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油气水三相流中涡轮流量计测量特性研究

发布时间:2017-11-01
 

摘要:基于皮球及伞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及软测量模型,给出了具有较高精度的的三相流总流量预测结果,表明利用皮球及伞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。
众所周知,油气水三相流测井技术是目前油田动态监测领域中迫切需要解决的难题之一。从上世纪70年代开始,大庆油田与吉林大学合作最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。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,将耐压指标提高到30Mpa,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。在该项三相流测井技术 中,涡轮流量计在三相流总流量测量中扮演了重要角色,如何将涡轮流量计与其它密度及持水率测井信息进行有效组合以实现总流量测量是油气水三相流分相流量测量的重要基础。
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,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。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,同时,在借鉴两相流涡 轮流量计体积模型、质量模型及动量模型的基础上,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,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。郭海敏及钟兴福等将最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。
尽管涡轮流量计在三相流测井技术中已取得一定应用效果,但是,对涡轮流量计测量三相流总流量的理论认识还仍有局限性,近年来的三相流测井实践表明,采用不同集流程度的集流器后,其三相流测井解释模型会发生较大变化,在一定程度上制约了涡轮流量计在三相流测井中的应用效果。鉴于目前对发展油气水三相流测井技术的迫切性,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、油气水三相流测井组合仪
1.1皮球集流三相流测井组合仪
如图1所示,皮球集流环空三相流测井组合仪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,其中涡轮流量计放置在集流后过流通道内,由于集流器的集流效果,使得测量通道内油气水三相流流型相对变得均匀,可改善涡轮流量计测量效果。密度-持水率采用放射性低能源测量方法。

1.2伞集流三相流测井组合仪
伞集流油气水三相流侧井组合仪自下而上是伞集流器、涡轮流量计、持水率-密度计、井温压力短接和遥测短接(图2)。伞集流器张开后,井内流体进人测量通道,由涡轮流量计侧量体积流量,由持水率-密度计测量密度和持水率,然后流体流出测量通道,井温压力计用来测量井内的温度和压力。

持水率-密度计结构如图3所示。放射源在测量流道内居中放置,被测量的三相流体绕过放射源进入测量区域,放射源发射的x射线和γ射线通过被测流体后,经过密封准直器使射线准直通过,之后进入由Nal(Tl)晶体和光电倍增管(PMT)组成的闪烁探测器。Nal(Tl)晶体将每个x和γ光子转换成为多个可见光子,可见光子的数量正比于到来光子的能量;然后由光电倍增管将这些可见光子转换成电信号输出,信号的输出幅度正比于射线的能量,供后续电路处理。新设计的传感器在流道结构、密封准直器结构和放射源结构等方面做了优化,改善了其动态响应特性。

2、皮球集流涡轮流量计在油气水三相流中测量特性
皮球集流涡轮流量计在三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如下:水流量为0~60m3/d;油流量为0~45m3/d;气流量为0~125m3/d;含气率为0~80%;含水率为0~90%;含油率为0~85%,实验共测取了86组组合仪测量数据。图4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。

从图4中可以看出:对同一ρn值,涡轮转速rRPM随三相流总流量增加而增加;随流动密度ρn增加,涡轮流量计测量灵敏度增加。流动密度ρn定义为:

式中:ρo、ρg、ρw分别为油、气、水分相密度;Qo、Qg、Qw分别为油、气、水分相流量。
图5给出了流动密度ρn与侧量混合密度ρm之间的实验关系,由于三相流相间存在滑脱效应及流型的非均匀分布,其二者之间还存在较大差异。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。如果单从气液两相流动考察,流动密度ρn与混合密度ρm之间数学关系,即

式中ρt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(2)式可以看出,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。显然,若混相流体均匀混合且无相间相对运动,则有:Co=1,Vgj=0,也就是ρn=ρm,ρn有时称为无滑脱密度就是由此而得。但是,在一般情况下,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。由此看到,正确确定Co及Vgj是表达ρn与ρm之间关系的关键    。                
基于油气水三相流动态实验数据,利用两相流漂移模型,可得到图6及图7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。
3、伞集流涡轮流量计在油气水三相流中测量特性
伞集流三相流测井组合仪在多相流模拟井中的动态实验是在大庆生产测井研究所进行的,垂直上升管中三相流流动工况范围如下:水流量为1.5~42m3/d;油流量为1.5~42m3/d;气流量为0~48.9m3/d;总流量为15~70m3/d;流动密度0.3~0.7g/cm3。含气率28.3%~71.8%;含水率为10%~60%;含油率为10%~60%。实验共测取了120组按分相流量配比的三相流实验点。

图8(a)为伞集流条件下涡轮流量计在全油及全水中的测量特性,其线性拟合响应方程分别为:
rRPS=KwQw+1.12(全水)(3)
rRPS=KoQo+1.41(全油)(4)
式中:rRPS为涡轮转速,r/s,Qw、Qo分别为水相及油相流量,m3/d。可以看出,在单相油及单相水中伞集流的涡轮流量计响应特性基本上是稳定的,其仪器因子为:Kw=Ko=1.1r/s·d·m-3。图8(b)为伞集流条件下涡轮流量计在油水两相流中的测量特性,其线性拟合响应方程为:
rRPS=KwQt+1.1(油水)(5)
在油水两相流中仪器因子为:Kow=1.12(r/s·d·m-3),该值基本上与单相流的仪器因子相同,表明油水两相流中伞集涡轮流量计仍具有单相流的稳定响应特性。

图9为伞集流涡轮流量计在油气水三相流中测量特性。图中Qo/Qw为油水流量之比,ρn为流动密度。可以看出:对同一个ρn值,涡轮每秒转速rRPS随三相流总流量增加而增加;另外,随着Qo/Qw比值增加,涡轮转速rRPS受Qo/Qw比值影响也随之增大,当Qo/Qw≥4.0时影响尤为显著。

根据在多相流模拟井动态实验时观察到的气相流型特征,我们分ρm>ρn及ρm<ρn两种情况给出如图10中所示气相流型随流动参数变化情况。可以看出,正是持气率Hg小于0.425时,出现了较多的不稳定段塞流流型。测量通道内较多段塞流流型工况的出现,对总流量及分相含率测量影响很大。

4、皮球集流涡轮流量计测量油气水三相流总流量模型
定义在三相流中涡轮流量计仪表因子K为:

三相流中涡轮流量计变仪表因子K的动量模型为:

式中:s为等效“气液”两相流滑动比,Ko为在单相流中仪表系数,Y可由下式给出:

s由下式给出:

式中:Co为相分布系数,Vgj为气相漂移速度。含气率Kg与持气率Hg之间存在如下关系:

结合(6)~(10)式,就可以预测三相流总流量Qt。图11为预测的油气水三相流总流量结果,其中,绝对平均误差为:δAD=3.976m3/d,绝对平均相对误差为δAAPD=8.69%,可以看出,总流量的预测效果还是比较好的。

5、伞集流涡轮流量计测量油气水三相流总流量模型
由伞集流三相流测井组合仪可以测量得到:涡轮转速rRPS、混合密度ρm、持油率Ho、持气率Hg、持水率Hw;气相密度ρg、油相密度ρo及水相密度ρw,可以由测量得到的温度与压力参数通过储层PVT相关式计算得到。三相流总流量及分相含率软测量模型如图12所示,其中总流量预测采用基于误差反向传播的多层前馈型人工神经网络模型。人工神经网络模型结构均为三层,输入层均有五个变量(rRPS、ρm、Ho、Hg及Hw)。隐层节点数选择为10,总流量输出层节点数为单输出(Qt),在实际训练中激活函数选用双曲正切函数tanh(x)。选用Levenbery-Marquardt(非线性阻尼最小二乘法)优化算法对神经网络分别进行总流量训练学习。

实验共采集到120组三相流测量样本数据,在总流量的预测过程中选取92组数据用于训练,,28个组数据用于验证。对人工神经网络预测的总流量与实际标定的总流量数值进行了比较,预测结果如图13所示。

对总流量的神经网络模型的测结果进行误差分析,图13中δAD为绝对平均误差,δAAPD为绝对平均相对误差,其定义式分别为:

得到总流量的预测结果为δAD=2.44m3/d,δAAPD=5.48%,取得了较高的总流量预测效果。
6、结束语
(1)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总流量预测结果。在如此复杂的油气水三相流测井技术中,集流型涡轮流量计仍不失为测量三相流总流量的有效方法。
(2)在油气水三相流流动条件下,尽管伞集流器伞筋间存在混相流体的非线性漏失,且集流后测量通道内流体流动规律异常复杂,但是,伞集流涡轮流量计与放射性密度-持水率计组合,基于多参数测量结果的软测量模型仍可以给出具有较高精度的三相流总流量预测结果。