陳欣南，湯秀章，范澄軍，陳雁南，楊琦，高春宇

（中國原子能科學研究院，北京 102413）

三相流計量技術是指對油井產出的油、氣、水混合物的產氣量、產液量及含水率進行計量的技術。三相流計量不僅是原油產量統(tǒng)計的依據，也是油田重要的地質數據。常見的三相流量計裝置分為全分離、部分分離和無分離三種結構。分離式三相流測試的原理可知，其技術的關鍵有2點：（1）對三相中液相總流量和氣相總流量的計量；（2）進行液相組分測量，即分相含率測量。液相氣相的流量可以通過相關法、混合測量法、核磁共振等方法測量。測量分相含率的辦法主要有幾種：微波衰減測量法、γ射線吸收測量法、電介質特性測量法、短波持水率計等方法。從測量精度來看，γ射線吸收測量法精度最高，基于該方法的挪威FRAMO公司的MPFM型三相流量計、挪威ROXAR公司的MFI三相流量都已經是市場主流產品，國內的蘭州海默和蘭州科慶等公司也有相關比較成熟的產品。但是，由于2000年后國內環(huán)保局加強放射源管理，該方法在國內已很少采用。從國內市場應用情況來看，微波法、電解質法都有很快的發(fā)展，但是兩種方法都有各自的局限。

由于國內對放射源的管控使得γ射線吸收法這項很好的技術沒有得到應用，而X射線作為γ射線的替代輻射源在很多工業(yè)測量中已經有應用。隨著近年來高精度高壓電源的進步，使得X射線技術從穿透能力、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，不存在丟失的隱患。所以基于X射線法的三相流量計技術研究能夠對三相流量計帶來新的技術突破，對國內三相流量計的測量水平的提升有質的飛越。

1 X射線三相流量計裝置的總體架構

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

圖1 總體設計圖

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

2 氣液分離罐的設計

氣液分離罐的作用是把流入的氣體和液體分開，便于分別計量?？傮w外形尺寸為φ400×1000mm，充分利用分離器的高度來實現物理分離。接口尺寸選DN50。液體從N1法蘭流入，見圖1，進入罐體后，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被絲網阻擋后回落液面。罐體側方裝液位計兩個，用來檢測上下液位。當液體接近上液位時，PLC控制單元會加大底部N2閥門的打開量，加快液體的排放速度；當液體接近下液位時，PLC控制單元會適當減小底部N2閥門的打開量，從而達到平衡。本結構運行可靠性高，對脈沖流型等緩沖能力大，機械故障率低，安全度更高，在對空間尺寸要求不高的情況下此方案很適合。

3 液體和氣體流量計的設計與選型

目前，國內的大多數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到1:8或1:9，油田在開采到地面后都會經過一次統(tǒng)一的氣液分離，因此，氣體所占比例已經很小了。遼河油田采油廠每口油井的日產液量在100～500t3/d，產氣量小于100m3/d，后續(xù)的設計是依據此指標的。

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

4 X射線雙能法測量含水率原理

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物時衰減的程度不同，記錄下兩組無待測物和有待測物后數據可以計算出含水率。兩種能量的X射線是通過選取相應的X射線濾波片得到。X射線穿過物質時與介質的相互作用使射線強度衰減。用質量吸收系數μ代表介質對射線的吸收能力。X射線探測器記錄下兩種單色X射線強度服從以下規(guī)律：

式中，N1(E1，Xc)為總介質厚度為Xc時，探測器記錄下的能量為E1的X射線強度，N2(E2，Xc)為總介質厚度為Xc（g/cm2）時，探測器記錄下的能量為E2的X射線強度。N10(E1)、N2(E2，Xc)為未經介質吸收前兩種能量X射線強度；μmw(E1)、μmw(E2)為水對兩種能量X射線的質量吸收系數（cm2/g）；μmo(E1)、μmo(E2)為油對兩種能量X射線的質量吸收系數（cm2/g）。介質的質量吸收系數值僅與射線能量和介質的化學組成有關的系數，由于天然氣的化學成分與原油的基本相同，天然氣對射線的吸收效應完全可以與原油合并考慮。

（1）、（2）簡化后與（3）聯立，求解上述三個方程，不僅可測得工況條件下質量含水率，而且可以求出標準條件下三相體積比。

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，能量應該選在最能體現出成分變化的那個區(qū)間。不同能量的射線在經過同一種材質以后，會出現不同程度的衰減。圖2中用不同兩種的能量的射線（55kV、25kV）對同一油水混合物做了三次試驗，可以看出，隨著含水量的增加，低能射線相對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系

對于鐵壁管道來說，高能射線60kV以上的都有很好的穿透效果，低能射線對鐵的穿透性非常有限，計數少造成統(tǒng)計漲落大。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。經試驗，射線穿過樹脂PC材料后對油和水的的區(qū)分度是最高的，所以透射窗的材料選取的是PC樹脂。

6 含水率測量箱體及高效探測器

通常的射線測量的防爆殼設計方案是分體的，即X射線機、探測器各做一個防爆殼，但是，低能X射線無法穿透20mm厚的防爆外殼,因此，采用一體式設計，將X光機、探測器、測量管道共同放在一個隔爆箱體里，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量管道與箱體焊接而成的。測量管道選用無縫鋼管，壁厚為4mm，上下方各一個法蘭與其他管道連接。由于管道的壁厚很厚，需要在管道上開測量窗。X射線發(fā)出的光經過準直器后，又經過兩層透明件照射到探測器上。

圖3 防爆結構圖

油水含量測量的探測器部分由閃爍體探測器、信號成型放大器及峰位漂移穩(wěn)定器等幾部分組成。探測器外殼為鋁管，內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)峰控制是根據能區(qū)的高低設置幾個甄別閾值，讀取高能和低能區(qū)的計數值，使其保持一定的比例關系，當外界溫度變化或影響該比值會發(fā)生變化，此時，通過調節(jié)位于中間的閾值來使這兩部分值保持不變。

7 實驗數據及結論

整個裝置實現了對油水氣三相的氣液分離，并采用X射線雙能法對液相的油水比例進行測量，利用超聲波法測量氣相的流量，科里奧力流量計測量液相流量。用該裝置對不同流量和含水率進行了對比，氣量、液量的測量誤差小于±4%，含水率誤差小于±5%，見表1，實測結果已經達到了國內三相流量計的先進水平。今后對該裝置在現場環(huán)境的實用性開展研究，盡快投入實際生產中。

表1 含水率測量誤差對比表