皮球集流油气水三相流涡轮流量计测量

摘要:基于皮球集流涡轮流量计与放射性密度-持水率计组合仪在油气水三相流流动环中的动态测量结果,建立了预测三相流总流量的涡轮流量计物理模型,该模型考虑了等效“气液”滑脱速度及流型影响。由于流型转变与两相流运动波传播特性密切相关,还提出了基于“气液”两相流运动波传播速度特征的流型划分准则,并利用该准则在不同流型区域内提取了气相漂移速度及相分布系数2个重要的流动特性参数。***后,将研究所得的三相流流动特性与涡轮流量计物理模型相结合,给出了具有较高精度的三相流总流量预测结果,表明利用集流型涡轮流量计仍然可以有效地测量油气水三相流总流量。

0、引言：
  从20世纪70年代开始,大庆油田与吉林大学合作***早提出了用于自喷井中的集流型放射性低能源测量油气水三相流流量方法[1];随着大规模的油井转抽,大庆油田在原来三相流测井技术基础上又研制成了皮球及伞集流型环空三相流测井仪[2～ 5],将耐压指标提高到30 MPa,耐温指标提高到125℃,采用遥测技术实现了井温仪、压力计、涡轮流量计、放射性持水率-密度计多种传感器的组合。1991年郭海敏运用粘滞性流体力学对涡轮流量计叶片受到的阻力矩进行了理论分析,对油气水三相流按照加权平均方法给出了等效“单相流”的涡轮流量计数学模型[6,7],指出了涡轮转速与总流量的关系受流体动力粘度及流体混合密度影响,并利用吉尔哈特高灵敏度涡轮流量计在气水两相流中测量数据及斯伦贝谢全井眼流量计在油气水三相流测量数据验证了该理论模型。基于皮球集流型环空三相流测井组合仪,大庆油田张淑英及郑华课题组分别在油气水三相流模拟井中开展了动态测量试验,发现了涡轮流量计测量响应受油气水三相流流动密度影响[2～ 4]。李占咸等基于油气水三相流流动密度与混合密度客观存在的差异,建立了预测三相流总流量无量纲准数统计模型[8],同时,在借鉴两相流涡轮流量计体积模型[9]、质量模型[10]及动量模型[11]的基础上,金宁德建立了皮球集流油气水三相流涡轮流量计变仪表因子的物理模型[12],并对张淑英课题组取得的油气水三相流动态实验测量数据进行了模型试验评价,指出了动量模型能较好地预测油气水三相流总流量[13,14]。郭海敏及钟兴福等[15,16]将***优化技术引入了油气水三相流测井资料解释,从数学反演角度丰富了生产测井解释技术内容。
  鉴于目前对发展油气水三相流测井技术的迫切性[17],本文对皮球集流涡轮流量计从三相流流动特性与测量特性相结合角度进行了综合考察,以期从理论上进一步认识涡轮流量计测量油气水三相流机理,并为今后三相流测井解释技术发展提供借鉴。

1、皮球集流三相流测井组合仪在模拟井中的测量特性：
  皮球集流环空三相流测井组合仪结构自下而上是皮球集流器、涡轮流量计、持水率-密度计、井温压力计等[3]。三相流测井组合仪在多相流模拟井中动态实验是在大庆生产测井研究所进行的,垂直上升管中油气水三相流流动工况范围为,水流量0～ 60 m3 /d;油流量0～ 45 m3 /d;气流量0～ 125 m3 /d;含气率0%～ 80%;含水率0%～ 90%;含油率0%～ 85%。实验共测取了86组组合仪测量数据,其中纯油气水三相流测量数据为32组。

1.1、涡轮流量计在油气水三相流中的测量特性：
  图1为皮球集流涡轮流量计在不同流动密度ρn时的测量响应特性。流动密度ρ

图1　皮球集流涡轮流量计在油气水三相流中测量特性

式中,ρo、ρg、ρw分别为油、气、水分相密度;Ko、Kg、Kw分别为油、气、水分相含率;Qo、Qg、Qw分别为油、气、水分相流量。从图1看出,对同一ρn值,涡轮转速(r/min)随三相流总流量增加而增加;随流动密度增加,涡轮流量计测量灵敏度增加。

1.2、放射性密度计在油气水三相流中的测量特性：
  图1中流动密度ρn是在模拟井中按分相流量配比得到的。图2给出了流动密度ρn与测量混合密度ρm之间的实验关系。理论上无滑脱均匀混相流体的流动密度ρn与混合密度ρm应相等。单从气液两相流动考察,Chisholm[18]给出了流动密度ρn与混合密度ρm之间数学关系,即

式中,ρl为液相密度;Co为相分布系数;vgj为气相漂移速度;vm为气液两相流混合速度。由式(2)知,相间滑脱及相分布特性是影响流动密度ρn与混合密度ρm差别的主要因素。若混相流体均匀混合且无相间相对运动,则有Co= 1,vgj= 0,即ρn=ρm,ρn有时称为无滑脱密度。一般混相流体并非完全均匀混合的,且存在着相间相对运动,所以有Co≠ 1,vgj≠ 0,也就是ρn≠ρm。所以,正确确定Co及vgj是表达ρn与ρm之间关系的关键。

2、集流后过流通道内油气水三相流流型特征：
  研究表明流型转化与运动波的不稳定性有密切关系,意味着流型转变是受运动波传播特性控制的。考虑到集流后内径为19 mm的过流通道内油水相间滑脱速度较小,所以,采用“气液”两相流流动方式来等效过流通道内的油气水三相流流动。根据先前研究结果[19～ 21],可得到“气液”两相流运动波传播速度C为Ck= vmCo+ vmYgdCodYg+ vgj+ YgdvgjdYg(3)　　运动波传播速度取决于两相流总流速vm、持气率Yg、相分布系数Co、气相漂移速度vgj、相分布系数变化率dCodYg及气相漂移速度变化率dvgjdYg。当“气液”两相流为均匀流动且相间无滑脱时,运动波的传播速度Ck与两相流混合流速vm相等。
  基于油气水三相流动态实验数据,利用两相流漂移模型[22],可得到图3、图4所示相分布系数Co及漂移速度vgj的关系曲线,可以看出,集流通道内油气水三相流流型是复杂多变的。由图3、图4关系曲线也可以处理得到dCodYg及dvgjdYg变化关系(在此省略)。根据式(3)可以计算得到如图5所示的等效“气液”两相流运动波传播速度Ck关系曲线。根据Ck特征曲线变化特点,将受流型控制的Ck变化曲线分为如下几个区:
A区:0< Yg≤ 0. 19;　　B区:0. 19≤ Yg< 0. 25;C区:0. 25≤ Yg< 0. 37; D区:0. 37≤ Yg< 0. 6;F区:Yg> 0. 6。
  基于流型转变是受运动波传播特性控制的观点,以上各个分区应该代表着不同类型的流型特征。
  根据以上不同流型特征区域划分结果,利用式(2)可以归纳出不同分区内平均相分布系数 Co及平均漂移速度 vgj特征值。采用非线性拟合技术可得表1所示的分区流型参数。根据公式(2),并利用表1所拟合出的分区 Co及 vgj值,由测量的混合密度ρm就可预测出流动密度ρn,其平均误差为AD= 0. 021 8(g/cm3),平均相对误差为AAPD= 4. 75%。采用式(2)可以较

图3　相分布系数Co与持气率Yg的关系图4　漂移速度vgj与持气率Yg的关系

图5　“气液”两相流运动波传播速度Ck特性曲线

好地预测流动密度ρn,图6为流动密度ρn预测结果。

3、皮球集流油气水三相流涡轮流量计物理模型：
  定义在三相流中涡轮流量计仪表因子k为k=RPMQt(4)　　三相流中涡轮流量计变仪表因子k的动量模型为[12～ 14]k= k0S+ Y[1+ Yg(S -1)](1+ Y)(5)式中,S为等效“气液”两相流滑动比,k0为在单相流中仪表系数,Y可由下式给出Y=ρlρgρm-ρgρl-ρg(6)S由下式给出S=ρlKgρg+(1 -Kg)ρl1 /2Co+vgjvm(7)Kg与Yg之间存在如下关系Kg=11+1 -YgYg1S(8) 107 根据表1分区流型参数 Co及 vgj值,并结合式(4)～(8),就可以预测三相流总流量Qt。图7为预测的纯油气水三相流总流量结果,其中,AD= 3. 976 m3 /d,AAPD=8. 69%,可以看出,在高流量时,预测误差比较大。

图7　油气水三相流总流量预测结果

4、结束语：
  皮球集流涡轮流量计与放射性密度-持水率计组合,在油气水三相流条件下采用物理模型仍可以给出较高精度的总流量预测结果。皮球集流后过流通道内油气水三相流相间滑脱效应及复杂多变流型对涡轮流量计测量特性仍有显著影响,因此,具有流体非线性漏失特点的伞集流涡轮流量计测量特性将会更加复杂。