基于X射线的三相流量计装置研究
陈欣南，汤秀章，范澄军，陈雁南，杨琦，高春宇
（中国原子能科学研究院，北京 102413）
三相流计量技术是指对油井产出的油、气、水混合物的产气量、产液量及含水率进行计量的技术。三相流计量不仅是原油产量统计的依据，也是油田重要的地质数据。常见的三相流量计装置分为全分离、部分分离和无分离三种结构。分离式三相流测试的原理可知，其技术的关键有2点：（1）对三相中液相总流量和气相总流量的计量；
（2）进行液相组分测量，即分相含率测量。液相气相的流量可以通过相关法、混合测量法、核磁共振等方法测量。测量分相含率的办法主要有几种：微波衰减测量法、γ射线吸收测量法、电介质特性测量法、短波持水率计等方法。从测量精度来看，γ射线吸收测量法精度最高，基于该方法的挪威FRAMO公司的MPFM型三相流量计、挪威ROXAR公司的MFI三相流量都已经是市场主流产品，国内的兰州海默和兰州科庆等公司也有相关比较成熟的产品。但是，由于2000年后国内环保局加强放射源管理，该方法在国内已很少采用。从国内市场应用情况来看，微波法、电解质法都有很快的发展，但是两种方法都有各自的局限。
由于国内对放射源的管控使得γ射线吸收法这项很好的技术没有得到应用，而X射线作为γ射线的替代辐射源在很多工业测量中已经有应用。随着近年来高精度高压电源的进步，使得X射线技术从穿透能力、稳定性都能与γ射线媲美。而X射线又具有通电就有，断电就无的便于安全管理的优点，不存在丢失的隐患。所以基于X射线法的三相流量计技术研究能够对三相流量计带来新的技术突破，对国内三相流量计的测量水平的提升有质的飞越。
本装置的设计是采用气液分离结构，即对气液两相进行初步的分离，然后再利用X射线含水率测量部分测量液相中的油水比率，通过超声波气体流量计测量气相流量，通过科里奥利流量计测量液相流量。为了检验流量计的计量精度，建立了一套标定装置，见图1左侧，该装置能按照一定的流速和比例输出气、水、油三相。图1右侧为三相流量计装置，该装置由气液分离罐、含水率测量部分、液体流量计、气体流量计、泵、输液管道、输气管道、连接法兰等几部分组成。
图1 总体设计图
从标定装置产生出来的气液混合体流入气液分离罐后，气体经网除水后向上方排气管道排出，通过气体流量计计量气的含量，液体经下方管道流出，在分离罐下方泵的压力下输入管道，油水混合物经垂直向上的管道流经X射线油水含量测量装置测出含水量。再经过液体流量计测量出总的液体流量。最后，通过输液管道将混合液输送回标定装置的混合罐。
气液分离罐的作用是把流入的气体和液体分开，便于分别计量。总体外形尺寸为φ400×1000mm，充分利用分离器的高度来实现物理分离。接口尺寸选DN50。液体从N1法兰流入，见图1，进入罐体后，液体受重力的作用向N2流下来，部分被气体带走的液体上升到一定高度会被丝网阻挡后回落液面。罐体侧方装液位计两个，用来检测上下液位。当液体接近上液位时，PLC控制单元会加大底部N2阀门的打开量，加快液体的排放速度；
当液体接近下液位时，PLC控制单元会适当减小底部N2阀门的打开量，从而达到平衡。本结构运行可靠性高，对脉冲流型等缓冲能力大，机械故障率低，安全度更高，在对空间尺寸要求不高的情况下此方案很适合。
目前，国内的大多数油田的开采都属于中后期，即通过向地下注水来开采原油，开采出的原油与水的比例能达到1:8或1:9，油田在开采到地面后都会经过一次统一的气液分离，因此，气体所占比例已经很小了。辽河油田采油厂每口油井的日产液量在100～500t3/d，产气量小于100m3/d，后续的设计是依据此指标的。
液体流量计满足的技术参数为：流量范围<500t/d；
使用温度：-50～125℃；
精度等级：0.2级。选用了基于科里奥利的流量计，型号为40Y1W1S4.0FI0.2。气体流量计选用超声波气体流量计，型号为50DQB1R4W4.0FI1.0。该仪表的技术参数为：气体流量范围：4～320m3/d；
工作压力：4.0MPa；
精度等级：1.0级。
选取两种合适能量的X射线照射管道，不同能量的射线在穿过待测物时衰减的程度不同，记录下两组无待测物和有待测物后数据可以计算出含水率。两种能量的X射线是通过选取相应的X射线滤波片得到。X射线穿过物质时与介质的相互作用使射线强度衰减。用质量吸收系数μ代表介质对射线的吸收能力。X射线探测器记录下两种单色X射线强度服从以下规律：
式中，N1(E1，Xc)为总介质厚度为Xc时，探测器记录下的能量为E1的X射线强度，N2(E2，Xc)为总介质厚度为Xc（g/cm2）时，探测器记录下的能量为E2的X射线强度。N10(E1)、N2(E2，Xc)为未经介质吸收前两种能量X射线强度；
μmw(E1)、μmw(E2)为水对两种能量X射线的质量吸收系数（cm2/g）；
μmo(E1)、μmo(E2)为油对两种能量X射线的质量吸收系数（cm2/g）。介质的质量吸收系数值仅与射线能量和介质的化学组成有关的系数，由于天然气的化学成分与原油的基本相同，天然气对射线的吸收效应完全可以与原油合并考虑。
（1）、（2）简化后与（3）联立，求解上述三个方程，不仅可测得工况条件下质量含水率，而且可以求出标准条件下三相体积比。
X射线发生器是一款100kV、100W、高精度输出和自发辐射发生器。发生器由前端功率因数校正逆变器、高频高压发生器、高频灯丝电源和集成X射线管组成。X射线能量选取的因素是根据管道中油水混合物在不同能量下的衰减情况而定的，能量应该选在最能体现出成分变化的那个区间。不同能量的射线在经过同一种材质以后，会出现不同程度的衰减。图2中用不同两种的能量的射线（55kV、25kV）对同一油水混合物做了三次试验，可以看出，随着含水量的增加，低能射线相对高能射线衰减的变化大。最终采用的是50～60kV的高能射线，电流0.3～0.6mA，低能射线选取20～30kV。
图2 双能射线随油含量的变化关系
对于铁壁管道来说，高能射线60kV以上的都有很好的穿透效果，低能射线对铁的穿透性非常有限，计数少造成统计涨落大。因此，要在管道上开辟观察窗，从而保证低能射线的有效透过。选用了防爆玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯、聚碳酸酯作为透射窗材料的备选材料。经试验，射线穿过树脂PC材料后对油和水的的区分度是最高的，所以透射窗的材料选取的是PC树脂。
通常的射线测量的防爆壳设计方案是分体的，即X射线机、探测器各做一个防爆壳，但是，低能X射线无法穿透20mm厚的防爆外壳,因此，采用一体式设计，将X光机、探测器、测量管道共同放在一个隔爆箱体里，如图3所示。防爆外壳为10mm厚铁板，防爆壳体的中间部分是测量管道与箱体焊接而成的。测量管道选用无缝钢管，壁厚为4mm，上下方各一个法兰与其他管道连接。由于管道的壁厚很厚，需要在管道上开测量窗。X射线发出的光经过准直器后，又经过两层透明件照射到探测器上。
图3 防爆结构图
油水含量测量的探测器部分由闪烁体探测器、信号成型放大器及峰位漂移稳定器等几部分组成。探测器外壳为铝管，内部为高效率的溴化镧晶体和光电倍增管、分压板、成型放大及峰位稳定器。甄别阈值可通过C8051F350器件的ADC输入修改。稳峰控制是根据能区的高低设置几个甄别阈值，读取高能和低能区的计数值，使其保持一定的比例关系，当外界温度变化或影响该比值会发生变化，此时，通过调节位于中间的阈值来使这两部分值保持不变。
整个装置实现了对油水气三相的气液分离，并采用X射线双能法对液相的油水比例进行测量，利用超声波法测量气相的流量，科里奥力流量计测量液相流量。用该装置对不同流量和含水率进行了对比，气量、液量的测量误差小于±4%，含水率误差小于±5%，见表1，实测结果已经达到了国内三相流量计的先进水平。今后对该装置在现场环境的实用性开展研究，尽快投入实际生产中。
表1 含水率测量误差对比表
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