多相流量計原理

多相流量計原理1第1頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月多相流測量技術(shù)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(guān)測試參數(shù)。2第2頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月多相流測量技術(shù)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第3頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月多相流測量技術(shù)回顧

——多相流量計

1.不用相分離，工藝簡潔，結(jié)構(gòu)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第4頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月多相流測量技術(shù)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(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(guān)方程可以求得混合物的相分率。5第5頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月多相流測量技術(shù)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(guān)法互相關(guān)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(zhì)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(guān)函數(shù)計算流體的速度。6第6頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月海默多相流計性能及結(jié)構(gòu)

——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第7頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月海默多相流計性能及結(jié)構(gòu)

——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第8頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月海默多相流計性能及結(jié)構(gòu)

——海默MFM2000型GROSSMULTIPHASEFLOWFlowrates@LineConditionsQoilQwaterQgasFlowConditionerDual-GammaRayRAWLR典型液相PVTDataFlowrates@StandardConditionsQoilQwaterQgasTTPTPressure&TemperatureMeasurementsPVTCalculationsSingle-GammaRayRAαgVenturiDP9第9頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月海默多相流計性能及結(jié)構(gòu)

——海默MFM2000型WLRr=(1-ag)[ro+WLR(rw-ro)]+ag.rgFlowConditionerDUALDPTTInletOutletPTDPDPQmasstotalQoil=(1-GVF).(1-WLR).QtotalQwater=(1-GVF).WLR.QtotalQgas=GVF.QtotalagSINGLE3’’VenturiMeterRARA10第10頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月GROSSFLOW?’’Vent&GasSamplingpointCalibrationPort(Graylock)1’’1/2ValveMAINLYLIQUIDGVF<10%Dual-GammaRaySensorRAGAS4010205060708090302%10%5%-2%-10%-5%15%-15%GVF(%)FunneleffectwithoutFlowConditionerWaterCutAbsoluteError11第11頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月海默多相流計性能及結(jié)構(gòu)

——海默MFM2000型

儀表測量范圍含水率測量范圍0-100%

含氣率測量范圍0-90%(可擴展到0-98%)

流量測量范圍8:1(可擴展到30:1)

典型的測量準確度準確度重復性毛液量±5-10%（相對誤差）±5%

氣量±10%（相對誤差）±5%

含水率±2%（絕對誤差）±1%

置信度為90%12第12頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月海默多相流計性能及結(jié)構(gòu)

——海默MFM2000HG型（高含氣型）氣液兩相旋流分離器渦街流量計氣路控制閥文丘里流量計流型調(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13第13頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月海默多相流計性能及結(jié)構(gòu)

——海默MFM2000HG型（高含氣型）

儀表測量范圍含水率測量范圍0-100%

含氣率測量范圍0-99%

流量測量范圍15:1

典型的測量準確度準確度重復性毛液量±5-10%（相對誤差）±5%

氣量±10%（相對誤差）±5%

含水率±2%（絕對誤差）±1%

置信度為90%14第14頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月海默多相流計性能及結(jié)構(gòu)

海默MFM2000LG型（低含氣型）文丘里流量計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15第15頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月海默多相流計性能及結(jié)構(gòu)

——海默MFM2000LG型（低含氣型）儀表測量范圍

含水率測量范圍0-100%

含氣率測量范圍0-15%

流量測量范圍8:1典型的測量準確度

準確度重復性毛液量±5%（相對誤差）±2.5%

氣量±10%（相對誤差）±5%

含水率±2%（絕對誤差）±1%

置信度為90%16第16頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月文丘里流量計

——工作原理

文丘里流量計是一種差壓式流量計。差壓式流量計的基本原理是：在充滿流體的圓管中設置文丘里或噴嘴之類的節(jié)流件，當流體流經(jīng)節(jié)流件時，在其上、下游側(cè)就會產(chǎn)生靜壓力差，該靜壓力差與流過的流量之間有一個固定的函數(shù)關(guān)系，只要測得靜壓力差就可以由流量公式求得流量。17第17頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月文丘里流量計

——基本計算公式

差壓式流量計的基本方程：Qv——體積流量；Qm——質(zhì)量流量；C——流出系數(shù)（Dischargecoefficient）；E——漸進速度系數(shù)；d——節(jié)流元件內(nèi)徑（如噴嘴喉部）；ε——流束膨脹系數(shù)，對于液體ε=1；ρ1——節(jié)流件上游流體工作狀態(tài)下的密度；ΔP—節(jié)流件前后的壓差；β——節(jié)流件內(nèi)徑與測量管內(nèi)徑之比β=d/D；D——測量管內(nèi)徑。18第18頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月文丘里流量計

——差壓式流量計的組成

1.節(jié)流裝置：即差壓流量計的流量傳感器；2.取壓系統(tǒng)：由取壓口、引壓管、隔離罐和五閥組構(gòu)成；3.壓差測量裝備：差壓計或差壓變送器；4.輔助儀表：壓力、溫度變送器、二次積算儀表等。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19第19頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月文丘里流量計

——在多相流量計中的應用

1.ISO5167--1和GB2624標準是適用于單相流體的差壓式流量計。差壓式流量計用于兩相流測量時，由于介質(zhì)密度變化、氣液滑差、非均相等因素，影響液體測量準確度，尤其是在高含氣工況下尤為突出。2.數(shù)學模型修正：用于兩相流測量的差壓式流量計的修正公式有幾個，如：Murdock公式，James公式，Smith--leung公式以及林氏公式（林宗虎公式）。以Murdock公式和林氏公式應用較好。海默多相流量計應用林氏公式以提高液體測量準確度。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).電子學系統(tǒng)高速采樣3).適時計算20第20頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月什么是伽瑪傳感器

利用伽瑪射線與物質(zhì)的相互作用，通過測量透射強度或散射強度來確定樣品的厚度、密度和組份等物理量的裝置透射式散射式21第21頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月伽瑪傳感器的基本原理Nx=f（N0，X，ρ，組份…）組份=F（Nx，N0，X，ρ…）Nx—傳感器的輸出N0，X，ρ…—常數(shù)22第22頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月原子的結(jié)構(gòu)

原子核：半徑～10cm由質(zhì)子和中子組成

-13Z個質(zhì)子，每個質(zhì)子的質(zhì)量～1.008amu。帶一個單位的正電荷

N個中子，每個中子的質(zhì)量～1.009amu。不帶電荷

電子軌道：半徑～10

cm

-8Z個電子：每個電子的質(zhì)量為中子的1/1840。帶一個單位的負電荷

原子序數(shù)：Z

質(zhì)量數(shù)：A=Z+Namu：原子質(zhì)量單位，1amu=一個碳原子質(zhì)量的1/12

23第23頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月元素與同位素一個原子的物理和化學性質(zhì)主要決定于它所含有的質(zhì)子數(shù)，即原子序數(shù)Z。原子序數(shù)相同的原子構(gòu)成一種元素。氫Z=1自然界最重的元素鈾Z=92人工合成元素Z＞92超重元素Z＞100一種元素可以有質(zhì)子數(shù)相同但中子數(shù)不同的若干種原子。它們被稱為該元素的同位素，它們有相同的化學性質(zhì)但不同的原子核性質(zhì)?！?/p>

氘氕氚元素氫的三種同位素24第24頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月放射性同位素和衰變

一個原子核的中子數(shù)和質(zhì)子數(shù)之比N/Z稱為中質(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/Z≈1的原子核比較穩(wěn)定到重元素鈾N/Z≈1.5的原子核才是穩(wěn)定的

當中子數(shù)和質(zhì)子數(shù)之比N/Z偏離穩(wěn)定值時，原子核變得不穩(wěn)定，它們存在一定的時間后會自發(fā)地變成另一種穩(wěn)定或比較穩(wěn)定的原子核，同時發(fā)射射線以釋放多余的能量。，

不穩(wěn)定的原子核稱為放射性同位素。它們自發(fā)地蛻變?yōu)榱硪环N原子核，同時放出射線的過程稱為放射性衰變。，

根據(jù)放射性衰變過程種放出射線種類的不同，放射性衰變可以分為不同的類型。最常見和最基本的衰變類型是α衰變和β衰變。，

25第25頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月α衰變和β衰變α衰變原子核在衰變過程中發(fā)射一個α粒子而蛻變?yōu)榱硪粋€原子核（子核）

，例：

α粒子由兩個質(zhì)子和兩個中子組成。它在穿過介質(zhì)時產(chǎn)生強烈的電離作用，同時迅速損失能量。它在空氣中的射程約為幾厘米，一張紙即可當住α粒子。

，

β衰變原子核在衰變過程中發(fā)射一個β粒子而蛻變?yōu)榱硪粋€原子核。，例：

β粒子是高能的電子。它在穿過介質(zhì)時會產(chǎn)生電離、散射、激發(fā)和引起X射線的發(fā)射等。它在空氣中的射程約為幾米。，26第26頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月原子核的能量狀態(tài)

不同的原子核具有不同的能量，它取決于原子核的組成。一個確定的原子核也可以處在不同的能量狀態(tài)，能量最低的稱為基態(tài)，能量較高的稱為激發(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27第27頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月γ射線和X射線伽瑪射線和X射線通稱為電磁輻射，它們是一種高能的電磁波，沒有靜止質(zhì)量、不帶電荷，有很強的穿透能力。，

伽瑪射線是原子核從較高激發(fā)態(tài)跳到較低激發(fā)態(tài)或基態(tài)時放出的能量形式，如在衰變綱圖中表示的那樣。，X射線是原子的電子殼層的能量狀態(tài)發(fā)生變化時放出的能量形式。這種X射線稱為特征X射線，具有分離的能量。一種具有連續(xù)能量的X射線稱為韌致輻射。，特征射線X韌致輻射28第28頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月放射性衰變規(guī)律一個不穩(wěn)定的原子核從它產(chǎn)生開始到衰變這段時間的平均值稱為平均壽命。它只決定于這種原子核的不穩(wěn)定的程度而和其他因素無關(guān)。，

，

當大量的不穩(wěn)定原子核集中在一起時（放射源），每個原子核的平均壽命相同，但一個原子核的衰變和其它原子核的存在或衰變無關(guān)。這種情況稱為統(tǒng)計無關(guān)，原子核總數(shù)隨時間的減少可用指數(shù)規(guī)律來述描：，

—0時刻的原子核數(shù)，t—

經(jīng)過的時間

N

—t時刻的原子核數(shù)，λ—

衰變常數(shù)

放射源在單位時間內(nèi)衰變的原子核數(shù)稱為源的活度（強度）。一個含有N個原子核的放射源它的活度為：，

，

29第29頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月放射源含有放射性同位素、以一定的化學形態(tài)存在的放射性物質(zhì)即是放射源，它分為開放性的和密閉的兩大類。同位素種類衰變類型、射線及其能量α

5.48MeVγ0.06MeV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（μCi）兆貝克（MBq）吉貝克（GBq）30第30頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月伽瑪射線與物質(zhì)的相互作用

伽瑪射線與物質(zhì)的相互作用，是指它在穿過物質(zhì)時與其中的電子或原子核發(fā)生的碰撞結(jié)果。有三種相互作用，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子的軌道電子發(fā)生碰撞，使電子離開軌道成為自由電子，伽瑪射線損失全部能量而消失。入射光電子光電子的能量：光電吸收發(fā)生的幾率因此，對能量較低的伽瑪射線和在重物質(zhì)中，光電吸收是伽馬射線與物質(zhì)相互作用的主要形式31第31頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月

遞給自由電子或原子的外層電子，本身被散射而改變運動方向?？灯斩仉娮由⑸淇灯斩厣⑸湓诳灯斩厣⑸渲?，伽瑪射線把一部分能量傳入射散射伽瑪射線能量：伽瑪射線散射角的范圍0－180°對應的電子出射角的范圍90°－0在伽瑪射線能量為幾百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。，32第32頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月

伽瑪射線在原子核附近消失，同時產(chǎn)生一個正/負電子對。這種過程只有在伽瑪射線的能量大于1.02MeV（相應于兩個電子的質(zhì)量）時才能發(fā)生。，每個電子的動能：

電子對產(chǎn)生電子對產(chǎn)生的能量閾是1.02MeV，但只有當伽瑪射線的能量在幾MeV以上和在重物質(zhì)中，電子對產(chǎn)生才有可觀的發(fā)生幾率。，33第33頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月伽瑪射線的吸收窄束伽瑪射線吸收物質(zhì)

X定義：在一束伽瑪射線中的任何一個伽瑪光子，只要經(jīng)受一次相互作用（光電吸收、康普敦散射和電子對產(chǎn)生）就從射線束中消失。滿足這一條件的測量安排稱為窄束伽瑪射線。

鉛探測器

放射源在滿足窄束伽瑪?shù)臈l件下，伽瑪射線穿過物質(zhì)時的強度衰減可用下式表示：

，N0—伽瑪束的初始強度

N—伽瑪束穿過厚度為X的物質(zhì)后的強度μ—線性吸收系數(shù)

X—伽瑪束穿過的物質(zhì)的厚度34第34頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月吸收系數(shù)

吸收系數(shù)μ表示物質(zhì)對伽瑪射線的吸收能力。μ越大，伽瑪射線穿過介質(zhì)時的強度衰減越大。，從窄束伽瑪射線的定義中可知，伽瑪射線穿過介質(zhì)時的強度衰減是由于三種相互作用造成的，μ是這三種相作用的總和效應?！?/p>

吸收系數(shù)μ稱為線性吸收系數(shù)，它的量綱為1/cm。μ值與伽瑪射線的能量、介質(zhì)的化學組成以及密度有關(guān)。在實際中，吸收系數(shù)μ可以通過測量按下式計算：35第35頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月質(zhì)量吸收系數(shù)當采用質(zhì)量吸收系數(shù)時，伽瑪射線強度的衰減公式變?yōu)椋海@時，吸收體的厚度用表示，稱為質(zhì)量厚度，量綱為。，

一種化合物或混合物的質(zhì)量吸收系數(shù)可用下式計算：，

線性吸收系數(shù)μ與密度之比μ/ρ稱為質(zhì)量吸收系數(shù)，它的量綱為。質(zhì)量吸收系數(shù)與介質(zhì)的密度無關(guān)。

—第

i種成分的質(zhì)量份額—第

i種成分的質(zhì)量份額36第36頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月伽瑪射線的探測NaI(Tl)閃爍探測器的工作原理射線探測系統(tǒng)的一般組成37第37頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月NaI(Tl)探測器的輸出信號

NaI(Tl)

探測器的輸出信號是電脈沖。這一脈沖信號包含兩個信息：伽瑪射線的能量和強度。，

由于探測過程的原因，對單一能量的伽瑪光子得到的脈沖幅度并不完全一樣，而是有一個分布，稱為能譜。，1.脈沖的幅度正比于伽瑪射線的能量2.脈沖個數(shù)正比于入射到探測器上的伽瑪光子數(shù)用NaI(Tl)探測器測到的伽瑪射線的能譜計數(shù)幅度（能量）峰在橫坐標上的位置，對應59.5keV光電峰逃逸峰38第38頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月

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雙能伽瑪傳感器兩種，它們在結(jié)構(gòu)上大致相同差別在放射源。，測量管段探測器防爆筒多相流密封墊密封墊源倉護罩γ束源源Ag片源Al板60keVX60keV22.5keV39第39頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月

三相介質(zhì)的基本吸收公式探測器源定義：含氣率含水率根據(jù)伽瑪射線指數(shù)衰減規(guī)律：利用上述定義和導出量：變形后可得：導出量：（GVF）（WC）40第40頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月單能伽瑪傳感器單能伽瑪傳感器在多相流量計中，主要解決總的三相流中含氣率GVF的測量。，和分別是水和油的吸收系數(shù)線性吸收系數(shù)在較低的工作壓力下，氣對伽瑪射線的吸收可以忽略。設并利用液相厚度的關(guān)系，可得：有了液相厚度即可求出含氣率：。，

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)的含水率才能計算含氣率。如果多相流中不含氣，則液相厚度即是傳感器的通徑。這時單能傳感器可測量油水混合介質(zhì)的含水率。41第41頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月雙能伽瑪傳感器雙能伽瑪傳感器是利用具有兩組不同能量的伽瑪束，相當于兩個單能傳感器。這樣可以列出兩個方程，求解兩個未知數(shù)：含氣率λ和含水率η。，每道計數(shù)低能計數(shù)窗高能計數(shù)窗低能峰高能峰在雙能伽瑪傳感器中，需要同時測量高能伽瑪（60keV）和低能伽瑪（22.5keV）的透射強度。由于NaI（Tl）探測器的輸出脈沖的幅度正比于伽瑪射線的能量。所以，我們可以根據(jù)脈沖幅度對高、低能伽瑪射線分別進行計數(shù)。在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中有一塊雙能伽瑪板，通過對脈沖按幅度進行分類來完成對高低能伽瑪?shù)挠嫈?shù)。高低能計數(shù)分布圖42第42頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月雙能伽瑪傳感器對雙能伽瑪傳感器我們?nèi)约僭O氣的吸收可以忽略即，和并對高能和低能分別列出方程：，兩式相除得到：，

式中高能低能最后得到含水率的計算公式為：，

1.在海默多向流量計中，含水率的測量采用取樣的方法；，2.當含氣率比較高時，雙能傳感器測量含水率的誤差較大；，

3.雙能傳感器在海默多向流量計中用來測量含水率。

，

43第43頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月伽瑪傳感器的標定伽瑪傳感器必須經(jīng)過標定才能使用。標定的目的是確定探測