石油工业多相计量技术进展
进入21世纪以来,油气资源日益短缺,特别是近年来石油价格的飞涨,必将促使各大石油公司加强技术研发的投入,以期通过实施一系列高新技术提升产能及管理品质。多相流量计可以满足现有油气田的增产增效和海上油田、陆上边际油田生产管理的潜在需求。在一些新油田的开发中,多相流量计被作为首选的油井计量技术来考虑,因为传统的计量手段已不再适用油田开发新形势的要求。
1 多相流量计的发展与现状
石油工业中多相流量计的发展可追溯到20世纪70~80年代,当时的能源危机推动石油公司开发海洋石油,常规计量分离器不适合在海洋平台以及海底使用,促使人们开发研制结构紧凑的多相流量计。美国的TULSA大学、BP和TEXACO石油公司等率先进行了多相流测量技术的研究。20世纪90年代,在各大石油公司的支持下,多相流量计的研究、开发和商业化应用得到迅速发展。尤其是20世纪末的几年里,是多相流量计使用的快速增长期。进人21世纪以来,多相流量计在国内各油田得到了广泛的应用。例如:Framo多相流量计在欧洲北海石油平台(North Sea)与爱尔兰海石油平台(Irish Sea)上的批量应用,GLCC 多相流量计在加州Bakersfield以西油田的批量应用,TFM-500型多相流量计在我国胜利油田、冀东油田的批量应用等。特别是在深海油田应用高性能的多相流量计,可以对复杂的海底石油管道流程进行控制与管理。
2 多相流量计的特性
多相流量计是由几种测量手段及数据采集处理装置联合组成的紧凑型测量系统,是石油工业多相计量的关键技术,用于油、气、水各相流量的在线实时测量。
两个重要因素推动了石油工业多相流量计的发展,一是多相流量计的使用可节约油田生产开发的成本;二是更有利于油气田管理决策、流程控制。多相流量计与计量分离器相比具有的优点:可连续、在线、自动测量;结构紧凑、占地面积小;维护工作量少。对于浅海和深海油田,海上铺设油气管道异常昂贵,应用多相流量计安装于井口,可以使生产流程中省却测试管线。陆上许多新开发的油田属于经济型边际油田,这类油田不能承担传统分离技术所带来的高昂费用。多相流量计可以节省相关费用,因为使用它就不需要安装计量分离器。在井口可方便地安装多相流量计,或者使用一台移动式车载多相流量计监测多口油井,或者在中转站监测油田特定区域的生产特性或原油产量。
从管理的角度来看,油气藏工程师及相关管理部门需要随时监测每口油井的特性,以便优化油田的生产与开采寿命。安装于井口或管道上的多相流量计可以提供连续的数据输出,给出油井的动态信息。通过对油气水产出流量的实时测量与数据传输,快速调整油气藏的管理和产能配置,诊断病态生产工况,实施油气井的维护和流程控制,优化生产过程,这些是传统的分离计量技术无法相比的。
无线通信和无线网络技术的迅速发展推动油气资源管理的资讯化。新的油井优化系统、智能井系统与全球网连接,是油气田生产管理资讯化的发展趋势。每口油井都使用一台多相流量计,获得准确的油、气产量,可使高层管理人员能实时依据国际石油行情的变化及时调整单井和油田区块的量化配产,以实现油气勘探和生产效益最大化。
3 多相流量计测量原理
多相流量计按基本功能与测量原理大体上可分为3类:
(1)分离式多相流量计 对多相流进行全部或部分分离,对分离后的不同流束进行在线式狈量,例如:Agar-300、Texeco SMS、Chervron GLCC多相流量计。
(2)在线式多相流量计 不需要分离即可对管道中的多相流量与相比率进行测量,例如:Fluenta MPFM1900、Framo流量计、Kongsherg MCF-351、西安开尔TFM-500等。
(3)特殊类型的多相流量计 利用神经网络技术、流型识别或统计分析技术对依据时间而变的传感器信号进行处理,得到多相流体的流量,例如:挪威科技大学的PPT多相流量计,英国石油软件公司开发的ESMER-T3A多相流量计。
多相流量计与单相流量计的重要区别在于:单相流量计是通过测量压力、黏度、压缩性和装置的几何尺寸来测量流量,其不确定度的主要影响因素是测量元件;多相流量计不确定度的主要影响因素则是流体物性(黏度,密度)和测量条件(流型,密度波动,压力波动)。多相流存在不同的流型或流态,流态的非均质性是引起多相流随机不确定度的基本原因之一。不同流型间的相态分布特征和流体动力学特性有很大差别,即使对应于相同的流型,其水动力学特性也不相同,难以象单相流体那样,以无量纲准则数准确刻画其流动规律性。鉴于多相流体动力学特性的复杂性,准确计量多相流要比单相流的计量难度大。
对于多相流量计的测量准确度,从现有的资料看,国际上基本认为,油相、水相和气相的测量不确定度小于10%,即可为油井测试。故障诊断和油气田的管理监测等提供有用的在线测量数据。
4 多相流量计的应用
石油工业中应用多相流量计从理论提出到实际运用经历了约20年。目前,尽管其产品的商业化程度越来越高、潜在的市场需求越来越大,但作为一项替代传统分离计量的新技术,仍需要不断完善和发展。
多相流量计面临的挑战是多方面的。市场上一些流量计还很昂贵,国外的多相流量计一般单台价格为几十万美元,而国内开发的多相流量计单台通常也需要几十万元人民币,降低价格是改进多相流量计的一个主要目标。
各种多相流量计实际能达到的准确度和适用性都有一定限度,例如:TEA多相流量计可测最大含气率为15%;如果应用静态混合器,可测最大含气率为30%。有些流量计对油水比的范围有一定要求,例如:MFI-LP型流量计仅能在含水率为40%~60%的条件下使用,FR型流量计由于应用微波测量技术,在含水率为0%~100%的范围内都可以使用。提高测量准确度是多相流量计要实现的另外一个主要目标。目前,多相流量计在测井或油气田管理上有了相当多的应用,但是还不足以用于原油和天然气的贸易计量或配产计量。随着应用的不断增长,要求多相流量计能够用于不同石油公司间的配产计量,在这种情况下,油相、水相和气相的测量不确定度在10%以内是不够的,测量的不确定度必须更小才能实现这一目标。
由于多相流动条件的复杂性和流型的多样性,同时,基于力学原理与传热学原理的测量方法易受物性影响,电容、阻抗等电学原理的测量方法易受流体矿化度的影响,在某些条件下测量准确度较高并不能表明其通用性。就国内外而言,所有的多相流量计都有特定的流量范围或者流型的限制。多相流量计的选型应综合考虑经济性、准确度、稳定性、适用性、免维护以及环保要求等因素。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挑战。
井下多相计量技术是多相流量计的另一个挑战。井下多相流量计可提供油气藏各层段油气水产出量的详细资料,以便监测油气藏各层段的生产开发状况,诊断油气井的动态异常,采取相应的调整措施,实现增加油气产量、提高采收率的目标。因此,井下多相流的实时测量数据对于生产优化同样具有重要意义,特别是对于成本高、油藏深以及有多个横向井的情况更是如此。目前,井下多相计量技术的最新进展是井下光纤流量计。
多相流量计以多相流体计量测试技术为基础,常用的测试技术:以γ射线能量衰减法、电容技术、电导技术或微波衰减法等测量密度、含气率、液相中的含水率等;以节流法、相关法、正排量流量计等测量流速。近年来层析技术在多相流测量中的应用得到了广泛的研究[21] ,包括超声波层析、光纤层析、X射线层析、γ射线层析以及红外层析等。另外,核磁共振法也已应用于多相流的测量[22]。这些方法应用于商用多相流量计可以提高其测量准确度。从测量途径上,多相流计量测试技术可分为两类:一是相速度与相比率等参数的测量各自独立;二是所测参数是多相流各相流量的函数。目前,多相流量计以各参数独立测量为主,随着多相流研究的不断深入,采用测量多相流各相流量参数可能更有助于提高在线式多相流量计的准确度。
5 评估与认证
多相流量计的评估是一项复杂的工程,包括在实际工作条件下气相流量、液相流量、含水率、含气率等参数的测量准确度和测量范围等多项指标。实现多相计量技术评估方法的标准化与规范化是计量学需要解决的问题。
目前多相流量计正处于发展阶段,国内外都没有相应的标准和规范。实验室测试的可实现性与现场测试的准确度等问题,促使人们思考现阶段如何评估多相流量计。挪威石油与天然气计量测试学会组织相关单位共同编写了一套多相流计量手册(Handbook of Multiphase Metering),对多相流量计的安装标定等有关问题进行了一些定义和说明,推进了多相流量计测试标定的规范化进程。API(美国石油学会)成立了多相流计量测试委员会,正在制定相关规范。美国MMS(Minerals Management Service)是认证多相流量计的官方机构,他们认为,如果相关部门达成一致的意见,则MMS可认证多相流量计作为测井使用。多相流量计的研究开发者与使用者就多相流量计的检定与应用场合等问题达成共识:检定多相流量计的目的是通过实验室或油田现场的对比测试,使多相流量计有资格应用于油气井生产和流体输送。这一共识构成了在线多相计量技术合作协议的基本内容。
我国油井的原油计量,大部分还是采用分离器对两相或三相进行分离计量。无论是两相计量还是三相计量所达到的计量不确定度,能够满足我国SYJ4-83《 油田油气集输设计规范》中所提出的目标不确定度,即计量综合误差应小于±10%。英国贸易工业部石油天然气局《石油计量指南》(1997年版)提出,油井原油计量的目标不确定度为5%~10%。可见目前的多相流量计已基本满足国内外油井原油计量的目标不确定度水平。
鉴于现阶段多相流量计还没有法定的标准规范,对多相流量计只能进行性能评估或对比测试。国内外大部分多相流量计是通过与在现场分离计量进行对比以评估其性能,或者委托权威机构对厂家生产的多相流量计准确度、稳定性、重复性及超差比等进行测试,然后应用于井口或管道测量。国内权威的实验室评估测试系统是建在大庆油田第二采油厂的油气水多相流量计现场测试校验装置,直接用原油、天然气和产出水作为介质进行测试对比。国外权威的实验室评估测试系统是Texaco、NEL、Conoco及Porsgrunn的多相流测试装置。多相流量计的检定是使用移动式分离计量装置作为二级标准装置,在现场与多相流量计进行对比测试,定期检定多相流量计的性能。
6 结论
(1)多相流量计可以提供连续的数据输出和油井的动态信息,对于油气藏的管理和产能配置、病态生产工况的诊断、油气井的维护和流程控制等有重要意义,相对于计量分离器有明显的技术优势,多相流量计的出现已引起世界石油工业界的高度重视。
(2)多相流量计的目标不确定度可达到10%,已用于测井、生产过程监测或油井原油计量,在海上和陆上油田开发中的应用数量逐年增多。
(3)作为一项新技术,多相流量计面临价格、准确度、稳定性、适用范围等多方面的挑战。
(4)各种多相流量计实际能达到的准确度和适用性都有一定限度,还难以达到法定计量装置的要求。
(5)没有哪一种单一类型的多相流量计能适应所有的应用范围。
(6)标定、认证多相流量计,国内外也都没有相应的标准与规范。
(7)多相流量计的研究开发者与使用者通过边研究、边验证、边推广的办法,推动着这一技术的发展。
参考文献
[1] ANON.multiphase meter to undergo north sea test s[J].Oil&Gas J,1995(93):69~71
[2] Terde N.norwegian oil trio put s multlphase meterst hrough simultaneous tests.Offshore Engineer,1995(55);78~80
[3] 潘兆柏等.油田矿场计量技术综述(续).石油工业技术监督,2001,17,7
[4] Mehdizadeh P.wet-gas.multiphase metering applications expand.Oil and Gas Journal,2003,101(37):72~75
[5] Mehdizadeh P.multlphase measuring advances continue.Oil and Gas Journal,2001,99(28):45~47
[6] Falcone,G..et al.multlphase flow metering:current trends and future developments,Journal of Petroleum Technology,2002,54(4):77~84
[7] Murugesan K.multlphase flow meter:trends in well Performance testing.Chemical Engineering Woold,2002,37(12):151~153
[8] Nyfors,Ebbe(Roxar ASA);Wee,Arnstein.measurement of mixtures of oil,water,and gas with microwave sensors.new developments and field experience of the MFI multiPhase,and watercut meters of roxar.Proceedings of SPIE-The International Soclely for Optical Enggineering,2000,41(29):12~21
[9] Mus,E.A.;et al.development well testing enhancement using a multiphase flowmeter.Proceedings-SPE Annual Technical Conference and Exhibition,2002,3737~3748
[10] Vilagines,R.Hall,A.R.w.comparative behaviour of multiphase flowmeter test facilities.Oil and Gas Science and Technology,2003,58(6):647~657
[11] Kragas,Tor K.et al.downhole fiber-optic multiphase flowmeter:design,operating principle,and testing.Proceedings-SPE Annual Technical Conference and Exhibition,2002,2719~272
[12] Toskey,Eric D.et al.added value of a multiphase flowmeter in exploration well testing.SPE Production and Facilities,2002,17(4):197~203
[13] Khoori,A.et al.multlphase flowmeter and production logs diagnose well response in an onshore field,abu dhabi.Proceedings of the Middle East Oil Show,2003(13):855~865
[14] Busaidi,Khamls;Bhaskaran,Harldas.multlphase flow meters:exPerience and assessment in PDO.Proceedings Annual Technical Conference and Exhibition,2003,4013~4019
[15] Ronalds,Beverley F.Heng,Elvln I.H.subsea and platorm options for satellite field developments.Proceedings of the International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering,2003(l):63~70
[16] Alimonti,C.Falcone,G.knowledge discovery In databases and multlphase flow metering:the integration of statistics,data mining,neural networks,fuzzy logic,and ad hoc flow measurements towards well monitoring and diagnosis.Proceedings Annual Technical Conference and Exhibition,2002,681~691
[17] 喻西崇等.国内外油气水多相管流技术的研究.中国海上油气(工程),14(5):31~37
[18] 王勇.国外新型多相流计量技术综述.油气田地面工程,1996,15(2):6~11
[19] 杨恩明.多相流量计的应用与未来发展.国外油田工程,1999(9):37~39
[20] Moharned P G.AI-Saif K H.field evaluation of multiphase measurement systems.SPE 56585,1999:553~561
[21] Dyakowski T.et al.applications of electrical tomography for gas-solids and liquid-solids flows-a review.Powder Technology,2000(112):174~192
[22] Gotz,Joachim Zick,Klaus.local velocity and concentration of the single components In water/oil mixtures monitored by means of MRI flow experiments in steady tube flow.Chemical Engineering and Technology,2003,26(1):59~68
[23] 郭建勇等.TFM-500三相流量仪在油田的应用.石油机械,2002,30(5):45