油田蒸汽流量计的计算方法及改进型锥形孔板流量计应用研究

 摘要：国内外稠油油田开发主要采用蒸汽吞吐或蒸汽驱进行，因此需要准确的了解所注入井底蒸汽的相关情况，特别是流量计量和干度计量，而多年来依靠现场人工计算蒸汽注入量一直未能获得可靠准确的数据，从而造成注入蒸汽效率低、开采成本高等问题。本文通过对某油田特超稠油小井距、小井眼蒸汽计量系统的研究试验，寻找出一种适合稠油开采现状的蒸汽流量计计量产品来实现蒸汽注入量的计量。

1、湿蒸汽计量常用方法

湿蒸汽计量是一个世界性难题，经过多年发展国内外已相继推出了多种蒸汽计量方法以及设备。

1.1、孔板噪音法

该方法是依据两相流流经节流装置时在孔板两侧产生差压脉动，国内外研究已证明差压方根噪音的方差与分散相流量存在正比例关系，且噪声与流体的流量和干度（质量含汽率）密切相关。标准孔板公式为：

孔与管道内径比 ；ε ： 热膨胀系数 ；d ：孔板开孔；ρ ：被测介质密度；DP：孔板前后差压。两相流模型：

式中：G液 为液相流量；G气为气相流量；R 为差压波动程度；K 为修正经验系数。

1.2、组合差压流量计法

此方法通过两个差压流量计所测量到的数据，根据差压流量计的特性曲线，计算出交点以确定注汽管线内蒸汽的流量、干度等参数；一次元件传感器用来采集流道中的差压信号，差压变送器把传感器的差压信号转变为标准信号，再输送给智能流量积算控制仪进行分析计算出相应流量、干度数据（图1）。

图1 组合差压流量计法测量原理图

1.3、弯管流量计法

该方法是应用惯性原理，即当流体流过直弯管时作类似圆周运动，使管内外两侧产生差压。该差压值的大小与弯管的弯径比、流体流速、流体密度、弯管管径等相关。从而利用差压变送器测量出这个差压值，然后通过必要的转换、运算获得流体的真实流量值。

1.4、分流分相法

主管道蒸汽经过分配器，将主管道的蒸汽按比例提取出一定比例的蒸汽，然后经过分离器进行分离，分离出的蒸汽经过汽相流量计进行计量，同时分离出的液体经过液相流量计进行计量，最终将汽体与液体进行混合流入总管道。

1.5、涡街流量计法

该方法是依据振荡原理测量流量，当所测流体流经涡街流量变送器时产生旋涡，旋涡的释放频率与流体平均速度及宽度相关，从而通过频率就可计算平均速度v。

1.6、全分离法

此方法将注汽管线内全部蒸汽通过分离器分离，分离出的蒸汽和水分别计量，然后计算出注汽管线内蒸汽的流量、干度等参数。

2、改进型锥形孔板流量计应用研究

由于稠油注采蒸汽温度在280 ℃以上且存在杂质，因此在用常规孔板流量计测量时很容易降低孔板强度造成开孔磨损或打坏，还容易在孔板前端形成堆积物影响测量。基于上述原因，经过长期研究及试验，设计出了锥形孔板流量计，具备耐磨、自清洁等特点，从而使孔板噪声法在蒸汽干度、含液煤层气、含脏物凝析天然气等介质测量中应用。该流量计采用一个孔板同时测量流量和干度，从孔板测量信号中同时提取两个物理量，即是均压差值和差压信号的均方根值（即噪声信号）两者都是流量和干度的函数（图2）。

图2 孔板改进前后对比

来自压力变送器和差压（流量）变送器的4~20 mA直流信号经I/V 转换变成1~5 V 直流电压信号，再经A/D 变换成数字量；机内设有实时钟表，定时采样得到的信号经过数字滤波和统计估计获得计量参数的值，按照实用数学模型便可得蒸汽流量及干度（图3）。

加密转蒸汽驱开发的4 口加密小井眼井和5 口老井改注汽井井口前安装9 台蒸汽计量装置，对注入蒸汽的流量和干度进行24 h 监测。通过调节锅炉流量、干度及通过调节井口迷宫阀来调节单井流量，以上四种方法实现对所选蒸汽计量设备的流量精度检验（图4）。

图3 流量计算机原理示意图

图4 试验井位及安装图