海默多相流量計原理

海默多相流量計原理1多相流測量技術回顧

——傳統(tǒng)兩相、三相分離器分離計量方案

1）由兩相、三相分離器對油井產(chǎn)出三相混合物進行氣液或油氣水分離

2）通過對分離器內(nèi)儲液段的液位控制，排放液體，進行液體、含水率計量或純油純水計量

3）通過對分離器的壓力控制進行氣體排放并對氣體進行計量

4）由微機對以上工作過程進行控制并采集處理數(shù)據(jù)，得到油井油、氣、水產(chǎn)量及有關測試參數(shù)。2多相流測量技術回顧

——傳統(tǒng)計量方案的缺點1.有較多的管匯、分離器，工藝復雜、尺寸大，尺寸問題在海洋石油平臺上尤為突出2.常規(guī)的計量測試裝備配套儀表多，儀表標定煩瑣，現(xiàn)場維護量高，生產(chǎn)維護工作量大；

3.控制系統(tǒng)較為復雜;4.常規(guī)的計量測試系統(tǒng)很難處理泡沫原油或難以分離的乳化液引起的相分離問題，通常需進行化學或機械干預，從而增加費用并影響測量準確度;3多相流測量技術回顧

——多相流量計

1.不用相分離，工藝簡潔，結構緊湊，占空間小；

2.測量為實時、連續(xù)測量，基本上可無人值守，不用人員干預；

3.儀表具有良好的可靠性；

4.適用的準確度和重復性；

5.一次投資和維護費用低，在采油生產(chǎn)中，尤其在海洋石油和油井測試中具有很大的潛在效益。4多相流測量技術回顧

——多相流量計相分率測量1.介電相分率測量法介電相分率測量包括電容/電導測量技術，與之相關的還有微波吸收法。利用油水介電常數(shù)區(qū)別較大，測量一種油水混合液的介電常數(shù)可以確定其含水率。2.伽馬射線法相分率測量依據(jù)油、水、氣對伽馬能量的衰減率不同，當伽馬射線穿過油、水、氣混合物時，由混合物中分子的電子和原子引起衰減，通過建立相關方程可以求得混合物的相分率。5多相流測量技術回顧

——多相流量計流量（流速）測量

1.文丘里流量計文丘里流量計是一種傳統(tǒng)的差壓式流量計，近年來被廣泛地應用于濕氣計量和多相流量計量。文丘里流量計可以適用于含氣流體和粘性流體的流量測量，當與之配套的相分率儀表測量出氣體相分率后，可以容易地確定出液體流量2.互相關法互相關法就是在一定距離的管段上設置兩個傳感器（γ傳感器或電容、微波傳感器），測量相似流體性質變化的特征與頻率，根據(jù)兩個傳感器對同一參照物測量的時滯，以及傳感器之間的距離，通過相關函數(shù)計算流體的速度。6海默多相流計性能及結構

——海默MFM2000型

1.文丘里流量計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7海默多相流計性能及結構

——海默MFM2000型

GasFraction(ag):氣相所占截面比GasVolumeFraction(GVF):氣相所占總體積比(工況條件下)WaterLiquidRatio(WLR):水相所占液相比(工況條件下)WLR&BS&W區(qū)別：WLR:工況，BS&W:標況8海默多相流計性能及結構

——海默MFM2000型GROSSMULTIPHASEFLOWFlowrates@LineConditionsQoilQwaterQgasFlowConditionerDual-GammaRayRAWLR典型液相PVTDataFlowrates@StandardConditionsQoilQwaterQgasTTPTPressure&TemperatureMeasurementsPVTCalculationsSingle-GammaRayRAαgVenturiDP9海默多相流計性能及結構

——海默MFM2000型WLRr=(1-ag)[ro+WLR(rw-ro)]+ag.rgFlowConditionerDUALDPTTInletOutletPTDPDPQmasstotalQoil=(1-GVF).(1-WLR).QtotalQwater=(1-GVF).WLR.QtotalQgas=GVF.QtotalagSINGLE3’’VenturiMeterRARA10GROSSFLOW?’’’’Vent&GasSamplingpointCalibrationPort(Graylock)1’’’’1/2ValveMAINLYLIQUIDGVF<10%Dual-GammaRaySensorRAGAS4010205060708090302%10%5%-2%-10%-5%15%-15%GVF(%)FunneleffectwithoutFlowConditionerWaterCutAbsoluteError11海默默多多相相流流計計性性能能及及結結構構———海默默MFM2000型儀表表測測量量范范圍圍含水水率率測測量量范范圍圍0-100%含氣氣率率測測量量范范圍圍0-90%(可擴擴展展到到0-98%)流量量測測量量范范圍圍8:1(可擴擴展展到到30:1)典型型的的測測量量準準確確度度準確確度度重重復復性性毛液液量量±5-10%（相相對對誤誤差差））±5%氣量量±10%（相相對對誤誤差差））±5%含水水率率±2%（絕絕對對誤誤差差））±1%置信信度度為為90%12海默默多多相相流流計計性性能能及及結結構構———海默默MFM2000HG型（（高高含含氣氣型型））氣液液兩兩相相旋旋流流分分離離器器渦街街流流量量計計氣路路控控制制閥閥文丘丘里里流流量量計計流型型調(diào)調(diào)整整器器單能能伽伽馬馬傳傳感感器器雙能能伽伽馬馬傳傳感感器器壓力力變變送送器器、、溫溫度度變變送送器器數(shù)據(jù)據(jù)處處理理系系統(tǒng)統(tǒng)組組成成13海默默多多相相流流計計性性能能及及結結構構———海默默MFM2000HG型（高高含含氣氣型型））儀表表測測量量范范圍圍含水水率率測測量量范范圍圍0-100%含氣氣率率測測量量范范圍圍0-99%流量量測測量量范范圍圍15:1典型型的的測測量量準準確確度度準確確度度重重復復性性毛液液量量±5-10%（相相對對誤誤差差））±5%氣量量±10%（相相對對誤誤差差））±5%含水水率率±2%（絕絕對對誤誤差差））±1%置信信度度為為90%14海默默多多相相流流計計性性能能及及結結構構海默默MFM2000LG型（（低低含含氣氣型型））文丘丘里里流流量量計計雙能能伽伽馬馬傳傳感感器器壓力力變變送送器器、、溫溫度度變變送送器器數(shù)據(jù)據(jù)處處理理系系統(tǒng)統(tǒng)組組成成15海默默多多相相流流計計性性能能及及結結構構———海默默MFM2000LG型（（低低含含氣氣型型））儀表表測測量量范范圍圍含水水率率測測量量范范圍圍0-100%含氣氣率率測測量量范范圍圍0-15%流量量測測量量范范圍圍8:1典型型的的測測量量準準確確度度準確確度度重重復復性性毛液液量量±5%（相相對對誤誤差差））±2.5%氣量量±10%（相相對對誤誤差差））±5%含水水率率±2%（絕絕對對誤誤差差））±1%置信信度度為為90%16文丘丘里里流流量量計計———工作作原原理理文丘丘里里流流量量計計是是一一種種差差壓壓式式流流量量計計。。差壓壓式式流流量量計計的的基基本本原原理理是是：：在在充充滿滿流流體體的的圓圓管管中中設設置置文文丘丘里里或或噴噴嘴嘴之之類類的的節(jié)節(jié)流流件件，，當當流流體體流流經(jīng)經(jīng)節(jié)節(jié)流流件件時時，，在在其其上上、、下下游游側側就就會會產(chǎn)產(chǎn)生生靜靜壓壓力力差差，，該該靜靜壓壓力力差差與與流流過過的的流流量量之之間間有有一一個個固固定定的的函函數(shù)數(shù)關關系系，，只只要要測測得得靜靜壓壓力力差差就就可可以以由由流流量量公公式式求求得得流流量量。。17文丘丘里里流流量量計計———基本本計計算算公公式式差壓壓式式流流量量計計的的基基本本方方程程：：Qv———體積流量量；Qm———質量流量量；C——流出系數(shù)數(shù)（Dischargecoefficient）；E——漸進速度度系數(shù)；；d——節(jié)流元件件內(nèi)徑（（如噴嘴嘴喉部））；ε——流束膨脹脹系數(shù)，，對于液液體ε=1；ρ1———節(jié)流件上上游流體體工作狀狀態(tài)下的的密度；；ΔP—節(jié)流件前前后的壓壓差；β——節(jié)流件內(nèi)內(nèi)徑與測測量管內(nèi)內(nèi)徑之比比β=d/D；D——測量管內(nèi)內(nèi)徑。18文丘里流流量計——差壓式流流量計的的組成1.節(jié)流裝置置：即差差壓流量量計的流流量傳感感器；2.取壓系統(tǒng)統(tǒng)：由取取壓口、、引壓管管、隔離離罐和五五閥組構構成；3.壓差測量量裝備：：差壓計計或差壓壓變送器器；4.輔助儀表表：壓力力、溫度度變送器器、二次次積算儀儀表等。。1.節(jié)流件（（文丘里里管、文文丘里噴噴嘴）2.上、下游游引壓管管3.隔離罐4.截止閥5.五閥組6.差壓變送送器19文丘里流流量計——在多相流流量計中中的應用用1.ISO5167--1和GB2624標準是適適用于單單相流體體的差壓壓式流量量計。差差壓式流流量計用用于兩相相流測量量時，由由于介質質密度變變化、氣氣液滑差差、非均均相等因因素，影影響液體體測量準準確度，，尤其是是在高含含氣工況況下尤為為突出。。2.數(shù)學模型型修正：：用于兩兩相流測測量的差差壓式流流量計的的修正公公式有幾幾個，如如：Murdock公式，James公式，Smith--leung公式以及及林氏公公式（林林宗虎公公式）。。以Murdock公式和林林氏公式式應用較較好。海海默多相相流量計計應用林林氏公式式以提高高液體測測量準確確度。3.微分原理理1).將三相流流體微分分，在瞬瞬間狀態(tài)態(tài)下近似似作為單單相流體體2).電子學系系統(tǒng)高速速采樣3).適時計算算20什么是伽伽瑪傳感感器利用伽瑪瑪射線與與物質的的相互作作用，通通過測量量透射強強度或散散射強度度來確定定樣品的的厚度、、密度和和組份等等物理量量的裝置置透射式散射式21伽瑪傳感感器的基基本原理理Nx=f（N0，X，ρ，組份…）組份=F（Nx，N0，X，ρ…）Nx——傳感器的的輸出N0，X，ρ…——常數(shù)22原子的結結構原子核：：半徑徑～10cm由質子和和中子組組成-13Z個質子，，每個質質子的質質量～1.008amu。帶一個個單位的的正電荷荷N個中子，，每個中中子的質質量～1.009amu。不帶電電荷電子軌道道：半徑徑～10cm-8Z個電子：：每個電電子的質質量為中中子的1/1840。帶一個個單位的的負電荷荷原子序數(shù)數(shù)：Z質量數(shù)：：A=Z+Namu：原子質質量單位位，1amu=一個碳原原子質量量的1/1223元素與同同位素一個原子子的物理理和化學學性質主主要決定定于它所所含有的的質子數(shù)數(shù)，即原子子序數(shù)Z。原子序序數(shù)相同同的原子子構成一一種元素素。氫Z=1自然界最最重的元元素鈾鈾Z=92人工合成成元素Z＞92超重元素素Z＞100一種元素素可以有有質子數(shù)數(shù)相同但但中子數(shù)數(shù)不同的的若干種種原子。它它們被稱稱為該元元素的同位素，它們有有相同的的化學性性質但不不同的原原子核性性質?！る霸貧涞娜N種同位素24放射性同位素素和衰變一個原子核的的中子數(shù)和質質子數(shù)之比N/Z稱為中質比。。只有中質比比在一定范圍圍內(nèi)的原子核核才是穩(wěn)定的的。，在輕元素區(qū)：：N/Z≈1的原子核比較較穩(wěn)定到重元素鈾N/Z≈1.5的原子核才是是穩(wěn)定的當中子數(shù)和質質子數(shù)之比N/Z偏離穩(wěn)定值時時，原子核變變得不穩(wěn)穩(wěn)定，，它們存在一一定的時間后后會自發(fā)地變變成另一種穩(wěn)穩(wěn)定或比較穩(wěn)穩(wěn)定的原子核核，同時發(fā)射射射線以釋放放多余的能量量。，不穩(wěn)定的原子子核稱為放射性同位素素。它們自發(fā)地蛻蛻變?yōu)榱硪环N種原子核，同同時放出射線線的過程稱為為放射性衰變。，根據(jù)放射性衰衰變過程種放放出射線種類類的不同，放放射性衰變可可以分分為不同的類類型。最常見見和最基本的的衰變類型是是α衰變和β衰變。，25α衰變和β衰變α衰變原子核在衰變變過程中發(fā)射射一個α粒子而蛻變?yōu)闉榱硪粋€原子子核（子核）），例：α粒子由兩個質質子和兩個中中子組成。它它在穿過介質質時產(chǎn)生強烈烈的電離作用用，同時迅速速損失能量。。它在空氣中中的射程約為為幾厘米，一一張紙即即可當住α粒子。，β衰變原子核在衰變變過程中發(fā)射射一個β粒子而蛻變?yōu)闉榱硪粋€原子子核。，例：β粒子是高能的的電子。它在在穿過介質時時會產(chǎn)生電離離、散射、激激發(fā)和引起X射線的發(fā)射等等。它在空氣氣中的射程約約為幾米。，26原子核的能量量狀態(tài)不同的原子核核具有不同的的能量，它取取決于原子核核的組成。一一個確定的原原子核也可以以處在不同的的能量狀態(tài)，，能量最低的的稱為基態(tài)，能量較高的的稱為激發(fā)態(tài)。，能量單位：1電子伏特(eV)=爾格，1keV=1000eV，1MeV=1000keV1.17MeV1.34MeV0.31MeVα5.3MeVEZ衰變綱圖圖27γ射線和X射線伽瑪射線和X射線通稱為電電磁輻射，它它們是一種高高能的電磁波波，沒有靜止止質量、不帶帶電荷，有很很強的穿透能能力。，伽瑪射線是原原子核從較高高激發(fā)態(tài)跳到到較低激發(fā)態(tài)態(tài)或基態(tài)時放放出的能量形形式，如在衰衰變綱圖中表表示的那樣。。，X射線是原子的的電子殼層的的能量狀態(tài)發(fā)發(fā)生變化時放放出的能量量形形式。這種X射線稱為特征征X射線，具有分分離的能量。。一種具有有連續(xù)能量的的X射線稱為韌致致輻射。，特征射射線線X韌致輻射射28放射性衰變規(guī)規(guī)律一個不穩(wěn)定的的原子核從它它產(chǎn)生開始到到衰變這段時時間的平均值值稱為平均壽命。它只決定于于這種原子核核的不穩(wěn)定的的程度而和其其他因素無關關。，，當大量的不穩(wěn)穩(wěn)定原子核集集中在一起時時（放射源），每個原子子核的平均壽壽命相同，但但一個原子核核的衰變和其其它原子核的的存在或衰變變無關。這種種情況稱為統(tǒng)計無關，原子核總數(shù)數(shù)隨時間的減減少可用指數(shù)數(shù)規(guī)律來述描描：，—0時刻的原子核核數(shù)，t—經(jīng)過的時間N—t時刻的原子核核數(shù)，λ—衰變常數(shù)放射源在單位位時間內(nèi)衰變變的原子核數(shù)數(shù)稱為源的活度（強度）。一個含有有N個原子核的放放射源它的活活度為：，，29放射源含有放射性同同位素、以一一定的化學形形態(tài)存在的放放射性物質即即是放射源，，它分為開放放性的和密閉閉的兩大類。。同位素種類衰變類型、射射線及其能量量α5.48MeVγγ0.06MeV半衰期433年強度居里（Ci）=衰變/秒貝克（Bq）=1衰變/秒,毫居里（mCi）微居里里（μCi）兆貝克（MBq）吉貝克（（GBq）30伽瑪射線與物物質的相互作作用伽瑪射線與物物質的相互作作用，是指它它在穿過物質質時與其中的電子或原子核發(fā)生的碰撞結果。有三種種相互作用，，這就是光電吸收、康普敦散射和電子對產(chǎn)生。，光電吸收伽瑪射線與原原子的軌道電電子發(fā)生碰撞撞，使電子離開軌道成為為自由電子，，伽瑪射線損損失全部能量量而消失。入射光電子光電子的能量量：光電吸收發(fā)生生的幾率因此，對能量量較低的伽瑪瑪射線和在重重物質中，光光電吸收是伽伽馬射線與物物質相互作用用的主要形式式31遞給自由電子子或原子的外外層電子，本本身被散射而而改變運動方方向?？灯斩仉娮由⑸淇灯斩厣⑸湓诳灯斩厣⑸渖渲校が斏渖渚€把一部分分能量傳入射散射伽瑪射線線能量：伽瑪射線散射射角的的范圍0－180°對應的電子出出射角的的范圍圍90°－0在伽瑪射線能能量為幾百keV到幾MeV的區(qū)間和在在輕的物質中中，康普敦散散射是一種主主要的相互作作用。，32伽瑪射線在原原子核附近消消失，同時產(chǎn)產(chǎn)生一個正/負電子對。這這種過程只有有在伽瑪射線線的能量大于于1.02MeV（相應于兩個個電子的質量量）時才能發(fā)發(fā)生。，每個電子的動動能：電子對產(chǎn)生電子對產(chǎn)生的的能量閾是1.02MeV，但只有當伽伽瑪射線的能能量在幾MeV以上和在重物物質中，電子子對產(chǎn)生才有有可觀的發(fā)生生幾率。，33伽瑪射線的吸吸收窄束伽瑪射線線吸收物質X定義：在一束伽瑪射射線中的任何何一個伽瑪光光子，只要經(jīng)經(jīng)受一次相互互作用（光電電吸收、康普普敦散射和電電子對產(chǎn)生））就從射線束束中消失。滿滿足這一條件件的測量安排排稱為窄束伽瑪射線線。鉛探測器放射源在滿足窄束伽伽瑪?shù)臈l件下下，伽瑪射線線穿過物質時時的強度衰減減可用下式表表示：，N0—伽瑪束的初始始強度N—伽瑪束穿過厚厚度為X的物質后的強強度μ—線性吸收系數(shù)數(shù)X—伽瑪束穿過的的物質的厚度度34吸收系數(shù)吸收系數(shù)μ表示物質對伽伽瑪射線的吸吸收能力。μ越大，伽瑪射射線穿過介質質時的強度衰衰減越大。，從窄束伽瑪瑪射線的定定義中可知知，伽瑪射線線穿過介質質時的強度度衰減是由由于三種相相互作用造造成的，μ是這三種相相作用的總總和效應。?！の障禂?shù)μ稱為線性吸吸收系數(shù)，，它的量綱綱為1/cm。μ值與伽瑪射射線的能量、介質的化學組成以及密度有關。在實際中，，吸收系數(shù)數(shù)μ可以通過測測量按下式式計算：35質量吸收系系數(shù)當采用質量量吸收系數(shù)數(shù)時，伽瑪瑪射線強度度的衰減公公式變?yōu)椋海?，這時，吸收收體的厚度度用表表示，，稱為質量厚度，量綱為。。，一種化合物物或混合物物的質量吸吸收系數(shù)可可用下式計計算：，線性吸收系系數(shù)μ與密度之比比μ/ρ稱為質量吸收系系數(shù)，它的量綱綱為。。質量吸吸收系數(shù)與與介質的密密度無關。?！趇種成分的質質量份額—第i種成分的質質量份額36伽瑪射線的的探測NaI(Tl)閃爍探測器器的工作原原理射線探測系系統(tǒng)的一般般組成37NaI(Tl)探測器的輸輸出信號NaI(Tl)探測器的輸輸出信號是是電脈沖。。這一脈沖沖信號包含含兩個信息息：伽瑪射射線的能量和強度。，由于探測過過程的原因因，對單一一能量的伽伽瑪光子得得到的脈沖沖幅度度并不完全全一樣，而而是有一個個分布，稱稱為能譜。，1.脈沖的幅度度正比于伽伽瑪射線的的能量2.脈沖個數(shù)正正比于入射射到探測器器上的伽瑪瑪光子數(shù)用NaI(Tl)探測器測到到的伽伽瑪射線的的能譜計數(shù)幅度（能量量）峰在橫坐標標上的位置置，對應59.5keV光電峰逃逸峰38伽瑪傳感器器的結構伽瑪傳感器器分為單能能伽瑪傳感感器和雙能能伽瑪傳感感器兩種，，它們在結結構上大致致相同差別別在放射源源。，測量量管管段段探測測器器防爆爆筒筒多相相流流密封封墊墊密封封墊墊源倉倉護罩罩γ束源源Ag片源Al板60keVX60keV22.5keV39三相相介介質質的的基基本本吸吸收收公公式式探測測器器源定義義：：含氣氣率率含水水率率根據(jù)據(jù)伽伽瑪瑪射射線線指指數(shù)數(shù)衰衰減減規(guī)規(guī)律律：：利用用上上述述定定義義和和導導出出量量：：變形形后后可可得得：：導出出量量：：（GVF）（WC）40單能能伽伽瑪瑪傳傳感感器器單能能伽伽瑪瑪傳傳感感器器在在多多相相流流量量計計中中，，主主要要解解決決總的的三三相相流流中中含氣氣率率GVF的測測量量。。，和分分別別是是水水和和油油的的吸吸收收系系數(shù)數(shù)線線性性吸吸收收系系數(shù)數(shù)在較較低低的的工工作作壓壓力力下下，，氣氣對對伽伽瑪瑪射射線線的的吸吸收收可可以以忽忽略略。。設設并并利利用用液液相相厚厚度度的的關關系系，，可可得得：：有了了液液相相厚厚度度即即可可求求出出含含氣氣率率：：。。，通常常，，在在單單能能伽伽瑪瑪傳傳感感器器中中使使用用源源。。在在這這種種情情況況下下，，必須須知知道道三相相介介質質的的含水水率率才能能計計算算含含氣氣率率。。如果果多多相相流流中中不不含含氣氣，，則則液液相相厚厚度度即即是是傳傳感感器器的的通通徑徑。。這這時時單單能能傳傳感感器器可可測測量量油油水水混混合合介介質質的的含含水水率率。。41雙能能伽伽瑪瑪傳傳感感器器雙能能伽伽瑪瑪傳傳感感器器是是利利用用具具有有兩兩組組不不同同能能量量的的伽伽瑪瑪束束，，相相當當于于兩兩個個單單能能傳傳感感器器。。這這樣樣可可以以列列出出兩兩個個方方程程，，求求解解兩兩個個未未知知數(shù)數(shù)：：含含氣氣率率λ和含含水水率率η。，每道道計計數(shù)數(shù)低能能計計數(shù)數(shù)窗窗高能能計計數(shù)數(shù)窗窗低能能峰峰高能能峰峰在雙雙能能伽伽瑪瑪傳傳感感器器中中，，需需要要同同時時測測量量高高能能伽伽瑪瑪（（60keV）和和低低能能伽伽瑪瑪（（22.5keV）的的透透射射強強度度。。由于于NaI（Tl）探探測測器器的的輸輸出出脈脈沖沖的的幅幅度度正正比比于于伽伽瑪瑪射射線線的的能能量量。。所所以以，，我我們們可可以以根根據(jù)據(jù)脈脈沖沖幅幅度度對對高高、、低低能能伽伽瑪瑪射射線線分分別別進進行行計計數(shù)數(shù)。。在數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)采采集集系系統(tǒng)統(tǒng)中中有有一一塊塊雙雙能能伽伽瑪瑪板板，，通通過過對對脈脈沖沖按按幅幅度度進進行行分分類類來來完完成成對對高高低低能能伽伽瑪瑪?shù)牡挠嬘嫈?shù)數(shù)。高低低能能計計數(shù)數(shù)分分布布圖圖42雙能能伽伽瑪瑪傳傳感感器器對雙雙能能伽伽瑪瑪傳傳感感器器我我們們