國內外發展現狀
國內外多相流量計早在20世紀60年代就曾進行過研究，但由于當時的技術條件限制，未獲得可供應用的成果。近年來，相關流量測量技術、計算機自動控制和數據處理技術的發展，刺激了多相流測量技術的開發與研究，美國、挪威、法國、英國、俄羅斯等國家的一些大石油公司，相繼投人大量的人力、財力進行多相流量計的研制和開發，并建立了一批多相流檢定裝置，使得這一技術獲得實質性的進展，研制出一批可供生產應用的試驗樣機。當然就目前來說，大多數的測試技術僅局限于實驗室研究，為數不多的商品化的多相計量儀表在工業應用中也存在著一定的局限性，并且造價昂貴。
從計量方式看，多相流量計可以分為全分離式、取樣分離式和不分離式三種。
全分離式多相流量計是在井液進入計量裝置后行氣液分離再分別計量氣液兩相的流量，測出液相的含水率，求出油氣水各相含量。其典型代表為Texaco公司研制的SMS多相流量計，它是較早用于現場測試的一種多相流量計，它是將流體分成氣、液兩相，然后用流量計液相測液體流量，用微波監測儀計量液相的含水率，氣相用渦輪式流量計計量。目前其計量精度是，含水率精度±5% 、油和水流量精度±5%、氣體流量精度±10%。
取樣分離式多相流量計是在計量多相流總流量和平均密度的基礎上，提取少量樣液加以氣體分離，并測定油氣水各相的百分含量，通過計算獲得油氣水各相的流量。其中Euromatic公司開發的多相流量計較有代表性，它是用于現場測試的一種多相流量計，它由透平式流量計和γ密度計組成。透平式流量計用來測量流體的體積流量，γ密度計測量流體的密度。透平式流量計附近裝有旁通管線用于分離液體測取密度。
不分離式多相流量計是在不對井液作任何分離的情況下實現油氣水三相計量，是多相流量計的發展主要方向。其技術難度主要體現在油氣水三相組分含量及各相流速的測定。目前，相流速測量技術主要有混合+壓差法、正排量法和互相關技術，其中互相關技術應用最多。Framo公司的多相流量計、Kongsberg公司的MCF多相流量計、Multi-fluid公司的LP多相流量計都屬于這種類型。
目前由于技術水平的限制，多相流量計尚存在一些問題。① 現有大多數多相流量計都需要測量若干數據后，再根據這些數據計算出各相的流量，使計量精度受到很大影響，目前市場上大多數多相流量計在大部分流態下各相的測量誤差為±10%；② 所有目前用于多相計量的技術都要求必須掌握流體的特性，如介電常數、質量吸收系數等，才能比較精確地計量。如果流體特性出現變化或多相流量計用于多井計量，必須頻繁地評價和標定多相流量計的傳感器；③ 目前市場上幾種主要多相流量計的適用含氣率為0.9～1.0，隨著含氣率的增加，液相的計量精度將受到影響；④ 多相流量計普遍采用像微波等輻射源，而有關法規對使用輻射源有嚴格的限制；⑤現有的多相流量計標定設施只能較好地標定組分測量儀器，而對流速測量尚未有令人滿意的標定方法。此外，很多情況下是采用計量分離器來標定，由于計量分離器計量不準確，標定也就沒有實際意義。
在國內，從20世紀90年代初，西安交通大學、清華大學、天津大學、浙江大學和石油大學等都在積極地開展油氣水多相流量計的開發研制工作，雖取得了一定的進展，但還處在實驗研究階段，離工業應用還有一定的距離。
總的來說，多相流量計正處于研究和開發應用階段，但可預計多相流量計在沙漠和海上油田及陸上邊際油田將有很好的應用前景，我國應加速這方面的研究。
多相流量測量的基本原理
在油氣混輸管線中，油井產出的原油、伴生天然氣和礦化水形成了一種相態和流型復雜多變的多相流，是一個多變量的隨機過程。一般地，多相流量計需要用以下的參數來計算各相流量：①各相在管道截面上所占據的面積A1；②各相的流速Vi；③各相的溫度Ti和壓力Pi。各相的體積流量可根據下式計算：
Qi＝AiV1 （1）
式中Qi――各相的體積流量
根據各相的溫度Ti和壓力Pi，利用狀態方程可以將實際狀況下的體積流量轉換成標準狀況下的體積流量。根據實際情況，我們可以得到以下的關系式：
A＝Ao+Ag+Aw （2）
（3）
（4）
上述式中 A――管道截面面積；
Ao――油相所占的面積；
Ag――氣相所占的面積；
Aw――水相所占的面積；
αg――管道中油氣水三相流的截面含氣率；
αw――油水混合液中的含水率。
綜合上述四式，油、氣、水三相在實際狀況下的體積流量Qo、Qg、Qw可以分別由下列計算式求得：
Qo＝VoA（1－αg）（1－αw） （5）
Qg＝VgAαg （6）
Qw＝VwA（1－αg）αw （7）
由此可見，油、氣、水三相在實際狀況下的體積流量的測量可以通過對各相流速、油、氣、水三相截面上的含氣率和含水率等流動參數的在線監測來實現。
多相流計量中的復雜因素和關鍵技術
1 復雜因素
精確計量多相流的難度要比單相計量大得多。單相計量可通過測得壓力、流動粘度、壓縮性和測量裝置的幾何尺寸來測得流量。如果在多相流動中，每相的變化都是相同的，那處理起來要方便些。但多相計量在以下幾個方面與單相計量作用方式存在著差異：
（1）各相并非混合均勻。水與油混合的不好，氣體與液體分離。
（2）各相以不同的速度流動，各相之間存在著界面效應和相對速度，相界面在時間和空間上變化比較大，對于液相和氣相以不同的速度流動是正常的。
（3）混合是不規則的。各相混合時，結果難以預料，粘度和總量會發生變化。
（4）相與相之間的相互作用。氣體能從溶液中析出或者溶解在液體中，蠟和水溶物將在流體中沉淀。
（5）流動狀態非常復雜，特征參數也比單相流系統多，它取決于各相之間的相對速度、流體特性、管路結構和流動方向。
為解決以上難點，關鍵所在是建立合理的測量模型，重視特征參數的選取，選用可靠的儀器，應用的數據處理方法。
2 關鍵技術
由多相流測試的原理分析可知，其技術的關鍵有兩點：一是應將三相視為液相總量和氣相兩相計量，二是進行液相組分測量。
將油氣、水視為氣。液兩相流，測試方法主要有：
（1）相關法。互相關測量方法是多相流量計中使用比較普遍的一種方法，幾乎一半以上的多相流量計都使用了這種技術。互相關流量測量是基于兩個隨機信號之間統計相似性的測量，互相關流量計由上游傳感器、下游傳感器和互相關器等組成。當流體從管道中流過時，沿管道軸向相隔距離為L的兩點上安裝的上下游傳感器，在各自的測量點上從流動的非均勻流體中檢測到兩個在時間上相差τo的流動噪聲信號。建立兩信號的互相關函數，進而求出τo，則可得平均流速V＝L/τo。
（2）混合測量法。將油、氣、水三相在靜態混合器中進行混合，然后使氣和液以相同速度進入文丘利管。文丘利管的基本原理是：當管路中液體流經文丘利管時，液流斷面收縮，在收縮斷面處流速增加，壓力降低，使文丘利管前后產生壓差。在選擇一定的文丘利管時，液體流量越大，它流經文丘利管產生的壓差也就越大，因而可以通過測量壓差來計量流量的大小。
（3）核磁共振法。核磁共振法的實質就是核對射頻能的吸收。在氣、液兩相流測量中，由于核磁共振信號強度與空隙率成線性關系，故在各種流型下均能精確測量空隙率。核磁共振法能夠測量平均流速、瞬時流速、流速分布等。其具有非接觸測量，與被測流體的電導率、溫度、粘度、密度和透明度等物性參數變化無關等特點。
通過對相分率的測量，再與前面提到的流速測量技術相結合，便可得到每一相的流量。測量組分的辦法主要有：
（1）微波衰減測量法。這是一種測量含水率的基本技術，這種技術的基本原則是流體中對微波能量的頻率響應取決于液體中的含水率。在這種多相流量計中，一般由以下基本部件組成：發射儀、天線、探測器。通過探測器測量井液對儀器所發出微波信號的吸收來確定并液流體中水的含率。
（2）伽馬源吸收測量法。伽馬源吸收測量法利用了流體的物理特性，即在不同流體中有不同的伽馬源吸收特性。這一特性與混合物的密度有關，利用這種方法可以確定氣液流體中的氣分率。在油、氣、水三相流體中，通常使用雙能伽馬射線來確定油、氣水含率。另外，在一些正在研制的多相流量計中，則使用了三能或多能伽馬技術來確定組分含量。
（3）電介質特性測量法。現在一些多相流量計應用了連續波、振蕩和單頻率的原理，用頻率小于15GHz的電磁波技術來測量電介質常數，與傳統的電容測量系統相比，電介質測量應用范圍更加廣闊，并能提供一些附加信息。物質的電介質常數與物質的折射指數有關，電介質常數是描述物質電磁性能的參數之一。由于水的電介質常數與油的電介質常數相差很大，因此用測量電介質常數的方法來確定油和水相分率是很有發展潛力的一種方法。
（4）短波持水率計。工作頻率為幾十兆赫，在集流狀態下，該儀器能在0%～99%的持水率范圍內有靈敏度，測量精度為±10%，但測量受水的礦化度影響。
如何組合上述測試方法，是研制具有通用性、經濟性和高精度多相流量計的關鍵。
多相流量計的應用情況
近幾年來，多相流量計的應用逐年增加，根據2000年的資料，全年共投入807臺，其中陸上542臺，海洋平臺210臺，海底為55臺。國外早期開發多相流量計的主要目的是為了大幅度降低近海油田的開發成本。從實際使用效果來看，多相流量計應用于海底的經濟效益遠大于陸上和海上平臺，因為海底多相流量計可以更大幅度地降低油田的開發成本。但實際海底應用多相流量計遲于陸上和海上平臺，數量相對較少，原因是多方面的，主要是海底多相流量計的價格、安裝成本、操作和失效維護成本都比較高，大大增加了其應用的風險程度,同時海底應用要求多相流量計的質量更加可靠，應用也就比較謹慎，但海上的應用前景是比較樂觀的。
國內海默公司的多相流量計首先在新疆塔里木石油會戰指揮部的塔中油田、輪南作業區等安裝，與傳統的三相分離器分離、單相計量系統現場實液對比，收到了很好的效果。目前已在大慶油田和勝利油田相繼進行了現場實液多相流測試和實驗，進行綜合性能評價，相信在不久的將來就會有測試報告公布于眾。
總之，多相流量計是一項計量科學的前沿，具有很大的技術難度。目前所有的多相流量計采用的技術都有長處和不足，從大量的試驗數據分析，沒有一種多相流量計能在所有流量組分和流態條件下對多相流準確計量，都有一定的使用范圍和使用條件的要求，在合適的流態條件和流量及組分范圍內，多相流量計能達到的各單相流量的計算準確度為5%～10%。總的來看，多相流量計正處在研究和開發應用階段，但可預計多相流量計在沙漠油田和海上油田將有更好的應用前景，相信石油工業的廣闊市場激勵著廣大科技工作者努力拚搏，不久的將來就會有性能更好的多相流量計推向市場。
參考文獻
1 郭殿杰，多相流測量在石油工業中的應用前景，國外儀器儀表.1997.
2 王世緒，三相不分離多相流計量計的軟硬件設計，儀表技術與傳感器.2000.
3 王曉東，石油多相流量計研究現狀與發展趨勢，油氣田地面工程.1999．
