摘要:文章通過對渦輪流量傳感器在多相流實驗裝置進行氣/水兩相流實驗,總結出傘集流過環空渦輪流量計在氣1水兩相流下的響應規律。在氣/水兩相流條件下,渦輪在低流量和高流量時有不同的規律,在水流量為10m³/d以上，保持氣量不變,渦輪響應與水流量呈線性關系,并且隨著氣量的增加，渦輪響應與水流量關系直線的斜率(即渦輪K值)增加。在低液量下(<10m2/d)渦輪更敏感于氣，氣量達到20方以上時對水失去了分辨率。在水流量低于10m³/d時,渦輪響應值波動大,水流量10m³/d以上時,隨著流量增大,波動越來越小。.
0引言
渦輪流量計是一類非常重要的流量測量儀表,因其精度高重復性好量程范圍寬體積小輸出脈沖信號等優點,而廣泛應用于天然氣計量油品正確計量和貿易工業生產過程監控測量等領域[1。渦輪流量計也是生產測井產出剖面流量測量的主要方法。目前大慶油田和國內多數陸相沉積油田的生產井普遍存在脫氣現象,造成油氣水三相流動,產出剖面測井中三相流測量是一個急需解決的難題。針對渦輪流量計在三相流中的響應已經有人進行了研究,鐘興福等[2]對渦輪傳感器進行了理論分析,給出了三相流動中渦輪流量計的實驗響應特性，最后總結出用渦輪流量計測量多相流流量的半理論半經驗公式。金寧德等[3]基于傘集流渦輪流量計與放射性密度.持水率計組合儀在油氣水三相流流動環中的動態試驗結果,建立了三相流渦輪流量計統計測量模型。胡金海等[4]對渦輪流量計在.水平模擬井中測量油氣水三相流進行了實驗研究結果。雖然如此,三相流測量需要進行長期艱巨的研究才能解決,本工作在三相流裝置上采用集流式渦輪流量計在氣/水兩相流條件下進行實驗,發現了集流式渦輪流量計在氣/水兩相流條件下新的性應規律,為三相流測量提供借鑒。
1實驗條件及準備[5]
實驗是在大慶油田的多相流模擬實驗室24m筒進行的，透明的有機玻璃井筒內徑為125mm,實驗介質為自來水和壓縮空氣,實驗中氣水的流量可以由儀表正確控制和計量。實驗儀器為渦輪流量計,采用傘式集流器集流,集流傘為16根金屬傘筋,傘布采用高強度薄織料,質密不透氣，密封效果好,如圖1所示
集流后,井眼內所有流體進入集流器內的進液口，經過流量計所在的測量通道,然后由出液口流回到井筒。集流后,可以將測量通道內.的流速提高幾十倍,降低渦輪的啟動排量;還可以使氣/水混合均勻,減少流態對流量和含水率測量的影響。在與流量計相同高度的井筒上安置了溫度和壓力傳感器以進行對氣相的流量進行PVT校正。實驗中所采用測井儀器的流量測量范圍為:2m³/d~80m³/d,測量精度為±5%,啟動排.量:2m³/d,儀器測量通道內徑為19mm。氣流量的調節點依次為3、5、7、10、15、20、30、40、50m³/d,水流量的調節點分別為60、50、40、30、20、15、10、7、5、3、1、0m³/d.實驗中,先固定某一氣體流量,待氣體流量穩定后,按流量遞減的順序調節水流量。流量穩定后,利用油井綜合參數測試儀記錄渦輪轉數,給儀器供電+42V,電流60mA。重復測量時也是按流量遞減的順序測量。記錄渦輪的轉速,每一水流量都調節完畢后,按遞增的順序調節下一氣體流量。對所獲取的數據進行處理和分析。
2實驗結果[67]
2.1渦輪在純水中的響應.
實驗過程中,初始水流量為80m³/d,待流量穩定后記錄渦輪轉數,之后按10m³/d的流量遞減,測量每一流量點的渦輪轉數。實驗中共對兩支儀器進行了實驗,兩支渦輪流量計在水中響應特性一致。給出了其中一支渦輪流量計在純水中的渦輪響應的實驗結果,如圖2所示。圖2中橫坐標為水流量,縱軸為渦輪轉數。
實驗結果表明，,在純水中，渦輪流量計儀器響應與流量有很好的線性關系，重復性好,規律一致。擬合得到渦輪轉速與流量的關系為:F=1.2225Q+0.4591;線性相關系數為R2=0.9997。啟動排量:1#儀器的啟動排量為2.5m³/d,2#儀器的啟動排量為3.0m³/d.
2.2渦輪在單相氣中的響應
1)干氣(井筒中無底水)
本實驗考察流量計對單相氣(干氣)的響應規律。當井筒中無底水,流體為單相氣,分別按照流量增加和遞減方向調節氣相流量,流量計在氣中的響應規律如圖3所示。由圖3可知,渦輪響應與氣相流量近似呈線性規律,但數據的離散性遠較純水相時大，重復數據的離散性也大得多。而且渦輪轉速依賴于氣相流量按增加或減小方向的調節。由于渦輪慣性的影響,按流量遞減調節時,對應于同樣流量時的渦輪轉速要大于按遞增方向上的轉速。啟動流量強烈地依賴于流量遞增或遞減,按流量遞增調節氣流量時,啟動流量為40m³/d.而按氣量遞減調節,則截止流量為7m³/d,這是由于渦輪的慣性所致。本實驗中,氣相流量最大達到了150m³/d。
2)靜水中純氣(井筒中充滿靜水)
本實驗考察流量計在井筒內有底水情況下對氣相.流量的響應規律。將流量計置于充滿靜水井筒中，增加氣相的流量,記錄渦輪的轉速。初始氣流量為60m³/d,每次流量按10m³/d變化量遞減,待流量穩定后記錄渦輪轉數。然后仍按流量遞減的順序重復上述實驗過程。實驗獲得的兩支儀器的響應規律一致。本文給出了其中一支渦輪流量計的響應曲線,如圖4所示。由圖4可知,渦輪響應在靜水中與氣體流量呈非線性關系。當氣相流量低于20m³/d時,渦輪轉速高于相同水流量時的轉速,表明此時渦輪對氣更敏感;而當氣體流量大于20m³/d時,渦輪轉速小于在相同流量時水中的轉速,表明此時渦輪對水更敏感。繼續增加氣相的流量,渦輪響應逐漸趨向于線性。
在井筒內充滿靜水的條件下,兩支流量計在氣流量為2.5m³/d即啟動,渦輪的啟動排量與純水類似,啟動流量遠遠低于單相氣的情況。其原因可能是單相氣時,在較低的流速下，氣在經過渦輪時,由于氣時可壓縮的，，氣更容易繞過渦輪而從葉片與外殼之間的縫隙流過,僅有一部分氣推動渦輪葉片旋轉;而存在底水的情況下，,對于在低流量氣/水為泡狀流，輕質相的氣趨于沿管心向上流動,由于液相的水具有不可壓縮性,較大比例的氣泡只能經過渦輪葉片,推動渦輪旋轉,因此啟動流量低于干氣的情況。
2.3渦輪在氣/水兩相流中的響應
本實驗考察流量計在動水中(水相流量不為零)對氣相流量的響應規律。實驗中，氣體流量依次保持為.3,5,7,10,15,20,30,40,50m³/d,對于每一個氣相流量,水流量依次按60,50,40,30,20,15,10,7,5,3,1m³/d的遞次調節,穩定后記錄渦輪轉速。獲得的兩支渦輪流量計在氣/水兩相流中的渦輪響應規律一致。其中1#流量計在氣/水兩相流中的響應,如圖5所示。渦輪在低液量和高流量時有不同的規律,在水流.量高于10m³/d時,保持氣量不變，渦輪響應與水流量呈線性關系,但在較高的氣量下具有較高的斜率,或較大的儀表常數。而在在低液量下,即在水流量低于10m³/d時,渦輪響應與水相流量呈非線性關系。此時,隨著水流量的增加，渦輪響應也增加,但較純水時的響;應增加緩慢,而且隨著氣量的增加,渦輪響應對液相的敏感性越差,當氣量達到20m³/d時,幾乎呈一個平的.臺階,說明此時渦輪對液相流量失去了分辨能力,表明渦輪流量計在高氣相流量時不適合用來測量低液量液相的流量。
保持氣量不變,取水相流量10m³/d及以上時的數據,計算渦輪響應與水流量關系直線的斜率(即K值),然后做出氣流量與K值的關系圖版如圖6所示5隨著氣相流量的增加，K值近似呈線性增加。
結論
通過對集流式渦輪流量計在多相流實驗裝置進行氣/水兩相流實驗，發現流量計具有如下響應規律:
1)當水流量為10m³/d以上,保持氣量不變,渦輪響應與水相流量呈線性關系,而且隨著氣量的增加,渦輪響應與水流量關系直線的斜率(即渦輪K值)明顯增加。
2)在低液相流量下,即水流量10m³/d內,隨著水流量的增加,渦輪響應增加,但較純水中的響應增加緩慢.而且隨著氣量的增加,渦輪響應對液相流量敏感性變差。當氣相流量充分高時,響應曲線幾乎呈一平的臺階,此時渦輪對液相流量失去了分辨能力,表明渦輪流量計在高氣相流量時不適合用來測量低產液井的液相流量。
3)在井筒存在底水的情況下,集流式渦輪流量計對氣相的啟動流量大大低于無底水(干氣)時的啟動流量。
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