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氣體對傘集流高溫導(dǎo)熱油流量計流量影響
點擊次數(shù)：2701 發(fā)布時間：2021-01-19 15:04:13
摘要：在三相流實驗裝置上采用傘式集流器對高溫導(dǎo)熱油流量計在氣/水兩相流及油、氣、水三相流中進行實驗，獲得了高溫導(dǎo)熱油流量計在氣/水兩相流及油/氣/水三相流條件下的實驗數(shù)據(jù)，分析氣體對高溫導(dǎo)熱油流量計測量流量的影響。在氣體流量較低時，高溫導(dǎo)熱油流量計與液相流量的響應(yīng)關(guān)系受油水兩相含水率的影響較小，可以將油/氣/水三相的流量測量問題簡化成氣/水兩相的流量測量問題。氣體會對高溫導(dǎo)熱油流量計產(chǎn)生較大的測量誤差，當氣體流量為3m3/d、液相流量小于10m3/d的條件下以及氣體流量大于3m3/d的條件下，液相流量測量誤差大于10%。
0引言
高溫導(dǎo)熱油流量計已廣泛應(yīng)用于井下油、水兩相流流量測量，它具有儀表常數(shù)穩(wěn)定的優(yōu)點，在油水兩相流條件下可以準確測量流量，并取得良好的應(yīng)用效果。高溫導(dǎo)熱油流量計通常在油/水兩相流條件下進行標定，對高溫導(dǎo)熱油流量計的實驗研究也主要在油/水兩相流下進行。大慶油田及中國多數(shù)陸相油田的生產(chǎn)井普遍存在產(chǎn)氣、脫氣現(xiàn)象，在測試井段存在油氣水三相流的情況。氣相的加入使高溫導(dǎo)熱油流量計的響應(yīng)特性發(fā)生了明顯的變化，對產(chǎn)出剖面的測量產(chǎn)生了影響，氣體對低產(chǎn)井的測量影響尤為嚴重，因為在低產(chǎn)井中容易出現(xiàn)高含氣率情況，有必要研究高溫導(dǎo)熱油流量計在油井中產(chǎn)氣時的響應(yīng)特性。
高溫導(dǎo)熱油流量計在油/氣/水三相流下的響應(yīng)已有人針對不同的測井儀器進行了研究。金寧德等基于傘集流高溫導(dǎo)熱油流量計與放射性密度－持水率計組合儀在油氣水三相流流動裝置中的動態(tài)試驗結(jié)果，建立了三相流高溫導(dǎo)熱油流量計統(tǒng)計測量模型。胡金海等對高溫導(dǎo)熱油流量計在水平模擬井中測量油氣水三相流進行了實驗研究。
在多相流模擬實驗裝置上采用高溫導(dǎo)熱油流量計在油/氣/水三相流及氣/水兩相流條件下開展室內(nèi)動態(tài)實驗，研究高溫導(dǎo)熱油流量計在油、氣、水三相流及氣/水兩相流低產(chǎn)氣（氣體流量不大于15m3/d）條件下的響應(yīng)特性，計算氣體對高溫導(dǎo)熱油流量計測量液相流量產(chǎn)生的測量誤差，為該儀器應(yīng)用到三相流的生產(chǎn)測井中提供借鑒。
1實驗條件及實驗方案
實驗在大慶油田測井試井檢測實驗中心多相流實驗室24ｍ模擬井中進行。透明的有機玻璃井筒內(nèi)徑為125ｍｍ，實驗介質(zhì)為自來水、柴油和壓縮空氣，實驗中油、氣、水的流量可以由儀表精確控制和計量。實驗儀器采用安裝有傘式集流器的高溫導(dǎo)熱油流量計。傘式集流器具有16根金屬傘筋，傘布采用高強度薄織料，質(zhì)密不透氣，集流效果好。采用傘式集流器可以使測量通道內(nèi)的流體流速提高幾十倍，并且使被測流體混合更加均勻。高溫導(dǎo)熱油流量計安裝在集流傘上部，油/氣/水混合流體被集流傘集流后，從進液口流入測量通道，流經(jīng)高溫導(dǎo)熱油流量計測量流量，再由出液口流回到井筒（見圖1）。
高溫導(dǎo)熱油流量計位于傘式集流器上部，傳感器內(nèi)徑為1９ｍｍ。渦輪測量流量范圍為3～80m3/d，測量精度為±5%。根據(jù)儀器的工作原理及儀器結(jié)構(gòu)等條件，實驗時氣體流量范圍為3～15m3/d，流量調(diào)節(jié)分別為3、5、7、10、15m3/d；油水液相流量范圍為3～80m3/d，流量調(diào)節(jié)分別為3、5、7、10、15、20、30、40、60、80m3/d，含水率調(diào)節(jié)范圍50%～100%。實驗中，先固定某一氣體流量，待氣體流量穩(wěn)定后分別調(diào)節(jié)油水兩相含水率和流量，待流動穩(wěn)定后，進行測量。
2實驗結(jié)果及分析
2．1油氣水三相條件下含水率對流量測量的影響
在不同氣體流量下標定了高溫導(dǎo)熱油流量計在油、氣、水三相流中不同氣相流量不同液相含水率時的響應(yīng)圖2固定氣體流量5m3/d高溫導(dǎo)熱油流量計標定曲線曲線。圖2為固定氣體流量5m3/d、液相流量及液相含水率變化時測量的渦輪響應(yīng)曲線，液相流量從60m3/d逐漸遞減到5m3/d，含水率從100%逐漸遞減到50%。測量數(shù)據(jù)表明，當改變不同液相流量時的測量結(jié)果與10m3/d的測量結(jié)果一致，即當固定氣體流量5m3/d時，在同一液相流量下，當含水率從100%變化到50%時，渦輪響應(yīng)數(shù)值基本不變，保持在同一數(shù)值，即渦輪響應(yīng)受油水比例變化的影響較小。分析認為，當液相流量大于5m3/d時，由于集流傘的集流作用，使測量通道內(nèi)的流體流速提高，油水兩相以泡狀流流動，并且使被測流體油水混合更加均勻，減小了油水相間的滑脫效應(yīng)；氣相的擾動也減小了油水相間的滑脫，使得高溫導(dǎo)熱油流量計響應(yīng)受油水兩相含水率變化影響較小，氣相成為影響高溫導(dǎo)熱油流量計響應(yīng)的主要因素。
圖3為固定氣體流量5m3/d標定的高溫導(dǎo)熱油流量計響應(yīng)圖版。實驗數(shù)據(jù)表明，對于固定的氣相流量、不同含水率下的測量曲線近于重合，說明對于固定的氣相流量渦輪響應(yīng)與液相流量的響應(yīng)關(guān)系受油水兩相含水率的影響很小。因此，在氣體流量較低時，油/氣/水三相的流量測量問題可以簡化成氣/水兩相的流量測量問題。固定氣體流量10m3/d及15m3/d標定的高溫導(dǎo)熱油流量計響應(yīng)規(guī)律同圖3。
2．2氣/水兩相條件下的實驗結(jié)果及誤差分析
圖4為傘式集流器高溫導(dǎo)熱油流量計在氣/水兩相流圖4高溫導(dǎo)熱油流量計氣水兩相流標定圖版中的響應(yīng)圖版。渦輪在低液量和高流量時有不同的規(guī)律，在水流量高于15m3/d時，保持氣量不變，渦輪響應(yīng)與水流量呈線性關(guān)系。在低液量下，即在水流量低于15m3/d時，渦輪響應(yīng)與水相流量呈非線性關(guān)系。此時隨著水流量的增加，渦輪響應(yīng)也增加，但較純水時的響應(yīng)增加緩慢，而且隨著氣量的增加，渦輪響應(yīng)對液相的敏感性越差。當氣量達到10m3/d時，幾乎呈平的臺階，說明此時渦輪對液相流量失去了分辨能力，高溫導(dǎo)熱油流量計在高氣量時測量低液相流量會有較大誤差。分析認為，當水流量較低（水流量小于15m3/d）時，在集流測量通道內(nèi)，當氣量較少時，氣相滑脫明顯，氣相以較大的氣泡向上流動［如圖5（ａ）所示，水流量10m3/d、氣流量1．44m3/d］，氣相對渦輪起主導(dǎo)作用，使渦輪響應(yīng)明顯偏高；隨著氣相流量的增加，持氣率不斷增加，更多的氣泡在集流傘頂端聚集形成段塞進入集流通道。圖5（ｂ）為水流量10m3/d、氣相流量4．8m3/d時拍攝的高速攝像圖片，圖片顯示測量通道內(nèi)氣/水兩相流為段塞流。圖6為此時采集的渦輪響應(yīng)實時波動信號，隨大塊氣體段塞的出現(xiàn)，渦輪響應(yīng)頻率劇烈波動，*高幅度可達40Ｈｚ，渦輪響應(yīng)的平均值增加，導(dǎo)致高溫導(dǎo)熱油流量計測量流量明顯偏高。尤其是氣相流量較高（大于９．6m3/d）時，在集流傘頂部形成氣頂，集流測量通道內(nèi)的氣段塞更加嚴重，較多的水流量被迫從集流傘與井壁之間的縫隙漏失，渦輪對液相流量變化失去了分辨能力，使高溫導(dǎo)熱油流量計產(chǎn)生了較大的測量誤差。
2．3測量誤差分析
在實際的產(chǎn)出剖面測量中，儀器通常在液相中標定刻度圖版。測井時不知道井下是否有氣，如果存在氣體，仍然使用液相圖版解釋，會產(chǎn)生很多誤差。
利用清水中渦輪的刻度方程計算加入不同氣體流量后渦輪響應(yīng)頻率所對應(yīng)的流量，即為加入氣體后的測量流量，再用所得測量流量減去配比的標準水流量，得到氣相加入后測量的絕對增加值，即加入氣相流量產(chǎn)生的測量誤差（見表1）。計算結(jié)果表明，加入氣體流量后，渦輪的測量流量明顯增加，尤其是液相流量較低時，增加的測量流量更高，氣體對流量測量產(chǎn)生了較大的測量誤差。低氣量下，平均1m3/d的氣量產(chǎn)生的測量誤差大約相當于5m3/d（絕對增加值）。
利用測量的絕對增加值除以滿量程流量80m3/d，得到氣體對流量測量的滿量程誤差（見圖7）。計算結(jié)果表明，只有氣體流量為3m3/d以下液相流量10m3/d以上時，滿量程測量誤差在10%以內(nèi)，其他測點滿量程誤差均大于10%。
3結(jié)論
（1）氣體流量較低時，在同一氣體流量下保持液相流量不變、液相含水率從100%變化到50%時，高溫導(dǎo)熱油流量計與液相流量的響應(yīng)關(guān)系不受油水兩相含水率的影響或受油水兩相含水率的影響很小，可以將油/氣/水三相的流量測量問題簡化成氣/水兩相的流量測量問題。
（2）在不同含氣量條件下，渦輪在低液量和高液量時有不同的響應(yīng)規(guī)律，在水流量高于15m3/d時，渦輪響應(yīng)與水流量呈線性關(guān)系。在水流量低于15m3/d時，渦輪響應(yīng)與水相流量呈非線性關(guān)系，當含氣量達到10m3/d時，渦輪響應(yīng)呈水平的臺階狀，渦輪對液相流量失去了分辨能力。
（3）液相流量較低時，高溫導(dǎo)熱油流量計測量流量明顯高于標準流量，即使是較低的氣體流量也會對高溫導(dǎo)熱油流量計產(chǎn)生較大的測量誤差。當氣體流量為3m3/d、液相流量小于10m3/d的條件下以及氣體流量大于3m3/d的條件下，液相流量測量誤差均大于10%。
0引言
高溫導(dǎo)熱油流量計已廣泛應(yīng)用于井下油、水兩相流流量測量，它具有儀表常數(shù)穩(wěn)定的優(yōu)點，在油水兩相流條件下可以準確測量流量，并取得良好的應(yīng)用效果。高溫導(dǎo)熱油流量計通常在油/水兩相流條件下進行標定，對高溫導(dǎo)熱油流量計的實驗研究也主要在油/水兩相流下進行。大慶油田及中國多數(shù)陸相油田的生產(chǎn)井普遍存在產(chǎn)氣、脫氣現(xiàn)象，在測試井段存在油氣水三相流的情況。氣相的加入使高溫導(dǎo)熱油流量計的響應(yīng)特性發(fā)生了明顯的變化，對產(chǎn)出剖面的測量產(chǎn)生了影響，氣體對低產(chǎn)井的測量影響尤為嚴重，因為在低產(chǎn)井中容易出現(xiàn)高含氣率情況，有必要研究高溫導(dǎo)熱油流量計在油井中產(chǎn)氣時的響應(yīng)特性。
高溫導(dǎo)熱油流量計在油/氣/水三相流下的響應(yīng)已有人針對不同的測井儀器進行了研究。金寧德等基于傘集流高溫導(dǎo)熱油流量計與放射性密度－持水率計組合儀在油氣水三相流流動裝置中的動態(tài)試驗結(jié)果，建立了三相流高溫導(dǎo)熱油流量計統(tǒng)計測量模型。胡金海等對高溫導(dǎo)熱油流量計在水平模擬井中測量油氣水三相流進行了實驗研究。
在多相流模擬實驗裝置上采用高溫導(dǎo)熱油流量計在油/氣/水三相流及氣/水兩相流條件下開展室內(nèi)動態(tài)實驗，研究高溫導(dǎo)熱油流量計在油、氣、水三相流及氣/水兩相流低產(chǎn)氣（氣體流量不大于15m3/d）條件下的響應(yīng)特性，計算氣體對高溫導(dǎo)熱油流量計測量液相流量產(chǎn)生的測量誤差，為該儀器應(yīng)用到三相流的生產(chǎn)測井中提供借鑒。
1實驗條件及實驗方案
實驗在大慶油田測井試井檢測實驗中心多相流實驗室24ｍ模擬井中進行。透明的有機玻璃井筒內(nèi)徑為125ｍｍ，實驗介質(zhì)為自來水、柴油和壓縮空氣，實驗中油、氣、水的流量可以由儀表精確控制和計量。實驗儀器采用安裝有傘式集流器的高溫導(dǎo)熱油流量計。傘式集流器具有16根金屬傘筋，傘布采用高強度薄織料，質(zhì)密不透氣，集流效果好。采用傘式集流器可以使測量通道內(nèi)的流體流速提高幾十倍，并且使被測流體混合更加均勻。高溫導(dǎo)熱油流量計安裝在集流傘上部，油/氣/水混合流體被集流傘集流后，從進液口流入測量通道，流經(jīng)高溫導(dǎo)熱油流量計測量流量，再由出液口流回到井筒（見圖1）。
高溫導(dǎo)熱油流量計位于傘式集流器上部，傳感器內(nèi)徑為1９ｍｍ。渦輪測量流量范圍為3～80m3/d，測量精度為±5%。根據(jù)儀器的工作原理及儀器結(jié)構(gòu)等條件，實驗時氣體流量范圍為3～15m3/d，流量調(diào)節(jié)分別為3、5、7、10、15m3/d；油水液相流量范圍為3～80m3/d，流量調(diào)節(jié)分別為3、5、7、10、15、20、30、40、60、80m3/d，含水率調(diào)節(jié)范圍50%～100%。實驗中，先固定某一氣體流量，待氣體流量穩(wěn)定后分別調(diào)節(jié)油水兩相含水率和流量，待流動穩(wěn)定后，進行測量。
2實驗結(jié)果及分析
2．1油氣水三相條件下含水率對流量測量的影響
在不同氣體流量下標定了高溫導(dǎo)熱油流量計在油、氣、水三相流中不同氣相流量不同液相含水率時的響應(yīng)圖2固定氣體流量5m3/d高溫導(dǎo)熱油流量計標定曲線曲線。圖2為固定氣體流量5m3/d、液相流量及液相含水率變化時測量的渦輪響應(yīng)曲線，液相流量從60m3/d逐漸遞減到5m3/d，含水率從100%逐漸遞減到50%。測量數(shù)據(jù)表明，當改變不同液相流量時的測量結(jié)果與10m3/d的測量結(jié)果一致，即當固定氣體流量5m3/d時，在同一液相流量下，當含水率從100%變化到50%時，渦輪響應(yīng)數(shù)值基本不變，保持在同一數(shù)值，即渦輪響應(yīng)受油水比例變化的影響較小。分析認為，當液相流量大于5m3/d時，由于集流傘的集流作用，使測量通道內(nèi)的流體流速提高，油水兩相以泡狀流流動，并且使被測流體油水混合更加均勻，減小了油水相間的滑脫效應(yīng)；氣相的擾動也減小了油水相間的滑脫，使得高溫導(dǎo)熱油流量計響應(yīng)受油水兩相含水率變化影響較小，氣相成為影響高溫導(dǎo)熱油流量計響應(yīng)的主要因素。
圖3為固定氣體流量5m3/d標定的高溫導(dǎo)熱油流量計響應(yīng)圖版。實驗數(shù)據(jù)表明，對于固定的氣相流量、不同含水率下的測量曲線近于重合，說明對于固定的氣相流量渦輪響應(yīng)與液相流量的響應(yīng)關(guān)系受油水兩相含水率的影響很小。因此，在氣體流量較低時，油/氣/水三相的流量測量問題可以簡化成氣/水兩相的流量測量問題。固定氣體流量10m3/d及15m3/d標定的高溫導(dǎo)熱油流量計響應(yīng)規(guī)律同圖3。
2．2氣/水兩相條件下的實驗結(jié)果及誤差分析
圖4為傘式集流器高溫導(dǎo)熱油流量計在氣/水兩相流圖4高溫導(dǎo)熱油流量計氣水兩相流標定圖版中的響應(yīng)圖版。渦輪在低液量和高流量時有不同的規(guī)律，在水流量高于15m3/d時，保持氣量不變，渦輪響應(yīng)與水流量呈線性關(guān)系。在低液量下，即在水流量低于15m3/d時，渦輪響應(yīng)與水相流量呈非線性關(guān)系。此時隨著水流量的增加，渦輪響應(yīng)也增加，但較純水時的響應(yīng)增加緩慢，而且隨著氣量的增加，渦輪響應(yīng)對液相的敏感性越差。當氣量達到10m3/d時，幾乎呈平的臺階，說明此時渦輪對液相流量失去了分辨能力，高溫導(dǎo)熱油流量計在高氣量時測量低液相流量會有較大誤差。分析認為，當水流量較低（水流量小于15m3/d）時，在集流測量通道內(nèi)，當氣量較少時，氣相滑脫明顯，氣相以較大的氣泡向上流動［如圖5（ａ）所示，水流量10m3/d、氣流量1．44m3/d］，氣相對渦輪起主導(dǎo)作用，使渦輪響應(yīng)明顯偏高；隨著氣相流量的增加，持氣率不斷增加，更多的氣泡在集流傘頂端聚集形成段塞進入集流通道。圖5（ｂ）為水流量10m3/d、氣相流量4．8m3/d時拍攝的高速攝像圖片，圖片顯示測量通道內(nèi)氣/水兩相流為段塞流。圖6為此時采集的渦輪響應(yīng)實時波動信號，隨大塊氣體段塞的出現(xiàn)，渦輪響應(yīng)頻率劇烈波動，*高幅度可達40Ｈｚ，渦輪響應(yīng)的平均值增加，導(dǎo)致高溫導(dǎo)熱油流量計測量流量明顯偏高。尤其是氣相流量較高（大于９．6m3/d）時，在集流傘頂部形成氣頂，集流測量通道內(nèi)的氣段塞更加嚴重，較多的水流量被迫從集流傘與井壁之間的縫隙漏失，渦輪對液相流量變化失去了分辨能力，使高溫導(dǎo)熱油流量計產(chǎn)生了較大的測量誤差。
2．3測量誤差分析
在實際的產(chǎn)出剖面測量中，儀器通常在液相中標定刻度圖版。測井時不知道井下是否有氣，如果存在氣體，仍然使用液相圖版解釋，會產(chǎn)生很多誤差。
利用清水中渦輪的刻度方程計算加入不同氣體流量后渦輪響應(yīng)頻率所對應(yīng)的流量，即為加入氣體后的測量流量，再用所得測量流量減去配比的標準水流量，得到氣相加入后測量的絕對增加值，即加入氣相流量產(chǎn)生的測量誤差（見表1）。計算結(jié)果表明，加入氣體流量后，渦輪的測量流量明顯增加，尤其是液相流量較低時，增加的測量流量更高，氣體對流量測量產(chǎn)生了較大的測量誤差。低氣量下，平均1m3/d的氣量產(chǎn)生的測量誤差大約相當于5m3/d（絕對增加值）。
利用測量的絕對增加值除以滿量程流量80m3/d，得到氣體對流量測量的滿量程誤差（見圖7）。計算結(jié)果表明，只有氣體流量為3m3/d以下液相流量10m3/d以上時，滿量程測量誤差在10%以內(nèi)，其他測點滿量程誤差均大于10%。
3結(jié)論
（1）氣體流量較低時，在同一氣體流量下保持液相流量不變、液相含水率從100%變化到50%時，高溫導(dǎo)熱油流量計與液相流量的響應(yīng)關(guān)系不受油水兩相含水率的影響或受油水兩相含水率的影響很小，可以將油/氣/水三相的流量測量問題簡化成氣/水兩相的流量測量問題。
（2）在不同含氣量條件下，渦輪在低液量和高液量時有不同的響應(yīng)規(guī)律，在水流量高于15m3/d時，渦輪響應(yīng)與水流量呈線性關(guān)系。在水流量低于15m3/d時，渦輪響應(yīng)與水相流量呈非線性關(guān)系，當含氣量達到10m3/d時，渦輪響應(yīng)呈水平的臺階狀，渦輪對液相流量失去了分辨能力。
（3）液相流量較低時，高溫導(dǎo)熱油流量計測量流量明顯高于標準流量，即使是較低的氣體流量也會對高溫導(dǎo)熱油流量計產(chǎn)生較大的測量誤差。當氣體流量為3m3/d、液相流量小于10m3/d的條件下以及氣體流量大于3m3/d的條件下，液相流量測量誤差均大于10%。