海洋石油平台仪表设计手册5

第四篇海上油气田仪电信系统设计

第十五章仪表新技术的应用

第一节多相流量计

在原油开采过程中，为了确定各油井的原油、天然气产量，了解地层油气含量及地层结构的变化，需要对油井产出液中各相的体积流量或质量流量进行连续的计量并提供实时计量数据，以优化生产参数，提高采收率。多相计量就是在没有预分离的情况下，对油井产出液中的油、气、水三相计量。

早在70、80年代国外的TULSA大学在其流动工程测试环道上就开始了多相计量研究，最早的有关多相流量计的文章是由BP和TEXACO在80年代中期发表的。90年代初在伦敦召开了多相流量计及其海上应用研究会。挪威、英国、美国等国家投入了大量的财力、人力进行多相流量计的研制和开发。90年代末，在各大石油公司的支持下，多相计量的研究、开发和应用得到了迅猛的发展。多相流量计的技术已进入到了一个比较成熟的阶段，多相流量计的应用也进入了商业应用阶段。

目前在世界范围内，已经有多种多相流量计在陆上油田安装使用，也有少数几种在海上油田进行了运行。在一些新油田的开发中，多相计量被作为首选的油井计量技术来考虑，因为传统的开发手段对于操作者而言在商业上已经变得不可取了。

一、多相流量计的特点

多相流量计作为测试分离器的替代产品有以下特点：

·对油气进行连续、在线、自动测量，可实现无人值守。

多相流量计可测出日产油、水、气的量以及井口压力、温度数据，并显示打印出来。

如果和多路阀结合使用，即可实现单井无人计量。

·系统重量轻、结构紧凑、占地面积小。

·无任何可动部件，几乎不需要维护。

多相流量计基本上以传感器和探测器组成，没有可动部件，不需要维护。常规测试分离器有液面控制器、流量计、孔板、调节阀等仪表，需定期维护、更换和标定。

·被计量原油无需加热，节省能量。

多相流量计对被测介质温度无要求，只要介质能够流动就可以进行计量，仅需220V 电源，功率为200W左右。

采用测试分离器，如果井温较低，则需要进行加热后才能进行有效分离，如果是气泡原油还要加消泡剂。

·投资少，操作费少。

考虑日常维护费用，节省平台面积等其他间接效益，选用多相流量计将产生更大的经济效益。

二、多相流量计的复杂因素及技术关键

1、多相流量计量的复杂因素

和单相流计量相比，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。在多相流中，如每相的变化都是相同的，处理起来要方便一些。但多相计量在以下几个方面与单相计量相比有其自身的复杂因素：

·各相并非混合均匀。水与油混合得不好，气体与液体分离。

·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。

·混合是不规则的。各相混合时，结果是难以预料的，粘度和总量会发生变化。

·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，蜡和水合物将在

流体中沉淀。

·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、管路结构及流动方向。

为解决以上难点，关键是针对不同的场所选用不同的测量方法，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、多相计量采用的主要技术及方法

油、气、水三相计量，可以分解为两个技术要点：一是应将三相视为气液两相进行总量计量；二是进行相分率测量。

油、气、水视为气、液两相总量计量，测试方法有：

(1)相关法。通过两个在管道上相距为L的完全相同的传感器来检测流体中的尺寸分布、空间分布、各相含量等变化的随机流动噪声信号,得到与被测流体流动状况有关的在时间上相差τ0的两个流动噪声信号。建立两信号的互相关函数,进而求得τ0,则可得平均流速v=L/τ0。

(2)容积法。利用一定容积的混合物,应用PD表(POSITIVE DISPLACEMENT METER),测量其体积、压力、温度等。

(3)节流法。由于节流装置存在压力差,利用其与流体流量及分相含率等因素有关,应用孔板流量计,喷嘴、文丘利流量计,并结合密度计,进行流量计量。

(4)涡轮流量计法。基于流体的动量矩测量流速,需要结合其他仪表,如密度计,来进行气、液流量计量。

(5)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,与被测流体的导电率、温度、粘度、密度和透明度等物性参数变化无关等特点。

(6)直接法。直接应用质量流量计进行测量。

以上几种方法在测量气、液两相流时应用比较广泛,但有的需要结合密度计来测含气率。

进行多相流测试的另一技术要点是相分率测量,主要应用以下方法测量:

(1)γ组分表。基于辐射线吸收原理。

(2)电容法。通过测量流过电容两极间的油、水混合流体的平均介电常数来测量含水率。但在高含水时,仪器可能失去油、水识别能力。

(3)电导法。通过测量流过探头两极间的油、水混合流体的平均电导率来测量含水率。

但由于测量结果既受组分影响,又受流动状态影响,现场应用要特别注意。

(4)微波法。利用油、水对微波的吸收来测组分。可测油或水为连续相的状态,准确度不受速度、粘度、温度、密度、盐度、pH值的影响。

(5)密度法。利用液相分相的组分不同密度亦不同来测组分。

(6)电磁波检测法。由于原油和水的相对介电常数相差悬殊,电磁波传播的相位常数取决于介质的介电常数和电导率,通过测量电磁波在原油混合介质中的相移量,就可确定原油的含水率。

在进行多相流无分离在线计量中,综合以上的一些方法进行多相流流量计的研制和开发。

三、国内外多相流量计的现状、产品特点

自八十年代开始研究多相流计量技术以来，经过近二十年的发展，多相流计量技术已进入到了一个相对成熟的阶段，其产品多相流量计不仅在陆上，而且在海洋平台及水下都得到了运用，也就是说多相流量计也已开始进入商业应用阶段。

目前，在世界范围内，已经有多种多相流量计在陆上油田、海上油田甚至在水下安装使用，新的多相流量计技术的研究和开发活动继续有增无减。经过充分调研和比较，以下一些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：挪威的ROXAR（原MFI）、FLUENTA（目前已与ROXAR合并）、FRAMO；美国的AGAR；英国JISKOOT等；国内主要有兰州海默。除以上公司外，其他公司如KVAERNER、DANIAL、KONGSBERG、ACCUFLOW、MIXMETER、FLOWSYS、WELLCOMP公司以及西安交大等都在积极开展多相流量计的研制、开发和商业运作工作。

下面简单介绍一下部分产品的工作原理、特点、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上伽马密度计。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：