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        水下多相流量計相分率參數測量技術研究

        發布時間:2020-01-04 19:20:35 瀏覽:

        0 引 言

        隨著我國南海深水油氣田開發的不斷深入,水下生產系統已逐步得到廣泛應用。其中,水下多相流量計作為監測水下多相流物流流動特性的核心設備,在實時在線測量多相流流動參數方面發揮著重要作用[1]。由于水下多相流量計在深水開發中的突出優勢,世界各大石油公司逐漸從嘗試安裝向批量安裝過渡,水下多相流量計市場規模正逐步擴大。

        長期以來,我國水下多相流量計嚴重依賴于進口,采購和維護成本高,供貨周期長,極大限制了我國深海油氣田開發事業的進展。為打破國外技術壟斷、保障我國海上油氣開發信息安全,在十三五國家科技重大專項課題“水下生產技術”中,水下多相流量計樣機研制已被列為重點研究任務。通過對多相流流動參數檢測等核心技術進行攻關,已取得豐碩成果。

        在多相流相分率參數測量中,由于油氣水三相物理特性存在較大差異,其相間接觸界面十分復雜,滑脫效應顯著,致使油氣水三相在管道截面及軸向方向均呈現非均勻分布形態,給相分率參數的準確測量帶來極大挑戰。針對水下多相流量計相分率參數測量,本文分別對相分率檢測技術,以及國際水下多相流量計生產廠家所采取的相分率檢測方案進行了對比分析;此外,從減弱三相非均勻分布對相分率測量精度的影響出發,給出了未來相分率檢測技術發展方向的建議。

        1 相分率測量技術概述

        1.1 伽馬射線衰減法

        基于油氣水三相對伽馬射線吸收系數的差異,通過比較伽馬射線束穿過多相流體前后的強度,可直接提取各相相分率參數[2]。目前應用較多的方法為雙能級伽馬射線測量法,根據兩個不同能級下伽馬射線束穿過流體后射線強度的變化,結合三相相分率之和為1的條件,建立計算方程組快速求解各相相分率。

        1.2 電導法

        由于油(氣)相與水相電導率存在顯著差異,電導法憑借其靈敏度高、響應速度快、廉價以及無輻射作用等優勢,在多相流含水率參數測量中得到廣泛應用[3]。需要指出的是,由于溶液含鹽量(礦化度)的變化會改變水相電導率,其對含水率參數測量存在較大影響[3]。此外,亦有研究表明,溫度變化同樣是引起水相電導率變化的因素。

        1.3 電容法

        電容法實現油氣水三相流含水率的測量是建立在水相與其他兩相介電常數差異較大的基礎上。當含水率不同的流體流經電容兩個極板之間時,電極間介質的介電常數變化,導致電容值發生改變。通過測量電容值,可實現對混合流體的含水率測量[4]。值得注意的是,當含水率較高時,由于水的介電常數較大,因此在測量過程中存在漏電流影響,致使電容法測量含水率的精度有限[4]。此外,溫度和礦化度變化亦可影響采用電容法所得含水率測量結果。

        1.4 近紅外光學法

        該方法作為近年來發展最為迅速的高新測量方法之一,因其具有響應速度快及適應在線實時測量等優勢[5],已在多相流相分率檢測中得到應用。近紅外測量法的測量原理為Lambert-Beer定律,即溶液吸光度與溶液濃度成正比關系。對于油氣水三相流,由于水相對光的吸收能力遠高于其他兩相,因此利用該方法可獲取多相流含水率參數。

        表1給出了上述4種相分率測量方法的比較結果??梢钥闯?雖然電導法與電容法的測量原理最為簡單,響應速度最快,但其無法同時實現油氣水三相分率的測量,且受流體礦化度等因素的影響,需要在測量過程中提供礦化度等參數的輔助測量手段;對于近紅外光學法,除只能實現水相含率測量外,其光纖探頭加工與維護成本均較高;相比之下,伽馬射線衰減法可同時實現油氣水三相相分率的測量,在目前水下多相流量計相分率測量技術路線中應用最為廣泛,但需注意該方法在實際應用過程中的放射源管理問題。

        表1 相分率測量方法比較結果 導出到EXCEL

        相分率測量技術 測量相態 應用優勢 應用劣勢


        伽馬射線衰減法
        油相、氣相、水相 油氣水三相對射線吸收系數差異顯著;
        不受溫度、礦化度等因素影響
        存在放射源輻射問題

        電導法
        水相 靈敏度高、響應速度快、廉價、無輻射 受溫度、礦化度等因素影響

        電容法
        水相 靈敏度高、響應速度快、廉價、無輻射 受溫度、礦化度等因素影響;
        高含水率下測量精度有限

        近紅外光學法
        水相 不受溫度、礦化度等因素影響 光纖探頭加工與維護成本高


        需要指出的是,雖然目前水下多相流量計相分率測量技術多以伽馬射線衰減法為主,但諸如電導法等在多相流流動特性監測,以及標定含水率測量結果方法亦存在廣泛應用。這一部分將在后面作詳細闡述。

        2 國際水下多相流量計產品相分率測量方案

        2.1 雙能級伽馬射線法

        如前所述,由于雙能伽馬射線法可用于直接求取油氣水三相相分率參數,因此其仍是一些國際水下多相流量計生產企業所采取的相分率測量方案。據報導,雙能級伽馬射線法可進行全工況范圍內(相分率為0~100%)的含氣率和含水率參數測量,含水率測量精度為3%。

        2.2 電阻層析成像與伽馬密度計組合測量法

        該方法通過電阻層析成像技術獲取含水率,利用伽馬密度計獲取三相相分率關系,再結合三相相分率之和為1的條件即可實現各相相分率求解。電阻層析成像技術原理描述如下:

        根據被測管道中電導率分布的變化,獲取多相流各相在管道中的分布信息。其工作方式為,對被測電場施加電流或電壓激勵,當多相流各組分在管道中的分布發生變化時,其各組分電導率分布的變化會引起場內電場分布的變化。通過對空間多極電導陣列傳感器的測量數據進行提取,應用成像算法對數據進行分析,便可重構出實時電導率分布,進而實現多相流流態的可視化測量。

        據悉,采用該方法可實現0~98%持氣率范圍內以及0~100%含水率范圍內的相分率參數測量,其含水率測量精度為3%。

        2.3 過程層析成像與伽馬密度計組合測量法

        與電阻層析成像法不同,過程層析成像法采用高速電磁波測量管道內含水率。再根據伽馬密度計測量結果與三相相分率之和為1的關系提取剩余兩相相分率。需要指出的是,過程層析成像法通過對管道內流體進行多維度射頻脈沖測量,亦可重構多相流時空流動結構的演化行為。對于每一個維度,該方法可在較寬頻率范圍內進行多頻率測量。每個測量頻率下可得到一個獨立方程,這樣每秒可得幾千個方程,由此可獲取管道截面多相流組分及其分布的精確信息。通過每秒高頻次測量,可捕獲沿管道軸向方向流型的演化趨勢。

        值得注意的是,該方法亦配備有含鹽度監測裝置,可自動對水的電導率配置參數進行更新,無需取水樣,保證采用電學過程層析成像技術進行含水率測量的準確度。該技術可實現0~95%持氣率范圍內以及0~100%含水率范圍內的相分率參數測量,含水率測量精度為4%。

        2.4 電容與混合密度組合測量法

        該方法通過采用電容法測量介電性質以獲取含水率信息,并結合所測混合密度與三相相分率之和為1的關系實現各相相分率測量。其測量范圍0~100%,含氣率測量范圍0~97%,含水率測量精度為2%。

        2.5 近紅外探針與伽馬密度計組合測量法

        該方法采用近紅外探針測量含水率參數,結合伽馬密度計所測混合密度,以及三相相分率之和為1的關系實現各相相分率測量。需要指出的是,近紅外光學法所測含水率與流體礦化度無關。采用該組合測量技術的含氣率與含水率測量范圍均為0~100%。

        表2給出了上述水下多相流量計生產企業的相分率測量技術對比結果??梢钥闯?當前水下多相流量計基本可實現全工況范圍內(含水/氣率: 0~100%)的相分率參數測量,其含水率測量精度可控制在4%以內,測量精度較高。其中,為消除流體礦化度變化對電學法測量含水率參數的影響,國際上目前多配置檢測設備以實時跟蹤含鹽度參數的變化,一些企業亦采用近紅外探測法以避免礦化度變化引起的含水率測量誤差。此外,為實時監測水下多相流物流流動形態,國際上已有若干家公司突破水下“電阻/過程層析成像技術”的應用,在獲取高精度相分率測量結果的同時,給出對多相流時空相分布特性的評價。

        表2 水下多相流量計產品相分率測量技術比較 導出到EXCEL


        相分率測量技術
        相分率測量范圍 含水率測量精度


        雙能伽馬射線
        含水率: 0~100%;含氣率: 0~100% 3%

        電阻層析成像&伽馬密度計
        含水率: 0~100%;含氣率: 0~98% 3%

        (續表)

        導出到EXCEL


        相分率測量技術
        相分率測量范圍 含水率測量精度


        過程層析成像&伽馬密度計
        含水率: 0~100%;含氣率: 0~95% 4%

        電容法&混合密度測量
        含水率: 0~100%;含氣率: 0~97% 2%

        近紅外光學探針&伽馬密度計
        含水率: 0~100%;含氣率: 0~100% 2%


        3 提高多相流相分率測量精度的思考

        前文綜述中已經提到,由于油氣水三相在管道截面與管道軸向空間范圍內均呈現非均勻分布狀態,給其相分率參數測量帶來極大挑戰。為減弱多相流相分布對相分率測量結果的影響,進一步提高相分率測量精度,此處以電導法為引,闡述兩種改進的電極結構配置方案。

        圖1 場聚焦弧形對壁式電導傳感器結構示意圖

        圖1 場聚焦弧形對壁式電導傳感器結構示意圖   下載原圖

        3.1 場聚焦弧形對壁式電導傳感器[6]

        圖1給出了場聚焦弧形對壁式電導傳感器結構示意圖,其由平滑安裝在管道內壁的激勵電極E,測量電極M以及測量電極上下兩側的一對保護電極G1G2組成。實驗過程中激勵電極E施加20 kHz激勵信號,測量電極M,保護電極G1G2接地,檢測激勵電極E與測量電極M間的電勢差。由于保護電極G1G2的聚焦作用,使得測量電極M兩端的漏電流減少并減弱了極板邊緣效應,測量區域靈敏場在管截面的分布也更加均勻,顯著增強了傳感器捕獲細小粒徑分散相分布行為的能力。

        3.2 八電極旋轉電場電導傳感器[7]

        八電極旋轉電場電導傳感器的結構示意圖如圖2所示,其由光滑內嵌在管道內壁的4對不銹鋼電極組成。對8路電極分別施加幅值相同,初始相位不同的正弦激勵信號,相鄰電極間相位差為45°。四對電極所形成電場在管截面中相互作用合成電場方向隨時間旋轉的復合電場。此外,四對電極各自形成的電場亦可檢測流體在管截面不同徑向方向的相分布特性,可間接給出多相流流動形態對相分率測量精度影響的評價。

        圖2 旋轉電場式八電極電導傳感器電極結構示意圖

        圖2 旋轉電場式八電極電導傳感器電極結構示意圖   下載原圖

        4 結 語

        相分率是表征多相流流動特性的關鍵參數之一,水下多相流量計相分率檢測技術的發展對監測分析水下管路物流流動特性,實現相分率參數的準確計量具有重要意義。本文對相分率檢測技術,以及國際水下多相流量計生產企業所采取的相分率檢測方案進行了對比分析,并給出了提高多相流相分率檢測精度的思考與建議,得出結論如下:

        (1) 雙能伽馬射線法是獲取油氣水三相相分率參數的最直接檢測手段,但需考慮放射源的管理問題;電學法與光學法可作為標定單相相分率測量精度的有效輔助測量手段。

        (2) 為評價水下多相流流動特性對相分率參數檢測精度的影響,國際水下多相流量計生產企業已開始嘗試基于電學法原理的新型測量技術,相分率檢測方法逐步向多元化發展。

        (3) 為減弱油氣水三相流流動形態非均勻分布對相分率測量的影響,可采用提高測量場強度的方法增強其對流體流動結構的檢測靈敏度;此外,亦可采用多通道測量方案分析管道內相分布對相分率測量結果的影響。

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