地面集输系统油气水多相取样计量技术研究.pdf

2 0 1 2年 9月 第 2 7卷第 5期 西安石油大学学报 自然科学版 J o u r n a l o f X i a n S h i y o u U n i v e r s i t y N a t u r a l S c i e n c e E d i t i o n Se p ．201 2 V0 1 ． 2 7 No ． 5 文章编号 1 6 7 3 -06 4 X 2 0 1 2 0 5 - 0 0 4 7 -03 地面集输 系统油气水 多相取样计 量技术研 究 梁 法春 ， 陈 睛 ， 刘德绪 ， 龚金 海 1 ． 中国石油大学 华东储运与建筑工程学院， 山东 青岛 2 6 6 5 5 5 ； 2 ． 中原石油勘探局 勘察设计研究 院 ， 河南 濮 阳 4 5 7 0 0 1 摘要 传统的油气计量分离器存在体积大、 精度低等缺点， 已很难适应 当前高含水期生产需要． 提 出 了通过管壁取样测量油气水三相流流量的新方法． 管壁四周均 匀布置 4个直径为 2 ． 5 mm的圆形 取样孔 ， 并在上游采用旋流叶片将来流整改成液膜厚度均 匀分布的环状流型 ， 以增强取样 的代表 性． 在管径为O ． 0 4 m的多相流 实验环道上开展 了实验研 究， 结果表 明 在 实验范围内， 取样比基本 不受主管气、 液相流量波动 的影响 ， 能够在 宽广的流动范 围内维持 恒定， 液相分流 系数稳定值 为 0 ． 0 5 ， 液相流量平均误差为 2 ． 8 ％ ， 气相流量平均误差为 4 ． 2 ％． 该装置特点是体积小、 成本低、 计量 稳定． 其成功应用有望撤销计量站， 实现集输工艺流程的简化优化， 降低油田高含水期运行成本． 关键词 多相流计量； 取样元件 ； 油气集输 系统 ； 高含水率阶段 中图分类号 T E 8 6 6 ； 0 3 5 9 文献标识码 A 油气计量方式落后 、 设备负荷率低、 能耗高、 集 输系统适应性变差是导致高含水期集输系统能耗不 断攀升的重要原因． 对现有集输系统进行简化、 优化 已成为高含水期油 田地 面集输系统建设 、 改造 的主 题和发展趋势⋯． 目前各油 田多采用传统的分离计量方式 2 j ， 采 用人工化验方法’ 贝 0 量含水率． 在高含水采油期 ， 对于 气液 比低的油井计量后 的排液十分困难 ， 人工取样 化验含水率劳动强度大， 且测量精度易受人 为因素 影响． 多相流计量方法和装置研究一直是关 注的前 沿和热 点 ， 国外 一 些 石油 公 司 如 F l u e n t a 、 F r a m o 、 R o x a r 、 S c h l u m b e r g e r 、 A g a r 等都相继投入 巨资进行开 发研究 ． 现有 多相计 量方法根据是 否分离 以及 分离的程度基本可分为分离法 、 不分离法以及部分 分离法 ， 根据其采用的测量手段又可细分为射线法 、 差压 法 以及 基 于 电 学、 声 学 和 光 学 的测 量 方 法 等 ． 当前多相流量计还主要针对气液两相 流， 而 油气水三相流动流型更加多样 ， 流动特性更为复杂， 准确测量流量难度更大． 鉴于此 ， 本文提出了一种基 于分流取样原理的高含水期油气水三相流量在线计 量方法 ， 并探讨其在工艺流程简化 中的应用． 1 分流取样式 多相流量计 1 ． 1 分 流取 样 多相计 量原 理 图 1是分流取样油气水三相计量原理 图． 被测 流体流经分配器时被分成两部分 一部分沿原通道 继续向下游流动 ， 称这部分流体为主流体 ， 这一 回路 为主流回路 ； 另一部分两相流体则进入了分离器 ， 称 这部分流体为分流体 ， 这一支路为分流体 回路． 分流 体经分离器分离后 ， 气体和液体分别采用气体流量 计和液体流量计测量 ， 最后又重新与主流体汇合． 主 管路气相流量 M。 。 和液相流量 M扎根据它们与分流 体气液相流量的比例关系进行计算 ， 即 收稿 日期 2 0 1 1 - 1 2 2 9 基金项目国家 自然科学基金“ 音速喷嘴中气液两相流临界分配特性及相分离控制理论” 编号 5 1 0 0 6 1 2 3 ； 教育部博士 学科点基金“ 多相流小孔分配相分离研究” 编号 2 0 0 8 0 4 2 5 1 5 1 6 资助项目 作者简介 梁法春 1 9 7 7 - ， 男， 副教授 ， 工学博士， 主要从事多相流动参数检测技术研究． E - ma i l l i a n g f c h u p c ． e d u ． c n 西安石油大学学报 自然科学版 。 M 3 G ； 1 。 M 3 L ． 2 式中 鸭 。 分别为进人取样回路 的液、 气相质量 流量 ， k g ／ s ； M M。 。分别为主管路的液 、 气相质量 流量 ， k g ／ s ； 、 K c分别为液 、 气相分流系数 ， 表示进 入分流回路液气相质量流量与主管路的液气相质量 流量 的比值． 上 图 1 分流取样油气水三相计量流程 Fi g ． 1 S c he m a t i c di a g r a m o f t h e mu l t i p ha s e flo w me t e r i ng pr i nc i p l e u s i ng p i pe wa l l s a m p l e r 油、 水质量流量可由式 M1 M1 L ， 3 Ml 。Ml L 1一 4 计算． 式中， 为液相中的质量含水率 ， 可通过测量 油水混合物密度获得 ， 即 了一种新型取样分配器结构． 图 2为旋流型管壁取样分配器结构示意图． 取 样器由旋流叶片、 整流器 、 取样腔 、 节流单元等多个 部件组成． 安装旋流叶片的 目的是使来流产生旋转 运动， 将上游流型转变为对称环状流动 ， 将分层流、 弹状流以及不对称的环状流等流型转变为对称的环 状流， 那么管壁各个取样孔所取流体 “ 样品” 将趋于 一 致 ， 从而消除了气液相界面波动对分流系数 的影 响． 整流器的作用是使周 向液膜分布更加均匀． 取样 腔 内的管体上 ， 沿周 向均匀布置 4个直径为 2 ． 5 m m 取样孔 ， 通过管壁取样 ， 克服了常规取样装置取样 口 布置在管壁易被堵塞和磨损 的缺点 ， 可 以应用 于现 场恶劣环境条件下 的多相 流量测量． 节流元件布置 在取样孔下游 ， 其作用在于改善分流 回路与主回路 间的阻力匹配关系 ， 进一步提高取样流体的代表性 和分流系数的稳定性． 图2 旋流型管壁取样分配器结构 Fi g ． 2 S c h e m a ti c d i a g r a m o f pi p e wa l l s amp l e r wi t h a r o t ati ng flo w g e n e r a tin g e l e me n t P 一1 ， w ‘ 2 计量效果测试 式中 P p p 分别油相密度、 水相密度 以及油水混 合物密度． 进入取样 回路的气液相流量 。由 分别安装在计量分离器上的液体流量计和气体流量 计测量 ， 气液混合物密度可由质量流量计输 出． 确定 出气液相分流系数 ， 即可实现油气水三相流量实时 测量． 保证取样流体 与被测流体具有稳定和确定 的 比例关系是基于分流取样多相测量的前提 ， 而实现 比例取样的关键在于取样分配器． 1 ． 2旋流型管壁取样分配器 多相流体通过分配器通常会发生相分离 ， 导致 取样流体的气液相组成与被测流体差别很大 ． 当 取样孔位于管壁顶部 ， 取样孔处是气相集中区， 因此 只有气相进入分流 回路 ， 而对于取样孔位于底部 的 分配器 ， 取样孔附近是液相集中区， 进入分流回路的 基本是液体 ， 取样同样缺乏代表性 ， 不能反映整个分 配截面的气液相分布状况． 可见由于气液相分布在 分配截面上的不对称性 ， 导致管壁不 同方位取样孔 所取“ 样 品” 差别很大． 为克服相分离的发生 ， 提 出 实验在多相流环道上进行 ， 实验管道 内径为 4 0 mm， 与现场通常采用 的 q b 7 6 X 4 ． 5 m m规格的单井 集输管线尺寸接近． 实验出现的流型包括分层流、 环 状流以及弹状流． 进入取样小孔 的气 、 液相流体在小 型计量分离器 中完成气液相分离 ， 气相 流量采用横 河旋涡流量计测量 ， 液相流量采用艾默生质量流量 计测量． 图 3为旋流型管壁取样分配器液相分流系数与 主管液相流量的关 系． 从 图上可以看 出液相折算 速 度大于 0 ． i 1 r n ／ s时， 液相分流系数与主管气 、 液相 流量大小无关 ， 不同气液相折算速度下 的液相分流 系数都基本相同， 保持 0 ． 0 5不变． 图4、 图 5为采用分流分相法测得 的主管液相 、 气相质量流量与实际值 的比较， 液相流量平均误差 为 2 ． 8 ％ ， 气相流量平均误差为 4 ． 2 ％． 而传统计量 站所采用的计量分离器流量误差通常在 1 0 ％左右． 因此分流取样多相流量计量装置可以替代传统的完 梁法春等 地面集输系统油气水多相取样计量技术研究 一4 9一 全分离式油气计量系统 ， 实现单井流量的计量 图 3 分流 系数 与主管气 、 液相折算速度的关 系 F i g． 3 Re l a t i o n s h i p b e t we e n fl o w d i v i d i ng c o e ffi c i e n t a n d s u pe r fic i a l v e l o c i t y ＼ 删 憨 ＼ j 四 咖 M 实际值 ／ 0 【 g S 图 4 液相流量测量值与实际值对 比 F i g． 4 Co mp a r i s o n o f me a s u r e d flo w r a t e wi t h r e a l flo w r a t e o f l i q u i d ph a s e M 。 实际值 ／ k 窨 图 5 气相流量测量值与 实际值对 比 Fi g ． 5 Co mp a ris o n o f me a s ur e d flo w r a t e wi th r e a l fl ow r a t e o f g a s p ha s e 3 分流取样流量计在流程简化 中的应 用探讨 由于旋流取样的多相流量计分流系数很小 ， 因 此所需分离器体 积大 大缩小 ， 只有 常规 分离 器 的 1 ／ 2 0 左右． 同时整个测量装置通过管壁取样 ， 克服 了 常规取样装置取样 口布置在管壁易被堵塞和磨损的 缺点 ， 可以应用于现场恶劣环境下的单井流量测量． 配置相关 自动化通讯设备后 ， 计量数据可实现远程 在线监测和实时查询． 计量站可简化为计量阀组 ， 对 各单井流量进行轮流计量 ， 见图 6 ． 分流取样多相计 量技术的成功应用 ， 有望将三级布站调整 为二级布 站， 甚至一级布站 ， 从而实现集输工艺环节的简化优 化 ， 降低高含水期集输系统运行成本． 单井来流 计量 阀组 图 6 计量工艺流程图 Fi g ． 6 Pr o c e s s flo w c h a r t o f s i m p l i fie d me t e r i ng s t a t i o n 4 结 论 1 取样孔布置在管壁 ， 可避免固体杂质堵塞 ， 基本无需维护 ， 适用于恶劣现场工况． 2 通过流型整改、 多孔取样和 阻力 匹配调节 可保证取样的代表性 ， 控制相分离发生 ， 实现高精度 取样． 3 由于进行了取样 计量 ， 处理流体为 常规分 离器的 1 ／ 2 0 ， 同时又进行 了分相计量 ， 所有流量计 量仪表都工作在单相环境 中， 不受气液相流量波动 影响 ， 具有体积小 、 精度高 的优点． 4 取样计量装置可实现油气水三相流量的实 时采集 ， 其成功应用可望替代计量站， 进一步简化集 输工艺流程 ， 降低高含水期地面集输系统生产运行 成本． 参 考 文 献 [ 1 ] 武俊宪， 高利 ， 王宝峰， 等． 辽河油 田地面工程的优化 实践[ J ] ． 石油规划设计， 2 0 0 5 ， 1 6 1 3 3 3 7 ． WU J u n x i a n， GAO L i ， WANG B a o f e n g ， e t a 1 ． S i mp l i fi c a t i o n a nd o pt i mi z a t i o n o f s u r f a c e f a c i l i t y i n L i a o he Oi l Fi e l d [ J ] ． P e t r o l e u m P l a n n i n g E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 5 ， 1 6 1 3 3 ． 3 7 ． [ 2 ] 周敬伟， 李永军， 高海军， 等． 高含水油 田油气单线计 量技术[ J ] ． 工业计量， 2 0 0 3 s 1 3 0 1 ． 3 0 3 ． [ 3 ] 曹学文， 林宗虎， 耿艳峰， 等． 在线多相流量计测量技 术研究[ J ] ． 中国海上油气， 2 0 0 2 ， 1 4 2 3 7 - 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2 0 0 2钻井液完井液 损害油层室内评价方法 [ S ] ． 北京 中国标准出版社 ， 2 0 o 2 ． T h e S t a t e E c o n o mi c a n d T r a d e C o mmi s s i o n ． S Y ／ T 6 5 4 0 ． 2 0 0 2 d ril l i n g fl u i d a n d c o mp l e t i o n fl u i d i n d o o r e v a l u a t i o n m e t h o d o f o i l l a y e r d a ma g e[ S ] ． B e i j i n g S t a n d a r d s P r e s s o f C h i n a ， 2 0 0 2． 责任 编辑 贺元旦 上接 第 4 9页 [ 5 ] 李玉星， 王艳， 关雪涌 ， 等． 多相流量计研究进展[ J ] ． 管道技术 与设备 ， 2 0 0 0 5 3 1 3 4 ． L I Yu x i n g， WANG Ya n ， GU AN Xu e - y o n g， e t a 1 ． T h e s c i e n c e a n d t e c h n o l o g y fo r m u l t i p h a s e fl o w m e t e r [ J ] ． P i p e l i n e T e c h n i q u e a n d E q u i p me n t ， 2 0 0 0 5 3 1 3 4 ． [ 6 ] 方代煊 ， 朱云祖． 国外多相流量计开发与应用现状 [ J ] ． 石油机械， 1 9 9 9 ， 2 7 7 4 4 - 4 7 ． F ANG Da i X U an ， Z HU Yu n Z U ． C u r r e n t s t a t u s o f d e v e l o p m e n t a n d a p p l i c a t i o n o f mu l t i p h a s e fl o w m e t e r s [ J ] ． C h i n a P e t r o l e u m Ma c h i n e ry， 1 9 9 9， 2 7 7 4 4 4 7 ． [ 7 ] F a l c o n e G， He w i t t G F ． Mu h i p h a s e fl o w m e t e ri n g C u r r e n t t r e n d s a n d f u t u r e d e v e l o p m e n t s 『 J ] ． J o u r n a l o f P e t r o l e u m T e c h n o l o gy， 2 0 0 2 ， 5 4 4 7 7 - 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