[VIP专享]多相流计量及多相流量计简介R1

多相计量技术Multiphase metering technology概述许多新开发的油田属于经济型边际油田，这种油田不能承担传统分离技术所引发的高昂的费用。

而多相流量计可以节省很多费用，因为使用它就不需要安装分离器，或者几个油田共用处理装置。

在油井管理方面：多相流量计可以提供持续的数据输出，给出油井动态的有价值信息，这样可以及时地发现油井产生的问题或变化，以便尽早地做出决定，而采用传统的处理技术却要慢一些。

中国船级社（CCS）要求参照《海上移动平台入级规范》第1篇第3章附录1 平台入级产品持证要求一览表：5.3：Ⅲ级管系以及除5.1以外的阀和附件证件类型：制造厂证明（Ⅲ级管系应提供工厂认可证书，除5.1以外的阀和附件应提供型式认可证书）认可模式：型式认可B（可选项：型式认可A）1.在线多相流量计在线多相流量计依据对流体特性的一些测量得到油、气、水三相的各自流量。

现在有许多这样的计量技术，可大致分为两大类：速度或总流量测量和相分率测量。

速度或流量测量通常是通过压差计量或一个特殊信号的互相关,即压力或导电率来获得。

许多流量计也采用滑动模块，这说明了气体通常比液体流速快的事实。

在垂直管道上安装的一些在线多相流量计一般通过在其上游装一个盲三通来减少水的紊动，以此最大限度地减少滑动。

相分率可以通过测量三相混合物的物性来获得，据此推算出三相各自的流量。

伽马射线能量衰减法是一种常用的方法，它的原理是油、气、水不等同地削弱伽马射线的能量。

伽马射线能量在两个能量级放射高能量级对气/液比更敏感，而低能量级对液相中的水/油比较敏感。

可以用这两个能量衰减量来确定三相混合液的相分率。

第三个能量级也可以用来确定水相的含盐量。

电容和电导技术可以用来确定液相中的含水量。

电容传感器用于测量连续油流的介电常数并确定含水量，电导传感器用于连续水流的测量。

这种方法适于气体体积分数大环境，但缺点是：如果流体在水连续流和油连续流之间不停转换，那么流量计就很难跟踪到这个变化。

微波衰减也可以用来计量液相中的含水量，它的好处是对气体体积分数（GVF - Gas Volume Fraction，即：工况条件下气相所占总体积比）不是很敏感，并且既可以在油连续流也可以在水连续流中工作。

经多年在NEL和油田的试验表明，虽然流量计性能随GVF和含水率会发生很大变化，在线流量计在某些情况下各相的精度可以达到2.15%～10% ，而其他参数(例如压力、液体速度)和含盐量在很大程度上也会影响流量计性能。

2.分离流量计分离流量计或分离系统可以采用各种分离等级，但大部分还是采用小型分离器实施部分分离。

在按体积计算时，这样做会导致液流含气量达30%，气流含液量不超过1%～2%，但是在极端的情况下特别是段塞流严重的情况下，含液量可以达到10%；分离流量计一般采用小型旋流分离器进行分离利用位于进出口处的控制阀来调节液位。

大部分分离流量计都采用在主液流上安装一个标准在线多相流量计，在气流上安装一个标准气体流量计，例如涡流流量计或科里奥利流量计。

如果气流的含液量高则可以安装一个能够计量液体和气体流量的湿气流量计。

最近几年在NEL和油田的试验表明：分离流量计系统可以确保各相计量精度好于5%，与在线流量计相比受GVF的影响要小。

它的主要缺点是其尺寸、重量和依赖分离器中的快速液位控制阀使得这种分离器不适合在海底应用。

3.多相流量测量的基本原理在油气混输管线中，油井产出的原油、伴生天然气和矿化水形成了一种相态和流型复杂多变的多相流，是一个多变量的随机过程。

一般地，多相流量计需要用以下的参数来计算各相流量：1.各相在管道截面上所占据的面积A1；2.各相的流速V i；3.各相的温度T i和压力P i4.各相的体积流量可根据下式计算：Q i＝A i V1 （1）式中Q i——各相的体积流量根据各相的温度T i和压力P i，利用状态方程可以将实际状况下的体积流量转换成标准状况下的体积流量。

根据实际情况，我们可以得到以下的关系式：A＝Ao+Ag+Aw （2）（3）（4）上述式中：A——管道截面面积；A o——油相所占的面积；A g——气相所占的面积；A w——水相所占的面积；αg——管道中油气水三相流的截面含气率；αw——油水混合液中的含水率。

综合上述四式，油、气、水三相在实际状况下的体积流量Q o、Q g、Q w可以分别由下列计算式求得：Q o＝V o A（1－αg）（1－αw）（5）Q g＝V g Aαg（6）Q w＝V w A（1－αg）αw（7）由此可见，油、气、水三相在实际状况下的体积流量的测量可以通过对各相流速、油、气、水三相截面上的含气率和含水率等流动参数的在线监测来实现。

4.多相流计量中的复杂因素和关键技术1复杂因素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。

如果在多相流动中，每相的变化都是相同的，那处理起来要方便些。

但多相计量在以下几个方面与单相计量作用方式存在着差异：（1）各相并非混合均匀。

水与油混合的不好，气体与液体分离。

（2）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。

（3）混合是不规则的。

各相混合时，结果难以预料，粘度和总量会发生变化。

（4）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，蜡和水溶物将在流体中沉淀。

（5）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、管路结构和流动方向。

为解决以上难点，关键所在是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关键技术由多相流测试的原理分析可知，其技术的关键有两点：一是应将三相视为液相总量和气相两相计量，二是进行液相组分测量。

将油气、水视为气。

液两相流，测试方法主要有：（1）相关法：互相关测量方法是多相流量计中使用比较普遍的一种方法，几乎一半以上的多相流量计都使用了这种技术。

互相关流量测量是基于两个随机信号之间统计相似性的测量，互相关流量计由上游传感器、下游传感器和互相关器等组成。

当流体从管道中流过时，沿管道轴向相隔距离为L的两点上安装的上下游传感器，在各自的测量点上从流动的非均匀流体中检测到两个在时间上相差τo的流动噪声信号。

建立两信号的互相关函数，进而求出τo，则可得平均流速V＝L/τo。

（2）混合测量法：将油、气、水三相在静态混合器中进行混合，然后使气和液以相同速度进入文丘利管。

文丘利管的基本原理是：当管路中液体流经文丘利管时，液流断面收缩，在收缩断面处流速增加，压力降低，使文丘利管前后产生压差。

在选择一定的文丘利管时，液体流量越大，它流经文丘利管产生的压差也就越大，因而可以通过测量压差来计量流量的大小。

（3）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，与被测流体的电导率、温度、粘度、密度和透明度等物性参数变化无关等特点。

通过对相分率的测量，再与前面提到的流速测量技术相结合，便可得到每一相的流量。

测量组分的办法主要有：（1）微波衰减测量法。

这是一种测量含水率的基本技术，这种技术的基本原则是流体中对微波能量的频率响应取决于液体中的含水率。

在这种多相流量计中，一般由以下基本部件组成：发射仪、天线、探测器。

通过探测器测量井液对仪器所发出微波信号的吸收来确定并液流体中水的含率。

（2）伽马源吸收测量法。

伽马源吸收测量法利用了流体的物理特性，即在不同流体中有不同的伽马源吸收特性。

这一特性与混合物的密度有关，利用这种方法可以确定气液流体中的气分率。

在油、气、水三相流体中，通常使用双能伽马射线来确定油、气水含率。

另外，在一些正在研制的多相流量计中，则使用了三能或多能伽马技术来确定组分含量。

（3）电介质特性测量法。

现在一些多相流量计应用了连续波、振荡和单频率的原理，用频率小于15GHz的电磁波技术来测量电介质常数，与传统的电容测量系统相比，电介质测量应用范围更加广阔，并能提供一些附加信息。

物质的电介质常数与物质的折射指数有关，电介质常数是描述物质电磁性能的参数之一。

由于水的电介质常数与油的电介质常数相差很大，因此用测量电介质常数的方法来确定油和水相分率是很有发展潜力的一种方法。

（4）短波持水率计。

工作频率为几十兆赫，在集流状态下，该仪器能在0%～100%的持水率范围内有灵敏度，测量精度为±10%，但测量受水的矿化度影响。

5.性能检验关于哪种方法最适合检验多相流量计性能的话题已经讨论了许多年。

最简单的方法就是什么也不做,希望流量计继续工作。

另外一种方法是由流量计厂商进行一个基本性能测试。

这种方法比较简单,只要确认流量计可以识别油、气、水的静态取样，或者是使用厂商的流量设施进行流量试验。

由于缺乏独立自主性，许多用户不愿意把这种试验当作是流量计性能的证明。

基于上述原因，通常在一个独立实验室来进行流量试验。

在最近几年里，NEL公司已经为一些用户在它的多相流实验室进行了许多类似的验收试验。

这种实验室在10年前是专门为多相流量计评价和测试而建立的。

一个有信用的独立实验室的优点是参比流量计将会十分精确和完全可追踪的，并且独立组织和厂商或终端用户没有任何关系。

对采用什么样类型的试验流体也有争议。

在气体没有溶解在石油中，各相没有随着压力或温度发生变化的情况下，采用“死”流体。

NEL公司就采用了这种做法，它的优点是参比流量的不确定性小，某些人指出了其缺点，即：现场流体实验不可重复。

使用含气原油和天然气更现实些，但这意味着气体很易于溶解在石油中，使得参比计量比较困难。

如果测试流量计的压力和/或温度与参比流量计不同的话，就表明气体溶解到石油中或从石油中溶解出来。

如果流体性能已知，在实验室发生的相分率变化必须用油气复杂的物理PVT (压力—体积—温度)分析或模拟PVT行为来说明。

采用任何一种方法都会不可避免地导致参比流量的不确定性更高。

还有一种常用的方法是根据一个现有的三相测试分离器来校验海上流量计。

这种做法的好处是在预定安装的位置测试流量计，并且使用实际上将要被计量的流体。

然而，最大的缺点就是这种方法会潜在地造成参比流量不确定性高。

分离器性能对计量精度有很大的影响。

除了使用含气流体会造成不确定性外，由于比较差的分离还会造成携带液体或夹带气体的产生，这些都会导致液体和气体流量出现较大误差。

多相流量计Multiphase Flowmeter1.Flowsys 多相流量计现场仪表主要由四部分组成：（1）电容或电导传感器：在油连续相混合液时，采用电容传感器测量乳化油的介电常数；对于水连续相混合液时，采用电导传感器测量水的电导率，用以确定含水率。