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国外多相流量计开发与应用现状（方代煊、朱云祖）

2007-01-11 11:30:55| 分类：他山之石 | 标签： |举报 |字号大中小订阅

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摘要　介绍了国外多相流量计的开发与应用现状,叙述了全分离式、取样分离式、不分离式等多相流量计的工作原理、试验和应用情况，其中不分离式多相流量计是发展的主要方向。分析了现有多相流量计的特点和不足,指出目前的多相流量计存在计量准确度不高、适应范围小及流量计标定手段欠缺等问题。认为随着沙漠油田和海上油田的开发,多相流量计将会有良好的发展前景，我国应加速多相流量计量技术的研究。

主题词　多相流体流量计　特点　应用　现状

多相流计量技术是指油井产出的油气水混合物在进入计量装置前不进行分离就计量的技术。90年代,随着沙漠、海洋、极地恶劣环境条件下的油气田开发,投资规模成倍增加,同时计算机及计量技术的发展,刺激了对这项新技术的开发与研究。近年来美、英、挪威和俄罗斯等国的一些大石油公司相继投资研制开发了多种类型的多相流量计,且有些已获商业性应用。从计量方式看,多相流量计可分为全分离式、取样分离式和不分离式三种。

国外几种主要多相流量计

　　1.全分离式多相流量计
　　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,求出油气水各相的流量。Texaco公司研制的SMS多相流量计是全分离式多相流量计的典型代表,是针对北海海底设计的,多相流气液分离采用斜管式分离装置,结构如图1所示。多相流首先进入一直径较大的竖直管段,流速下降,并开始分离,然后进入斜管分离腔,分离成气相和液相。用涡轮流量计计量气体体积流量,用一专用流量计计量液体体积流量,用γ射线密度计测液相密度，确定残留在液相的气体量。在旁通斜管分离装置中,用微波含水率测定仪测含水率。水下数据采集装置将数据传送给计算机,结合温度和压力数据计算,即可求得油气水三相的流量和总流量。
　　目前该流量计的计量精度是，含水率精度±5%、油和水流量精度±5%、气体流量精度±10%。

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图1　SMS多相流量计

　　2.取样分离式多相流量计
　　取样分离式多相流量计目前已有多种类型,其计量原理大同小异,一般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液分离,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。Euromatic公司、美国Nusonic公司、BAKER CAC公司、Atlantic Richfield公司生产的多相流量计都属这种类型。其中Euromatic公司开发的多相流量计较有代表性，其工作原理见图2。从图2可看出，涡轮流量计与主管线连接,测总体积流量；γ射线密度计与主管线连接,测多相流的平均密度。用一台微型采样器采样并脱除气体,用γ射线密度计测定油水混合物密度。同时测温度和压力,并将各数据输入微机,按给定的公式算出油气水各相的流量和总质量流量。在所有的计量仪表中,涡轮流量计的转子是唯一的运动部件,转子用碳化钨制造,流量计内腔也有碳化钨保护层,以防止液流中的砂或其它颗粒的磨蚀。

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图2　Euromatic多相流量计

　　3.不分离式多相流量计
　　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,是多相流量计发展的主要方向。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,已开发的多相流量计中有一半以上采用互相关技术。组分百分数计量的主要技术有微波技术、核能(γ射线)技术，以及采用电容、电感传感器测量流体电解质等。
　　(1)挪威Framo公司的多相流量计　挪威Framo公司的多相流量计由静态混合装置、双能γ射线密度计和文丘里流量计组成,如图3所示。井液首先进入静态混合装置,在分离腔内分离成气液两相,液相聚集在分离腔下部,气相向上运动并通过中心管排出。液相通过中心管下部的小孔进入中心管与气相混合,经过出口处高剪切混合后,使不同流态的多相流成为均匀流。双能γ射线密度计安装在静态混合装置和文丘里流量计之间,由一带准直管的低能量γ射线源(镅241)和接受检测器组成,可发射7束不同的射线。数据分析装置可对每束射线的信息进行分析,求得油气水各组分平均体积的百分含量。总流量用文丘里流量计计量,文丘里流量计按ASME标准设计,配有压差发送器,用普通的方法测量通过流量计的压差。

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图3　Framo公司多相流量计

　　1992年Framo多相流量计在Frank Mohn公司的试验设施上进行了试验。这种多相流量计可计量各种流态的多相流,工作环境含气0～100%，含水0～100%,计量精度为±5%。
　　(2)挪威Kongsberg公司的MCF多相流量计　MCF多相流量计由挪威Kongsberg近海公司和荷兰Shell Research公司联合研究开发。MCF多相流量计系统由一个不锈钢双法兰短节计量装置、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算结果。不锈钢短节计量装置由文丘里流量计、γ射线密度计和传感器组成(图4),配备标准型ANSI法兰,在管线上安装极为方便。文丘里流量计测量总体积流量,γ射线密度计测量平均密度。
　　MCF多相流量计的计量装置采用一对插入管内并与流向平行的传感器板。传感器板厚1.65mm,宽40mm,其中镶嵌一系列电容传感器和2个信号电极。利用电容传感器连续测定气液两相在管内占据的横截面积、液层的流速及液体段塞流的流速。2个信号电极一个位于管子底部,另一个位于顶部，用于向信号处理电子装置输送信号。根据液体段塞流流速等于气体流速的假设,液气的流速与所占据的横截面积的乘积即为液气的体积流量。通过测量液体的介电常数,确定液相中的含水率。

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图4　MCF多相流量计计量装置

　　目前,MCF多相流量计已在5个油田的各种原油性质和工艺条件下进行了试验,其计量精度已达到10%(设计目标),并在阿曼的2个油田应用。
　　(3)美国Multi-Fluid公司的LP多相流量计　LP多相流量计由互相独立的组分测定仪和流速测定仪组成,如图5所示。组分测定仪采用微波技术测量原井液的介电性质(介电常数和电导率),用传统的γ射线密度计测多相流密度,以此测定油气水的瞬时体积百分含量。流速测定仪利用相关技术测量多相流的流速,用微波技术在2个距离已知的截面测量多相流的平均时间求得流速。根据上述测得的数据可获得油气水的瞬时体积流量或质量流量。这种多相流量计仅用于流速大于3m/s的泡沫流,计量条件为含气0～100%,含油0～100%,含水0～50%。1992年挪威Saga公司和Statoil公司对这种多相流量计进行了试验。

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图5　LP多相流量计

　　(4)Fluenta公司的MPFM1900型多相流量计　MPFM1900型多相流量计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γ射线密度计、执行数据分析的计算机及将传感器电子计和γ射线密度计连接至计算机的电缆等组成。流量计量分测量各相百分率和测量总流量两部分。采用多相组分流量计测量油气水各相的百分率,再测量各相流速,求得各相流量。MPFM1900型多相流量计还要求用外传感器测取温度和压力。
　　油气水混合物各相的介电常数和密度不同。如果已知各相的介电常数和密度,同时能精确测出混合物总的介电常数和密度,就能测定三相组分中各相的百分率。若将混合物作为两极间的电介质,那么,电极间的电场强度与混合物的介电常数成正比。如果让电介质通过γ射线,则测得的γ粒子吸附率与混合物的密度成正比。因此,电容传感器测混合物的介电常数,γ射线密度计测密度。
　　MPFM1900型多相流量计采用相关法测定气液两相的流速。传感器配备两排大小不同、排列不均的电极,通过电极获得相关信息计算流体中大小两种气泡的流速,较大气泡的流速为气相流速,较小气泡的流速则为液相流速。
　　MPFM1900型多相流量计计量段长约560mm,质量为200kg,可计量0～80%原油含水率和0～90%的含气率,其计量精度为油气水总流量的±5%～±10%。据报道,该公司已向Vigdis公司销售了2套这种多相流量计。

多相流量计的应用情况

　　近几年，多相流量计的应用逐年增加,表1为1992年至1997年在各种环境下多相流量计的工业应用情况及趋势。

表1　多相流量计的应用情况及趋势

年份	陆上	海洋平台	海底	总计
1992	5	1	0	6
1993	5	2	0	7
1994	3	10	0	13
1995	6	17	1	24
1996	24	29	5	58
1997	65	52	22	139
2000 (预计)	542	210	55	807

　　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开发成本。但实际上海底应用多相流量计迟于陆上和海上平台, 数量也少,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。但海上应用前景比较乐观,从表1可见,直到1995年,多相流量计才开始在海底应用,而且只有1台,1996年增加到5台,1997年,海底应用的多相流量计猛增到22台,比1996年增加了3倍多。

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。

多相计量技术的评述

　　全分离流量计由于气液分离计量,计量技术简单,但体积大，结构复杂,一般适用于层流或环状流等易于气液分离的流态,而对泡状流等不易分离的流态,特别是分离器内的乳化液影响气液分离效果时,便会使含水率测量值不准确,从而降低多相流量计的性能。从目前现场试验和应用情况看,遇到的主要问题是原油出现气泡。
　　采用小型取样分离技术的多相计量系统,虽然在一定程度上解决了全分离流量计体积大、结构复杂等问题,然而取样的代表性自然就成为这种流量计的主要难题。有些流量计采用混合器来解决这个问题，主要困难是如何在一定空间,特别是一定时间内获得均质混合物。
　　不分离流量计可在不作任何分离的情况下,对多相流进行计量。流量计结构紧凑,可以小型化,但计量技术难度大,主要体现在各相组分及流速的测定上。
　　采用电容、电感技术的多相流量计,其局限性是只能在连续相乳化液的流型中使用,含水率一般不能超过50%,而且各公司开发的流量计都只能限于特定的流态,如果流动中某些必要的特征不存在时,其测量精度常常出现很大变化。
　　采用微波技术的多相流量计适用于油连续相和水连续相的流型,但从微波信号的强度考虑,它适用的流量较小,因此这种技术多应用于取样分离流量计中。
　　很多多相流量计采用γ射线技术来测定气体含量,或测定含气量和液中含水率。进一步改善这种技术的工作特性显然是今后的技术难点之一。
　　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。从目前多相流计量技术现状和多相流量计的试验数据分析可知,未来的每种多相流量计只能覆盖某一特定区域,例如高含水井和气举井可能会需要不同的多相流量计。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,多相流量计正处于研究和开发应用的发展阶段,但可预计多相流量计在沙漠油田和海上油田将有很好的应用前景,我国应加速这方面的研究。

第一作者简介：方代煊（1964- ），江西上犹人，编辑，1987年毕业于江汉石油学院机械系,现从事石油科技图书的编辑出版工作，现任职于石油工业出版社，地址:(100011)北京市安华里。

(本文编辑　郑重)

本文发表于石油机械，1999年第27卷第7期

(收稿日期:1999-03-17;修改稿收到日期:1999-04-11)

本文来源：http://www.wanfangdata.com.cn/qikan/periodical.Articles/syjx/syjx99/syjx9907/980716.htm

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