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用两相图描述多相流量计的性能

时间:2011/5/3 15:15:04 点击:1403

  核心提示:随着海上油田和边际油田开发力度的加大,油气水多相计量技术作为当今世界流量计量领域的前沿技术,逐步得到各大石油公司的重视和认可,越来越多的油气水多相流量计应用于远程无人值守和油藏监控。对多相流量计进行性能测试,确定其在不同含水率和含气率条件下的计量性能,全面准确地评价多相流量计应用优点,显得尤为重要和...

  随着海上油田和边际油田开发力度的加大,油气水多相计量技术作为当今世界流量计量领域的前沿技术,逐步得到各大石油公司的重视和认可,越来越多的油气水多相流量计应用于远程无人值守和油藏监控。对多相流量计进行性能测试,确定其在不同含水率和含气率条件下的计量性能,全面准确地评价多相流量计应用优点,显得尤为重要和突出。

  油气水多相流量计不同于测量单相介质的仪表,影响其测量准确度的因素很多,并且测量结果通常都是以油流速、水流速、气流速、含水率和含气率五个测量量的形式给出,所以有时很难通过语言来系统、全面地描述多相流量计各方面性能,尤其测量范围这个关键参数经常无法准确表述。但由于仪表测量范围是使用和评价仪表的关键参数,是客户选择仪表的根据,所以它又是必备信息。目前,国内多相流量计测量范围的给定方法不统一,通常都是以文字形式给出,这样做缺乏直观性,并且无法准确描述。两相图法的主要功能就是能够清晰直观地描述多相流量计工作范围及测量范围,并且能够简要描述多相流量计性能。

  1 两相图介绍

  1.1 两相图概述

  两相图类似于著名的Mandhane图,这里的两相图(见图1、图2)以气体流量为横坐标,液体流量为纵坐标,该图采用的是双对数坐标系,斜线表示气体体积含气率(GVF),为恒定值(直线)。

图1 性能测试期间的两相图

图2 多相流量计现场工作范围两相图

  1.2 两相图功能

  (1)通过两相图1能够清楚地看出多相流量计的测量范围:①A封闭区域表示气、液流速不确定度为±5%时,多相流量计的测量范围;②B封闭区域表示气、液流速不确定度为±10%时,多相流量计的测量范围。

  (2)通过两相图1能够得到多相流量计测量值和参考值之间的绝对误差。方块表示多相流量计的参考值,小圆点表示多相流量计的测量值,连接两点的直线长度表示它们之间的绝对误差。通过线的方向能够判断误差主要是由液流速影响(大多数垂直线)还是由气流速影响(大多数水平线)。

  (3)通过两相图1能够看出多相流量计测量范围内每个液流量对应的含气率。两相图中的斜线表示的是含气率的恒定值。从大量的现场实验可知,含气率是影响多相流量计性能的关键参数。一般情况,油田都是在含气率0~40%(高压操作)或者90%~95%(低压操作或者气举操作)下操作。

  (4)两相图2中画出了井液的气流速和液流速,随时间变化井液将遵循一定轨迹,即液流速和气流速将变化,这些轨迹能够定义出油井的产量范围。这个产量范围经常用气液最大流速和气液最小流速之间的区域来给出。

  通过以上例子可以看出,两相图是一种能够简要描述多相流量计性能的有效方法,它能够充分考虑与测量有关的情况,不是简单地描述准确度这一个概念,同时它能够清楚直观地表示多相流量计现场工作范围及测量范围,这对于用户多相流量计选型具有重要意义。

  2 画多相流量计测量范围

  2.1 使用双对数坐标

  为了更加准确、清晰地表示多相流量计性能,在如下情况下所画的两相图采用双对数坐标系。

  (1)变量在所研究的范围内发生了几个数量级的变化。

  (2)在自变量由零开始增大过程中,当自变量的变化引起因变量极大变化时,此时采用双对数坐标,曲线最大变化范围可伸长,使图形轮廓清楚。

  (3)需要将某种函数变换为直线函数关系。

  2.2 测量范围数学公式

  目前,利用文丘里测量三相流总量,再结合其它技术测量相组份,已经是多相流界比较公认的测试方法,所以此处计算多相流量计测量范围的例子,将利用以文丘里为原理的多相流量计给出。

  实际应用中,可以假定压力损失和差压相等,如果进一步假设流体混合均匀、各相之间不存在滑差(由于油、气、水相之间存在相滑动,但是这一假设是有意义的),那么在给定文丘里管喉部直径的情况下,就能够计算出文丘里管的最大流量值。下面将给出利用文丘里管测量两相流量时,压力降的近似算法。

  根据伯努利方程,压力降的近似计算公式为

  

  上式忽略了重力项的影响,其中ρt为混合液密度,vt为混合液速度(ρt和vt都是指在文丘里喉部),假设混合液为均匀流体,则

  

  混合液的密度式中,A为气体体积百分比,而ρg和ρL分别为气体和液体的密度。

  利用

,则压力降计算公式可转化为

  

     其中QL和Qg为液体和气体的体积流量,d为文丘里管的喉部直径。

  3 根据数学公式画两相图

  下面将举一个用文丘里测总量的实例,根据实例画出多相流量计理论工作范围。例如dpmax=100kPa,d=50mm,ρL=1000kg/m3,ρg=50kg/m3,则公式分别简化为

   

  通过此公式,能够画出如下的两相图(见图3)。

图3 多相流量计理论工作范围

  这是通过理论数学方程画出的两相图,这些曲线是围绕着斜线对称的,其中斜线为

   

  因此,当ρL=1000kg/m3、ρg=50kg/m3时曲线以GVF=82%的斜线对称。

  由于影响文丘里测量准确度的因素很多,它的实际测量范围和理论数学公式计算的范围还是有差异的,因此此图只能作为一个参考量。实际应用中计算文丘里测量范围时,还需要考虑雷诺数、文丘里压力损失、最小流量对应的最小差压及最大流速时对应的管段承压等。每一种文丘里喷嘴的雷诺数都有一定的范围,如果超出雷诺数下限,误差增大;超出雷诺数上限,准确度影响不大,因为当雷诺数大于106后,流出系数不再随雷诺数变化。

  4 结论

  两相图提供了一种便于确定多相流量计适用性(现场工作范围)的直观方法,通过它可以准确描述多相流量计测量范围,从而判断该多相流量计是否满足一个确定现场的测量要求,所以它对于多相流量计选型具有很重要的现实意义。

作者:佚名 来源:不详
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