多相流量計(jì)原理PPT課件

1、多相流量計(jì)原理1 海默多相流量計(jì)原理 多相流量計(jì)原理2 1）由兩相、三相分離器對(duì)油井產(chǎn)出三相混合物進(jìn) 行氣液或油氣水分離 2）通過(guò)對(duì)分離器內(nèi)儲(chǔ)液段的液位控制，排放液體， 進(jìn)行液體、含水率計(jì)量或純油純水計(jì)量 3）通過(guò)對(duì)分離器的壓力控制進(jìn)行氣體排放并對(duì)氣 體進(jìn)行計(jì)量 4）由微機(jī)對(duì)以上工作過(guò)程進(jìn)行控制并采集處理數(shù) 據(jù)，得到油井油、氣、水產(chǎn)量及有關(guān)測(cè)試參數(shù)。 多相流量計(jì)原理3 1.有較多的管匯、分離器，工藝復(fù)雜、尺寸大，尺 寸問(wèn)題在海洋石油平臺(tái)上尤為突出 2.常規(guī)的計(jì)量測(cè)試裝備配套儀表多，儀表標(biāo)定煩瑣， 現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)量高，生產(chǎn)維護(hù)工作量大； 3.控制系統(tǒng)較為復(fù)雜; 4.常規(guī)的計(jì)量測(cè)試系統(tǒng)很難處理泡沫原油或

2、難以分 離的乳化液引起的相分離問(wèn)題，通常需進(jìn)行化學(xué) 或機(jī)械干預(yù)，從而增加費(fèi)用并影響測(cè)量準(zhǔn)確度; 多相流量計(jì)原理4 1.不用相分離，工藝簡(jiǎn)潔，結(jié)構(gòu)緊湊，占空間??； 2. 測(cè)量為實(shí)時(shí)、連續(xù)測(cè)量，基本上可無(wú)人值守， 不 用人員干預(yù)； 3.儀表具有良好的可靠性； 4. 適用的準(zhǔn)確度和重復(fù)性； 5. 一次投資和維護(hù)費(fèi)用低，在采油生產(chǎn)中，尤其 在 海洋石油和油井測(cè)試中具有很大的潛在效益。 多相流量計(jì)原理5 1.介電相分率測(cè)量法 介電相分率測(cè)量包括電容/電導(dǎo)測(cè)量技術(shù)，與之相關(guān) 的還有微波吸收法。利用油水介電常數(shù)區(qū)別較大，測(cè)量 一種油水混合液的介電常數(shù)可以確定其含水率。 2.伽馬射線(xiàn)法相分率測(cè)量 依據(jù)油、水、

3、氣對(duì)伽馬能量的衰減率不同，當(dāng)伽馬射 線(xiàn)穿過(guò)油、水、氣混合物時(shí)，由混合物中分子的電子和 原子引起衰減，通過(guò)建立相關(guān)方程可以求得混合物的相 分率。 多相流量計(jì)原理6 1.文丘里流量計(jì) 文丘里流量計(jì)是一種傳統(tǒng)的差壓式流量計(jì)，近年來(lái)被廣 泛地應(yīng)用于濕氣計(jì)量和多相流量計(jì)量。文丘里流量計(jì)可以 適用于含氣流體和粘性流體的流量測(cè)量，當(dāng)與之配套的相 分率儀表測(cè)量出氣體相分率后，可以容易地確定出液體流 量 2.互相關(guān)法 互相關(guān)法就是在一定距離的管段上設(shè)置兩個(gè)傳感器（傳 感器或電容、微波傳感器），測(cè)量相似流體性質(zhì)變化的特 征與頻率，根據(jù)兩個(gè)傳感器對(duì)同一參照物測(cè)量的時(shí)滯，以 及傳感器之間的距離，通過(guò)相關(guān)函數(shù)計(jì)算流體的

4、速度。 多相流量計(jì)原理7 海默海默MFM2000型型 1.文丘里流量計(jì) 2.流型調(diào)整器 3.單能伽馬傳感器 4.雙能伽馬傳感器 5.壓力變送器、溫度 變送器 6.數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成 多相流量計(jì)原理8 海默海默MFM2000型型 Gas Fraction (a ag): 氣相所占截面比 Gas Volume Fraction (GVF): 氣相所占總體積比 (工況條件下) Water Liquid Ratio (WLR): 水相所占液相比(工況條件下) WLR & BS&W 區(qū)別：區(qū)別： WLR:工況，BS&W:標(biāo)況 1g ow aaa設(shè)： wog g QQQ Q GVF wo w QQ Q WL

5、R wo w WLR aa a 多相流量計(jì)原理9 海默海默MFM2000型型 GROSS MULTIPHASE FLOW Flow rates Line Conditions Q oil Q water Q gas Flow Conditioner Dual-Gamma Ray RA WLRWLR 典型液相典型液相 PVT Data Flow rates Standard Conditions Q oil Q water Q gas TT PT Pressure & Temperature Measurement s PVT Calculations Single-Gamma Ray RA g

6、 Venturi D P 多相流量計(jì)原理10 海默海默MFM2000型型 WLRWLR r r = (1-a ag)r ro+WLR(r rw-r ro)+ a ag.r rg Flow Conditioner DUAL DP T T InletOutlet PT DPDPDP Qmass total Q oil = ( 1-GVF ).( 1-WLR ) . Q total Q water = ( 1-GVF ).WLR . Q total Q gas = GVF . Q total ag SINGLE 3 Venturi Meter RA RA 多相流量計(jì)原理11 GROSS FLOW V

7、ent & Gas Sampling point Calibration Port (Graylock) 11/2Valve MAINLY LIQUID GVF 10% Dual-Gamma Ray Sensor RA GAS 401020506070809030 2 % 10 % 5 % - 2 % - 10 % - 5 % 15 % - 15 % GVF (%) Funnel effect without Flow Conditioner Water Cut Absolute Error 多相流量計(jì)原理12 海默海默MFM2000型型 儀表測(cè)量范圍 含水率測(cè)量范圍 0-100% 含氣率測(cè)量

8、范圍 0-90% (可擴(kuò)展到0-98%) 流量測(cè)量范圍 8:1 (可擴(kuò)展到30:1) 典型的測(cè)量準(zhǔn)確度 準(zhǔn)確度 重復(fù)性 毛液量 5-10%（相對(duì)誤差） 5% 氣量 10% （相對(duì)誤差） 5% 含水率 2% （絕對(duì)誤差） 1% 置信度為90% 多相流量計(jì)原理13 海默海默MFM2000 HG型（高含氣型）型（高含氣型） 氣液兩相旋流分離器 渦街流量計(jì) 氣路控制閥 文丘里流量計(jì) 流型調(diào)整器 單能伽馬傳感器 雙能伽馬傳感器 壓力變送器、溫度變送器 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成 多相流量計(jì)原理14 海默海默MFM2000 HG型型（高含氣型）（高含氣型） 儀表測(cè)量范圍 含水率測(cè)量范圍 0-100% 含氣率測(cè)量范圍

9、 0-99% 流量測(cè)量范圍 15:1 典型的測(cè)量準(zhǔn)確度 準(zhǔn)確度 重復(fù)性 毛液量 5-10%（相對(duì)誤差） 5% 氣量 10% （相對(duì)誤差） 5% 含水率 2% （絕對(duì)誤差） 1% 置信度為90% 多相流量計(jì)原理15 海默海默MFM2000 LG型（低含氣型）型（低含氣型） 文丘里流量計(jì) 雙能伽馬傳感器 壓力變送器、溫度變送器 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成 多相流量計(jì)原理16 海默海默MFM2000 LG型（低含氣型）型（低含氣型） 儀表測(cè)量范圍 含水率測(cè)量范圍 0-100% 含氣率測(cè)量范圍 0-15% 流量測(cè)量范圍 8:1 典型的測(cè)量準(zhǔn)確度 準(zhǔn)確度 重復(fù)性 毛液量 5% （相對(duì)誤差） 2.5% 氣量 10%

10、 （相對(duì)誤差） 5% 含水率 2% （絕對(duì)誤差） 1% 置信度為90% 多相流量計(jì)原理17 文丘里流量計(jì)是一種差壓式流量計(jì)。文丘里流量計(jì)是一種差壓式流量計(jì)。 差壓式流量計(jì)的基本原理是：在充滿(mǎn)流體的圓管中設(shè)置文丘里或差壓式流量計(jì)的基本原理是：在充滿(mǎn)流體的圓管中設(shè)置文丘里或 噴嘴之類(lèi)的節(jié)流件，當(dāng)流體流經(jīng)節(jié)流件時(shí)，在其上、下游側(cè)就會(huì)噴嘴之類(lèi)的節(jié)流件，當(dāng)流體流經(jīng)節(jié)流件時(shí)，在其上、下游側(cè)就會(huì) 產(chǎn)生靜壓力差，該靜壓力差與流過(guò)的流量之間有一個(gè)固定的函數(shù)產(chǎn)生靜壓力差，該靜壓力差與流過(guò)的流量之間有一個(gè)固定的函數(shù) 關(guān)系，只要測(cè)得靜壓力差就可以由流量公式求得流量。關(guān)系，只要測(cè)得靜壓力差就可以由流量公式求得流量。 多

11、相流量計(jì)原理18 差壓式流量計(jì)的基本方程： 1 2 2 4r p CEdQV pCEdQm 1 2 2 4 r Qv 體積流量；體積流量； Qm 質(zhì)量流量；質(zhì)量流量； C流出系數(shù)（流出系數(shù)（Discharge coefficient）；）； E漸進(jìn)速度系數(shù)；漸進(jìn)速度系數(shù)； d節(jié)流元件內(nèi)徑（如噴嘴喉部）；節(jié)流元件內(nèi)徑（如噴嘴喉部）； 流束膨脹系數(shù)，對(duì)于液體流束膨脹系數(shù)，對(duì)于液體=1； 1節(jié)流件上游流體工作狀態(tài)下的密度；節(jié)流件上游流體工作狀態(tài)下的密度； P節(jié)流件前后的壓差；節(jié)流件前后的壓差； 節(jié)流件內(nèi)徑與測(cè)量管內(nèi)徑之比節(jié)流件內(nèi)徑與測(cè)量管內(nèi)徑之比 =d/D； D測(cè)量管內(nèi)徑。測(cè)量管內(nèi)徑。 多相流量計(jì)原

12、理19 1.節(jié)流裝置：即差壓流量計(jì)的流量傳感器；節(jié)流裝置：即差壓流量計(jì)的流量傳感器； 2.取壓系統(tǒng)：由取壓口、引壓管、隔離罐和五取壓系統(tǒng)：由取壓口、引壓管、隔離罐和五 閥組構(gòu)成；閥組構(gòu)成； 3.壓差測(cè)量裝備：差壓計(jì)或差壓變送器；壓差測(cè)量裝備：差壓計(jì)或差壓變送器； 4.輔助儀表：壓力、溫度變送器、二次積算儀輔助儀表：壓力、溫度變送器、二次積算儀 表等。表等。 1.節(jié)流件（文丘里管、文丘里噴嘴） 2.上、下游引壓管 3.隔離罐 4.截止閥 5.五閥組 6.差壓變送器 多相流量計(jì)原理20 在多相流量計(jì)中的應(yīng)用在多相流量計(jì)中的應(yīng)用 1.ISO5167-1和和GB2624標(biāo)準(zhǔn)是適用于單相流體的差壓式流量

13、計(jì)。標(biāo)準(zhǔn)是適用于單相流體的差壓式流量計(jì)。 差壓式流量計(jì)用于兩相流測(cè)量時(shí)，由于介質(zhì)密度變化、氣液滑差、差壓式流量計(jì)用于兩相流測(cè)量時(shí)，由于介質(zhì)密度變化、氣液滑差、 非均相等因素，影響液體測(cè)量準(zhǔn)確度，尤其是在高含氣工況下尤非均相等因素，影響液體測(cè)量準(zhǔn)確度，尤其是在高含氣工況下尤 為突出。為突出。 2.數(shù)學(xué)模型修正：用于兩相流測(cè)量的差壓式流量計(jì)的修正公式有幾數(shù)學(xué)模型修正：用于兩相流測(cè)量的差壓式流量計(jì)的修正公式有幾 個(gè)，如：個(gè)，如：Murdock公式，公式，James公式，公式，Smith-leung公式以及公式以及 林氏公式（林宗虎公式）。以林氏公式（林宗虎公式）。以Murdock公式和林氏公式應(yīng)用較

14、好。公式和林氏公式應(yīng)用較好。 海默多相流量計(jì)應(yīng)用林氏公式以提高液體測(cè)量準(zhǔn)確度。海默多相流量計(jì)應(yīng)用林氏公式以提高液體測(cè)量準(zhǔn)確度。 3.微分原理 1).將三相流體微分，在瞬間狀態(tài)下近似作為單相流體 2).電子學(xué)系統(tǒng)高速采樣 3).適時(shí)計(jì)算 多相流量計(jì)原理21 什么是伽瑪傳感器 利用伽瑪射線(xiàn)與物質(zhì)的相互作用，通過(guò)測(cè)量透射強(qiáng)度或散射強(qiáng)度來(lái)確定樣品 的厚度、密度和組份等物理量的裝置 i 探測(cè)器 放射源 樣品 i 探測(cè)器 放射源 樣品 屏蔽 透射式 散射式 多相流量計(jì)原理22 伽瑪傳感器的基本原理 多相流量計(jì)原理23 原子的結(jié)構(gòu) 原子核 ：半徑10 cm 由質(zhì)子和中子組成 - 13 Z 個(gè)質(zhì)子，每個(gè)質(zhì)子

15、的質(zhì)量1.008 amu 。 帶一個(gè)單位的正電荷 N 個(gè)中子，每個(gè)中子 的質(zhì)量1.009 amu。 不帶電荷 電子軌道：半徑10 cm -8 Z個(gè)電子：每個(gè) 電子的質(zhì)量為 中子的1/1840。 帶一個(gè)單位的 負(fù)電荷 原子序數(shù)：Z 質(zhì)量數(shù)：A=Z+N amu ：原子質(zhì)量單位，1amu = 一個(gè)碳原子質(zhì)量的1/12 多相流量計(jì)原理24 元素與同位素 H 1 H 2 H 3 元素氫的三種同位素 多相流量計(jì)原理25 放射性同位素和衰變 一個(gè)原子核的中子數(shù)和質(zhì)子數(shù)之比 N/Z 稱(chēng)為中質(zhì)比。只有中 質(zhì)比在一定范圍內(nèi)的原子核才是穩(wěn)定的。 ， 在輕元素區(qū)： N/Z1 的原子核比較穩(wěn)定 到重元素鈾 N/Z1.5

16、 的原子核才是穩(wěn)定的 當(dāng)中子數(shù)和質(zhì)子數(shù)之比 N/Z 偏離穩(wěn)定值時(shí)，原子核變得不 穩(wěn)定，它們存在一定的時(shí)間后會(huì)自發(fā)地變成另一種穩(wěn)定或比 較穩(wěn)定的原子核，同時(shí)發(fā)射射線(xiàn)以釋放多余的能量。 ， 不穩(wěn)定的原子核稱(chēng)為放射性同位素。它們自發(fā)地蛻變?yōu)榱硪环N 原子核，同時(shí)放出射線(xiàn)的過(guò)程稱(chēng)為放射性衰變。 ， 衰變 衰變 多相流量計(jì)原理26 衰變和衰變 衰變 aPbPo 206210 衰變 NiCo 6060 多相流量計(jì)原理27 原子核的能量狀態(tài) 12 10602. 1 Po 210 Pb 206 Co 60 Ni 60 衰 變 綱 圖 多相流量計(jì)原理28 射線(xiàn)和X射線(xiàn) 特 征 射 線(xiàn) X X X e 韌 致 輻

17、射 多相流量計(jì)原理29 放射性衰變規(guī)律 t eNN 0 0 N N dt dN 多相流量計(jì)原理30 放射源 Am 241 /693. 0 2/1 T, 10 107 . 3 多相流量計(jì)原理31 伽瑪射線(xiàn)與物質(zhì)的相互作用 伽瑪射線(xiàn)與物質(zhì)的相互作用，是指它在穿過(guò)物質(zhì)時(shí)與其 原子核發(fā)生碰撞 就是 伽瑪射線(xiàn)與原子的軌道電子發(fā)生碰撞，使電子 離開(kāi)軌道成為自由電子，伽瑪射線(xiàn)損失全部能量而消失。 e 入射 光電子 光電子的能量 ： ke BEE 光電吸收發(fā)生的幾率 34 / EZ 因此，對(duì)能量較低的伽瑪射線(xiàn) 和在重物質(zhì)中，光電吸收是伽馬 射線(xiàn)與物質(zhì)相互作用的主要形式 多相流量計(jì)原理32 遞給自由電子或原子的

18、外層電子，本身被散射而改變運(yùn)動(dòng)方向。 伽瑪射線(xiàn)與物質(zhì)的相互作用伽瑪射線(xiàn)與物質(zhì)的相互作用 在康普敦散射中，伽瑪射線(xiàn)把一部分能量傳 e E E e 散射伽瑪射線(xiàn)能量： )cos1 (1a E E 2 mc E a 伽瑪射線(xiàn)散射角 的范圍 0 180 對(duì)應(yīng)的電子出射角 的范圍 90 0 在伽瑪射線(xiàn)能量為幾百 keV 到 幾 MeV的 區(qū)間和在輕的物質(zhì)中，康普敦散射是一種 主要的相互作用。 ， 多相流量計(jì)原理33 伽瑪射線(xiàn)與物質(zhì)的相互作用伽瑪射線(xiàn)與物質(zhì)的相互作用 e e 2 02. 1MeVE Ee 電子對(duì)產(chǎn)生的能量閾是1.02MeV，但只有 當(dāng)伽瑪射線(xiàn)的能量在幾MeV 以上和在重物 質(zhì)中，電子對(duì)產(chǎn)生

19、才有可觀的發(fā)生幾率。 ， 多相流量計(jì)原理34 伽瑪射線(xiàn)的吸收 窄束伽瑪射線(xiàn) 吸收物質(zhì) X 定義： 在一束伽瑪射線(xiàn)中的任 何一個(gè)伽瑪光子，只要經(jīng)受一次 相互作用（光電吸收、康普敦散 射和電子對(duì)產(chǎn)生）就從射線(xiàn)束中 消失。滿(mǎn)足這一條件的測(cè)量安排 稱(chēng)為窄束伽瑪射線(xiàn)。 鉛 鉛 探測(cè)器 放射源 在滿(mǎn)足窄束伽瑪?shù)臈l件下，伽瑪射線(xiàn)穿過(guò)物質(zhì)時(shí)的強(qiáng)度衰減可 用下式表示： ， X eNN 0 N0 伽瑪束的初始強(qiáng)度 N 伽瑪束穿過(guò)厚度為X的物質(zhì)后的強(qiáng)度 線(xiàn)性吸收系數(shù) X 伽瑪束穿過(guò)的物質(zhì)的厚度 多相流量計(jì)原理35 吸收系數(shù) XN N1 ln 0 多相流量計(jì)原理36 質(zhì)量吸收系數(shù) gcm / 2 X eNN r r

20、0 Xr 2 /cmg i i i w r r 1 第 i 種成分的質(zhì)量份額 第 i 種成分的質(zhì)量份額 i w i r 多相流量計(jì)原理37 伽瑪射線(xiàn)的探測(cè) 射 極 跟隨器 光 電 倍 加 管 石英玻璃窗 NaI（Tl）晶體 反射層 封裝外殼 K陰極 A陽(yáng) 極 D1，D2，D3 打拿極 高壓信號(hào) 多相流量計(jì)原理38 NaI(Tl)探測(cè)器的輸出信號(hào) 1. 脈沖的幅度正比于伽瑪射線(xiàn)的能量 2. 脈沖個(gè)數(shù)正比于入射到探測(cè)器上的伽瑪光子數(shù) 用 Am 241 計(jì)數(shù) 幅度（能量） 峰在橫坐標(biāo)上的位置， 對(duì)應(yīng)59.5 keV 光電峰 逃逸峰 多相流量計(jì)原理39 伽瑪傳感器的結(jié)構(gòu) 伽瑪傳感器分為單能伽瑪傳感器和

21、雙能伽瑪傳感器兩種，它 們?cè)诮Y(jié)構(gòu)上大致相同差別在放射源。 ， 測(cè)量管段 探測(cè)器 防爆筒 多相流 密封墊密封墊 源倉(cāng) 護(hù)罩 束 Am 241 源 Am 241 源 Ag 片 Am 241 源 Al 板 60keV ,X 60keV 22.5keV 多相流量計(jì)原理40 三相介質(zhì)的基本吸收公式 探測(cè)器 D 油 水 X X X o w 氣 源 定義： 含氣率 含水率 DX /1 XXW/ 1/ XX O XDX G )(exp 0GGOOWWX XXXNN )1)(1 ()1 (exp 0 DDDNN GOWX )1)(1 ()1 ( 1 ln 0 GOW X DN N 根據(jù)伽瑪射線(xiàn)指數(shù)衰減規(guī)律： 利

22、用上述定義和導(dǎo)出量： 變形后可得： 導(dǎo)出量： （GVF） （WC） 多相流量計(jì)原理41 單能伽瑪傳感器 單能伽瑪傳感器在多相流量計(jì)中，主要解決總的三相流中 含氣率GVF的測(cè)量。 ， 和 分別是水和油 的吸收系數(shù)線(xiàn)性吸收系數(shù) 在較低的工作壓力下，氣對(duì)伽瑪射線(xiàn)的吸收可以忽略。 設(shè) 并利用液相厚度 的關(guān)系，可得： 0 G )1 ( DX )( )/ln( 0 OWO X NN X W O 有了液相厚度即可求出含氣率： 。 ， DX /1 通常，在單能伽瑪傳感器中使用 源。在這種情況下， 必須知道三相介質(zhì)的含水率才能計(jì)算含氣率。 Am 241 如果多相流中不含氣，則液相厚度即是傳感器的通徑。這 時(shí)單能

23、傳感器可測(cè)量油水混合介質(zhì)的含水率。 多相流量計(jì)原理42 雙能伽瑪傳感器 每道計(jì)數(shù) 低能計(jì)數(shù)窗高能計(jì)數(shù)窗 低能峰 高能峰 在雙能伽瑪傳感器中，需要同時(shí) 測(cè)量高能伽瑪（60keV）和低能 伽瑪（22.5keV）的透射強(qiáng)度。 由于NaI（Tl）探測(cè)器的輸出脈 沖的幅度正比于伽瑪射線(xiàn)的能量。 所以，我們可以根據(jù)脈沖幅度對(duì) 高、低能伽瑪射線(xiàn)分別進(jìn)行計(jì)數(shù)。 在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中有一塊雙能伽 瑪板，通過(guò)對(duì)脈沖按幅度進(jìn)行分 類(lèi)來(lái)完成對(duì)高低能伽瑪?shù)挠?jì)數(shù)。 高低能計(jì)數(shù)分布圖 多相流量計(jì)原理43 雙能伽瑪傳感器 式中 0 G )1 ( DX )( 1 ln 0 OWO X XN N )( 1 ln 0 OWO X XN N 高能 低能 )( )( OWO OWO R )/ln( )/ln( 0 0 X X NN NN R )()( OWOW OO R R 1. 在海默多向流量計(jì)中，含水率的 測(cè)量采用取樣的方法； ， 2.當(dāng)含氣率比較高時(shí) ，雙能傳感器 測(cè)量含水率的誤差較大； ， 3.雙能傳感器在海默多向流量計(jì) 中用來(lái)測(cè)量含水率。 ， 多相流量計(jì)原理44 伽瑪傳感器的標(biāo)定 儀表常