多相流綜合試驗裝置研究與探討

PAGEPAGE7摘要為了開展油氣水多相混輸工藝參數(shù)測試和多相流測量儀表試驗研究，大慶油田建設(shè)設(shè)計研究院在其油氣集輸試驗站內(nèi)設(shè)計研制出油氣水多相流量計現(xiàn)場實液測試校驗裝置，該裝置是目前國內(nèi)規(guī)模最大、設(shè)備最先進(jìn)、功能最全的油氣水多相流綜合試驗裝置。該裝置即可采用現(xiàn)場實液（原油、產(chǎn)出水、天然氣）又可采用模擬液（柴油、清水和天然氣）試驗介質(zhì)，在該裝置上可進(jìn)行0～45度起伏、水平流型、持液率和多相流測量儀表等試驗研究。到目前為止，利用該裝置已對持液率、起伏和水平透明流動狀態(tài)以及6臺多相流測量儀表進(jìn)行了大量試驗，獲得了大量寶貴數(shù)據(jù)，滿足了生產(chǎn)需要。本文將對該裝置的主要技術(shù)指標(biāo)、功能、流程、儀表配置、關(guān)鍵技術(shù)、起伏透明管段、持液率試驗管段及各種試驗結(jié)果進(jìn)行介紹。關(guān)鍵詞多相流裝置起伏透明管水平透明管流型持液率快關(guān)閥法多相流測量儀表試驗結(jié)果1概述在北海油田開發(fā)中，油氣水多相混輸工藝參數(shù)測試計算和多相流計量標(biāo)定技術(shù)越來越引起人們的重視，這些技術(shù)對于簡化混輸工藝流程、降低油田開發(fā)投資具有重要意義。近年來，英國、法國、挪威、美國、荷蘭等國家的一些大石油公司、研究院所和大學(xué)都投入了大量的人力和物力，從理論上對多相流水平、垂直、起伏流動狀態(tài)（流型）、持液率、壓降、溫降以及多相流量計量、標(biāo)定等進(jìn)行了深入研究，相繼建成了各種功能和規(guī)模的多相流試驗裝置設(shè)備，并將理論研究結(jié)果在多相流試驗裝置上進(jìn)行了試驗、驗證和修正。目前，在多相混輸工藝參數(shù)計算預(yù)測方面的主要有美國Pipephase、挪威OLGA等軟件。在多相流計量儀表方面的主要有挪威的MFI多相流量計、美國Agar公司的多相流量計、蘭州海默公司的多相流量計。在多相流試驗裝置方面的主要有英國國家工程試驗室的多相流量計標(biāo)定裝置、挪威SINTEF多相管流試驗裝置、挪威IFE多相流起伏透明試驗裝置、美國CONOCO公司的多相流現(xiàn)場實液測試裝置。由于采用實液介質(zhì)和模擬介質(zhì)的多相流試驗裝置各有利弊。在這些多相流試驗裝置中，多數(shù)采用柴油/煤油成品油、空氣/氮氣、清水/鹽水等模擬液介質(zhì)，很少采用原油、天然氣、產(chǎn)出水實液介質(zhì)，這主要是由于建造多相流實液介質(zhì)試驗裝置安全條件要求高、費用多等條件的限制。由于采用實液介質(zhì)的多相流裝置對多相流量計的測試結(jié)果更接近實際，測量誤差較小；但是，當(dāng)需要通過透明管段對多相流流動狀態(tài)進(jìn)行觀測試驗，采用原油介質(zhì)時，由于原油的粘度較大，原油將粘在透明管壁上一層，無法看清管內(nèi)流動狀態(tài)；所以通常采用模擬介質(zhì)，由于柴油/煤油的粘度小，在透明管內(nèi)流動時不會粘在透明管壁上，這樣就能看清透明管段內(nèi)的介質(zhì)流動狀態(tài)。近幾年來，隨著我國沙漠油田和海洋油田的開發(fā)，為了開展油氣水多相混輸工藝參數(shù)測試和多相流測量儀表試驗研究，95年中國石油天然氣集團(tuán)公司投資，由大慶油田建設(shè)設(shè)計研究院在其油氣集輸試驗站內(nèi)設(shè)計研制出油氣水多相流量計現(xiàn)場實液測試校驗裝置，并于97年通過了中國石油天然氣集團(tuán)公司技術(shù)鑒定，該裝置只能在原油、產(chǎn)出水和天然氣實液介質(zhì)下對多相流量計進(jìn)行測試和校驗，不能進(jìn)行流型等方面的試驗研究。通過三年的改造，2000年大慶油田建設(shè)設(shè)計研究院已在多相流試驗室內(nèi)建成了一套新的油氣水多相流綜合試驗裝置，該裝置的主要儀表設(shè)備采用進(jìn)口設(shè)備，管線采用不銹鋼材料，這套裝置具有規(guī)模大、功能全、設(shè)備先進(jìn)、測量范圍寬、準(zhǔn)確度高等特點，是目前中國規(guī)模最大、設(shè)備最先進(jìn)、功能最全的油氣水多相流綜合試驗裝置。該裝置具有2套油氣水處理系統(tǒng)，即可在原油、產(chǎn)出水、伴生氣現(xiàn)場實際介質(zhì)條件下，又可在柴油、清水和天然氣模擬介質(zhì)條件下，分別進(jìn)行起伏、水平流動狀態(tài)和持液率試驗，以及多相流測量儀表的測試標(biāo)定等試驗。該油氣集輸試驗站設(shè)在大慶薩南油田，與南2-9轉(zhuǎn)油站并聯(lián)設(shè)置。該試驗室總建筑面積為525m2，其中試驗間450m2(30m15m、高8m）、控制室75m2。多相流水平試驗段長19.35m，垂直試驗段長8.6m(其中地下2.6m），起伏試驗段長22m、高4.5m。2裝置主要技術(shù)指標(biāo)（1）多相流試驗管徑：1>“M型”0～45度起伏可調(diào)透明試驗管徑：DN50；2>水平流型透明試驗管徑：DN50、DN80、DN100；3>水平持液率試驗管徑：DN50、DN80、DN100；4>水平和垂直多相流測量儀表試驗管徑：DN50、DN80、DN100；（2）介質(zhì)實液介質(zhì)系統(tǒng)：原油50m3/h、產(chǎn)出水50m3/h、天然氣流量1170m3/h(標(biāo)準(zhǔn))；模擬液介質(zhì)系統(tǒng)：柴油15m3/h、清水15m3/h、天然氣流量1170m3/h(標(biāo)準(zhǔn))；（3）裝置的流量測量準(zhǔn)確度等級：油系統(tǒng)：1.0級、水系統(tǒng)：1.0級、氣系統(tǒng)：1.5級；（4）含水率調(diào)節(jié)范圍：0～100%；（5）含氣率調(diào)節(jié)范圍：0～100%；（6）系統(tǒng)工作壓力：1>實液介質(zhì)系統(tǒng)：2.5MPa；2>模擬液介質(zhì)系統(tǒng)：1.0MPa；（7）試驗介質(zhì)工作溫度：1>實液介質(zhì)系統(tǒng)：60℃可調(diào)；2>模擬液介質(zhì)系統(tǒng)：常溫。3裝置主要功能（1）起伏透明流型試驗；（2）水平透明流型試驗；（3）持液率試驗；（4）多相流測量儀表試驗；（5）油、氣、水單相流量計性能試驗；（6）油流量計含水率或含氣率變化試驗；（7）油、水流量計低于60℃變溫、變粘試驗。4裝置工藝系統(tǒng)基本組成部分該裝置主要分為實液介質(zhì)系統(tǒng)和模擬液介質(zhì)系統(tǒng)兩部分：（1）實液介質(zhì)系統(tǒng)部分該裝置的實液介質(zhì)系統(tǒng)主要由原油/產(chǎn)出水/天然氣三相分離處理系統(tǒng)、油水介質(zhì)輸送調(diào)配系統(tǒng)、天然氣增壓和穩(wěn)壓輸送系統(tǒng)、單相流量計量系統(tǒng)、介質(zhì)混合穩(wěn)流系統(tǒng)、多相流試驗段、用后介質(zhì)外輸系統(tǒng)等七部分組成，見圖1。（2）模擬液介質(zhì)系統(tǒng)部分該裝置的模擬液介質(zhì)系統(tǒng)主要由柴油/清水/天然氣三相分離處理系統(tǒng)、油水介質(zhì)輸送調(diào)配系統(tǒng)、天然氣增壓和穩(wěn)壓輸送系統(tǒng)、單相流量計量系統(tǒng)、介質(zhì)混合穩(wěn)流部分、多相流試驗段等七部分組成，見圖1。5裝置工藝流程實液介質(zhì)工藝流程該裝置的實液介質(zhì)工藝流程如圖2所示，首先將來自于多井計量間的原油/產(chǎn)出水/天然氣混合物進(jìn)圖1多相流綜合試驗裝置工藝系統(tǒng)基本組成圖行三相分離，分出的低含水油進(jìn)入低含水油緩沖罐，將低含水油泵入電脫水器進(jìn)行脫水處理，獲得凈化原油，將凈化油從凈化油儲存罐中抽出并輸至油流量計進(jìn)行流量計量；從三相分離器分出的含油污水先進(jìn)入含油污水緩沖罐，由泵將其抽出并輸至水流量計進(jìn)行流量計量；并將油、水注入油水兩相混合器，混合成油水混合物，再進(jìn)入氣液混合器；從三相分離器分出的天然氣先進(jìn)入天然氣壓縮機(jī)入口緩沖罐，經(jīng)天然氣壓縮機(jī)增壓后，進(jìn)入天然氣穩(wěn)定罐并輸至氣流量計進(jìn)行流量計量；再將天然氣注入氣液混合器并與油水混合物混合，獲得油氣水三相混合物；該混合物進(jìn)入一個流型發(fā)展水平直管段，獲得充分發(fā)展的流型之后，進(jìn)入持液率試驗段、透明管段和被測的多相流測量儀表試驗段；從多相流測量儀表排出的油氣水混合物先進(jìn)入段塞流捕集器，然后進(jìn)入用后介質(zhì)分離緩沖罐，由該罐分出的天然氣和含水原油分別外輸至轉(zhuǎn)油站。在裝置的運行過程中，油氣水介質(zhì)均一次性通過多相流試驗單元，其介質(zhì)條件和工藝過程與油田生產(chǎn)實際相接近。圖1多相流綜合試驗裝置工藝系統(tǒng)基本組成圖（2）模擬液介質(zhì)工藝流程該裝置的模擬液介質(zhì)工藝流程如圖2所示，首先將柴油/清水/天然氣混合物分離成油、水和氣單相介質(zhì)。再分別給這些介質(zhì)增壓，進(jìn)行油、氣、水單相標(biāo)準(zhǔn)流量、含水率、含氣率調(diào)節(jié)和計量，然后再通過混合器將它們混合成油氣水三相混合物，經(jīng)流型發(fā)展穩(wěn)定段后，分別進(jìn)入起伏透明段、水平透明流型觀測段、持液率試驗段和多相流測量儀表試驗段，從多相流測量儀表排出的油氣水混合物進(jìn)入三相分離器進(jìn)行三相分離。由分離器分出的天然氣返回站內(nèi)天然氣管線，柴油和清水經(jīng)分離器分離后循環(huán)使用。圖2圖2油氣水多相流綜合試驗裝置工藝流程簡圖6計量儀表的配置根據(jù)被測多相流量計油、氣、水流量計量準(zhǔn)確度的檢定要求，該裝置的油、水流量計量系統(tǒng)準(zhǔn)確度等級應(yīng)小于1.5級，氣流量計量系統(tǒng)準(zhǔn)確度等級應(yīng)小于2.0級。為此，采用了性能穩(wěn)定、計量準(zhǔn)確度高的計量測試儀表，其中油、氣、水標(biāo)準(zhǔn)流量計的準(zhǔn)確度等級為：0.5級。在該系統(tǒng)中，油、水流量計量采用2臺流量計并聯(lián)使用，天然氣流量計量采用4臺流量計并聯(lián)使用的方法，并在油路中安裝了一臺油中含水分析儀測量油中含水率。另外，在油、氣、水管路、油水二相管路、油氣水三相管路以及流型試驗段、被檢多相流測量儀表入口和出口處分別安裝了溫度變送器和壓力變送器，用于測量管路各處介質(zhì)的溫度和壓力。7關(guān)鍵技術(shù)措施（1）在氣液混合器之后，設(shè)置了一段較長的流型發(fā)展水平直管段（124D～248D），以使油氣水三相混合物在進(jìn)入多相流試驗段之前得到一個充分發(fā)展的流型，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。（2）在被檢多相流量計之后設(shè)置一個段塞流捕集器，主要用來消除由段塞流沖擊造成系統(tǒng)背壓波動而導(dǎo)致單相流量計計量部分的流量波動。（3）由于氣體的可壓縮性，通常氣相介質(zhì)比油、水相介質(zhì)的流動穩(wěn)定性差，造成氣流量計量不準(zhǔn)確。因此，在天然氣壓縮機(jī)出口設(shè)置了一級和二級氣穩(wěn)壓罐，進(jìn)行除液、捕霧和緩沖穩(wěn)壓的措施，提高氣體流量穩(wěn)定性。（4）對于油相介質(zhì)，主要采取加破乳劑、加熱升溫和電脫水的措施來降低油中含水率，提高其純凈度。（5）對于水相介質(zhì)，主要采取加破乳劑和增加沉降時間的方法來降低含油污水中的含油率，提高其純凈度。8數(shù)據(jù)采集處理及自控系統(tǒng)該系統(tǒng)以一套DCS集散控制系統(tǒng)為核心，可對油、氣、水流量、壓力、溫度和含水率共40多路測試數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、計算、儲存、顯示監(jiān)測和打印輸出；同時可對電動開關(guān)閥、調(diào)節(jié)閥、快關(guān)閥進(jìn)行操作控制。該系統(tǒng)具有豐富的人機(jī)對話操作界面，可在工藝系統(tǒng)流程圖上實時顯示和監(jiān)測各點的油、氣、水流量、溫度、壓力和含水值以及電動開關(guān)閥、電動調(diào)節(jié)閥和快關(guān)閥的開關(guān)情況。9起伏透明試驗管段為了對起伏管線內(nèi)的流動狀態(tài)進(jìn)行試驗，以便模擬、觀測和攝錄起伏管內(nèi)介質(zhì)的流動狀態(tài)或流型，所設(shè)置的起伏段為：DN50管徑、總長22m、高4m、M形狀、0～45度可調(diào)全透明管段，如圖3所示。該起伏試驗段是由4根各長4.5m的透明有機(jī)玻璃段及可調(diào)管架組成了“M形狀”起伏可調(diào)試驗段，4根有機(jī)玻璃段分別被固定在可調(diào)管架上，在有機(jī)玻璃管段之間用短軟管連接，用手動葫蘆調(diào)節(jié)角度，角度調(diào)節(jié)范圍為0～45度。另外，在起伏段入口設(shè)置了一段5m長的水平流型發(fā)展直管段，以便得到一個充分發(fā)展穩(wěn)定的流型。持液率試驗段圖3M型起伏可調(diào)全透明試驗管段簡圖采用快關(guān)閥測量持液率方法，在試驗段共設(shè)置DN50、DN80、DN100三條水平多相流快關(guān)閥持液率試驗管段，如圖4所示。該快關(guān)閥持液率試驗段是由2臺快關(guān)球閥中間加入一個管段(該管段內(nèi)容積為V圖3M型起伏可調(diào)全透明試驗管段簡圖為了提高測量的可靠性，采用了結(jié)構(gòu)新穎、關(guān)閉速度快的快關(guān)球閥及快關(guān)閥電控液動控制系統(tǒng)，其中快關(guān)閥的主要技術(shù)指標(biāo)見表1。圖4持液率試驗段簡圖表1快關(guān)球閥主要技術(shù)指標(biāo)表圖4持液率試驗段簡圖名稱數(shù)量開關(guān)速度(ms)閥心結(jié)構(gòu)控制類型液壓源(MPa)DN50DN80DN100DN50DN80DN100快關(guān)閥2239898380球體電控液動8.511多相混輸工藝流動參數(shù)試驗情況（1）起伏流動試驗將“M型”起伏透明試驗段調(diào)節(jié)成45度時進(jìn)行了試驗。試驗時，先將水、油調(diào)節(jié)到某一固定流量值上；然后再通天然氣，將天然氣調(diào)節(jié)到某一固定流量值上，等待管內(nèi)流型穩(wěn)定10～30min后；用肉眼觀測透明管內(nèi)的各種流型，同時用攝像機(jī)攝錄流型，試驗結(jié)果見表2。從表2中看出，通過分別調(diào)節(jié)油、氣、水的流量，可在DN50起伏管段內(nèi)進(jìn)行各種流型試驗；發(fā)現(xiàn)上升段和下降段的流動狀態(tài)不一定相同，在上升段可產(chǎn)生層狀流、氣泡流、氣團(tuán)流、段塞流、環(huán)狀流、霧狀流；當(dāng)氣流量比較小時，上升段和下降段的流動狀態(tài)不相同，隨著氣流量的增加，上升段和下降段的流動狀態(tài)逐漸相同。 表2DN50M型起伏可調(diào)透明試驗段在45度時的流型試驗結(jié)果序號油流量水流量液流量天然氣流量起伏管上升段出現(xiàn)流型起伏管下降段出現(xiàn)流型(m3/h)(m3/h)(m3/h)(m/s)(m3/h)(m/s)11.720.221.940.2700層狀流混合流21.810.262.070.291.280.18氣泡流混合流32.030.592.620.372.550.36氣團(tuán)流混合流43.4503.450.496.470.92段塞流層狀流54.522.737.251.0375.3210.66段塞流段塞流611.67011.671.65175.0024.76環(huán)狀流環(huán)狀流78.8908.891.26245.0034.66環(huán)狀流環(huán)狀流82.211.133.340.47396.6356.12霧狀流霧狀流（2）水平流型試驗在DN50水平透明試驗管段內(nèi)，對各種流型進(jìn)行了模擬、觀測試驗。試驗時，待流量調(diào)節(jié)穩(wěn)定后；用肉眼觀測透明管內(nèi)的流型，同時用攝像機(jī)攝錄流型；并將觀測和攝錄到的流型與曼得漢流型圖預(yù)測出的流型相對比，其流型試驗結(jié)果見表3。從表3中看出：1>通過分別調(diào)節(jié)油、氣、水的流量，可在DN50水平透明試驗管段內(nèi)進(jìn)行各種流型模擬、觀測試驗，主要有層2>在透明管內(nèi)觀測到的流型與曼德漢流型圖中預(yù)測的流型相吻合，該環(huán)道能滿足各種流型的模擬、觀測試驗的要求。表3DN50水平透明試驗管段內(nèi)的流型試驗結(jié)果表序號油流量(m3/h)水流量(m3/h）液流量(m3/h)天然氣流量水平透明管內(nèi)流型攝像機(jī)攝錄流型流型圖預(yù)測流型12.00.22.20.300層狀流層狀流層狀流20.70.41.10.221.73.1層狀流層狀流層狀流35.44.710.11.45.10.7氣團(tuán)流氣團(tuán)流氣團(tuán)流43.703.70.59.61.4段塞流段塞流段塞流511.4011.41.6190.426.7環(huán)流流環(huán)流流環(huán)狀流63.30.84.10.6331.446.7環(huán)狀流環(huán)狀流環(huán)狀流73.21.34.50.6493.169.7霧狀流霧狀流霧狀流（3）持液率試驗持液率試驗方法：關(guān)閉旁通管線上的快關(guān)閥，打開試驗管線上的2臺快關(guān)閥，分別將油、氣、水流量調(diào)節(jié)到某一固定值上，穩(wěn)定10min左右；由微機(jī)控制同時打開旁通管線上的快關(guān)閥和同時關(guān)閉試驗管線上的2臺快關(guān)閥；然后，打開放空閥，將液體排入一個標(biāo)準(zhǔn)的玻璃計量容器內(nèi)，待氣體從液體中排出后，讀出液體的體積為VLi，反復(fù)進(jìn)行5次以上的試驗，計算該流量點的平均持液率；重復(fù)上述步驟，再做下一個流量點的測試。其中DN50管線的持液率試驗結(jié)果見表4，平均持液率計算公式如下：持液率測試值Lvi＝VLi/VQL×100％式中，Lvi—第i次持液率測試值，％；VLi—第i次液體的體積測試值，m3；VQL—持液率試驗管段的內(nèi)容積，m3，其中DN50管段的內(nèi)容積VQL值為4.97m3×10-3。2）平均液體體積測試值＝式中,n—測量次數(shù)。3）平均持液率測試值＝試驗表明：由于多相流動的復(fù)雜性和隨機(jī)性，采用快關(guān)閥法測量持液率，每次重復(fù)試驗時測量值不完全一致，如果進(jìn)行5次或5次以上的重復(fù)試驗，取平均值即可得到一個比較好的測量值。表4DN50管線的持液率試驗結(jié)果表序號平均液流量（m3/h）平均氣流量（Nm3/h）平均液體體積（m3×10-3）平均持液率%111.250.004.9098.59210.997.354.2685.71310.7319.513.3467.20410.5345.132.1342.86510.41121.761.4128.37610.18389.850.479.4612多相流測量儀表的試驗情況目前為止，已利用