油井多相流計(jì)量技術(shù)研究進(jìn)展

張絲雨*，Henry Miao，吳浩達(dá)，檀晨

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油井多相流計(jì)量技術(shù)研究進(jìn)展

張絲雨1*，Henry Miao2,3，吳浩達(dá)1，檀晨3

(1.中國石油大學(xué)（北京），北京昌平，102249；2. Rally Industries Group Inc. , Calgary, Alberta, Canada；3.安徽中控儀表有限公司，安徽池州，247210)

多相流計(jì)量技術(shù)研究近年來發(fā)展迅速。油田作為多相流計(jì)量技術(shù)應(yīng)用的重點(diǎn)領(lǐng)域，面臨油氣水三相流體，多相流的計(jì)量一直是油井產(chǎn)量計(jì)量研究中的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題。本文調(diào)研了國內(nèi)外多相流計(jì)量技術(shù)的研究及應(yīng)用概況，介紹了多相流的計(jì)量技術(shù)原理、測(cè)試和評(píng)估等，并對(duì)其存在問題和發(fā)展趨勢(shì)作了簡要闡述，為更好地研制低成本、高精度的智能化油井多相流在線計(jì)量系統(tǒng)提供技術(shù)思路和具體方法。

多相流；在線計(jì)量；分相測(cè)試；虛擬計(jì)量；發(fā)展趨勢(shì)

引言

在原油開采過程中，需要對(duì)油井產(chǎn)出液中各組分的體積流量或質(zhì)量流量進(jìn)行連續(xù)的計(jì)量，以確定各油井的原油、天然氣產(chǎn)量，掌握地層油氣含量及地層結(jié)構(gòu)的變化。通過提供的實(shí)時(shí)計(jì)量數(shù)據(jù)，可為生產(chǎn)管理提供參考，從而優(yōu)化生產(chǎn)參數(shù)、提高采收率[1]。傳統(tǒng)的分離計(jì)量技術(shù)流程復(fù)雜，已無法滿足連續(xù)計(jì)量的需要[2]。多相流計(jì)量是指在沒有預(yù)分離的情況下，對(duì)油井產(chǎn)出液中的油、氣、水進(jìn)行計(jì)量，是多相混輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)之一[3]。多相流技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了原油的多相流計(jì)量，相對(duì)于傳統(tǒng)的分離計(jì)量方法，取得了極大的進(jìn)步。多相流量計(jì)可提高多相流計(jì)量精度、自動(dòng)化和管理水平，擴(kuò)大多相流計(jì)量的適用范圍，提高多相流量的計(jì)量效率和經(jīng)濟(jì)效益。因此對(duì)多相流計(jì)量技術(shù)的研究具有重要意義。

本文針對(duì)工業(yè)過程中常見的多相流計(jì)量技術(shù)和參數(shù)檢測(cè)問題，從流量檢測(cè)和相含率檢測(cè)兩個(gè)方面進(jìn)行綜述，并闡述多相流的存在問題及發(fā)展趨勢(shì)。

1 國內(nèi)外多相流計(jì)量的研究概況

近年來，多相流計(jì)量技術(shù)研究得到迅速的發(fā)展。自二十世紀(jì)六十年代，人們就對(duì)多種存在形式的流體在同一輸送管中的輸送狀態(tài)進(jìn)行了研究，但礙于當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件限制，未能取得實(shí)質(zhì)性的成果。二十世紀(jì)七八十年代，美國的Tulsa大學(xué)在其流體流動(dòng)工程環(huán)道和挪威的SINTEF環(huán)道上對(duì)多相流計(jì)量方面展開了研究[4]。八十年代中期英國石油公司、美國德士古公司相繼發(fā)表了第一批關(guān)于多相流量計(jì)量的論文[5]，并研制出了第一代多相流量計(jì)。目前，大多數(shù)多相計(jì)量儀表價(jià)格極其昂貴，僅供各公司進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，難以實(shí)現(xiàn)商業(yè)化產(chǎn)品[6]。

國內(nèi)方面，西安交通大學(xué)、中國石油大學(xué)等高校進(jìn)行油氣水多相流量計(jì)的設(shè)計(jì)和研發(fā)，并取得了一些理論成果，但這些研究多處于實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)階段，難以實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用。大慶油田、華北油田采油工藝研究院建立相關(guān)項(xiàng)目，成功搭建了多相流檢定、測(cè)試平臺(tái)，為國內(nèi)的多相流量測(cè)控系統(tǒng)的研制提供了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。截止目前為止，蘭州海默科技公司、蘭州科慶儀器儀表公司等也相繼研發(fā)出了適合于油田現(xiàn)場(chǎng)使用的多相流量測(cè)控系統(tǒng)。

2 多相流參數(shù)測(cè)試方法

為實(shí)現(xiàn)油氣水三相流量的計(jì)量，可從多相流體的總流量、多相流體的分相含率兩個(gè)主要方面著手進(jìn)行研究。

2.1 流量檢測(cè)方法

多相流流量可用質(zhì)量流量或者體積流量來表示，其計(jì)量可以直接測(cè)量，或是通過測(cè)量流速來得到流量。多相流流量計(jì)量的方法有多種，有發(fā)展自單相流檢測(cè)儀表的檢測(cè)方法和基于多相流特性的新興計(jì)量方法。以下僅對(duì)一些常用的計(jì)量方法進(jìn)行介紹。

（1）差壓法

該方法基于伯努利方程原理，在流體的流通管路中安裝改變流通截面的節(jié)流裝置，由伯努利方程可知，當(dāng)流體流過節(jié)流裝置時(shí)，由于流通面積的縮小，在節(jié)流裝置前后會(huì)產(chǎn)生壓力差[7]。假設(shè)節(jié)流裝置的流通面積為A，流過節(jié)流裝置的流體密度為ρ，則節(jié)流裝置處流體的流量為：

(2)

式中qv為流體的體積流量，qm為質(zhì)量流量，K為系數(shù)，與流體特性和節(jié)流裝置的結(jié)構(gòu)有關(guān)。

差壓法主要應(yīng)用于單相流體的流量計(jì)量，在對(duì)其在多相流計(jì)量中的應(yīng)用進(jìn)行大量研究后，發(fā)展出很多適用于多相流測(cè)量的模型[8]。James R.,Chisholm D.和Murdock J.W.等給出了應(yīng)用孔板測(cè)量氣液兩相流量的公式，由于氣液兩相流量的計(jì)算公式均為經(jīng)驗(yàn)式或半經(jīng)驗(yàn)式，其使用范圍十分有限。Chisholm D.和林宗虎公式使用范圍較廣。李海清應(yīng)用雙孔板和長頸文丘里管測(cè)量兩相流量，并給出其測(cè)量原理及計(jì)算公式。Abdullah Buhidma等通過楔形流量計(jì)和分段的孔板流量計(jì)組合測(cè)量得到水包油型乳濁液的流量，經(jīng)試驗(yàn)知，該方法對(duì)于兩相流乳濁液的測(cè)量是可行的[9]。

文丘里流量計(jì)基于文丘里效應(yīng)設(shè)計(jì)[10]，是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的差壓流量，其最大的特點(diǎn)是易使流體通過。內(nèi)錐式流量計(jì)由于其在濕氣檢測(cè)中有不堆積液體等優(yōu)點(diǎn)，在多相流計(jì)量中的應(yīng)用也成為研究熱點(diǎn)[11]。然而，應(yīng)用差壓法的流量計(jì)節(jié)流組件會(huì)干擾流動(dòng)狀況，同時(shí)會(huì)帶來壓力損耗。目前，差壓法已經(jīng)過多年的實(shí)踐應(yīng)用，在標(biāo)準(zhǔn)上已經(jīng)建立了相應(yīng)的指導(dǎo)原則，可盡可能避免在實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)問題。

（2）速度法

速度法利用測(cè)量流速來計(jì)算得到流量的測(cè)量方法。當(dāng)流體充滿管道時(shí)，假設(shè)通過測(cè)量得到管道截面處流體的平均流速為，A為管道橫截面積，則通過管道截面的流體流量為：

常見的利用速度法計(jì)量流體流量的計(jì)量裝置有渦輪流量計(jì)、渦街流量計(jì)、電磁流量計(jì)、超聲流量計(jì)以及互相關(guān)測(cè)速法等。渦輪式流量計(jì)在油水兩相檢測(cè)中要考慮油相黏度和油相含率的影響，在使用前應(yīng)對(duì)儀表系數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，但流型對(duì)渦輪式流量計(jì)影響較小，可與其他測(cè)量手段聯(lián)用以獲得油氣水多相流的分相流量。渦街式流量計(jì)在檢測(cè)氣液兩相流時(shí)渦街發(fā)生的頻率受相含率影響很大，當(dāng)相含率高于18%時(shí)，難以從氣液兩相流的復(fù)雜界面波動(dòng)中提取出有效的渦街頻率信息。電磁式流量計(jì)在多相流檢測(cè)中要求連續(xù)相可導(dǎo)電，其測(cè)量精度受多相流速度廓形以及流型影響[13]。相關(guān)流速測(cè)量技術(shù)是以隨機(jī)過程的相關(guān)理論和信息論為基礎(chǔ)發(fā)展起來的一種流動(dòng)參數(shù)檢測(cè)技術(shù)。宋文衛(wèi)等應(yīng)用電容相關(guān)法測(cè)量了不同流態(tài)的流量，結(jié)果表明，由相關(guān)法得出的泡狀流、彈狀流相關(guān)氣體速度和真實(shí)氣體速度符合較好，而檢測(cè)得出的塊狀流相關(guān)速度的統(tǒng)計(jì)平均值與氣相速度符合較差[14]?；ハ嚓P(guān)測(cè)速法在多相流檢測(cè)中的應(yīng)用較廣，研究人員已提出很多理論與模型，但其測(cè)量值所代表的物理含義問題仍未解決。

（3）容積法

容積法是利用具有固定容積的標(biāo)準(zhǔn)容器對(duì)流過計(jì)量裝置的流體進(jìn)行反復(fù)測(cè)量，已知該標(biāo)準(zhǔn)容器的容積值，通過檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)容器的測(cè)量次數(shù)，可以得到流過該流量計(jì)量裝置的體積流量。從原理上講這種流量計(jì)在測(cè)量體積流量時(shí)不受流體密度和粘度的影響。

假設(shè)標(biāo)準(zhǔn)容器的體積為v（單位m3），單位時(shí)間內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)容器的計(jì)量次數(shù)為n，則在流過流量計(jì)量裝置的流體體積流量qv為：

容積法可計(jì)量流體的總流量，其應(yīng)用范圍包括濕氣、氣液以及油水兩相流[15]。容積法計(jì)量技術(shù)有精度高、調(diào)節(jié)比大、信號(hào)輸出與流量成比例等優(yōu)點(diǎn)。但鑒于其體積龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，流體含有顆粒及雜質(zhì)時(shí)影響計(jì)量精度，在使用時(shí)會(huì)對(duì)管路有阻塞作用，易引起流體的脈動(dòng)，易受流動(dòng)對(duì)象腐蝕等不足，目前這種方法使用得越來越少了。

（4）質(zhì)量法

質(zhì)量流量是石油化工等工業(yè)中的重要指標(biāo)，對(duì)其檢測(cè)方法總體可分為直接式、間接式和補(bǔ)償式[16]。

直接式質(zhì)量流量測(cè)量方法是指能夠通過測(cè)量直接得到流體的質(zhì)量流量參數(shù)的計(jì)量方法；間接式質(zhì)量流量測(cè)量方法可同時(shí)檢測(cè)流體介質(zhì)的體積流量qv和密度ρ，或者同時(shí)用兩種不同類型的流量計(jì)測(cè)量流量（如差壓式流量計(jì)和容積式流量計(jì)），然后通過運(yùn)算器計(jì)算出與介質(zhì)質(zhì)量流量相關(guān)的信號(hào)輸出；補(bǔ)償式質(zhì)量流量測(cè)量方法首先檢測(cè)介質(zhì)的體積流量，同時(shí)獲取介質(zhì)溫度、壓力等相關(guān)參數(shù)，根據(jù)介質(zhì)密度與溫度、壓力的函數(shù)關(guān)系，通過補(bǔ)償計(jì)算得到介質(zhì)在該狀態(tài)下的密度值，最后將體積流量轉(zhuǎn)換質(zhì)量流量輸出。

Li和Lee在1953年利用克里奧立效應(yīng)測(cè)量氣液兩相流的質(zhì)量流量，研究表明，振動(dòng)、旋轉(zhuǎn)管道中的克里奧立力與流經(jīng)流體的質(zhì)量流量呈線性關(guān)系。然而，克里奧立流量計(jì)在多相流的檢測(cè)應(yīng)用中仍存在一定的局限性，例如零位漂移、壓力損失、密度和溫度的影響問題等，且只有當(dāng)氣液兩相充分混合的情況下才能達(dá)到單相流的檢測(cè)精度，不適用于測(cè)量低密度介質(zhì)[17]。作為一種新興的流量檢測(cè)手段，克里奧立質(zhì)量流量計(jì)仍需時(shí)日加以完善。間接式質(zhì)量流量測(cè)量系統(tǒng)由濃度計(jì)、體積流量計(jì)和微機(jī)積算儀組成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本昂貴，國內(nèi)外均已取得間接式質(zhì)量流量計(jì)的成果，但自動(dòng)連續(xù)測(cè)量的濃度計(jì)品種單一，影響了間接式質(zhì)量流量計(jì)的推廣應(yīng)用。

2.2 相含率檢測(cè)方法

準(zhǔn)確采集或計(jì)算多相流中各相的分相含率是多相流量測(cè)控的重點(diǎn)和難點(diǎn)，常用的多相流分相含率檢測(cè)方法有快關(guān)閥門法、射線法、微波法、電學(xué)法及其他方法。

（1）快關(guān)閥門法。在多相流測(cè)試管段的進(jìn)口端和出口端各自安裝一個(gè)快關(guān)閥。使油氣水多相混合物在測(cè)試管段穩(wěn)定流動(dòng)，此時(shí)同時(shí)關(guān)閉進(jìn)口端和出口端閥門，通過重力作用使氣液分離，然后再分別計(jì)量氣相和液相的流量，從而得到氣相和液相的體積含率。這種方法簡單易操作，是目前實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行多相流分相含率研究的主要方法[18]。

（2）射線法。射線源從流通管道一端發(fā)出射線，在另一端收集射線，由于流體吸收了部分射線的能量，其吸收的程度與多相流的分相含率有關(guān)，因此可以通過采集射線的吸收量參數(shù)來檢測(cè)油氣水多相流的分相含率[19]。

射線法計(jì)量準(zhǔn)確度較高，盡管高強(qiáng)度射線可減少計(jì)量時(shí)間，但由于其含有放射源物質(zhì)，需要平衡其檢測(cè)時(shí)間與放射精度，并尋求更好的防護(hù)手段防止對(duì)周圍環(huán)境的破壞。射線法受流型影響很大，只有當(dāng)各相均勻混合時(shí)，相含率的檢測(cè)精度才較高。針對(duì)這一問題，現(xiàn)已發(fā)展出一種基于多射線束的技術(shù)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高而使其使用范圍受限，但因其檢測(cè)精度很高，多用在多組分流動(dòng)的檢測(cè)上[20]。目前，已發(fā)展出基于射線法的高速層析成像系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)兩相流流量過程參數(shù)檢測(cè)。

（3）微波法。微波法的原理是當(dāng)微波通過多相流體介質(zhì)時(shí)，流體介質(zhì)會(huì)發(fā)生極化現(xiàn)象，從而造成微波的能量衰減，不同介質(zhì)造成微波能量衰減的程度不同，因此可通過測(cè)量微波的衰減值來測(cè)量多相流體的特性[21]。微波法傳感器按照應(yīng)用可分為透射傳感器與層析成像傳感器等類別[22]，微波層析成像檢測(cè)方法也可提供被測(cè)流體截面內(nèi)的相分布特性[23]。

微波法具有非侵入、無輻射、不破壞環(huán)境以及穩(wěn)定性高等優(yōu)勢(shì)。實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)介質(zhì)一定時(shí)，微波法在計(jì)量多相流體的含水率上具有較高的精度。但其造價(jià)相對(duì)較高且標(biāo)定復(fù)雜，此外微波法的適用性較弱，也需要額外的傳感器提供測(cè)量的補(bǔ)償。

（4）電學(xué)法。根據(jù)測(cè)量元件的結(jié)構(gòu)形式不同，電學(xué)法可分為電容法、電導(dǎo)法。電容法主要是利用水相、油相、氣相的介電常數(shù)相差較大，通過測(cè)量一定長度管道內(nèi)多相流體的電容率，便可以得到油氣水三相分相含率的關(guān)系式。電容法結(jié)構(gòu)簡單，具有一定穩(wěn)定性[24]，直接接觸流體，保證了計(jì)量的精度，近些年在油田現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用較為廣泛。但高含水時(shí)，由于水的介電常數(shù)很大，可能會(huì)造成檢測(cè)裝置測(cè)量精度的下降。電導(dǎo)法與電容法類似，其主要利用多相流體中各相的電導(dǎo)率存在差異，通過測(cè)量流體介質(zhì)的導(dǎo)電特性來確定油、氣、水三相分相含率的關(guān)系。

電學(xué)法具有一定的理論基礎(chǔ)，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果良好，在均勻混合流動(dòng)下的檢測(cè)精度較高，但是由于油相和氣相不導(dǎo)電，當(dāng)多相流體中水相的含率較低時(shí)，該方法的應(yīng)用難度較高，計(jì)量誤差較大，并且需要在與應(yīng)用條件接近的條件下對(duì)儀表進(jìn)行標(biāo)定以獲得理想的結(jié)果。

（5）其他方法。其他可用于多相流相含率檢測(cè)的技術(shù)包括超聲法、熱學(xué)法、光學(xué)法、密度法、差壓法以及核磁共振法等，但均受限于某些特定的應(yīng)用范圍。

3 多相流計(jì)量技術(shù)原理

在多相流計(jì)量領(lǐng)域內(nèi)，采用單相流儀表的檢測(cè)技術(shù)稱為直接測(cè)量，而間接測(cè)量則是采用新興的軟件測(cè)量的方法。直接測(cè)量技術(shù)按計(jì)量方式又可分為完全分離技術(shù)、部分分離技術(shù)與在線不分離技術(shù)。目前國內(nèi)外主要多相流量計(jì)類型見表1。

表 1 國內(nèi)外主要多相流量計(jì)類型

（1）完全分離技術(shù)

在井液進(jìn)入計(jì)量裝置進(jìn)行氣液分離后分別計(jì)量氣液兩相的流量，測(cè)出液相的含水率，求出油氣水各相的流量。Texaco公司的SMS多相流量計(jì)是較早用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的完全分離式流量計(jì)，該流量計(jì)計(jì)量精度能達(dá)到含水率±5%，油和水流量±4%-±5%，氣體流量±10%。Accuflow 公司的一款完全分離式流量計(jì)可先將氣相從三相流中分離，并在測(cè)量完成后再將各相混合。目前其計(jì)量精度為液相流量1%、氣相流量5%及含水率1%。由于完全分離技術(shù)對(duì)氣液進(jìn)行完全分離，需要多臺(tái)單相流檢測(cè)儀表，大幅度的增加了油田的開發(fā)成本，將其改進(jìn)后的則為部分分離技術(shù)。

（2）部分分離技術(shù)

采用預(yù)分離裝置將氣液兩相分離，測(cè)定油氣水各相的體積分?jǐn)?shù)，通過計(jì)算獲得油氣水各相的流量。Jiskoot 公司開發(fā)的部分分離式流量計(jì)通過檢測(cè)混合器前后壓力差計(jì)算流量，由單射線源雙能γ測(cè)定相含率。其在0-100%的含水率、0-90%的含氣率以及1 m/s-30 m/s流速范圍內(nèi)的計(jì)量精度達(dá)到相含率±5%、速度±10%。部分分離技術(shù)與完全分離相比，具有體積小、計(jì)量難度低等優(yōu)點(diǎn)，更接近實(shí)時(shí)的測(cè)量，但該技術(shù)未能將氣液混合物完全分離，故實(shí)際上對(duì)提高測(cè)量精度的作用是有限的。

（3）在線不分離技術(shù)

在線不分離技術(shù)取代了傳統(tǒng)的分離方法，無需分離即可對(duì)管道中的多相流量與相含率進(jìn)行測(cè)量。下面主要介紹示功圖法和微差壓法兩種新興的在線不分離技術(shù)及阿爾法VSRD和Vx兩種在線不分離式多相流量計(jì)。

實(shí)時(shí)示功圖分析確定油井產(chǎn)量是一項(xiàng)創(chuàng)新的技術(shù)，該技術(shù)提出了可由SCADA系統(tǒng)收集的示功圖準(zhǔn)確地推導(dǎo)出單井的實(shí)時(shí)產(chǎn)量。通過求解波動(dòng)方程，將系統(tǒng)的示功圖轉(zhuǎn)換為井下示功圖（如圖1），進(jìn)而分析定位閥的啟閉點(diǎn)，進(jìn)行非線性和無約束優(yōu)化，準(zhǔn)確地確定有效沖程和液體漏失，從而獲得的油井產(chǎn)率[25]。目前，有桿抽油系統(tǒng)是應(yīng)用最廣泛的人工舉升方法，利用井身位移和荷載作用的示功圖分析油井泵的工作狀態(tài)進(jìn)而優(yōu)化油井產(chǎn)量已成為一種重要的分析方法。該技術(shù)已成功地應(yīng)用于大港、華北、大慶、遼河、新疆、吐哈等多個(gè)油田的170口油井，且平均測(cè)量誤差僅為6.66%。示功圖計(jì)量技術(shù)比傳統(tǒng)的非連續(xù)計(jì)量方法更加符合油田當(dāng)前的生產(chǎn)管理，可以實(shí)時(shí)確定單井的生產(chǎn)速率，顯著改善目前低油價(jià)環(huán)境下管理邊際油田的成本。

油井微差壓多相流在線計(jì)量的原理是通過安裝在油井井口處的智能微差壓計(jì)量裝置（如圖2）精確測(cè)得節(jié)流壓差數(shù)據(jù)，對(duì)多相流體的流出系數(shù)、可膨脹系數(shù)通過應(yīng)用Reader-Harris/Gallagher方法進(jìn)行修正計(jì)算，利用溫度補(bǔ)償、壓力補(bǔ)償?shù)确绞?，同時(shí)結(jié)合每口井的含水率及密度數(shù)據(jù)對(duì)多相流計(jì)算結(jié)果進(jìn)行精確修正，

最后針對(duì)不同含水率、不同氣油比的情況，由多相流節(jié)流流量計(jì)算模型可準(zhǔn)確計(jì)算出油井產(chǎn)液量[26]。

油井多相流流量計(jì)算模型如下：

式中：

Q—流體的體積流量，單位m3/d；（工況下總流體的體積流量）；η—在線補(bǔ)償系數(shù)（根據(jù)實(shí)測(cè)溫度、壓力在線計(jì)算）；C—流出系數(shù)，無量綱；ε—被測(cè)介質(zhì)的可膨脹性系數(shù)，對(duì)于液體ε=1，對(duì)氣體、蒸汽、溶解油等可壓縮流體ε<1，無量綱；d—工作狀況下微差壓計(jì)的等效開孔直徑，單位mm；△P—節(jié)流差壓，單位MPa；β—直徑比，無量綱，β=d/D，D—管線直徑，單位mm；ρ—工作狀況下，節(jié)流前上游處混合流體的密度，kg/m3。

圖2 微差壓油井多相流測(cè)控系統(tǒng)

威德福公司的阿爾法VSRD 是多相流計(jì)量領(lǐng)域的一項(xiàng)技術(shù)突破，由文丘里流量計(jì)、聲納流量計(jì)、Red Eye MP 含水測(cè)量儀和伽馬密度計(jì)組成，如圖3所示。聲納流量計(jì)利用一組的動(dòng)態(tài)應(yīng)力傳感器來測(cè)量旋渦流，通過文丘里流量計(jì)測(cè)量收縮管部分的靜壓差。Red Eye MP 原油含水率儀是一個(gè)采用近紅外法來測(cè)量液體或多相流中水含量的過濾器光譜儀。伽馬密度計(jì)使用微放射源，通過測(cè)量其在工藝管道的衰減情況，來計(jì)算管道中氣液含量。阿爾法VSRD集合以上四項(xiàng)技術(shù)成為測(cè)量氣、油、冷凝物和水分相含率的結(jié)實(shí)耐用且功能齊全的多相流量計(jì)。該組合裝置有廣泛的應(yīng)用范圍，可適應(yīng)于任何氣液比，是濕氣和多相流計(jì)量的結(jié)合，這一特點(diǎn)對(duì)于分析在以氣體為主相和以液體為主相之間進(jìn)行波動(dòng)的流體的流動(dòng)變化規(guī)律起到關(guān)鍵作用，提高了流量計(jì)量精度，降低對(duì)不同流體性質(zhì)的敏感度，減少頻繁校核的需求。

斯倫貝謝公司研發(fā)的Vx多相流量計(jì)的核心部件由文丘里管與多能級(jí)伽馬射線儀組成，如圖4所示。在計(jì)量過程中，通過安裝在文丘里管上的壓力和壓差式傳感器來測(cè)算單井來液的質(zhì)量流量，不受流量、相持率以及壓力的影響，可以快速采集數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)計(jì)量。流量計(jì)設(shè)計(jì)符合API標(biāo)準(zhǔn)，井口來液在流量計(jì)內(nèi)的壓力損失為0.002-0.02Mpa，遠(yuǎn)低于常規(guī)試油分離系統(tǒng)的壓力損失，能夠反映單井生產(chǎn)情況。單井來液無需進(jìn)行三相分離，不在流量計(jì)內(nèi)停留，不需要加熱設(shè)備，降低了能源消耗，減小了CO2的排放。流量計(jì)上游安裝有一個(gè)T型盲管，當(dāng)管內(nèi)液體流經(jīng)T型盲管時(shí)，使液流形成穩(wěn)態(tài)進(jìn)入文丘里管，減少了井口來液波動(dòng)造成的影響，以確保精確測(cè)量。單井來液的組分可由多能譜伽馬探測(cè)儀實(shí)時(shí)測(cè)定。從Vx多相流量計(jì)在英東油田的試驗(yàn)情況來看，該流量計(jì)使用的文丘里管與多能級(jí)伽馬射線相結(jié)合的計(jì)量方式精度較高，能夠準(zhǔn)確地分析產(chǎn)液的三相組分，可以應(yīng)用于多種復(fù)雜工況條件下，可在高壓、高溫以及氣體凝析物、結(jié)垢、泡沫和乳化條件下高效工作，能確保對(duì)從重油到濕氣范圍的任何多相流體進(jìn)行可重復(fù)性的流量測(cè)試。

在線不分離技術(shù)無需分離設(shè)備、體積小，可實(shí)時(shí)、連續(xù)測(cè)量，儀表具有良好的穩(wěn)定性，在采油生產(chǎn)中，尤其在海洋石油和油井測(cè)試中具有很大的潛在效益。其計(jì)量技術(shù)難度主要在于測(cè)量時(shí)受流體波動(dòng)的影響，精度低，并且目前無標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)定裝置對(duì)多相流量計(jì)的計(jì)量精度進(jìn)行檢定，無主流的標(biāo)準(zhǔn)、法規(guī)支持。因此，無需任何預(yù)處理手段的在線不分離式流量計(jì)已成為多相流計(jì)量領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，也是多相流量計(jì)的主要發(fā)展方向。

圖3 阿爾法VSRD多相流量計(jì)

圖4 Vx多相流量計(jì)核心結(jié)構(gòu)

4 多相流量計(jì)測(cè)試與評(píng)估

多相流量計(jì)的測(cè)試與評(píng)估是一項(xiàng)十分復(fù)雜的工程，包括在實(shí)際工作條件下氣相流量、液相流量、含水率、含氣率等參數(shù)的測(cè)量準(zhǔn)確度和測(cè)量范圍等多項(xiàng)指標(biāo)[27]。由于目前對(duì)多相流的流動(dòng)機(jī)理與檢測(cè)原理研究還有待深入，因此實(shí)現(xiàn)多相計(jì)量技術(shù)評(píng)估方法的標(biāo)準(zhǔn)化與規(guī)范化仍是計(jì)量學(xué)需要解決的問題。目前，多相流量計(jì)正在處于發(fā)展階段，國際上還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范。美國石油學(xué)會(huì)成立了多相流量計(jì)測(cè)試委員會(huì)，并于2013年1月發(fā)布了“石油計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)”。其他已發(fā)布的文件還有挪威的石油計(jì)量法規(guī)和由英國氣候與能源變化部規(guī)定的石油計(jì)量規(guī)范[28]。

鑒于現(xiàn)階段對(duì)于多相流量計(jì)國內(nèi)外還沒有共同的標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，對(duì)多相流量計(jì)只能進(jìn)行性能評(píng)估與對(duì)比測(cè)試。國外方面，英國國家工程試驗(yàn)室建造的多相流測(cè)試標(biāo)定裝置是世界上唯一一個(gè)具有國家標(biāo)準(zhǔn)的多相流量計(jì)標(biāo)定裝置，在世界上具有一定的知名度和權(quán)威性。挪威HYDRO公司的多相流標(biāo)定裝置是一套高壓多相流標(biāo)定裝置。法國FIP石油研究院的多相流測(cè)試裝置主要用于多相流模擬試驗(yàn)及多相流量計(jì)和混輸泵的試驗(yàn)。美國Cnooco多相流標(biāo)定裝置是采用原油、天然氣、產(chǎn)出水為介質(zhì)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)液標(biāo)定裝置。

國內(nèi)方面，中國石油華北油田采油工藝研究院油氣水三相流模擬試驗(yàn)裝置是我國石油行業(yè)的第一套三相流實(shí)驗(yàn)裝置。我國大慶油田工程設(shè)計(jì)技術(shù)開發(fā)有限公司建造了一套DN50型油氣水多相流量計(jì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)液測(cè)試校驗(yàn)裝置，它直接采用油井采出液配制實(shí)驗(yàn)介質(zhì)，并通過了國家計(jì)量科學(xué)研究院的鑒定。

以上這些多相流測(cè)試標(biāo)定裝置已成為試驗(yàn)研究多相流工藝參數(shù)和多相流計(jì)量技術(shù)的重要手段之一[29]。

5 存在問題及發(fā)展趨勢(shì)

應(yīng)用于油氣田開發(fā)中的多相流計(jì)量技術(shù)是一項(xiàng)復(fù)雜的測(cè)量技術(shù)，作為一項(xiàng)新技術(shù)、新產(chǎn)品，針對(duì)其存在問題，仍需不斷完善和改進(jìn)。由于多相流體的復(fù)雜特性，市面上常見的傳統(tǒng)多相流量計(jì)大多只能針對(duì)某一單一流態(tài)或某種特定工況，且價(jià)格十分高昂，精度較低，難以滿足現(xiàn)場(chǎng)工程人員的計(jì)量需求。目前，油氣水多相流參數(shù)計(jì)量存在的主要問題如下：（1）多相流中各相非混合均勻，并以不同的速度流動(dòng)，流動(dòng)狀態(tài)非常復(fù)雜，因此多相流的動(dòng)力學(xué)特性與多相流體力學(xué)理論體系還有待完善；（2）各種多相流量計(jì)的準(zhǔn)確度和適用性都有一定限度，用單一的計(jì)量方法難以實(shí)現(xiàn)多種流態(tài)完整信息的獲取，仍需進(jìn)一步研究適用范圍廣、精度高、便于使用的多相流計(jì)量方法（3）計(jì)量方法受流動(dòng)介質(zhì)物性與實(shí)際工況變化影響較大，多相流量計(jì)的標(biāo)定與認(rèn)證尚未得到很好解決。

石油工業(yè)領(lǐng)域?qū)Χ嘞嗔饔?jì)量技術(shù)的發(fā)展寄予了極大的期望，通過不斷發(fā)展的經(jīng)驗(yàn)技術(shù)的積累，我們已經(jīng)開發(fā)出計(jì)量較為準(zhǔn)確的測(cè)量系統(tǒng)。盡管目前多相流技術(shù)發(fā)展取得了里程碑式的發(fā)展，但隨著石油工業(yè)水平的不斷提高，對(duì)多相流計(jì)量精度的要求也在不斷提升。未來多相流計(jì)量方法將向以下幾個(gè)方面發(fā)展：（1）利用現(xiàn)代信息處理技術(shù)，應(yīng)用智能化的測(cè)量方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，致力于智能油田多相流量計(jì)系統(tǒng)的開發(fā)；（2）基于多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)滿足各種環(huán)境下的結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性高的多相流傳感器并提供高精度的數(shù)據(jù)；（3）多相流動(dòng)過程中參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)的建模，以實(shí)現(xiàn)多相流動(dòng)態(tài)過程的描述與跟蹤；（4）可靠性高、標(biāo)定方便且標(biāo)定后可長時(shí)間運(yùn)行的多相流檢測(cè)裝置；（5）借助計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)，進(jìn)行多相流動(dòng)過程中多維時(shí)空分布情況的可視化檢測(cè)，以及更有效的檢測(cè)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)等。

隨著多相流計(jì)量技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的分離式流量計(jì)會(huì)逐步退出實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域，為了確保多相流計(jì)量的準(zhǔn)確性，將應(yīng)用智能化的測(cè)量方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。未來應(yīng)該著力于開發(fā)和研制大范圍的多相流量計(jì)，增加其普遍適用性[30]。研制和應(yīng)用高精確度、高靈敏性的傳感器和參數(shù)測(cè)定儀器，進(jìn)行多相流參數(shù)的校驗(yàn)標(biāo)定方法，誤差分析的研究等。降低成本、最大程度的減少輻射泄露、加快工業(yè)化進(jìn)程，在計(jì)量領(lǐng)域會(huì)帶來更為可觀的經(jīng)濟(jì)效益[31]。因此，多相流計(jì)量技術(shù)通過不斷發(fā)展的經(jīng)驗(yàn)技術(shù)的積累，將會(huì)有更為廣闊的發(fā)展空間。

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Research Progress on Multiphase Flow Measurement Technology of Oil Wells

ZHANG Siyu1*, Henry Miao2, 3, WU Haoda1, TAN Chen3

(1.College of Petroleum Engineering, China University of Petroleum, Beijing 102249, China;2.Rally Industries Group Inc. , Calgary, Alberta, Canada;3. Anhui FirstCon Instrument Co., Ltd, Anhui247210, China)

The research of multiphase flow measurement technology has developed rapidly in recent years. As the key field of multiphase flow measurement technology, facing with three phases of oil, gas and water, the measurement of multiphase flow has been a difficult issue in the research of oil production. This paper investigates the research and application of multiphase flow measurement technology, introduces its principle, measurement and evaluation. The existing problems and development trend are briefly described, and the technical ideas and specific methods for the development of intelligent and low cost multiphase flow measurement system for oil well are presented.

multiphase flow; online measurement; multiphase test; virtual measurement; developing trend

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2017.02.04

TP3

A

1672-9129(2017)02-0021-07

2016-11-13；

2016-12-25。

張絲雨(1993-)，女，天津，碩士研究生，主要研究方向：采油工程及工業(yè)計(jì)量。

Email：723153532@qq.com

引用：張絲雨, Henry Miao, 吳浩達(dá), 等. 油井多相流計(jì)量技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 數(shù)碼設(shè)計(jì), 2017, 6(2): 21-27.

Cite：Zhang Siyu, Henry Miao, Wu Haoda, et al. Research Progress on Multiphase Flow Measurement Technology of Oil Wells [J]. Peak Data Science, 2017, 6(2): 21-27.