PhaseWatcher Vx多相流量计原理和应用

摘要：文章针对南海某气田项目使用的PhaseWatcher Vx多相流测量技术的发展概况进行了调研，说明了多相流量计的基本结构和测量原理；分析了PhaseWatcher Vx多相流量计的功能特性，指出了该流量计具有较高的测试精度和可靠性，在实际生产中多相流量计将逐步取代传统分离器，具有较高的应用价值。

关键词：PhaseWatcher Vx；多相流量计；测试精度；可靠性；气田项目 文献标识码：A

中图分类号：TE54 文章编号：1009-2374（2016）24-0045-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.24.022

1 PhaseWatcher Vx多相流测量技术概述

1998年，斯伦贝谢公司和Framo公司通过其合资公司（3-Phase测量公司）开发出了PhaseWatcher Vx多相流测量技术。该多相流量计系统可通过水下ROV安装和回收，具备灵活性、可维修性。它们在5个独立测试设施上进行了1500多次流动环路实验，得到了5000个流动状态测试点的数据，结果表明Vx技术非常可靠。PhaseWatcher Vx系统2004年10月交付并投入使用。现场验收流程包括多次现场测试，以便评估流量计的性能。到目前为止，实际应用表明PhaseWatcher Vx系统测试结果非常准确（误差精度在3%），具有出色的测量可重复性。

2 PhaseWatcher Vx多相流量计的基本结构

PhaseWatcher Vx多相流量测量装置的基本结构如图1所示：

PhaseWatcher Vx多相流量测量系统主要包括四个部分：带有压力和差压测量的文氏管、高性能的伽马持相率测量系统、集成的数据采集流量计算机、三相流模型。本系统是一个完整的、独立的内联多相流量测量系统，用于测量三个阶段性的分相流速（油、水和气）。PhaseWatcher Vx技术无须使用上游流动混合装置，从而减小了设备的尺寸和重量。该系统没有运动部件，基本上无须维护保养。管内流体经过入口进入一段短的直管线，直管线通向一个倒T形管，该倒T形管的一个水平端被封闭。该倒T形管预先调节并将液流向上导入流量计中的文氏管，在流体开始进入文氏管流量计之前，流体流过文氏管喉管，根据流量的不同，该系统可提供29毫米（1.1英寸）、52毫米（2英寸）和88毫米（3.5英寸）的文氏管喉管尺寸。高性能的伽马持相率测量系统配有单个低强度放射性化学源的双能谱伽马射线探测器，以测量总的质量流量以及气、油和水的持率。

3 PhaseWatcher Vx多相流量计的测量原理

3.1 流量测量原理

PhaseWatcher Vx多相流量计利用文氏管测量流量，测量原理是基于文氏效应，该效应表现在受限流动在通过缩小的过流断面时，流体出现流速增大的现象，其流速与过流断面成反比。而由伯努利定律知流速的增大伴随流体压力的降低，即常见的文丘里现象。通俗地讲，这种效应是指在高速流动的流体附近会产生低压，从而产生吸附作用。利用这种效应可以制作出文氏管。

3.2 持相率测量原理

PhaseWatcher Vx多相流量测量系统采用高性能的伽马持相率测量系统测量分相持率，瞬时的油、水和气体组分计算测定是基于两个不同的伽玛放射性同位素的能量水平的衰减。伽玛射线包含了不同的能级，这些能级的衰减可以由物理方程表示。

γ射线的衰减取决于渗透材料的密度和质量衰减系数，如式（1）：

（1）

式中：表示伽马射线探测器的计数率；表示“空管”的计数率；表示伽玛路径长度；表示渗透材料的密度；表示渗透材料的质量衰减系数。

在多相流情况下，油、水和气混合为均质混合物，此时式（1）可表示为：

（2）

式中：，下标、和分别表示油、水和气；表示持油率；表示持气率；表示持水率；表示路径长度[文丘里喉道半径（D）]。

由于、和未知，需要两个方程来解决系统。双能量伽玛分数计利用放射源发射辐射在不同能量水平上的放射进行测量。PhaseWatcher Vx利用来自钡源的两个能级进行多相流分数测量。式（3）与式（2）每两个能级建立一个方程类似，因为源和探测器之间的数量完全由三组分混合物占据，式（3）用来解决系统的直线前进特性：

（3）

从式（2），每个阶段的输入参数：质量衰减系数和密度，在分数计算时是已知的。质量衰减系数是由一个特定的材料（液体）的化学成分给定的常数。石油和天然气（碳氢化合物）的质量衰减系数不受到压力或温度影响，并能够在大多数稳定的野外场景下应用。石油和天然气的密度为温度和压力的函数。水的质量衰减系数和密度是稍微依赖盐含量，因此可能随着时间的推移产生良好的变化。水的化学成分被称为固定的（因为它在大多数情况下，经常用于抽样测试压力-体积-温度分析的目的），和送入计算机软件时进行调整，并不需要一个重新校验传感器。还有一个图形化的方式能够获得三个持相率。100%的石油、100%的水和100%的气为一个三角形的角落。沿x和y轴分别给出了探测器计数率在能级1号和2号。在测量中的油、水和气体的任意组合，得到的点均在三角形的内部，因此称为“解三角形”，如图2所示：

從图2中很容易得出持气率和水液比（WLR）。当WLR=，能够得出的值。重要的是需要强调一下，双能伽马技术仅依赖于γ射线的衰减。衰减测量阶段的分布是完全独立的，无论是液体油连续状态（通常0%～40%的WLR）、水的连续状态（通常为70%～100%的WLR）或在扩散正常的过渡区。

4 PhaseWatcher Vx多相流量计的功能特性

4.1 系统输出参数

PhaseWatcher Vx多相流量计中具有如下输出参数：标准和线路条件下的水、油和气体的体积流速；标准和线路条件下的水、油和气体的相份额；总质量流率；水液比；气体积分率；油气比；基本的泥沙和水；油、水和气体的累积质量/体积值；油的质量流率；气体质量流量；丘差压力；线压力；线温度；选定文件系数。

4.2 可靠性

Framo工程公司采用系统级的PhaseWatcher Vx MTBF数据（远超过MIL-HDBK 217-F模型的指标）。经测试分析PhaseWatcher Vx的可靠性、可用性和可维护性，得出PhaseWatcher Vx运作经验的MTBF=21.7年的结论。如果所有海底冗余仪表安装符合PhaseWatcher Vx标准的仪表（DAFC和变送器），那么MTBF值将超过30年以上。

4.3 数据采集、流量计算机DAFC

系统中主DAFC被激活，备份DAFC断电（“睡眠”）。当主DAFC失效，然后备份DAFC被激活，而失效的DAFC则关机。Vx传感器（传送器和伽马射线探测器）可能只能连接到一个DAFC一段时间。中继板默认情况下将连接发射机的主DAFC，如果二次DAFC通电后，然后传感器会自动切换。

4.4 传送器

所有的传送器（差压传送器、线压传送器和线温传送器）成对的安装，每个类型传送器获得同样良好的运行条件，所有传送器同时供电和运行。正是因此，可以从主传送器查看和记录数据（用于计量和流量计算），并在同一时间在备份传送器上备份。如果一个主传送器出故障，那么Vx安装文件必须修改，例如备份传送器将成为新的计量传送器。安装文件的修改是由操作员使用服务管理器应用程序完成。当修改后的文件上传到Vx，新设置被激活后，软启动命令发送到Vx。在多点HART变送器的功耗是非常温和的，大约为发射机的0.1%。所有传送器任何时候都处于工作状态，这并不会对仪器室中的温度增加或整体系统的生命周期的恶化有明显不同。

4.5 中继台

中继台包括冗余的仪器。这个设备的目的是确保发射机和伽马射线探测器将自动连接到DAFC。该设备是由一系列简单的高度可靠的单稳态继电器组成。只要继电器控制电压产生电源DAFC/B或DAFC/B是未通电的，所有的继电器被动连接到传感器DAFC/A。

5 结语

随着PhaseWatcher Vx系统应用的增加，在许多试井作业中多相流量计将取代传统分离器，无需在一些生产站点安装昂贵、体积龐大的设施。将来对传统测试分离器的需求将日益来自流体取样要求。然而流体取样，特别是用于压力-体积-温度（PVT）分析的取样，将由多相流量计来完成。随着技术革新将有望将多相流量计用于温度和压力更高的环境中，这将显著扩大Vx技术在海底的应用，并在陆上稠油热采和天然气市场中催生大量其他方面的应用。

参考文献

[1] AI-Asimi M，Butler G，Brown G，Hartog A，Clancy T，Casad C，Fitzgerald J，Navarro J，Gabb A，Ingham J，Kimminau S，Smith J，Stephenson K.油井和油藏监测技术新进展[J].油田新技术，2003，14（4）.

作者简介：丘泺霏，供职于中海油深圳分公司，在职研究生，研究方向：深水油气田开发。

（责任编辑：蒋建华）