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孔板流量计与涡街流量计组合测量气液两相流实验

作者: 来源: 发布时间:2020-04-22 11:25:17

       摘要:苏里格气田在井间串接、井口带液计量模式下,存在单井产液量无法准确计量的问题。基于孔板流量计、涡街流量计流体测量理论,将两种流量计串联组合,开展了不同液气比条件下的空气-水两相流室内实验,并将不同液气比情况下孔板流量计、质量流量计与组合测量装置空气、水的计量误差进行对比。结果表明:当液气比为 0~100 m3(/ 104 m3)时,气相测量误差均低于 5%;当液气比为 3~86 m3(/ 104m3)时,液相测量误差基本低于 10%。孔板与涡街流量计组合测量装置的液相测量范围广,可以为苏里格气田排水采气井的气液两相计量提供技术支持。(图 3,表 2,参 20)

 
       目前,国内外较成熟的气液两相流的计量主要采用两种方式:①两个或多个单相流量计组合,根据不同单相流量计对湿气计量的不同虚高特征,建立不同数据模型联合求解得出气液两相流量[1-8],如天津大学的TTWGF 型内锥+文丘里凝析天然气两相流量计[9-11]、英国 Solartron 公司的混合器+双文丘里气液两相流量计[12];②将单相流量计与微波、射线、示踪、成像、超声波等技术相结合[13-14],测量总流量及含气/液率,如挪威 Roxor 公司的 V 锥流量计与微波传感器组合式两相流量计[12]、兰州海默科技有限公司的文丘里流量计与低能伽马射线吸收技术组合式两相流量计。长庆苏里格气田为典型的“三低”气田,为实现低成本经济高效开发,整个气田采用井下节流[15]、井间串接、井口带液计量的中低压集气模式[16],单井计量则采用孔板流量计或旋进旋涡流量计在井口处计量产气量,数据无线远传。但该工艺无法计量单井产液量,且在含液状态下气量计量误差较大,给开展气井排水采气措施及效果评价带来困难,制约了气田精细化管理。为了掌握排水采气气井的出液情况,现场采用橇装分离计量装置移动测试气井气液产量,但该装置施工复杂、成本高昂。“十二·五”期间,长庆油田开发了一种低成本的锥形孔板气液两相流量计[17],通过差压噪音信号与含液率之间的关系模型实现气液两相在线计量,但该技术只适用于气井投产初期产量较高的小液量稳定流气井。随着苏里格气田气井产量逐年下降,目前已大面积采用排水采气措施以维持正常生产,气井出液规律主要为间歇出液,每天瞬时液量由 0 至几十万立方米,大大增加了气液两相计量的难度。
 
       但上述两种主要类型的流量计成本均较高,无法满足苏里格气田低成本开发的需求。为此,提出了将孔板流量计与涡街流量计相组合测量气液两相流量的新方法,采用室内空气-水两相流进行实验,以期为苏里格气田气井实现低成本开发提供参考。
 
1 测量原理
1.1 涡街流量计
       涡街流量计适用于气体、液体等均相流体流量的测量。当流体经过涡街流量计时,在三角柱的旋涡发生体后的两侧交替产生正比于流速的两列旋涡,旋涡的释放频率与流体平均速度有关[18-19]。通过涡街传感器测量旋涡释放频率,即可测出流体的平均流速及工况总流量,其计算式为:
工 况总流量
       式中:qV 为经过涡街流量计的总体积流量,m3/h;f 为旋涡的释放频率,Hz;L 为旋涡发生体的特征宽度,mm;St 为斯特劳哈尔数;A 为流体流过旋涡发生体的截面积,m2。
 
1.2 孔板流量计
       孔板流量计适用于液体、气体、蒸汽等均相流体流量的测量。当流束流经管道内节流件时,会发生局部收缩,使流速增加,并导致静压力降低,在节流件前后产生压降。介质流体的流量越大,在节流件前后产生的压差越大,因此孔板流量计可以通过测量压差来衡量流体流量[20],其计算式为:
压差来衡量流体流量计算公式
 
       式中:q m 为经过涡街流量计的流体总质量流量,kg/h; C 为流出系数;β 为节流装置直径比;ε 为膨胀系数;d 为孔板孔径,mm;ρ 为流体密度,kg/m3;Δp 为压差,MPa。
 
1.3 气液两相流量测量
       当气液两相流均匀混合时,可将其视为均相流。孔板流量计与涡街流量计技术成熟,成本低廉,将两者串联组合,同时测量气液混合流体的总流量。当流体先后通过孔板流量计与涡街流量计时,由于基本处于同一压力、温度系统,理论上两个流量计测得的混合流体总流量应相等,并由此推导计算出混合流体密度 ρ-:
混合流体密度计算公式
       理论上,混合流体工况体积流量为气、液两相的体积流量之和,而质量流量则为气、液两相的质量流量之和,即:
为气、液两相的质量流量公式
       式中:q g、q l 分别为气体流量、液体流量,m3/h;ρ g、ρ l 分别为气体密度、液体密度,kg/m3。
 
       通过取样化验,可以得出气、液各相的标况密度,液相密度与标况密度一致,而气相密度则采用理想气体状态方程计算:
理想气体状态方程计算公式
       式中:p 0 为管道所在区域的标准大气压,MPa;ρ g0 为气相标况密度,kg/m3;t 为流体温度,℃;p 为流体压力,MPa。
 
       由式(5)~式(7)即可推导出气、液两相体积流量:
出气、液两相体积流量计算公式
 
2 组合测量实验
       由于室内不具备使用气田采出液与天然气混合两相流的实验条件,因此采用目前中国各研究机构的通行做法,即使用空气-水两相流进行模拟实验,评估孔板流量计与涡街流量计相组合测量气液两相流量的测量精度。
 
2.1 实验装置
       孔板与涡街流量计组合测量装置(图 1)由气液混合器、孔板流量计、涡街流量计串联组成。该测量装置管内径为 50 mm,孔板流量计孔板孔径为 15 mm。气液混合器可避免气液两相流出现层状流而影响测量精度,流量计算机通过采集孔板流量计的差压、压力、温度参数再结合涡街流量计测得的体积流量参数,通过式(8)、式(9)计算出气液两相流量。
孔板与涡街流量计组合测量实验装置结构示意图
2.2 实验流程
       实验参数如下:实验介质为水、空气,密度分别为 1.209 kg/m3、998 kg/m3;实验温度为常温;空气管道内径为 50 mm;水管道内径包括 40 mm 和 15 mm 两种,并联为两路;空气与水混合后管道内径为 50 mm;实验压力为 0.8~0.9 MPa;水流量选取 0.01~1.5 m3/h之间 16~21 个流量测量点;空气与流量选取 100 m3/h、150 m3/h、200 m3/h 这 3 个流量测量点;液气比范围为0~100 m3(/ 104 m3)。
 
孔板流量计与涡街流量计组合测量气液两相流量实验流程(图 2)及其具体步骤如下。
(1)由空气压缩机将空气升压后进入储气罐稳流,然后采用气量调节阀对其进行流量调节,再通过孔板流量计计量空气流量。
(2)由水泵将水升压后进入储水罐稳压,然后采用水流量调节阀对其进行流量调节,再通过质量流量计计量液体流量。
(3)将单独计量后的空气和水进行混合,再流经孔板与涡街组合测量装置进行气液两相流量测量。
(4)以孔板流量计计量的空气流量为标准,将孔板与涡街组合测量装置测得的空气流量与其进行对比,计算空气测量误差;以质量流量计计量的水流量为标准,将孔板与涡街组合测量装置测得的水流量与其进行对比,计算水测量误差。气相流量、液相流量测量误差的计算式分别为:
气相流量、液相流量测量误 差的计算式孔板与涡街流量计组合测量空气-水两相流室内实验流程图
 
       通过调节不同液气比下空气、水的流量,待流量计瞬时流量显示稳定后,记录孔板流量计测量的空气瞬时流量、质量流量计测量的水瞬时流量、孔板与涡街组合测量装置测量的空气及水瞬时流量。根据式(10)、式(11),计算在不同液气比下孔板与涡街组合测量装置的空气流量、水流量的测量误差(表 1)。
 不同液气比下孔板流量计、质量流量计及孔板与涡街流量计组合测量空气、水的测量误差对比
 
3 实验结果
       结合苏里格气田实际情况,实验选取液气比在0~100 m3/(104 m3) 范围内开展。在所选取的范围内,气相误差均低于 5%(图 3a),表明孔板与涡街组合测量装置的气相测量误差随液气比变化波动不大。当液气比处于 3~86 m3(/ 104 m3)范围(图 3b)时,液相误差基本低于 10%;当液气比小于 3 m3(/ 104 m3)时,大部分测量点的液相误差超出10%;当液气比小于1 m3(/ 104 m3)时,液相误差超出 48%,zui大达到 266.67%。
孔板与涡街组合测量装置测量气液两相的误差随液气比 变化趋势图
       目前,中国已在气田现场试验应用的气液两相测量技术主要有天津大学的内锥与文丘里相组合的凝析天然气测量技术、长庆油田油气工艺研究院的锥形孔板气液两相测量技术等[9-10,17]。与上述两种技术相比,孔板与涡街组合测量技术的测量精度基本相同,但其液气体比达到 3~86 m3(/ 104m3),表明液相流量测量范围更广,更适用于苏里格气田排水采气气井的气液两相计量(表 2)。
 孔板与涡街组合测量与两种常用的气液两相测量技术对比
 
4 结论
       (1)将孔板流量计与涡街流量计组合串联,可测得气液混合流体平均密度,进而实现混合流体的气液两相流量测量,为苏里格气田的排水采气井的气液两相计量提供了技术思路。
       (2)由于空气-水两相流与气田现场的气液两相流物理性质存在较大差异,采用空气-水作为实验介质模拟现场真实的气液两相流存在一定局限性,下一步需要开展气田现场实流测试,对组合测量装置结构进行优化,降低气田开发成本。
 
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