用于油水兩相流流量測量的分流式電磁流量計

    0 引言

    電磁法測量流體流量由于無(wú)可動(dòng)部件及阻流元件，被廣泛應用于地面單相、導電（如水）流體的流量測量，也廣泛應用于油田注水井、注聚井的注入剖面測井中，重復性好，測量結果準確可靠。近年嘗試將電磁法應用于油田產(chǎn)出剖面測井中測量油水兩相流的流量，室內實(shí)驗表明，在高含水（含水率大于80%）的條件下，只要流過(guò) 電磁流量傳感器的油水兩相流體達到足夠高的流速，即能達到理想的測量效果，能很好地進(jìn)行油水兩相流的流量測量，但是在低流量時(shí)測量誤差大，而且在含水率低于50%的情況下，儀器響應頻率數據波動(dòng)大，該方法不適于進(jìn)行流量測量，限制了該方法的使用。本文在原有的流量計基礎上，采取分流的方法，即通過(guò)減少測量傳感器內油量以提高含水率的方法，使儀器能更好地進(jìn)行油水兩相流流量的測量，降低電磁流量計的流量測量下限，拓寬了含水率應用范圍。

    1 分流式電磁流量計整體結構及分流比、進(jìn)液口間距、分流管位置設計

    分流式電磁流量計機械結構設計見(jiàn)圖1。儀器到達測量點(diǎn)后，撐開(kāi)集流器，密封儀器與井壁之間的環(huán)形空間，油水混合流體從下向上流動(dòng)；在低流量時(shí)，由于滑脫作用使輕質(zhì)相的油在傘布下聚集，當堆積到上進(jìn)液口的位置時(shí)，上部的油相從上進(jìn)液口處流入，流經(jīng)儀器內壁與分流管形成的環(huán)形空間，受上封隔器的阻隔作用，油從下出液口流出，傘布下含有一部分油的水相受下封隔器的阻隔作用，從下進(jìn)液口流入分流管，進(jìn)入電磁流量傳感器流道，流經(jīng)電磁流量傳感器，流體經(jīng)電磁流量傳感器檢測后，由上出液口流出，完成流量測量。通過(guò)分流掉一部分油的方法使流經(jīng)電磁流量傳感器內流體的含水率得到提高，有利于儀器進(jìn)行流量測量。由于儀器在測井前需進(jìn)行模擬井標定得到標定圖版，通過(guò)標定圖版進(jìn)行流量計算，所以盡管進(jìn)行了分流設計，不會(huì )影響流量的測量結果。

圖1 分流式電磁流量計結構示意圖

    在分流方法設計中，分流比（儀器內壁與分流管形成的環(huán)形空間面積與儀器內部截面積之比）、進(jìn)液口間距（上進(jìn)液口下端與下進(jìn)液口上端距離）、分流管位置（分流管下端所在位置）決定著(zhù)分流效果，分流比的大小決定了分流掉的流體的多少，直接決定了流過(guò)傳感器流道內流體的流速，分流比過(guò)大，傳感器流道內流速低，不利于流量的測量；進(jìn)液口間距決定了傘布下油堆積的高度，合適的分流管位置更有利于油的堆積。進(jìn)液口間距及分流管位置決定了傳感器流道內含水率的大小，合適的進(jìn)液口間距及分流管位置設計可以使流量傳感器流道內含水率得到提高，有利于流量的測量。通過(guò)用FLUENT流體仿真軟件進(jìn)行流場(chǎng)仿真，得到優(yōu)化的設計結果：分流比設計為10%，上下進(jìn)液口間距為30mm，分流管下端延伸到下進(jìn)液口下端20mm。

    2 模擬井實(shí)驗及結果

    根據流體仿真結果進(jìn)行了分流裝置的設計及加工，利用樣機進(jìn)行了模擬井實(shí)驗研究，以確定分流式電磁流量計的分流效果。實(shí)驗所用集流器為布傘集流器。實(shí)驗中配給流量調節為0、5、10m³/d至180m³/d，調節流量以10m³/d的間隔增加，各流量下含水率調節從100%開(kāi)始，以10%的間隔遞減。

    圖2為1號樣機采用分流設計后在模擬井油水兩相流中的標定結果；圖3為1號樣機未分流時(shí)在模擬井油水兩相流中的標定結果。圖2顯示出分流后樣機應用的含水率下限可以達到30%，圖3顯示未分流時(shí)樣機應用的含水率下限為50%，可見(jiàn)分流后降低了樣機含水率應用的下限，拓寬了樣機應用的范圍。

圖2 儀器分流后模擬井實(shí)驗結果

圖3 儀器分流前模擬井實(shí)驗結果    

    圖4、圖5分別為樣機分流前后流量為10m³/d含水率為90%、流量為70m³/d含水率為30%時(shí)的儀器響應頻率波動(dòng)情況。圖4、圖5均顯示出分流后儀器輸出頻率平穩、波動(dòng)小，未分流時(shí)數據波動(dòng)大，尤其在未分流情況下流量為70m³/d含水率為30%時(shí)儀器輸出頻率有歸0現象，儀器已經(jīng)不能正常工作，不適合應用電磁法進(jìn)行流量測量�？梢�(jiàn)采取分流設計后，儀器響應頻率輸出平穩，更有利于儀器的測量。

圖4 流量為10m³/d含水率90%時(shí)分流前后數據波動(dòng)情況

圖5 流量為70m³/d含水率30%時(shí)分流前后數據波動(dòng)情況

    為了解用清水標定的電磁流量計測量高含水油水兩相流的流量測量誤差情況，對測量相對誤差進(jìn)行了計算。圖6、圖7分別為儀器分流前后的測量誤差分布情況。圖6顯示當流量高于40m³/d、含水率高于60%時(shí)，流量測量相對誤差在±5%以?xún)�；圖7顯示當流量高于20m³/d、含水率高于30%時(shí)，流量測量相對誤差在±5%以?xún)�，對比圖6、圖7更進(jìn)一步表明采取分流設計的儀器拓寬了流量和含水率應用范圍。

圖6 儀器分流前測量相對誤差分布情況

圖7 儀器分流后測量相對誤差分布情況

    圖8、圖9分別為分流前后儀器有效測量區間。由圖8、圖9可以明顯看出，流量不同時(shí)，儀器所適用的含水率范圍也不同，分流后儀器受流量和含水率的限制更小，適用范圍更大，很好地拓寬了流量和含水率適用下限。

圖8 儀器分流前有效測量區間

圖9 儀器分流后有效測量區間    

    3 結論

    （1）分流式電磁流量計可以應用于高含水油水兩相流的流量測量，與未采取分流的電磁流量計相比，分流式電磁流量計的流量測量范圍更大，分流管的加入，提高了儀器對含水率的適應性。

    （2）采取分流設計后，低流量低含水時(shí)的儀器響應波動(dòng)變小，流量測量相對誤差變小，更有利于流量的測量。