多相流量計(jì)在國內(nèi)市場的應(yīng)用及發(fā)展趨勢

許曉英 趙慶凱 陳豐波 孔冰中海石油(中國)有限公司天津分公司

多相流量計(jì)在國內(nèi)市場的應(yīng)用及發(fā)展趨勢

許曉英 趙慶凱 陳豐波 孔冰
中海石油(中國)有限公司天津分公司

由于多相流測量技術(shù)越來越成熟，國內(nèi)外品牌各有特點(diǎn)，適用場合各有不同，在選用多相流量計(jì)時，根據(jù)實(shí)際需要選出最適用的品牌種類尤為關(guān)鍵。通過闡述目前國內(nèi)使用較多的幾種多相流量計(jì)的原理、特點(diǎn)及應(yīng)用，對多相流量計(jì)的選型因素及發(fā)展趨勢進(jìn)行了深入研究，給出了基于完全混合模型、基于部分分離模型和基于完全分離模型3種方向,以指導(dǎo)選型與未來的發(fā)展方向，為今后多相流量計(jì)的選型使用提供參考。

多相流量計(jì) 原理 特點(diǎn) 應(yīng)用 選型 發(fā)展趨勢

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，多相流測量技術(shù)越來越受到海上平臺的青睞。多相流量計(jì)的研究始于二十世紀(jì)六十年代，但由于當(dāng)時的技術(shù)條件限制，未獲得可供應(yīng)用的結(jié)果；到七八十年代，美國TULSA大學(xué)的流體流動回路以及挪威的SINTEF大學(xué)在多相流體力學(xué)方面的研究取得了一些成果[1]。隨后，BP公司和TEXACO公司在八十年代中期發(fā)表了多相計(jì)量方面的第一批論文[2]；九十年代初，在倫敦召開了多相流量計(jì)及其水下應(yīng)用研討會。自此，世界各國如美國、挪威、法國、英國、俄羅斯和中國都投入了大量的人力和物力來研制多相流量計(jì)，并組建了一批多相流檢定裝置，從而使這一技術(shù)獲得了實(shí)質(zhì)性的發(fā)展。

經(jīng)過20多年的發(fā)展和淘汰，目前多相流量計(jì)技術(shù)已進(jìn)入到一個比較成熟的階段，近10年商業(yè)化推廣也取得了長足的發(fā)展。國內(nèi)外多相流量計(jì)已被廣泛地應(yīng)用于陸上和海上。對于海上油田的計(jì)量，不同的國家甚至不同的石油公司，采用的品牌各不相同。目前，在國內(nèi)市場領(lǐng)先的品牌有Schlumberger、Roxar、Haimo、Agar及Veritas-msi，在海上油田使用較多的是國內(nèi)的Haimo和Veritas-msi。

1 多相流量計(jì)原理及特點(diǎn)

在油氣混輸管線中，油井產(chǎn)出的原油、天然氣和礦化水形成了一種相態(tài)和流態(tài)非常復(fù)雜的多相流，是一個多變量的隨機(jī)變化組合過程。隨著科學(xué)檢測技術(shù)和計(jì)量技術(shù)的發(fā)展，針對多相流的特點(diǎn)，發(fā)展出兩種計(jì)量方向：即基于混合技術(shù)的多相流計(jì)量和基于分離技術(shù)的多相流計(jì)量。

基于混合技術(shù)的多相流計(jì)量無需對管線中的多相流體加以分離，在實(shí)際工況下，通過檢測管線中混合流動的油、氣、水三相的流速，以及流量截面上的相分率(含氣率和含水率)等流動參數(shù)，采用流量計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對各種參量進(jìn)行運(yùn)算，最終提供油藏管理需要的各種多相流工況、標(biāo)況參數(shù)。

多相流檢測是以分離技術(shù)為基礎(chǔ)[3]，即將復(fù)雜的多相流體分離為單相流體，如單相氣體和單相液體，或再將單相液體分離成單相水和單相油。然后，采用成熟的單相計(jì)量儀表分別計(jì)量油、氣、水三相流量。同時，檢測各種溫度、壓力等過程變量，并采用流量計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對各種參量進(jìn)行運(yùn)算，最終提供油藏管理需要的各種多相流工況、標(biāo)況參數(shù)。

基于部分分離和部分混合的多相流計(jì)量，其特點(diǎn)是先將油氣田的采出流體進(jìn)行氣液預(yù)分離，以簡化復(fù)雜的流態(tài)；然后采用混合計(jì)量的方法對氣相(帶有少量液體)和液相(帶有少量氣)分別測量和計(jì)算；最后匯總輸出多相計(jì)量參數(shù)結(jié)果。

1.1 基于混合型的多相流量計(jì)檢測技術(shù)

通過多年的市場競爭和選擇，基于混合型的多相流量計(jì)的測量都可歸結(jié)為流速測量和相分率的測量。

1.1.1 流速測量技術(shù)

流速測量分為均相流測量法和分相流測量法。均相流測量法，即在測量前采取措施預(yù)先將多相流混合物混合均勻，按均相流模型——單相流處理，然后測量均勻混合物的流速。原則上，單相流速的測量方法(如節(jié)流法、容積法等)皆適用于均勻混合物流速的測量，但目前多相流量計(jì)多采用文丘里管法測量均相混合物流速。分相流測量法根據(jù)測量原理的不同，主要有相關(guān)法、節(jié)流法和容積法。

1.1.2 相分率測量技術(shù)

相分率是對油、氣、水混合物特性的測量。將相分率測量技術(shù)與前文所述的流速測量技術(shù)相結(jié)合，可計(jì)算出每一相的流量。測量相分率最常用的方法有微波射頻衰減法、雙能伽馬衰減法、電容電導(dǎo)法等，測得的參量包括HG和HW，具體算法見式(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為油、氣、水的流量，m3/s；VP、VG、VW為油、氣、水的流速，m/s；HG為三相流截面的氣相所占比率，%；HW為液相流截面的水相所占比率，%；SO為管道截面積，m2。

1.1.3 混合型多相流量計(jì)特點(diǎn)

混合型多相流量計(jì)又分為有核放射源和無核放射源兩種。

1.1.3.1 有核放射源的混合模型多相流量計(jì)

有核放射源的混合模型多相流量計(jì)基于完全混合模型。由于核放射射線對多相流具有非常強(qiáng)的穿透能力，并且油、氣、水對射線的吸收能力不同，導(dǎo)致射線在穿透多相流時能量的衰減各有不同，因而可以很好地測量相分率。許多多相流量計(jì)都是由這種原理發(fā)展起來的，如Schlumberger、Roxar、Haimo等均采用了這類技術(shù)路線，其基本原理如圖1所示。該類多相流量計(jì)普遍采用文丘里管測量混合流體的差壓，采用核放射源(如同位素為鋇133、伽馬射線、同位素為銫137、同位素為镅241等)測量流體的含氣率和含水率。同時測量壓力和溫度信號，運(yùn)用混合數(shù)學(xué)模型算法，計(jì)算得出工況和標(biāo)況下的油、氣、水三相流量或產(chǎn)量。

該類多相流量計(jì)具有如下特點(diǎn)：

(1) 結(jié)構(gòu)緊湊美觀、體積小、重量輕、壓力損失小。

(2) 集成了多種不同的技術(shù)，采用不同的數(shù)據(jù)模型，軟件中引入PVT參數(shù)修正，大大提高了高壓、高含氣工況的測量精度，可標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)模生產(chǎn)。

(3) 產(chǎn)品的服務(wù)費(fèi)用昂貴(國內(nèi)品牌Haimo的產(chǎn)品服務(wù)費(fèi)相對更低)。

1.1.3.2 無核放射源的混合模型多相流量計(jì)

無核放射源的混合模型多相流量計(jì)基于部分分離模型。目前，此類多相流量計(jì)不采用放射源，通過雙文丘里管、雙孔板或雙V錐技術(shù)測量差壓流量，采用電容、電導(dǎo)測含水率，并采用差壓原理和持液率系數(shù)進(jìn)行綜合計(jì)算，最終求出各單相流量。

該類多相流量計(jì)具有如下特點(diǎn)：

(1) 非放射性。

(2) 采取局部氣體分離技術(shù)，對高含氣有更好的適應(yīng)性。

(3) 系統(tǒng)相對龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，壓力損失較大。

(4) 價格昂貴。

(5) 服務(wù)費(fèi)用昂貴。

1.2 基于分離的多相流量計(jì)檢測技術(shù)

基于分離的多相流量計(jì)中，最具代表性的是GLCC多相流量計(jì)。該多相流量計(jì)使用美國Tulssa 大學(xué)研究和推廣的氣液旋流分離器[4]，首先對介質(zhì)進(jìn)行氣液分離，然后采用閥門對氣路和液路進(jìn)行單獨(dú)控制(最常用的方法是PID單回路控制[5-6])和計(jì)量。其中，氣路采用氣體流量儀表測量總氣量，液路使用液體流量儀表(如質(zhì)量流量計(jì))測量總液量，再使用含水儀測量含水率，進(jìn)而計(jì)算出油、水兩相各自的流量。其原理圖見圖2。

分離式多相流量計(jì)中，油、氣、水各相流量的計(jì)算

見式(4)～式(6)。

QG=MG

(4)

QW=ML·HW

(5)

QP=ML·(1-HW)

(6)

式中：MG為氣相的質(zhì)量流量，kg/s；ML為液相的質(zhì)量流量，kg/s；HW為含水率，%。

該類多相流量計(jì)具有如下特點(diǎn)：

(1) 非放射性。

(2) 可有效緩沖段塞流，操作范圍寬，適用性廣。

(3) 使用高精度儀表，測量誤差相對較小，穩(wěn)定性好，測量結(jié)果準(zhǔn)確、可靠。

(4) 體積相對較大，占用空間大。

(5) 帶輔助電控系統(tǒng)，壓力損失較大。

2 多相流量計(jì)在海上油田的應(yīng)用

渤海灣PL19-3油田的WHPM平臺是一個9口井的無人平臺(其中7口油井，2口注水井)，該平臺采用Haimo MFM-2100/M-4型多相流量計(jì)，并于2011年4月投入使用，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。該多相流量計(jì)采用量程拓展型結(jié)構(gòu)，具有兩套獨(dú)立的含氣率測量(單能伽馬傳感器)和總流量測量(文丘里流量計(jì))裝置，以及一套含水率測量(雙能伽馬傳感器)裝置，大大提高了測量范圍。

2015年6月，對多相流量計(jì)進(jìn)行了維護(hù)，表1為其計(jì)量數(shù)據(jù)表，其中最后一列為人工化驗(yàn)的含水率。

從表1可看出，該多相流量計(jì)對各井(M01井為間歇井況，未進(jìn)行人工含水率的測量)產(chǎn)出液的含水率測量值與人工化驗(yàn)值幾乎一致，在允許誤差范圍內(nèi)，滿足計(jì)量要求，表明該多相流量計(jì)運(yùn)行正常。計(jì)量不確定度見表2。從表2可看出，置信度為90%時，在含氣率(GVF)<50%以及50%≤GVF≤98%兩個區(qū)間范圍內(nèi)，總液量、氣流量和含水率的測量誤差在±10%以內(nèi)，滿足油井產(chǎn)量計(jì)量準(zhǔn)確度的要求。

表1 Haimo多相流量計(jì)計(jì)量數(shù)據(jù)Table1 MeasurementdatasheetofHaimomultiphaseflowmeter井號日期時間/min液/BLPD①油/BOPD②水/BWPD③氣/MSCFD④含水率/%含氣率/%溫度/℉壓力/kPa含水率(人工測量)/%M012015-06-0612018.616.42.276.811.892.099.62577.80.0M022015-06-05120844.4171.5672.643.279.724.0131.82733.979.5M062015-06-04120498.4336.7161.728.032.417.4134.02638.031.6M072015-06-051202289.6470.11819.591.180.517.2145.22636.781.8M082015-06-061201654.3794.8859.586.352.020.6148.32621.352.5M092015-06-041201493.11198.8294.3105.819.724.7150.72578.618.4M102015-06-061202945.0525.32419.773.982.212.9154.92591.582.8合計(jì)9743.13513.66229.5505.163.9 注:①BLPD為日產(chǎn)液桶數(shù),1bbl=159L。②BOPD為日產(chǎn)油桶數(shù),1bbl=159L。③BWPD為日產(chǎn)水桶數(shù),1bbl=159L。④MSCFD為kft3/d,1ft3=0.02832m3。

表2 計(jì)量不確定度Table2 Uncertaintyofmeasurement項(xiàng)目GVF<50%50%≤GVF≤98%誤差置信度誤差置信度總液量±5%90%±10%90%氣流量±10%90%±10%90%含水率±2%90%±2%90%

圖4所示為2015年6月對多相流量計(jì)進(jìn)行維護(hù)時得到的M10 井的測試曲線，顯示了在120 min的時間里，M10井的產(chǎn)液量(圖4中紅色曲線)、產(chǎn)氣量(圖4中綠色曲線)和含水率(圖4中黃色曲線)的變化情況。從圖4可看出，從2011年4月投入使用到2015年6月，已運(yùn)行4年，但該多相流量計(jì)基本運(yùn)行平穩(wěn)，計(jì)量準(zhǔn)確度滿足要求。

3 多相流量計(jì)選型及發(fā)展趨勢

3.1 多相流量計(jì)選型

由于不同類型的多相流量計(jì)測量機(jī)理不同，其適用范圍也不盡相同，歸納起來主要有3種方向指導(dǎo)選型：①基于完全混合模型的多相流量計(jì)的選擇；②基于部分分離模型的多相流量計(jì)的選擇;③基于完全分離模型的多相流量計(jì)的選擇。

基于完全混合模型的多相流量計(jì)的選擇，可以參考API于2005年9月出版的多相流測量推薦做法(即API RP 86 -2005 《API Recommended Practice for Measurement of Multiphase Flow》)，該推薦做法給出了此類多相流量計(jì)的基本原理、分類、標(biāo)定、性能測試、安裝、操作和不確定度分析等多方面的指導(dǎo)性說明。圖5為該標(biāo)準(zhǔn)提供的多相流不確定度分析原理圖[7]。從圖5可看出，在一定的GVF范圍內(nèi)，多相流量計(jì)的不確定度最理想，為±5%(圖5中左邊黃色區(qū)域)；隨著GVF的逐漸增大，不確定度數(shù)值增加到±10%；而在高GVF區(qū)域(圖5中右邊區(qū)域)，不確定度超出±10%。

基于完全分離模型的多相流量計(jì)，即類似傳統(tǒng)大罐分離后，對單相的油、氣、水進(jìn)行計(jì)量。這三相計(jì)量不確定度的極限為單相流測量儀表的不確定度，但也應(yīng)考慮工況和標(biāo)況的轉(zhuǎn)換，以及烴露點(diǎn)的變化引起的氣化引入的氣、液單相流量的變化。可以用PVT或收縮系數(shù)來校正計(jì)量結(jié)果，但這會引入計(jì)算誤差，增加系統(tǒng)的不確定度。

基于部分分離模型的多相流量計(jì)，結(jié)合了分離模型和混合模型的長處，采用高效分離技術(shù)對氣體和液體進(jìn)行預(yù)分離，再采用基于混合原理的數(shù)學(xué)模型來計(jì)算綜合多相流的計(jì)量不確定度。

此外，在選型的同時，還應(yīng)結(jié)合實(shí)際的要求，建議可從如下幾方面綜合考慮：

(1) 安裝位置。包括陸上、海上平臺及水下等。陸地的使用條件相對寬松，應(yīng)當(dāng)以流量計(jì)價格作為主要參考；海上平臺空間有限，宜選用尺寸較小、結(jié)構(gòu)緊湊的流量計(jì)；由于水下安裝的流量計(jì)維護(hù)困難，因此流量計(jì)需具有極高的可靠性和一定的使用壽命，宜選用電學(xué)法測量的多相流量計(jì)。

(2) 流體物性。原油黏度、乳化、起泡、水中鹽含量等物性是主要考慮因素，具體選擇方案如表3所列[8]。

表3 流體物性對多相流量計(jì)選型的影響Table3 Effectoffluidphysicalpropertiesonmultiphaseflowmeterselection液體性質(zhì)適應(yīng)流量計(jì)(測量方法)不適應(yīng)流量計(jì)(測量方法)高黏原油微波衰減法,雙能Y衰減法,電容法相關(guān)流量計(jì)乳化原油雙能Y衰減法,均相流法電容/電導(dǎo)法,相關(guān)流量計(jì)起泡原油雙能Y衰減法相關(guān)流量計(jì)水含鹽體積分?jǐn)?shù)已知微波衰減法,雙能Y衰減法,電容/電導(dǎo)法電導(dǎo)法水含鹽體積分?jǐn)?shù)未知微波衰減法,多能Y衰減法電容/電導(dǎo)法,雙能Y衰減法

(3) 流動工況。含氣率高低是影響多相流量計(jì)精度的重要因素。高含氣工況下，可考慮先部分分離天然氣，再進(jìn)行多相計(jì)量；超高含氣環(huán)境下，宜選用濕氣流量計(jì)進(jìn)行測量；高含水工況應(yīng)選用微波衰減法測量含水體積分?jǐn)?shù)；低含水工況應(yīng)選用電容法或微波衰減法測量含水體積分?jǐn)?shù)。

(4) 是否通過權(quán)威機(jī)構(gòu)的第三方實(shí)驗(yàn)室的測試和評價。

(5) 是否通過公正、獨(dú)立的工業(yè)現(xiàn)場對比測量。

(6) 是否經(jīng)過長期的和批量化的工業(yè)性實(shí)驗(yàn)[9]。

(7) 敏感度。由于操作條件變化、物性變化或測量范圍變化給測量精度帶來的影響程度，應(yīng)要求廠商給予說明。此外，多相流量計(jì)是否需要現(xiàn)場標(biāo)定、如何進(jìn)行等，也要進(jìn)行了解。

(8) 要重視多相流量計(jì)的售后服務(wù)工作。售后服務(wù)包括現(xiàn)場安裝、調(diào)試、試運(yùn)行、定期的維護(hù)和定期標(biāo)定，以及出現(xiàn)問題后廠家的及時響應(yīng)和解決等。

3.2 多相流量計(jì)發(fā)展趨勢

現(xiàn)代石油工業(yè)的不斷發(fā)展，對多相流的計(jì)量和監(jiān)測提出了更高的要求。從近幾年國內(nèi)外的研究和工業(yè)應(yīng)用情況來看，多相流量計(jì)應(yīng)能夠滿足精度要求，具有可靠性高、易維護(hù)的特點(diǎn)，尤其是用于井下的多相流測量，必須滿足耐高溫、耐高壓、耐腐蝕、體積小、可靠性高和免維護(hù)等條件[10]。

多相流量計(jì)控制方案的發(fā)展過程，是現(xiàn)代自動控制理論的不斷發(fā)展，以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、小波分析理論等的不斷成熟和融合的過程[11-14]。隨著多相流理論模型的不斷完善和發(fā)展，多相流量計(jì)必將越來越小型化、智能化，并具有準(zhǔn)確度高、成本低、結(jié)構(gòu)緊湊、通用性和安全性能高等特點(diǎn)。此外，多相流量計(jì)未來的發(fā)展方向還包括分析流體介質(zhì)組成，如蠟含量、水合物、化學(xué)組分等。

4 結(jié) 語

從理論提出到實(shí)踐應(yīng)用，多相流量計(jì)已經(jīng)歷了30年的發(fā)展歷程，其產(chǎn)品的商業(yè)化程度越來越高，潛在的市場需求也越來越大。然而，任何一種多相流量計(jì)，都不可能在所有的多相流條件下均表現(xiàn)出最佳的工作性能?，F(xiàn)有的各種多相流量計(jì)實(shí)際能達(dá)到的測量準(zhǔn)確度和適用范圍都有一定限度，每一種流量計(jì)分別適用于特定的流量范圍或者流型，這在很大程度上限制了多相流量計(jì)技術(shù)在油氣生產(chǎn)實(shí)踐中的推廣和應(yīng)用。因此，如何進(jìn)一步提高多相流量計(jì)的測量精度并拓寬多相流量計(jì)的工作范圍，是目前多相流量計(jì)開發(fā)中所面臨的重要挑戰(zhàn)；作為一項(xiàng)真正替代傳統(tǒng)分離計(jì)量的新技術(shù)，多相流量計(jì)仍需不斷地完善和發(fā)展。

[1] ERDAL F. CFD simulation of single-phase and two-phase flow in gas-liquid cylindrical cyclone separator[D]. Tulsa: The University of Tulsa, 1996.

[2] 魯惟翔. 多相流量計(jì)的研究[D]. 杭州: 浙江大學(xué), 2005.

[3] CHIRINOS W, GOMEZ L, WANG S, et al. Liquid carry-over in gas-liquid cylindrical cyclone compact separators[J]. SPE Journal, 2000, 5(3): 259-267.

[4] WANG S, MOHAN R, SHOHAM O, et al. Performance improvement of gas liquid cylindrical cyclone separators using integrated liquid level and pressure control systems[J]. Journal of Energy Resources Technology, 2000, 122(4): 185-182.

[5] WILLIS M. Proportional-integral-derivative PID controls[EB/OL]. http://www.pacontrol.com/download/Proportional-Integral-DerivativE-PID-Controls.pdf, 2004-06-09/2016-05-07.

[6] KRASS M. PID control theory[EB/OL]. http:www.team358.org, 2006-04-10/2016-05-15.

[7] American Petroleum Institute. API recommended practice for measurement of multiphase flow: API RP 86-2005[S]. Washington: American Petroleum Institute, 2005.

[8] 曹學(xué)文, 林宗虎, 耿艷峰, 等. 在線多相流量計(jì)測量技術(shù)研究[J]. 中國海上油氣(工程), 2002, 14(2): 37-40.

[9] 洪毅, 畢曉星. 多相流量計(jì)的研究及應(yīng)用[J]. 中國海上油氣(工程), 2003, 15(4): 16-20.

[10] 馮定, 徐冠軍, 袁詠心, 等. 多相流量計(jì)的現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢[J]. 機(jī)械與電子, 2010(2): 77-79.

[11] 趙東升. 含水率及流量測量技術(shù)研究[D]. 西安: 西安石油大學(xué), 2012.

[12] 蘇欣, 袁宗明, 范小霞. 多相流量計(jì)的研究與應(yīng)用[J]. 石油化工自動化, 2006(1): 93-98.

[13] IBRAHIM R. 多相流量計(jì)的應(yīng)用與未來發(fā)展[J]. 楊思明, 譯. 國外油田工程, 1999(9): 37-39.

[14] 姜昊. 高含水率油、氣、水多相流量計(jì)的研究[D]. 杭州: 浙江大學(xué), 2007.

Application and development trend of multiphase flow meter in the domestic market

Xu Xiaoying， Zhao Qingkai， Chen Fengbo， Kong Bing
CNOOC(China)Co.,Ltd.TianjinBranch,Tianjin,China

Because the multiphase flow measurement technology is more and more mature, and its applicable occasions are different, it is particularly critical to choose the most suitable types of brand according to the actual need. By expounding the different principles, characteristics and application of multiphase flow meter (MPFM), the selection factors and development tendency of MPFM are furtherly studied in the paper, which could give out three kinds of direction to guide the selection and the future development direction. Based on the completely mixed model, the partial separation model and complete separation model, it provides reference for the selection and application of MPFM in the future.

multiphase flow meter, principle, characteristic, application, type selection, development tendency

許曉英(1970-)，女，河北邢臺人，高級工程師，學(xué)士，主要從事海洋工程研究與設(shè)計(jì)工作。E-mail：xuxy3@cnooc.com.cn

TE832.2

A

10.3969/j.issn.1007-3426.2017.02.020

2016-07-07；

2016-09-01；編輯：鐘國利