摘 要 针对当前湿天然气井口计量存在的技术难题, 基于双槽形孔板的计量元件, 研制了低成本双节流式孔板组合的流量计样机, 研究了流体通过双槽型孔板时的流动特性以及各种气液比下双槽型孔板之间差压、压力、温度信号与气液分相流量之间的关系, 建立了适用于双槽形孔板流量计系统的数学计量模型, 并用此模型进行了室内计量实验、现场实验和计量中心的标定。 测试结果表明, 在实验范围内, 气相流量的***大测量误差小于 10 %, 液相流量的***大测量误差小于 15 %。 该工业样机计量精度可以满足实际生产的需要。

  目前 , 我国陆上油气开发重点逐渐向滩海及西部地区转移, 而这些地区自然条件恶劣, 不适宜建计量站计量。这些地区主要选用国外多相流量计进行计量。这些多相流量计多采用涡轮、文丘里、伽马射线、电容、电阻传感器等^[ 1 , 2] 作为一次测量元件或组合 ,经过一定的计算得到各相流量。但国内外多相流量计普遍存在以下问题:
①计量范围窄 ,计量精度受油气比的影响较大;
②有些采用了微波、伽马射线等测试手段, 其价格昂贵, 难以大规模推广使用 ;
③ 有些要求特殊安装 ,现场应用不便或流程复杂;④有些产品的性价比无法满足用户需要 ,尤其是采用放射性等测量方式的产品价格更加昂贵。因此 , 如何开发出满足当前生产计量需要的多相流量计, 降低开发成本, 提高管理效益十分迫切。本研究采用常规的传感检测技术 ,基于多相流的多参数检测原理,利用多相流动的数学模型进行计算并得出初步结果 ,然后通过软测量技术^[ 3] 进一步补偿和修正, 提高测量精度。

一、双槽形孔板多相流量计的计量原理：
  本计量系统(见图 1)是通过两个差压传感器和一个压力传感器信号的连续采集和处理, 来提取相模型,并利用此模型进行计算获得气液两相的流量。



图 1  双槽形孔板流量计示意图

二、计测模型建立：
 在计算气液两相流流量时 ,首先把气、液两相流体流过上、下游节流元件时产生的差压认为全部是由气相产生的 ,根据流量的基本方程^[ 4] 可以得到上、下游节流元件测量的气相质量流量:
 

		C1		2
Qm1	=	1 -β1	ε1πd1		2  p1 ρg1	(1)
			4
		4
		C2		2
Qm2	=	1 -β2	ε2πd2		2  p2 ρg2	(2)
			4
		4

式中 :C 为流出系数 ;ε为膨胀性系数;β 为孔径比 ;ρ 为气相密度;d 为当量直径 ;Δp 为孔板差压;Qm 为体积流量。
 计算气相在此差压下两个孔板测量的流量为 Qm1 、Qm2 ,由于液相的存在使得测量出的流量比实际气相流量要大 , 大于部分与 Martinelli 参数(X )有

X =		2	-n		n		1
				μg		ρl
	x

其中:x、ρg、ρl分别为质量含气率与气、液相密度, μg、
μ分别为气、液相的动力黏度 。
l
Qm 、Qgc 与 X 之间存在线性关系,可得以下关系式:
Qm  -1 =MX +c	(4)
Qgc

式中:Qm 为气相的读数流量 ;Qgc 为气相的实际流量 ;M 为 M urdock 系数 ;c为一常数。可以通过实验的方法来标定 M 、c 的值。
 
假设两个孔板的差压之间的差别相对于常数(M)足够大, 则下列等式成立:

Q

Q

Qgc  =

m1

=

m2

1 +c1  +M1

1 -x

ρg1

1 +c2  +M2

1 -x

ρg2

x

ρl

x

ρl

								(5)
由此解得实际的气相质量含率(x),并可得到实
际的气相质量流量 :
Q	gc	=			Qm1						(6)
						1 -x			ρg1
			1 +c1  +M1
						x			ρ
									l
液相质量流量 :
				Ql  =	Qgc(1 -x)			(7)
					x

即可得气、液相流量。

三、实验结果及讨论：
 
1 .室内实验：
 室内实验在中国石油大学(华东)多相流实验环道上进行。实验工质为空气和水, 水由泵增压, 经液体质量流量计计量后流入气液混合器;空气由空气压缩机增压、气体流量计计量后流入气液混合器, 在混合器内充分混合后进入实验环道。气体流量计量采用金属管浮子流量计 , 液体流量计量采用 ROSE-MO UNT 质量流量计。
 在此次试验中 ,采取差压分段拟合的方法, 即将两相实验数据按流量计中个孔板的差压排序,并按其大小将实验数据分成若干组 ,每一组分别拟合出一组系数 ,然后代入预留数据进行气液量计算。
 
(1)气相流量气相流量计量误差见图 2 。0 .5～ 0 .4孔板组合气相流量***小值为 110 .4 m³ /h , ***大值为 501 .8 m³ /h ,***大计量误差为 2 .55 %。
 
(2)液相流量液相流量计量误差见图 2 。0 .5～ 0 .4孔板组合液相流量***小值为 0 .140 m³ /h , ***大值为 0 .348 m³ /h ,计量误差在 10 %范围内。

图 2  0 .5～ 0.4 组合气相、液相流量真实值与测量值关系图

2、现场实验：
 现场实验是在大港油田第四采油厂采油二队板 22 站进行的。油气混合流的压力在 400 kPa 以上 , 温度在 35 ℃左右, 气相流量为 50 ～ 350 m³ /h , 液相流量在 2 m³ /h 以下。油井采出液经过单独计量的气液相混和后进入多相流计量计样机。
 
(1)气液瞬时流量测试结果检验样本的流量计量误差统计结果见表 1 。

表 1  气相液相流量计量相对误差(值)统计结果表
 

气	相	液	相
误差范围	检验点分布	误差范围	检验点分布
<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 %

  从实测结果看出:在气相流量为 50 ～ 300 m³/h 、液相流量为 0 .2 ～ 2 m³ /h 的流量范围内 , 气相流量计量的平均误差为 5 %, 且以 90 %的置信概率下误差小于 10 %;液相流量计量的平均误差为 8 .7%, 且在 90 %的置信概率下误差小于 15 %。
  软件实时测试结果曲线见图 3 。可以看出 ,两者在整个流量调节的变化趋势一致 ,且测试结果接近。




图 3  软件实时测试结果曲线图
(2)连续生产运行计量结果为了进一步验证多相流量计的性能 ,在 22 站对新板21 、板21-2 井进行了一个月(每天连续 6 h 每口井 3 h)的连续计量, 平均每天的跟踪试验计量分离器与多相流量计累计流量(换算到标准状况下)数据结果如表 2 所示。

表 2	计量分离器与多相流量计累计流量表
		板 21-2 井		新板 21 井
		气相累计	液相累计	气相累计	液相累计
		流量	流量	流量	流量
		(m3)	(m3)	(m3)	(m3)
计量分离器		27264 .74	103.66	25794 .13	23 .43
多相流量计		28007	110.20	25965 .85	25 .39
累计误差(%)		2.72 %	6.31 %	0.67%	8 .35%

 
可以看出在连续计量状况下 ,多相流量计测得的气、液相累计流量误差较小, 达到了现场生产要求的精度。
 
3 .标定结果：
 2006 年 9 月,石油工业计量测试研究所使用设在大庆油田建设设计研究院油田地面工程试验基地的油气水多相流量计实液测试装置 , 对研制的UPCWGM-I-50AIBI凝析天然气流量计进行了性能测试,测试结果见表 3 。
表 3  U PCWGM-I-50AIBI 计量装置标定结果表
 

	气相测量				液相测量
总体误差分布	***大:10 .9%				***大 :25 %
	***小:-0.4%				***小:-0 .7%
平均误差	2 .925 %				4%
气相置信度	≤5 %	5 %～ 10 %				10 %～ 15 %
	86%		7 %			7 %
液相置信度	≤10 %		10%～ 17%			≥17 %
	62 .6%		29.1%			8.3%

 
注 :连续 1 h 波动工况测试:气相相对误差为 5 .1%, 液相相对误差为 7 .8%。
 
四、结 论：
 
(1)双槽形孔板流量计测量系统将常规传感检测技术与基于多相流的多参数检测原理结合 , 利用多相流动的数学模型进行计算得出初步结果 , 然后通过软测量技术进一步补偿和修正, 提高了测量精度, 创造了一种简单、实用的多相流计量方法。
(2)对于高含气的气液两相流动, 通过实验初步获得了适用于湿天然气计量的计量模型和算法。结果表明, 在实验范围内 ,气相流量的***大测量误差小于 2 .5%, 液相流量***大测量误差小于 10 %。该工业样机计量精度可以满足实际生产的需要。
(3)经过对流量计样机的室内测试、现场工业测试和石油工业计量测试研究所的标定, 得出在气液比大于 200 m³/m ³ 时, 气相流量计量准确度小于
±10 %, 液相的小于 ±15 %,其置信度为 90 %, 计量准确度与国内外相当, 而流量计成本大幅度下降。