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多相流量计的选型及在国内市场的应用发展



摘要:由于多相流测量技术越来越成熟,国内外品牌各有特点,适用场合各有不同,在选用多相流量计时,根据实际需要选出最适用的品牌种类尤为关键。通过阐述目前国内使用较多的几种多相流量计的原理、特点及应用,对多相流量计的选型因素及发展趋势进行了深入研究,给出了基于完全混合模型、基于部分分离模型和基于完全分离模型3种方向,以指导选型与未来的发展方向,为今后多相流量计的选型使用提供参考。

  随着科学技术的不断发展,多相流测量技术越来越受到海上平台的青睐。多相流量计的研究始于二十世纪六十年代,但由于当时的技术条件限制,未获得可供应用的结果;到七八十年代,美国 TULSA 大学的流体流动回路以及挪威的 SINTEF 大学在多相流体力学方面的研究取得了一些成果[1]。随后,BP 公 司 和TEXACO 公司在八十年代中期发表了多相计量方面的第一批论文[2];九十年代初,在伦敦召开了多相流量计及其水下应用研讨会。自此,世 界各国如美国、挪威、法国、英国、俄罗斯和中国都投入了大量的人力和物力来研制多相流量计,并组建了一批多相流检定装置,从而使这一技术获得了实质性的发展。经过20多年的发展和淘汰,目前多相流量计技术已进入到一个比较成熟的阶段,近10年商业化推广也99取得了长足的发展。国内外多相流量计已被广泛地应用于陆上和海上。对于海上油田的计量,不同的国家甚至不同的石油公司,采用的品牌各不相同。目前,在国 内 市 场 领 先 的 品 牌 有 Schlumberger、Roxar、Haimo、Agar及 Veritas-msi,在海上油田使用较多的是国内的 Haimo和 Veritas-msi。

1、多相流量计原理及特点:
  在油气混输管线中,油井产出的原油、天然气和矿化水形成了一种相态和流态非常复杂的多相流,是一个多变量的随机变化组合过程。随着科学检测技术和计量技术的发展,针对多相流的特点,发展出两种计量方向:即基于混合技术的多相流计量和基于分离技术的多相流计量。
  基于混合技术的多相流计量无需对管线中的多相流体加以分离,在实际工况下,通过检测管线中混合流动的油、气、水三相的流速,以及流量截面上的相分率(含气率和含水率)等流动参数,采用流量计算机系统对各种参量进行运算,最终提供油藏管理需要的各种多相流工况、标况参数。
  多相流检测是以分离技术为基础[3],即将复杂的多相流体分离为单相流体,如单相气体和单相液体,或再将单相液体分离成单相水和单相油。然后,采用成熟的单相计量仪表分别计量油、气、水三相流量。同时,检测各种温度、压力等过程变量,并采用流量计算机系统对各种参量进行运算,最终提供油藏管理需要的各种多相流工况、标况参数。
  基于部分分离和部分混合的多相流计量,其特点是先将油气田的采出流体进行气液预分离,以简化复杂的流态;然后采用混合计量的方法对气相(带有少量液体)和液相(带有少量气)分别测量和计算;最后汇总输出多相计量参数结果。

1.1、基于混合型的多相流量计检测技术:
  通过多年的市场竞争和选择,基于混合型的多相流量计的测量都可归结为流速测量和相分率的测量。
1.1.1、流速测量技术流速测量分为均相流测量法和分相流测量法。均相流测量法,即在测量前采取措施预先将多相流混合物混合均匀,按均相流模型———单相流处理,然后测量均匀混合物的流速。原则上,单相流速的测量方法(如节流法、容积法等)皆适用于均匀混合物流速的测量,但目前多相流量计多采用文丘里管法测量均相混合物流速。分相流测量法根据测量原理的不同,主要有相关法、节流法和容积法。

1.1.2、相分率测量技术相分率是对油、气、水混合物特性的测量。将相分率测量技术与前文所述的流速测量技术相结合,可计算出每一相的流量。测量相分率最常用的方法有微波射频衰减法、双能伽马衰减法、电容电导法等,测得的参量包括 HG和 HW,具体算法见式(1)~式(3)。QP=VP·SO(1-HG)(1-HW) (1)QG=VG·SOHG (2)QW=VW·SO(1-HG)HW(3)式中:QP、QG、QW为油、气、水的流量,m3/s;VP、VG、VW 为油、气、水的流速,m/s;HG为三相 流 截面的气相所 占 比 率,%;HW为 液 相 流 截 面 的 水 相 所 占 比率,%;SO为管道截面积,m2。
1.1.3、混合型多相流量计特点混合型多相流量计又分为有核放射源和无核放射源两种。
1.1.3.1、有核放射源的混合模型多相流量计有核放射源的混合模型多相流量计基于完全混合模型。由于核放射射线对多相流具有非常强的穿透能力,并且油、气、水对射线的吸收能力不同,导致射线在穿透多相流时能量的衰减各有不同,因而可以很好地测量相分率。许多多相流量计都是由这种原理发展起来的,如 Schlumberger、Roxar、Haimo等均采用了这类技术路线,其基本原理如图1所示。该类多相流量计普遍采用文丘里管测量混合流体的差压,采用核放射源(如同位素为钡133、伽马射线、同位素为铯137、同位素为镅241等)测量流体的含气率和含水率。同时测量压力和温度信号,运用混合数学模型算法,计算得出工况和标况下的油、气、水三相流量或产量。
该类多相流量计具有如下特点:
(1)结构紧凑美观、体积小、重量轻、压力损失小。
(2)集成了多种不同的技术,采用不同的数据模型,软件中引入 PVT 参数修正,大大提高了高压、高含气工况的测量精度,可标准化规模生产。
(3)产品的服务费用昂贵(国内品牌 Haimo的产品服务费相对更低)。
图1有核放射源的混合模型多相流量计原理图
图1有核放射源的混合模型多相流量计原理图

1.1.3.2、无核放射源的混合模型多相流量计:
   无核放射源的混合模型多相流量计基于部分分离模型。目前,此类多相流量计不采用放射源,通过双文丘里管、双孔板或双V锥技术测量差压流量,采用电容、电导测含水率,并采用差压原理和持液率系数进行综合计算,最终求出各单相流量。
   该类多相流量计具有如下特点:  
 (1)非放射性。  
 (2)采取局部气体分离技术,对高含气有更好的适应性。
 (3)系统相对庞大,结构复杂,压力损失较大。
 (4)价格昂贵。
 (5)服务费用昂贵。

1.2、基于分离的多相流量计检测技术:
   基于分离的多相流量计中,最具代表性的是UI=CL CL多相流量计。该多相流量计使用美国Tulssa大学研究和推广的气液旋流分离器,首先对介质进行气液分离,然后采用阀门对气路和液路进行单独控制(最常用的方法是PID单回路控制.和计量。其中,气路采用气体流量仪表测量总气量,液路使用液体流量仪表(如质量流量计)测量总液量,再使用含水仪测量含水率,进而计算出油、水两相各自的流量。其原理图见图2。    分离式多相流量计中,油、气、水各相流量的计算
图2分离式多相流量计原理图

图2分离式多相流量计原理图
见式(4)~式(6)。QG=MG (4)QW=ML·HW(5)QP=ML·(1-HW) (6)式中:MG为气相的质量流量,kg/s;ML为液相的质量流量,kg/s;HW为含水率,%。该类多相流量计具有如下特点:
(1)非放射性。
(2)可有效缓冲段塞流,操作范围宽,适用性广。
(3)使用高精度仪表,测量误差相对较小,稳定性好,测量结果准确、可靠。
(4)体积相对较大,占用空间大。
(5)带辅助电控系统,压力损失较大。

2、多相流量计在海上油田的应用渤海湾:
  PL19-3油田的 WHPM 平台是一个9口井的无人平台(其中7口油井,2口注水井),该平台采用 Haimo MFM-2100/M-4型多相流量计,并于 2011年4月投入使用,其结构如图3所示。该多相流量计采用量程拓展型结构,具有两套独立的含气率测量(单能伽马传感器)和总流量测量(文丘里流量计)装置,以及一套含水率测量(双能伽马传感器)装置,大大提高了测量范围。
  2015年6月,对多相流量计进行了维护,表 1 为其计量数据表,其中最后一列为人工化验的含水率。
图3  Haimo MFM-2100/M-4型多相流量计结构图

图3  Haimo MFM-2100/M-4型多相流量计结构图
表1日aim。多相流量计计量数据

表1 haim。多相流量计计量数据
表2计量不确定度

表2计量不确定度
    图4所示为2015年6月对多相流量计进行维护时得到的M10井的测试曲线,显示了在120 min的时间里,M10井的产液量(图4中红色曲线)、产气量(图4中绿色曲线)和含水率(图4中黄色曲线)的变化情况。从图4可看出,从2011年4月投入使用到2015年6月,己运行4年,但该多相流量计基本运行平稳,计量准确度满足要求。

3、多相流量计选型及发展趋势:
3.1、多相流量计选型:

   由于不同类型的多相流量计测量机理不同,其适    从表1可看出,该多相流量计对各井(MO1井为间歇井况,未进行人工含水率的测量)产出液的含水率测量值与人工化验值几乎一致,在允许误差范围内,满足计量要求,表明该多相流量计运行正常。计量不确定度见表2。从表2可看出,置信度为90%时,在含气率(GVF)50%以及5000镇GVF镇98%两个区间范围内,总液量、气流量和含水率的测量误差在士10%以内,满足油井产量计量准确度的要求。
用范围也不尽相同,归纳起来主要有3种方向指导选型:①基于完全混合模型的多相流量计的选择;②基于部分分离模型的多相流量计的选择;③基于完全分离模型的多相流量计的选择。    基于完全混合模型的多相流量计的选择,可以参考API于2005年9月出版的多相流测量推荐做法(即API RP 86一2005《API Recommended Practicefor Measurement of Multiphase Flow),该推荐做法给出了此类多相流量计的基本原理、分类、标定、性能测试、安装、操作和不确定度分析等多方面的指导性说明。图5为该标准提供的多相流不确定度分析原理图川。从图5可看出,在一定的GVF范围内,多相流量计的不确定度最理想,为士5%(图5中左边黄色区域);随着GVF的逐渐增大,不确定度数值增加到士1000;而在高GVF区域(图5中右边区域),不确定度超出士10000 基于完全分离模型的多相流量计,即类似传统大
图4  M1fl井测试曲线


图4  M1fl井测试曲线
图5多相流不确定度分析原理图

图5多相流不确定度分析原理图
罐分离后,对单相的油、气、水进行计量。这三相计量不确定度的极限为单相流测量仪表的不确定度,但也应考虑工况和标况的转换,以及烃露点的变化引起的气化引入的气、液单相流量的变化。可以用PVT或收缩系数来校正计量结果,但这会引入计算误差,增加系统的不确定度。    基于部分分离模型的多相流量计,结合了分离模型和混合模型的长处,采用高效分离技术对气体和液体进行预分离,再采用基于混合原理的数学模型来计算综合多相流的计量不确定度。
   此外,在选型的同时,还应结合实际的要求,建议可从如下几方面综合考虑:  
 (1)安装位置。包括陆上、海上平台及水下等。陆地的使用条件相对宽松,应当以流量计价格作为主要参考;海上平台空间有限,宜选用尺寸较小、结构紧凑的流量计;由于水下安装的流量计维护困难,因此流量计需具有极高的可靠性和一定的使用寿命,宜选用电学法测量的多相流量计。  (2)流体物性。原油茹度、乳化、起泡、水中盐含量等物性是主要考虑因素,具体选择方案如表3所列〕。
表3流体物性对多相流量计选型的影响



表3流体物性对多相流量计选型的影响

    (3)流动工况。含气率高低是影响多相流量计精度的重要因素。高含气工况下,可考虑先部分分离天然气,再进行多相计量;超高含气环境下,宜选用湿气流量计进行测量;高含水工况应选用微波衰减法测量含水体积分数;低含水工况应选用电容法或微波衰减法测量含水体积分数。
   (4)是否通过权威机构的第三方实验室的测试和评价。
   (5)是否通过公正、独立的工业现场对比测量。
   (6)是否经过长期的和批量化的工业性实验叫。
   (7)敏感度。由于操作条件变化、物性变化或测量范围变化给测量精度带来的影响程度,应要求厂商给予说明。此外,多相流量计是否需要现场标定、如何进行等,也要进行了解。
   (8)要重视多相流量计的售后服务工作。售后服务包括现场安装、调试、试运行、定期的维护和定期标定,以及出现问题后厂家的及时响应和解决等。3.2多相流量计发展趋势    现代石油工业的不断发展,对多相流的计量和监测提出了更高的要求。从近几年国内外的研究和工业应用情况来看,多相流量计应能够满足精度要求,具有可靠性高、易维护的特点,尤其是用于井下的多相流测量,必须满足耐高温、耐高压、耐腐蚀、体积小、可靠性高和免维护等条件m。    多相流量计控制方案的发展过程,是现代自动控制理论的不断发展,以及网络技术、小波分析理论等的不断成熟和融合的过程口11门。随着多相流理论模型的不断完善和发展,多相流量计必将越来越小型化、智能化,并具有准确度高、成本低、结构紧凑、通用性和安全性能高等特点。此外,多相流量计未来的发展方向还包括分析流体介质组成,如蜡含量、水合物、化学组分全盘下。

4、结语:
   从理论提出到实践应用,多相流量计己经历了30年的发展历程,其产品的商业化程度越来越高,潜在的市场需求也越来越大。然而,任何一种多相流量计,都不可能在所有的多相流条件下均表现出最佳的工作性能。现有的各种多相流量计实际能达到的测量准确度和适用范围都有一定限度,每一种流量计分别适用于特定的流量范围或者流型,这在很大程度上限制了多相流量计技术在油气生产实践中的推广和应用。因此,如何进一步提高多相流量计的测量精度并拓宽多相流量计的工作范围,是目前多相流量计开发中所面临的重要挑战;作为一项真正替代传统分离计量的新技术,多相流量计仍需不断地完善和发展。