多相流计量及多相流量计简介R1.doc

多相计量技术Multiphase metering technology概述许多新开发的油田属于经济型边际油田，这种油田不能承担传统分离技术所引发的高昂的费用。而多相流量计可以节省很多费用，因为使用它就不需要安装分离器，或者几个油田共用处理装置。在油井管理方面：多相流量计可以提供持续的数据输出，给出油井动态的有价值信息，这样可以及时地发现油井产生的问题或变化，以便尽早地做出决定，而采用传统的处理技术却要慢一些。中国船级社（CCS）要求参照海上移动平台入级规范第1篇 第3章 附录1 平台入级产品持证要求一览表：5.3：级管系以及除5.1以外的阀和附件证件类型：制造厂证明（级管系应提供工厂认可证书，除5.1以外的阀和附件应提供型式认可证书）认可模式：型式认可B（可选项：型式认可A）1. 在线多相流量计在线多相流量计依据对流体特性的一些测量得到油、气、水三相的各自流量。现在有许多这样的计量技术，可大致分为两大类：速度或总流量测量和相分率测量。速度或流量测量通常是通过压差计量或一个特殊信号的互相关,即压力或导电率来获得。许多流量计也采用滑动模块，这说明了气体通常比液体流速快的事实。在垂直管道上安装的一些在线多相流量计一般通过在其上游装一个盲三通来减少水的紊动，以此最大限度地减少滑动。相分率可以通过测量三相混合物的物性来获得，据此推算出三相各自的流量。伽马射线能量衰减法是一种常用的方法，它的原理是油、气、水不等同地削弱伽马射线的能量。伽马射线能量在两个能量级放射高能量级对气/液比更敏感，而低能量级对液相中的水/油比较敏感。可以用这两个能量衰减量来确定三相混合液的相分率。第三个能量级也可以用来确定水相的含盐量。 电容和电导技术可以用来确定液相中的含水量。电容传感器用于测量连续油流的介电常数并确定含水量，电导传感器用于连续水流的测量。这种方法适于气体体积分数大环境，但缺点是：如果流体在水连续流和油连续流之间不停转换，那么流量计就很难跟踪到这个变化。微波衰减也可以用来计量液相中的含水量，它的好处是对气体体积分数（GVF - Gas Volume Fraction，即：工况条件下气相所占总体积比）不是很敏感，并且既可以在油连续流也可以在水连续流中工作。经多年在NEL和油田的试验表明，虽然流量计性能随GVF和含水率会发生很大变化，在线流量计在某些情况下各相的精度可以达到2.15%10% ，而其他参数(例如压力、液体速度)和含盐量在很大程度上也会影响流量计性能。2. 分离流量计分离流量计或分离系统可以采用各种分离等级，但大部分还是采用小型分离器实施部分分离。在按体积计算时，这样做会导致液流含气量达30%，气流含液量不超过1%2%，但是在极端的情况下特别是段塞流严重的情况下，含液量可以达到10%；分离流量计一般采用小型旋流分离器进行分离利用位于进出口处的控制阀来调节液位。大部分分离流量计都采用在主液流上安装一个标准在线多相流量计，在气流上安装一个标准气体流量计，例如涡流流量计或科里奥利流量计。如果气流的含液量高则可以安装一个能够计量液体和气体流量的湿气流量计。最近几年在NEL和油田的试验表明：分离流量计系统可以确保各相计量精度好于5%，与在线流量计相比受GVF的影响要小。它的主要缺点是其尺寸、重量和依赖分离器中的快速液位控制阀使得这种分离器不适合在海底应用。3. 多相流量测量的基本原理在油气混输管线中，油井产出的原油、伴生天然气和矿化水形成了一种相态和流型复杂多变的多相流，是一个多变量的随机过程。一般地，多相流量计需要用以下的参数来计算各相流量：1. 各相在管道截面上所占据的面积A1；2. 各相的流速Vi；3. 各相的温度Ti和压力Pi4. 各相的体积流量可根据下式计算：QiAiV1 （1）式中Qi各相的体积流量根据各相的温度Ti和压力Pi，利用状态方程可以将实际状况下的体积流量转换成标准状况下的体积流量。根据实际情况，我们可以得到以下的关系式：AAo+Ag+Aw（2） （3） （4）上述式中：A管道截面面积；Ao油相所占的面积；Ag气相所占的面积；Aw水相所占的面积；g管道中油气水三相流的截面含气率；w油水混合液中的含水率。综合上述四式，油、气、水三相在实际状况下的体积流量Qo、Qg、Qw可以分别由下列计算式求得：QoVoA（1g）（1w） （5）QgVgAg （6）QwVwA（1g）w （7）由此可见，油、气、水三相在实际状况下的体积流量的测量可以通过对各相流速、油、气、水三相截面上的含气率和含水率等流动参数的在线监测来实现。4. 多相流计量中的复杂因素和关键技术1 复杂因素精确计量多相流的难度要比单相计量大得多。单相计量可通过测得压力、流动粘度、压缩性和测量装置的几何尺寸来测得流量。如果在多相流动中，每相的变化都是相同的，那处理起来要方便些。但多相计量在以下几个方面与单相计量作用方式存在着差异：（1） 各相并非混合均匀。水与油混合的不好，气体与液体分离。（2） 各相以不同的速度流动，各相之间存在着界面效应和相对速度，相界面在时间和空间上变化比较大，对于液相和气相以不同的速度流动是正常。（3） 混合是不规则的。各相混合时，结果难以预料，粘度和总量会发生变化。（4） 相与相之间的相互作用。气体能从溶液中析出或者溶解在液体中，蜡和水溶物将在流体中沉淀。（5） 流动状态非常复杂，特征参数也比单相流系统多，它取决于各相之间的相对速度、流体特性、管路结构和流动方向。 为解决以上难点，关键所在是建立合理的测量模型，重视特征参数的选取，选用可靠的仪器，应用先进的数据处理方法。2 关键技术由多相流测试的原理分析可知，其技术的关键有两点：一是应将三相视为液相总量和气相两相计量，二是进行液相组分测量。将油气、水视为气。液两相流，测试方法主要有：（1） 相关法：互相关测量方法是多相流量计中使用比较普遍的一种方法，几乎一半以上的多相流量计都使用了这种技术。互相关流量测量是基于两个随机信号之间统计相似性的测量，互相关流量计由上游传感器、下游传感器和互相关器等组成。当流体从管道中流过时，沿管道轴向相隔距离为L的两点上安装的上下游传感器，在各自的测量点上从流动的非均匀流体中检测到两个在时间上相差o的流动噪声信号。建立两信号的互相关函数，进而求出o，则可得平均流速VL/o。（2） 混合测量法：将油、气、水三相在静态混合器中进行混合，然后使气和液以相同速度进入文丘利管。文丘利管的基本原理是：当管路中液体流经文丘利管时，液流断面收缩，在收缩断面处流速增加，压力降低，使文丘利管前后产生压差。在选择一定的文丘利管时，液体流量越大，它流经文丘利管产生的压差也就越大，因而可以通过测量压差来计量流量的大小。（3） 核磁共振法：核磁共振法的实质就是核对射频能的吸收。在气、液两相流测量中，由于核磁共振信号强度与空隙率成线性关系，故在各种流型下均能精确测量空隙率。核磁共振法能够测量平均流速、瞬时流速、流速分布等。其具有非接触测量，与被测流体的电导率、温度、粘度、密度和透明度等物性参数变化无关等特点。通过对相分率的测量，再与前面提到的流速测量技术相结合，便可得到每一相的流量。测量组分的办法主要有：（1） 微波衰减测量法。这是一种测量含水率的基本技术，这种技术的基本原则是流体中对微波能量的频率响应取决于液体中的含水率。在这种多相流量计中，一般由以下基本部件组成：发射仪、天线、探测器。通过探测器测量井液对仪器所发出微波信号的吸收来确定并液流体中水的含率。（2） 伽马源吸收测量法。伽马源吸收测量法利用了流体的物理特性，即在不同流体中有不同的伽马源吸收特性。这一特性与混合物的密度有关，利用这种方法可以确定气液流体中的气分率。在油、气、水三相流体中，通常使用双能伽马射线来确定油、气水含率。另外，在一些正在研制的多相流量计中，则使用了三能或多能伽马技术来确定组分含量。（3） 电介质特性测量法。现在一些多相流量计应用了连续波、振荡和单频率的原理，用频率小于15GHz的电磁波技术来测量电介质常数，与传统的电容测量系统相比，电介质测量应用范围更加广阔，并能提供一些附加信息。物质的电介质常数与物质的折射指数有关，电介质常数是描述物质电磁性能的参数之一。由于水的电介质常数与油的电介质常数相差很大，因此用测量电介质常数的方法来确定油和水相分率是很有发展潜力的一种方法。（4） 短波持水率计。工作频率为几十兆赫，在集流状态下，该仪器能在0%100%的持水率范围内有灵敏度，测量精度为10%，但测量受水的矿化度影响。5. 性能检验关于哪种方法最适合检验多相流量计性能的话题已经讨论了许多年。最简单的方法就是什么也不做,希望流量计继续工作。另外一种方法是由流量计厂商进行一个基本性能测试。这种方法比较简单,只要确认流量计可以识别油、气、水的静态取样，或者是使用厂商的流量设施进行流量试验。由于缺乏独立自主性，许多用户不愿意把这种试验当作是流量计性能的证明。基于上述原因，通常在一个独立实验室来进行流量试验。在最近几年里，NEL公司已经为一些用户在它的多相流实验室进行了许多类似的验收试验。这种实验室在10年前是专门为多相流量计评价和测试而建立的。一个有信用的独立实验室的优点是参比流量计将会十分精确和完全可追踪的，并且独立组织和厂商或终端用户没有任何关系。对采用什么样类型的试验流体也有争议。在气体没有溶解在石油中，各相没有随着压力或温度发生变化的情况下，采用“死”流体。NEL公司就采用了这种做法，它的优点是参比流量的不确定性小，某些人指出了其缺点，即：现场流体实验不可重复。使用含气原油和天然气更现实些，但这意味着气体很易于溶解在石油中，使得参比计量比较困难。如果测试流量计的压力和/或温度与参比流量计不同的话，就表明气体溶解到石油中或从石油中溶解出来。如果流体性能已知，在实验室发生的相分率变化必须用油气复杂的物理PVT (压力体积温度)分析或模拟PVT行为来说明。采用任何一种方法都会不可避免地导致参比流量的不确定性更高。还有一种常用的方法是根据一个现有的三相测试分离器来校验海上流量计。这种做法的好处是在预定安装的位置测试流量计，并且使用实际上将要被计量的流体。然而，最大的缺点就是这种方法会潜在地造成参比流量不确定性高。分离器性能对计量精度有很大的影响。除了使用含气流体会造成不确定性外，由于比较差的分离还会造成携带液体或夹带气体的产生，这些都会导致液体和气体流量出现较大误差。多相流量计Multiphase Flowmeter1. Flowsys 多相流量计现场仪表主要由四部分组成：（1） 电容或电导传感器：在油连续相混合液时，采用电容传感器测量乳化油的介电常数；对于水连续相混合液时，采用电导传感器测量水的电导率，用以确定含水率。（2） 电容、电导构成的互相关仪在文丘利喉內侧的电极为一对，由其测得的互相关信号确定流体流速。（3） 扩展喉部的文丘里流量计通过文丘里的动量方程简接求得密度流体密度。（4） 压力和温度传感器：测量的压力、温度值用于油气PVT运算。系统性能（1） 操作范围：WLR：0100%，GVF： 097%，（2） 测量不确定度：（置信水平90%）测量不确定度取决于工况含气率（GVF），给出的测量不确定度指标是以GVF划分。含水适于在0100%范围内。GVF：025，2560，6070，7085，8592，9297，97100；液流量： 5% 7% 10% 15%；气流量： 10% 含水率： 2% 3% 5%；测试情况一台2”TopFlow多相流量计与两相分离器串联进行对比的现场测试。于2002年3月由Petronas Carigali实施；现场条件： 工作压力1300kPa1900kPaGVF： 8097%含水率： 095%现场测试结果（测试次数很少），结果如下：液量在10%之内： 10点（10/13，94%）气量在10%之内： 6点（6/10，60%）含水率在10%之内： 12点（12/13，93%）油量在10%之内： 8点（8/13，61.5%）水量在10%之内： 5点（5/11，45%）要点（1） 文丘里与电容、电导构成的互相关仪可测量流速、含水率、含气率(差压测密度)。（2） 电容、电导传感器在含气状态下可测量含水率。（3） 与ROXAR原理相近，只是ROXAR用放射性测量密度，而Flowsys用文丘里测密度。（4） 液量、含水率测量准确度分段给出；GVF超过97%不给出液量、含水率测量准确度。（5） 尽管说的测量准确度很高，但实际测试结果很坏。（6） 含水准确度差，对纯油准确度影响很大。2. ROXAR多相流量计原理与构成（1） 电容传感器在油连续相（低含水）时，由电容传感器测量混合流体的介电常数确定含水率；由其组成的互相关技术测定气、液流速。（2） 电导传感器在水连续相（高含水）时，由电导传感器测量混合流体的介电常数确定含水率，电导的测量原理与电容传感器相同；同样由其组成的互相关技术测定气、液流速。（3） 传感器(密度计)密度计用来测量混合流体的密度，由于气、液密度相差很大，因此，可以用来确定气、液比。（4） 文丘里流量计在特定流体情况下，互相关技术失败时，用将文丘里扩展用来测量单相流或均相流体的流量。（5） 压力和温度传感器测量的压力、温度值用于油气PVT运算。仪表性能（1） 操作范围： WLR：0100%；GVF： 0100%（2） 典型流速范围： 低GVF：1.515m/s；高GVF3.535m/s（3） 典型测量不确定度（置信水平90%）：液流量： 3% 相对；气流量：6% 相对；含水率：2% 绝对；（4） 密度计：源： C137，30mci；半衰期： 30.1年；典型产品介绍ROXAR MPFM1900VI典型产品为3”的流量计（1） 主要参数：材料： SS316L（2） 操作范围：含水率： 0100%；工况GVF：090%；液量200015000 桶/天（318-2385m3/d）（3） 测量不确定度：总液量，油和水量： 10%；气量： 15%现场测试评价（1） 现场条件：在沙特阿拉伯海洋油田，经与测试驳船上的测试分离器相串联对油井进行测试。测试油井的生产情况：总液量： 1300-12000桶/天；气油比： 150-350 立方英尺/桶；含水率：0-50%（2） 测试结果共测试351个测次，每个测次运行15分钟，对比结果如下：液量在10%之内： 330点（94%）油量在10%之内： 323点（92%）含水率在10%之内（不是2%）： 325点（93%）气油比在15%之内（原文如此）： 39点（75%）只有52点用于评估。流量计的数据与分离器数据不符，而与历史数据相近。讨论要点（1） 由电容传感器（油连续相）和电导传感器（水连续相）测得混合介电常数；（2） 由密度计测得流体的混合密度；（3） 用电容互相关测定多相混合流体中的大气泡和小气泡的速度（所谓双速度互相关测量）。大气泡（段塞）的速度代表气体速度，小气泡的速度代表了液体速度，从而，确定液体和气体速度。文丘里在互相关失败时，作为补充手段测流量；（4） 电容传感器和电导传感器测量转换的判断问题；（5） 测试结果与技术指标相差悬殊，含水测量准确度是要害点。3. Schlumberger 多相流量计结构与原理（1） 文丘里与双能伽玛相结合；（2） 文丘里测量总流量（质量），并起到三相混合作用；流体的混合密度由伽玛密度计提供；（3） 双能伽玛测定三相混合流的相分率（含气率，含水率）。根据一个放射性同位素的两个不同的能量的吸收率可计算油、气、水的相分数。射线包含了不同的能量，其中的两个能量的吸收率可以以油、水、气体积分率的函数用方程表示；（4） 应用气液滑脱修正模型；（5） 垂直向上安装。现场测试一台Sch. VxMPFM 在Safaniya油田从2003年47月间与Arabiyah-5测试驳船一起进行现场测试。总计在79口生产油井上完成了186个测量周期的评估测试。（1） 有效的产量范围如下：液体：33512333桶/天；气油比：67185标立英尺/桶； 含水率：070%。（2） 在186个测量周期中有160个（86%）可做有效的比较，只有9%的数据超出测量范围。对有效的测量数据的合格评估原则是：液体，10%；气体量，15%；含水率，10%（绝对）（3） 测试结果总液量在10%之内：153点（96%）油流量在10%之内：149点（93%）含水测量在10%之内：160点（100%）气油比在15%之内：53点（63%）讨论要点：（1） 用一个铯源的两个不同的能级建立两方程，求出三相的含气率和含水率；（2） 用文丘理测总流量，铯源密度计提供混合密度；（3） 仪表技术指标和测试结果表明含水率测量准确度低；（4） 有关资料表明，该仪表GVF测量上限为85%；（5） 铯源强度大，防护困难。4. Agar 多相流量计结构与原理AGAR公司生产MPFM301，MPFM401多相流量计，其中后者是高含气型的多相流量计。1. MPFM301流量计（1） 用容积式流量计测量气液混合总流量。（2） 用双文丘里（两个差压流量计）测量含气率；与容积式流量计一起构成的系统测得总液量和气量。（3） 用微波含水仪测量含水率。（4） 数据处理与数学模型。2. MPFM401流量计（1） 高含气流体进行局部分离，在MPFM301流量计前端加一个气液旋流分离器，将高含气流中分出部分气（湿气）。（2） 分出气体的流体变为低GVF的流体，其进入MPFM301流量计测量。（3） 湿气由气路加以测量。气路上配有旋涡流量计测量气体积量；仍配用双文丘里测量湿气的含气率，计算出干气量。（4） 数据处理与数学模型。5. CCM 流量计Compact Cyclone Multiphase Flow Meter由Kvarner和Statoil开发由Phase Dynamics生产分离型仪表结构与原理（1） 采用现有技术，系统是一个两相分离系统，全部用常规的液体、含水、气体测量方法；（2） 使用一台气液旋流分离器将气液分离；在分离器气路和液路上各配置了一台科氏力质量流量计测量气、液流量；在液路上有一台微波含水仪测含；（3） 水率（有时不配含水仪，由科氏力质量流量计测含水）；（4） 气路也用文丘里测量,液体也用涡轮流量计测量。测量性能液体流量：5% (Rel)气体流量：5% (Rel)含水率：3%5% (Abs)对现场要求流体标定: 含水仪需实液标定, 需知油井产水的含盐度。单相流量计标定：需按标准进行周期检定。气动阀门控制：需用仪表空气，压力700kPag。其它信息旋流器直径：3”流量计： 816”（高度3.7m以上）4”流量计： 1218”讨论要点（1） 属于全分离计量,效果取决于旋流器的效能；（2） 有气中带液、液中带气问题；（3） 控制系统复杂，未脱传统分离器控制模式；（4） 流量计需定期标定；（5） 科氏力流量计的影响因素问题；（6） 高度问题。6. Accuflow流量计背景由在油田上推广科氏力流量计而开发的Accuflow Multiphase Flow Meter系统（AMMS）属于分离计量；使用管式分离器将油井来流完全分离为气体和液体，而后，用常规的测量仪表测量每一相的流量；在美国有应用。测量