油气多相流量计量研究现状与发展趋势

中国石油大学（华东）储运工程研究所2012.5多相流计量技术研究现状及发展趋势报告人：×××气液两相流广泛存在于石油、化工、核能等许多工业领域。存在两相流动的系统中两相流体的流量计量一般是难以回避的，也是一直未能很好解决一个难题。近年来随着石油价格上涨，能源紧缺问题日益突出。各国都在加大对海上和沙漠油田的开发，对多相流量的计量需求也更加迫切。多相流量计增长速率一、为何要采用多相流量计传统的计量方法是把油井产物送入三相分离器，由分离器将其分成油、气、水三相，通过安装在分离器各相出口管线上的流量计，计量三种流体的产量。缺点：（1）需要布置复杂的管线、阀门，设计施工任务重，投资大；（2）无法实时获取井口油气水各相流量。（1）占地面积小、工艺流程布局简单；（2）对油气进行连续、在线、自动测量，可实现无人值守，便于实时监控油气生产动态和精细化管理。（3）投资少，操作费用低。采用多相流流量计直接计量油井各相流量可以取消计量用分离器、计量管线以及计量汇管，具有如下优点：用途油井产量测试生产监控产量调配二、多相计量原理①各相在管道截面上所占据的面积Si；②各相沿管道轴线的流速vi；③各相温度Ti，压力Pi质量流量（i）=面积（i）*密度（i）*速度（i）对于油、气、水三相，只需要测量其中两相面积。对于混合均匀的弥散流，只需测量其中一相速度。多相流量计：能够同时获得被测管道气液各相流量的装置。1、流量测量基本方程(1）射线吸收测量相分率技术射线穿过多相流体时受到流体吸收，吸收的程度与多相流的密度有关。根据射线的吸收程度，可得出流体混合物的密度，进而计算出多相流的各相分率。2、相分率测量技术（2）电法测量相分率技术根据气液相混合物中两相介质的介电常数和电导率差别，测量出混合物中的气液相分率。可分为电容法和电导法。（3）微波衰减法测量微波衰减法主要用于测量含水体积分数，因为某一固定频率的微波经过不同含水体积分数的液相，可以产生不同的衰减，亦即衰减幅度与含水体积分数有关。是２０世纪８０年代初首先由西方发达国家开始研究开发，主要用于工业管道多相流测量．它类似于医学领域应用的ＣＴ技术，通过检测阵列电极电容变化，反映管道中多相介质介电常数分布，从而构造出管道中各相介质的分布图像，如石油输送管道中油水气各相介质浓度分布。（4）电容层析成像技术沿多相流管道相隔一定距离布置2个特性相同的传感器，分别检验多相流相分率和相空间分布等变化的随机流动噪声信号。根据相关技术确定上下游噪声信号的渡越时间，即可求得相关速度。多相流相分率及压力信号可作为流动噪声信号进行相关处理。常用传感器有测量相分率信号的射线和电容/电导传感器及测量压力信号的压力变送器等。3、流速测量技术（1）相关法tT+ΔtLV=L/Δt流体通过节流件（如孔板、文丘利管和喷嘴）时会产生压降，认为各相流速均匀一致，由流速与压降的关系即可测得流速。文丘利管法就是当前使用最多的多相流量测量法。文丘利管结构简单，体积小，维护方便。（2）节流法4、多相计量面临的挑战从井口出来的介质很少是单一的气相或液相，而是气液混合物。与单相流体流量测量相比，多相流量测量难度要大的多,主要是多相流动特性与两相流有很大不同：（1）气液相在管截面上具有不同的分布形式复杂多变;（2）各相流动速度不一致；（3）相与相之间存在质量、动量和能量交换；水平管内流型竖直管内流型多相流量计的研究始于六十年代，从80年代初至今，国内外多相流计量技术的开发和应用取得了重要的进展，多相流量计不仅在陆上，在海洋平台甚至水下都得到了运用。国内：兰州海默公司的FJ-104型、MFM2000型、MFM2000-Y型、MFM2000-H型油气水三相流量计和MobileMFM2000型车载式多相流量计；华北油田钻井研究所的SXL－1型油气水三相流量计；西安交通大学的TFM-500型多相流量计。三、多相流量计研究进展（一）、多相流量计发展历程国外：挪威Fluenta公司1900系列多相流量计；MFI公司LP型多相流流量计；Framo公司的MPFM型多相流量计；KOS公司的MCF351型多相流量计；Texaco公司的SMS多相流量计。完全分离直接测量分离不分离分流分相间接测量软件测量液面恢复法功图法部分分离多相流量测量方法（二）、油气多相计量技术分类（三）.分离式多相流量计将多相流体只分为气相和液相，使用一台单相气体流量计测量气体流量，使用一台单相液体流量计测量液体流量，液相含水率可用一台在线水组分测量仪完成。工作原理：GLCC多相流量计工作原理（1）GLCC多相流量计GLCC（gas-liquidcylindricalcyclone，管柱式气液分离器，由美国Tulsa大学最先研制推出。GLCC照片工作原理：由一个倾角向下的管道切向进入分离器，在旋转产生的离心力以及重力作用下发生分离，形成一锥状气液界面，液相沿着分离器壁沉积在底部，进入液体测量管道，上方气体进入气相测量管道，随后气液重新混合。（2）phasedynamics多相流量计（3）海默低产油井测量装置气液两相流经装置入口，首先进入除沙器，而后进入气液旋流分离器，实现气液分离；在分离器液体积聚段配备有液位计，通过液位计控制液路排放阀排放液体，排液管路上安装的质量流量计和含水仪实现液量测量和含水测量；气体由安装在排气管路上的旋涡流量计进行测量。适用于产量低、间歇产液油井的测量，该装置可用于固定安装测量，也可用于移动测井服务。完全分离方法特点：优点：当气液相能实现完全分离，测量不受多相流波动的影响，精度高。缺点：由于要对气液进行完全分离，分离设备体积庞大，价格昂贵，这在很大程度上增加了油田的开发成本。（二）非分离式多相流量计工作原理：不分离式多相流量计是在不对井液作任何分离的情况下实现油、气、水三相计量,其技术难度主要体现在油、气、水三相组分含量及各相流速的测定。1、英国JISkoot的Mixmeter多相流量计测量原理：•压差变送器测量总流量；•双能伽马密度仪测量含水率、含气率；特点：结构较为紧簇，压差损失小。a)β=0.4b)β=0.6c)β=0.752、挪威ROXAR公司MF1多相流量计测量原理：（1）测速采用微波相关法；（2）相分率采用微波传感器和伽马密度仪；（3）总流量测量采用文丘里流量计。该多相流量计结构紧凑，无可动部件，压力损失较小。挪威Framo公司的多相流量计MPFM型多相流量计由在线静态混合器、多源伽马组份计和文丘里动量计三部分组成。混合装置使计量系统完全不受上游流态的影响并为计量段提供均质流。多源伽马计由一个伽马同位索和一个耐震探测器构成，用来确定油、气、水各自的体积百分数。油、气、水各自的组份根据不同伽马能的相对衰减程度计算求得。文丘里流量计与伽马组份计相结合，获得油、气、水各自的流量。3、挪威Framo公司的MPFM多相流量计测量原理：采用正排量（PD）流量计测定总体积流量；由2个文丘里管组成的双动量流量计测定含气量；微波原油含水分析仪测定含水率。系统庞大，结构复杂，压力损失较大，而且包括可动部件和电控阀门。4、AGAR公司的301型多相流量计该流量计系统相对庞大，结构复杂，压力损失较大，而且有可动部件和电控阀门。不分离多相计量方法特点：优点：不需分离设备，体积小；缺点：测量受流体波动的影响，精度低。6、海默多相流量计测量原理：•采用低能伽玛射线吸收技术测量相分率•利用文丘里与单能咖玛组合形成一个独立的测量单元，测量气液流体总流量。•双能咖玛测量仪测量油水混合液中的含水率。应用：该流量计已在陆上油田、海上油田使用。涠洲11-4东平台采用了该公司的多相流量计，是我国海上平台第一次使用多相流量计，目前正在运行中。另外，秦皇岛32-6油田井口平台和绥中36-1Ⅱ期井口平台的总流量计量也采用了该多相流量计。（1）海默总量计量多相流量计湿气流量计适用于天然气生产井的测量，可以在不分离的状态下，对气井产出的天然气和液体进行测量。工作原理•采用低能伽马射线吸收技术测量气液两相相分率；•采用文丘里技术测量气液总流量；•配套仪表测量流体的压力和温度。（2）海默湿气流量计组合式移动测井装置实现了对多相流量计测量下限的全覆盖，进一步拓展了测量范围，提高了移动测井装置的适用性。（3）海默组合式移动测井装置这种多相流量计由英国BP开发研制，ISA公司生产。它是根据众所周知的容积式计量原理，同时结合密度测量，以此得出油、气、水混合物各相的质量流量。7、ISA公司的ScrollFlo型多相流量计这种多相流量计安装在管线的外侧，这样就不会对管线内的混合物产生干扰。该流量计采用一个脉冲中子束对通过管线的氢原子、碳原子和氧原子进行计数，以此测出气体、液体和固体的体积。混合物中的含水量通过对氯原子的计数求得。辐射短脉冲“触激”氧原子，同时计量以此测出混合物的流速。将两种测量结果相结合便可精确地计算出管线内的流量。8、AEA技术公司的脉冲式多相流量计（三）部分分离多相流量计原理：首先采用预分离装置将气液两相分离成以气相为主（高含气率）和以液相为主（高含液率）的两股流体，然后再利用较成熟的两相流仪表分别测量，最后将两股流体重新混和。优点：该方法缩小了流过测量仪表的两相流组分变化范围，同时也降低了流动的不稳定性和测量信号的波动性。这虽然在一定程度上缩小了计量分离器的体积，并降低了两相流测量的难度。缺点：未能将气液混合物完全分离，故实际上对提高测量精度的作用是有限的。特点：1、原理通过成比例的从两相流体中分流出一股两相混合物，将其分离成单相流体后，应用单相流量计测量出各相流量的大小，然后根据比例确定被测两相流体各相总流量。（四）分流分相式多相流量计两相分配器测量分离器液体流量计气体流量计分流分相法原理图分流分相方法通过成比例地从两相流管路中分流出一部分流体，然后根据这部分流体与管路内主流体的关系确定出主管两相流量的大小。由于流量测量仪表在单相环境下工作，有效地克服了不分离法以及部分分离测量方法由于仪表受两相流波动的影响，同时分离器体积远小于完全分离时所需分离器体积，整个测量装置精度高、体积小，便于制成仪表广泛使用。2、特点3、关键问题为保证分流分相方法流量测量的精确性，分流出的分流体与被测两相流体之间必须具有稳定和确定的关系，即右式的分流系数应保持恒定或有确定的变化规律。而实现这一目标的关键在于设计合适的分配器。3L1K=LLMM3GG1GK=MM利用T型三通的相分离特性,从被测气液两相流体中分流分离出一部分单相气体,通过测量这部分单相气体的流量确定被测气液两相流体的流量或干度。（1）三通管型取样器4、分流取样器的设计三通管型分流分相式多相流量计三通管型取样器是一种单参数流量计，流量和干度两个参数中必须已知其中的一个参数才能测出另一个。如果要同时测量流量和干度两个参数，要和其他仪表配合使用。（2）取样管式多相流量计取样管型分配器混合装置和取样装置两部分组成，取样管深入主管内部，取样口正对来流方向。气液两相流体首先在混合器内进行加速、混合，然后在混合器出口分成两部分，一部分（分流体）直接进入取样管，另一部分（主流体）则流入下游管道。（3）转鼓型取样器转鼓型分配器的核心部件是一个转鼓，转鼓通过转轴支撑在轴承座上，可以绕轴自由旋转。转鼓外形为圆柱体，内部用轴流叶片均匀分割成n个互不相通的通道，各通道的横剖面为扇形，几何尺寸和阻力特性完全相同。当两相流流过转鼓时会冲击转鼓高速旋转，在转鼓旋转过程中，各通道的入口截面不断掠过上游流通截面上的每一点，使每一点上的两相流体都能机会均等地流入各通道。这样，流入分离器的流量仅仅取决于转鼓中通向分离器的通道数（分流通道数），而与两相流体的流型等因素基本无关，分流系数保持为常数。（4）转轮型分配器取样口主流体接收窗口流道流体出口分流回路来流入口分流体收集室格栅转轮转轮分配装置由转轮以及分流体收集室两大部分组成。转轮的外径为100mm，内部包含3个流道，流道的出口角为70˚。流道的轮廓为螺旋线，多相流体流过流道时产生旋转力矩，驱动转轮旋转。转轮位于中心,围绕转轮的分别是主流体接收窗口和分流体