多相流量计原理

1多相流测量技术回顾——传统两相、三相分离器分离计量方案1）由两相、三相分离器对油井产出三相混合物进行气液或油气水分离2）通过对分离器内储液段的液位控制，排放液体，进行液体、含水率计量或纯油纯水计量3）通过对分离器的压力控制进行气体排放并对气体进行计量4）由微机对以上工作过程进行控制并采集处理数据，得到油井油、气、水产量及有关测试参数。2多相流测量技术回顾——传统计量方案的缺点1.有较多的管汇、分离器，工艺复杂、尺寸大，尺寸问题在海洋石油平台上尤为突出2.常规的计量测试装备配套仪表多，仪表标定烦琐，现场维护量高，生产维护工作量大；3.控制系统较为复杂;4.常规的计量测试系统很难处理泡沫原油或难以分离的乳化液引起的相分离问题，通常需进行化学或机械干预，从而增加费用并影响测量准确度;3多相流测量技术回顾——多相流量计1.不用相分离，工艺简洁，结构紧凑，占空间小；2.测量为实时、连续测量，基本上可无人值守，不用人员干预；3.仪表具有良好的可靠性；4.适用的准确度和重复性；5.一次投资和维护费用低，在采油生产中，尤其在海洋石油和油井测试中具有很大的潜在效益。4多相流测量技术回顾——多相流量计相分率测量1.介电相分率测量法介电相分率测量包括电容/电导测量技术，与之相关的还有微波吸收法。利用油水介电常数区别较大，测量一种油水混合液的介电常数可以确定其含水率。2.伽马射线法相分率测量依据油、水、气对伽马能量的衰减率不同，当伽马射线穿过油、水、气混合物时，由混合物中分子的电子和原子引起衰减，通过建立相关方程可以求得混合物的相分率。5多相流测量技术回顾——多相流量计流量（流速）测量1.文丘里流量计文丘里流量计是一种传统的差压式流量计，近年来被广泛地应用于湿气计量和多相流量计量。文丘里流量计可以适用于含气流体和粘性流体的流量测量，当与之配套的相分率仪表测量出气体相分率后，可以容易地确定出液体流量2.互相关法互相关法就是在一定距离的管段上设置两个传感器（γ传感器或电容、微波传感器），测量相似流体性质变化的特征与频率，根据两个传感器对同一参照物测量的时滞，以及传感器之间的距离，通过相关函数计算流体的速度。6海默多相流计性能及结构——海默MFM2000型1.文丘里流量计2.流型调整器3.单能伽马传感器4.双能伽马传感器5.压力变送器、温度变送器6.数据处理系统组成7海默多相流计性能及结构——海默MFM2000型GasFraction(ag):气相所占截面比GasVolumeFraction(GVF):气相所占总体积比(工况条件下)WaterLiquidRatio(WLR):水相所占液相比(工况条件下)WLR&BS&W区别：WLR:工况，BS&W:标况1gowaaa设：woggQQQQGVFwowQQQWLRwowWLRaaa8海默多相流计性能及结构——海默MFM2000型GROSSMULTIPHASEFLOWFlowrates@LineConditionsQoilQwaterQgasFlowConditionerDual-GammaRayRAWLR典型液相PVTDataFlowrates@StandardConditionsQoilQwaterQgasTTPTPressure&TemperatureMeasurementsPVTCalculationsSingle-GammaRayRAαgVenturiDP9海默多相流计性能及结构——海默MFM2000型WLRr=(1-ag)[ro+WLR(rw-ro)]+ag.rgFlowConditionerDUALDPTTInletOutletPTDPDPQmasstotalQoil=(1-GVF).(1-WLR).QtotalQwater=(1-GVF).WLR.QtotalQgas=GVF.QtotalagSINGLE3’’VenturiMeterRARA10GROSSFLOW½’’Vent&GasSamplingpointCalibrationPort(Graylock)1’’1/2ValveGVF10%Dual-GammaRaySensorRA4010205060708090302%10%5%-2%-10%-5%15%-15%GVF(%)FunneleffectwithoutFlowConditionerWaterCutAbsoluteError11海默多相流计性能及结构——海默MFM2000型仪表测量范围含水率测量范围0-100%含气率测量范围0-90%(可扩展到0-98%)流量测量范围8:1(可扩展到30:1)典型的测量准确度准确度重复性毛液量±5-10%（相对误差）±5%气量±10%（相对误差）±5%含水率±2%（绝对误差）±1%置信度为90%12海默多相流计性能及结构——海默MFM2000HG型（高含气型）气液两相旋流分离器涡街流量计气路控制阀文丘里流量计流型调整器单能伽马传感器双能伽马传感器压力变送器、温度变送器数据处理系统组成13海默多相流计性能及结构——海默MFM2000HG型（高含气型）仪表测量范围含水率测量范围0-100%含气率测量范围0-99%流量测量范围15:1典型的测量准确度准确度重复性毛液量±5-10%（相对误差）±5%气量±10%（相对误差）±5%含水率±2%（绝对误差）±1%置信度为90%14海默多相流计性能及结构海默MFM2000LG型（低含气型）文丘里流量计双能伽马传感器压力变送器、温度变送器数据处理系统组成15海默多相流计性能及结构——海默MFM2000LG型（低含气型）仪表测量范围含水率测量范围0-100%含气率测量范围0-15%流量测量范围8:1典型的测量准确度准确度重复性毛液量±5%（相对误差）±2.5%气量±10%（相对误差）±5%含水率±2%（绝对误差）±1%置信度为90%16文丘里流量计——工作原理文丘里流量计是一种差压式流量计。差压式流量计的基本原理是：在充满流体的圆管中设置文丘里或喷嘴之类的节流件，当流体流经节流件时，在其上、下游侧就会产生静压力差，该静压力差与流过的流量之间有一个固定的函数关系，只要测得静压力差就可以由流量公式求得流量。17文丘里流量计——基本计算公式差压式流量计的基本方程：1224rpCEdQVpCEdQm1224rQv——体积流量；Qm——质量流量；C——流出系数（Dischargecoefficient）；E——渐进速度系数；d——节流元件内径（如喷嘴喉部）；ε——流束膨胀系数，对于液体ε=1；ρ1——节流件上游流体工作状态下的密度；ΔP—节流件前后的压差；β——节流件内径与测量管内径之比β=d/D；D——测量管内径。18文丘里流量计——差压式流量计的组成1.节流装置：即差压流量计的流量传感器；2.取压系统：由取压口、引压管、隔离罐和五阀组构成；3.压差测量装备：差压计或差压变送器；4.辅助仪表：压力、温度变送器、二次积算仪表等。1.节流件（文丘里管、文丘里喷嘴）2.上、下游引压管3.隔离罐4.截止阀5.五阀组6.差压变送器19文丘里流量计——在多相流量计中的应用1.ISO5167--1和GB2624标准是适用于单相流体的差压式流量计。差压式流量计用于两相流测量时，由于介质密度变化、气液滑差、非均相等因素，影响液体测量准确度，尤其是在高含气工况下尤为突出。2.数学模型修正：用于两相流测量的差压式流量计的修正公式有几个，如：Murdock公式，James公式，Smith--leung公式以及林氏公式（林宗虎公式）。以Murdock公式和林氏公式应用较好。海默多相流量计应用林氏公式以提高液体测量准确度。3.微分原理1).将三相流体微分，在瞬间状态下近似作为单相流体2).电子学系统高速采样3).适时计算20什么是伽玛传感器利用伽玛射线与物质的相互作用，通过测量透射强度或散射强度来确定样品的厚度、密度和组份等物理量的装置i探测器放射源样品i探测器放射源样品屏蔽透射式散射式21伽玛传感器的基本原理Nx=f（N0，X，ρ，组份…）组份=F（Nx，N0，X，ρ…）Nx—传感器的输出N0，X，ρ…—常数22原子的结构原子核：半径～10cm由质子和中子组成-13Z个质子，每个质子的质量～1.008amu。带一个单位的正电荷N个中子，每个中子的质量～1.009amu。不带电荷电子轨道：半径～10cm-8Z个电子：每个电子的质量为中子的1/1840。带一个单位的负电荷原子序数：Z质量数：A=Z+Namu：原子质量单位，1amu=一个碳原子质量的1/1223元素与同位素一个原子的物理和化学性质主要决定于它所含有的质子数，即原子序数Z。原子序数相同的原子构成一种元素。氢Z=1自然界最重的元素铀Z=92人工合成元素Z＞92超重元素Z＞100一种元素可以有质子数相同但中子数不同的若干种原子。它们被称为该元素的同位素，它们有相同的化学性质但不同的原子核性质。·H1H2H3氘氕氚元素氢的三种同位素24放射性同位素和衰变一个原子核的中子数和质子数之比N/Z称为中质比。只有中质比在一定范围内的原子核才是稳定的。，在轻元素区：N/Z≈1的原子核比较稳定到重元素铀N/Z≈1.5的原子核才是稳定的当中子数和质子数之比N/Z偏离稳定值时，原子核变得不稳定，它们存在一定的时间后会自发地变成另一种稳定或比较稳定的原子核，同时发射射线以释放多余的能量。，不稳定的原子核称为放射性同位素。它们自发地蜕变为另一种原子核，同时放出射线的过程称为放射性衰变。，根据放射性衰变过程种放出射线种类的不同，放射性衰变可以分为不同的类型。最常见和最基本的衰变类型是α衰变和β衰变。，25α衰变和β衰变α衰变原子核在衰变过程中发射一个α粒子而蜕变为另一个原子核（子核），aPbPo206210例：α粒子由两个质子和两个中子组成。它在穿过介质时产生强烈的电离作用，同时迅速损失能量。它在空气中的射程约为几厘米，一张纸即可当住α粒子。，β衰变原子核在衰变过程中发射一个β粒子而蜕变为另一个原子核。，例：NiCo6060β粒子是高能的电子。它在穿过介质时会产生电离、散射、激发和引起X射线的发射等。它在空气中的射程约为几米。，26原子核的能量状态不同的原子核具有不同的能量，它取决于原子核的组成。一个确定的原子核也可以处在不同的能量状态，能量最低的称为基态，能量较高的称为激发态。，能量单位：1电子伏特(eV)=尔格，1keV=1000eV，1MeV=1000keV1210602.1Po210Pb206Co60Ni601.17MeV1.34MeV0.31MeVα5.3MeVEZ衰变纲图27γ射线和X射线伽玛射线和X射线通称为电磁辐射，它们是一种高能的电磁波，没有静止质量、不带电荷，有很强的穿透能力。，伽玛射线是原子核从较高激发态跳到较低激发态或基态时放出的能量形式，如在衰变纲图中表示的那样。，X射线是原子的电子壳层的能量状态发生变化时放出的能量形式。这种X射线称为特征X射线，具有分离的能量。一种具有连续能量的X射线称为韧致辐射。，特征射线XXXe韧致辐射28放射性衰变规律一个不稳定的原子核从它产生开始到衰变这段时间的平均值称为平均寿命。它只决定于这种原子核的不稳定的程度而和其他因素无关。，，当大量的不稳定原子核集中在一起时（放射源），每个原子核的平均寿命相同，但一个原子核的衰变和其它原子核的存在或衰变无关。这种情况称为统计无关，原子核总数随时间的减少可用指数规律来述描：，teNN0—0时刻的原子核数，t—经过的时间0NN—t时刻的原子核数，λ—衰变常数放射源在单位时间内衰变的原子核数称为源的活度（强度）。一个含有N个原子核的放射源它的活度为：，，NdtdN29放射源含有放射性同位素、以一定的化学形态存在的放射性物质即是放射源，它分为开放性的和密闭的两大类。同位素种类Am241衰变类型、射线及其能量α5.48MeVγ0.06MeV半衰期433年/693.02/1T强度居里（Ci）=衰变/秒贝克（Bq）=1衰变/秒,毫居里（mCi）微居里