海默多相流量计原理分析

1,海默多相流量计原理,2,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。,3,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;,4,多相流测量技术回顾多相流量计,1.不用相分离，工艺简洁，结构紧凑，占空间小；2.测量为实时、连续测量，基本上可无人值守，不用人员干预；3.仪表具有良好的可靠性；4.适用的准确度和重复性；5.一次投资和维护费用低，在采油生产中，尤其在海洋石油和油井测试中具有很大的潜在效益。,5,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。,6,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（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。,7,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,8,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,9,海默多相流计性能及结构海默MFM2000型,GROSSMULTIPHASEFLOW,10,海默多相流计性能及结构海默MFM2000型,WLR,r=(1-ag)ro+WLR(rw-ro)+ag.rg,FlowConditioner,DUAL,DP,TT,Inlet,Outlet,PT,DP,Qmasstotal,Qoil=(1-GVF).(1-WLR).QtotalQwater=(1-GVF).WLR.QtotalQgas=GVF.Qtotal,ag,RA,11,GROSSFLOW,Vent&GasSamplingpoint,CalibrationPort(Graylock),11/2Valve,MAINLYLIQUID,GVF10%,Dual-GammaRaySensor,GAS,12,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%,13,海默多相流计性能及结构海默MFM2000HG型（高含气型）,气液两相旋流分离器涡街流量计气路控制阀文丘里流量计流型调整器单能伽马传感器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,14,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%,15,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,16,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%,17,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。,18,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）；流束膨胀系数，对于液体=1；1节流件上游流体工作状态下的密度；P节流件前后的压差；节流件内径与测量管内径之比=d/D；D测量管内径。,19,文丘里流量计差压式流量计的组成,1.节流装置：即差压流量计的流量传感器；2.取压系统：由取压口、引压管、隔离罐和五阀组构成；3.压差测量装备：差压计或差压变送器；4.辅助仪表：压力、温度变送器、二次积算仪表等。1.节流件（文丘里管、文丘里喷嘴）2.上、下游引压管3.隔离罐4.截止阀5.五阀组6.差压变送器,20,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,21,什么是伽玛传感器,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,22,伽玛传感器的基本原理,Nx=f（N0，X，组份）,组份=F（Nx，N0，X，）,Nx传感器的输出,N0，X，常数,23,原子的结构,原子核：半径10cm由质子和中子组成,-13,Z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10cm,-8,Z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+N,amu：原子质量单位，1amu=一个碳原子质量的1/12,24,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Z92超重元素Z100,一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,25,放射性同位素和衰变,一个原子核的中子数和质子数之比N/Z称为中质比。只有中质比在一定范围内的原子核才是稳定的。，,在轻元素区：N/Z1的原子核比较稳定到重元素铀N/Z1.5的原子核才是稳定的,当中子数和质子数之比N/Z偏离稳定值时，原子核变得不稳定，它们存在一定的时间后会自发地变成另一种稳定或比较稳定的原子核，同时发射射线以释放多余的能量。，,不稳定的原子核称为放射性同位素。它们自发地蜕变为另一种原子核，同时放出射线的过程称为放射性衰变。，,根据放射性衰变过程种放出射线种类的不同，放射性衰变可以分为不同的类型。最常见和最基本的衰变类型是衰变和衰变。，,26,衰变和衰变,衰变,原子核在衰变过程中发射一个粒子而蜕变为另一个原子核（子核），,例：,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，一张纸即可当住粒子。，,衰变,原子核在衰变过程中发射一个粒子而蜕变为另一个原子核。，,例：,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。，,27,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=1000keV,1.17MeV,1.34MeV,0.31MeV,5.3MeV,E,Z,衰变纲图,28,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,29,放射性衰变规律,一个不稳定的原子核从它产生开始到衰变这段时间的平均值称为平均寿命。它只决定于这种原子核的不稳定的程度而和其他因素无关。，,当大量的不稳定原子核集中在一起时（放射源），每个原子核的平均寿命相同，但一个原子核的衰变和其它原子核的存在或衰变无关。这种情况称为统计无关，原子核总数随时间的减少可用指数规律来述描：，,0时刻的原子核数，t经过的时间,Nt时刻的原子核数，衰变常数,放射源在单位时间内衰变的原子核数称为源的活度（强度）。一个含有N个原子核的放射源它的活度为：，,30,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5.48MeV0.06MeV,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（Ci）兆贝克（MBq）吉贝克（GBq）,31,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,32,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0180,对应的电子出射角的范围900,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。，,33,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。，,34,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,线性吸收系数X伽玛束穿过的物质的厚度,35,吸收系数,吸收系数表示物质对伽玛射线的吸收能力。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，是这三种相作用的总和效应。,吸收系数称为线性吸收系数，它的量纲为1/cm。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，吸收系数可以通过测量按下式计算：,36,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：，,线性吸收系数与密度之比/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,37,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,38,NaI(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,39,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,束,源,源,Ag片,源,Al板,60keV,X,60keV,22.5keV,40,三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）,41,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。,42,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：含气率和含水率。，,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