多相流量计原理课件

海默多相流量计原理1多相流测量技术回顾

——传统两相、三相分离器分离计量方案

1）由两相、三相分离器对油井产出三相混合物进行气液或油气水分离

2）通过对分离器内储液段的液位控制，排放液体，进行液体、含水率计量或纯油纯水计量

3）通过对分离器的压力控制进行气体排放并对气体进行计量

4）由微机对以上工作过程进行控制并采集处理数据，得到油井油、气、水产量及有关测试参数。2多相流测量技术回顾

——传统计量方案的缺点1.有较多的管汇、分离器，工艺复杂、尺寸大，尺寸问题在海洋石油平台上尤为突出2.常规的计量测试装备配套仪表多，仪表标定烦琐，现场维护量高，生产维护工作量大；

3.控制系统较为复杂;4.常规的计量测试系统很难处理泡沫原油或难以分离的乳化液引起的相分离问题，通常需进行化学或机械干预，从而增加费用并影响测量准确度;3多相流测量技术回顾

——多相流量计相分率测量1.介电相分率测量法介电相分率测量包括电容/电导测量技术，与之相关的还有微波吸收法。利用油水介电常数区别较大，测量一种油水混合液的介电常数可以确定其含水率。2.伽马射线法相分率测量依据油、水、气对伽马能量的衰减率不同，当伽马射线穿过油、水、气混合物时，由混合物中分子的电子和原子引起衰减，通过建立相关方程可以求得混合物的相分率。5多相流测量技术回顾

——多相流量计流量（流速）测量

1.文丘里流量计文丘里流量计是一种传统的差压式流量计，近年来被广泛地应用于湿气计量和多相流量计量。文丘里流量计可以适用于含气流体和粘性流体的流量测量，当与之配套的相分率仪表测量出气体相分率后，可以容易地确定出液体流量2.互相关法互相关法就是在一定距离的管段上设置两个传感器（γ传感器或电容、微波传感器），测量相似流体性质变化的特征与频率，根据两个传感器对同一参照物测量的时滞，以及传感器之间的距离，通过相关函数计算流体的速度。6海默多相流计性能及结构

——海默MFM2000型

1.文丘里流量计2.流型调整器3.单能伽马传感器4.双能伽马传感器5.压力变送器、温度变送器6.数据处理系统组成7海默多相流计性能及结构

——海默MFM2000型

GasFraction(ag):气相所占截面比GasVolumeFraction(GVF):气相所占总体积比(工况条件下)WaterLiquidRatio(WLR):水相所占液相比(工况条件下)WLR&BS&W区别：WLR:工况，BS&W:标况8海默多相流计性能及结构

——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海默多相流计性能及结构

——海默MFM2000型

仪表测量范围含水率测量范围0-100%

含气率测量范围0-90%(可扩展到0-98%)

流量测量范围8:1(可扩展到30:1)典型的测量准确度准确度重复性毛液量±5-10%（相对误差）±5%

气量±10%（相对误差）±5%

含水率±2%（绝对误差）±1%置信度为90%12海默多相流计性能及结构

——海默MFM2000HG型（高含气型）

仪表测量范围含水率测量范围0-100%

含气率测量范围0-99%

流量测量范围15:1

典型的测量准确度准确度重复性毛液量±5-10%（相对误差）±5%

气量±10%（相对误差）±5%

含水率±2%（绝对误差）±1%置信度为90%14海默多相流计性能及结构

海默MFM2000LG型（低含气型）文丘里流量计双能伽马传感器压力变送器、温度变送器数据处理系统组成15海默多相流计性能及结构

——海默MFM2000LG型（低含气型）仪表测量范围

含水率测量范围0-100%

含气率测量范围0-15%

流量测量范围8:1典型的测量准确度

准确度重复性毛液量±5%（相对误差）±2.5%

气量±10%（相对误差）±5%

含水率±2%（绝对误差）±1%置信度为90%16文丘里流量计

——工作原理

文丘里流量计是一种差压式流量计。差压式流量计的基本原理是：在充满流体的圆管中设置文丘里或喷嘴之类的节流件，当流体流经节流件时，在其上、下游侧就会产生静压力差，该静压力差与流过的流量之间有一个固定的函数关系，只要测得静压力差就可以由流量公式求得流量。17文丘里流量计

——基本计算公式

差压式流量计的基本方程：Qv——体积流量；Qm——质量流量；C——流出系数（Dischargecoefficient）；E——渐进速度系数；d——节流元件内径（如喷嘴喉部）；ε——流束膨胀系数，对于液体ε=1；ρ1——节流件上游流体工作状态下的密度；ΔP—节流件前后的压差；β——节流件内径与测量管内径之比β=d/D；D——测量管内径。18文丘里流量计

——在多相流量计中的应用

1.ISO5167--1和GB2624标准是适用于单相流体的差压式流量计。差压式流量计用于两相流测量时，由于介质密度变化、气液滑差、非均相等因素，影响液体测量准确度，尤其是在高含气工况下尤为突出。2.数学模型修正：用于两相流测量的差压式流量计的修正公式有几个，如：Murdock公式，James公式，Smith--leung公式以及林氏公式（林宗虎公式）。以Murdock公式和林氏公式应用较好。海默多相流量计应用林氏公式以提高液体测量准确度。3.微分原理1).将三相流体微分，在瞬间状态下近似作为单相流体2).电子学系统高速采样3).适时计算20什么是伽玛传感器

利用伽玛射线与物质的相互作用，通过测量透射强度或散射强度来确定样品的厚度、密度和组份等物理量的装置透射式散射式21原子的结构

原子核：半径～10cm由质子和中子组成

-13Z个质子，每个质子的质量～1.008amu。带一个单位的正电荷

N个中子，每个中子的质量～1.009amu。不带电荷

电子轨道：半径～10

cm

-8Z个电子：每个电子的质量为中子的1/1840。带一个单位的负电荷

原子序数：Z

质量数：A=Z+Namu：原子质量单位，1amu=一个碳原子质量的1/12

23元素与同位素一个原子的物理和化学性质主要决定于它所含有的质子数，即原子序数Z。原子序数相同的原子构成一种元素。氢Z=1自然界最重的元素铀Z=92人工合成元素Z＞92超重元素Z＞100一种元素可以有质子数相同但中子数不同的若干种原子。它们被称为该元素的同位素，它们有相同的化学性质但不同的原子核性质。·

氘氕氚元素氢的三种同位素24α衰变和β衰变α衰变原子核在衰变过程中发射一个α粒子而蜕变为另一个原子核（子核）

，例：

α粒子由两个质子和两个中子组成。它在穿过介质时产生强烈的电离作用，同时迅速损失能量。它在空气中的射程约为几厘米，一张纸即可当住α粒子。

，

β衰变原子核在衰变过程中发射一个β粒子而蜕变为另一个原子核。，例：

β粒子是高能的电子。它在穿过介质时会产生电离、散射、激发和引起X射线的发射等。它在空气中的射程约为几米。，26原子核的能量状态

不同的原子核具有不同的能量，它取决于原子核的组成。一个确定的原子核也可以处在不同的能量状态，能量最低的称为基态，能量较高的称为激发态。，能量单位：1电子伏特(eV)=尔格，

1keV=1000eV，1MeV=1000keV1.17MeV1.34MeV0.31MeVα5.3MeVEZ衰变纲图27γ射线和X射线伽玛射线和X射线通称为电磁辐射，它们是一种高能的电磁波，没有静止质量、不带电荷，有很强的穿透能力。，

伽玛射线是原子核从较高激发态跳到较低激发态或基态时放出的能量形式，如在衰变纲图中表示的那样。，X射线是原子的电子壳层的能量状态发生变化时放出的能量形式。这种X射线称为特征X射线，具有分离的能量。一种具有连续能量的X射线称为韧致辐射。，特征射线X韧致辐射28放射源含有放射性同位素、以一定的化学形态存在的放射性物质即是放射源，它分为开放性的和密闭的两大类。同位素种类衰变类型、射线及其能量α

5.48MeVγ0.06MeV半衰期

433年强度居里（Ci）=衰变/秒贝克（Bq）=1衰变/秒

,毫居里（mCi）微居里（μCi）兆贝克（MBq）吉贝克（GBq）30伽玛射线与物质的相互作用

伽玛射线与物质的相互作用，是指它在穿过物质时与其中的电子或原子核发生的碰撞结果。有三种相互作用，这就是光电吸收、康普敦散射和电子对产生。，

光电吸收伽玛射线与原子的轨道电子发生碰撞，使电子离开轨道成为自由电子，伽玛射线损失全部能量而消失。入射光电子光电子的能量：光电吸收发生的几率因此，对能量较低的伽玛射线和在重物质中，光电吸收是伽马射线与物质相互作用的主要形式31

递给自由电子或原子的外层电子，本身被散射而改变运动方向。康普敦电子散射康普敦散射在康普敦散射中，伽玛射线把一部分能量传入射散射伽玛射线能量：伽玛射线散射角的范围0－180°对应的电子出射角的范围90°－0在伽玛射线能量为几百keV到几MeV的区间和在轻的物质中，康普敦散射是一种主要的相互作用。，32

伽玛射线在原子核附近消失，同时产生一个正/负电子对。这种过程只有在伽玛射线的能量大于1.02MeV（相应于两个电子的质量）时才能发生。，每个电子的动能：

电子对产生电子对产生的能量阈是1.02MeV，但只有当伽玛射线的能量在几MeV以上和在重物质中，电子对产生才有可观的发生几率。，33伽玛射线的吸收窄束伽玛射线吸收物质

X定义：在一束伽玛射线中的任何一个伽玛光子，只要经受一次相互作用（光电吸收、康普敦散射和电子对产生）就从射线束中消失。满足这一条件的测量安排称为窄束伽玛射线。

铅探测器

放射源在满足窄束伽玛的条件下，伽玛射线穿过物质时的强度衰减可用下式表示：

，N0—伽玛束的初始强度

N—伽玛束穿过厚度为X的物质后的强度μ—线性吸收系数

X—伽玛束穿过的物质的厚度34吸收系数

吸收系数μ表示物质对伽玛射线的吸收能力。μ越大，伽玛射线穿过介质时的强度衰减越大。，从窄束伽玛射线的定义中可知，伽玛射线穿过介质时的强度衰减是由于三种相互作用造成的，μ是这三种相作用的总和效应。·

吸收系数μ称为线性吸收系数，它的量纲为1/cm。μ值与伽玛射线的能量、介质的化学组成以及密度有关。在实际中，吸收系数μ可以通过测量按下式计算：35质量吸收系数当采用质量吸收系数时，伽玛射线强度的衰减公式变为：，这时，吸收体的厚度用表示，称为质量厚度，量纲为。，

一种化合物或混合物的质量吸收系数可用下式计算：，

线性吸收系数μ与密度之比μ/ρ称为质量吸收系数，它的量纲为。质量吸收系数与介质的密度无关。

—第

i种成分的质量份额—第

i种成分的质量份额36伽玛射线的探测NaI(Tl)闪烁探测器的工作原理射线探测系统的一般组成37NaI(Tl)探测器的输出信号

NaI(Tl)

探测器的输出信号是电脉冲。这一脉冲信号包含两个信息：伽玛射线的能量和强度。，

由于探测过程的原因，对单一能量的伽玛光子得到的脉冲幅度并不完全一样，而是有一个分布，称为能谱。，1.脉冲的幅度正比于伽玛射线的能量2.脉冲个数正比于入射到探测器上的伽玛光子数用NaI(Tl)探测器测到的伽玛射线的能谱计数幅度（能量）峰在横坐标上的位置，对应59.5keV光电峰逃逸峰38

伽玛传感器的结构伽玛传感器分为单能伽玛传感器和双能伽玛传感器两种，它们在结构上大致相同差别在放射源。，测量管段探测器防爆筒多相流密封垫密封垫源仓护罩γ束源源Ag片源Al板60keVX60keV22.5keV39

三相介质的基本吸收公式探测器源定义：含气率含水率根据伽玛射线指数衰减规律：利用上述定义和导出量：变形后可得：导出量：（GVF）（WC）40单能伽玛传感器单能伽玛传感器在多相流量计中，主要解决总的三相流中含气率GVF的测量。，和分别是水和油的吸收系数线性吸收系数在较低的工作压力下，气对伽玛射线的吸收可以忽略。设并利用液相厚度的关系，可得：有了液相厚度即可求出含气率：。，

通常，在单能伽玛传感器中使用源。在这种情况下，必须知道三相介质的含水率才能计算含气率。如果多相流中不含气，则液相厚度即是传感器的通径。这时单能传感器可测量油水混合介质的含水率。41双能伽玛传感器双能伽玛传感器是利用具有两组不同能量的伽玛束，相当于两个单能传感器。这样可以列出两个方程，求解两个未知数：含气率λ和含水率η。，每道计数低能计数窗高能计数窗低能峰高能峰在双能伽玛传感器中，需要同时测量高能伽玛（60keV）和低能伽玛（22.5keV）的透射强度。由于NaI（Tl）探测器的输出脉冲的幅度正比于伽玛射线的能量。所以，我们可以根据脉冲幅度对高、低能伽玛射线分别进行计数。在数据采集系统中有一块双能伽玛板，通过对脉冲按幅度进行分类来完成对高低能伽玛的计数。高低能计数分布图42双能伽玛传感器对双能伽玛传感器我们仍假设气的吸收可以忽略即，和并对高能和低能分别列出方程：，两式相除得到：，

式中高能低能最后得到含水率的计算公式为：，

1.在海默多向流量计中，含水率的测量采用取样的方法；

，2.当含气率比较高时，双能传感器测量含水率的误差较大；，

3.双能传感器在海默多向流量计中用来测量含水率。

，

43伽玛传感器的标定伽玛传感器必须经过标定才能使用。标定的目的是确定探测器的输出的计数与被测量之间的定量关系，或者说是确定含气率和含水率计算公式中的常数。，

在伽玛传感器的含气率和含水率计算公式中的常数分为仪表常数和介质常数。，

，

仪表常数：、

D介质常数：伽玛传感器标定的基本操作步骤：②测量