基于質量流量計測定的溶解氣對相含率測量的影響

韋紅術，張俊斌，魏裕森，吳旬偉

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

0 引言

油井的產出流體多為油氣水三相流，其中伴生氣的存在是難以對流量進行準確測量的主要因素[1]，其原因一是產出物中伴生氣時有時無，二是含量不固定[2]，三是現有的渦街流量計等很難準確測量氣液兩相流的流量[3]，另外一些測量方法則受到氣體含率的影響，如超聲波流量計在含氣率超過一定比例時就可能接收不到回波信號[4]。鑒于上述原因，目前在井口開展的流量測量多采用一種簡易的旋流式氣體分離裝置，對分離氣體后的油水混合流體，通過質量流量計進一步檢測含油量和含水量。在這種測量方法中，旋流式氣體分離裝置不需要供電，僅依靠流體的動能通過多級旋流器實現氣液分離，在結構參靈敏設計合理的情況下，證實了這種分離方法可以達到很好的分離效果；另外，質量流量計也有很高的測量精度，但由測量結果得到的含油率這一最終關心的重要被測量卻有很大的誤差，甚至超過10%。通過理論研究和試驗驗證，證實了這種測量誤差產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量誤差。在此基礎上，提出了一種改進的測量方法。

圖1 流量測量系統示意圖Fig.1 Flow measurement system schematic

1 氣體分離效果

1.1 測量系統的結構

帶有旋流式分離器和質量流量計的流量測量系統如圖1 所示。該系統作為一個整體，串接在生產管線上，即測量系統的入口和出口分別與生產管線的來流和去流管線相連。被測的氣液混合流體由來流管道-7 進入多級旋流分離器-2，分離后的氣體由排氣管-1 排出，油水混合流體經液體墊-3 進入液體排出管-4，并由質量流量計-5 測量混合液體的質量，對已知的油水密度可由質量計計直接得到油和水的體積含量和質量流量。測量過程完成后，被計量過的液體和分離后的氣體在測量裝置內部匯合，從測量系統的出口-6 排出并進入到生產管線的去流管道。測量系統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入到液體管道中。

表1 典型的氣水兩相流測量結果Table 1 Typical gas-water two-phase flow measurements

1.2 氣水分離效果

為了驗證氣體的分離效果，分別對純水和氣水兩種情況進行了測量。通過質量流量計測量流量，在純水時質量流量測量出的水的密度為0.979g/ml。對氣水兩相流試驗時，將圖1 所示測量系統接入到圖2 所示的試驗流程中，試驗時，考慮到氣體相對于水的流量越大，氣液分離難度也越大，也更難保證測量精度。為了加嚴考核，試驗時采用的水流量為5.7lm3/d，加入的氣體體積流量為水的90%，質量流量計輸出的質量流量、體積流量、質量、體積、密度，見表1。表1 中密度誤差是指加氣前后流量計所測密度的相對誤差。

對表1 給出的試驗結果分析如下：

1）加氣后，質量流量計給出的流量是不恒定的，其中質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，流體的流量是不穩定的。流量時大時小，類似于泡狀流，這與純水情況下的穩定流量有著明顯的差異。這種差異體現了高含氣率的特征，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，相對于純水情況而言，流體密度的平均測量誤差為1.01%。這說明即使在氣體流量很大情況下，分離系統仍然是比較好的，存在誤差的原因認為是水中有一定的溶解度引起的，但這種溶解度對測量結影響不大。

2 油水混合流體中相比例測量

將水和購置的機械白油分別經電子秤稱量后，注入到試驗系統的攪拌罐內，其中含水率為60%，含油率為40%。在攪拌均勻的情況下，啟動流體泵及測量系統進行試驗，其中泵的排量為4.8m3/ d。由于這種試驗不含氣體，流體的流動非常穩定，多次試驗結果的一致性也很好，表2 給出了一組典型的試驗結果。

表2 油水兩相流的實驗數據Table 2 Experimental data on two phases of oil and water flow

表3 油氣水測量結果Table 3 Measurement results of oil, gas and water

對表2 所示試驗結果分析如下：

1）表2 中給出的流速是穩定的，且混合密度也是均勻的，這一現象體現了流體中不含氣體時流體流動的穩定性，同時也說明油水兩相流經過合理地攪拌后，混合是均勻的。

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

3 油氣水三相流的測量

前述油水混合液體試驗的結果表明，如果氣液分離效果較好，即氣體能夠被充分分離，采用質量流量計測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，結果見表3。表3 中匯總了加氣與不加氣的測量結果，以形成對比。試驗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 中所述標定結果是指：對圖1 所示測量系統測量后的流體，由電子稱和計量管分別計量質量和體積而得到的結果。由于電子稱的分辨率為10g，計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，所以認為這種標定結果是比較準確的。由表3 可知，不加氣時，就質量和體積而言，標定的結果與質量流量計的結果非常接近，進一步證實了標定結果是準確的。

加氣前后，質量流量計測量到的質量分別為：46.005kg和46.363kg；體積分別為49.116L 和50.262L，質量和體積的相對誤差為：0.52%和0.67%，這說明不論加氣與否，質量流量計測量的體積和質量與標定結果是基本相同的。但含油率則由加氣前的39.2%變為加氣后的49.4%，與40%的實際含油率產生了很大的誤差。

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

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

事實上，在常溫常壓下，白油對氣體的體積溶解度可達5.6%，上述體積的變化量在溶解度范圍內并小于理論上的溶解度。這就說明：溶解氣的存在并不會引起體積的明顯變化，但會對相含率產生很大的誤差。

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

4 溶解氣引起相含率誤差的驗證

由取出的樣品計算相含率時，可認為樣品中的大部分氣體已經逸出。設油水兩相流中體積、質量、相含率分別為V、m、α，并用下標O 和W 分別表示油和水，不帶下標的V 和m 分別表示總體積和總質量，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，以表中質量流量計的測量結果為例，由質量和體積之比可分別計算出加氣和不加氣的混合密度為：

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

上述計算結果與流量計的測量結果符合地很好，通過以上計算可知，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，少量的溶解氣對含油率的測量產生很大的誤差。如果以標定的混合密度計算，則含油率相差3.5%，其原因是因為取樣并靜置后已有氣體逸出。

5 結束語

1）質量流量計對油水兩相流的相比例測量有很高的準確度。

2）多級旋流式分離器對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，采用質量流量測量到的相比例仍然會產生很大的誤差。