油田工業多相流量計技術適用性分析

吳佳歡 潘 峰 吳 剛

(中國石油集團工程設計有限責任公司北京分公司，北京 100085)

油田工業多相流量計技術適用性分析

吳佳歡 潘 峰 吳 剛

(中國石油集團工程設計有限責任公司北京分公司，北京 100085)

以油田工業為背景，討論多相流量計常用的流量、組分測量技術、互相關技術和部分分離技術在油田工業中的適用性和應用中所涉及的關鍵問題，指出了多相流量計技術適用性評估的6個方面(測量不確定度、兩相圖分析、流體工況適用性、安全和環保、油藏管理效果和現場安裝條件)。

多相流量計 油田工業 適用性分析

多相流(通常為油、氣、水三相)現象普遍存在于油田工業領域。多相流體中油、氣、水三相流體的流量值能夠反映油田各井口的性能動態變化，為油藏管理、分配計量和生產決策提供數據支持[1]。洪文鵬等對管束間氣液兩相流動特性的研究進展進行了詳述[2]，而王尊策等則對不同操作參數下動態水力旋流器內部油水兩相流動的數值模擬進行了詳細說明[3]。

傳統方法通常用測試分離器將井口流體分離，然后由單相流量計實現油、氣、水三相流體的流量測量。這種方法存在容器尺寸較大，安裝、運輸及維護成本較高等問題，同時所測井口流體需經多級工藝處理，通常只能給出流體各相流量在某段時間間隔內的平均值，無法反映井口的真實瞬態性能[4～7]。

多相流量計完全能夠替代傳統測試分離器，在井口流體未經穩定、分離及全工藝處理等過程前，對它進行獨立測量，最小化人為影響因素，以真實反映井口的瞬態性能，對于油藏管理、生產分配優化及井口測試等有重要意義，已逐漸發展成一種可行的多相流測量方案，在油田工業領域獲得了廣泛應用[8]。多相流量計結合了多種不同的測量技術，已有的多相流量計相關技術包括流量測量技術和組分測量技術，以及針對特定工況引入的互相關技術及部分分離技術等，來獲得流體的總流量和各相流體的組分，進而通過特定的多相流體數學模型計算出各相流體的流量[9]。

為了適應實際工業生產需求，多相流量計的多種相關技術，如文丘里流量計、伽馬射線技術、電容電導技術、層析成像技術及部分分離技術等相繼出現[10～12]。然而，對于不同工況(流體形態、各相組分含量及雜質含量等)的多相流體，各種測量技術都有一定的優勢和應用局限，因而基于不同測量技術的多相流量計的適用性和測量效果也相差較大[13]。為此，基于油田工業背景，探討多相流量計相關技術的適用性以及在應用中所涉及的關鍵問題。

1 多相流流量測量技術①

1.1 文丘里流量計

文丘里流量計以流動連續方程和伯努利方程為基礎，基于文丘里管中節流元件前后所產生的壓差與流速的相互關系，獲得所測流體的流量[14]。用于單相流體流量測量的文丘里流量測量公式如下：

(1)

式中C——流出系數，由試驗確定；

d——喉部直徑，m；

Q——體積流量，m3/s；

β——喉部直徑d與管道內徑d1之比；

Δp——文丘里管入口圓筒段和喉部兩個測壓處的壓差；

ρ——流體密度，kg/m3。

由于此處的密度ρ為單相流體密度，因此式(1)不能直接用于多相流體的流量測量，需要將單相流體密度ρ換算成多相流體各相組分的混相密度ρmix：

ρmix=∑αi·ρi

(2)

其中，各單相流體密度ρi在標況下某時間間隔內通常視為穩態值，并可通過取樣或其他方法獲得。因而，在獲得多相流流體中的各相組分后，即可由式(2)給出的多相流體的混相密度，通過下式獲得多相流體的總流量：

(3)

文丘里流量計結構簡單、牢固，具有較高的可靠性和魯棒性，并且無轉動部件，因而不易被臟污流體損壞，耐磨性好、不易結垢，是最常用的多相流體總流量測量儀表，廣泛應用于各類多相流量計量中。在安裝文丘里流量計時，對它的前后直管段的要求較高，測量精度和重復性在流量計中屬中等水平，測量范圍較窄(量程比通常為3∶1～4∶1)，且用于壓力較低的工況時，需考慮文丘里流量計的壓力損失對后續工藝的影響。此外，混相密度的計算也會影響文丘里流量計對多相流體總流量的測量精度。

1.2容積式流量計

容積式流量計又稱定排量流量計(Positive Displacement Meter，PDM)[15]。將流量計內的活動體和殼體所構成固定尺寸的測量腔稱為標準容積單元，腔內轉子每轉一周就排出一個標準容積單元的流體，即單位時間內排出流體的體積與轉子旋轉次數成正比。因此，可以通過轉子的旋轉次數獲得被測流體的體積流量。容積式流量計被認為是測量精度最高的一類流量測量儀表。它的安裝要求較低(直管段長度對測量精度無影響)、量程范圍較廣(量程比5∶1～10∶1)，也可用于多相流體總流量的測量。

由于容積式流量計有與流體直接接觸的移動部件，當流體中含有沙粒等雜質時，易造成移動部件的磨損或故障，嚴重時可能造成管道堵塞甚至斷流。因此，容積式流量計通常只適用于潔凈流體，很難應用于原油介質的多相流測量。

1.3質量流量計

科里奧利質量流量計(簡稱科氏力流量計)是利用流體在振動管中流動而產生與質量流量成正比的科里奧利力的原理，直接測量質量流量的儀表，具有良好的精確性、重復性和穩定性，不受流體物性(密度、粘度等)的影響，適用量程比較高，無直管段安裝要求。流體通道內不含節流元件和移動部件，可靠性高、壽命長，可用于高粘度流體(泥漿)和高壓氣體的流量測量。科氏力流量計常用于多相流體經部分分離后油、水兩相液體總流量的測量。

但是質量流量計通常不適用于低密度氣體或高含氣量液體，且對外界振動干擾較為敏感，易因背壓偏低而影響測量精確性和穩定性[16]，對固定安裝有較高要求[17]。

2 多相流組分測量技術

2.1伽馬射線技術

伽馬射線技術是多相流量計最常用的組分測量技術。當伽馬射線穿過多相流體時，與介質光子相互反應能量衰減，所穿過多相流體介質的相分率不同，伽馬射線的衰減程度也不相同，且不同能級的伽馬射線通過相同相分率的多相流體時的衰減程度也不相同。因此，可以通過探測伽馬射線經過多相流體的衰減程度變化實現多相流體的混相密度和各組分相分率的測量[18]。伽馬射線衰減能計算式如下：

(4)

式中e——伽馬射線的能級；

d——流體所在管道直徑；

Im——經過流體介質后的伽馬射線強度；

Iv——伽馬射線的發射初始強度；

αi——組分i的相分率；

μi——組分i的伽馬射線衰減系數。

式(4)中僅αi為未知量，可將式(4)與各組分相分率合為一相結合組成方程組，獲得各相相分率。由式(4)可知，采用單能級伽馬射線公式可求解兩個未知數，適用于兩相流體。

針對油、氣、水三相流體的相分率計算，可引入雙能級(e1、e2)伽馬射線，具體計算公式為：

(5)

其中，Ro、Rw、Rg和Rm表示管線中充滿油、水、氣三相以及混相流體的伽馬射線在能級e1和e2的計數值。若要測量多相流體中更多組分的相分率也可引入多能級伽馬射線。

伽馬射線技術適用的組分測量范圍較廣，理論上能夠應用于全量程含氣率、含水率的多相流體組分測量，受流體流態、粘度等影響較小，且屬于非介入式測量，幾乎無壓力損失，是各類多相流量計應用最廣泛的組分測量儀表。由于儀表采用了放射源，其安全和環保問題需著重關注。此外，根據工程實際應用經驗，對于極高含氣率(95%～100%)或濕氣工況，伽馬射線技術存在含水率測量不確定性較大的問題。

2.2電容/電導分析技術

電容/電導分析技術基于各相流體不同的導電特性和電介質特性測出多相流體中各相組分的相分率。電容分析技術通過測量多相流體的電容量，進而基于各相流體的介電常數差異獲得各相組分的相分率[19]。電導分析技術通過測量多相流體的電阻抗獲得多相流體的電導量，進而基于各相組分的導電性差異獲得各相組分的相分率[20]。電容分析技術與電導分析技術具有一定的互補性。

考慮氣相、油相的電導率近似為零，而水相含鹽因而具有一定的導電性，即多相流體的電導率主要取決于水的體積含量和相分布狀態。因此，電容測量技術通常適用于多相流體為油連續相工況(原油工況含水率低于60%～70%)。電導測量技術通常適用于多相流體為水連續相工況(原油工況含水率高于70%)。通常，電容/電導技術可以直接測量含水率，但需要與互相關技術相結合以實現含氣率的測量。

電容/電導技術由于不含危險放射源，具有較好的安全性和環保優勢。但由于電容技術與電導技術的選用與油連續相和水連續相的流態變化有關，因此，電容/電導技術受流體流態的影響較大。此外，溫度、含鹽率及pH值等流體導電性的影響參數也將對電容/電導技術的測量結果產生影響。同樣，實際應用中，針對極高含氣率工況，電容/電導技術的含水率測量不確定度較大。

2.3微波含水分析技術

微波穿過流體介質后會由于介質的吸收而發生衰減。介質對微波的吸收能力主要取決于其介電常數，介質介電常數越大吸收微波的能力越強。由于油、水的介電常數差別較大(相同工況下，水的介電常數遠大于原油的介電常數)，含水率不同，油、水兩相混合液體的介電常數不同，進而造成混相液體對微波的吸收程度差異。因此，微波含水分析技術通過測量微波信號穿過流體介質的衰減程度(功率衰減、相位變化及諧振頻率等與介電常數相關的物理量)測得油、水兩相液體的含水率[21]。

微波含水分析技術適用的含水率范圍較廣，測量精度較高，屬于非接入式測量方式，受流體流態、溫度、含鹽量、pH值及雜質等的影響較小，且微波的安全性和環保性相對較好，常用于部分分離式多相流量液相流體的含水率測量，在低含水(小于25%)或高含水(大于75%)的工況下測量精度更高。

2.4互相關技術

多相流體在管道中流動時會產生許多與流動有關的隨機流動特征信號，如壓力、溫度、電導及電容等。互相關技術采用位于某斷流體上下游的特定傳感器獲得上下游流體的上述特征信號，并通過互相關分析技術獲得流體特征信號通過一段已知距離管段所用的時間，即獲得流體特征信號的移動速度，進而基于流體特征信號的速度變化獲得流體流量[22]。

互相關技術通常用于多相流量計中流體總流量或氣相流量的測量。此外，互相關技術也可以與電容、電導等技術結合使用，如獲得多相流體中非導電相流體(如油、氣相)對于上下游電導傳感器測量信號的擾動，并通過互相關技術實現多相流體的含氣率等組分測量。不含放射源的多相流量計組分測量技術通常都結合互相關技術應用。

互相關技術可根據被測流體的物理、化學特性選擇合適的傳感器檢測不同的特征信號，而相關測量系統的主體保持不變，因此對于不同屬性的多相流體具有很強的適用性。而且計算過程的關鍵參量是時間間隔，并非傳感器的絕對測量值，因此對于傳感器的精密性要求不高，具有較好的可靠性和穩定性。

然而，互相關技術可能會由于流體流態變化(產生氣泡等)導致上下游傳感器檢測特征信號波動大或檢測信號不一致。因此在實際應用中，根據多相流體的流動特征選擇合理的被測參量、傳感器類型和上下游傳感器的合理布置，對于測量結果有重要影響。此外，采用一定的污染噪聲消除方法可以提高互相關分析的準確性[23]。

2.5部分分離技術

如前所述，針對多相流體極高含氣率工況，多數多相流量計組分測量技術都難以實現含水率的準確測量。因此，一些多相流量計通過引入部分分離技術(在線取樣技術、柱狀旋流式氣-液分離技術[24]等)將多相流體中的氣相組分分離(圖1)。分離后，采用單相流量計分別測量分離出的氣相組分流量和液相組分流量，并通過含水分析技術(如微波含水分析儀等)獲得液相組分中的含水率，進而獲得油、水兩相組分的流量。

圖1 部分分離裝置示意圖

引入部分分離技術的最大優勢在于可以有效解決組分測量技術無法適用于極高含氣率工況的問題。然而，當流體中含有泡沫等特殊流態時，部分分離技術就無法實現氣液的完全分離。因此，可引入消泡器或其他工藝流程解決該問題。

此外，相對于無需分離多相流體的多相流量計，引入部分分離技術的多相流量計相對尺寸較大，安裝、運輸、維護成本也較高。

3 多相流量計相關技術的適用性分析

針對油田工業，多相流量計相關技術的適用性主要從6個方面進行評估。

3.1測量不確定度

測量不確定度表明了對測量結果的不可信程度或對測量結果有效性的懷疑程度。由于測量條件的不完善和認知的不足，被測值不能確切獲得，而是以一定的概率分布在某個區域，表征被測量值分散性的參數就是測量不確定度。

與測量誤差為某一數值不同，不確定度表示的是某一分布區間。通常，當受到客觀因素限制而無法確切給出被測量的真值時，就需要采用不確定度對測量效果進行定量評定。在工程實際應用中，通常無法獲得確切的多相流體中各相流量的真實值，因此常采用不確定度衡量多相流量計的測量結果。在特定工況下測量結果的不確定度也是評估多相流量計適用性的重要指標。同時，多相流量計的不確定度通常應與置信區間和可重復性結合給出。表1給出了常用油田工業領域的油井測試多相流測量指標。

表1 油井測試多相流測量指標

3.2兩相圖分析

多相流量計要實現多相流體中各相組分的流量測量，很難用一維流量范圍評估多相流量計流量范圍的適用性。因而常采用兩相圖法評估多相流量計的流量范圍是否滿足工況要求[25]。

針對油田工況，通常采用氣液兩相圖分析多相流量計多相流測量范圍的適用性，如圖2所示，各點根據油田各井口氣液相流量極限值給出，即點的分布表示油田全部井口多相流體的氣液相流量范圍。

圖2 多相流量計氣液兩相測量適用性分析結果

圖2中曲線所覆蓋的區域表示某多相流量計適用的氣液相流量測量范圍，即儀表本身的固有屬性。可以看出，若多相流量計的固有多相流測量范圍可以覆蓋兩相圖中的全部井口點，說明該多相流量計的測量范圍適用于該工況。

3.3流體工況適用性

多相流體的含氣率和含水率對多相流量計的測量效果有較大的影響，特別是在極高含氣率的工況，一直以來是多相流量計測量的挑戰。但是，油田工業領域極少出現極高含氣率的流體工況，因而對于大多多相流量計組分測量技術，在非極高含氣率工況下，理論上都可以獲得較高的測量效果。

油田工業通常會由于注水等工藝處理流程使得多相流體的含水率發生變化，這種變化可能對電容、電導等技術的測量效果產生影響。此外，油井原油通常為高粘度流體，且帶有泡沫、乳化液及沙粒等雜質，這會直接影響上述多相流量計相關技術的應用效果。

3.4安全與環保

由于有大量多相流量計采用了伽馬射線技術，因此，安全和環保是這類多相流量計應用時所需考慮的主要問題。

與之相比，電容/電導技術、微波技術等在安全、環保方面具有明顯優勢。

3.5油藏管理效果

能夠真實地反映井口瞬態性能，優化并改良油藏管理是多相流量計在油田工業領域廣泛應用的主要原因之一。除部分分離技術外，前文所述多相流量計相關技術均無需對流體進行預處理，能在線給出被測參數的瞬態值，有助于獲得更好的油藏管理效果。部分分離技術由于需要對多相流體進行預分離處理，雖然相對于傳統測試分離器仍具有更好的實時監測效果，但無法完全反映井口流體的真實瞬態性能。

3.6現場安裝條件

多數無分離的在線多相流量計的安裝尺寸較小；而采用部分分離技術的多相流量計通常尺寸較大，現場安裝、運輸成本較高。此外，一些多相流量計相關的流量測量技術對于現場安裝還有特定要求，如上游直管段、管線彎頭及固定等。

表2給出了多相流量計相關技術的適用性比較。綜上所述，對于放射源無強制禁用要求，針對油田工業常見的較低含氣率工況，文丘里流量計和伽馬射線技術是應用最為廣泛的多相流量計流量測量和組分測量技術，具有較好的測量效果，相應產品的市場占有率也相對較高。

表2 多相流量測量技術適用性比較

若考慮極高含氣率工況，需引入部分分離技術，且要注意流體中泡沫等對于分離效果的影響。若考慮安全環保問題，避免使用帶放射源儀表，電容/電導技術結合互相關技術是實現多相流組分測量的有效途徑。但該方案同樣存在無法適用于極高含氣率工況的問題。同時，還需考慮多相流體流態變化對其測量效果的影響。

4 結束語

筆者討論了多相流量計常用的流量測量技術、組分測量技術、互相關技術和部分分離技術，給出了多相流量計技術適用性分析的6個主要方面。結合油田工業工況，分析了各類技術的適用性和應用中的關鍵問題。指出當多相流體的含氣率在95%以下時，文丘里流量計和伽馬射線技術是應用最為廣泛的流量測量和組分測量技術，具有良好的適用性和測量效果。針對含氣率高于95%的極端工況，需采用部分分離技術加以解決。

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StudyonApplicabilityofTechnologiesforMulti-phaseFlowmetersinOilFieldIndustry

WU Jia-huan, PAN Feng, WU Gang

(BeijingBranchCompany,ChinaPetroleumEngineeringCo.,Ltd.,Beijing100085,China)

The technologies adopted for flow measurement, phase fraction measurement, cross correlation and partial separation were discussed, including key issues related and their applicability in the oil field industry; and their measurement uncertainty for applicability assessment, two-phase diagram analysis and fluid conditions, safety and environment protection, reservoir management as well as installation in-situ were presented.

multi-phase flowmeter, oil field industry, applicability analysis

2015-08-20(修改稿)

TH814

A

1000-3932(2016)04-0341-07