油井多相流计量技术
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在 2004 年的国际技术研讨会上，总结出了开发 高性能的气液混输计量类仪表对油田乃至相关推广 应用领域的重要性及技术发展趋势，并给出高性能 多相计量仪表开发的时间表、方法和发展趋势：2005 年计量精度应达到±5%，2010 年达到±2%；小型 气液分离和流态自动识别是提高性能的方法；第三 方分配计量和贸易交接计量对多相计量仪表来讲存 在巨大的市场。
中国开尔
中国海默
表 1 国内外主要油井多相流计类型
型号
MPFM300 MPFM400
MPFM900 MPFM1900 MPFM1000
Framo 多相流量计
MFI 多相流量计
组分体积分析方法 微波原油含水分析仪测油水 比，容积式流量计测气
电 容 传 感 器 测 油 ，连 续 传 导 率 测水，连续密度计测气
44 第 19 卷 第 5 期
石油规划设计
2008 年 9 月
油井多相流计量技术
纪 红* 宋 磊
中国石油天然气股份有限公司规划总院
张彦林
中国石油西北销售分公司
纪 红等. 油井多相流计量技术. 石油规划设计，2008，19（5）：44～46
摘要 在原油开采过程中，需要了解各油井的原油及天然气产量，从而确定油田区块地层油 气含量及地层结构的变化。采用多相流计量装置，可对油井产出液中各组分的体积流量进行连续 计量，得到实时计量数据。现场应用表明，多相流计量装置有许多技术优势和特点，其提供的各 种数据可用于优化生产参数、提高采收率、优化工艺流程，是油田单井计量的发展方向。
参考文献 ［1］ Stein-Arild Tjugum ， Joop Frielingb ， Geir Anton
Johansen. A compact low energy multibeam gamma-ray densitometer for pipe-flow measurements. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B：Beam Interactions with Materials and Atoms，2002， 197（3～4）：301～309 ［2］ ［丹］霍夫曼，［美］斯坦因著，彭维明，姬忠礼译. 旋风分离器：原理、设计和工程应用. 北京：化学工 业出版社，2004 ［3］ John Amda. Handbook of multiphase metering，produced for the Norwegian society for oil and gas measurement. 2001 ［4］ 郭福民编译. 油气分离器原理设计与计算. 上海：上 海交大出版社，1993 ［5］ 胡博仲编著. 油田原油含水测量. 北京：石油工业出 版社，2006
从表 1 可以看出，目前多相流产品的种类和计 量方式还比较多。然而，由于在多相流计量技术中 存在一定的难度，使得在用的计量设备在精度上还
* 纪 红，女，1960 年生，高级工程师。1981 年毕业于上海化学工业专科学校化工仪表自动化专业，现在中国石油天然气股份有限公司规划总院从事
自控专业的规划设计工作。通信地址：北京市海淀区志新西路 3 号 938 信箱，100083
3 多相流计量的技术关键
进行精确计量的多相流计量技术的难度要比单 相流计量大。因为单相计量可通过测得温度、压力、
流动黏度、压缩性和装置的几何尺寸来测得流量。 而在多相流动中，由于每相的变化都不相同且难寻 其规律性，从而使多相流计量技术难度很大，主要 表现在 3 个方面：一是各相混合均匀度不好，表现 为水与油混合不均，气体与液体有分离。另外，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也比较大， 液相和气相常以不同的速度在流动；二是混合的不 规则性突出。当各相混合时，其结果不可预测，黏 度和总量可发生变化。相与相之间存在相互作用， 结果是气体能从溶液中析出或者溶解在液体中，蜡 和水合物会在流体中沉淀；三是流动状态非常复杂， 特征参数多，与各相之间的相对速度、流体特性、 管路结构及流动方向有关。
多相流计量系统中的组分仪，利用专利技术， 使含气率小于 30%的油水混合液的测量，可达到含 气测量精确度≤±0.5%，含水测量精确度≤±1.5%。 KQMF 系列多相流计量系统采用部分分离式计量方 式，是对上述核心技术的延伸和创新。
5 现场试用
从 2005 年开始，国内新型多相流计量系统开始 在大庆油田、中原油田、长庆油田、胜利油田陆续 试用。试用形式有车载式、固定式；有用于单井计 量的场合，也有用于多井计量的场合，其运行效果 得到了用户的好评。2005 年 12 月，在中国石油工 业计量研究所大庆油田设计研究院地面技术现场试 验基地，利用实液进行“油气水多相流试验及多相 流量计装置测试”，结果见表 2。
6 结束语
多相流计量系统现场大量的测试和应用表明， 多相流计量系统具有技术和价格两方面的优势，而 且这种新型多相流计量装置的设计思想和方法将对 今后多相流计量设备的研发产生一定的影响。多相 计量技术与传统的基于计量分离器的油气井计量技 术相比，在技术上和经济上都具有较大优势。多相 流计量将会成为海洋、沙漠新油气田开发中首选的 计量技术；也是陆上老油气田改造、简化地面设施 的首选计量技术。油田单井计量通过采用多相流计 量技术，既可优化简化工艺流程，又可提高单井计 量的精确度，为油田开发提供准确的数据，具有广 阔的社会效益和经济效益。
关键词 油井 多相流体 流量计 气液分离 含气、含水率
在原油开采过程中，为确定各油井的原油、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组分的体积流量或质量流量 进行连续的计量。通过提供的实时计量数据，可为 生产管理提供参考，对优化生产参数、提高采收率 起到重要作用。目前，国内油田使用较多的单井计 量方法是分离器自动玻璃管计量、人工玻璃管计量、 油井计量车、翻斗计量装置、双容积计量装置、油 井三相计量装置，而代表先进技术的多相流计量正 在兴起。多相流计量是在没有预分离的情况下，根 据应用场合采用不同的精度等级，对油井产出液中 的油、气、水进行计量。多相流计量由于设备自动 化程度高、管理简单、实时性好而日益成为油田单 井计量的主要方法。
2 多相流计量的类型
从计量方式来划分，目前多相流计量可分为直 接在线式多相流量计和部分分离式多相流量计。直 接在线式多相流量计结构紧凑，但价格昂贵，适用 于海上和浅海油田，并在该领域中占据着主要的市 场份额；气液不完全分离多相流量计结构更复杂、 体积较大，但准确度更高、成本更低，更适于对成 本和准确度的要求高于对尺寸和重量的要求，而且 气液较容易分离的工作条件。目前国内外主要油井 多相流计类型见表 1。
从多相流计量系统实验室和现场使用情况分 析，其技术优势和特点主要有：一是计量精确度高， 在线实时性、重复性好，且计量精度不受油气流型 和流态影响；二是计量量程宽，液相量程可达到 1∶ 20 以上，线性好；三是压力损失小，整个系统最大
表 2 多相流计量系统性能测试结果
项目
测量范围
wk.baidu.com测量误差（L）/ 测量误差（H）/ 置信度/
第 19 卷 第 5 期
石油规划设计
45
类型
制造商
直 接 美国 Agar Corp
在
线 挪威 flutenta Inc 式
多 相 挪威 Framo Engineering 流 /AS & Daniel Industries 量 挪威 Multi-Fluid 计 /ASA & Multi-Fluid Inc
伽 马 密 度 计 测 混 合 液 密 度 ，时 间比例取样器分析出含水率
气体涡街流量计测气速， 皮囊流量计测液体流速
常规气体流量计，皮囊流量 计测含水率和质量流量 双螺旋转子容积式流量计测 总体积流量（无滑差现象）
KQMF MPM2000
伽马射线 单能伽马双传感器 差压 双能伽马传感
差压
高效旋流气液分离技术
气路流量计
器
气
液
组
控
分
制
仪
罐
液路流量计
图 1 多项流计量系统示意
多相流计量系统的主要技术思路是：采用高效 旋流气液分离技术，配以独特的无源液位控制技术， 将复杂的多相流问题化解为气相和液相（油水）两 相问题。其计量原理是：油水气混合液经气液离心 旋流分离，实现对游离气的完全分离和部分乳化气 的初步分离。被分离的气、液分别由分离器的顶部 和底部切向进入气液控制罐，进一步离心分离气中 的含液和液中乳化气。气液控制罐内的无源液位控 制阀，通过液位高低直接控制气体排出的流量和间 接控制液体排出的流量，达到控制罐内液位、气液 流量的自动平衡控制。气液控制罐的气路出口配装 气体流量计，液路出口配装液体流量计和油水气组 分仪，与计算机数据采集处理系统配套，完成对管 道多相流的在线计量，包括油、水、气分相流量及 含水率。
%
%
%
液流量 0.25～4.00m/s ±3（示值）
±1.0（示值） 95.0
气流量 3.0～15.0m/s ±8（示值）
±5.0（示值） 90.0
含水率 0%～100% ±2.0（绝对误差）±1.5（绝对误差） 95.0
含气率 0%～100% ±8.0（示值） ±5.0（示值） 90.0
压力损失小于 0.04MPa；四是长期运行稳定性好、 可靠性高，设备运行保养费用和工作强度低；五是 结构简单、无传动件和辅助电控系统；六是体积小、 重量轻，移动拆卸方便，操作维修简便；七是模块 化组合，可根据测量（用户）要求选择配套液路流 量计、气路流量计和组分仪。
1 多相流计量的研究和应用现状
多相流计量技术是 20 世纪 70～80 年代计量领 域发展起来的一个新的分支，起初是在其流体流动 工程测试环道上开始进行研究的。80 年代中期，研 制出了第一代多相流量计，而最早进行现场实验的 流量计是 EUROMATIC。美国、英国、德国、荷兰、 挪威等国家，投入了大量的财力、人力进行多相流
为解决这些技术难点，就需要建立合适的数学 和物理测量模型，选取特征参数、研发特种仪器以 及采用先进的数据处理方法等。
4 国内新型多相流计量系统
国内新型多相流计量系统采用目前被公认为最 有发展前途的部分分离式计量方式，系统组成如图 1 所示。
46
纪 红等：油井多相流计量技术
2008 年 9 月
分 离
量计的研制和开发。目前，大多数的测试技术还仅 局限于实验室研究，为数不多的商品化的多相计量 仪表开始在工业中应用。在国内，西安交通大学、 浙江大学、清华大学、天津大学、石油大学等先后 开展了这方面的研究。兰州科庆仪器仪表有限责任 公司、兰州海默、西安开尔等公司也开展了油、气、 水多相流在线计量研究，取得了一定进展，并有产 品在现场使用。
Hydralift Wellcomp 和 Hydralift Inc.
部 分 Accuflow Inc. 分 离 由英国 ISA Controls Ltd. 式 开发，由 BP Exploration & 多 Operating Co Ltd.获专利 相 流 英国 Jiskoot 量 兰州科庆仪器仪表有限 计 责任公司
密度计测油、水， 密度计测气 微波原油含水仪测油、水， 密度计测气
组分流速测量方法 容积式流量计和文丘里管
两组相关关系传感器 测气、液流速 文丘里管和混合静压室 测总流速 相关关系和滑差模型
Wellcomp Accuflow
ISA
专利采样室测量静态采样的 电 容 和 密 度 以 计 算 水 、油 、气 体积分数
差压 相关关系和静态流态调节测 流量
备注 MPFM400 型设有可局部 气液分离的分流器 MPFM900 型设有文丘里 管和气体分数来测量组 分流速 假设组分在文丘里管中 流速一致
在制造厂利用涡轮流量 计得到类似单相流量计 K 系数（年度校准,可溯 源到国家标准）
是不能令人满意。壳牌公司的资深专家 Lex Scheers 对多相流产品的技术、现状和性能状态进行了概括 性的总结：一是精度差，特别在含气率≥60%时， 液相流量绝对偏差为±10%～20%，气相流量绝对 偏差为±10%～30%，含水率绝对偏差为±10%～ 20%；二是造价高，上述仪表的价格为 12.5～40 万 美元，合理的价格应为 8～10 万美元；三是维护量 和维护费用高；四是使用复杂，需要有经验的操作 人员。而且，上述许多仪表都需要计算机软件多参 数拟合，拟合参数根据不同流态条件而变化。
中国开尔
中国海默
表 1 国内外主要油井多相流计类型
型号
MPFM300 MPFM400
MPFM900 MPFM1900 MPFM1000
Framo 多相流量计
MFI 多相流量计
组分体积分析方法 微波原油含水分析仪测油水 比，容积式流量计测气
电 容 传 感 器 测 油 ，连 续 传 导 率 测水，连续密度计测气
44 第 19 卷 第 5 期
石油规划设计
2008 年 9 月
油井多相流计量技术
纪 红* 宋 磊
中国石油天然气股份有限公司规划总院
张彦林
中国石油西北销售分公司
纪 红等. 油井多相流计量技术. 石油规划设计，2008，19（5）：44～46
摘要 在原油开采过程中，需要了解各油井的原油及天然气产量，从而确定油田区块地层油 气含量及地层结构的变化。采用多相流计量装置，可对油井产出液中各组分的体积流量进行连续 计量，得到实时计量数据。现场应用表明，多相流计量装置有许多技术优势和特点，其提供的各 种数据可用于优化生产参数、提高采收率、优化工艺流程，是油田单井计量的发展方向。
参考文献 ［1］ Stein-Arild Tjugum ， Joop Frielingb ， Geir Anton
Johansen. A compact low energy multibeam gamma-ray densitometer for pipe-flow measurements. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B：Beam Interactions with Materials and Atoms，2002， 197（3～4）：301～309 ［2］ ［丹］霍夫曼，［美］斯坦因著，彭维明，姬忠礼译. 旋风分离器：原理、设计和工程应用. 北京：化学工 业出版社，2004 ［3］ John Amda. Handbook of multiphase metering，produced for the Norwegian society for oil and gas measurement. 2001 ［4］ 郭福民编译. 油气分离器原理设计与计算. 上海：上 海交大出版社，1993 ［5］ 胡博仲编著. 油田原油含水测量. 北京：石油工业出 版社，2006
从表 1 可以看出，目前多相流产品的种类和计 量方式还比较多。然而，由于在多相流计量技术中 存在一定的难度，使得在用的计量设备在精度上还
* 纪 红，女，1960 年生，高级工程师。1981 年毕业于上海化学工业专科学校化工仪表自动化专业，现在中国石油天然气股份有限公司规划总院从事
自控专业的规划设计工作。通信地址：北京市海淀区志新西路 3 号 938 信箱，100083
3 多相流计量的技术关键
进行精确计量的多相流计量技术的难度要比单 相流计量大。因为单相计量可通过测得温度、压力、
流动黏度、压缩性和装置的几何尺寸来测得流量。 而在多相流动中，由于每相的变化都不相同且难寻 其规律性，从而使多相流计量技术难度很大，主要 表现在 3 个方面：一是各相混合均匀度不好，表现 为水与油混合不均，气体与液体有分离。另外，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也比较大， 液相和气相常以不同的速度在流动；二是混合的不 规则性突出。当各相混合时，其结果不可预测，黏 度和总量可发生变化。相与相之间存在相互作用， 结果是气体能从溶液中析出或者溶解在液体中，蜡 和水合物会在流体中沉淀；三是流动状态非常复杂， 特征参数多，与各相之间的相对速度、流体特性、 管路结构及流动方向有关。
多相流计量系统中的组分仪，利用专利技术， 使含气率小于 30%的油水混合液的测量，可达到含 气测量精确度≤±0.5%，含水测量精确度≤±1.5%。 KQMF 系列多相流计量系统采用部分分离式计量方 式，是对上述核心技术的延伸和创新。
5 现场试用
从 2005 年开始，国内新型多相流计量系统开始 在大庆油田、中原油田、长庆油田、胜利油田陆续 试用。试用形式有车载式、固定式；有用于单井计 量的场合，也有用于多井计量的场合，其运行效果 得到了用户的好评。2005 年 12 月，在中国石油工 业计量研究所大庆油田设计研究院地面技术现场试 验基地，利用实液进行“油气水多相流试验及多相 流量计装置测试”，结果见表 2。
6 结束语
多相流计量系统现场大量的测试和应用表明， 多相流计量系统具有技术和价格两方面的优势，而 且这种新型多相流计量装置的设计思想和方法将对 今后多相流计量设备的研发产生一定的影响。多相 计量技术与传统的基于计量分离器的油气井计量技 术相比，在技术上和经济上都具有较大优势。多相 流计量将会成为海洋、沙漠新油气田开发中首选的 计量技术；也是陆上老油气田改造、简化地面设施 的首选计量技术。油田单井计量通过采用多相流计 量技术，既可优化简化工艺流程，又可提高单井计 量的精确度，为油田开发提供准确的数据，具有广 阔的社会效益和经济效益。
关键词 油井 多相流体 流量计 气液分离 含气、含水率
在原油开采过程中，为确定各油井的原油、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组分的体积流量或质量流量 进行连续的计量。通过提供的实时计量数据，可为 生产管理提供参考，对优化生产参数、提高采收率 起到重要作用。目前，国内油田使用较多的单井计 量方法是分离器自动玻璃管计量、人工玻璃管计量、 油井计量车、翻斗计量装置、双容积计量装置、油 井三相计量装置，而代表先进技术的多相流计量正 在兴起。多相流计量是在没有预分离的情况下，根 据应用场合采用不同的精度等级，对油井产出液中 的油、气、水进行计量。多相流计量由于设备自动 化程度高、管理简单、实时性好而日益成为油田单 井计量的主要方法。
2 多相流计量的类型
从计量方式来划分，目前多相流计量可分为直 接在线式多相流量计和部分分离式多相流量计。直 接在线式多相流量计结构紧凑，但价格昂贵，适用 于海上和浅海油田，并在该领域中占据着主要的市 场份额；气液不完全分离多相流量计结构更复杂、 体积较大，但准确度更高、成本更低，更适于对成 本和准确度的要求高于对尺寸和重量的要求，而且 气液较容易分离的工作条件。目前国内外主要油井 多相流计类型见表 1。
从多相流计量系统实验室和现场使用情况分 析，其技术优势和特点主要有：一是计量精确度高， 在线实时性、重复性好，且计量精度不受油气流型 和流态影响；二是计量量程宽，液相量程可达到 1∶ 20 以上，线性好；三是压力损失小，整个系统最大
表 2 多相流计量系统性能测试结果
项目
测量范围
wk.baidu.com测量误差（L）/ 测量误差（H）/ 置信度/
第 19 卷 第 5 期
石油规划设计
45
类型
制造商
直 接 美国 Agar Corp
在
线 挪威 flutenta Inc 式
多 相 挪威 Framo Engineering 流 /AS & Daniel Industries 量 挪威 Multi-Fluid 计 /ASA & Multi-Fluid Inc
伽 马 密 度 计 测 混 合 液 密 度 ，时 间比例取样器分析出含水率
气体涡街流量计测气速， 皮囊流量计测液体流速
常规气体流量计，皮囊流量 计测含水率和质量流量 双螺旋转子容积式流量计测 总体积流量（无滑差现象）
KQMF MPM2000
伽马射线 单能伽马双传感器 差压 双能伽马传感
差压
高效旋流气液分离技术
气路流量计
器
气
液
组
控
分
制
仪
罐
液路流量计
图 1 多项流计量系统示意
多相流计量系统的主要技术思路是：采用高效 旋流气液分离技术，配以独特的无源液位控制技术， 将复杂的多相流问题化解为气相和液相（油水）两 相问题。其计量原理是：油水气混合液经气液离心 旋流分离，实现对游离气的完全分离和部分乳化气 的初步分离。被分离的气、液分别由分离器的顶部 和底部切向进入气液控制罐，进一步离心分离气中 的含液和液中乳化气。气液控制罐内的无源液位控 制阀，通过液位高低直接控制气体排出的流量和间 接控制液体排出的流量，达到控制罐内液位、气液 流量的自动平衡控制。气液控制罐的气路出口配装 气体流量计，液路出口配装液体流量计和油水气组 分仪，与计算机数据采集处理系统配套，完成对管 道多相流的在线计量，包括油、水、气分相流量及 含水率。
%
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液流量 0.25～4.00m/s ±3（示值）
±1.0（示值） 95.0
气流量 3.0～15.0m/s ±8（示值）
±5.0（示值） 90.0
含水率 0%～100% ±2.0（绝对误差）±1.5（绝对误差） 95.0
含气率 0%～100% ±8.0（示值） ±5.0（示值） 90.0
压力损失小于 0.04MPa；四是长期运行稳定性好、 可靠性高，设备运行保养费用和工作强度低；五是 结构简单、无传动件和辅助电控系统；六是体积小、 重量轻，移动拆卸方便，操作维修简便；七是模块 化组合，可根据测量（用户）要求选择配套液路流 量计、气路流量计和组分仪。
1 多相流计量的研究和应用现状
多相流计量技术是 20 世纪 70～80 年代计量领 域发展起来的一个新的分支，起初是在其流体流动 工程测试环道上开始进行研究的。80 年代中期，研 制出了第一代多相流量计，而最早进行现场实验的 流量计是 EUROMATIC。美国、英国、德国、荷兰、 挪威等国家，投入了大量的财力、人力进行多相流
为解决这些技术难点，就需要建立合适的数学 和物理测量模型，选取特征参数、研发特种仪器以 及采用先进的数据处理方法等。
4 国内新型多相流计量系统
国内新型多相流计量系统采用目前被公认为最 有发展前途的部分分离式计量方式，系统组成如图 1 所示。
46
纪 红等：油井多相流计量技术
2008 年 9 月
分 离
量计的研制和开发。目前，大多数的测试技术还仅 局限于实验室研究，为数不多的商品化的多相计量 仪表开始在工业中应用。在国内，西安交通大学、 浙江大学、清华大学、天津大学、石油大学等先后 开展了这方面的研究。兰州科庆仪器仪表有限责任 公司、兰州海默、西安开尔等公司也开展了油、气、 水多相流在线计量研究，取得了一定进展，并有产 品在现场使用。
Hydralift Wellcomp 和 Hydralift Inc.
部 分 Accuflow Inc. 分 离 由英国 ISA Controls Ltd. 式 开发，由 BP Exploration & 多 Operating Co Ltd.获专利 相 流 英国 Jiskoot 量 兰州科庆仪器仪表有限 计 责任公司
密度计测油、水， 密度计测气 微波原油含水仪测油、水， 密度计测气
组分流速测量方法 容积式流量计和文丘里管
两组相关关系传感器 测气、液流速 文丘里管和混合静压室 测总流速 相关关系和滑差模型
Wellcomp Accuflow
ISA
专利采样室测量静态采样的 电 容 和 密 度 以 计 算 水 、油 、气 体积分数
差压 相关关系和静态流态调节测 流量
备注 MPFM400 型设有可局部 气液分离的分流器 MPFM900 型设有文丘里 管和气体分数来测量组 分流速 假设组分在文丘里管中 流速一致
在制造厂利用涡轮流量 计得到类似单相流量计 K 系数（年度校准,可溯 源到国家标准）
是不能令人满意。壳牌公司的资深专家 Lex Scheers 对多相流产品的技术、现状和性能状态进行了概括 性的总结：一是精度差，特别在含气率≥60%时， 液相流量绝对偏差为±10%～20%，气相流量绝对 偏差为±10%～30%，含水率绝对偏差为±10%～ 20%；二是造价高，上述仪表的价格为 12.5～40 万 美元，合理的价格应为 8～10 万美元；三是维护量 和维护费用高；四是使用复杂，需要有经验的操作 人员。而且，上述许多仪表都需要计算机软件多参 数拟合，拟合参数根据不同流态条件而变化。