基于X射線的三相流量計(jì)裝置研究

陳欣南，湯秀章，范澄軍，陳雁南，楊琦，高春宇

（中國(guó)原子能科學(xué)研究院，北京 102413）

三相流計(jì)量技術(shù)是指對(duì)油井產(chǎn)出的油、氣、水混合物的產(chǎn)氣量、產(chǎn)液量及含水率進(jìn)行計(jì)量的技術(shù)。三相流計(jì)量不僅是原油產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)的依據(jù)，也是油田重要的地質(zhì)數(shù)據(jù)。常見的三相流量計(jì)裝置分為全分離、部分分離和無分離三種結(jié)構(gòu)。分離式三相流測(cè)試的原理可知，其技術(shù)的關(guān)鍵有2點(diǎn)：（1）對(duì)三相中液相總流量和氣相總流量的計(jì)量；（2）進(jìn)行液相組分測(cè)量，即分相含率測(cè)量。液相氣相的流量可以通過相關(guān)法、混合測(cè)量法、核磁共振等方法測(cè)量。測(cè)量分相含率的辦法主要有幾種：微波衰減測(cè)量法、γ射線吸收測(cè)量法、電介質(zhì)特性測(cè)量法、短波持水率計(jì)等方法。從測(cè)量精度來看，γ射線吸收測(cè)量法精度最高，基于該方法的挪威FRAMO公司的MPFM型三相流量計(jì)、挪威ROXAR公司的MFI三相流量都已經(jīng)是市場(chǎng)主流產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)的蘭州海默和蘭州科慶等公司也有相關(guān)比較成熟的產(chǎn)品。但是，由于2000年后國(guó)內(nèi)環(huán)保局加強(qiáng)放射源管理，該方法在國(guó)內(nèi)已很少采用。從國(guó)內(nèi)市場(chǎng)應(yīng)用情況來看，微波法、電解質(zhì)法都有很快的發(fā)展，但是兩種方法都有各自的局限。

由于國(guó)內(nèi)對(duì)放射源的管控使得γ射線吸收法這項(xiàng)很好的技術(shù)沒有得到應(yīng)用，而X射線作為γ射線的替代輻射源在很多工業(yè)測(cè)量中已經(jīng)有應(yīng)用。隨著近年來高精度高壓電源的進(jìn)步，使得X射線技術(shù)從穿透能力、穩(wěn)定性都能與γ射線媲美。而X射線又具有通電就有，斷電就無的便于安全管理的優(yōu)點(diǎn)，不存在丟失的隱患。所以基于X射線法的三相流量計(jì)技術(shù)研究能夠?qū)θ嗔髁坑?jì)帶來新的技術(shù)突破，對(duì)國(guó)內(nèi)三相流量計(jì)的測(cè)量水平的提升有質(zhì)的飛越。

1 X射線三相流量計(jì)裝置的總體架構(gòu)

本裝置的設(shè)計(jì)是采用氣液分離結(jié)構(gòu)，即對(duì)氣液兩相進(jìn)行初步的分離，然后再利用X射線含水率測(cè)量部分測(cè)量液相中的油水比率，通過超聲波氣體流量計(jì)測(cè)量氣相流量，通過科里奧利流量計(jì)測(cè)量液相流量。為了檢驗(yàn)流量計(jì)的計(jì)量精度，建立了一套標(biāo)定裝置，見圖1左側(cè)，該裝置能按照一定的流速和比例輸出氣、水、油三相。圖1右側(cè)為三相流量計(jì)裝置，該裝置由氣液分離罐、含水率測(cè)量部分、液體流量計(jì)、氣體流量計(jì)、泵、輸液管道、輸氣管道、連接法蘭等幾部分組成。

圖1 總體設(shè)計(jì)圖

從標(biāo)定裝置產(chǎn)生出來的氣液混合體流入氣液分離罐后，氣體經(jīng)網(wǎng)除水后向上方排氣管道排出，通過氣體流量計(jì)計(jì)量氣的含量，液體經(jīng)下方管道流出，在分離罐下方泵的壓力下輸入管道，油水混合物經(jīng)垂直向上的管道流經(jīng)X射線油水含量測(cè)量裝置測(cè)出含水量。再經(jīng)過液體流量計(jì)測(cè)量出總的液體流量。最后，通過輸液管道將混合液輸送回標(biāo)定裝置的混合罐。

2 氣液分離罐的設(shè)計(jì)

氣液分離罐的作用是把流入的氣體和液體分開，便于分別計(jì)量?？傮w外形尺寸為φ400×1000mm，充分利用分離器的高度來實(shí)現(xiàn)物理分離。接口尺寸選DN50。液體從N1法蘭流入，見圖1，進(jìn)入罐體后，液體受重力的作用向N2流下來，部分被氣體帶走的液體上升到一定高度會(huì)被絲網(wǎng)阻擋后回落液面。罐體側(cè)方裝液位計(jì)兩個(gè)，用來檢測(cè)上下液位。當(dāng)液體接近上液位時(shí)，PLC控制單元會(huì)加大底部N2閥門的打開量，加快液體的排放速度；當(dāng)液體接近下液位時(shí)，PLC控制單元會(huì)適當(dāng)減小底部N2閥門的打開量，從而達(dá)到平衡。本結(jié)構(gòu)運(yùn)行可靠性高，對(duì)脈沖流型等緩沖能力大，機(jī)械故障率低，安全度更高，在對(duì)空間尺寸要求不高的情況下此方案很適合。

3 液體和氣體流量計(jì)的設(shè)計(jì)與選型

目前，國(guó)內(nèi)的大多數(shù)油田的開采都屬于中后期，即通過向地下注水來開采原油，開采出的原油與水的比例能達(dá)到1:8或1:9，油田在開采到地面后都會(huì)經(jīng)過一次統(tǒng)一的氣液分離，因此，氣體所占比例已經(jīng)很小了。遼河油田采油廠每口油井的日產(chǎn)液量在100～500t3/d，產(chǎn)氣量小于100m3/d，后續(xù)的設(shè)計(jì)是依據(jù)此指標(biāo)的。

液體流量計(jì)滿足的技術(shù)參數(shù)為：流量范圍<500t/d；使用溫度：-50～125℃；精度等級(jí)：0.2級(jí)。選用了基于科里奧利的流量計(jì)，型號(hào)為40Y1W1S4.0FI0.2。氣體流量計(jì)選用超聲波氣體流量計(jì)，型號(hào)為50DQB1R4W4.0FI1.0。該儀表的技術(shù)參數(shù)為：氣體流量范圍：4～320m3/d；工作壓力：4.0MPa；精度等級(jí)：1.0級(jí)。

4 X射線雙能法測(cè)量含水率原理

選取兩種合適能量的X射線照射管道，不同能量的射線在穿過待測(cè)物時(shí)衰減的程度不同，記錄下兩組無待測(cè)物和有待測(cè)物后數(shù)據(jù)可以計(jì)算出含水率。兩種能量的X射線是通過選取相應(yīng)的X射線濾波片得到。X射線穿過物質(zhì)時(shí)與介質(zhì)的相互作用使射線強(qiáng)度衰減。用質(zhì)量吸收系數(shù)μ代表介質(zhì)對(duì)射線的吸收能力。X射線探測(cè)器記錄下兩種單色X射線強(qiáng)度服從以下規(guī)律：

式中，N1(E1，Xc)為總介質(zhì)厚度為Xc時(shí)，探測(cè)器記錄下的能量為E1的X射線強(qiáng)度，N2(E2，Xc)為總介質(zhì)厚度為Xc（g/cm2）時(shí)，探測(cè)器記錄下的能量為E2的X射線強(qiáng)度。N10(E1)、N2(E2，Xc)為未經(jīng)介質(zhì)吸收前兩種能量X射線強(qiáng)度；μmw(E1)、μmw(E2)為水對(duì)兩種能量X射線的質(zhì)量吸收系數(shù)（cm2/g）；μmo(E1)、μmo(E2)為油對(duì)兩種能量X射線的質(zhì)量吸收系數(shù)（cm2/g）。介質(zhì)的質(zhì)量吸收系數(shù)值僅與射線能量和介質(zhì)的化學(xué)組成有關(guān)的系數(shù)，由于天然氣的化學(xué)成分與原油的基本相同，天然氣對(duì)射線的吸收效應(yīng)完全可以與原油合并考慮。

（1）、（2）簡(jiǎn)化后與（3）聯(lián)立，求解上述三個(gè)方程，不僅可測(cè)得工況條件下質(zhì)量含水率，而且可以求出標(biāo)準(zhǔn)條件下三相體積比。

5 X射線發(fā)生器及能量選取

X射線發(fā)生器是一款100kV、100W、高精度輸出和自發(fā)輻射發(fā)生器。發(fā)生器由前端功率因數(shù)校正逆變器、高頻高壓發(fā)生器、高頻燈絲電源和集成X射線管組成。X射線能量選取的因素是根據(jù)管道中油水混合物在不同能量下的衰減情況而定的，能量應(yīng)該選在最能體現(xiàn)出成分變化的那個(gè)區(qū)間。不同能量的射線在經(jīng)過同一種材質(zhì)以后，會(huì)出現(xiàn)不同程度的衰減。圖2中用不同兩種的能量的射線（55kV、25kV）對(duì)同一油水混合物做了三次試驗(yàn)，可以看出，隨著含水量的增加，低能射線相對(duì)高能射線衰減的變化大。最終采用的是50～60kV的高能射線，電流0.3～0.6mA，低能射線選取20～30kV。

圖2 雙能射線隨油含量的變化關(guān)系

對(duì)于鐵壁管道來說，高能射線60kV以上的都有很好的穿透效果，低能射線對(duì)鐵的穿透性非常有限，計(jì)數(shù)少造成統(tǒng)計(jì)漲落大。因此，要在管道上開辟觀察窗，從而保證低能射線的有效透過。選用了防爆玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯、聚碳酸酯作為透射窗材料的備選材料。經(jīng)試驗(yàn)，射線穿過樹脂PC材料后對(duì)油和水的的區(qū)分度是最高的，所以透射窗的材料選取的是PC樹脂。

6 含水率測(cè)量箱體及高效探測(cè)器

通常的射線測(cè)量的防爆殼設(shè)計(jì)方案是分體的，即X射線機(jī)、探測(cè)器各做一個(gè)防爆殼，但是，低能X射線無法穿透20mm厚的防爆外殼,因此，采用一體式設(shè)計(jì)，將X光機(jī)、探測(cè)器、測(cè)量管道共同放在一個(gè)隔爆箱體里，如圖3所示。防爆外殼為10mm厚鐵板，防爆殼體的中間部分是測(cè)量管道與箱體焊接而成的。測(cè)量管道選用無縫鋼管，壁厚為4mm，上下方各一個(gè)法蘭與其他管道連接。由于管道的壁厚很厚，需要在管道上開測(cè)量窗。X射線發(fā)出的光經(jīng)過準(zhǔn)直器后，又經(jīng)過兩層透明件照射到探測(cè)器上。

圖3 防爆結(jié)構(gòu)圖

油水含量測(cè)量的探測(cè)器部分由閃爍體探測(cè)器、信號(hào)成型放大器及峰位漂移穩(wěn)定器等幾部分組成。探測(cè)器外殼為鋁管，內(nèi)部為高效率的溴化鑭晶體和光電倍增管、分壓板、成型放大及峰位穩(wěn)定器。甄別閾值可通過C8051F350器件的ADC輸入修改。穩(wěn)峰控制是根據(jù)能區(qū)的高低設(shè)置幾個(gè)甄別閾值，讀取高能和低能區(qū)的計(jì)數(shù)值，使其保持一定的比例關(guān)系，當(dāng)外界溫度變化或影響該比值會(huì)發(fā)生變化，此時(shí)，通過調(diào)節(jié)位于中間的閾值來使這兩部分值保持不變。

7 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)論

整個(gè)裝置實(shí)現(xiàn)了對(duì)油水氣三相的氣液分離，并采用X射線雙能法對(duì)液相的油水比例進(jìn)行測(cè)量，利用超聲波法測(cè)量氣相的流量，科里奧力流量計(jì)測(cè)量液相流量。用該裝置對(duì)不同流量和含水率進(jìn)行了對(duì)比，氣量、液量的測(cè)量誤差小于±4%，含水率誤差小于±5%，見表1，實(shí)測(cè)結(jié)果已經(jīng)達(dá)到了國(guó)內(nèi)三相流量計(jì)的先進(jìn)水平。今后對(duì)該裝置在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的實(shí)用性開展研究，盡快投入實(shí)際生產(chǎn)中。

表1 含水率測(cè)量誤差對(duì)比表