摘 要： 針對當前濕天然氣井口計量存在的技術難題, 基于雙槽形孔板的計量元件, 研制了低成本雙節流式孔板組合的流量計樣機, 研究了流體通過雙槽型孔板時的流動特性以及各種氣液比下雙槽型孔板之間差壓、壓力、溫度信號與氣液分相流量之間的關系, 建立了適用于雙槽形孔板流量計系統的數學計量模型, 并用此模型進行了室內計量實驗、現場實驗和國家計量中心的標定。 測試結果表明, 在實驗范圍內, 氣相流量的zui大測量誤差小于10%, 液相流量的zui大測量誤差小于15%。該工業樣機計量精度可以滿足實際生產的需要。

  目前,我國陸上油氣開發重點逐漸向灘海及西部地區轉移, 而這些地區自然條件惡劣,不適宜建計量站計量。這些地區主要選用國外多相流量計進行計量。這些多相流量計多采用渦輪、文丘里、伽馬射線、電容、電阻傳感器等作為一次測量元件或組合 ,經過一定的計算得到各相流量。但國內外多相流量計普遍存在以下問題:
①計量范圍窄 ,計量精度受油氣比的影響較大;
②有些采用了微波、伽馬射線等測試手段, 其價格昂貴, 難以大規模推廣使用 ;
③ 有些要求特殊安裝 ,現場應用不便或流程復雜;④有些產品的性價比無法滿足用戶需要 ,尤其是采用放射性等測量方式的產品價格更加昂貴。因此 , 如何開發出滿足當前生產計量需要的多相流量計, 降低開發成本, 提高管理效益十分迫切。本研究采用常規的傳感檢測技術 ,基于多相流的多參數檢測原理,利用多相流動的數學模型進行計算并得出初步結果 ,然后通過軟測量技術[ 3] 進一步補償和修正, 提高測量精度。

一、雙槽形孔板多相流量計的計量原理：
  本計量系統(見圖 1)是通過兩個差壓傳感器和一個壓力傳感器信號的連續采集和處理, 來提取相模型,并利用此模型進行計算獲得氣液兩相的流量。

二、計測模型建立：
 在計算氣液兩相流流量時 ,首先把氣、液兩相流體流過上、下游節流元件時產生的差壓認為全部是由氣相產生的 ,根據流量的基本方程[ 4] 可以得到上、下游節流元件測量的氣相質量流量:
 
    C1   2   
Qm1 = 1 -β1 ε1πd1 2  p1 ρg1 (1)
      
    C2   2   
Qm2 = 1 -β2 ε2πd2 2  p2 ρg2 (2)
   
式中 :C 為流出系數 ;ε為膨脹性系數;β 為孔徑比 ;ρ 為氣相密度;d 為當量直徑 ;Δp 為孔板差壓;Qm 為體積流量。
 計算氣相在此差壓下兩個孔板測量的流量為 Qm1 、Qm2 ,由于液相的存在使得測量出的流量比實際氣相流量要大 , 大于部分與 Martinelli 參數(X )有
X =   2 -n   n   
        μg   ρl 
  x           
              
其中:x、ρg、ρl分別為質量含氣率與氣、液相密度, μg、
μ分別為氣、液相的動力黏度 。   
Qm 、Qgc 與 X 之間存在線性關系,可得以下關系式:
Qm  -1 =MX +c (4)
Qgc  式中:Qm 為氣相的讀數流量 ;Qgc 為氣相的實際流量 ;M 為 M urdock 系數 ;c為一常數?？梢酝ㄟ^實驗的方法來標定 M 、c 的值。
 
假設兩個孔板的差壓之間的差別相對于常數(M)足夠大, 則下列等式成立:
    Q             Q     
Qgc  =     m1         =     m2     
1 +c1  +M1   1 -x   ρg1     1 +c2  +M2   1 -x     ρg2 
  x ρl   x ρl
                  
                (5)
由此解得實際的氣相質量含率(x),并可得到實
際的氣相質量流量 :           
Q gc =     Qm1       (6)
          1 -x   ρg1   
      1 +c1  +M1     
      x ρ
                  l
液相質量流量 :                 
        Ql  = Qgc(1 -x) (7)
          
          x             即可得氣、液相流量。

三、實驗結果及討論：
 
1 .室內實驗：
 室內實驗在中國石油大學(華東)多相流實驗環道上進行。實驗工質為空氣和水, 水由泵增壓, 經液體質量流量計計量后流入氣液混合器;空氣由空氣壓縮機增壓、氣體流量計計量后流入氣液混合器, 在混合器內充分混合后進入實驗環道。氣體流量計量采用金屬管浮子流量計 , 液體流量計量采用 ROSE-MO UNT 質量流量計。
 在此次試驗中 ,采取差壓分段擬合的方法, 即將兩相實驗數據按流量計中較前個孔板的差壓排序,并按其大小將實驗數據分成若干組 ,每一組分別擬合出一組系數 ,然后代入預留數據進行氣液量計算。
 
(1)氣相流量氣相流量計量誤差見圖 2 。0 .5～ 0 .4孔板組合氣相流量zui小值為 110 .4 m3 /h , zui大值為 501 .8 m3 /h ,zui大計量誤差為 2 .55 %。
 
(2)液相流量液相流量計量誤差見圖 2 。0 .5～ 0 .4孔板組合液相流量zui小值為 0 .140 m3 /h , zui大值為 0 .348 m3 /h ,計量誤差在 10 %范圍內。

2、現場實驗：
 現場實驗是在大港油田第四采油廠采油二隊板 22 站進行的。油氣混合流的壓力在 400 kPa 以上 , 溫度在 35 ℃左右, 氣相流量為 50 ～ 350 m3 /h , 液相流量在 2 m3 /h 以下。油井采出液經過單獨計量的氣液相混和后進入多相流計量計樣機。
 
(1)氣液瞬時流量測試結果檢驗樣本的流量計量誤差統計結果見表 1 。

表 1  氣相液相流量計量相對誤差(絕對值)統計結果表
      
誤差范圍 檢驗點分布 誤差范圍   檢驗點分布
      
<8 %         90 %          <10 %       74 %
<10 %      93 %          <15 %       91 %
<15 %      97 %          <18 %       94 %
<25 %      99 %          <25 %       98 %
<30 %     100%          <40 %      100 %
均值 5 % 均值 87 %
  從實測結果看出:在氣相流量為 50 ～ 300 m3/h 、液相流量為 0 .2 ～ 2 m3 /h 的流量范圍內 , 氣相流量計量的平均誤差為 5 %, 且以 90 %的置信概率下誤差小于 10 %;液相流量計量的平均誤差為 8 .7%, 且在 90 %的置信概率下誤差小于 15 %。
  軟件實時測試結果曲線見圖 3 ?？梢钥闯?,兩者在整個流量調節的變化趨勢一致 ,且測試結果接近。

(2)連續生產運行計量結果為了進一步驗證多相流量計的性能 ,在 22 站對新板21 、板21-2 井進行了一個月(每天連續 6 h 每口井 3 h)的連續計量, 平均每天的跟蹤試驗計量分離器與多相流量計累計流量(換算到標準狀況下)數據結果如表 2 所示。
表 2 計量分離器與多相流量計累計流量表
    氣相累計 液相累計 氣相累計 液相累計
計量分離器 27264 .74 103.66         25794.13 23.43
多相流量計 28007         110.20         25965.85 25.39
累計誤差(%) 2.72%          6.31%         0.67%         8.35% 
可以看出在連續計量狀況下 ,多相流量計測得的氣、液相累計流量誤差較小, 達到了現場生產要求的精度。
 
3 .標定結果：
 2006 年 9 月,石油工業計量測試研究所使用設在大慶油田建設設計研究院油田地面工程試驗基地的油氣水多相流量計實液測試裝置 , 對研制的UPCWGM-I-50AIBI凝析天然氣流量計進行了性能測試,測試結果見表 3 。
表 3  U PCWGM-I-50AIBI 計量裝置標定結果表
 
                            氣相測量             液相測量
           
總體誤差分布   zui大:10 .9%          zui大 :25 %
                           zui小:-0.4%           zui小:-0 .7%             
平均誤差           2 .925 %                4%
氣相置信度 ≤5 %     5 %～ 10 %         10 %～ 15 %
                            86%     7 %                         7 %    
液相置信度  ≤10 %   10%～ 17%            ≥17 %
                        62 .6%   29.1%                    8.3%
      
注 :連續 1 h 波動工況測試:氣相相對誤差為 5 .1%, 液相相對誤差為 7 .8%。
 
四、結 論：
(1)雙槽形孔板流量計測量系統將常規傳感檢測技術與基于多相流的多參數檢測原理結合 , 利用多相流動的數學模型進行計算得出初步結果 , 然后通過軟測量技術進一步補償和修正, 提高了測量精度, 創造了一種簡單、實用的多相流計量方法。
(2)對于高含氣的氣液兩相流動, 通過實驗初步獲得了適用于濕天然氣計量的計量模型和算法。結果表明, 在實驗范圍內 ,氣相流量的zui大測量誤差小于 2 .5%, 液相流量zui大測量誤差小于 10 %。該工業樣機計量精度可以滿足實際生產的需要。
(3)經過對流量計樣機的室內測試、現場工業測試和石油工業計量測試研究所的標定, 得出在氣液比大于 200 m3/m 3 時, 氣相流量計量準確度小于±10 %, 液相的小于 ±15 %,其置信度為 90 %, 計量準確度與國內外相當, 而流量計成本大幅度下降。