多相流量计的原理与开发应用简介

      国内外多相流量计早在20世纪60年代就曾进行过研究，但由于当时的技术条件限制，未获得可供应用的成果。近年来，相关流量测量技术、计算机自动控制和数据处理技术的发展，刺激了多相流测量技术的开发与研究，美国、挪威、法国、英国、俄罗斯等国家的一些大石油公司，相继投人大量的人力、财力进行多相流量计的研制和开发，并建立了一批多相流检定装置，使得这一技术获得实质性的进展，研制出一批可供生产应用的试验样机。当然就目前来说，大多数的测试技术仅局限于实验室研究，为数不多的商品化的多相计量仪表在工业应用中也存在着一定的局限性，并且造价昂贵。

      从计量方式看，多相流量计可以分为全分离式、取样分离式和不分离式三种。

      全分离式多相流量计是在井液进入计量装置后先进行气液分离再分别计量气液两相的流量，测出液相的含水率，求出油气水各相含量。其典型代表为Texaco公司研制的SMS多相流量计，它是较早用于现场测试的一种多相流量计，它是将流体分成气、液两相，然后用流量计液相测液体流量，用微波监测仪计量液相的含水率，气相用涡轮式流量计计量。目前其计量精度是，含水率精度±5% 、油和水流量精度±5%、气体流量精度±10%。

      取样分离式多相流量计是在计量多相流总流量和平均密度的基础上，提取少量样液加以气体分离，并测定油气水各相的百分含量，通过计算获得油气水各相的流量。其中Euromatic公司开发的多相流量计较有代表性，它是最早用于现场测试的一种多相流量计，它由透平式流量计和γ密度计组成。透平式流量计用来测量流体的体积流量，γ密度计测量流体的密度。透平式流量计附近装有旁通管线用于分离液体测取密度。

      不分离式多相流量计是在不对井液作任何分离的情况下实现油气水三相计量，是多相流量计的发展主要方向。其技术难度主要体现在油气水三相组分含量及各相流速的测定。目前，相流速测量技术主要有混合+压差法、正排量法和互相关技术，其中互相关技术应用最多。Framo公司的多相流量计、Kongsberg公司的MCF多相流量计、Multi-fluid公司的LP多相流量计都属于这种类型。

      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的测量误差为±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，标定也就没有实际意义。

      在国内，从20世纪90年代初，西安交通大学、清华大学、天津大学、浙江大学和石油大学等都在积极地开展油气水多相流量计的开发研制工作，虽取得了一定的进展，但还处在实验研究阶段，离工业应用还有一定的距离。

      总的来说，多相流量计正处于研究和开发应用阶段，但可预计多相流量计在沙漠和海上油田及陆上边际油田将有很好的应用前景，我国应加速这方面的研究。

      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Pi。各相的体积流量可根据下式计算：

                Q_i＝A_iV₁                      （1）

式中Q_i――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：

      A＝A_o+A_g+A_w                         （2）

      上述式中  A――管道截面面积；
                    A_o――油相所占的面积；
                    A_g――气相所占的面积；
                    A_w――水相所占的面积；
                    α_g――管道中油气水三相流的截面含气率；
                    α_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：

          Q_o＝V_oA（1－α_g）（1－α_w）  （5）

          Q_g＝V_gAα_g                            （6）

          Q_w＝V_wA（1－α_g）α_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。

      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的。
      （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τo的流动噪声信号。建立两信号的互相关函数，进而求出τo，则可得平均流速V＝L/τ_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。

      如何组合上述测试方法，是研制具有通用性、经济性和高精度多相流量计的关键。

      多相流量计的应用情况

      近几年来，多相流量计的应用逐年增加，根据2000年的资料，全年共投入807台，其中陆上542台，海洋平台210台，海底为55台。国外早期开发多相流量计的主要目的是为了大幅度降低近海油田的开发成本。从实际使用效果来看，多相流量计应用于海底的经济效益远大于陆上和海上平台，因为海底多相流量计可以更大幅度地降低油田的开发成本。但实际海底应用多相流量计迟于陆上和海上平台，数量相对较少，原因是多方面的，主要是海底多相流量计的价格、安装成本、操作和失效维护成本都比较高，大大增加了其应用的风险程度,同时海底应用要求多相流量计的质量更加可靠，应用也就比较谨慎，但海上的应用前景是比较乐观的。

      国内海默公司的多相流量计首先在新疆塔里木石油会战指挥部的塔中油田、轮南作业区等安装，与传统的三相分离器分离、单相计量系统现场实液对比，收到了很好的效果。目前已在大庆油田和胜利油田相继进行了现场实液多相流测试和实验，进行综合性能评价，相信在不久的将来就会有测试报告公布于众。

      总之，多相流量计是一项计量科学的前沿，具有很大的技术难度。目前所有的多相流量计采用的技术都有长处和不足，从大量的试验数据分析，没有一种多相流量计能在所有流量组分和流态条件下对多相流准确计量，都有一定的使用范围和使用条件的要求，在合适的流态条件和流量及组分范围内，多相流量计能达到的各单相流量的计算准确度为5%～10%。总的来看，多相流量计正处在研究和开发应用阶段，但可预计多相流量计在沙漠油田和海上油田将有更好的应用前景，相信石油工业的广阔市场激励着广大科技工作者努力拚搏，不久的将来就会有性能更好的多相流量计推向市场。

      参考文献

      1 郭殿杰，多相流测量在石油工业中的应用前景，国外仪器仪表.1997.
      2 王世绪，三相不分离多相流计量计的软硬件设计，仪表技术与传感器.2000.
      3 王晓东，石油多相流量计研究现状与发展趋势，油气田地面工程.1999．