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S_i；②各相沿管道軸線的流速V_i；③各相的溫度t_i和壓力P_io各相在實際狀況下的體積流量根據以下公式計算：

    Q_i=V_iS_i      （1）

    根據各相的溫度t_i、壓力P_i，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。設管道截面的總面積為S_o，其中油相所占據的面積S_p，氣相所占的面積為S_G，水相所占的面積為S_W；設管道中油氣水三相流的截面含氣率為H_G。油水混合液中的含水率為H_W。我們可以得到以下的關系式：

    S_o=S_p+S_G+S_W                 （2）

    H_G=（S_G/S_o）×99%          （3）

    H_W=[S_W/（S_p+S_W）]×l00%     （4）

    綜合式（1），（2），（3）和（4），油、氣、水三相在實際狀況下的體積流量Q_p，Q_G，Q_W可以分別表示為：

    Q_p=v_pS_o（1-H_G）（1-H_W）      （5）

    Q_G=v_pS_oH_G                        （6）

    Q_W=v_WS_o（1-H_G）H_w               （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、流量截面上的含氣率和含水率等流動參數的在線監測來實現。

    多相流量計的標定及測量技術

    1 標定

    任何一種多相流量計在成為商品推向應用市場之前，都必須對其進行綜合測試和評價，標定出其精度，并在現場運行期間定期地進行檢定。目前，英國、法國、挪威和美國等發達國家都投入大量的資金建造了一定規模的多相流測試和計量裝置，來進行多相流測試標定技術方面的試驗和理論研究。國內也相繼建立了一些規模相對較小的裝置，如大慶油田工程設計技術開發有限公司的油氣水多相流量計現場實液測試校驗裝置等。

    英國國家工程實驗室從1991年開始建造油氣水三相流量測試和標定裝置，1994年建成。目前，它是世界上一個具有標準的多相流量計標定裝置，具有較高的度和性。該裝置具有功能齊全、測量范圍寬、準確度高、儀器設備等優點，是油氣水多相流量計標定和多相流測試研究的綜合性試驗裝置。1996年，大慶油田工程設計技術開發有限公司建造了一套DN50型油氣水多相流量計現場實液測試校驗裝置，它直接采用油井采出液配制實驗介質，并通過了國家計量科學研究院的鑒定。此后，該裝置不斷得到改進，并采用了英國NEL的一些技術方案。現在，這一裝置已得到國內外同行的認可，在圍際多相流計量領域已具有了一定的技術特色和度。

    此外，法國IFP石油研究院也建造了一套油氣水多相流量測試裝置，主要用于多相流模擬試驗及多相流量計、多相混輸泵原理樣機的半工業化性能測試。挪威HYDRO石油公司研究中心的高壓多相流實液測試標定裝置是目前世界上一套高壓多相標定裝置，具有壓力高、規模大、量程寬等特點。美國Conoco多相流標定裝置也是一種采用原油、天然氣、產出水為介質的現場實液標定裝置。另外，挪威HYDRO公司和Framo公司的油氣水多相流標定和流量測試裝置主要用于各自產品的出廠校驗。總之，這些多相流測試標定裝置現已成為試驗研究多相流工藝參數和多相流計量技術的重要手段之一。

    2 相分率測量技術

    由于多相流流型復雜多變，不同的流型形成不同體積分數的相分布，各相間存在的相對速度形成不同的速度分布，因此要進行多相流量計量，必須測量油氣水三相的相分率和分相速度。相分率參量是表征多相流的重要參量，但該參量的測量是多相流測試的難點。相分率只能通過油氣水多相流的物性測試確定。當前，相分率的測量尚沒有統一的方法，采用的主要方法有射線吸收法、電學法和微波衰減法。

    （1）射線吸收測量相分率技術。射線穿過多相流體時受到流體吸收，吸收的程度與多相流的密度有關。根據射線的吸收程度，可得出流體混合物的密度，進而計算出多相流的各相分率。

    （2）電法測量相分率技術。在大多數情況下，氣液相混合物中兩相介質的介電常數和電導率差別很大，利用這種性質可測量出混合物中的氣液相分率。根據測量原理，電學法可分為電容法和電導法，其中電容法由于沒有易損件而獲得廣泛應用。通常浸在氣液混合物中的二電極可視為一個電容器。電容值的大小與混合物的介電常數有關，而介電常數是氣相介電常數、液相介電常數和氣相分率的函數，因此測量電極間電容值的大小，就可以得到混合物的氣相分率。

    （3）微波衰減法測量含水體積分數。微波衰減法主要用于測量含水體積分數，因為某一固定頻率的微波經過不同含水體積分數的液相，可以產生不同的衰減，亦即衰減幅度與含水體積分數有關。微波衰減法能夠適應很寬的含水體積分數測量范圍，在低含水（＜25%）和高含水（＞75%）的工況下，測量精度更高。

    3 流速（或流量）測量技術

    流速（域流量）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（如靜態混合器）預先將多相流混合物混合均勻，按均相流模型―單相流處理，測量均勻混合物的流速。原則上，單相流速的測量方法如節流法、容積法等，皆適用于均勻混合物流速的測量，但當前多相流量計多采用文丘利管法測量均相混合物流速。分相流測量法根據測量原理的不同，主要有相關法、節流法和容積法。

    （1）相關法。沿多相流管道相隔一定距離布置2個特性相同的傳感器，分別檢驗多相流相分率和相空間分布等變化的隨機流動噪聲信號。根據相關技術確定上下游噪聲信號的渡越時間，即可求得相關速度。多相流相分率及壓力信號可作為流動噪聲信號進行相關處理。常用傳感器有測量相分率信號的γ射線和電容/電導傳感器及測量壓力信號的壓力變送器等。當前超過半數的多相流量計采用相關分析設計。通常用于相關分析測量的參量也用于相分率推算。該方法的優點是只有信號中的交流成分作為信息用于相關函數中，對熱力影響和零點漂移不敏感。

    （2）節流法。流體通過節流件（如孔板、文丘利管和噴嘴）時會產生壓降，由多相流量與壓降的關系即可測得多相流量。文丘利管法就是當前使用最多的多相流量測量法。文丘利管結構簡單，體積小，維護方便。

    多相流量計的應用
    
    多相流計量可分為取樣計量和直接在線計量兩種方法。取樣計量一方面測量主管線內混合物的體積流量和密度，另一方面由一個微型氣液分離器從主管線上取樣并將其分離成氣相和液相，然后由伽馬密度儀測量出液相中的油、水各自的密度；同時結合溫度和壓力測量，以此間接計算出油、氣、水各相的體積流量。這種計量技術始于1980年，目前有被直接在線計量技術所取代的趨勢。

    直接在線計量是利用內在的流體性質獲得各相的流量，因而沒有設備對流體的干擾和對出油管線進行大的改造。直接在線計量主要有混合均質式、容積式、脈沖中子束觸激式和組合式等。

    1 福蘭墨公司的MPFM型多相流量計
    
    這種多相流量計由在線靜態混合器、多源伽馬組分計和文丘里動量計三部分組成。混合裝置使計量系統不受上游流態的影響并為計量段提供均質流。多源伽馬計由一個伽馬同位素和一個耐震探測器構成，用來確定油、氣、水各自的體積百分數。油、氣、水各自的組分水嶺根據不同伽馬能的相對衰減程度計算求得。文丘里流量計與伽馬組分計相結合，獲得油、氣、水各自的流量。

    2 Fluent公司的MPFM 1900型系列多相流量計
    
    MPFM 1900型計量系統由測量流體介電常數（電容率）及氣液各相流速的電容傳感器和傳感器電子計、測量流體密度的伽馬密度計、執行數據分析的計算機和將傳感器電子計、伽馬密度計連接至計算機的電纜等組成。電容傳感器探測油氣混合物中是否有大、小氣泡高速流過，以此確定流態，然后分析計算和測定流體的流速。流體密度和介電常數分別由伽馬密度計和電容傳感器確定。Fluenta公司多相流量計的主要特點之一是，它有一套的軟件程序。

    3 Multi-Fluid公司的LP和FR型多相流量計
     
    這種多相流量計的主體結構由兩個獨立的儀表組成，其中一個為組分計，用于測量傳感器中油、氣、水瞬時體積或質量分數；另一個為速度計，用于測定油、氣、水混合物通過傳感器的速度。該流量計確定油、氣、水間相對分布的方法類似于Fluenta公司的流量計。流量計長66.7cm（26.3in），公稱直徑101.6mm（4in），額定壓力ANSI600。它無可動部件，殼體由316L不銹鋼制成，重約100kg。FR型多相流量計是在LP型多相流量計的基礎上研制的。它以微波技術為基礎，由組分計，伽馬密度計和1個或2個流速計組成。組分計從混合物密度和介電常數中獲得油、氣和水各相的體積流量，其中混合物的介電性質由微波監測技術測得。1994年，FR型流量計樣機分別在Elf石油公司的Peeorade油田和Statoil的Gullfaks油田進行了試驗。1995年3~6月又在Hydro公司所屬的波爾斯格論研究設施上與其它3家公司（福蘭墨、Fluenta和KOS）的流量計一同進行試驗。LP型多相流量計已得到了Statoil對其在油井計量方面的質量認證，1套152.4mm裝置將近期在Gullfaks安裝使用。1995年初Saga石油公司在Snorre平臺投產了這種型號的多相流量計。

    4 KOS公司的MCF型多相流量計
    
    近年來，挪威KOS公司與Norske殼牌公司聯合開發出 MCF350型和MCF351型兩種多相流量計，其中，MCF351型是前者的改型產品。MCF351型多相流量計系統由一個不銹鋼雙法蘭短節、EX級信號處理電子裝置和一個以PC機為主的控制裝置組成。PC機用來計算和顯示計量結果。目前，MCF351型多相流量計只能在氣團流態下使用。但是，將操作范圍擴大至其它流態（諸如層狀流、沖擊流、氣泡流和環狀流）的開發工作正在進行中。

    5 ISA公司的Scroll Flo型多相流量計
    
    這種多相流量計由英國BP開發研制，ISA公司生產。它是根據的容積式計量原理，同時結合密度測量，以此得出油、氣、水混合物各相的質量流量。

    6 AGAR公司的MPFM-301型多相流量計
    
    MPFM-301型多相流量計主要由2PFM-201流量計和OWM-201微波含水分析儀兩部分組成，其中前者為一種氣液兩相流量計，用于測量從泡流至塞流所有流態中的氣體流量和液體流量，后者由一個2kHZ的微波變送器和一個接收器構成。

    7 AEA技術公司的脈沖式多相流量計
    
    這種多相流量計安裝在管線的外側，這樣就不會對管線內的混合物產生干擾。該流量計采用一個脈沖中子束對通過管線的氫原子、碳原子和氧原子進行計數，以此測出氣體、液體和固體的體積。混合物中的含水量通過對氯原子的計數求得。輻射短脈沖“觸激”氧原子，同時計量以此測出混合物的流速。將兩種測量結果相結合便可精確地計算出管線內的流量。

    多相流量計存在的問題
    
    目前，由于技術水平的限制，多相流量計尚存在一些問題。

    （1）現有的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，標定沒有實際意義。
      
    多相流量計的選擇
    
    目前國際上衡量多相流量計好的標準主要有：①是否通過機構的第三方試驗室的測試和評價；②是否通過公正、獨立的工業現場對比測量；③是否經過長期的和批量化的工業性實驗。

    不同測量原理的多相流量計有不同的適應工況，選型時應綜合考慮以下因素：
    
    （1）安裝位置，包括陸上、海上平臺、水下等，水下測量應選用電學法測量多相流量計。   
    （2）流體物性，原油黏度、乳化、起泡、水含鹽量等物性是主要考慮因素，具體選擇方案見表1。

    表1 流體物性對多相流量計選型的影響

液體物性適應流量計（測量方法）不適應流量計（測量方法）高黏原油微波衰減法，雙能γ密度儀，電容法相關流量計乳化原油雙能γ密度儀，均相流法電容/電導法，相關流量計起泡原油雙能γ密度儀相關流量計水含鹽體積分數已知微波衰減法，雙能γ密度儀，電容法電導法水含鹽體積分數未知微波衰減法，多能γ密度儀電容/電導法，雙能γ密度儀

    （3）流動工況，含氣體積分數和含水體積分數的高低是影響精度的重要因素。高含氣工況應考慮先部分分離天然氣，再進行多相計量；高含水了況，應選用微波衰減法測量含水體積分數；低含水下況應選用電容法或微波衰減法測量含水體積分數，顯然用射線吸收法和電導法測量含水下況是不適宜的。 

    （4）測量不確定度，多相計量的復雜性使多相流量計至今尚沒有統一的精度等級，因此選用前應針對具體的流動工況和流體物性進行標定。

    （5）應參考第三方試驗室的結果及現場使用情況，實踐證明，經過長期、批量化工業性實驗的多相流量計產品，在今后的使用中可以大大降低使用風險。

    （6）要重視多相流量計的售后服務工作，售后服務包括現場安裝，調試，試運行，定期的維護和定期標定以及出現問題后的及時解決等。實踐證明，多相流量計是一種實證產物。從某種意義上說，多相流的不可確定性和復雜性，決定了多相流量計在實際使用過程中出現問題的可能性比常規儀表要大，問題的復雜性往往也較大。這就要求廠商能夠提供高水平的、及時而優質的售后服務，同時售后服務的費用又不能過高。這一點在選擇多相流量計時，也應該作為一個重要的因素認真考慮。

    （7）在重視多相流量計測量精度的同時還要重視其重復性和穩定性，多相流量計的測量精度是一個比較復雜的問題，它包括在實際操作條件下及適用范圍內氣相流量、液相流量、含水率、含氣率等的測量精度和測量范圍等多個指標，而這些指標又都是有前提條件并互相關聯的。對于廠商標明和聲稱的精度，我們的工程技術人員要做認真科學的分析，以便得出一個正確的判定。也正是由于多相流的復雜性和不可確定性，我們對多相流的測量精度不能過于苛求，并且要允許存在超差。當然，對超差比例一定要盡可能地控制在極小范圍內。正因為這樣，多相流量計目前只用作井口計量而不是用在商業計量上。在使用上既要關心測量精度，又要重視多相流量計的重復性和穩定性。另外，對于由操作條件變化、物性變化或者測量范圍變化帶來的對測量精度的影響程度，也應要求廠商給予說明，多相流量計是否需要現場標定，如何進行，也要進行了解。
          
    發展趨勢
      
    多相流量計作為一種全新的計量設備，它的出現已引起世界石油工業界的高度重視。與傳統的計量分離器相比，它的優勢是顯而易見的，在海上和陸上油田開發中具有廣闊的應用前景。但多相流量計作為一種新技術、新產品，用的時間比較短，世界各大石油公司對其采用的是一種邊研究、邊驗證。邊推廣使用的方法；同時各個生產廠家的產品因其測量機制不同，而又有各自的適用范圍，國際上至今沒有一套統一的標準和規范，在使用中難免會出現一些問題，存在一定的風險，當然這是任何新產品在應用推廣時都會遇到的。對多相流量計的研究還是一項長期的工作，今后其發展趨勢是：
    
    （1）智能式。要確保測量模型和方案的正確性，需重視特征參數的選取。由于多相流動狀態的不確定性及不穩定性，為了確保多相計量的準確性，應用智能化的測量方法進行數據處理，特別是應用模糊數學理論、人工智能技術、網絡技術及小波分析理論。    
    （2）組合式。組合式一方面是指功能上的組合，例如將流速表和組分表組合起來使用；另一方面是指組合多種方法和技術來完成一種功能。盡可能地應用單相計量和氣、液兩相流動測試比較成熟的方法和技術，為實現在線實時計量，應滿足信號連續采集。為適應數據實時處理，應與計算機合為一體。可操作性強。    
    （3）通用性。目前的多相流儀表的測量范圍受到很多限制，如受含氣率、含油率、含水率、勁度、鹽度等的影響。因此，開發和研制大范圍的多相流儀表勢在必行，增加其通用性。同時，應建立比較完善的檢測裝置，對多相流量計進行標定，保證準確性。    
    （4）經濟性。降低成本，加快工業化進程。在進行實驗室研究工作后，需做大量的工作，尤其是現場實驗，因為在實驗室有許多方面沒能考慮到，這是應該注意的。
                  
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