多相流量计的应用研究
1 多相流量计的分类[1,2]
多相流量计大致可以分为3类:分离式多相流量计、在线式多相流量计和其它型式的多相流量计。
1.1 分离式多相流量计
分离式多相流量计的特点是对多相流不论是全部或部分分离都能在线测试三相流中的每一相。在每一座生产平台附近都有测试分离器,它是三相流量计计量的基础。它能将油、气、水混合物分成三相,并在出口测量出油、气、水各相流量。
1.1.1 分离总流量式多相流量计
该种类型的多相流量计能将多相混合物的总流量分开,通常只分为气相和液相,然后再使用一个单相气体流量计测量气体流量,该种气体流量计应能承受气相中夹带一定量的液体,另外再使用一个单相流体流量计测量液相流量,液相含水率可用一个在线水组分测量仪完成。
1.1.2 在线取样分离式多相流量计
这种型式的多相流量计特点是其分离不是在总的多相流管线上,而是在取样旁通管线上,将取样后的流体分为气相和液相,液中含水率可用在线含水分析仪测出,而多相流总液量和气液比必须在主流量管线上测得。为了确定油、气、水三相混合物的质量和体积流量,要求进行三方面测试:
1)气/液比(GLR)测量―可用伽马吸收法、振动管、中子探测脉冲或称重法;
2)多相流量测量―可用放射性、声波、电子信号相关法、文丘里管、V锥体或机械式(例如:容积式或涡轮流量计)等方法;
3)液中含水率(WLR)测量―可用电阻或振动管法。
1.2 在线式多相流量计
在线式多相流量计的特点是在多相流管线上不经任何分离,直接测量各相的比例和流量。各相的体积流量是用各相的速度乘以面积比例表示的,这就意味着最少要测量或估计6项参数,有些多相流量计假设二相或三相以相同的速度移动,这样就能减少测量参数。在这种情况下,一种办法是必须采用混合器或是建立一组标定系数。在线式多相流量计一般联合采用下列二种或多种测量技术:微波技术;电容;伽马吸收;中子探测脉冲;放射性、声波或电子信号相关法;文丘里管、V锥体或Dall管压差法;容积式或涡轮流量计。
1.3 其它型式多相流量计
其它型式多相流量计包括先进的信号处理系统,能从多相流管线上测得信号,即用时间变量信号处理器的分析功能估算出各相的比例和流量值。信号处理器可以是一个中枢网络,或另一模拟识别,或静态信号处理系统。例如:多相计量系统同样也是在处理模拟程序的基础上一并采用参数估算技术发展起来的,以此代换预测管线终点的流态,将管线终点的压力和温度测出后输人到模拟程序中,位于上游或下游的压力和温度也应测出。当沿管线走向图的流体性质已知时,就可估算出各相的比例和流量。
2 多相流量计的应用[3-5]
自20世纪80年代开始研究多相流计量技术以来,多相流计量技术已进入一个相对成熟的阶段。多相流量计不仅在陆上油田,而且在海洋平台及水下设施上都得到了应用。经过充分调研和比较,笔者认为以下公司研制的多相流量计技术相对比较成熟,商业化程度较高,并且都经过了现场工业测试和第三方实验室的性能测试。国外公司主要有:挪威ROXAR(原MFI),挪威FLUENTA(目前已与ROXAR合并),挪威FRAMO,美国AGAR,英国JISKOOT等;国内主要有兰州海默公司。此外,KVAERNER、DANIAL、KONGSBERG公司、西安交通大学等都在积极开展多相流量计的研制、开发和商业运作工作。下面简要介绍这些公司产品的工作原理、特点和应用情况。
1)挪威ROXAR公司的MFI多相流量计
测量原理及技术特点:流速测量采用微波互相关法,相分率采用微波传感器加伽马密度计法。可选用文丘里流量计扩展总流量的测量。该多相流量计结构紧凑,无可动部件,压力损失较小。测试情况:先后在Statoil.ELF、Agip、Shell、BP等公司的油田及Porsgrunn高压多相流量计试验环道、NEL多相流测试环路、大庆油田设计院多相流量计实液测试装置上进行对比测试。应用情况:已在陆上、海上油田使用,已销售130多套(包括用于实验),文昌油田井口平台采用了该公司的产品。
2)挪威FLUENTA的MPFM-1900/1900VI多相流量计
测量原理及技术特点:流速测量采用电容互相关法,相分率采用电容、电感传感器加伽马密度计法,同时可选用文丘里流量计测量总流量。该多相流量计结构紧凑,无可动部件,压力损失小。测试情况:MPFM-1900/1900VI流量计先后在BP公司、Statoil公司、ELF公司的油田及Conoco、Texaco、NEL及Porsgrunn的多相流量计试验装置上进行对比测试。应用情况:已在陆上、海上油田使用,已销售90多套(包括用于实验),秦皇岛32-6油田的井口计量就采用了该公司的产品。
3)挪威FRAMO公司的MPFM多相流量计
测量原理及技术特点:采用文丘里管测量总流量,用双能伽马仪测相分率。该流量计结构精巧,无可动部件,压力损失小,其静态混合器是该公司的专利产品。测试情况:1992年开始在油田进行试验,随后分别在Texaco、NEL及Porsgrunn的多相流测试装置上进行对比测试。应用情况:已在陆上、海上油田及海底使用,目前已销售50多套(包括用于实验)。
4)美国AGAR公司的MPFM-301多相流量计
测量原理及技术特点:采用正排量(PD)流量计测定总体积流量,由2个文丘里管组成的双动量流量计测定含气量。再用专业微波原油含水分析仪测定含水率。该流量计系统相对庞大,结构复杂,压力损失较大,而且有可动部件和电控阀门。测试情况:分别在Shell、Amoco公司的油田及Conoco、Texaco及NEL的多相流量试验装置上进行了对比实验。应用情况:已在陆上、海上油田使用,其各种型号的多相流量计已销售了90多套(包括用于实验)。
5)英国JISKOOT的Mixmeter多相流量计
测量原理及技术特点:差压变送器测定总流量,用双能伽马射线相分率计测定含水率和含气率。该多相流量计结构较紧凑,无可动部件,压差损失较小。测试情况:该产品已在英国MEL多相流实验室。意大利Trecatc多相流试验装置上进行了性能评价试验。应用情况:该产品已有数十套在油田使用[6]。
6)兰州海默的MFM2000多相流量计
工作原理及技术特点:采用单能伽马互相关流量计测定各种流速,双能伽马射线相分率计测定含水率和含气率。当低含气时,可采用转子流量计(或其他流量计)测定总流量。该产品结构较为紧凑,压力损失较小。测试情况:分别在塔里木轮南油田、NEL多相流测试装置、大庆油田设计院多相流实液测试装置上进行了对比测试。应用情况:已在陆上和海上油田使用。涠洲11-4东平台采用了该公司的多相流量计,是我国海上平台第一次使用多相流量计,且正在运行中。另外,秦皇岛32-6油田井口平台和绥中36-1Ⅱ期井口平台的总流量计量也采用了该多相流量计。
3 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,使计量准确度受到很大影响,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,液相的计量准确度将受到影响。
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。
4 多相流量计的发展趋势[1,6,7]
多相流量计技术从理论提出到研制开发和目前的实际应用,经历了近20年。尽管其产品的商业化程度越来越高,但作为一项新技术、新产品,仍需不断完善和改进。目前石油工业界已经认识到并接受了这样一个现实:任一种类型的多相流量计,都不可能在所有的多相流条件下均表现出最佳的工作性能。现有的各种多相流量计实际能达到的准确度和适用的范围都有一定限度,每一种流量计分别适用于特定的流量范围或者流型。这种情况在很大程度上限制了多相流量计技术在油气生产实践中的推广和使用。因此,如何进一步提高多相流量计的测量准确度并拓宽多相流量计的工作范围,是目前多相流量计开发和制造商所面临的重要的挑战。今后,多相流量计的研制和开发趋势应具有以下特点。
1)通用性。目前多相流量计的测量范围受到很多限制,如受到含气率、含油率、含水率、黏度、含盐度等的影响;因此,开发和研制适用范围广的多相流量计势在必行,要增加其通用性,应建立比较完善的检测装置,以便对多相流量计进行标定,保证准确性。
2)智能性。要确保测量模型和方案的正确性,需重视特征参数的选取。由于多相流动状态具有不确定性及不稳定性,为确保多相计量的准确性,应采用智能化的测量方法进行数据处理。
3)组合性。组合性一方面指功能上的组合,例如将流速表和组分表组合起来使用;另一方面指组合多种方法和技术来完成一种功能。应尽可能地应用单相计量和气、液二相比较成熟的测试方法和技术实现在线实时计量,满足信号连续采集的要求。
4)经济性。降低成本,加快工业化进程是今后发展的趋势。在完成实验室研究工作后,需做大量的工作,尤其是现场实验,因为在实验室有许多情况都与现场情况有所不同。
5 结束语
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。
参考文献
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[5] 金玲,赵铁锋译.当前多相计量技术.国外油田工程,2003,19(9):39-40
[6] 杨思明,译.多相流量计的应用与未来发展.国外油田工程,1999,9:37-39
[7] 姚海元 宫敬.多相流量计及其标定装置.油气田地面工程,2004,23(9):33-34