皮球集流油气水三相流涡轮流量计测量模型研究

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　　从20世纪70年代开始,大庆油田与吉林大学合作最早提出了用于自喷井中的集流型放射性低能源测量油气水三相流流量方法[1];随着大规模的油井转抽,大庆油田在原来三相流测井技术基础上又研制成了皮球及伞集流型环空三相流测井仪[2~5],将耐压指标提高到30 MPa,耐温指标提高到125℃,采用遥测技术实现了井温仪、压力计、涡轮流量计、放射性持水率O密度计多种传感器的组合。1991年郭海敏运用粘滞性流体力学对涡轮流量计叶片受到的阻力矩进行了理论分析,对油气水三相流按照加权平均方法给出了等效“单相流”的涡轮流量计数学模型[6,7],指出了涡轮转速与总流量的关系受流体动力粘度及流体混合密度影响,并利用吉尔哈特高灵敏度涡轮流量计在气水两相流中测量数据及斯伦贝谢全井眼流量计在油气水三相流测量数据验证了该理论模型。基于皮球集流型环空三相流测井组合仪,大庆油田张淑英及郑华课题组分别在油气水三相流模拟井中开展了动态测量试验,发现了涡轮流量计测量响应受油气水三相流流动密度影响[2~4]。李占咸等基于油气水三相流流动密度与混合密度客观存在的差异,建立了预测三相流总流量无量纲准数统计模型[8],同时,在借鉴两相流涡轮流量计体积模型[9]、质量模型[10]及动量模型[11]的基础上,金宁德建立了皮球集流油气水三相流涡轮流量计变仪表因子的物理模型[12],并对张淑英课题组取得的油气水三相流动态实验测量数据进行了模型试验评价,指出了动量模型能较好地预测油气水三相流总流量[13,14]。郭海敏及钟兴福等[15,16]将最优化技术引入了油气水三相流测井资料解释,从数学反演角度丰富了生产测井解释技术内容。

　　鉴于目前对发展油气水三相流测井技术的迫切性[17],本文对皮球集流涡轮流量计从三相流流动特性与测量特性相结合角度进行了综合考察,以期从理论上进一步认识涡轮流量计测量油气水三相流机理,并为今后三相流测井解释技术发展提供借鉴。

　　1　皮球集流三相流测井组合仪在模拟井中的测量特性

　　皮球集流环空三相流测井组合仪结构自下而上是皮球集流器、涡轮流量计、持水率O密度计、井温压力计等[3]。三相流测井组合仪在多相流模拟井中动态实验是在大庆生产测井研究所进行的,垂直上升管中油气水三相流流动工况范围为,水流量0~60 m3/d;油流量0~45 m3/d;气流量0~125 m3/d;含气率0%~80%;含水率0%~90%;含油率0%~85%。实验共测取了86组组合仪测量数据,其中纯油气水三相流测量数据为32组。

　　1.1　涡轮流量计在油气水三相流中的测量特性

　　图1为皮球集流涡轮流量计在不同流动密度ρn时的测量响应特性。流动密度ρn定义为