油气水多相流量计现场实液测试校验装置的设计

1、第三章油气水多相流量计现场实液测试校验装置的设计3.1设计要求工作流体油单相流体净化原油，油中含水率0.2%；水单相流体含油污水，水中含油率0.5%；气单相流体天然气，气中含液率0.5%；混相流体净化原油+含油污水+天然气，含气率0-100%，液中含水率 0-100%。工作流体流量范围油相流量50ms/h；水相流量50ms/h；气相流量1170ms/ho工作流体温度范围小于80C。校验装置的测试校验系统工作压力2.5Mpa。校验装置的系统不确定度油流量测量系统不确定度1.0%；水流量测量系统不确定度1.0%；气流量测量系统不确定度1.5%。校验装置流量稳定度油相流量稳定度1.0%；水相流量稳定

2、度1.0%；气相流量稳定度2.0%。油气水单相标准流量计油流量计：管径DN50、DN25，准确度E 0.5%水流量计：管径DN50、DN25,准确度E0.5%气流量计：管径DN50、DN25,准确度Ew1.0%3.2技术关键设计多相流量测试校验装置需要涉及工艺、设备、计量、流体力学、自控等 许多专业知识，技术难度大，其技术关键主要有介质选择，油气水混合液的缓冲、 分离，油气水单相流量计计量，流态观察、测试、预测等。装置基本上有五个部 分组成：（1）油气水单相供应系统。（2）油气水单相计量、混合系统。（3）流态 测试或透明管观察段。（4）多相流水平、垂直、倾斜实验管路。（5）油气水二相（缓冲）、

3、三相分离系统。3.2.1介质选择油气水实验介质的选择很重要。如果选择适当，可保证实验安全可靠，油气 水分离速度较快，便于连续做实验。因此，选用介质时应该从以下几方面考虑： 保证油气介质在实验中安全。应该选择闪点低的油介质，气体中含氧量低，以便使实验中油气介质混合时不产生爆炸。 油气水易于分离。选择含胶质成分少（粘度低）和不易乳化的油，含细 菌杂质少的水。 易于观察流态。选择颜色较深的油类。 所选择的油、气、水介质的物理、化学性质尽量接近于原油、天然气、产出水的性质，也就是油的粘度、密度、流动性尽量和原油相近，水中含盐 量、矿化度尽量和产出水相近。 经济性因素。选用煤油/柴油、空气、水等模拟液要

4、比选用原油、天然气/氮气、产出水作介质的成本低。目前，世界上主要有4种油、气、水组合方式：1.煤油/煤油中加抑燃剂（降低闪点）、空气/氮气、水。2.柴油、空气/天然气、水。3.3.原油、天然气、产出水。4. 4.煤油、水、高密度气体SF6 （SF6气体在0.8Mpa时，密度为55Kg/m3，在0.8Mpa下可模拟67Mpa时的天然气）。综合以上各方面情况，我们设计多相流量测试校验装置时决定采用实液（原油、 天然气、油田产出水）作为实验介质，这样具有更接近生产实际的特点。3.2.2油气水混合液的缓冲、分离当油气水混合液的流速较快或管路中已产生段塞流时，将对管道和分离器等 产生较大的冲击力，易使管

5、道和分离器损坏，因为段塞流产生的破坏力最大，因 此，在分离器入口前加一个缓冲罐，如图3-1，使流体减速，降低动能。既可缓 冲流体的冲击力，又可达到初步气液二相分离的作用。油气水三相分离器的分离效率是多相流装置的技术关键之一。通常有二相分 离器和三相分离器串联使用或仅使用三相分离器的方法。前一种方法效果较好， 但占空间大费用高。二相分离器采用重力沉降分离，三相分离器一般结构复杂， 入口处加旋流器，内部还加了鲍尔环、捕油网、瓦楞板、捕雾气等以便提高分离 效果。三相分离器容积较大，流体停留时间较长，油水分离效果较好。本套装置中采用三相分离器方法。考虑到即使把流体停留时间延长到20分 钟，三相分离器的

6、油出口所排出的油仍不是纯的，有时油中含水可达到2%。所以从低含水油罐出来的油要经过电脱水器完全脱水后才能到达净化油罐，同时在 油管路中加入低含水分析仪进行含水量测量。图3-1油气水混合物缓冲示意图3.2.3流态观察、测试、预测流体流动状态测量是多相流量计测试校验系统的重要参数之一。多相流量计 是在何种流态下进行校验是很重要的，多相流量计的性能和流态变化有关，不同 的多相流量计适用于不同的流态。因此，准确地观察、测试或预测流态在多相流 量计校验中显得尤为重要。为了得到一个较稳定的油气水多相流流态，我们在设计装置时保证油气水单相流 量稳定，油气水混合均匀，有一定长度的直管段，油品颜色深些，介质中无

7、杂质， 管路、泵、阀、容器选用不锈钢材料，透明管清晰，如图3-2，能观察到清晰的 流态。-HXF多相流量计 LDN50透明直管段3.3油气水多相流量3计现场实液测试校验装置的组成及功该装置由实验介质接收处理系统、介质调配系统、计量检定单元、检定后实 验介质处理及外输系统、数据采集及处理系统组成，如图3-3。介质接收处理系统主要用来接收和处理油井产出的油气水混合物。介质调配 系统主要用来提供净化原油、含油污水和天然气三种试验介质。计量检定单元主 要用来进行油、气、水单相流量计量并配成一定含气率及含水率的油气水混合物， 建立稳定的油气水三相流动工况，观察、测量和预测流态，对多相流量计进行测 试和检

8、定。检定后介质处理及外输系统主要用来处理和输送由计量检定机构排出 的油气水混合物，保证测试检定过程连续进行。数据采集及处理系统主要用来接 收和处理各部分的输出信号并自动进行计算和显示。该校验装置的整体结构与外 输中转站并联设计、自成体系，主要优点是直接采用生产井产出的新鲜油气水混 合物来配制油、气、水单相和三相实验介质，实验介质条件和工艺流程符合油田 生产实际情况。3.4油气水多相流量计现场实液测试校验装置的工作原理及系统流程该测试校验装置将油井产出物进行处理，分离出净化原油、含油污水、天然 气三种单相介质。给各单相介质增压并经单相流量计计量后，使各单相按给定的 含水率和含气率重新混合，配成油

9、气水三相混合流体。直接将三相混合流体输全 被测的多相流量计进行不分离计量。通过对在分相时经单相流量计计量出的油、 气、水流量值与混相时经多相流量计计量出的油气水流量值进行比较，确定出多 相流量计的计量准确度及适用范围。同时，还可对多相流量计的机械性能、计量 稳定性等技术指标进行测试和评价。多井计量间气体涡轮流量计南2-9转油站图3-4油气水多相流量计现场实液测试校验装置工艺流程图, 11段塞流捕集器油气水多相流量计现场实液测试校验装置工艺流程图，如图3-4，来自生产 井的油气水混合物先进入三相分离器，分离出的低含水油进入低含水油缓冲罐， 将低含水油泵入电脱水器进行脱水处理，获得净化油，从净化油

10、缓冲罐中将其抽 出并输至油流量计进行流量计量，然后，注入油水两相混合器。从三相分离器分 离出的含油污水先进入含油污水缓冲罐，由泵将其抽出并输至水流量计进行流量 计量后，也注入油水两相混合器，与净化原油混合配成给定含水率的油水两相混 合物，再进入气液混合器。从三相分离器分离出的天然气先进入天然气压缩机入 口缓冲罐，经天然气压缩机增压后，进入天然气稳定罐并输至气流量计进行流量 计量，再注入气液混合器并与油水两相混合物混合，配出给定气液比的油气水三 相混合物。该混合物进入一个流型发展管段，获得充分发展的流型之后，进入被 测的多相流量计。从多相流量计排出的油气水混合物先进入段塞流捕集器，然后 进入用后

11、介质分离缓冲罐，由该罐分出的天然气和含水原油分别外输至油田油气 处理中转站。在校验系统的运行过程中，油气水介质均一次性通过多相流量计测 试检定单元，整体介质条件和工艺过程与油田生产实际相接近。3.5校验装置中主要计量仪表的配置和要求油气水多相流量计现场实液测试校验装置，见图3-4。按照可满足对具有A 级准确度的多相流量计（油流量的计量准确度忍5%，水流量的计量准确度忍土 5%，气流量的计量准确度8%）进行校验的要求，该装置油量计量的不确定度 应1.0%，水流量计量的不确定度应1.0%，气流量计量的不确定度应1.5%。 为了满足这些要求，对单相标准流量计的选型为： 油标准流量计:管径DN50、D

12、N25，准确度0.5%； 水标准流量计:管径DN50、DN25，准确度0.5%； 气标准流量计:管径DN50、DN25，准确度1.0%。在该系统中，油流量计量采用2台不同管径的罗茨流量计，并在油路中安装了一 台原油含水分析仪测量油中含水率;水流量计量采用2台不同管径的液体涡轮流 量计；天然气流量计采用2台不同管径的气体涡轮流量计（表3-1）。在油气水单 相管路、油水二相管路、油气水三相管路以及被检多相流量计入口和出口处分别 安装温度变送器和压力变送器，测量管路各处介质的温度和压力（表3-2）。油气水标准流量计表3-1名称规格型号流量范围3/h）仪表常数准确度（%）数量罗茨流量计LL-502.5

13、-250.9983 L/脉冲数0.21罗茨流量计LL-251.2-60.9957 L/脉冲数0.51涡轮流量计LW-506-4038222脉冲数/m30.51涡轮流量计LW-251.6-10661399脉冲数/m30.51气体涡轮流量 计LWQ-5025-2504633脉冲数/m31.01气体涡轮流量 计LWQ-255.6-22.543060脉冲数/m31.01含水率、温度和压力检测仪表表3-2名称规格型号测量范围准确度（%）数量射频原油含水分析仪SH-Z 型含水率 0-3%0.21温度变送器WPB-240温度 0-1000C0.56压力变送器BP800 型压力 0-1.0MPa0.573.6

14、介质调配系统-电脱水器_油介质调配系统，站方系统。F油气水混合物-三相分离器图3-5介质调配系统流程图按比例向来液系统注入破乳剂，使经加药的混合物经三相分离器分离出低含 水油。经电脱水器脱水后，取样监测电脱水器出油含水率变化情况，保持其含水 率始终低于0.2%。三相分离器分离出的含油污水和电脱水器脱出的污水同时进 入含油污水罐，取样监测污水罐中含油率的变化情况，保持其含油率始终低于 0.5%。三相分离器分出的天然气，一部分进入湿气缓冲罐，经压缩机和空冷器处 理后进入气稳压罐。取样监测天然气稳定罐的出口气中含液量的变化情况，保持 其含液量始终低于0.5%。3.7校验系统稳定措施考虑到多相管流的流

15、型特性15，为被检多相流量计创造一个稳定的入口流型条件，在该装置的气液混合器之后，设置了一管径50mm， 长9.5m（190倍管径）的流型发展水平us直管段，如图3-6所示，以使 油气水三相混合物进入被检多相流量计之前，在该管段中获得充分发 展的流型，形成稳态流动工况提高系统的稳定性。在被检多相流量计之后设置一个段塞流捕集器，如图3-6,主 要用来消除由段塞流冲击造成系统背压波动而导致单相流量计计量部分的流量波动。多相流量计IQ DN50流型发展段图3-6装置稳定系统示意图3.8油气水介质的质量保证措施对于油相介质，主要采取加破乳剂，加热升温和电脱水的措施来降低 油中含水率，提高其纯净度。另外

16、，采取保持流量计背压大于2倍的原油饱和蒸汽压力与流量计压差之和 的措施来防止原油中的部分轻组分汽化。油流量计背压2 Po + 七多相流量计背压2 P +竺P 一原油饱和蒸汽压，Mpa ；屿一油流量压差，MPa ;竺一多相流量计压差，MPa。对于水相介质，主要采取加破乳剂和增加沉降时间的方法，来降低含油 污水中的含油率，提高其纯净度。对于气相介质，主要采取天然气压缩机入口缓冲罐和出口稳定罐除液、 捕雾的措施，来降低气中含液率，提高其十度，消除含液对气单相流量计量准确 度的影响。3.9数据采集与处理系统油气水多相流量计现场实液测试校验装置是一套在现场实液条件下对多相 流量计进行性能测试和不确定度检

17、定的专用装置。具有进行油、气、水单相流量 计量，配制油气水多相混合物，同时在单相标准流量下，对多相流量计混相状态 下计量的油、气、水流量进行测试的能力，要求数据处理系统具有较高的数据处 理精度，速度和手段，以及对测试过程的高效合理控制。该测试装置的数据采集 处理系统由一台486研华工控机和PC总线输入输出接口板及油、气、水单相流 量，温度，压力和油中含水率检测仪表构成共设有20个仪表检测回路，该系统 具有数据采集、储存、计算、显示和打印输出功能。如图3-7所示。该测试系统采用PC总线I/O板PCL813和PCL830接收现场一次表测试的标 准4-20mA信号和脉冲信号，其中PCLD880为模拟

18、量输入端子板，共有14路模拟 量输入，对温度、压力、油含水进行检测；830DZB为脉冲输入调理板，共有6 路脉冲量输入，检测油、水、气不同管径的流量。对脉冲信号输入做了调整，采 用光电隔离等增加可接收脉冲幅值范围，滤去脉冲信号传输过程中产生的干扰信 号，保证了流量计量的准确度。计算机程序将采集到的信号进行数据采集、数据 处理、计算、显示。在测试过程中，可通过测试数据参数表和工艺流程图在线显示方式，对装置运行过程中各测试点的温度、压力和油、气、水单相瞬时流量、 累积流量及油中含水率、多相流量计管段中气液混合物的总含气率、液中含水率 进行监测。对整个测试过程的控制可通过程序对装置状态的检测和判断及与多相 流量计进行通讯方式自动完成，也可通过键盘输入方式控制完成。测试结束后， 可做数据文件保存和打印输出测试结果。该系统的计算机程序有丰富的人机对话 操作界面，多相流量计的数据信息、标准流量计的仪表系数、仪表量程调节以及 设定时间等都可通过人机界面输入。既可通过键盘输入被测多相流量计的流量计 量数据，自动完成与相应的单相标准流量计的流量计量值的比较及测量误差计 算；又可通过适用的接口与被测多相流量计直接建立数据通讯，对油、气、水单 相标准流量计和被测多相流量计的测试数据进行在线实时对比