油田蒸汽流量計的計算方法及改進型錐形孔板流量計應用研究

 摘要：國內外稠油油田開發主要采用蒸汽吞吐或蒸汽驅進行，因此需要準確的了解所注入井底蒸汽的相關情況，特別是流量計量和干度計量，而多年來依靠現場人工計算蒸汽注入量一直未能獲得可靠準確的數據，從而造成注入蒸汽效率低、開采成本高等問題。本文通過對某油田特超稠油小井距、小井眼蒸汽計量系統的研究試驗，尋找出一種適合稠油開采現狀的蒸汽流量計計量產品來實現蒸汽注入量的計量。

1、濕蒸汽計量常用方法

濕蒸汽計量是一個世界性難題，經過多年發展國內外已相繼推出了多種蒸汽計量方法以及設備。

1.1、孔板噪音法

該方法是依據兩相流流經節流裝置時在孔板兩側產生差壓脈動，國內外研究已證明差壓方根噪音的方差與分散相流量存在正比例關系，且噪聲與流體的流量和干度（質量含汽率）密切相關。標準孔板公式為：

孔與管道內徑比 ；ε ： 熱膨脹系數 ；d ：孔板開孔；ρ ：被測介質密度；DP：孔板前后差壓。兩相流模型：

式中：G液 為液相流量；G氣為氣相流量；R 為差壓波動程度；K 為修正經驗系數。

1.2、組合差壓流量計法

此方法通過兩個差壓流量計所測量到的數據，根據差壓流量計的特性曲線，計算出交點以確定注汽管線內蒸汽的流量、干度等參數；一次元件傳感器用來采集流道中的差壓信號，差壓變送器把傳感器的差壓信號轉變為標準信號，再輸送給智能流量積算控制儀進行分析計算出相應流量、干度數據（圖1）。

圖1 組合差壓流量計法測量原理圖

1.3、彎管流量計法

該方法是應用慣性原理，即當流體流過直彎管時作類似圓周運動，使管內外兩側產生差壓。該差壓值的大小與彎管的彎徑比、流體流速、流體密度、彎管管徑等相關。從而利用差壓變送器測量出這個差壓值，然后通過必要的轉換、運算獲得流體的真實流量值。

1.4、分流分相法

主管道蒸汽經過分配器，將主管道的蒸汽按比例提取出一定比例的蒸汽，然后經過分離器進行分離，分離出的蒸汽經過汽相流量計進行計量，同時分離出的液體經過液相流量計進行計量，最終將汽體與液體進行混合流入總管道。

1.5、渦街流量計法

該方法是依據振蕩原理測量流量，當所測流體流經渦街流量變送器時產生旋渦，旋渦的釋放頻率與流體平均速度及寬度相關，從而通過頻率就可計算平均速度v。

1.6、全分離法

此方法將注汽管線內全部蒸汽通過分離器分離，分離出的蒸汽和水分別計量，然后計算出注汽管線內蒸汽的流量、干度等參數。

2、改進型錐形孔板流量計應用研究

由于稠油注采蒸汽溫度在280 ℃以上且存在雜質，因此在用常規孔板流量計測量時很容易降低孔板強度造成開孔磨損或打壞，還容易在孔板前端形成堆積物影響測量。基于上述原因，經過長期研究及試驗，設計出了錐形孔板流量計，具備耐磨、自清潔等特點，從而使孔板噪聲法在蒸汽干度、含液煤層氣、含臟物凝析天然氣等介質測量中應用。該流量計采用一個孔板同時測量流量和干度，從孔板測量信號中同時提取兩個物理量，即是均壓差值和差壓信號的均方根值（即噪聲信號）兩者都是流量和干度的函數（圖2）。

圖2 孔板改進前后對比

來自壓力變送器和差壓（流量）變送器的4~20 mA直流信號經I/V 轉換變成1~5 V 直流電壓信號，再經A/D 變換成數字量；機內設有實時鐘表，定時采樣得到的信號經過數字濾波和統計估計獲得計量參數的值，按照實用數學模型便可得蒸汽流量及干度（圖3）。

加密轉蒸汽驅開發的4 口加密小井眼井和5 口老井改注汽井井口前安裝9 臺蒸汽計量裝置，對注入蒸汽的流量和干度進行24 h 監測。通過調節鍋爐流量、干度及通過調節井口迷宮閥來調節單井流量，以上四種方法實現對所選蒸汽計量設備的流量精度檢驗（圖4）。

圖3 流量計算機原理示意圖

圖4 試驗井位及安裝圖