多相流量计研究与应用
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Si;②各相沿管道轴线的流速Vi;③各相的温度ti和压力Pio各相在实际状况下的体积流量根据以下公式计算:
Qi=ViSi (1)
根据各相的温度ti、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。设管道截面的总面积为So,其中油相所占据的面积Sp,气相所占的面积为SG,水相所占的面积为SW;设管道中油气水三相流的截面含气率为HG。油水混合液中的含水率为HW。我们可以得到以下的关系式:
So=Sp+SG+SW (2)
HG=(SG/So)×100% (3)
HW=[SW/(Sp+SW)]×l00% (4)
综合式(1),(2),(3)和(4),油、气、水三相在实际状况下的体积流量Qp,QG,QW可以分别表示为:
Qp=vpSo(1-HG)(1-HW) (5)
QG=vpSoHG (6)
QW=vWSo(1-HG)Hw (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、流量截面上的含气率和含水率等流动参数的在线监测来实现。
多相流量计的标定及测量技术
1 标定
任何一种多相流量计在成为商品推向应用市场之前,都必须对其进行综合测试和评价,标定出其精度,并在现场运行期间定期地进行检定。目前,英国、法国、挪威和美国等发达国家都投入大量的资金建造了一定规模的多相流测试和计量装置,来进行多相流测试标定技术方面的试验和理论研究。国内也相继建立了一些规模相对较小的装置,如大庆油田工程设计技术开发有限公司的油气水多相流量计现场实液测试校验装置等。
英国国家工程实验室从1991年开始建造油气水三相流量测试和标定装置,1994年建成。目前,它是世界上唯一一个具有标准的多相流量计标定装置,具有较高的知名度和权威性。该装置具有功能齐全、测量范围宽、准确度高、仪器设备先进等优点,是油气水多相流量计标定和多相流测试研究的综合性试验装置。1996年,大庆油田工程设计技术开发有限公司建造了一套DN50型油气水多相流量计现场实液测试校验装置,它直接采用油井采出液配制实验介质,并通过了国家计量科学研究院的鉴定。此后,该装置不断得到改进,并采用了英国NEL的一些技术方案。现在,这一装置已得到国内外同行的认可,在围际多相流计量领域已具有了一定的技术特色和知名度。
此外,法国IFP石油研究院也建造了一套油气水多相流量测试装置,主要用于多相流模拟试验及多相流量计、多相混输泵原理样机的半工业化性能测试。挪威HYDRO石油公司研究中心的高压多相流实液测试标定装置是目前世界上唯一一套高压多相标定装置,具有压力高、规模大、量程宽等特点。美国Conoco多相流标定装置也是一种采用原油、天然气、产出水为介质的现场实液标定装置。另外,挪威HYDRO公司和Framo公司的油气水多相流标定和流量测试装置主要用于各自产品的出厂校验。总之,这些多相流测试标定装置现已成为试验研究多相流工艺参数和多相流计量技术的重要手段之一。
2 相分率测量技术
由于多相流流型复杂多变,不同的流型形成不同体积分数的相分布,各相间存在的相对速度形成不同的速度分布,因此要进行多相流量计量,必须测量油气水三相的相分率和分相速度。相分率参量是表征多相流的重要参量,但该参量的测量是多相流测试的难点。相分率只能通过油气水多相流的物性测试确定。当前,相分率的测量尚没有统一的方法,采用的主要方法有射线吸收法、电学法和微波衰减法。
(1)射线吸收测量相分率技术。射线穿过多相流体时受到流体吸收,吸收的程度与多相流的密度有关。根据射线的吸收程度,可得出流体混合物的密度,进而计算出多相流的各相分率。
(2)电法测量相分率技术。在大多数情况下,气液相混合物中两相介质的介电常数和电导率差别很大,利用这种性质可测量出混合物中的气液相分率。根据测量原理,电学法可分为电容法和电导法,其中电容法由于没有易损件而获得广泛应用。通常浸在气液混合物中的二电极可视为一个电容器。电容值的大小与混合物的介电常数有关,而介电常数是气相介电常数、液相介电常数和气相分率的函数,因此测量电极间电容值的大小,就可以得到混合物的气相分率。
(3)微波衰减法测量含水体积分数。微波衰减法主要用于测量含水体积分数,因为某一固定频率的微波经过不同含水体积分数的液相,可以产生不同的衰减,亦即衰减幅度与含水体积分数有关。微波衰减法能够适应很宽的含水体积分数测量范围,在低含水(<25%)和高含水(>75%)的工况下,测量精度更高。
3 流速(或流量)测量技术
流速(域流量)测量分为均相流测量法和分相流测量法。均相流测量法,即在测量前采取措施(如静态混合器)预先将多相流混合物混合均匀,按均相流模型―单相流处理,测量均匀混合物的流速。原则上,单相流速的测量方法如节流法、容积法等,皆适用于均匀混合物流速的测量,但当前多相流量计多采用文丘利管法测量均相混合物流速。分相流测量法根据测量原理的不同,主要有相关法、节流法和容积法。
(1)相关法。沿多相流管道相隔一定距离布置2个特性相同的传感器,分别检验多相流相分率和相空间分布等变化的随机流动噪声信号。根据相关技术确定上下游噪声信号的渡越时间,即可求得相关速度。多相流相分率及压力信号可作为流动噪声信号进行相关处理。常用传感器有测量相分率信号的γ射线和电容/电导传感器及测量压力信号的压力变送器等。当前超过半数的多相流量计采用相关分析设计。通常用于相关分析测量的参量也用于相分率推算。该方法的优点是只有信号中的交流成分作为信息用于相关函数中,对热力影响和零点漂移不敏感。
(2)节流法。流体通过节流件(如孔板、文丘利管和喷嘴)时会产生压降,由多相流量与压降的关系即可测得多相流量。文丘利管法就是当前使用最多的多相流量测量法。文丘利管结构简单,体积小,维护方便。
多相流量计的应用
多相流计量可分为取样计量和直接在线计量两种方法。取样计量一方面测量主管线内混合物的体积流量和密度,另一方面由一个微型气液分离器从主管线上取样并将其分离成气相和液相,然后由伽马密度仪测量出液相中的油、水各自的密度;同时结合温度和压力测量,以此间接计算出油、气、水各相的体积流量。这种计量技术始于1980年,目前有被直接在线计量技术所取代的趋势。
直接在线计量是利用内在的流体性质获得各相的流量,因而没有设备对流体的干扰和对出油管线进行大的改造。直接在线计量主要有混合均质式、容积式、脉冲中子束触激式和组合式等。
1 福兰墨公司的MPFM型多相流量计
这种多相流量计由在线静态混合器、多源伽马组分计和文丘里动量计三部分组成。混合装置使计量系统完全不受上游流态的影响并为计量段提供均质流。多源伽马计由一个伽马同位素和一个耐震探测器构成,用来确定油、气、水各自的体积百分数。油、气、水各自的组分水岭根据不同伽马能的相对衰减程度计算求得。文丘里流量计与伽马组分计相结合,获得油、气、水各自的流量。
2 Fluent公司的MPFM 1900型系列多相流量计
MPFM 1900型计量系统由测量流体介电常数(电容率)及气液各相流速的电容传感器和传感器电子计、测量流体密度的伽马密度计、执行数据分析的计算机和将传感器电子计、伽马密度计连接至计算机的电缆等组成。电容传感器探测油气混合物中是否有大、小气泡高速流过,以此确定流态,然后分析计算和测定流体的流速。流体密度和介电常数分别由伽马密度计和电容传感器确定。Fluenta公司多相流量计的主要特点之一是,它有一套先进的专利软件程序。
3 Multi-Fluid公司的LP和FR型多相流量计
这种多相流量计的主体结构由两个独立的仪表组成,其中一个为组分计,用于测量传感器中油、气、水瞬时体积或质量分数;另一个为速度计,用于测定油、气、水混合物通过传感器的速度。该流量计确定油、气、水间相对分布的方法类似于Fluenta公司的流量计。流量计长66.7cm(26.3in),公称直径101.6mm(4in),额定压力ANSI600。它无可动部件,壳体由316L不锈钢制成,重约100kg。FR型多相流量计是在LP型多相流量计的基础上研制的。它以微波技术为基础,由组分计,伽马密度计和1个或2个流速计组成。组分计从混合物密度和介电常数中获得油、气和水各相的体积流量,其中混合物的介电性质由微波监测专利技术测得。1994年,FR型流量计样机分别在Elf石油公司的Peeorade油田和Statoil的Gullfaks油田进行了试验。1995年3~6月又在Hydro公司所属的波尔斯格论研究设施上与其它3家公司(福兰墨、Fluenta和KOS)的流量计一同进行试验。LP型多相流量计已得到了Statoil对其在油井计量方面的质量认证,1套152.4mm装置将近期在Gullfaks安装使用。1995年初Saga石油公司在Snorre平台投产了这种型号的多相流量计。
4 KOS公司的MCF型多相流量计
近年来,挪威KOS公司与Norske壳牌公司联合开发出 MCF350型和MCF351型两种多相流量计,其中,MCF351型是前者的改型产品。MCF351型多相流量计系统由一个不锈钢双法兰短节、EX级信号处理电子装置和一个以PC机为主的控制装置组成。PC机用来计算和显示计量结果。目前,MCF351型多相流量计只能在气团流态下使用。但是,将操作范围扩大至其它流态(诸如层状流、冲击流、气泡流和环状流)的开发工作正在进行中。
5 ISA公司的Scroll Flo型多相流量计
这种多相流量计由英国BP开发研制,ISA公司生产。它是根据众所周知的容积式计量原理,同时结合密度测量,以此得出油、气、水混合物各相的质量流量。
6 AGAR公司的MPFM-301型多相流量计
MPFM-301型多相流量计主要由2PFM-201流量计和OWM-201微波含水分析仪两部分组成,其中前者为一种气液两相流量计,用于测量从泡流至塞流所有流态中的气体流量和液体流量,后者由一个2kHZ的微波变送器和一个接收器构成。
7 AEA技术公司的脉冲式多相流量计
这种多相流量计安装在管线的外侧,这样就不会对管线内的混合物产生干扰。该流量计采用一个脉冲中子束对通过管线的氢原子、碳原子和氧原子进行计数,以此测出气体、液体和固体的体积。混合物中的含水量通过对氯原子的计数求得。辐射短脉冲“触激”氧原子,同时计量以此测出混合物的流速。将两种测量结果相结合便可精确地计算出管线内的流量。
多相流量计存在的问题
目前,由于技术水平的限制,多相流量计尚存在一些问题。
(1)现有的大多数多相流量计都需要测量若干数据后,再根据这些数据计算出各相的流量,使计量精度受到很大影响,目前市场上大多数多相流量计在大部分流态下各相测量误差为±10%。
(2)所有目前用于多相计量的技术都要求必须掌握流体的特性,如介电常数、质量吸收系数等,才能比较精确地计量。如果流体特性出现变化或多相流量计用于多井计量,必须频繁地评价和标定多相流量计的传感器。
(3)目前市场上几种主要多相流量计的最高适用含气率为0.9~1.0,随着含气率的增加,液相的计量精度将受到影响。
(4)多相流量计普遍采用像微波等辐射源,而有关法规对使用辐射源有严格的限制。
(5)现有的多相流量计标定设施只能较好地标定组分测量仪器,而对流速测量尚未有令人满意的标定方法。此外,很多情况下是采用计量分离器来标定,由于计量分离器计量不准确,标定没有实际意义。
多相流量计的选择
目前国际上衡量多相流量计好的标准主要有:①是否通过权威机构的第三方试验室的测试和评价;②是否通过公正、独立的工业现场对比测量;③是否经过长期的和批量化的工业性实验。
不同测量原理的多相流量计有不同的适应工况,选型时应综合考虑以下因素:
(1)安装位置,包括陆上、海上平台、水下等,水下测量应选用电学法测量多相流量计。
(2)流体物性,原油黏度、乳化、起泡、水含盐量等物性是主要考虑因素,具体选择方案见表1。
表1 流体物性对多相流量计选型的影响
液体物性 适应流量计(测量方法) 不适应流量计(测量方法) 高黏原油 微波衰减法,双能γ密度仪,电容法 相关流量计 乳化原油 双能γ密度仪,均相流法 电容/电导法,相关流量计 起泡原油 双能γ密度仪 相关流量计 水含盐体积分数已知 微波衰减法,双能γ密度仪,电容法 电导法 水含盐体积分数未知 微波衰减法,多能γ密度仪 电容/电导法,双能γ密度仪
(3)流动工况,含气体积分数和含水体积分数的高低是影响精度的重要因素。高含气工况应考虑先部分分离天然气,再进行多相计量;高含水了况,应选用微波衰减法测量含水体积分数;低含水下况应选用电容法或微波衰减法测量含水体积分数,显然用射线吸收法和电导法测量极端含水下况是不适宜的。
(4)测量不确定度,多相计量的复杂性使多相流量计至今尚没有统一的精度等级,因此选用前应针对具体的流动工况和流体物性进行标定。
(5)应参考第三方试验室的结果及现场使用情况,实践证明,经过长期、批量化工业性实验的多相流量计产品,在今后的使用中可以大大降低使用风险。
(6)要重视多相流量计的售后服务工作,售后服务包括现场安装,调试,试运行,定期的维护和定期标定以及出现问题后的及时解决等。实践证明,多相流量计是一种实证产物。从某种意义上说,多相流的不可确定性和复杂性,决定了多相流量计在实际使用过程中出现问题的可能性比常规仪表要大,问题的复杂性往往也较大。这就要求厂商能够提供高水平的、及时而优质的售后服务,同时售后服务的费用又不能过高。这一点在选择多相流量计时,也应该作为一个重要的因素认真考虑。
(7)在重视多相流量计测量精度的同时还要重视其重复性和稳定性,多相流量计的测量精度是一个比较复杂的问题,它包括在实际操作条件下及适用范围内气相流量、液相流量、含水率、含气率等的测量精度和测量范围等多个指标,而这些指标又都是有前提条件并互相关联的。对于厂商标明和声称的精度,我们的工程技术人员要做认真科学的分析,以便得出一个正确的判定。也正是由于多相流的复杂性和不可确定性,我们对多相流的测量精度不能过于苛求,并且要允许存在超差。当然,对超差比例一定要尽可能地控制在极小范围内。正因为这样,多相流量计目前只用作井口计量而不是用在商业计量上。在使用上既要关心测量精度,又要重视多相流量计的重复性和稳定性。另外,对于由操作条件变化、物性变化或者测量范围变化带来的对测量精度的影响程度,也应要求厂商给予说明,多相流量计是否需要现场标定,如何进行,也要进行了解。
发展趋势
多相流量计作为一种全新的计量设备,它的出现已引起世界石油工业界的高度重视。与传统的计量分离器相比,它的优势是显而易见的,在海上和陆上油田开发中具有广阔的应用前景。但多相流量计作为一种新技术、新产品,用的时间比较短,世界各大石油公司对其采用的是一种边研究、边验证。边推广使用的方法;同时各个生产厂家的产品因其测量机制不同,而又有各自的适用范围,国际上至今没有一套统一的标准和规范,在使用中难免会出现一些问题,存在一定的风险,当然这是任何新产品在应用推广时都会遇到的。对多相流量计的研究还是一项长期的工作,今后其发展趋势是:
(1)智能式。要确保测量模型和方案的正确性,需重视特征参数的选取。由于多相流动状态的不确定性及不稳定性,为了确保多相计量的准确性,应用智能化的测量方法进行数据处理,特别是应用模糊数学理论、人工智能技术、网络技术及小波分析理论。
(2)组合式。组合式一方面是指功能上的组合,例如将流速表和组分表组合起来使用;另一方面是指组合多种方法和技术来完成一种功能。尽可能地应用单相计量和气、液两相流动测试比较成熟的方法和技术,为实现在线实时计量,应满足信号连续采集。为适应数据实时处理,应与计算机合为一体。可操作性强。
(3)通用性。目前的多相流仪表的测量范围受到很多限制,如受含气率、含油率、含水率、劲度、盐度等的影响。因此,开发和研制大范围的多相流仪表势在必行,增加其通用性。同时,应建立比较完善的检测装置,对多相流量计进行标定,保证准确性。
(4)经济性。降低成本,加快工业化进程。在进行实验室研究工作后,需做大量的工作,尤其是现场实验,因为在实验室有许多方面没能考虑到,这是应该注意的。
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