroleum Planning & Engineering, 2012, 23(1): 36-41.

[3] SUN Zhiqiang. Mass flow measurement of gas-liquid bubble flow with the combined use of a Venturi tube and a vortex flowmeter [J]. Measurement Science and Technology, 2010, 21(5): 055403.

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(編輯 趙煒 荊樹蓉)

Investigation on the Oil-Water-Gas Measurements in Viscous Oil

PAN Yanzhi1,2,WANG Dong1,GONG Dali3,JU Pengpeng4

(1. State Key Laboratory of Multiphase Flow in Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China;2. Lanzhou Haimo Technologies Co. Ltd., Lanzhou 730010, China; 3. Daqing Oilfield Design Institute,Daqing, Heilongjiang 163712, China; 4. Offshore Oil Engineering Co. Ltd., Tianjin 300461, China)

Due to the high viscosity and poor mobility, it’s difficult to measure the viscous oil well accurately with traditional test separator. Besides, viscous oil wells have a wide range of flow rates, often from several to thousand barrels per day, while the GVF varies from 0 to 80%. So few measuring devices are able to test viscous wells. To address this issue, this paper proposes a method for oil-water-gas measurements in heavy oil applications, which covers a wide flow range. It includes a Venturi meter, a dual gamma sensor and a mini separator equipped with a differential pressure transmitter (DPT). When the viscous oil flow rates are in the measuring range of Venturi, a proper-sized Venturi and a dual gamma sensor are used to measure the flow rates of oil, water and gas, respectively. Since the viscous oil is flowing with low Reynolds number, a suitable model was established to calculate the discharge coefficient of the Venturi. When the multiphase flow rate falls outside the low limit of the Venturi meter or it is an intermittent flow, the liquid mass flow rate can be obtained through a mini separator, where the liquid accumulates and generates differential pressure across the separator. Combing with gamma sensor, we can get the flow rates of oil, water and gas respectively. In this method, gamma rays technology is used to conduct the phase fraction measurement more accurately. This technology is independent of viscous oil flow patterns such as emulsion. Coupling with the weighing method through the mini separator, a full range on-line measurement of oil, water and gas in viscous oil can be realized. The experiments on a prototype meter (2 inch Venturi and DN50 piping) made by this method were carried out in a multiphase test loop. The test results indicate that the measurement standard deviations of liquid flow rate, WLR (water to liquid ratio) and gas flow rate are 4.2%, 1.5% and 6.3%, respectively.

multiphase flow; viscous oil; Venturi meter; Reynolds number; gamma sensor; mini separator

2015-11-05。 作者簡介:潘艷芝(1979—),女,博士生,高級工程師。

10.7652/xjtuxb201607021

O121.8;G558

A

0253-987X(2016)07-0140-05