油井多相流计量技术研究进展

第6卷 第2期 数 码 设 计 Vol.6 No.2

2017年 PEAK DATA

SCIENCE 2017

收稿日期：2016-11-13；修回日期：2016-12-25。

作者简介：张丝雨(1993-)，女，天津，硕士研究生，主要研究方向：采油工程及工业计量。

DOI ：10.19551/ki.issn1672-9129.2017.02.04

油井多相流计量技术研究进展

张丝雨1*，Henry Miao 2,3，吴浩达1，檀晨3

(1.中国石油大学（北京），北京昌平，102249；2. Rally Industries Group Inc. , Calgary, Alberta, Canada ；3.安徽中控仪表有限公司，安徽池

州，247210)

摘要：多相流计量技术研究近年来发展迅速。油田作为多相流计量技术应用的重点领域，面临油气水三相流体，多相流的计量一直是油井产量计量研究中的热点和难点问题。本文调研了国内外多相流计量技术的研究及应用概况，介绍了多相流的计量技术原理、测试和评估等，并对其存在问题和发展趋势作了简要阐述，为更好地研制低成本、高精度的智能化油井多相流在线计量系统提供技术思路和具体方法。 关键词：多相流；在线计量；分相测试；虚拟计量；发展趋势

中图分类号：TP3 文献标志码: A 文章编号：1672-9129(2017)02-0021-07

Research Progress on Multiphase Flow Measurement Technology

of Oil Wells

ZHANG Siyu 1*, Henry Miao 2, 3, WU Haoda 1, TAN Chen 3

(1.College of Petroleum Engineering, China University of Petroleum, Beijing 102249, China;2.Rally Industries Group Inc. , Calgary, Alberta,

Canada;3. Anhui FirstCon Instrument Co., Ltd, Anhui247210, China)

Abstract ：The research of multiphase flow measurement technology has developed rapidly in recent years. As the key field of multiphase flow measurement technology, facing with three phases of oil, gas and water, the measurement of multiphase flow has been a difficult issue in the research of oil production. This paper investigates the research and application of multiphase flow measurement technology, introduces its principle, measurement and evaluation. The existing problems and development trend are briefly described, and the technical ideas and specific methods for the development of intelligent and low cost multiphase flow measurement system for oil well are presented.

Keywords ：multiphase flow; online measurement; multiphase test ; virtual measurement; developing trend 引用：张丝雨, Henry Miao, 吴浩达, 等. 油井多相流计量技术研究进展[J]. 数码设计, 2017, 6(2): 21-27.

Cite ：Zhang Siyu, Henry Miao, Wu Haoda, et al. Research Progress on Multiphase Flow Measurement Technology of Oil Wells [J]. Peak Data Science, 2017, 6(2): 21-27.

引言

在原油开采过程中，需要对油井产出液中各组分的体积流量或质量流量进行连续的计量，以确定各油井的原油、天然气产量，掌握地层油气含量及地层结构的变化。通过提供的实时计量数据，可为生产管理提供参考，从而优化生产参数、提高采收率[1]。传统的分离计量技术流程复杂，已无法满足连续计量的需要[2]。多相流计量是指在没有预分离的情况下，对油井产出液中的油、气、水进行计量，是多相混输的关键技术之一[3]。多相

流技术的发展，实现了原油的多相流计量，相对于传统的分离计量方法，取得了极大的进步。多相流量计可提高多相流计量精度、自动化和管理水平，扩大多相流计量的适用范围，提高多相流量的计量效率和经济效益。因此对多相流计量技术的研究具有重要意义。

本文针对工业过程中常见的多相流计量技术和参数检测问题，从流量检测和相含率检测两个方面进行综述，并阐述多相流的存在问题及发展趋势。

1 国内外多相流计量的研究概况

22 数 码 设 计 2017年 第6卷

近年来，多相流计量技术研究得到迅速的发展。自二十世纪六十年代，人们就对多种存在形式的流体在同一输送管中的输送状态进行了研究，但碍于当时的技术条件限制，未能取得实质性的成果。二十世纪七八十年代，美国的Tulsa 大学在其流体流动工程环道和挪威的SINTEF 环道上对多相流计量方面展开了研究[4]。八十年代中期英国石油公司、美国德士古公司相继发表了第一批关于多相流量计量的论文[5]，并研制出了第一代多相流量计。目前，大多数多相计量仪表价格极其昂贵，仅供各公司进行实验研究，难以实现商业化产品[6]。

国内方面，西安交通大学、中国石油大学等高校进行油气水多相流量计的设计和研发，并取得了一些理论成果，但这些研究多处于实验室试验阶段，难以实现工业应用。大庆油田、华北油田采油工艺研究院建立相关项目，成功搭建了多相流检定、测试平台，为国内的多相流量测控系统的研制提供了实验平台。截止目前为止，兰州海默科技公司、兰州科庆仪器仪表公司等也相继研发出了适合于油田现场使用的多相流量测控系统。

2 多相流参数测试方法

为实现油气水三相流量的计量，可从多相流体的总流量、多相流体的分相含率两个主要方面着手进行研究。 2.1 流量检测方法

多相流流量可用质量流量或者体积流量来表示，其计量可以直接测量，或是通过测量流速来得到流量。多相流流量计量的方法有多种，有发展自单相流检测仪表的检测方法和基于多相流特性的新兴计量方法。以下仅对一些常用的计量方法进行介绍。

（1）差压法

该方法基于伯努利方程原理，在流体的流通管路中安装改变流通截面的节流装置，由伯努利方程可知，当流体流过节流装置时，由于流通面积的缩小，在节流装置前后会产生压力差[7]

。假设节流装置的流通面积为A ，流过节流装置的流体密度为ρ，则节流装置处流体的流量为：

v q K = (1)

m q K = (2)

式中q v 为流体的体积流量，q m 为质量流量，K 为系数，与流体特性和节流装置的结构有关。

差压法主要应用于单相流体的流量计量，在对其在多相流计量中的应用进行大量研究后，发展出很多适用于多相流测量的模型[8]。James R.,Chisholm D.和

Murdock J.W.等给出了应用孔板测量气液两相流量的公式，由于气液两相流量的计算公式均为经验式或半经验式，其使用范围十分有限。Chisholm D.和林宗虎公式使用范围较广。李海清应用双孔板和长颈文丘里管测量两相流量，并给出其测量原理及计算公式。Abdullah Buhidma 等通过楔形流量计和分段的孔板流量计组合测量得到水包油型乳浊液的流量，经试验知，该方法对于两相流乳浊液的测量是可行的[9]。

文丘里流量计基于文丘里效应设计[10]，是当前应用最广泛的差压流量，其最大的特点是易使流体通过。内锥式流量计由于其在湿气检测中有不堆积液体等优点，在多相流计量中的应用也成为研究热点[11]。然而，应用差压法的流量计节流组件会干扰流动状况，同时会带来压力损耗。目前，差压法已经过多年的实践应用，在标准上已经建立了相应的指导原则，可尽可能避免在实际应用中出现问题。

（2）速度法

速度法利用测量流速来计算得到流量的测量方法。当流体充满管道时，假设通过测量得到管道截面处流体的平均流速为v̅，A 为管道横截面积，则通过管道截面的流体流量为：

v q A v =⋅ [12]。 (3)

常见的利用速度法计量流体流量的计量装置有涡轮流量计、涡街流量计、电磁流量计、超声流量计以及互相关测速法等。涡轮式流量计在油水两相检测中要考虑油相黏度和油相含率的影响，在使用前应对仪表系数进行标定，但流型对涡轮式流量计影响较小，可与其他测量手段联用以获得油气水多相流的分相流量。涡街式流量计在检测气液两相流时涡街发生的频率受相含率影响很大，当相含率高于18%时，难以从气液两相流的复杂界面波动中提取出有效的涡街频率信息。电磁式流量计在多相流检测中要求连续相可导电，其测量精度受多相流速度廓形以及流型影响[13]。相关流速测量技术是以随机过程的相关理论和信息论为基础发展起来的一种流动参数检测技术。宋文卫等应用电容相关法测量了不同流态的流量，结果表明，由相关法得出的泡状流、弹状流相关气体速度和真实气体速度符合较好，而检测得出的

块状流相关速度的统计平均值与气相速度符合较差[14]。

互相关测速法在多相流检测中的应用较广，研究人员已提出很多理论与模型，但其测量值所代表的物理含义问题仍未解决。

（3）容积法

容积法是利用具有固定容积的标准容器对流过计量装置的流体进行反复测量，已知该标准容器的容积值，通过检测标准容器的测量次数，可以得到流过该流量计